CN102313849B

CN102313849B - 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

Info

Publication number: CN102313849B
Application number: CN201110163468.9A
Authority: CN
Inventors: 钉宫敏洋; 安野聪; 森田晋也; 前田刚彰; 三木绫
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: KR101251123B1; CN102313849A; KR20120002459A

Abstract

本发明提供一种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，其为不带电极而是通过非接触型来评价、测定氧化物半导体薄膜的电特性的方法。对形成有氧化物半导体薄膜的试样照射激励光及微波，在测定因上述激励光的照射而发生变化的上述微波的来自上述氧化物半导体薄膜的反射波的最大值之后，停止上述激励光的照射，并测定上述激励光的照射停止后的上述微波的来自上述氧化物半导体薄膜的反射波的反射率的变化，根据上述测定的值算出寿命值，由此判定上述氧化物半导体薄膜的迁移率。

Description

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

技术领域

本发明涉及一种氧化物半导体薄膜的评价方法，具体而言，是涉及一种判定、评价氧化物半导体薄膜的载流子迁移率的方法及氧化物半导体薄膜的质量管理方法。

背景技术

含有铟(In)、镓(Ga)、锌(Zn)、锡(Sn)等氧化物的半导体(氧化物半导体)由于具有电场效应迁移率(迁移率)越高则越优异的半导体特性，因而正在研究对有源矩阵型显示器的驱动元件等的应用。特别是氧化物半导体由于可以在低温下成膜且光学带隙大，所以可进行对塑料基板、胶片基板的成膜，正在研究在使用了这样的基板的柔性显示器、透明显示器等中的应用。

但是，在材料开发中，必须根据要求的特性改变氧化物半导体组成的组合及含量等，而在研究最佳组合时，必须要进行迁移率等电特性的检查。

另外，公知有氧化物半导体的耐热性不足，因TFT(薄膜晶体管)制造工艺中的热处理及等离子处理而脱氧并形成晶格缺陷。另外，公知有氧化物半导体在制造工序取入氢，在电性方面形成浅的不纯度。以这样的晶格缺陷及氢为起因而易于对氧化物半导体的迁移率产生偏差，有时还对TFT特性产生影响。因此，在显示器等的制造工序中，从提高生产率的观点看，评价成膜的氧化物半导体薄膜的特性，将其结果反馈并调整制造条件而进行膜质的管理至为重要。

作为现有的半导体薄膜特性的评价方法，通常在半导体薄膜上形成栅极绝缘膜及钝化绝缘膜进行带电极，之后，测定迁移率或阈值等特性，而在需要带电极的接触型的判定方法中，需要用于带电极的时间及成本。另外，通过进行带电极，半导体薄膜有可能产生新的缺陷，从进一步提高制造成品率的观点看，要求确立不需要带电极的非接触型的测定方法。

在非接触型中作为评价半导体薄膜特性的方法，本发明者们提出了利用微波光导电衰减法进行的评价方法(专利文献1)。该技术对形成有多晶硅等晶质半导体薄膜的试样照射激光，通过测定根据由该激光照射所激励的过剩载流子而变化的微波的反射率的变化，而测定半导体薄膜的结晶性。

专利文献1：日本特开2008-191123号公报

上述专利文献1的技术不需要半导体薄膜带电极，另外，可在短时间内且高精度地测定半导体薄膜的结晶性，但是，进行晶质半导体薄膜的结晶性评价，氧化物半导体薄膜之类的非晶质薄膜为对象之外。

发明内容

本发明是着眼于上述的各种实情而创立的，其目的在于，不带电极并通过非接触型评价、测定氧化物半导体薄膜的电特性(特别是迁移率)的方法及氧化物半导体的质量管理方法。

可实现上述课题的本发明提供一种氧化物半导体薄膜的评价方法，其宗旨为，对形成有氧化物半导体薄膜的试样照射激励光及微波，在测定因所述激励光的照射而变化的所述微波的来自所述氧化物半导体薄膜的反射波的最大值之后，停止所述激励光的照射，测定所述激励光的照射停止后的所述微波的来自所述氧化物半导体薄膜的反射波的反射率的变化，根据所述测定的值算出寿命值，由此判定所述氧化物半导体薄膜的迁移率。

另外，本发明提供一种氧化物半导体薄膜的评价方法，其宗旨为，对形成有氧化物半导体薄膜的试样照射激励光及微波，并测定因所述激励光的照射而变化的所述微波的来自所述氧化物半导体薄膜的反射波的最大值，由此判定所述氧化物半导体薄膜的迁移率。

本发明中，也优选为，所述氧化物半导体薄膜含有从由In、Ga、Zn及Sn构成的组中选择出的至少一种以上的组合。

本发明的上述评价方法是也优选在将氧化物半导体薄膜形成在基板上之后的半导体制造工序中的任一工序中应用并对氧化物半导体薄膜的质量进行管理的实施方式。

根据本发明，可不进行带电极而通过非接触定性或定量评价氧化物半导体薄膜的迁移率。

因此，在开放阶段可在短时间内且低成本评价各种组成的氧化物半导体的迁移率。另外，根据本发明的方法，在液晶显示装置等制造生产线中，可联机且短时间地评价氧化物半导体薄膜的电特性，另外，由于还可通过非接触型进行，因而可提高成品率等提高生产率，且可准确地进行氧化物半导体的质量管理。

附图说明

图1是寿命测定装置的概略图；

图2是表示通过寿命测定得到的衰减波形之一例的图；

图3是TFT元件结构的示意图；

图4是表示实施例1中的各处理条件的Id-Vg特性的图；

图5是表示实施例1中的各处理条件的寿命测定结果的图；

图6是表示迁移率和寿命值的关系的图；

图7是表示迁移率和峰值的关系的图；

图8是表示峰值的变换结果的图；

图9是表示迁移率的变换结果的图；

图10是表示峰值的变换结果的图；

图11是表示迁移率的变换结果的图；

图12是表示峰值的变换结果的图；

图13是表示迁移率的变换结果的图；

图14是表示迁移率的变换结果的图。

符号说明

1：脉冲激光器(激励光的光源)

2：微波振荡器

3：方向性耦合器

4：自动图示仪T

5a：第一波导管(信号用波导管)

5b：第二波导管(参照用波导管)

6：混频器

7：信号处理装置

8：计算机

9：载物台控制器

10：试样台

11：X-Y载物台

12：基板保持部

13：反射镜

14：聚光透镜

20：试样基板

20a：薄膜试样

20b：基板

31：玻璃基板

32：栅电极

33：栅极绝缘膜

34：氧化物半导体薄膜

35：源·漏电极

36：钝化绝缘膜

37：接触孔

38：测定用探针

39：测定用探针

40：测定用探针

具体实施方式

如上所述，作为评价多晶硅等晶质半导体薄膜的结晶性的技术，本发明者们首先提出了利用微波光导电衰减法进行的测定方法。在该技术的测定对象即晶质半导体薄膜的情况下，由于利用激光退火进行晶体化时的激光照射时间或激光强度等条件变动，结晶性容易产生偏差，该结晶性的偏差对产品的性能造成不利影响，因此，评价结晶性至为重要。而且，由于利用微波光导电衰减法的评价方法为不需要带电极的非接触型的测定，而且可以在短时间内进行测定，所以本发明者们为了将该评价方法也应用于非晶质的氧化物半导体薄膜的特性评价而反复进行了锐意研究。

在通过微波光导电衰减法评价上述半导体薄膜的结晶性的情况下，由于照射的微波的反射率根据由薄膜中的结晶粒径的偏差或自由键引起的缺陷量(缺陷的存在程度)等而变化，因此可通过根据微波反射率的时间变化测定寿命来评价结晶性。但是，在本发明中作为评价·测定对象的氧化物半导体薄膜的情况下，由于为非晶质(非结晶)，因而不能进行与上述晶质的半导体薄膜相同的评价(结晶性)。

另外，即使将以晶质的半导体薄膜为对象的测定条件直接应用于非晶质氧化物半导体薄膜，也不能准确地测定反射率等。

因此，本发明者们首先对氧化物半导体薄膜的反射率等测定条件进行了研究，其结果发现，需要设定适用于氧化物半导体薄膜的激励光的照射条件。

另外，本发明者们对氧化物半导体薄膜的特性和寿命的测定结果的关系反复进行了研究，其结果发现，详细情况将在实施例1进行说明，(1)氧化物半导体膜的迁移率和寿命值具有高的相关关系；另外，(2)氧化物半导体薄膜的迁移率和反射率的峰值具有高的相关关系，以至于完成了本发明。

本发明者们对(1)氧化物半导体薄膜的迁移率和寿命值的关系进行了研究，其结果是发现，首先，反射率从峰值(最大值)至停止激励光照射后相对于峰值反射率衰减到1/e的时间越延迟则寿命越长，而迁移率也与寿命的长短成正比地变高(图6)。因此，在为氧化物半导体薄膜的情况下，通过调查寿命值(反射率变化的1/e)，可间接评价氧化物半导体薄膜的迁移率。

另外，还对(2)氧化物半导体薄膜的迁移率和反射率峰值的关系进行了研究，其结果是发现，反射率的峰值越高(即微波的反射率越高)则寿命越长，而迁移率也与峰值的高低成正比地变高(图7)。因此，在为氧化物半导体薄膜的情况下，通过代替寿命值而调查峰值，也可以间接地评价氧化物半导体薄膜的迁移率。

即，氧化物半导体薄膜的峰值及寿命值作为电特性的指标即迁移率的间接评价参数是有用的。

另外，本发明者们研究的结果发现，虽然详细情况将在后述实施例2～4进行说明，但是，在为氧化物半导体薄膜的情况下，不能根据氧化物半导体膜的组成或元素浓度测定反射率的峰值。即，若所制作的非结晶氧化物半导体薄膜的载流子浓度过高，则即使照射激励光也不能检测峰值。而且，若将这样的不能检测峰值的氧化物半导体薄膜用于液晶显示器等显示装置，则成为工作不良的原因。

在为氧化物半导体薄膜的情况下，虽然也有赖于所要求的电特性，但是通常优选载流子浓度低的一方，例如优选载流子浓度为10¹⁸cm^-3以下，而不能检测上述峰值的氧化物半导体薄膜都是载流子浓度超过10¹⁸cm^-3。因此，在材料开发阶段不能检测峰值的材料作为不能作为氧化物半导体膜使用的可以除外。

如上所述，根据本发明，不仅可通过非接触型评价·判定氧化物半导体薄膜的电特性(迁移率)，还可在氧化物半导体薄膜的材料开发阶段，简单地进行与氧化物半导体薄膜的组成或元素浓度适应的迁移率的判断。

下面，参照图1说明用于本发明实施方式的氧化物半导体薄膜的迁移率的评价的装置的概略及氧化物半导体薄膜的测定、评价方法。

如图1所示的测定装置用于对试样(氧化物半导体薄膜)20a的测定部位照射激励光及微波，测定因该激励光的照射而发生变化的微波的从试样的反射波的强度。

若薄膜试样20a为形成于由玻璃等构成的基板20b(基材)的表面的氧化物半导体的薄膜则无特别限定，例如可使用由选自In、Ga、Zn及Sn构成的组中的至少一种以上的组合构成的非晶质的氧化物半导体。氧化物半导体薄膜只要是例如数十nm～100nm左右厚度即可，另外，作为氧化物半导体可列举例如In氧化物、In-Sn氧化物、In-Zn氧化物、In-Sn-Zn氧化物、In-Ga氧化物、Zn-Ga氧化物、In-Ga-Zn氧化物、Zn氧化物。

另外，基板20b可使用各种基板，例如厚度0.7mm左右、大小(宽度)为被称为第一代～第十代的自数十cm²至超过数m²的液晶显示装置用的玻璃基板等。下面，将基板20b和形成于其表面的薄膜试样20b一并称为试样基板20。

如图1所示，测定装置具备：脉冲激光器1、微波振荡器2、方向性耦合器3、自动图示仪T(4)、第一波导管(信号用波导管)5a、第二波导管(参照用波导管)5b、混频器6、信号处理装置7、计算机8、载物台控制器9、试样台10、X-Y载物台11、基板保持部12、反射镜13及聚光透镜14等。

脉冲激光器1是输出对薄膜试样20a照射的激励光的光源，例如是如实施例所示的以波长349nm、功率1μJ/pulse、脉宽15ns左右、光束直径1.5mm左右的脉冲状紫外线(YLF激光第三高次谐波等)为激励光射出的半导体激光器等。上述波长(紫外线的波长)中的扩散长为约10nm，与实施例的薄膜试样20a的膜厚50nm相比较非常短。

本发明者们对相对于氧化物半导体薄膜的衰减波形的检测灵敏度进行了研究，其结果是发现，若脉冲能量变长，则检测灵敏度变差。因此，在本发明中，为了提高衰减波形的检测灵敏度而优选缩短脉冲能量，优选为3μJ/pulse以下，更优选为1μJ/pulse以下。

另外，脉冲激光器1的输出光(激励光)具有薄膜试样20a的带隙以上的能量。在此，激励光具有薄膜试样20a的带隙以上的能量是用于改变薄膜试样20a的导电率的条件。另外，脉冲激光器1以从计算机8传送来的定时信号的输入为触发而输出激励光(脉冲光)。另外，定时信号还同时向信号处理装置7传输。

从脉冲激光器1输出的激励光被反射镜13反射，同时，被聚光透镜14(聚光装置)聚光，通过设于第一波导管5a的微小开口5c，并穿过该第一波导管5a的接近薄膜试样20a的端部(开口部)而对薄膜试样20a的测定部位(例如，直径为5～10μm左右的点)进行照射。这样，反射镜13及聚光透镜14将从脉冲激光器1输出的激励光进行聚光并导向薄膜试样20a。由此，在薄膜试样20a的微小的激励光照射区域(测定部位)发生激励载流子。

微波振荡器2为输出向薄膜试样20a的测定部位(包含激励光的激励部的部位)照射的微波(电磁波)的装置。该微波振荡器20例如为频率26GHz的耿氏二极管等。

方向性耦合器3为将从微波振荡器2输出的微波二分支的装置，分支后的一输出波(以下称为第一微波Op1)向自动图示仪T(4)侧传输，另一输出波(以下称为第二微波Op2)向混频器6的LO输入端传输。该方向性耦合器3例如采用10dB耦合器等。

自动图示仪T(4)将第一微波Op1二分支，同时输出二分支后的各第一微波对薄膜试样20a的各反射波的差信号Rt1(以下称为反射波差信号)及和信号。

由自动图示仪T(4)二分支的第一微波Op1的一方(以下称为第一主微波Op11)通过与其自动图示仪T(4)连接的第一波导管5a被导向薄膜试样20a的测定部位(包含激励部的部分)，并从其前端的开口部发射。由此，使第一主微波Op11照射到薄膜试样20a的测定部位。另外，第一波导管5a除作为发射上述第一主微波Op11的天线(波导管天线)功能之外，还起到通过其前端开口部捕捉照射到测定部位的第一主微波Op11的反射波，并将其折返导向至自动图示仪T(4)的(逆向导入)功能。

另一方面，由自动图示仪T(4)二分支的第一微波Op1的另一方(以下称为第一副微波Op12)通过与自动图示仪T(4)连接的第二波导管5b被导向薄膜试样20a的测定部位附近(不包含激励光的激励部的部分)并从其前端的开口部发射。由此，第一副微波Op12照射到薄膜试样20a的测定部位附近。另外，第二波导管5b除作为发射第一副微波Op12的天线(波导管天线)的功能之外，还实现由其前端开口部捕捉照射到测定部位附近的第一副微波Op12的反射波，并将其折返导向至自动图示仪T(4)的功能。在此，第一波导管5a引导微波的路径长度和第二波导管5b引导微波的路径长度相等(同一路径长度)。

另外，被第一波导管5a及第二波导管5b导向自动图示仪T(4)的两个反射波(二分支后的第一微波Op11、Op12分别被薄膜试样20a反射的波)的差信号(反射波差信号Rt1)通过其自动图示仪T(4)输出，并传输到混频器6的RF输入端。

混频器6通过将第二微波Op2及反射波差信号Rt1混频而输出检波信号Sg1。该检波信号Sg1为表示反射波差信号Rt1的强度(照射到薄膜试样20a的第一微波Op1的反射波强度之一例)的信号，被读入到信号处理装置7。反射波差信号Rt1通过对由后述的基板保持部12保持在规定位置的薄膜试样20a照射激励光而使其强度发生变化。这样，混频器6检测反射波差信号Rt1的强度(电磁波强度检测装置之一例)，也可以替代该混频器6，设置输入微波并输出与其强度相对应的电信号(电流或电压)的微波检测器(检波器)。

由混频器6检测的反射波差信号Rt1的强度根据激励光对薄膜试样20a的测定部位的照射而变化。具体而言，反射波差信号Rt1的强度通过激励光(脉冲光)的照射而暂时变强后发生衰减。另外，测定部位杂质或缺陷等越多则反射波差信号Rt1的强度峰值越小，其衰减时间(载流子寿命)也变短。

在此，对通过激励光(脉冲光)的照射而变化的反射波差信号Rt1的强度，将其峰值或产生波峰至衰减到规定能级的时间(衰减时间：寿命值)作为评价薄膜试样20a的载流子迁移率的指标值。

另外，对反射波差信号Rt1由规定的延时电路实施延时处理，由此，可以只对其峰值附近使信号变化的速度延时，即使实际的信号测定的采样频率比较小，也可以模拟提高有效采样频率。

信号处理装置是7对由混频器6检测的反射波差信号Rt1的强度变化的峰值Sp进行检测，将其检测结果传输到计算机8的装置。更为具体地说，信号处理装置7是以来自计算机8的定时信号的输入为触发按规定时间监视反射波差信号Rt1的变化，且其间将得到的反射波差信号Rt1的电平的最高值作为反射波差信号Rt1的强度变化的峰值Sp进行检测。在此，信号处理装置7具备对反射波差信号Rt1实施延时处理的延时电路，对延时处理后的信号按规定的采样频率依次检测信号强度，根据其检测值的变化检测反射波差信号Rt1的强度变化的峰值Sp。

计算机8具备：CPU、存储部、输入输出信号的接口等，CPU通过执行规定的程序而执行各种处理。

例如，计算机8对脉冲激光器1及信号处理装置7输出表示激励光的输出定时的定时信号，同时，读入由信号处理装置7检测的反射波差信号Rt1的峰值Sp并将其记录于该计算机8所具备的存储部。记录的反射波差信号Rt1用于薄膜试样20a的载流子迁移率的评价。

另外，载物台控制器9通过根据来自计算机8的指令控制X-Y载物台11，而进行薄膜试样20a中的测定部位的定位控制。

试样台10为由铝、不锈钢或铁等金属或其它导体构成的板状部件(导体部件)，在其上侧设有基板保持部12，另外，在其基板保持部12之上载置有试样基板20。由此，将试样台10配置于对含有薄膜试样20a的试样基板20照射上述第一微波Op11、Op12的一侧的相反侧(试样基板20的下侧)。

基板保持部12为相对于试样台10固定于其上侧的固形的电介质。如图1所示，基板保持部12为插入基板20b(基材)和试样台10(导体部件)之间的固形的电介质，其材质为例如玻璃或陶瓷等折射率比较大的电介质。由此，以基板保持部12为介质的微波的波长缩短，作为基板保持部12可采用厚度更薄的轻量的电介质。

另外，作为基板保持部12还可考虑采用由多种材质构成的电介质，若考虑微波在不同材质的界面的反射等引起的损失，优选基板保持部12采用单一材质的电介质。

另外，基板保持部12从上方(从微波的照射方向)看形成为包含薄膜试样20整体的大小(例如约1m×1m以上的大小)。在此，基板保持部12例如通过与形成于试样台10的凹槽(凹部)嵌合，或者通过经由规定的固定件螺钉紧固于试样台10上而相对于试样台10固定。

由于液晶显示装置用的玻璃基板等批量产品即试样基板20其厚度(基板20b及薄膜试样20a的厚度)预先可知，因而基板保持部12的厚度根据试样基板20的已知的厚度决定。另外，在以厚度不同的多种试样基板20为测定对象的情况下，只要备好厚度不同的多种基板保持部12，使其相对于试样台10拆装自如(可更换)地构成，将对应于试样基板20的厚度的基板保持部12安装于试样台10即可。

例如，在微波的频率为2.65GHz、基板20b及基板保持部12(微波的介质)为折射率2.35的玻璃，基板20b的厚度为0.7mm的情况下，由于玻璃介质中的微波的波长λm为4.81mm，因而只要将基板保持部12的厚度设为0.5mm左右(≈4.81/4-0.70)即可。

下面，参照图1、图2说明氧化物半导体薄膜的评价方法。

将在后述实施例1在进行详细叙述，由于氧化物半导体薄膜的载流子迁移率与寿命值或载流子峰值(＝反射率的峰值)有相关关系，因而，通过算出寿命值或峰值，可以间接地评价、判定价氧化物半导体薄膜的载流子迁移率。

图2是表示微波光导电衰减法的过剩载流子密度的变化情况的图(曲线表示载流子密度)。已知通过对氧化物半导体薄膜试样照射的激励光，由氧化物半导体薄膜吸收并生成过剩载流子(激励载流子)，随着过剩载流子密度的增加，其消失速度增加，在载流子注入速度和消失速度相等时，过剩载流子密度达到一定的峰值。而且，若该过剩载流子的生成和消减的速度相等则达到饱和，维持一定的值，但是，若停止激励光的照射则由于过剩载流子的再结合、消减而过剩载流子减少，最终返回到激励光照射前的值。

之所以通过利用这样的微波光导电衰减法测定寿命值或者峰值，可判定氧化物半导体薄膜的迁移率，认为是基于下述的理由。

照射到氧化物半导体薄膜试样的微波通过基于由氧化物半导体薄膜的自由载流子密度所决定的电阻率的反射率进行反射。在通过激励光的照射而生成过剩载流子时，氧化物半导体薄膜的电阻率减小，因此，微波的反射率随着该电阻率的减小而增加。另外，由于通过停止激励光的照射，随着过剩载流子数减小而电阻率上升，因而微波的反射率减小。

但是，微波反射波的强度受到因激励光照射而产生于测定部位的过剩载流子影响，其影响程度还依赖于试样中的缺陷等的程度。即，照射到氧化物半导体薄膜试样的微波的反射波的强度在因激励光的照射而暂时变强之后发生衰减，而试样中的缺陷等越多则其反射波的强度峰值越小，其衰减时间(载流子寿命)也缩短。因此，照射到半导体试样的微波反射波的强度成为试样的载流子迁移率的指标。如实施例1中详细叙述，由于寿命值与氧化物半导体薄膜试样的载流子迁移率成正比，所以只要寿命值高则就可以评价为迁移率也高(图6)。

因此，对形成有氧化物半导体薄膜的试样照射激励光及微波，在测定因激励光的照射而发生变化的微波的来自氧化物半导体薄膜的反射波的最大值(峰值)之后，停止激励光的照射，测定停止激励光的照射后的微波的来自氧化物半导体薄膜的反射波的反射率的变化，根据测定的值计算寿命值(反射率变化的1/e)，由此可判定氧化物半导体薄膜的迁移率。

另外，同样在实施例1进行了详细叙述，但是，由于氧化物半导体薄膜的载流子迁移率和反射率的峰值有相关关系(图7)，因此，通过测定反射率的峰值，可以判定氧化物半导体膜的载流子迁移率。

因此，通过对形成有氧化物半导体薄膜的试样照射激励光及微波，测定因激励光的照射而发生变化的微波的来自氧化物半导体薄膜的反射波最大值(峰值)，可以判定氧化物半导体薄膜的迁移率。

如上所述，氧化物半导体薄膜的迁移率可以基于寿命值进行评价，或者也可以基于峰值进行评价。不论哪一种方法，均可通过非破坏且非接触来判定氧化物半导体薄膜的迁移率。

另外，由于通过将本发明的氧化物半导体薄膜的评价方法应用于将氧化物半导体薄膜形成于基板上之后的制造工序中的任一工序，可评价氧化物半导体薄膜的特性，并将其结果反馈来调整制造条件进行膜质的管理，因此，可适宜进行氧化物半导体的品质管理。

另外，作为在上述制造工序中测定的点，例如可以在基板上形成氧化物半导体薄膜后立即进行，也可以在对该氧化物半导体薄膜进行例如氧及水蒸气的热处理后进行，还可以在形成钝化绝缘膜前进行，可以在各种工序后测定。另外，通过测定基材上的多个点，可测定氧化物半导体薄膜的面内分布。

实施例

下面，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明本发明当然并不受下述实施例限制，当然可以在适合上述·下述宗旨的范围加以适当变更进行实施，这些都包含于本发明的技术范围。

实施例1

实施例1中，通过进行以下的实验对氧化物半导体薄膜的载流子迁移率和寿命值或者与峰值之间的相关关系进行了调查。

首先，为基于微波光导电衰减法测定寿命等，制作了非结晶氧化物半导体薄膜(InGaZnO)的样品。首先，在玻璃基板(科宁公司(corning)制造EAGLE2000：6英寸)上，在下述条件下通过溅射法形成氧化物半导体薄膜。

溅射靶组成：1nGaZnO₄(In∶Ga∶Zn＝1∶1∶1)

基板温度：室温

氧化物半导体层的膜厚：100nm

氧添加量：O₂/(Ar+O₂)＝2％

接着，为改变氧化物半导体薄膜的迁移率而在下述条件下进行预退火处理，得到试样(试样Ne.1未进行预退火处理)。

试样No.1：未进行预退火

试样No.2：预退火条件1：大气压、氧100％、温度：350℃、1个小时

试样No.3：预退火条件2：水蒸气分压50％/氧50％、温度：350℃、1个小时

对得到的各试样按下述条件使用具有如图1所示的构成的装置(具体而言是株式会社kobelco科研制：LAT-1820SP)并通过微波光导电衰减法测定反射率的变化。

微波光导电衰减法中的条件如下。

激光波长：349nm(紫外线)

脉宽：15ns

脉冲能量：1μJ/pulse

光束直径：1.5mmφ

1测定中的脉冲数＝64次

装置：LTA-1820SP(株式会社kobelco科研制)

基于上述微波光导电衰减法测定的反射率的变化和寿命的测定结果如图5所示。另外，根据图5的衰减波形算出的各试样的寿命值(μs，另外s表示秒)和峰值(mV)如表2所示。

载流子迁移率的测定

另外，为调查上述试样No.1～3的载流子迁移率，制作并测定了如图3所示的试样。具体而言，在用于上述试样的制作的玻璃基板31上形成Mo栅电极(厚度100nm)32、栅极绝缘膜(SiO₂，厚度200nm)33，在其上以与上述试样相同的条件形成氧化物半导体薄膜(50nm)34。其后，通过湿式蚀刻(蚀刻剂为关东化学制造ITO-07N)对氧化物半导体薄膜34进行构图。此后，为改善氧化物半导体薄膜34的膜质而立即进行了热处理(预退火处理条件与上述试样No.1～3相同)。其后，通过提离法(成膜温度：室温)在氧化物半导体薄膜34上形成源·漏电极(纯Ti：厚度200nm)35(源·漏极间的沟道长度L：10μm，电极宽度：200μm)，且在其上形成钝化绝缘膜(SiN/SiO₂：下层SiO₂膜厚度150nm、上层SiN膜厚度100nm)36。通过DVD法形成钝化膜，但在成膜时为避免因等离子体损伤而将氧化物半导体层表面导通，在钝化成膜前进行了N₂O等离子体照射。N₂O等离子体的照射条件参照了公知文献(J.Park等APP1.Phys.Lett.，93，053505(2008))(N₂O气体流量：100sccm，等离子体照射时压力：133Pa，等离子体发生电力：100mW/cm²，等离子体照射时间：300sec，等离子体照射温度：250℃，成膜温度：250℃)。形成钝化绝缘膜后，为测定电特性而进行了光刻和干式蚀刻，开设接触孔37。而且，使测定用探针38与栅电极32的接触孔接触，使测定用探针39与源电极35接触，使测定用探针40与漏电极35接触，制作与上述试样No.1～3对应的薄膜晶体管试样No.1～3，进行了各薄膜晶体管的电学评价(Id-Vg特性)。

将其结果示于图4(Id-Vg特性)。另外，将根据图4算出的各试样的迁移率(线性迁移率)示于表1。线性迁移率基于下式计算。

Id＝(W/L)×μ×Cox×(Vg-Vth)×Vd

式中，W为氧化物半导体薄膜的沟道宽度，L为该沟道长度，μ为线性迁移率，Cox为栅极绝缘膜电容，Vg为栅极电压，Vth为阈值电压，Vd为漏极电压。在本实施例中，W为200μm，L为10μm、Cox为根据绝缘膜材料和膜厚1.68×10^-4F/m²，Vg为20～30V的区域，Vd为10V(通过用20～30V的区域数点测定Id，可将Vg不经Vth而进行μ的计算)。

基于根据上述测定得到的结果(表1和表2)将迁移率和寿命值画成曲线的结果示于图6，将迁移率和峰值画成曲线的结果示于图7。

表1

	迁移率(cm²/Vs)
		未进行预退火	6.2
预退火条件1氧氛围气	13.2
		预退火条件2水蒸气氛围气	16.5

表2

根据以上的试验结果得到如下认识。

由图4得知，较之未进行预退火的薄膜晶体管试样No.1，进行了预退火的薄膜晶体管试样No.2、3的迁移率高，另外，进行了水蒸气处理的薄膜晶体管试样No.3具有最高的迁移率。

另外，根据图5得知，较之未进行预退火的试样No.1，进行了预退火的试样No.2、3的寿命变长，另外，进行了水蒸气处理的No.3具有最长的寿命。

另外，根据图6得知，迁移率和寿命值具有相关关系。即，可从图6读出寿命越长、寿命值越高，则迁移率也越高的趋势。

另外，根据图7得知，迁移率和峰值具有相关关系。即，可从图7读出峰值越高，则迁移率也越高的趋势。

而且，根据实验结果得知，通过利用微波光导电衰减法测定得到的寿命值及峰值，可判定、评价氧化物半导体薄膜的迁移率。

实施例2

在实施例2中，为了使用微波光导电衰减法(使用与实施例1相同的装置)测定、评价试样的寿命面内分布，而制作了以下的氧化物半导体薄膜样品。

氧化物半导体薄膜使用使组成不同的两个溅射靶同时放电的Co-Sputter法进行。通过将基板固定于两个溅射靶的正中间下方，可在基板面内形成使两个溅射靶组成的元素量倾斜的薄膜。另外，基板使用了与实施例1相同的玻璃板。

Co-sputter的成膜条件如下。

溅射靶组成：ZnO、ZnSnO(Zn∶Sn的组成比为3∶2)

基板温度：室温

氧化物半导体层的基板中心膜厚：100nm

氧添加量：O₂/(Ar/O₂)×100＝0.2％

接着，实施预退火处理(大气压、氧100％、温度350℃、1个小时)。在预退火处理后，对得到的试样以与实施例1相同的条件并通过微波光导电衰减法测定了寿命，将峰值进行了变换。结果如图8所述。

在图8中，越接近X轴左侧(Y轴方向)，则膜组成越接近ZnO靶组成，越接近X轴右侧则越接近ZnSnO(Zn∶Sn比为6∶4)靶组成。

另外，根据图8得知，越接近X轴左侧方向，则波峰强度越弱。这是表示膜组成越接近ZnO靶组成(ZnO越浓)，则载流子浓度越高，特别是若载流子浓度超过10¹⁸cm^-3，不能激励出激励光照射而产生的过剩载流子。因此，试样的左侧部分(图中用峰值不足500mV表示的区域)作为氧化物半导体薄膜是不表示晶体管特性的部分。

另一方面，还得知试样的右侧部分(图中特别是用峰值为1500mV以上表示的区域)表示均匀的反射率峰值的面内分布，作为晶体管是具有最佳的电学特性的膜组成。

为了确认，对使用了上述试样的薄膜晶体管的迁移率进行了调查，因此，与上述实施例1同样制作了如图3所示的试样并对其进行了测定。另外，如上所述，氧化物半导体薄膜使用Co-sputter法形成。

对该试样的开关特性(Id-Vg特性)进行测定，将对根据该测定值计算的迁移率进行了变换的结果示于图9(图中，X-Y轴上所记载1～20的连号是薄膜晶体管的地址编号)。图中，中空数字表示迁移率(cm²/Vs，另外s表示秒)，数字越大则表示迁移率越高，而迁移率0.1cm²/Vs以下的区域是不能得到开关特性的区域。

根据薄膜晶体管的开关特性算出迁移率，但在不能表示晶体管的开关特性的高载流子浓度区域(10¹⁸cm^-3以上)，迁移率为0.1cm²/Vs以下(图中，0.0表示不能计算)。而且，图9中迁移率为0.1cm²/Vs以下的区域是迁移率低而不具有晶体管特性的区域。

而且，根据该实验结果还得知，通过测定利用微波光导电衰减法而得到的反射率峰值，可不带电极而判定、评价氧化物半导体薄膜的迁移率的面内分布。另外还得知，可同时对晶体管的不具有开关特性的区域进行判别。特别是得知，由于可测定氧化物半导体薄膜的组成的元素量带有分级的部分，因而在材料开发中有用。

实施例3

在实施例3中，为了利用微波光导电衰减法(使用与实施例1相同的装置)判定、评价试样的寿命的面内分布，而制作了以下的氧化物半导体薄膜样品。

氧化物半导体薄膜成膜使用使组成不同的三个溅射靶同时放电的Co-Sputter法进行。通过在三个溅射靶的中间正下方固定基板，可在基板面内形成使三个溅射靶组成的元素量倾斜的薄膜。另外，基板使用了与实施例1相同的玻璃板。

Co-sputter的成膜条件如下。

溅射靶组成：ZnO、ZnSnO(Zn∶Sn的组成比为3∶2)、Al₂O₃

基板温度：室温

氧化物半导体层的基板中心膜厚：100nm

氧添加量O₂/(Ar+O₂)×100＝2％

接着，实施预退火处理(大气压、氧100％、温度350℃、1个小时)。预退火处理后，对得到的试样用与实施例1相同的条件并通过微波光导电衰减法测定了寿命，对峰值进行了变换。结果如图10所示。

图10中，越接近X轴左侧方向(Y轴方向)则膜组成越接近ZnO靶组成，越接近X轴右侧方向则越接近ZnSnO(Zn∶Sn比为6∶4)靶组成。另外，越接近Y轴上侧方向(X轴的相反方向)，则Al的掺杂浓度越高。

根据图10得知，越接近试样的X轴左侧方向，则波峰强度越弱。这表示膜组成越接近ZnO靶组成(ZnO越浓)则载流子浓度越高，特别是若载流子浓度超过10¹⁸cm^-3时，不能激励出激励光照射而产生的过剩载流子。因此，试样的左侧部分(图中用峰值不足480mV表示的区域)作为非结晶氧化物薄膜是不表示晶体管特性的部分。

另外还得知，即使是试样的右侧部分，越接近Al掺杂量变高的上侧(图中用峰值不足480mV表示的区域)，则峰值越小，作为氧化物半导体薄膜是不表示晶体管特性的部分。

另外，利用XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)进行试样的组成分析的结果是，在Al掺杂量更高的基板上侧的边缘部分Al为10原子％，在Al浓度变低的基板下侧的边缘部分Al为2原子％。

另一方面，根据图10得知，试样的右下侧部分(图中用峰值1400mV以上表示的区域)表示均匀的反射率峰值的面内分布，是作为晶体管具有最佳的电特性的膜组成。

为了进行确认，对使用了上述试样的薄膜晶体管的迁移率进行调查，与上述实施例1相同，制作如图3所示的试样并对其进行了测定。另外，如上所述，氧化物半导体薄膜利用Co-Sputter法形成。

对该薄膜晶体管的开关特性(Id-Vg特性)进行测定，将对根据该测定值计算的迁移率进行了变换的结果示于图11(图中，X-Y轴所记载的1～20为薄膜晶体管的地址编号)。图中，表示数字越大则迁移率越高，而迁移率为0.1cm²/Vs以下的区域是不能得到开关特性的区域。

根据薄膜晶体管的开关特性算出迁移率，在不能表示晶体管的开关特性的高载流子浓度区域(10¹⁸em^-3以上)，迁移率为0.1cm²/Vs以下(图中0.0表示不能计算)。而且，图中迁移率为0.1cm²/Vs以下的区域迁移率低，是不具有晶体管特性的区域。

另外还得知，在图中右侧部分，在Al掺杂浓度变高的上侧，越接近Al掺杂量变高的上侧则迁移率越降低。

而且，根据该实验结果得知，通过测定利用微波光导电衰减法而得到的反射率峰值，可以不带电极而判定、评价氧化物半导体薄膜的迁移率的面内分布。另外还得知，可同时判别不具有晶体管的开关特性的区域。特别是由于可测定氧化物半导体薄膜的组成元素量带有分级的情况，所以在材料开发中有用。

实施例4

在实施例4中，为了利用微波光导电衰减法(使用与实施例1相同的装置)测定、评价试样寿命的面内分布，而制作了以下的氧化物半导体薄膜样品。

氧化物半导体薄膜的成膜使用使组成不同的三个溅射靶同时放电的Co-Sputter法进行。通过在三个溅射靶的中间正下方固定基板，可在基板面内形成使三个溅射靶组成的元素量倾斜的薄膜。另外，基板使用与实施例1相同的玻璃板。

Co-sputter的成膜条件如下。

溅射靶组成：In₂O₃、Ga₂O₃、ZnO

基板温度：室温

氧化物半导体层的基板中心膜厚：100nm

氧添加量：O₂/(Ar+O₂)×100＝2％

接着，实施预退火处理(大气压、氧100％、温度350℃、1个小时)。预退火处理后，对得到的试样用与实施例1相同的条件并通过微波光导电衰减法测定其寿命，同时，对其峰值进行了变换。结果如图12所示。

在图12中，越接近X轴左侧方向则膜组成越接近In₂O₃靶组成，越接近X轴右侧方向则越接近ZnO靶组成。另外，越接近Y轴上侧方向(X轴的相反方向)，则越接近Ga₂O₃靶组成。

根据图12得知，在试样的X轴右侧方向越接近ZnO靶组成(图中用峰值不足30mV表示的区域)则峰值越小，作为氧化物半导体薄膜是不表示晶体管特性的部分。

另外还得知，即使是试样的Y轴上侧方向，越接近靠近Ga₂O₃靶组成的上侧(图中用峰值为不足30mV表示的区域)则峰值越小，作为氧化物半导体薄膜是不表示晶体管特性的部分。

另一方面，根据图12得知，试样的左下侧部分(图中用峰值为300mV以上表示的区域)显示均匀的反射率峰值的面内分布，作为晶体管是具有最佳的电特性的膜组成。

为了进行确认，对使用了上述试样的薄膜晶体管的迁移率进行调查，与上述实施例1同样，制作了如图3所示的试样并对其进行了测定。另外，如上所述，氧化物半导体薄膜使用Co-sputter法形成。

测定该薄膜晶体管的开关特性(Id-Vg特性)，将对根据该测定值算出的迁移率进行了变换的结果示于图13(图中，X-Y轴所记载的1～20为薄膜晶体管的地址编号)。图中数字越大表示迁移率也越高，而迁移率为0.1cm²/Vs以下的区域为不能得到开关特性的区域。

得知在接近图13中的右侧的ZnO靶组成的部分及接近上侧的Ga₂O₃靶组成的部分，迁移率降低。

另外，将对根据该薄膜晶体管的开关特性(Id-Vg特性)并通过下式算出的饱和迁移率进行了变换的结果示于图14(图中，X-Y轴所记载的1～20为薄膜晶体管的地址编号)。图中数字越大表示饱和迁移率越高，而饱和迁移率为0.1cm²/Vs以下的区域为不能得到开关特性的区域。

Id＝(W/2L)×μ×Cox×(Vg-Vth)²

式中，W为氧化物半导体薄膜的沟道宽度，L为该沟道长度，μ为饱和迁移率，Cox为栅极绝缘膜电容，Vg为栅极电压，Vth为阈值电压。在本实施例中，W为200μm，L为10μm，Cox为从绝缘膜材料和膜厚1.68×10^-4F/m²，Vg为20～30V的区域(通过用20～30V的区域数点测定Id，可将Vg不经Vth而进行μ的计算)。

得知在图14中的接近右侧的ZnO靶组成的部分及接近上侧的Ga₂O₃靶组成的部分，饱和迁移率降低。

而且，根据该实验结果得知，通过测定由微波光导电衰减法得到的反射率峰值，可不带电极判定、评价氧化物半导体薄膜的线性迁移率及饱和迁移率的面内分布。另外还得知，可同时判别不具有晶体管的开关特性的区域。特别是还得知，由于可测定氧化物半导体薄膜的组成元素量带有分级的情况，因而在材料开发中有用。

Claims

1.一种氧化物半导体薄膜的评价方法，其特征在于，

对形成有氧化物半导体薄膜的试样照射激励光及微波，在测定因所述激励光的照射而变化的所述微波的来自所述氧化物半导体薄膜的反射波的最大值之后，停止所述激励光的照射，并测定所述激励光的照射停止后的所述微波的来自所述氧化物半导体薄膜的反射波的反射率的变化，根据相对于所述反射率的峰值而言反射率衰减到1/e的时间越延迟则寿命越长、且载流子迁移率也与所述氧化物半导体薄膜的寿命的长短成正比地变高这一情况，由测定的所述反射率的变化来算出所述氧化物半导体薄膜的寿命值，由此判定所述氧化物半导体薄膜的根据薄膜晶体管的开关特性而算出的载流子迁移率。

2.一种氧化物半导体薄膜的评价方法，其特征在于，

对形成有氧化物半导体薄膜的试样照射激励光及微波，并测定因所述激励光的照射而变化的所述微波的来自所述氧化物半导体薄膜的反射波的最大值，根据相对于所述反射波的反射率的峰值而言反射率衰减到1/e的时间越延迟则寿命越长、且载流子迁移率也与所述氧化物半导体薄膜的寿命的长短成正比地变高这一情况，由此判定所述氧化物半导体薄膜的根据薄膜晶体管的开关特性而算出的载流子迁移率。

3.如权利要求1或2所述的氧化物半导体薄膜的评价方法，其特征在于，

所述氧化物半导体薄膜含有从由In、Ga、Zn及Sn构成的组中选择出的至少一种以上的组合。

4.一种氧化物半导体薄膜的质量管理方法，其特征在于，

在将氧化物半导体薄膜形成在基板上之后的半导体制造工序的任一工序中应用权利要求1～3中任一项所述的评价方法。