CN101740434B - 氧化物半导体层的非破坏性测试方法和制造方法 - Google Patents
氧化物半导体层的非破坏性测试方法和制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101740434B CN101740434B CN2009102264855A CN200910226485A CN101740434B CN 101740434 B CN101740434 B CN 101740434B CN 2009102264855 A CN2009102264855 A CN 2009102264855A CN 200910226485 A CN200910226485 A CN 200910226485A CN 101740434 B CN101740434 B CN 101740434B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- oxide semiconductor
- amorphous
- nondestructive testing
- membrane property
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 179
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 81
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 41
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 41
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 26
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 22
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 21
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 19
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 claims description 17
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 14
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 14
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 7
- 229910007541 Zn O Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 5
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- CVOFKRWYWCSDMA-UHFFFAOYSA-N 2-chloro-n-(2,6-diethylphenyl)-n-(methoxymethyl)acetamide;2,6-dinitro-n,n-dipropyl-4-(trifluoromethyl)aniline Chemical compound CCC1=CC=CC(CC)=C1N(COC)C(=O)CCl.CCCN(CCC)C1=C([N+]([O-])=O)C=C(C(F)(F)F)C=C1[N+]([O-])=O CVOFKRWYWCSDMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- CHPZKNULDCNCBW-UHFFFAOYSA-N gallium nitrate Chemical compound [Ga+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O CHPZKNULDCNCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002772 conduction electron Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000004320 controlled atmosphere Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 229920002457 flexible plastic Polymers 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940044658 gallium nitrate Drugs 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
- H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
- H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6489—Photoluminescence of semiconductors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
本发明涉及氧化物半导体层的非破坏性测试方法和制造方法。对氧化物半导体层的非破坏性测试方法包括如下步骤：向要测试的非晶或多晶目标氧化物半导体层施加激发光，并且测量从目标氧化物半导体层发射的光之中、比对应于带隙能的波长长的波长范围内的光致发光的强度；以及基于测量结果，估计目标氧化物半导体层的膜特性。
Description
技术领域
本发明涉及用于以非接触、非破坏性方式调查可用作薄膜晶体管等的活性层(active layer)的非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性的测试方法，以及利用该测试方法来制造非晶或多晶氧化物半导体层的方法。
背景技术
被设计为薄膜晶体管(TFT)的场效应晶体管(FET)广泛用作电子电路中的像素晶体管，特别是图像显示装置的有源矩阵电路中的像素晶体管。当前可用的TFT一般使用非晶硅或多晶硅作为构成活性层的半导体材料，并且使用玻璃基底作为基底。
然而，玻璃基底重、受到冲击容易破裂并且不具有柔性。因此，现在开始研究和开发重量轻、不易破裂并且可以取代玻璃基底的柔性塑料基底。由于制造硅薄膜需要高温热处理工艺，因此难以在耐热性低的塑料基底上形成硅薄膜。这样就聚焦到非晶或多晶金属氧化物半导体材料，这类材料可以在低温下形成膜，并且可以用作替代硅的半导体材料。
例如，日本未经实质审查专利申请公布No.2006-165529(′529文献)(第6-9、16、21和22页以及图3)推荐了基于包含铟、镓和锌作为主要组成元素的In-Ga-Zn-O等的非晶氧化物。该非晶氧化物的特征在于，其包括微晶，具有沿着层厚度方向变化的组成或者包含至少一种预定元素，并且特征在于，其电子载流子浓度小于1018/cm3或者表现出电子迁移率随着电子载流子浓度而增大的趋势。该文献提供了下面的描述。
当由组成分子式ZnxGayInzOx+3y/2+3z/2等表示的非晶氧化物通过常规的溅射技术形成膜时，容易形成氧缺欠并且产生大量的载流子电子。由此电子载流子浓度为1018/cm3或更大并且电导率为10S/cm或更大。该氧化物是有用的导体，但是极少用于制造正常截止的TFT，这是因为当在TFT的活性层中使用该氧化物时，在没有栅电压的情况下，大电流在源电极和漏电极之间流动。此外，还难以提高导通/截止(ON/OFF)比率。
然而，在通过诸如脉冲激光沉积或溅射的气相沉积技术将In-Ga-Zn-O基非晶氧化物形成膜的情况下，通过将沉积气氛中的氧分压保持在预定水平或更高水平，可以减少氧缺欠量，结果，电子载流子浓度可以被限制为小于1018/cm3，其中，所述气相沉积技术是利用由组成分子式InGaO3(ZnO)m表示的多晶烧结物构成的靶材进行的。观察到的电子迁移率超过1cm2/(V.sec)，从而发现了电子迁移率随着导电电子的数量而增大的独特特性。如果柔性TFT的活性层可以使用该非晶氧化物来形成，则制成的柔性TFT可以具有所需特性并且在可见光下是透明的。
在沉积之后，通过在含氧气氛中处理氧化物膜，还可以控制非晶氧化物中的氧缺欠量。在这个过程中，为了有效控制氧缺欠量，将含氧气氛的温度控制成优选的0℃至300℃，更优选的25℃至250℃，并且最优选的100℃至200℃。
图6是′529文献中公开的曲线图，示出了在通过溅射形成In-Ga-Zn-O非晶氧化物半导体层的情况下气氛中的氧分压与氧化物半导体层的电导率之间的关系。图6示出了：假设足够的电导率是10-6至10S/cm，需要将氧分压控制在3×10-2至5×10-2Pa的这一窄范围内。
当氧化物半导体层被用作FET的活性层时，氧化物半导体层中的载流子浓度是用于确定成分特性的关键参数。然而，如图6所示，氧化物半导体层中的载流子浓度对沉积条件非常敏感。此外，由于氧化物半导体层中的载流子浓度不稳定，因此根据各阶段的气氛和温度以及沉积工艺之后的化学处理，载流子浓度会发生几个数量级的大小变化。因此，通过在受控气氛下执行退火工艺来调节载流子浓度。
如果在沉积期间、在退火期间或者在制造完成后的氧化物半导体层的载流子浓度可以通过非破坏性测试来快速检查，则可以高成品率地制造氧化物半导体层和最终的半导体元件(例如FET)。
通常，半导体层的载流子浓度是通过利用霍尔(Hall)效应的测量来确定的。然而，霍尔效应测量不适于非破坏性地快速确定载流子浓度，这是因为要准备用于霍尔效应测量的霍尔元件。
另一方面，日本未经实质审查专利申请公布No.2000-28518(′518文献)(第2-4页和图1)报道了通过光致发光技术测量载流子浓度的例子。图7是′518文献中公开的InGaAs外延膜的光致发光光谱。图7示出了从单晶体发射的光致发光光谱在对应于带隙能(bandgapenergy)的波长上具有峰值。通过分析峰的形状，可以推导出载流子浓度。然而，在对应于带隙能的波长处，很少观察到非晶或多晶氧化物半导体层的光致发光。因此，′518文献中公开的技术并不适用。
发明内容
需要提供一种测试方法，该测试方法可以快速、非破化性地调查可用作TFT等的活性层的非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性，并且提供一种使用该测试方法来制造非晶或多晶氧化物半导体层的方法。
本发明的一个实施例提供了一种对氧化物半导体层的非破坏性测试方法。该方法包括如下步骤：向待测试的非晶或多晶目标氧化物半导体层施加激发光，并且测量从目标氧化物半导体层发射的光之中、比对应于带隙能的波长长的波长范围内的光致发光的强度；以及基于测量结果，估计目标氧化物半导体层的膜特性
本发明的另一个实施例提供了一种制造氧化物半导体层的方法。该方法包括如下步骤：在基底上沉积非晶或多晶氧化物半导体层；以及通过上述非破坏性测试方法，测试该非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性。
可以容易并快速地执行上述对氧化物半导体层的非破坏性测试方法，这是因为该方法涉及：向待测试的非晶或多晶目标氧化物半导体层施加激发光，以测量从目标氧化物半导体层发射的光致发光的强度。此外，如以下第一实施例中所描述的，通过非破坏性测试方法测得的强度(即，比对应于带隙的波长长的波长范围内的光致发光的强度)与目标氧化物半导体层的膜特性的关系紧密。因此，可以非破坏性并且非接触性地可靠估计目标氧化物半导体层的膜特性。
根据上述用于制造氧化物半导体层的方法，可以以良好的控制精度、以高产率和高成品率来制造非晶或多晶氧化物半导体层，这是由于该方法包括如下步骤：通过使用上述对氧化物半导体层的非破坏性测试方法，测试非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性。
上述非破坏性测试方法还可以包括如下步骤：采用与目标氧化物半导体层相同的方式，测量非晶或多晶基准氧化物半导体层的光致发光强度，并且测量该基准氧化物半导体层的膜特性，以得到光致发光强度和膜特性之间的关系，所述基准氧化物半导体层具有与目标氧化物半导体层相同的元素组成，并且通过与目标氧化物半导体层相同的工艺且在相同的沉积温度下来制备。然后，可以基于该关系来估计目标氧化物半导体层的膜特性。
在这种情况下，基准氧化物半导体层的膜特性优选地为载流子浓度，并且优选地根据基准氧化物半导体层的载流子浓度和光致发光强度之间的关系来估计目标氧化物半导体层的载流子浓度。可以利用霍尔效应来测量基准氧化物半导体层的载流子浓度。
该非破坏性测试方法可以非接触性地测试用作半导体元件中包含的活性层的氧化物半导体层。
在上述制造氧化物半导体层的方法中，通过非破坏性测试方法，现场监测沉积期间非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性，并且基于监测结果，优选地控制沉积条件，以便得到所需的膜特性。更优选地，控制从沉积气氛中的氧分压、基底温度和沉积速率中选出的至少一个沉积条件。
用于制造氧化物半导体层的方法优选地包括对非晶或多晶氧化物半导体层进行退火的步骤。优选地，在沉积之后，通过非破坏性测试方法，测试非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性，并且在测试之后，执行退火的步骤，并且基于非破坏性测试结果来设置退火条件，以便得到所需的膜特性。
可供选择地，该方法优选地还包括在沉积之后对非晶或多晶氧化物半导体层进行退火的步骤，其中，通过非破坏性测试方法，现场监测退火期间非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性，并且基于监测结果来控制退火条件，从而得到所需的膜特性。在这种情况下，优选地控制从退火气氛中的氧分压、退火温度和退火时间中选出的至少一个退火条件。
用于制造氧化物半导体层的方法优选地是制造半导体元件的工艺中的一部分，所述半导体元件包括用作活性层的非晶或多晶氧化物半导体层，并且优选地还包括在制造了所述非晶或多晶氧化物半导体层之后、通过所述非破坏性测试方法来测试所述非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性的步骤。优选地，基于所述非破坏性测试的结果来选择接下来要采取的步骤。
附图说明
图1A是显示根据第一实施例的用于测试氧化物半导体层的膜特性的非破坏性测试方法的示意图，并且图1B是通过非破坏性测试方法得到的光致发光光谱；
图2是显示基准氧化物半导体层的载流子浓度和光致发光强度之间的关系的曲线图；
图3A至图3D是显示根据第二实施例的制造场效应晶体管的工艺流程的局部剖视图；
图4是显示在沉积氧化物半导体层的步骤中对氧化物半导体层执行非破坏性测试方法的例子的示意图；
图5是显示在对氧化物半导体层进行退火的步骤中对氧化物半导体层执行非破坏性测试方法的例子的示意图；
图6是在日本未经实质审查专利申请公布No.2006-165529中公开的曲线图，示出了在沉积期间的气氛中的氧分压与氧化物半导体层的电导率之间的关系；以及
图7是在日本未经实质审查专利申请公布No.2000-28518中公开的InGaAs外延膜的光致发光光谱。
具体实施方式
现在将参照附图具体描述本发明的优选实施例。
第一实施例
在第一实施例中，主要描述用于氧化物半导体层的非破坏性测试方法的例子。
图1A是显示根据第一实施例的对氧化物半导体层的非破坏性测试方法的示意图。根据图1A中所示的系统，激发光源1发出的激发光2施加到基底10上的氧化物半导体层，并且用光电探测器5来探测光致发光(photoluminescence)4。该激发光源1优选地是激光光源。希望激发光2的波长比对应于氧化物半导体层的带隙能的波长短。
图1B是通过照射在77K的温度下用325nm的He-Cd激光光束(输出：1W/cm2)进行溅射形成的In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层得到的光致发光光谱。对于单晶体，在接近对应于带隙能的410nm波长处，光致发光最强。然而，对于非晶或多晶氧化物半导体层，在对应于带隙能的波长处的光致发光弱。因此，难以如′518文献中那样，根据在对应于带隙能的波长处的光致发光光谱来估计载流子浓度。
本发明的发明者已经发现，对于非晶或多晶氧化物半导体层，在比对应于带隙能的波长长的波长区域检测到强的光致发光，并且该波长区域内的光致发光强度与非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性之间存在紧密联系。
图2是显示光致发光的峰强度与非晶或多晶氧化物半导体层中的载流子浓度之间关系的曲线图。这里注意的是，在下面的第二实施例中描述了用于制造氧化物半导体层的方法。每次进行测试时，利用相同光学系统测量的氮化镓基底的光致发光强度作为基准，校正光致发光的强度。通过霍尔测量来确定氧化物半导体层的载流子浓度。
图2显示在载流子浓度的对数和光致发光的峰值强度之间建立了基本线性的关系。从能量观点来看，在比对应于带隙能的波长长的波长区域内出现的光致发光被认为是源自缺陷水平(例如氧缺欠)的发射。因此，在这样的波长区域内的光致发光强度被认为是反映了缺陷密度，因此与载流子浓度有紧密关系。
因此，通过测量被激发光照射的非晶或多晶目标氧化物半导体层所发射的光之中比对应于带隙能的波长长的波长区域内的光致发光的强度，可以非破坏性并且非接触性地估计目标氧化物半导体层的膜特性。
然而，发明者进行的全面研究发现：光致发光光谱的分布根据氧化物半导体层的元素组成、制造氧化物半导体层的方法和沉积温度而变化。因此，为了精确地估计诸如载流子浓度等膜特性，需要采用与目标氧化物半导体层相同的工艺并且在相同的膜形成温度下制备具有相同元素组成的非晶或多晶基准氧化物半导体层，并且需要采用与目标氧化物半导体层相同的方式测量该基准氧化物半导体层的膜特性和光致发光强度。以此方式，可以预先得到光致发光强度与膜特性之间的关系(例如，图2所示的关系)，并且可以基于该关系来估计目标氧化物半导体层的膜特性。这里要测量的光致发光强度可以是峰值强度或者具有足够宽度的波长区域内的强度。
根据上述对氧化物半导体层的非破坏性测试方法，使用光作为探测物来非破坏性并且非接触性地测量载流子浓度。因此，可以通过该方法来测量用作半导体元件中包含的活性层的氧化物半导体层的载流子浓度或者工作状态下的半导体元件的载流子浓度。
第二实施例
在第二实施例中，主要描述了用于制造场效应晶体管(FET)的方法的例子，所述场效应晶体管包括用作活性层的非晶或多晶氧化物半导体层。在该实施例中，In-Ga-Zn-O氧化物层形成为氧化物半导体层。
图3A至图3D是示出了根据第二实施例用于制造构造为薄膜晶体管的FET 20的工艺流程的局部剖视图。现在将参照附图描述用于制造FET 20的工艺。
如图3A所示，在绝缘基底11上形成栅电极12。绝缘基底11不受具体限制。例如，绝缘基底11可以是玻璃基底或塑料基底。用于制造栅电极12的材料和方法也不受具体限制。例如，钼(Mo)可以用作栅电极材料，并且通过溅射在绝缘基底11的整个表面上并在之后通过光刻或干蚀刻进行图案化而形成膜。然后，在绝缘基底11的整个表面上形成栅绝缘膜13。用于栅绝缘膜13的材料不受具体限制。例如，可以形成氧化硅膜或者氮化硅膜。
接着，如图3B所示，在绝缘基底11上，在栅绝缘膜13的整个表面上形成氧化物半导体层14a，该氧化物半导体层14a将形成FET20的活性层。通过使用InGaZnO4多晶烧结物作为靶材进行溅射，氧化物半导体层14a由In-Ga-Zn-O基氧化物形成。然后，如图3C所示，通过蚀刻将氧化物半导体层14a图案化，以形成图案化的氧化物半导体层14。
氧化物半导体层14a的沉积条件、组份和厚度如下：
氧分压：1×10-2Pa
DC功率：400W
沉积温度(基底温度)：室温
组份：InGaZnO4
厚度：50nm
注意，图2所示的关系是从在与上述相同的条件下制造的基准氧化物半导体层得到的。
接着，如图3D所示，形成源电极15和漏电极16。用于形成源电极15和漏电极16的材料和方法不受具体限制。例如，可以使用钼作为材料，并且可以通过光刻或干蚀刻将钼图案化来制造电极。接着，在整个表面上形成保护膜17。
在如此制造FET 20的操作过程中，通过施加于栅电极12的栅电压，靠近栅绝缘膜13且在源电极15和漏电极16之间，在氧化物半导体层14中形成沟道区。通过栅电压控制沟道区中流动的电流。
在如上制造FET 20的工艺的各个阶段中，可以应用对氧化物半导体层的非破坏性测试方法。现在将描述这些步骤。
图4是示出了在图3B所示的沉积氧化物半导体层的步骤中对氧化物半导体层执行非破坏性测试方法的例子的示意图。在该例子中，通过在沉积的过程中仍然向氧化物半导体层14a施加激发光2，检测光致发光21。以此方式，通过非破坏性测试方法可以现场监测沉积过程中氧化物半导体层14a的特性，并且可以基于监测结果控制沉积条件，使得可以得到所需的膜特性。结果，可以去掉确定条件的复杂工艺，并且通过省略检查过程可以缩短工艺。还可以提高成品率。
可以使用表现出良好直线传播特性的激光光源，以便可以在沉积室外部布置激发光源1。将检测光致发光21的光探测器5布置在与沉积有氧化物半导体材料颗粒的基底表面相对的一侧。根据这样的布置方式，可以对氧化物半导体层14a执行非破坏性测试方法，而没有对沉积氧化物半导体层14a的工艺造成阻碍。然而，在这种情况下，所需的绝缘基底30是透射光致发光21的类型。
优选地，控制从沉积气氛中的氧分压、绝缘基底的温度和沉积速率中选出的至少一个沉积条件。尤其重要的是控制氧分压。
现在，将描述执行第一实施例中描述的对氧化物半导体层的非破坏性测试方法的另一个例子。该例子关注的情况是，在图3B所示的沉积氧化物半导体层14a的步骤之后或者在图3C所示的将氧化物半导体层14图案化的步骤之后，设置将氧化物半导体层14a或14退火的步骤。根据该例子，在退火步骤之前，对沉积的氧化物半导体层14a或14执行非破坏性测试方法。根据这种布置方式，可以基于非破坏性测试的结果设置退火条件，使得可以得到所需的膜特性，例如所需的载流子浓度，并且可以提高成品率。
优选地，控制从退火气氛中的氧分压、退火温度和退火时间中选出的至少一个退火条件。尤其重要的是控制氧分压。其它退火条件不受具体限制。例如，可以在300℃下退火1小时。可以在图案化之前对氧化物半导体层14a执行氧化物半导体层的非破坏性测试，或者在图案化之后对氧化物半导体层14执行氧化物半导体层的非破坏性测试。然而，对于图案化之后的氧化物半导体层14，在测量期间，激发光2的光束照射范围内的氧化物半导体层的面积较小。因此，在图案化之前对氧化物半导体层14a进行测试是比较容易的。
执行氧化物半导体层的非破坏性测试方法的又一个例子涉及如下情况：如上设置将氧化物半导体层14a或14退火的步骤，并且在退火步骤中执行非破坏性测试。图5是显示在退火步骤中执行氧化物半导体层的非破坏性测试方法的例子的示意图。在该例子中，通过在退火期间将激发光2施加到氧化物半导体层14a或14，检测光致发光4。以此方式，可以通过非破坏性测试方法现场监测退火过程中氧化物半导体层的特性，并且可以基于监测结果控制退火条件，使得可以得到所需的膜特性，例如载流子浓度。因此，可以消除确定条件的复杂工艺，并且通过省略检查步骤可以缩短工艺。还可以提高成品率。
如在上述例子中一样，优选地控制从退火气氛中的氧分压、退火温度和退火时间中选出的至少一个退火条件。尤其重要的是控制氧分压。其它退火条件不受具体限制。例如，可以在300℃下退火1小时。在图5中，加热器50是用于将退火温度设置成所需温度的装置。如之前所提及的，在图案化之前对氧化物半导体层14a进行氧化物半导体层的非破坏性测试是更容易的。因此，如果在图案化之前对氧化物半导体层14a进行现场观测下的退火工艺，则现场观测下的退火工艺也更容易。
可以在完成了制造氧化物半导体层14的所有步骤之后，例如在完成了沉积步骤、图案化步骤和退火步骤之后，执行对氧化物半导体层的非破化性测试方法。通常，氧化物半导体层14用作半导体元件中包含的活性层，因此，在完成了制造氧化物半导体层14的工艺之后，执行用于形成源电极15和漏电极16、保护膜17的步骤，从而制造出半导体元件。因此，优选地，在完成了制造氧化物半导体层14的工艺之后，对氧化物半导体层14进行非破坏性测试，以检查最终产品是合格还是不合格的。以此方式，在测试中不合格的氧化物半导体层14不会被进一步处理，这样可以提高效率。
本专利申请包含与2008年11月21日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2008-298292所公开的主题相关的主题，该优选权专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
之前所描述的实施例和例子不限制本发明的范围。在所附权利要求的范围或其等同物的范围内，根据设计需要和其它因素，可以出现各种更改形式、组合形式、子组合形式和变化形式。
Claims (12)
1.一种对氧化物半导体层的非破坏性测试方法，包括如下步骤：
向待测试的非晶或多晶目标氧化物半导体层施加激发光，并且测量从所述目标氧化物半导体层发射的光之中、比对应于带隙能的波长长的波长范围内的光致发光的强度；
采用与所述目标氧化物半导体层相同的方式，测量非晶或多晶基准氧化物半导体层的光致发光强度，并且测量所述基准氧化物半导体层的膜特性，以得到光致发光强度和膜特性之间的关系，所述基准氧化物半导体层具有与所述目标氧化物半导体层相同的元素组成，并且通过与所述目标氧化物半导体层相同的工艺且在相同的沉积温度下来制备；以及
基于所述目标氧化物半导体层的光致发光强度的测量结果以及光致发光强度和膜特性之间的所述关系，估计所述目标氧化物半导体层的膜特性。
2.根据权利要求1所述的非破坏性测试方法，其中，被测量的所述基准氧化物半导体层的膜特性是载流子浓度，并且基于所述基准氧化物半导体层的载流子浓度和光致发光强度之间的关系，估计所述目标氧化物半导体层的载流子浓度。
3.根据权利要求2所述的非破坏性测试方法，其中，利用霍尔效应来测量所述基准氧化物半导体层的载流子浓度。
4.根据权利要求1所述的非破坏性测试方法，其中，用作半导体元件中包含的活性层的氧化物半导体层能够被用作所述目标氧化物半导体层，并且被非接触地测试。
5.一种制造氧化物半导体层的方法，包括如下步骤：
在基底上沉积非晶或多晶氧化物半导体层；以及
通过权利要求1所述的非破坏性测试方法，测试所述非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过所述非破坏性测试方法，现场监测沉积期间所述非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性，并且基于监测得到的结果来控制沉积条件，以便得到所需的膜特性。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，控制从沉积气氛中的氧分压、基底温度和沉积速率中选出的至少一个沉积条件。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括如下步骤：
对所述非晶或多晶氧化物半导体层进行退火，
其中，在沉积之后，通过所述非破坏性测试方法，测试所述非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性，
在所述测试的步骤之后，执行所述退火的步骤，并且
基于所述非破坏性测试的结果来设置退火条件，以便得到所需的膜特性。
9.根据权利要求5所述的方法，还包括如下步骤：
在沉积之后，对所述非晶或多晶氧化物半导体层进行退火，
其中，通过所述非破坏性测试方法，现场监测退火期间所述非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性，并且基于监测得到的结果来控制退火条件，以便得到所需的膜特性。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，控制从退火气氛中的氧分压、退火温度和退火时间中选出的至少一个退火条件。
11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述方法是制造半导体元件的工艺中的一部分，所述半导体元件包括用作活性层的所述非晶或多晶氧化物半导体层，
所述方法还包括以下步骤：在制造了所述非晶或多晶氧化物半导体层之后，通过所述非破坏性测试方法来测试所述非晶或多晶氧化物半导体层的膜特性，以及
基于所述非破坏性测试的结果来选择接下来要采取的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，
所述半导体元件是场效应晶体管。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008-298292 | 2008-11-21 | ||
| JP2008298292A JP2010123872A (ja) | 2008-11-21 | 2008-11-21 | 酸化物半導体層の非破壊検査方法、及び酸化物半導体層の作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101740434A CN101740434A (zh) | 2010-06-16 |
| CN101740434B true CN101740434B (zh) | 2012-04-18 |
Family
ID=42196668
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2009102264855A Expired - Fee Related CN101740434B (zh) | 2008-11-21 | 2009-11-20 | 氧化物半导体层的非破坏性测试方法和制造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8080434B2 (zh) |
| JP (1) | JP2010123872A (zh) |
| CN (1) | CN101740434B (zh) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102313849B (zh) | 2010-06-30 | 2014-08-06 | 株式会社神户制钢所 | 氧化物半导体薄膜的评价方法及氧化物半导体薄膜的质量管理方法 |
| JP5814558B2 (ja) * | 2010-06-30 | 2015-11-17 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法 |
| WO2012016233A1 (en) | 2010-07-30 | 2012-02-02 | First Solar, Inc. | Photoluminescence measurement tool and associated method |
| JP6204036B2 (ja) * | 2012-03-16 | 2017-09-27 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法 |
| US8860022B2 (en) * | 2012-04-27 | 2014-10-14 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Oxide semiconductor film and semiconductor device |
| CN103033734B (zh) * | 2012-12-31 | 2015-05-27 | 西安电子科技大学 | 基于非接触式霍尔效应测量石墨烯载流子迁移率的方法 |
| KR102068741B1 (ko) * | 2013-06-04 | 2020-01-22 | 삼성디스플레이 주식회사 | 다결정 규소막의 검사 방법 |
| JP5732120B2 (ja) * | 2013-09-13 | 2015-06-10 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸化物半導体薄膜の評価装置 |
| JP5798669B2 (ja) | 2013-12-03 | 2015-10-21 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法、並びに上記評価方法に用いられる評価装置 |
| RU2654935C1 (ru) * | 2016-12-19 | 2018-05-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Способ бесконтактного определения квантованного холловского сопротивления полупроводников и устройство для его осуществления |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3405682B2 (ja) | 1998-07-15 | 2003-05-12 | 日本電信電話株式会社 | 半導体エピタキシャル膜の非破壊検査方法 |
| US6995371B2 (en) * | 2003-06-12 | 2006-02-07 | Sirica Corporation | Steady-state non-equilibrium distribution of free carriers and photon energy up-conversion using same |
| JP5138163B2 (ja) | 2004-11-10 | 2013-02-06 | キヤノン株式会社 | 電界効果型トランジスタ |
-
2008
- 2008-11-21 JP JP2008298292A patent/JP2010123872A/ja active Pending
-
2009
- 2009-11-19 US US12/622,095 patent/US8080434B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2009-11-20 CN CN2009102264855A patent/CN101740434B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US8080434B2 (en) | 2011-12-20 |
| JP2010123872A (ja) | 2010-06-03 |
| CN101740434A (zh) | 2010-06-16 |
| US20100129942A1 (en) | 2010-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101740434B (zh) | 氧化物半导体层的非破坏性测试方法和制造方法 | |
| KR101436766B1 (ko) | 산화물 반도체 박막층을 갖는 적층 구조 및 박막 트랜지스터 | |
| KR101775803B1 (ko) | 산화물 반도체 박막의 평가 방법, 및 산화물 반도체 박막의 품질 관리 방법, 및 상기 평가 방법에 이용되는 평가 소자 및 평가 장치 | |
| Polyakov et al. | Defect states determining dynamic trapping-detrapping in β-Ga2O3 field-effect transistors | |
| EP3079165B1 (en) | Method for evaluating an oxide semiconductor thin film and for managing quality of the oxide semiconductor thin film | |
| US9316589B2 (en) | Method for evaluating oxide semiconductor thin film, and method for quality control of oxide semiconductor thin film | |
| TWI552233B (zh) | An oxide semiconductor thin film, and a thin film of the oxide semiconductor The quality evaluation method of the laminated body having the protective film on the surface of the film, and the quality management method of the oxide semiconductor thin film | |
| JP2013016866A (ja) | 酸化物半導体薄膜層を有する積層構造、積層構造の製造方法、薄膜トランジスタ及び表示装置 | |
| KR101775801B1 (ko) | 박막 트랜지스터 | |
| Almalawi et al. | Enhanced UV emission of GaN nanowires functionalized by wider band gap solution-processed p-MnO quantum dots | |
| KR20180126558A (ko) | 산화물 반도체 박막의 품질 평가 방법, 및 상기 산화물 반도체 박막의 품질 관리 방법, 그리고 해당 품질 평가 방법을 이용하는 반도체의 제조 장치 | |
| Turkulets et al. | Contactless method to measure 2DEG charge density and band structure in HEMT structures | |
| US20120139551A1 (en) | Electrical and opto-electrical characterization of large-area semiconductor devices | |
| JP4979245B2 (ja) | 高温動作ダイヤモンドトランジスタ装置を用いた温度計、増幅器 | |
| Sasikumar et al. | Deep trap-induced dynamic on-resistance degradation in GaN-on-Si power MISHEMTs | |
| JP6653217B2 (ja) | 酸化物半導体薄膜の表面に保護膜を有する積層体の品質評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法 | |
| JP2012178413A (ja) | エピタキシャル基板のシート抵抗評価方法 | |
| Ardaravičius et al. | Determination of hot-electron drift velocity in (Be) ZnMgO/ZnO 2DEG channels | |
| Manyam et al. | Cathodoluminescence study of electric field induced migration of defects in single crystal m-plane ZnO | |
| Piskorski et al. | Band diagram determination of MOS structures with different gate materials on 3C-SiC substrate | |
| Yang et al. | Free Electron Dynamics and Intrinsic Mobility in Ga2O3 Revealed by Transient Terahertz Conductivity | |
| Srirejeki et al. | IV characteristics of 10% Ce-doped ZnO NRs growth on IDE arrays | |
| Kováč et al. | Investigation of robust bandgap semiconductor structures using optical spectroscopy methods | |
| Yoo et al. | Non-Contact and Non-Destructive Characterization of Laser Spike Annealed Si1-xGex/Si Using Very High Resolution Multiwavelength Raman Spectroscopy | |
| Turkulets et al. | Contactless method to measure 2DEG charge density and band structure in high electron mobility transistor structures does not require transistor fabrication |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JANPAN ORGANIC RATE DISPLAY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: SONY CORPORATION Effective date: 20150813 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150813 Address after: Tokyo, Japan Patentee after: JOLED Inc. Address before: Tokyo, Japan Patentee before: Sony Corp. |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120418 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |