半導体の欠陥評価方法
【課題】ワイドバンドギャップ半導体などの光応答性の低い試料においても、精度の高いＣＰＭ測定が可能となる測定方法を提供する。
【解決手段】ＣＰＭ測定の際、ワイドバンドギャップ半導体などの光応答性の低い試料に光を照射することで生成される光励起キャリアを、試料に設けられた測定用の２電極に加えて設けられた第３の電極に正のバイアス電圧を印加することにより瞬時に追い出す。光励起キャリアが追い出されることにより、光電流値の制御性が高まり、光応答性の低い試料においても精度よくＣＰＭ測定を行うことができる。
【解決手段】ＣＰＭ測定の際、ワイドバンドギャップ半導体などの光応答性の低い試料に光を照射することで生成される光励起キャリアを、試料に設けられた測定用の２電極に加えて設けられた第３の電極に正のバイアス電圧を印加することにより瞬時に追い出す。光励起キャリアが追い出されることにより、光電流値の制御性が高まり、光応答性の低い試料においても精度よくＣＰＭ測定を行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はワイドバンドギャップ半導体において、ＣＰＭ測定装置を用いた半導体の欠陥評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶テレビに代表される表示装置にはアモルファスシリコンを用いたトランジスタが用いられて来たが、トランジスタを作製するために、シリコン半導体に代わる材料として酸化物半導体が注目されている。例えば、アクティブマトリクス型の表示装置におけるトランジスタの活性層として、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む非晶質酸化物を用い、該非晶質酸化物の電子キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３未満としたものが開示されている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、酸化物半導体を用いたトランジスタにはいくつかの問題がある。その一つは特性の不安定性であり、可視光および紫外光を照射することでしきい値電圧が変化することが指摘されている（非特許文献１参照。）。また、トランジスタの信頼性の面では、バイアス−熱ストレス試験によって特性が変化してしまうという問題が指摘されている（非特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｐ． Ｂａｒｑｕｉｎｈａ， Ａ． Ｐｉｍｅｎｔｅｌ， Ａ． Ｍａｒｑｕｅｓ， Ｌ． Ｐｅｒｅｉｒａ， Ｒ． Ｍａｒｔｉｎｓ， Ｅ． Ｆｏｒｔｕｎａｔｏ、「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＵＶ ａｎｄ ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ＴＦＴｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ ３５２ （２００６） １７５６−１７６０
【非特許文献２】Ｋｗａｎｇ−Ｈｅｅ Ｌｅｅ， Ｊｉ Ｓｉｍ Ｊｕｎｇ， Ｋｙｏｕｎｇ Ｓｅｏｋ Ｓｏｎ， Ｊｏｏｎ Ｓｅｏｋ Ｐａｒｋ， Ｔａｅ Ｓａｎｇ Ｋｉｍ， Ｒｉｎｏ Ｃｈｏｉ， Ｊａｅ Ｋｙｅｏｎｇ Ｊｅｏｎｇ， Ｊａｎｇ−Ｙｅｏｎ Ｋｗｏｎ， Ｂｏｎｗｏｎ Ｋｏｏ， ａｎｄ Ｓａｎｇｙｕｎ Ｌｅｅ、「Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｎ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｂｉａｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ Ｇａ−Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ９５， （２００９） ２３２１０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体の欠陥評価方法の一つとして、一定光電流測定法（ＣＰＭ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）が知られている。
【０００７】
ＣＰＭ測定は、試料に設けられた２電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射する光量から吸光係数を導出することを各波長にて行うものである。ＣＰＭ測定において、試料に欠陥があるとき、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー（波長より換算）における吸光係数が増加する。この吸光係数の増加分に定数を掛けることにより、試料の欠陥密度を導出することができる。
【０００８】
ＣＰＭ測定では、安定した光電流を得るために、波長ごとに光電流が一定になるまで測定を繰り返し続けるというシーケンスを用いている。ところが、測定する対象によっては一定した光電流が得られるまでに膨大な時間を有する場合があった。また、測定の時間を短縮すると、測定の精度が低くなる場合があった。
【０００９】
酸化物半導体は、バンドギャップが３ｅＶ程度あり、ワイドバンドギャップ半導体の一つである。可視光領域において透光性を有するものであるが、酸化物半導体を用いたトランジスタは、バンドギャップ近傍もしくはそれ以上のエネルギーの光が照射されると、しきい値電圧が約１０Ｖも変動してしまうことが指摘されている。
【００１０】
酸化物半導体を用いたトランジスタの光照射による特性変化は、酸化物半導体の光応答性が低いことに起因する。光応答性が低いとは、酸化物半導体に対して光照射を行うことによって生成したキャリア（光励起キャリア）が、再結合し消滅するまでに非常に長い期間を要することをいう。程度の差はあるが、ワイドバンドギャップ半導体であれば一般的に光応答性が低いことが知られる。
【００１１】
上述したように、ワイドバンドギャップ半導体の光応答性が低いことに起因して、ＣＰＭ測定が困難となる。即ち、光照射を止めた状態でも光電流が流れ続けてしまうため、ワイドギャップ半導体におけるＣＰＭ測定では、光電流値を一定にすることが困難となる。その結果、ワイドギャップ半導体に対し、ＣＰＭ測定を精度よく行うことができない。
【００１２】
そこで、本発明の一態様は、光応答性の低いワイドバンドギャップ半導体においても、ＣＰＭ測定による精度の高い欠陥密度の測定を可能とすることを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様に係るＣＰＭ測定方法は、ＣＰＭ測定の際、光応答性の低い試料に光を照射することで生成される光励起キャリアを、試料に設けられた測定用の２電極の他に設けられた第３の電極に正のバイアス電圧を印加することにより瞬時に低減する。
【００１４】
第３の電極に正のバイアス電圧を印加することによって光励起キャリアが低減されることにより、光電流値を一定にしやすくなり、光応答性の低い試料も精度よくＣＰＭ測定を行うことができる。
【００１５】
通常、ＣＰＭ測定は、生成される光励起キャリアの影響を低減するために、光照射および遮光を一定周波数で切り替える仕組みを持つ。即ち、光照射したときに生成された光励起キャリアを、遮光した際に低減させている。しかしながら、ワイドバンドギャップ半導体など、光応答性の低い試料にこの仕組みを適用しようとすると、光励起キャリアが低減するまでに数秒から数時間もかかってしまい、測定時間が途方もなく長くなってしまう。
【００１６】
そこで、遮光するとともに正のバイアス電圧を印加し、光応答の影響を低減してＣＰＭ測定を行うことで、遮光する時間を短くでき、高速かつ精度の高いＣＰＭ測定が可能となる。
【００１７】
そのためには、バイアス電圧を印加するための第３の電極を試料に設ける。
【００１８】
また、ＣＰＭ測定装置は、通常２端子を用いるが、第３の電極にバイアス電圧を印加するための第３の端子および電源を有する。
【発明の効果】
【００１９】
光応答性の低いワイドバンドギャップ半導体においても、高速で、精度の高いＣＰＭ測定が可能となる測定方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一態様に係るＣＰＭ測定方法を説明するフロー図。
【図２】本発明の一態様に係るＣＰＭ測定装置の模式図。
【図３】本発明の一態様に係るＣＰＭ測定用試料の上面図および断面図。
【図４】本発明の一態様に係るＣＰＭ測定用試料の上面図および断面図。
【図５】酸化物半導体膜の光応答性を説明する図。
【図６】酸化物半導体膜の光応答性を説明する図。
【図７】酸化物半導体膜の光応答性を説明する図。
【図８】酸化物半導体膜の光応答性を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【００２２】
電圧は、ある電位と、基準の電位（例えばグラウンド電位）との電位差のことを示す場合が多い。なお、電圧を電位と言い換えることが可能である。
【００２３】
本明細書においては、「接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在している場合だけのこともある。
【００２４】
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
【００２５】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様であるＣＰＭ測定方法を図１を用いて説明する。
【００２６】
図１はＣＰＭ測定方法のフロー図である。ステップＳ１０１で測定開始し、ステップＳ１０２で測定条件（波長範囲、チョッパー周波数、定電流値）を任意に決定する。波長範囲、定電流値は、試料によって適宜選択すればよい。波長範囲は試料のバンドギャップなどから決定する。例えば、バンドギャップが２．５ｅＶ以上４．０ｅＶ以下の試料であれば、波長範囲は３００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下とすればよい。チョッパー周波数は、光照射および遮光の切り替え速度に対応する。チョッパー周波数は、試料の光応答性から選択すればよく、試料の光応答性が低い場合は低く、光応答性が高い場合は高く設定する。本発明の一態様を用いれば、光応答性が低い試料を用いても正のバイアス電圧の印加によって光励起キャリアを低減させることが可能なため、チョッパー周波数を高く設定できる。そのため、光応答性の低い試料でも高速で精度の高いＣＰＭ測定が可能となる。定電流値は予備測定によって前もって決定しておく。
【００２７】
定電流値の決定方法を具体的に示す。まず、測定を予定している波長範囲から任意の波長を数点選択する。任意の波長は、測定を予定している波長範囲において、なるべく偏りなく選択すると好ましい。次に、試料の２電極間に電圧を印加し、装置の最大光量近傍にて選択した各波長おける光電流値を測定する。得られた光電流値のうち、もっとも小さかった値よりも５％から３０％程度小さい電流値を定電流値に定める。
【００２８】
次に、ステップＳ１０３にて、試料の２電極間に電圧を印加する。電圧は例えば０．１Ｖ以上５０Ｖ以下とする。
【００２９】
次に、ステップＳ１０４にて初期の照射光量を決定する。初期の照射光量は、例えば、装置の最大光量とすればよい。
【００３０】
次に、ステップＳ１０５およびステップＳ１０６を繰り返し行う。ステップＳ１０５では、試料に光を照射し、光電流値の検出を行う。ステップＳ１０６では、遮光し、前述の２電極とは異なる、絶縁膜を介して試料に設けられた電極に正のバイアス電圧を印加する。ステップＳ１０５およびステップＳ１０６における光照射および遮光は、チョッパー周波数によって周期的に繰り返される。遮光時に、試料の第３の電極に対し、バイアス電圧を１μｓｅｃ以上１ｓｅｃ以下、好ましくは１００μｓｅｃ以上１００ｍｓｅｃ以下の範囲で印加する。このとき、バイアス電圧は、１Ｖ以上３０Ｖ以下とすればよい。正のバイアス電圧の印加により、試料から光励起キャリアを低減させることが可能となり、光電流検出精度を高めることができる。
【００３１】
次に、ステップＳ１０５で検出された光電流値が、ステップＳ１０２で決定した任意の光電流値の一定範囲内（例えば、プラスマイナス１０％以内）となっているかをステップＳ１０７にて判断する。検出された光電流値が、任意に決定した光電流値の一定範囲外（例えば、プラスマイナス１０％外）のとき、ステップＳ１０８にて照射光量を変更する。なお、ステップＳ１０７で判断する光電流値の範囲は、狭めるとＣＰＭ測定の精度が高まり、広げるとＣＰＭ測定の精度が下がる。ただし、ステップＳ１０７で判断する光電流値の範囲が狭いほど、光電流値の制御に時間が掛かり、ＣＰＭ測定の時間が長くなってしまう。ここで、本発明の一態様を適用すると、光応答による影響が低減され光電流値の制御が速やかに行われるため、ステップＳ１０７で判断する光電流値の範囲を狭めても（例えば、プラスマイナス５％、またはプラスマイナス２％）ＣＰＭ測定の時間を短くすることができる。即ち、短時間で精度よくＣＰＭ測定を行うことができる。
【００３２】
照射光量の変更には、減光（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタまたは／およびウェッジフィルタなどを用いればよい。
【００３３】
ステップＳ１０８にて照射光量を変更した場合、再びステップＳ１０５に戻り、光電流値を検出する。再び、ステップＳ１０５およびステップＳ１０６を繰り返し行う。検出された光電流値がステップＳ１０２で決定した任意の光電流値の一定範囲内（プラスマイナス１０％以内）となっているかをステップＳ１０７にて判断する。検出された光電流値が、任意に決定した光電流値の一定範囲外（プラスマイナス１０％外）のとき、ステップＳ１０８にて照射光量を変更する。これを、ステップＳ１０２で決定した光電流値の一定範囲内（プラスマイナス１０％以内）となるまで繰り返し行う。
【００３４】
ステップＳ１０７にて、検出された光電流値が、ステップＳ１０２で決定した任意の光電流値の一定範囲内（プラスマイナス１０％以内）と判断された場合、照射光量および波長を記録し、ステップＳ１０９に移り、任意の波長範囲の測定が全て行われているか判断する。任意の波長範囲の測定が全て行われていないと判断された場合、ステップＳ１１０にて照射光の波長を変更し、ステップＳ１０５に戻す。
【００３５】
これを繰り返し、ステップＳ１０９にて波長範囲の測定が全て行われていると判断されると、ステップＳ１１１に移り、ＣＰＭ測定を終了する。
【００３６】
以上がＣＰＭ測定方法の一例である。
【００３７】
本発明の一態様に係るＣＰＭ測定方法により、光応答性の低いワイドバンドギャップ半導体においても、高速で、精度の高いＣＰＭ測定が可能となる。
【００３８】
本実施の形態は、適宜他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。
【００３９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るＣＰＭ測定装置および試料構造について図２および図３を用いて説明する。
【００４０】
図２は、ＣＰＭ測定装置の模式図である。簡単のため、光の経路を矢印で、配線などを実線で示す。ランプ２０１から照射された光がモノクロメータ２０２、フィルタ２０３およびビームスプリッタ２０４を介して試料２０５に入射する。なお、フィルタ２０３が設けられない場合やフィルタ２０３が複数枚設けられる場合もある。ビームスプリッタ２０４では、光を透過および反射させ、透過光を試料２０５へ、反射光をフォトダイオード２１０へ、それぞれ入射させる。ただし、必ずしも透過光が試料２０５へ、反射光がフォトダイオード２１０へ入射するわけではなく、逆にしても構わない。
【００４１】
ランプ２０１として、例えばキセノンランプ、水銀ランプおよびハロゲンランプなどを用いればよい。なお、ランプ２０１として、前述のランプを組み合わせて用いてもよい。好ましくはキセノンランプを用いる。
【００４２】
モノクロメータ２０２は、広範囲の波長の光から狭い範囲の波長を取り出すことができれば何を用いても構わない。
【００４３】
フィルタ２０３は、ＮＤフィルタまたは／およびウェッジフィルタなどを用いればよい。また、それぞれのフィルタを複数種用意してもよい。こうすることで、照射光量の制御性を高めることができる。
【００４４】
フォトダイオード２１０に入射した光を電流に変えた後、ロックインアンプ２０９によって電流値を計測し、計算機２０８によって照射光量を見積もることができる。
【００４５】
試料２０５は、第１の電極、第２の電極および第３の電極が設けられており、そのうち第１の電極および第２の電極は直流電源２０６に接続される。なお、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方と直流電源２０６との間に抵抗が設けられる。抵抗には並列してロックインアンプ２０７が設けられており、光電流値を計測することができる。なお、得られた光電流値は、計算機２０８を介して、フィルタ２０３にフィードバックされ、光電流値が高すぎる場合、フィルタ２０３の透過率を下げ、照射光量を低減させる。また、光電流値が低すぎる場合は、フィルタ２０３の透過率を上げ、照射光量を増加させる。
【００４６】
なお、ロックインアンプ２０７およびロックインアンプ２０９は、入力された信号のうち、光の照射時に対応する信号を高感度で抽出し、出力する機能を有する。
【００４７】
試料２０５に設けられた第３の電極は、例えば高周波電源に接続する。特定のタイミングで、高周波電源から正のバイアス電圧を印加することで、試料から光励起キャリアを低減することができる。
【００４８】
ここで、試料２０５の上面図を図３（Ａ）に示す。また、図３（Ａ）における一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面Ａ−Ｂを図３（Ｂ）に示す。
【００４９】
試料２０５は、支持体２２０と、支持体２２０上の第３の電極２３３と、第３の電極２３３上の絶縁膜２２２と、絶縁膜２２２上のワイドバンドギャップ半導体膜２２３と、ワイドバンドギャップ半導体膜２２３上に設けられた対をなす第１の電極２３１および第２の電極２３２と、を有する。
【００５０】
なお、図３では、支持体２２０、第３の電極２３３、絶縁膜２２２およびワイドバンドギャップ半導体膜２２３は、側端をずらして図示しているが、これに限定されず、各層の側端が概略一致する構造としても構わない。
【００５１】
支持体２２０に大きな制限はないが、例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いればよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することも可能である。
【００５２】
なお、支持体２２０は、ワイドバンドギャップ半導体膜２２３が薄膜のときに必要となるが、ワイドバンドギャップ半導体膜２２３が他の構成物を支持するのに十分な強度を有するときは不要である。
【００５３】
支持体２２０として、金属板などの導電性材料を用いると好ましい。支持体２２０に導電性材料を用いることで、第３の電極２３３の機能を兼ねることができる。また、支持体２２０に導電性材料を用いることで、例えばＣＰＭ測定装置の試料ホルダを介してバイアス電圧を印加することが可能となり、測定および試料の作製が簡便になる。
【００５４】
第１の電極２３１および第２の電極２３２は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、ＰｔおよびＡｕ、それらの窒化物、酸化物ならびに合金から一以上選択し、単層でまたは積層で用いればよい。または、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、ＩｎおよびＳｎから選ばれた複数種の材料を含む透明導電膜を用いてもよい。好ましくは、ワイドバンドギャップ半導体膜２２３との界面に絶縁膜を形成しない材料を選択する。
【００５５】
第１の電極２３１および第２の電極２３２は、同一層かつ同一材料とすると試料の作製が簡便となり好ましい。
【００５６】
なお、第１の電極２３１および第２の電極２３２は、図３（Ａ）においては矩形としているが、この形状に限定されない。例えば、図３（Ｃ）に示す第１の電極２４１および第２の電極２４２のように、櫛歯状の形状としても構わない。このような形状にすることで、電極間距離を一定としつつ、電極幅を拡張させることができる。電極幅が拡張することで、試料のサイズを変更せず光電流値を増大させることができ、検出感度を増大させることができる。このほか、第１の電極および第２の電極の形状は、適宜変形して形成することができる。
【００５７】
第３の電極２３３は、第１の電極２３１および第２の電極２３２と同様の材料によって形成すればよい。
【００５８】
絶縁膜２２２は、絶縁性を有する材料であれば何を用いても構わない。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウムまたは酸化ジルコニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
【００５９】
ワイドバンドギャップ半導体膜２２３には、酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料など）、有機化合物、シリコン系化合物（炭化シリコンなど）、炭素系化合物（ダイアモンドなど）など、ＣＰＭ測定したい材料を用いる。
【００６０】
本実施の形態は、実施の形態１で示したＣＰＭ測定方法が実施可能なＣＰＭ測定装置および試料の作製方法である。本実施の形態で示したＣＰＭ測定装置または／および試料を用いることで、光応答性の低いワイドバンドギャップ半導体においても、高速で、精度の高いＣＰＭ測定が可能となる。
【００６１】
本実施の形態は、適宜他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。
【実施例１】
【００６２】
本実施例では、ワイドバンドギャップ半導体である酸化物半導体の光応答性の例について図４乃至図８を用いて説明する。
【００６３】
図４は、測定した試料の上面形状および断面形状である。図４（Ａ）に示す上面図において、一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面Ａ−Ｂを図４（Ｂ）に示す。
【００６４】
試料は、基板３００上の電極３０４と、電極３０４を覆う絶縁膜３１２と、絶縁膜３１２を介して電極３０４と重畳する酸化物半導体膜３０６と、酸化物半導体膜３０６と接する一対の電極３１６と、酸化物半導体膜３０６上の絶縁膜３１８と、を有する。
【００６５】
図４（Ａ）に示す一対の電極間距離Ｌは３０μｍ、電極幅Ｗは１００００μｍである。
【００６６】
基板３００はガラスを、電極３０４はタングステン膜を、一対の電極３１６はチタン膜を、絶縁膜３１２および絶縁膜３１８は酸化シリコン膜を、それぞれ用いた。
【００６７】
ここで、酸化物半導体膜３０６は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２）ターゲットを用い、スパッタリング法によって５０ｎｍの厚さで形成した。
【００６８】
以下に光応答の測定方法について説明する。
【００６９】
一対の電極３１６間に０．１Ｖの電圧を印加し、電極３０４は０Ｖとした。
【００７０】
次に、波長４００ｎｍの単色光を一対の電極３１６側から６００ｓｅｃ照射し、遮光した。遮光した状態で６００ｓｅｃ後、電極３０４に−２０Ｖのバイアス電圧を印加した。その後、遮光した状態で３００ｓｅｃ後、電極３０４に２０Ｖのバイアス電圧を印加した。図５乃至図８は、その間の一対の電極３１６間を流れる電流値と時間の関係である。ここで、図５（Ａ）はバイアス電圧を１ｈｏｕｒ印加したとき、図５（Ｂ）はバイアス電圧を１ｓｅｃ印加したとき、図６（Ａ）はバイアス電圧を１００ｍｓｅｃ印加したとき、図６（Ｂ）はバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ印加したとき、図７（Ａ）はバイアス電圧を１ｍｓｅｃ印加したとき、図７（Ｂ）はバイアス電圧を１００μｓｅｃ印加したとき、図８（Ａ）はバイアス電圧を１０μｓｅｃ印加したとき、図８（Ｂ）はバイアス電圧を１μｓｅｃ印加したときをそれぞれ示す。なお、簡単のため、図中ではバイアス電圧を印加中の電流値および時間は省略する。
【００７１】
図５乃至図８より、光照射によって２．５×１０−１０Ａから３．０×１０−１０Ａとなった電流値が、遮光後５．０×１０−１１Ａ程度まで低減し、その後、緩やかに電流値が低減していくことがわかる。
【００７２】
図５（Ａ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１ｈｏｕｒ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値が若干増加した。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１ｈｏｕｒ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１×１０−１２Ａ以下となった。
【００７３】
図５（Ｂ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１ｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値が若干低減した。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１ｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１×１０−１２Ａ以下となった。
【００７４】
図６（Ａ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１００ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１００ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１×１０−１２Ａ以下となった。
【００７５】
図６（Ｂ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は２．３×１０−１２Ａ程度となった。
【００７６】
図７（Ａ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は７．０×１０−１２Ａ程度となった。
【００７７】
図７（Ｂ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１００μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１００μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１．５×１０−１１Ａ程度となった。
【００７８】
図８（Ａ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１０μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１０μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１．８×１０−１１Ａ程度となった。
【００７９】
図８（Ｂ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は２．１×１０−１１Ａ程度となった。
【００８０】
以上に示したように、一対の電極３１６間を流れる電流値は、光照射後に急上昇し、遮光後ある程度まで低減するものの、測定開始時まで低減するにはかなりの時間が掛かることがわかる。
【００８１】
また、電極３０４に負のバイアス電圧を印加しても一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど低減（変動）しないが、正のバイアス電圧を印加することで一対の電極３１６間を流れる電流値が測定開始時近くまで低減することがわかる。即ち、酸化物半導体膜３０６で生成された光励起キャリアを正のバイアス電圧を印加することで低減できることがわかる。
【符号の説明】
【００８２】
Ｓ１０１ ステップ
Ｓ１０２ ステップ
Ｓ１０３ ステップ
Ｓ１０４ ステップ
Ｓ１０５ ステップ
Ｓ１０６ ステップ
Ｓ１０７ ステップ
Ｓ１０８ ステップ
Ｓ１０９ ステップ
Ｓ１１０ ステップ
Ｓ１１１ ステップ
２０１ ランプ
２０２ モノクロメータ
２０３ フィルタ
２０４ ビームスプリッタ
２０５ 試料
２０６ 直流電源
２０７ ロックインアンプ
２０８ 計算機
２０９ ロックインアンプ
２１０ フォトダイオード
２２０ 支持体
２２２ 絶縁膜
２２３ ワイドバンドギャップ半導体膜
２３１ 第１の電極
２３２ 第２の電極
２３３ 第３の電極
２４１ 第１の電極
２４２ 第２の電極
３００ 基板
３０４ 電極
３０６ 酸化物半導体膜
３１２ 絶縁膜
３１６ 一対の電極
３１８ 絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明はワイドバンドギャップ半導体において、ＣＰＭ測定装置を用いた半導体の欠陥評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶テレビに代表される表示装置にはアモルファスシリコンを用いたトランジスタが用いられて来たが、トランジスタを作製するために、シリコン半導体に代わる材料として酸化物半導体が注目されている。例えば、アクティブマトリクス型の表示装置におけるトランジスタの活性層として、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む非晶質酸化物を用い、該非晶質酸化物の電子キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３未満としたものが開示されている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、酸化物半導体を用いたトランジスタにはいくつかの問題がある。その一つは特性の不安定性であり、可視光および紫外光を照射することでしきい値電圧が変化することが指摘されている（非特許文献１参照。）。また、トランジスタの信頼性の面では、バイアス−熱ストレス試験によって特性が変化してしまうという問題が指摘されている（非特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｐ． Ｂａｒｑｕｉｎｈａ， Ａ． Ｐｉｍｅｎｔｅｌ， Ａ． Ｍａｒｑｕｅｓ， Ｌ． Ｐｅｒｅｉｒａ， Ｒ． Ｍａｒｔｉｎｓ， Ｅ． Ｆｏｒｔｕｎａｔｏ、「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＵＶ ａｎｄ ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ＴＦＴｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ ３５２ （２００６） １７５６−１７６０
【非特許文献２】Ｋｗａｎｇ−Ｈｅｅ Ｌｅｅ， Ｊｉ Ｓｉｍ Ｊｕｎｇ， Ｋｙｏｕｎｇ Ｓｅｏｋ Ｓｏｎ， Ｊｏｏｎ Ｓｅｏｋ Ｐａｒｋ， Ｔａｅ Ｓａｎｇ Ｋｉｍ， Ｒｉｎｏ Ｃｈｏｉ， Ｊａｅ Ｋｙｅｏｎｇ Ｊｅｏｎｇ， Ｊａｎｇ−Ｙｅｏｎ Ｋｗｏｎ， Ｂｏｎｗｏｎ Ｋｏｏ， ａｎｄ Ｓａｎｇｙｕｎ Ｌｅｅ、「Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｎ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｂｉａｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ Ｇａ−Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ９５， （２００９） ２３２１０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体の欠陥評価方法の一つとして、一定光電流測定法（ＣＰＭ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）が知られている。
【０００７】
ＣＰＭ測定は、試料に設けられた２電極間に電圧を印加した状態で光電流値が一定となるように端子間の試料面に照射する光量を調整し、照射する光量から吸光係数を導出することを各波長にて行うものである。ＣＰＭ測定において、試料に欠陥があるとき、欠陥の存在する準位に応じたエネルギー（波長より換算）における吸光係数が増加する。この吸光係数の増加分に定数を掛けることにより、試料の欠陥密度を導出することができる。
【０００８】
ＣＰＭ測定では、安定した光電流を得るために、波長ごとに光電流が一定になるまで測定を繰り返し続けるというシーケンスを用いている。ところが、測定する対象によっては一定した光電流が得られるまでに膨大な時間を有する場合があった。また、測定の時間を短縮すると、測定の精度が低くなる場合があった。
【０００９】
酸化物半導体は、バンドギャップが３ｅＶ程度あり、ワイドバンドギャップ半導体の一つである。可視光領域において透光性を有するものであるが、酸化物半導体を用いたトランジスタは、バンドギャップ近傍もしくはそれ以上のエネルギーの光が照射されると、しきい値電圧が約１０Ｖも変動してしまうことが指摘されている。
【００１０】
酸化物半導体を用いたトランジスタの光照射による特性変化は、酸化物半導体の光応答性が低いことに起因する。光応答性が低いとは、酸化物半導体に対して光照射を行うことによって生成したキャリア（光励起キャリア）が、再結合し消滅するまでに非常に長い期間を要することをいう。程度の差はあるが、ワイドバンドギャップ半導体であれば一般的に光応答性が低いことが知られる。
【００１１】
上述したように、ワイドバンドギャップ半導体の光応答性が低いことに起因して、ＣＰＭ測定が困難となる。即ち、光照射を止めた状態でも光電流が流れ続けてしまうため、ワイドギャップ半導体におけるＣＰＭ測定では、光電流値を一定にすることが困難となる。その結果、ワイドギャップ半導体に対し、ＣＰＭ測定を精度よく行うことができない。
【００１２】
そこで、本発明の一態様は、光応答性の低いワイドバンドギャップ半導体においても、ＣＰＭ測定による精度の高い欠陥密度の測定を可能とすることを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様に係るＣＰＭ測定方法は、ＣＰＭ測定の際、光応答性の低い試料に光を照射することで生成される光励起キャリアを、試料に設けられた測定用の２電極の他に設けられた第３の電極に正のバイアス電圧を印加することにより瞬時に低減する。
【００１４】
第３の電極に正のバイアス電圧を印加することによって光励起キャリアが低減されることにより、光電流値を一定にしやすくなり、光応答性の低い試料も精度よくＣＰＭ測定を行うことができる。
【００１５】
通常、ＣＰＭ測定は、生成される光励起キャリアの影響を低減するために、光照射および遮光を一定周波数で切り替える仕組みを持つ。即ち、光照射したときに生成された光励起キャリアを、遮光した際に低減させている。しかしながら、ワイドバンドギャップ半導体など、光応答性の低い試料にこの仕組みを適用しようとすると、光励起キャリアが低減するまでに数秒から数時間もかかってしまい、測定時間が途方もなく長くなってしまう。
【００１６】
そこで、遮光するとともに正のバイアス電圧を印加し、光応答の影響を低減してＣＰＭ測定を行うことで、遮光する時間を短くでき、高速かつ精度の高いＣＰＭ測定が可能となる。
【００１７】
そのためには、バイアス電圧を印加するための第３の電極を試料に設ける。
【００１８】
また、ＣＰＭ測定装置は、通常２端子を用いるが、第３の電極にバイアス電圧を印加するための第３の端子および電源を有する。
【発明の効果】
【００１９】
光応答性の低いワイドバンドギャップ半導体においても、高速で、精度の高いＣＰＭ測定が可能となる測定方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一態様に係るＣＰＭ測定方法を説明するフロー図。
【図２】本発明の一態様に係るＣＰＭ測定装置の模式図。
【図３】本発明の一態様に係るＣＰＭ測定用試料の上面図および断面図。
【図４】本発明の一態様に係るＣＰＭ測定用試料の上面図および断面図。
【図５】酸化物半導体膜の光応答性を説明する図。
【図６】酸化物半導体膜の光応答性を説明する図。
【図７】酸化物半導体膜の光応答性を説明する図。
【図８】酸化物半導体膜の光応答性を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【００２２】
電圧は、ある電位と、基準の電位（例えばグラウンド電位）との電位差のことを示す場合が多い。なお、電圧を電位と言い換えることが可能である。
【００２３】
本明細書においては、「接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在している場合だけのこともある。
【００２４】
なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。
【００２５】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様であるＣＰＭ測定方法を図１を用いて説明する。
【００２６】
図１はＣＰＭ測定方法のフロー図である。ステップＳ１０１で測定開始し、ステップＳ１０２で測定条件（波長範囲、チョッパー周波数、定電流値）を任意に決定する。波長範囲、定電流値は、試料によって適宜選択すればよい。波長範囲は試料のバンドギャップなどから決定する。例えば、バンドギャップが２．５ｅＶ以上４．０ｅＶ以下の試料であれば、波長範囲は３００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下とすればよい。チョッパー周波数は、光照射および遮光の切り替え速度に対応する。チョッパー周波数は、試料の光応答性から選択すればよく、試料の光応答性が低い場合は低く、光応答性が高い場合は高く設定する。本発明の一態様を用いれば、光応答性が低い試料を用いても正のバイアス電圧の印加によって光励起キャリアを低減させることが可能なため、チョッパー周波数を高く設定できる。そのため、光応答性の低い試料でも高速で精度の高いＣＰＭ測定が可能となる。定電流値は予備測定によって前もって決定しておく。
【００２７】
定電流値の決定方法を具体的に示す。まず、測定を予定している波長範囲から任意の波長を数点選択する。任意の波長は、測定を予定している波長範囲において、なるべく偏りなく選択すると好ましい。次に、試料の２電極間に電圧を印加し、装置の最大光量近傍にて選択した各波長おける光電流値を測定する。得られた光電流値のうち、もっとも小さかった値よりも５％から３０％程度小さい電流値を定電流値に定める。
【００２８】
次に、ステップＳ１０３にて、試料の２電極間に電圧を印加する。電圧は例えば０．１Ｖ以上５０Ｖ以下とする。
【００２９】
次に、ステップＳ１０４にて初期の照射光量を決定する。初期の照射光量は、例えば、装置の最大光量とすればよい。
【００３０】
次に、ステップＳ１０５およびステップＳ１０６を繰り返し行う。ステップＳ１０５では、試料に光を照射し、光電流値の検出を行う。ステップＳ１０６では、遮光し、前述の２電極とは異なる、絶縁膜を介して試料に設けられた電極に正のバイアス電圧を印加する。ステップＳ１０５およびステップＳ１０６における光照射および遮光は、チョッパー周波数によって周期的に繰り返される。遮光時に、試料の第３の電極に対し、バイアス電圧を１μｓｅｃ以上１ｓｅｃ以下、好ましくは１００μｓｅｃ以上１００ｍｓｅｃ以下の範囲で印加する。このとき、バイアス電圧は、１Ｖ以上３０Ｖ以下とすればよい。正のバイアス電圧の印加により、試料から光励起キャリアを低減させることが可能となり、光電流検出精度を高めることができる。
【００３１】
次に、ステップＳ１０５で検出された光電流値が、ステップＳ１０２で決定した任意の光電流値の一定範囲内（例えば、プラスマイナス１０％以内）となっているかをステップＳ１０７にて判断する。検出された光電流値が、任意に決定した光電流値の一定範囲外（例えば、プラスマイナス１０％外）のとき、ステップＳ１０８にて照射光量を変更する。なお、ステップＳ１０７で判断する光電流値の範囲は、狭めるとＣＰＭ測定の精度が高まり、広げるとＣＰＭ測定の精度が下がる。ただし、ステップＳ１０７で判断する光電流値の範囲が狭いほど、光電流値の制御に時間が掛かり、ＣＰＭ測定の時間が長くなってしまう。ここで、本発明の一態様を適用すると、光応答による影響が低減され光電流値の制御が速やかに行われるため、ステップＳ１０７で判断する光電流値の範囲を狭めても（例えば、プラスマイナス５％、またはプラスマイナス２％）ＣＰＭ測定の時間を短くすることができる。即ち、短時間で精度よくＣＰＭ測定を行うことができる。
【００３２】
照射光量の変更には、減光（ＮＤ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタまたは／およびウェッジフィルタなどを用いればよい。
【００３３】
ステップＳ１０８にて照射光量を変更した場合、再びステップＳ１０５に戻り、光電流値を検出する。再び、ステップＳ１０５およびステップＳ１０６を繰り返し行う。検出された光電流値がステップＳ１０２で決定した任意の光電流値の一定範囲内（プラスマイナス１０％以内）となっているかをステップＳ１０７にて判断する。検出された光電流値が、任意に決定した光電流値の一定範囲外（プラスマイナス１０％外）のとき、ステップＳ１０８にて照射光量を変更する。これを、ステップＳ１０２で決定した光電流値の一定範囲内（プラスマイナス１０％以内）となるまで繰り返し行う。
【００３４】
ステップＳ１０７にて、検出された光電流値が、ステップＳ１０２で決定した任意の光電流値の一定範囲内（プラスマイナス１０％以内）と判断された場合、照射光量および波長を記録し、ステップＳ１０９に移り、任意の波長範囲の測定が全て行われているか判断する。任意の波長範囲の測定が全て行われていないと判断された場合、ステップＳ１１０にて照射光の波長を変更し、ステップＳ１０５に戻す。
【００３５】
これを繰り返し、ステップＳ１０９にて波長範囲の測定が全て行われていると判断されると、ステップＳ１１１に移り、ＣＰＭ測定を終了する。
【００３６】
以上がＣＰＭ測定方法の一例である。
【００３７】
本発明の一態様に係るＣＰＭ測定方法により、光応答性の低いワイドバンドギャップ半導体においても、高速で、精度の高いＣＰＭ測定が可能となる。
【００３８】
本実施の形態は、適宜他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。
【００３９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るＣＰＭ測定装置および試料構造について図２および図３を用いて説明する。
【００４０】
図２は、ＣＰＭ測定装置の模式図である。簡単のため、光の経路を矢印で、配線などを実線で示す。ランプ２０１から照射された光がモノクロメータ２０２、フィルタ２０３およびビームスプリッタ２０４を介して試料２０５に入射する。なお、フィルタ２０３が設けられない場合やフィルタ２０３が複数枚設けられる場合もある。ビームスプリッタ２０４では、光を透過および反射させ、透過光を試料２０５へ、反射光をフォトダイオード２１０へ、それぞれ入射させる。ただし、必ずしも透過光が試料２０５へ、反射光がフォトダイオード２１０へ入射するわけではなく、逆にしても構わない。
【００４１】
ランプ２０１として、例えばキセノンランプ、水銀ランプおよびハロゲンランプなどを用いればよい。なお、ランプ２０１として、前述のランプを組み合わせて用いてもよい。好ましくはキセノンランプを用いる。
【００４２】
モノクロメータ２０２は、広範囲の波長の光から狭い範囲の波長を取り出すことができれば何を用いても構わない。
【００４３】
フィルタ２０３は、ＮＤフィルタまたは／およびウェッジフィルタなどを用いればよい。また、それぞれのフィルタを複数種用意してもよい。こうすることで、照射光量の制御性を高めることができる。
【００４４】
フォトダイオード２１０に入射した光を電流に変えた後、ロックインアンプ２０９によって電流値を計測し、計算機２０８によって照射光量を見積もることができる。
【００４５】
試料２０５は、第１の電極、第２の電極および第３の電極が設けられており、そのうち第１の電極および第２の電極は直流電源２０６に接続される。なお、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方と直流電源２０６との間に抵抗が設けられる。抵抗には並列してロックインアンプ２０７が設けられており、光電流値を計測することができる。なお、得られた光電流値は、計算機２０８を介して、フィルタ２０３にフィードバックされ、光電流値が高すぎる場合、フィルタ２０３の透過率を下げ、照射光量を低減させる。また、光電流値が低すぎる場合は、フィルタ２０３の透過率を上げ、照射光量を増加させる。
【００４６】
なお、ロックインアンプ２０７およびロックインアンプ２０９は、入力された信号のうち、光の照射時に対応する信号を高感度で抽出し、出力する機能を有する。
【００４７】
試料２０５に設けられた第３の電極は、例えば高周波電源に接続する。特定のタイミングで、高周波電源から正のバイアス電圧を印加することで、試料から光励起キャリアを低減することができる。
【００４８】
ここで、試料２０５の上面図を図３（Ａ）に示す。また、図３（Ａ）における一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面Ａ−Ｂを図３（Ｂ）に示す。
【００４９】
試料２０５は、支持体２２０と、支持体２２０上の第３の電極２３３と、第３の電極２３３上の絶縁膜２２２と、絶縁膜２２２上のワイドバンドギャップ半導体膜２２３と、ワイドバンドギャップ半導体膜２２３上に設けられた対をなす第１の電極２３１および第２の電極２３２と、を有する。
【００５０】
なお、図３では、支持体２２０、第３の電極２３３、絶縁膜２２２およびワイドバンドギャップ半導体膜２２３は、側端をずらして図示しているが、これに限定されず、各層の側端が概略一致する構造としても構わない。
【００５１】
支持体２２０に大きな制限はないが、例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板などを用いればよい。また、シリコンや炭化シリコンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを適用することも可能である。
【００５２】
なお、支持体２２０は、ワイドバンドギャップ半導体膜２２３が薄膜のときに必要となるが、ワイドバンドギャップ半導体膜２２３が他の構成物を支持するのに十分な強度を有するときは不要である。
【００５３】
支持体２２０として、金属板などの導電性材料を用いると好ましい。支持体２２０に導電性材料を用いることで、第３の電極２３３の機能を兼ねることができる。また、支持体２２０に導電性材料を用いることで、例えばＣＰＭ測定装置の試料ホルダを介してバイアス電圧を印加することが可能となり、測定および試料の作製が簡便になる。
【００５４】
第１の電極２３１および第２の電極２３２は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、ＰｔおよびＡｕ、それらの窒化物、酸化物ならびに合金から一以上選択し、単層でまたは積層で用いればよい。または、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、ＩｎおよびＳｎから選ばれた複数種の材料を含む透明導電膜を用いてもよい。好ましくは、ワイドバンドギャップ半導体膜２２３との界面に絶縁膜を形成しない材料を選択する。
【００５５】
第１の電極２３１および第２の電極２３２は、同一層かつ同一材料とすると試料の作製が簡便となり好ましい。
【００５６】
なお、第１の電極２３１および第２の電極２３２は、図３（Ａ）においては矩形としているが、この形状に限定されない。例えば、図３（Ｃ）に示す第１の電極２４１および第２の電極２４２のように、櫛歯状の形状としても構わない。このような形状にすることで、電極間距離を一定としつつ、電極幅を拡張させることができる。電極幅が拡張することで、試料のサイズを変更せず光電流値を増大させることができ、検出感度を増大させることができる。このほか、第１の電極および第２の電極の形状は、適宜変形して形成することができる。
【００５７】
第３の電極２３３は、第１の電極２３１および第２の電極２３２と同様の材料によって形成すればよい。
【００５８】
絶縁膜２２２は、絶縁性を有する材料であれば何を用いても構わない。例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウムまたは酸化ジルコニウムなどを用いればよく、積層または単層で設ける。
【００５９】
ワイドバンドギャップ半導体膜２２３には、酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系材料など）、有機化合物、シリコン系化合物（炭化シリコンなど）、炭素系化合物（ダイアモンドなど）など、ＣＰＭ測定したい材料を用いる。
【００６０】
本実施の形態は、実施の形態１で示したＣＰＭ測定方法が実施可能なＣＰＭ測定装置および試料の作製方法である。本実施の形態で示したＣＰＭ測定装置または／および試料を用いることで、光応答性の低いワイドバンドギャップ半導体においても、高速で、精度の高いＣＰＭ測定が可能となる。
【００６１】
本実施の形態は、適宜他の実施の形態と組み合わせて用いることができる。
【実施例１】
【００６２】
本実施例では、ワイドバンドギャップ半導体である酸化物半導体の光応答性の例について図４乃至図８を用いて説明する。
【００６３】
図４は、測定した試料の上面形状および断面形状である。図４（Ａ）に示す上面図において、一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面Ａ−Ｂを図４（Ｂ）に示す。
【００６４】
試料は、基板３００上の電極３０４と、電極３０４を覆う絶縁膜３１２と、絶縁膜３１２を介して電極３０４と重畳する酸化物半導体膜３０６と、酸化物半導体膜３０６と接する一対の電極３１６と、酸化物半導体膜３０６上の絶縁膜３１８と、を有する。
【００６５】
図４（Ａ）に示す一対の電極間距離Ｌは３０μｍ、電極幅Ｗは１００００μｍである。
【００６６】
基板３００はガラスを、電極３０４はタングステン膜を、一対の電極３１６はチタン膜を、絶縁膜３１２および絶縁膜３１８は酸化シリコン膜を、それぞれ用いた。
【００６７】
ここで、酸化物半導体膜３０６は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（原子比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２）ターゲットを用い、スパッタリング法によって５０ｎｍの厚さで形成した。
【００６８】
以下に光応答の測定方法について説明する。
【００６９】
一対の電極３１６間に０．１Ｖの電圧を印加し、電極３０４は０Ｖとした。
【００７０】
次に、波長４００ｎｍの単色光を一対の電極３１６側から６００ｓｅｃ照射し、遮光した。遮光した状態で６００ｓｅｃ後、電極３０４に−２０Ｖのバイアス電圧を印加した。その後、遮光した状態で３００ｓｅｃ後、電極３０４に２０Ｖのバイアス電圧を印加した。図５乃至図８は、その間の一対の電極３１６間を流れる電流値と時間の関係である。ここで、図５（Ａ）はバイアス電圧を１ｈｏｕｒ印加したとき、図５（Ｂ）はバイアス電圧を１ｓｅｃ印加したとき、図６（Ａ）はバイアス電圧を１００ｍｓｅｃ印加したとき、図６（Ｂ）はバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ印加したとき、図７（Ａ）はバイアス電圧を１ｍｓｅｃ印加したとき、図７（Ｂ）はバイアス電圧を１００μｓｅｃ印加したとき、図８（Ａ）はバイアス電圧を１０μｓｅｃ印加したとき、図８（Ｂ）はバイアス電圧を１μｓｅｃ印加したときをそれぞれ示す。なお、簡単のため、図中ではバイアス電圧を印加中の電流値および時間は省略する。
【００７１】
図５乃至図８より、光照射によって２．５×１０−１０Ａから３．０×１０−１０Ａとなった電流値が、遮光後５．０×１０−１１Ａ程度まで低減し、その後、緩やかに電流値が低減していくことがわかる。
【００７２】
図５（Ａ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１ｈｏｕｒ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値が若干増加した。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１ｈｏｕｒ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１×１０−１２Ａ以下となった。
【００７３】
図５（Ｂ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１ｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値が若干低減した。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１ｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１×１０−１２Ａ以下となった。
【００７４】
図６（Ａ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１００ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１００ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１×１０−１２Ａ以下となった。
【００７５】
図６（Ｂ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は２．３×１０−１２Ａ程度となった。
【００７６】
図７（Ａ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１ｍｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は７．０×１０−１２Ａ程度となった。
【００７７】
図７（Ｂ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１００μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１００μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１．５×１０−１１Ａ程度となった。
【００７８】
図８（Ａ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１０μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１０μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は１．８×１０−１１Ａ程度となった。
【００７９】
図８（Ｂ）より、−２０Ｖのバイアス電圧を１μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど変動しなかった。次に、２０Ｖのバイアス電圧を１μｓｅｃ印加したとき、一対の電極３１６間を流れる電流値は２．１×１０−１１Ａ程度となった。
【００８０】
以上に示したように、一対の電極３１６間を流れる電流値は、光照射後に急上昇し、遮光後ある程度まで低減するものの、測定開始時まで低減するにはかなりの時間が掛かることがわかる。
【００８１】
また、電極３０４に負のバイアス電圧を印加しても一対の電極３１６間を流れる電流値はほとんど低減（変動）しないが、正のバイアス電圧を印加することで一対の電極３１６間を流れる電流値が測定開始時近くまで低減することがわかる。即ち、酸化物半導体膜３０６で生成された光励起キャリアを正のバイアス電圧を印加することで低減できることがわかる。
【符号の説明】
【００８２】
Ｓ１０１ ステップ
Ｓ１０２ ステップ
Ｓ１０３ ステップ
Ｓ１０４ ステップ
Ｓ１０５ ステップ
Ｓ１０６ ステップ
Ｓ１０７ ステップ
Ｓ１０８ ステップ
Ｓ１０９ ステップ
Ｓ１１０ ステップ
Ｓ１１１ ステップ
２０１ ランプ
２０２ モノクロメータ
２０３ フィルタ
２０４ ビームスプリッタ
２０５ 試料
２０６ 直流電源
２０７ ロックインアンプ
２０８ 計算機
２０９ ロックインアンプ
２１０ フォトダイオード
２２０ 支持体
２２２ 絶縁膜
２２３ ワイドバンドギャップ半導体膜
２３１ 第１の電極
２３２ 第２の電極
２３３ 第３の電極
２４１ 第１の電極
２４２ 第２の電極
３００ 基板
３０４ 電極
３０６ 酸化物半導体膜
３１２ 絶縁膜
３１６ 一対の電極
３１８ 絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体膜上の一対の電極と、前記半導体膜下の絶縁膜と、前記絶縁膜下の電極と、を有する試料に対し、
前記一対の電極間に直流電圧を印加し、
前記試料に任意の波長の光を当て、前記一対の電極間を流れる光電流値を検出し、
前記任意の波長の光を遮り、前記半導体膜に生じた光励起キャリアを低減させる処理を行い、
前記電流値が任意の値の近傍になるように前記任意の波長の光の光量を変え、
前記任意の波長の光の波長および光量を記録することを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記電流値が任意の値から一定範囲内であるときは、前記任意の波長の光の波長および光量を記録し、かつ前記任意の波長の光の波長を変更し、
前記電流値が任意の値から一定範囲外であるときは、前記任意の波長の光に対して減光処理を行い、
任意の波長範囲において、前記任意の波長の光の波長および光量を記録することを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記光励起キャリアを低減させる処理として前記電極に正のバイアス電圧を印加することを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記正のバイアス電圧を１μｓｅｃ以上１ｓｅｃ以下の範囲で印加することを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記半導体膜が、酸化物半導体膜であることを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【請求項１】
半導体膜上の一対の電極と、前記半導体膜下の絶縁膜と、前記絶縁膜下の電極と、を有する試料に対し、
前記一対の電極間に直流電圧を印加し、
前記試料に任意の波長の光を当て、前記一対の電極間を流れる光電流値を検出し、
前記任意の波長の光を遮り、前記半導体膜に生じた光励起キャリアを低減させる処理を行い、
前記電流値が任意の値の近傍になるように前記任意の波長の光の光量を変え、
前記任意の波長の光の波長および光量を記録することを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記電流値が任意の値から一定範囲内であるときは、前記任意の波長の光の波長および光量を記録し、かつ前記任意の波長の光の波長を変更し、
前記電流値が任意の値から一定範囲外であるときは、前記任意の波長の光に対して減光処理を行い、
任意の波長範囲において、前記任意の波長の光の波長および光量を記録することを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記光励起キャリアを低減させる処理として前記電極に正のバイアス電圧を印加することを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記正のバイアス電圧を１μｓｅｃ以上１ｓｅｃ以下の範囲で印加することを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記半導体膜が、酸化物半導体膜であることを特徴とする半導体の欠陥評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９８２０１（Ｐ２０１２−１９８２０１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４８８９０（Ｐ２０１２−４８８９０）
【出願日】平成２４年３月６日（２０１２．３．６）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月６日（２０１２．３．６）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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