JP2006269734A - Method and device for evaluating semiconductor element, method for manufacturing semiconductor element and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極と半導体層とが絶縁層を挟んで対向する構造(絶縁ゲート型)の半導体
素子を評価する技術に関する。
The present invention relates to a technique for evaluating a semiconductor element having a structure (insulated gate type) in which an electrode and a semiconductor layer face each other with an insulating layer interposed therebetween.
半導体素子に関する様々な物性値の測定やその挙動の解析は、その半導体素子の実用に
際して材料や寸法を最適化したり製造プロセスを最適化したりするうえで極めて重要であ
る。このような事情を背景として、半導体素子の物性値や挙動を評価するための種々の技
術が従来から提案されてきた。例えば非特許文献1ないし非特許文献3には、シリコンな
どの無機材料によって形成された半導体層を含む半導体素子を評価する方法が開示されて
いる。
ところで、近年においては、ペンタセンなど有機の半導体材料(以下「有機半導体材料
」という)によって形成された薄膜を半導体層として半導体素子を構成する技術が提案さ
れるに至っている。この種の半導体素子(以下「有機半導体素子」という)は、シリコン
などの無機材料からなる半導体素子と比較すると、印刷法などの低廉な技術によって半導
体層を大量に作成することが可能であり、さらには可撓性の基板(フレキシブル基板)の
表面上にも常温のもとで半導体層を形成することができるといった種々の利点を有する。
By the way, in recent years, a technique for configuring a semiconductor element using a thin film formed of an organic semiconductor material such as pentacene (hereinafter referred to as “organic semiconductor material”) as a semiconductor layer has been proposed. Compared with semiconductor elements made of inorganic materials such as silicon, this type of semiconductor element (hereinafter referred to as “organic semiconductor element”) can produce a large number of semiconductor layers by inexpensive techniques such as printing. Furthermore, it has various advantages that a semiconductor layer can be formed on the surface of a flexible substrate (flexible substrate) at room temperature.
しかしながら、有機半導体素子の物性値や挙動を評価するための技術は未だ確立されて
いないのが現状であり、非特許文献1ないし非特許文献3の何れにもそのような技術につ
いては何ら言及されていない。また、非特許文献1ないし非特許文献3の技術を有機半導
体素子の評価にそのまま適用することも一応は考えられるが、有機半導体材料に固有の性
質(すなわち無機の半導体材料にはない性質)が存在することを考慮すると、半導体素子
の最適化に充分な精度の評価を実現するには限界がある。なお、ここでは有機半導体材料
に特に注目して従来の技術の課題に言及したが、シリコンなどの半導体材料と比較して電
気的な特性に劣る他の半導体材料についても同様の事情が妥当し得る。本発明は、以上に
説明した事情に鑑みてなされたものであり、半導体素子(特に有機半導体材料を利用した
半導体素子)の物性値や挙動を高い精度で評価するという課題の解決を目的としている。
However, the technology for evaluating the physical property values and behaviors of organic semiconductor elements has not yet been established, and any of Non-Patent Document 1 to Non-Patent
この課題を解決するために、本発明は、第1電極と半導体層とが絶縁層を挟んで対向す
る半導体素子(すなわちMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)型に代表される絶縁
ゲート型の半導体素子)の特性を評価する方法であって、第1電極と半導体層に形成され
た第2電極とに印加される電圧(VG)と、第1電極と第2電極との間の容量(CMIS1)
との関係を、半導体層の容量(Cse)と当該半導体層の抵抗(Rse)とを含む複数のパラ
メータによって表現するC-V論理式を特定する過程(例えば図3のステップS1)と、第
1電極と第2電極とに印加される電圧(VG)と、第1電極と第2電極との間の容量(CM
IS0)との関係を実測する過程(例えば図3のステップS2)と、C-V論理式によって表
現される特性が実測の結果に近づくように当該C-V論理式の各パラメータを決定するこ
とにより半導体素子の特性を評価する過程(例えば図3のステップS3)とを有する。な
お、C-V論理式を特定する過程と半導体素子を実測する過程との順序は任意である。ま
た、半導体素子は、電極-絶縁体-半導体という積層構造を含んだ構成の素子であれば足り
、ダイオードであってもトランジスタ(特にFET(Field Effect Transistor))であ
ってもよい。
In order to solve this problem, the present invention provides a semiconductor element in which a first electrode and a semiconductor layer are opposed to each other with an insulating layer interposed therebetween (that is, an insulated gate semiconductor element typified by a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) type). ), The voltage (V G ) applied to the first electrode and the second electrode formed in the semiconductor layer, and the capacitance (C) between the first electrode and the second electrode. MIS 1)
A process of specifying a CV logical expression that expresses the relationship between the relationship between the capacitance and the semiconductor layer by a plurality of parameters including the capacitance (C se ) of the semiconductor layer and the resistance (R se ) of the semiconductor layer (for example, step S1 in FIG. 3) , A voltage (V G ) applied to the first electrode and the second electrode, and a capacitance (C M between the first electrode and the second electrode).
(IS 0) is actually measured (for example, step S2 in FIG. 3), and each parameter of the CV logical expression is determined so that the characteristic expressed by the CV logical expression approaches the actual measurement result. Thus, a process of evaluating the characteristics of the semiconductor element (for example, step S3 in FIG. 3) is included. Note that the order of the process of specifying the CV logical expression and the process of actually measuring the semiconductor element is arbitrary. Further, the semiconductor element may be an element having a structure including a stacked structure of electrode-insulator-semiconductor, and may be a diode or a transistor (particularly an FET (Field Effect Transistor)).
この発明によれば、実測の結果と対比されるC-V論理式が半導体層の容量と半導体層
の抵抗とをパラメータとして含んでいるから、半導体層の容量や抵抗が半導体素子の評価
に際して無視できないほど大きい構成の半導体素子についても高い精度で特性を評価する
ことができる。また、半導体素子を実際に使用した装置においては第1電極と第2電極と
の間の電圧を制御する構成が一般的である。本発明によれば、第1電極と第2電極との間
の電圧と容量との関係に基づいて半導体素子が評価されるから、現実の半導体素子の使用
に近い態様にてその特性を評価できるという利点がある。なお、半導体素子の評価に際し
て無視できないほど半導体層の容量や抵抗が大きい場合としては、半導体層がペンタセン
などの有機材料によって形成された場合がある。
According to the present invention, since the CV logical expression to be compared with the actual measurement result includes the capacitance of the semiconductor layer and the resistance of the semiconductor layer as parameters, the capacitance and resistance of the semiconductor layer are ignored when evaluating the semiconductor element. The characteristics can be evaluated with high accuracy even for a semiconductor element having such a large structure as to be impossible. Moreover, in the apparatus which actually used the semiconductor element, the structure which controls the voltage between a 1st electrode and a 2nd electrode is common. According to the present invention, since the semiconductor element is evaluated based on the relationship between the voltage and the capacitance between the first electrode and the second electrode, the characteristics can be evaluated in a manner close to the actual use of the semiconductor element. There is an advantage. As a case where the capacity and resistance of the semiconductor layer are so large that they cannot be ignored when evaluating the semiconductor element, the semiconductor layer may be formed of an organic material such as pentacene.
本発明の望ましい態様においては、第1電極と第2電極との間の電圧および容量の関係
に加えて、この電圧が変動するときの周波数と容量との関係を考慮して半導体素子が評価
される。すなわち、この態様においては、第1電極と第2電極とに印加される電圧の周波
数(f)と、第1電極と第2電極との間の容量(CMIS1)との関係を、半導体層の容量(
Cse)と半導体層の抵抗(Rse)とを含む複数のパラメータによって表現するC-F論理
式を特定する過程と、第1電極と第2電極とに印加される電圧の周波数(f)と、第1電
極と第2電極との間の容量(CMIS0)との関係を実測する過程と、C-F論理式によって
表現される特性が実測の結果に近づくようにC-F論理式の各パラメータを特定すること
により半導体素子の特性を評価する過程とが実施される。この態様によれば、C-V論理
式のみが使用される場合と比較して、さらに高い精度で半導体素子を評価することができ
る。なお、C-F論理式を特定する過程と半導体素子を実測する過程との順序は任意であ
る。
In a desirable mode of the present invention, the semiconductor element is evaluated in consideration of the relationship between the frequency and the capacitance when the voltage fluctuates in addition to the relationship between the voltage and the capacitance between the first electrode and the second electrode. The That is, in this embodiment, the relationship between the frequency (f) of the voltage applied to the first electrode and the second electrode and the capacitance (C MIS 1) between the first electrode and the second electrode is expressed as a semiconductor. Layer capacity (
C se ) and the process of specifying the CF logical expression expressed by a plurality of parameters including the resistance (R se ) of the semiconductor layer, and the frequency (f) of the voltage applied to the first electrode and the second electrode And the process of actually measuring the relationship between the capacitance (C MIS 0) between the first electrode and the second electrode, and the C—F logic so that the characteristic expressed by the C—F logic formula approaches the result of the measurement. A process of evaluating the characteristics of the semiconductor device by specifying each parameter of the equation is performed. According to this aspect, the semiconductor element can be evaluated with higher accuracy than when only the CV logical expression is used. Note that the order of the process of specifying the C—F logical expression and the process of actually measuring the semiconductor element is arbitrary.
なお、本発明の評価方法によって評価される半導体素子の特性としては、例えば、絶縁
層と半導体層との界面における電荷量(Qs)およびキャリア密度(Qs/q)、半導体層
の容量値(Cse)、半導体層の抵抗値(Rse)、半導体層に形成される空乏層の容量(C
dip)、空乏層の厚さ(ddip)または半導体層のうち空乏層を除いた部分の厚さ(dse−
ddip)、半導体層の伝導帯における有効状態密度(Nc)および有効質量(me)、半導
体層の価電子帯における有効状態密度(Nv)および有効質量(mh)、伝導帯の電子密度
(n)、価電子帯のホール密度(p)、半導体層のバンドギャップ(Egap)、真性半導
体たる半導体層の真性キャリア密度(ni)、半導体層にキャリアが存在するときの誘電
率(εse)および電圧の印加によって空乏層が形成されたとき(すなわちキャリアが出払
ったとき)の半導体層の誘電率(εdip)、半導体層のデバイ長(LD)、半導体層におけ
る不純物濃度(アクセプター濃度NA、ドナー濃度ND)、半導体素子の閾値電圧(Vth)
などがある。
The characteristics of the semiconductor element evaluated by the evaluation method of the present invention include, for example, the charge amount (Q s ) and carrier density (Q s / q) at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer, and the capacitance value of the semiconductor layer. (C se ), resistance value of the semiconductor layer (R se ), capacitance of the depletion layer formed in the semiconductor layer (C se
dip ), the thickness of the depletion layer (d dip ), or the thickness of the semiconductor layer excluding the depletion layer (d se −
d dip ), effective state density (N c ) and effective mass (m e ) in the conduction band of the semiconductor layer, effective state density (N v ) and effective mass (m h ) in the valence band of the semiconductor layer, Electron density (n), valence band hole density (p), semiconductor layer band gap (E gap ), intrinsic carrier density (n i ) of the semiconductor layer that is an intrinsic semiconductor, dielectric when carriers exist in the semiconductor layer The dielectric constant (ε dip ) of the semiconductor layer when the depletion layer is formed by application of the rate (ε se ) and voltage (that is, when carriers are discharged), the Debye length (L D ) of the semiconductor layer, and the impurities in the semiconductor layer Concentration (acceptor concentration N A , donor concentration N D ), threshold voltage of semiconductor element (V th )
and so on.
本発明は、以上に説明した評価方法を実行する評価装置や、この評価方法をコンピュー
タに実行させるためのプログラムとしても把握される。また、本発明は、以上に説明した
評価方法による評価の結果に基づいて半導体素子を製造する方法としても特定される。す
なわち、この製造方法は、本発明に係る製造方法によって決定したパラメータに基づいて
、製造の対象となる半導体素子の材料および各部の寸法を選定する過程と、この過程で選
定した材料および寸法の半導体素子を形成する過程とを有する。この製造方法によれば、
所望の特性の半導体素子を精度よく製造することができる。
The present invention can also be understood as an evaluation apparatus that executes the evaluation method described above and a program for causing a computer to execute the evaluation method. Moreover, this invention is specified also as a method of manufacturing a semiconductor element based on the result of evaluation by the evaluation method demonstrated above. That is, in this manufacturing method, based on parameters determined by the manufacturing method according to the present invention, the process of selecting the material of the semiconductor element to be manufactured and the dimensions of each part, and the semiconductor of the material and dimensions selected in this process Forming a device. According to this manufacturing method,
A semiconductor element having desired characteristics can be manufactured with high accuracy.
図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の各図面においては、
各部の寸法の比率を実際のものとは適宜に異ならせている。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings,
The ratio of the dimensions of each part is appropriately changed from the actual one.
<A:半導体素子および評価装置の構成>
図1は、半導体素子Sの構造とこの半導体素子Sの特性を評価するための評価装置Dの
構成とを示す説明図である。同図に示されるように、半導体素子Sは、シリコンからなる
基板40の表面上に、第1電極41(ゲート電極)と絶縁層44と半導体層46と第2電
極42とが、基板40側からみてこの順番に積層された構成となっている。
<A: Configuration of semiconductor element and evaluation apparatus>
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the structure of the semiconductor element S and the configuration of an evaluation apparatus D for evaluating the characteristics of the semiconductor element S. As shown in the figure, the semiconductor element S includes a first electrode 41 (gate electrode), an
第1電極41は、基板40の表面上に金(Au)などの金属を蒸着することによって形成
された膜体であり、その膜厚は「300nm」程度である。絶縁層44は、第1電極41と
半導体層46との間に介在する膜体であり、SiO2などの絶縁性の材料によって「200
nm」程度の膜厚に形成される。
The first electrode 41 is a film body formed by vapor-depositing a metal such as gold (Au) on the surface of the
The film thickness is about “nm”.
半導体層46は、半導体材料によって絶縁層44の表面上に形成された膜体である。本
実施形態における半導体層46は、ペンタセンなどの有機半導体材料によって形成され、
その膜厚は「300nm」程度である。この半導体層46は、例えば真空蒸着法(蒸着速度
:0.01nm/s〜0.02nm/s)によって形成される。このように、本実施形態における半導体素
子Sは、金属(第1電極41)と絶縁体(絶縁層44)と半導体(半導体層46)とがこ
の順番に積層されたMIS構造を含む。第2電極42は、半導体層46の表面状に金(Au
)などの金属を蒸着することによって形成される。この第2電極42は、「縦1mm×横
2mm」程度の略矩形状の電極である。なお、半導体層46や第2電極42の蒸着は、基
板40の温度が室温程度とされた環境で実施される。
The
The film thickness is about “300 nm”. The
) Or the like. The
一方、評価装置Dは、半導体素子Sの電気的な特性を計測する計測装置(例えばLCR
メータ)D1と、この計測装置D1による計測の結果に基づいて種々の演算を実行する情報
処理装置D2とを含む。
On the other hand, the evaluation apparatus D is a measurement apparatus (for example, LCR) that measures the electrical characteristics of the semiconductor element S.
Meter) D1 and an information processing device D2 that executes various calculations based on the results of measurement by the measurement device D1.
本実施形態における計測装置D1は、半導体素子Sの第1電極41および第2電極42
の間の容量値(以下「実測容量値」という)CMIS0と第1電極41および第2電極42の
間の抵抗値(以下「実測抵抗値」という)R0とを測定する(すなわち半導体素子Sのイ
ンピーダンスを測定する)。この実測容量値CMIS0および実測抵抗値R0は、図2に示さ
れるように容量と抵抗とが並列に接続された等価回路における容量値および抵抗値に相当
する。すなわち、本実施形態における計測装置D1は、測定の対象である半導体素子Sを
図2の構成の等価回路と仮定したときの容量値を実測容量値CMIS0として出力するととも
に抵抗値を実測抵抗値R0として出力する。なお、図2においては容量と抵抗とが並列に
接続された等価回路を想定したが、容量と抵抗とが直列に接続された等価回路を仮定して
各々の容量値および抵抗値を測定の結果として出力する構成としてもよい。
The measuring device D1 in this embodiment includes a first electrode 41 and a
Capacitance (hereinafter "measured capacitance" hereinafter) for measuring a resistance value (hereinafter referred to as "actual resistance value") R 0 between
図1に示されるように、計測装置D1は、両端間の電圧VGが可変である直流電圧源11
と、正弦波形の電圧信号を生成する発振器12と、交流電流を計測する電流計13と、交
流電圧を計測する電圧計14とを含む。実際の計測に際しては、第1電極41と第2電極
42との間の電圧VGを直流電圧源11と発振器12とによって変動させながら、電流計
13および電圧計14とを使用した擬似4端子法によって第1電極41と第2電極42と
の間の電流および電圧を測定し、この測定の結果に基づいて実測容量値CMIS0と実測抵抗
値R0とを特定する。計測装置D1は、ここで特定された実測容量値CMIS0および実測抵抗
値R0の各々を情報処理装置D2に出力する。なお、有機半導体材料には嫌気性があるため
、計測装置D1を使用した計測は、例えば圧力が「10-6torr」程度とされた真空中で実施
される。なお、半導体素子Sのスイッチング特性(半導体素子Sを薄膜トランジスタとし
て使用する場合のスイッチング特性)を重点的に評価する場合、真空中では評価の精度が
低下する可能性がある。これは、有機半導体材料からなる半導体層46の膜厚が大きいか
らであると考えられる。この事情を考慮すると、計測装置D1による計測は大気中で実施
されてもよい。
As shown in FIG. 1, the measuring device D1 includes a DC voltage source 11 having a variable voltage V G between both ends.
An
一方、図1に示される情報処理装置D2は、計測装置D1による計測の結果に基づいて種
々の処理を実行する手段(例えばパーソナルコンピュータ)であり、プログラムを実行す
ることによって各種の処理を実行する制御装置21と、この制御装置21が実行するプロ
グラムやその実行に使用される種々のデータを記憶する記憶装置22と、利用者が情報処
理装置D2に指示を入力するための入力装置23と、制御装置21による処理の結果を出
力する出力装置24とを有する。
On the other hand, the information processing apparatus D2 shown in FIG. 1 is a means (for example, a personal computer) that executes various processes based on the measurement results by the measurement apparatus D1, and executes various processes by executing programs. A
<B:情報処理装置D2の動作>
次に、情報処理装置D2の動作を説明する。制御装置21は、記憶装置22に記憶され
たプログラムを入力装置23への操作を契機として順次に実行することにより、半導体素
子Sの物性値や挙動を計測装置D1による計測の結果に基づいて評価(シミュレート)す
るための処理を実行する。図3は、この処理の概要を示すフローチャートである。同図に
示されるように、この処理を開始すると、制御装置21はまず、第1電極41と第2電極
42とに印加される電圧VGと、第1電極41と第2電極42との間の容量値(以下「論
理容量値」という)CMIS1との理論的な関係を、半導体層46の容量値Cseと半導体層4
6の抵抗Rseとを含む複数のパラメータによって表現する演算式(以下「C-V論理式」
という)を特定する(ステップS1)。本実施形態においては、C-V論理式が記憶装置2
2に予め記憶されている場合を想定する。この場合、制御装置21は、ステップS1にお
いてC-V論理式を記憶装置22から読み出す。
<B: Operation of Information Processing Device D2>
Next, the operation of the information processing apparatus D2 will be described. The
An arithmetic expression expressed by a plurality of parameters including six resistors R se (hereinafter referred to as “CV logical expression”)
(Step S1). In the present embodiment, the CV logical formula is the
2 is stored in advance. In this case, the
次いで、制御装置21は、計測装置D1による実測の結果を取得する(ステップS2)。
上述したように、ここで取得される計測の結果は、第1電極41と第2電極42とに実際
に印加された電圧VGと実測容量値CMIS0との関係を含む。
Next, the
As described above, the measurement result acquired here includes the relationship between the voltage V G actually applied to the first electrode 41 and the
続いて、制御装置21は、ステップS1にて特定したC-V論理式とステップS2にて取
得した実測の結果とに基づいて半導体素子Sに関する種々の物性値を算定する(ステップ
S3)。より具体的には、制御装置21は、ステップS1にて特定したC-V論理式によっ
て表現される電圧VGと論理容量値CMIS1との関係が、ステップS2にて取得した実際の電
圧VGと実測容量値CMIS0との関係に近づくように(理想的には一致するように)、C-V
論理式に含まれる各種のパラメータを選定する。ここで選定されたパラメータを解析する
ことによって半導体素子Sの物性値や挙動といった様々な特性を評価することができる。
さらに、制御装置21は、ここで選定した各種のパラメータを出力装置24から出力(表
示または印刷)する(ステップS4)。
Subsequently, the
Select various parameters included in the logical expression. By analyzing the parameters selected here, various characteristics such as physical property values and behavior of the semiconductor element S can be evaluated.
Further, the
<C:C-V論理式の内容>
次に、C-V論理式の内容について詳述する。図4は、半導体素子Sの電気的な構成を
示す等価回路図である。同図に示されるように、本実施形態における半導体素子Sは、絶
縁層44の容量成分(単位面積あたり容量値Cin)と、半導体層46に形成される空乏層
461の容量成分(単位面積あたり容量値Cdip)とが、第1電極41と第2電極42と
の間に介在する回路として把握される。ここで、本実施形態においては、半導体層46が
ペンタセンなどの有機半導体材料からなる場合を想定している。このような材料からなる
半導体層46の容量成分や抵抗成分は、半導体素子Sの特性の評価に際して無視できない
程度に大きい。そこで、本実施形態においては、図4に示されるように、半導体層46の
うち空乏層461を除外した部分の容量成分(単位面積あたり容量値Cse)とこの部分の
抵抗成分(抵抗値Rse)とを並列に接続したうえで空乏層461と第2電極42との間に
介在させた等価回路を評価のモデルとして想定する。なお、非特許文献1ないし非特許文
献3で評価の対象とされているのはシリコンなど無機の半導体材料からなる半導体層であ
る。このような構成においては、非特許文献1ないし非特許文献3に開示されているよう
に絶縁層の容量値および空乏層の容量値のみを考慮すれば足りる。
<Content of C: CV logical expression>
Next, the contents of the CV logical expression will be described in detail. FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing an electrical configuration of the semiconductor element S. As shown in the figure, the semiconductor element S in this embodiment includes a capacitive component (capacitance value C in per unit area) of the insulating
図4に示されるように、半導体層46の厚さを「dse」とし、この半導体層46のうち
空乏層461の厚さを「ddip」とする。半導体層46の容量値Cseおよび抵抗値Rseと
空乏層461の容量値Cdipとは、空乏層461の厚さddip(あるいは空乏層461を除
いた半導体層46の厚さ(dse−ddip))に依存する。一方、空乏層461の厚さddip
は、第1電極41と第2電極42との間の電圧VGに応じて変化する。したがって、半導
体層46の容量値Cseおよび抵抗値Rseと空乏層461の容量値Cdipとは、第1電極4
1と第2電極42との間の電圧VGに依存する。
As shown in FIG. 4, the thickness of the
Changes according to the voltage V G between the first electrode 41 and the
Depends on the voltage V G between the first and
次に、図5は、半導体素子Sの各部に印加される電圧を示す図である。同図に示される
ように、第1電極41と第2電極42との間に電圧VGが印加されたときに単位面積あた
り電荷量Qsが第1電極41に蓄積されると仮定すると、絶縁層44の両界面間の電圧は
「Qs/Cin」と表現される。また、第2電極42には第1電極41と等しい電荷量Qsが
蓄積されるから、半導体層46のうち空乏層461を除外した部分の電圧は「Qs/Cse
」となる。さらに、絶縁層44と半導体層46との接合に起因したエネルギーバンドの曲
がりを考慮すると、絶縁層44と空乏層461との界面の電位(ポテンシャル)usは、
空乏層461に印加される電圧φsを用いて
係数であり、「T」は絶対温度(K)である(詳細については非特許文献3参照)。以上
のことから、第1電極41と第2電極42との間の電圧VG(us)は以下の式(2)によっ
て表現される。
" Furthermore, considering the bend of the energy band due to bonding between the insulating
Using the voltage φ s applied to the
この式(2)に基づいて任意の電圧VGに対する表面電位usが算定される。さらに、こう
して表面電位usが電圧VGを変数として表現されると、この表面電位usを変数として表
現される電荷量Qs(us)と空乏層461の厚さddip(us)とが特定される。そして、空
乏層461の容量値Cdip(us)は、ここで特定された電荷量Qsを変数として以下の式(3)
によって表現される。
と絶縁層44との界面に蓄積される多数キャリアおよび少数キャリアの総数が、電圧VG
を変数として表現される(詳細については非特許文献3参照)。
Surface potential u s for any voltage V G on the basis of the equation (2) is calculated. Furthermore, in this way the surface potential u s is represented with a voltage V G as variables, the amount of charge Q s (u s) and the thickness d dip (u s of the
Is represented by
And the total number of minority carriers and minority carriers accumulated at the interface between the insulating
Is expressed as a variable (see
一方、空乏層461を除外した半導体層46の容量値Cseおよび抵抗値Rseは、空乏層
461の厚さddip(us)を変数として以下の式(4a)および式(4b)によって表現される。
あり、式(4b)における「ρse」は半導体層46の抵抗率(Ω/cm)である。
On the other hand, the capacitance value C se and resistance R se of the
次に、以上のように特定された容量値(CdipやCse)と抵抗値Rseとを考慮すると、
図4に示される等価回路のインピーダンスZは以下の式(5)によって表現される。なお、
式(5)における「Rco」は、半導体層46と第2電極42との接触抵抗であり、「ω」は
電圧VGの変動の角周波数である。
Zの絶対値|Z|とは以下の式(6a)ないし式(6c)となる。
までの合成容量である。
Next, considering the capacitance value (C dip and C se ) specified as described above and the resistance value R se ,
The impedance Z of the equivalent circuit shown in FIG. 4 is expressed by the following equation (5). In addition,
In Expression (5), “R co ” is a contact resistance between the
It is a synthetic capacity up to.
ところで、上述したように、計測装置D1は、図2の等価回路における実測容量値CMIS
0と実測抵抗値R0とを計測の結果として出力する。したがって、C-V論理式によって表
現される論理容量値CMIS1と計測装置D1によって計測された実測容量値CMIS0とを図3
のステップS3において対比するためには、以上に説明した各演算式を図2の等価回路に
対応した形式に変形する必要がある。この点について詳述すると以下の通りである。
By the way, as described above, the measuring device D1 has the measured capacitance value C MIS in the equivalent circuit of FIG.
0 and the measured resistance value R 0 are output as measurement results. Therefore, the logical capacitance value C MIS 1 expressed by the CV logical expression and the actually measured
In order to compare in step S3, it is necessary to transform the above-described arithmetic expressions into a format corresponding to the equivalent circuit of FIG. This will be described in detail as follows.
まず、図2の等価回路におけるインピーダンスZとその実数部Re(Z)および虚数部Im(
Z)とは、以下の式(7a)ないし式(7c)によって表現される。
はその逆数であるコンダクタンスG)は、以下の式(8a)および式(8b)によって表現される
。
式(8b)に代入することによって、計測装置D1による実測の結果を半導体素子Sの評価に
適用することが可能となる。図3のステップS1にて特定されるC-V論理式は、式(6a)の
実数部Re(Z)を式(8a)に代入して得られる演算式である。このC-V論理式によって表現
される特性を計測装置D1による実測値(実測容量値CMIS0および実測抵抗値R0)の特性
に合わせ込むことによって、C-V論理式に含まれる物性値およびこの物性値に依存する
他の物性値を評価することができる。
First, the impedance Z and its real part Re (Z) and imaginary part Im (
Z) is expressed by the following equations (7a) to (7c).
<D:評価の具体例>
次に、半導体素子Sの評価の具体例を説明する。
<D: Specific example of evaluation>
Next, a specific example of evaluation of the semiconductor element S will be described.
(1)半導体層46と絶縁層44との界面に蓄積されるキャリアの総数
図6は、電圧VGと半導体素子Sの容量値CMIS(実測容量値CMIS0および論理容量値C
MIS1)との関係を示すグラフである。同図においては、第1電極41と第2電極42との
間の電圧VGが横軸に示され、実測容量値CMIS0および論理容量値CMIS1を絶縁層44の
容量値Cinで除算することによって規格化した数値が縦軸に示されている。また、図6に
おいては、電圧VGの周波数f(発振器12の発振周波数)が「20Hz」とされたケース
が示されている。
(1) Total number of carriers accumulated at the interface between the
6 shows the voltage V G and the capacitance value C MIS of the semiconductor element S (measured
It is a graph which shows the relationship with MIS 1). In the figure, the voltage V G between the first electrode 41 and the
図6においては、電圧VGを「+40V」から「-40V」まで変化させた場合の実測容量値
CMIS0を示す曲線a1と、電圧VGを「-40V」から「+40V」まで変化させた場合の実測容
量値CMIS0を示す曲線a2とが併記されている。同図に示されるように、実測容量値CMIS
0は、電圧VGが変動する方向に応じて変化の態様が相違するヒステリシス特性を呈する。
In FIG. 6, a curve a1 showing measured
0 exhibits a hysteresis characteristic in which the mode of change differs depending on the direction in which the voltage V G varies.
C-V論理式によって表現される曲線(以下「論理C-V曲線」という)bは、この曲線
a1および曲線a2に近づくように平行移動される。このときの移動量は、半導体素子Sの
特性のひとつ(以下「シフト量Sft」という)である「φMS+Qss/Cin」に対応してい
る。ここで、「φMS」は、絶縁層44を挟んで対向する第1電極41と半導体層46との
仕事関数の差分(V)である。また、「Qss」は、半導体層46と絶縁層44との界面に
蓄積される電荷量であり、電圧VGが「0V」のときに半導体層46と絶縁層44との界面
に蓄積するキャリアの総数と単位電荷量qとの積に相当する。図6の例では、シフト量S
ftを「−2.5V」に選定することによって論理C-V曲線bが曲線a1に最も近づき、シフ
ト量Sftを「−26.5V」に選定することによって論理C-V曲線bが曲線a2に最も近づく
。したがって、仕事関数差φMSを別個の実験等によって測定しておけば、ここで選定した
シフト量Sftとこの仕事関数の差分φMSとから「Qss/Cin」を算定することができる。
さらに、絶縁層44の容量値Cinを別途に測定すれば、電圧VGが「0V」のときに半導体
層46と絶縁層44との界面に蓄積されるキャリアの総数(さらにはこの総数に応じた閾
値電圧Vth)を評価することも可能である。
A curve b (hereinafter referred to as a “logic CV curve”) b expressed by the CV logical expression is translated so as to approach the curve a1 and the curve a2. The movement amount at this time corresponds to “φ MS + Q ss / C in ” which is one of the characteristics of the semiconductor element S (hereinafter referred to as “shift amount Sft”). Here, “φ MS ” is a work function difference (V) between the first electrode 41 and the
By selecting ft to “−2.5V”, the logical CV curve b approaches the curve a1 most, and by selecting the shift amount Sft to “−26.5V”, the logical CV curve b is the most to the curve a2. Get closer. Therefore, if the work function difference φ MS is measured by a separate experiment or the like, “Q ss / C in ” can be calculated from the shift amount Sft selected here and the work function difference φ MS .
Further, if the capacitance value C in of the insulating
図7は、以上の手順によって算定される電荷量Qsを単位電荷量qで除算した数値(す
なわち絶縁層44と半導体層46との界面におけるキャリア密度(1/cm2))を、図6に
示した電圧VGおよび容量値CMISの関係に併記したグラフである。図7によれば、電圧V
Gが「-40V」程度となったときに、絶縁層44と半導体層46との界面におけるキャリア
密度「Qs/q」は約「1012 1/cm2」であると評価できる。ここで、アクセプター濃度(
ホール濃度)NAが後述する手順によって「1.8×1017 1/cm2」と算定されることを考慮す
ると、総てのキャリアのうち105分の1個のホールが絶縁層44に蓄積されると考えられ
る。
FIG. 7 shows a numerical value obtained by dividing the charge amount Q s calculated by the above procedure by the unit charge amount q (that is, carrier density (1 / cm 2 ) at the interface between the insulating
When G becomes about “−40 V”, the carrier density “Q s / q” at the interface between the insulating
Considering that hole concentration) N A is calculated as "1.8 × 10 17 1 / cm 2" by the procedure described below, one of
また、図7に示したキャリア密度「Qs/q」から半導体素子Sの閾値電圧Vthを以下
のように評価することができる。ペンタセンなどの有機半導体材料からなる半導体層46
においては、この半導体層46と絶縁層44との界面にキャリアが蓄積され始める電圧が
閾値電圧Vthに相当する。したがって、図7のグラフによれば、半導体素子Sの閾値電圧
Vthを、論理C-V曲線の変曲点である約「1.7V」と見積もることができる。別の観点か
らすると、閾値電圧Cthは、真性半導体のフェルミ準位と不純物半導体のフェルミ準位と
の差分として算定することが可能である。
Further, the threshold voltage Vth of the semiconductor element S can be evaluated from the carrier density “Q s / q” shown in FIG. 7 as follows.
The voltage at which carriers start to accumulate at the interface between the
なお、図8は、電圧VGと半導体素子Sの実測容量値CMIS0との関係を、複数の周波数
fのもとで測定した結果を示すグラフである。同図に示されるように、電圧VGと実測容
量値CMIS0との関係は電圧VGの周波数fに応じて変化する。また、図9は、電圧VGの周
波数fと半導体素子Sの実測容量値CMIS0との関係を、複数の電圧VGのもとで測定した
結果を示すグラフである。同図に示されるように、周波数fと実測容量値CMIS0との関係
は電圧VGに応じて変化する。
FIG. 8 is a graph showing the result of measuring the relationship between the voltage V G and the measured
(2)誘電率および各容量値
有機半導体材料からなる半導体層46については2種類の誘電率を考慮する必要がある
。ひとつはキャリアが半導体層46に存在するときの誘電率εse(ペンタセンについては
「4.9」程度)であり、もうひとつは半導体層46に空乏層461が形成されたとき(す
なわち電圧VGの印加によってキャリアが完全に出払ったとき)の半導体層46の誘電率
εdipである。論理C-V曲線と実測容量値CMIS0との合わせ込みにより、誘電率εdipを
以下のように評価することができる。
(2) Dielectric Constant and Capacitance Values For the
いま、半導体層46の厚さ方向の全部にわたって空乏層461が形成された場合(すな
わち、空乏層461の厚さddipが半導体層46の厚さdseに到達した場合)を想定する
。このときの誘電率εdipは、図6のグラフのうち正極性の高電場(より具体的には電圧
VGが「10V」を越える領域)における論理容量値CVG>10Vに基づいて見積もることがで
きる。すなわち、「CVG>10V=εdip/dse」という関係式と半導体層46の厚さdseが
「300nm」であることとを考慮すると、空乏層461が形成されたときの半導体層46
の誘電率εdipは、
εdip=4.4
と算定される。この結果から、空乏層461が形成された場合と形成されない場合とで
半導体層46の誘電率に大幅な相違はないと評価することができる。
Assume that the
The dielectric constant ε dip of
ε dip = 4.4
Is calculated. From this result, it can be evaluated that there is no significant difference in the dielectric constant of the
なお、論理C-V曲線と実測容量値CMIS0との合わせ込みによって算定される各容量値
は以下の通りである。
(a) 絶縁層44の容量値Cin
Cin=1.74×10-8[F/cm2]
(b) 空乏層461が形成されていないとき(ddip=0のとき)の半導体層46の容量値
Cse
Cse=1.45×10-8[F/cm2]
(c) 空乏層461が半導体層46の全膜厚に到達したとき(ddip=dseのとき)の半導
体層46(空乏層461)の容量値Cdip=dse
Cdip=dse=1.30×10-8[F/cm2]
(d) 空乏層461が形成されていないときの絶縁層44と半導体層46との合成容量Cse
+in
Cse+in=7.91×10-9[F/cm2]
(e) 空乏層461が半導体層46の全膜厚に到達したときの絶縁層44と半導体層46と
の合成容量Cse(dip)+in
Cse(dip)+in=7.45×10-9[F/cm2]
Each capacitance value calculated by combining the logical CV curve and the actually measured
(a) Capacitance value C in of the insulating layer 44
C in = 1.74 × 10 -8 [F / cm 2 ]
(b) The capacitance value C se of the
C se = 1.45 × 10 -8 [F / cm 2 ]
(c) The capacitance value C dip = dse of the semiconductor layer 46 (depletion layer 461) when the
C dip = dse = 1.30 × 10 -8 [F / cm 2 ]
(d) Combined capacitance C se of insulating
+ in
C se + in = 7.91 × 10 -9 [F / cm 2 ]
(e) Combined capacitance C se (dip) + in between the insulating
C se (dip) + in = 7.45 × 10 -9 [F / cm 2 ]
(3)半導体層46の抵抗値
論理C-V曲線と実測容量値CMIS0との合わせ込みにより、半導体層46の抵抗値Rse
および第2電極42における接触抵抗Rcoは以下のように見積もられる。
Rse=100000[kΩ/cm]
Rco=10[Ω]
(3) Resistance value of the
The contact resistance R co at the
R se = 100,000 [kΩ / cm]
R co = 10 [Ω]
(4)半導体層46のエネルギーバンド構造
本実施形態における半導体層46の材料であるペンタセンは、室温で蒸着すると分子が
規則的に配向することが知られている。このような性質の材料を利用した半導体素子Sの
解析に際しては、半導体層46の伝導帯における有効質量meおよび価電子帯における有
効質量mhと半導体層46におけるバンドギャップEgapとを評価することが必要となる。
図6に示されるように論理C-V曲線が実測容量値CMIS0に近づくようにC-V論理式のパ
ラメータを選定すると、
me=2
mh=2
であることが判る(ただし温度Tを「298K」程度とした)。また、バンドギャップEg
apは「3.8eV」程度と非常に大きい数値となる。この解析の結果から、ペンタセンから
なる半導体層46はワイドギャップ半導体であると評価することができる。なお、バンド
ギャップEgapを他の実験によって測定したうえで本実施形態における半導体層46の評
価に使用してもよい。
(4) Energy band structure of the
It is known that pentacene, which is a material of the
As shown in FIG. 6, when the parameters of the CV logical formula are selected so that the logical CV curve approaches the measured
me = 2
m h = 2
(However, the temperature T is set to about "298K"). Band gap E g
ap is a very large value of about “3.8 eV”. From the result of this analysis, it can be evaluated that the
さらに、論理C-V曲線と実測容量値CMIS0との合わせ込みにより、伝導帯における有
効状態密度Ncと価電子帯における有効状態密度Nvとを評価することができる。本実施形
態においては、
Nc=7.02×1019 [1/cm3]
Nv=7.02×1019 [1/cm3]
と算定される。ここで、伝導帯の電子密度nと荷電子帯のホール密度pとはボルツマン
分布によって記述することができる。より具体的には、
n=Nc・exp{−(EC−EF)/kBT)≒0
p=Nv・exp{−(EF−EV)/kBT)≒0
となる。ここで、「EF」は室温(298K)でのフェルミ準位(0eV)である。また、
「EC」は伝導帯の底部のエネルギー準位であり、「EV」は荷電子帯の頂上部のエネルギ
ー準位である。
Furthermore, the effective state density N c in the conduction band and the effective state density N v in the valence band can be evaluated by combining the logical CV curve and the measured
N c = 7.02 × 10 19 [1 / cm 3 ]
N v = 7.02 × 10 19 [1 / cm 3 ]
Is calculated. Here, the electron density n of the conduction band and the hole density p of the valence band can be described by a Boltzmann distribution. More specifically,
n = N c · exp {− (E C −E F ) / k B T) ≈0
p = N v · exp {− (E F −E V ) / k B T) ≈0
It becomes. Here, “E F ” is the Fermi level (0 eV) at room temperature (298 K). Also,
“E C ” is the energy level at the bottom of the conduction band, and “E V ” is the energy level at the top of the valence band.
以上に説明したように有効状態密度(nおよびp)の数値は非常に小さい。すなわち、
室温では電子もホールも殆ど熱励起されず、この結果としてキャリアは存在しないと評価
することができる。また、先に算定したバンドギャップEgapの数値を踏まえて考察する
と、キャリアが存在しない理由は、半導体層46のバンドギャップEgapが非常に大きい
ためであると推察することができる。
As explained above, the numerical values of the effective density of states (n and p) are very small. That is,
At room temperature, neither electrons nor holes are thermally excited, and as a result, it can be evaluated that no carriers exist. Also, when considered in light of the value of the band gap E gap as calculated above, why the carrier is not present, can bandgap E gap of the
なお、半導体層46が真性半導体であるときの真性キャリア密度niは、
ni=(np)1/2=5.17×10-13 [1/cm3]
と非常に小さい数値となり、この観点からしても熱励起が殆ど発生していないと評価で
きる。
Incidentally, the intrinsic carrier density n i when the
n i = (np) 1/2 = 5.17 × 10 −13 [1 / cm 3 ]
From this point of view, it can be evaluated that almost no thermal excitation occurs.
次に、絶縁層44と半導体層46との界面から半導体層46に及ぶ界面ポテンシャルの
距離に相当するデバイ長LDは、
LD=(εsekBT/2q2ni)1/2=2.46×108[cm]=2.46×106[m]
と非常に大きい数値となる。これは、真性半導体の状態にあるペンタセンが殆どキャリ
アを含まないために界面ポテンシャルを遮蔽することができないからであると推察される
。すなわち、ペンタセンは、真性半導体の状態において室温では殆どキャリアが存在しな
い絶縁体(ワイドギャップ半導体)であると評価することができる。
Next, the Debye length L D corresponding to the distance of the interface potential extending from the interface between the insulating
L D = (ε se k B T /
And it becomes a very large number. This is presumably because pentacene in the state of an intrinsic semiconductor contains almost no carriers, so that the interface potential cannot be shielded. That is, pentacene can be evaluated as an insulator (wide gap semiconductor) in which no carriers exist at room temperature in the intrinsic semiconductor state.
(5)アクセプター濃度およびドナー濃度
無機の半導体材料は、n型であればドナー濃度によってキャリア密度が調整され、p型
であればアクセプター濃度によってキャリア密度が調整される。一方、現段階で有機半導
体材料についてはこのような方法(ドーピング)によるキャリア密度の制御は実施されて
いない。しかしながら、図6に示されるように電圧VGに応じて実測容量値CMIS0が変動
することを考慮すると、有機半導体材料からなる半導体層46においても、意図的なドー
ピングに起因したものではないものの、キャリアを提供する不純物(例えば半導体層46
の不完全性に起因した不純物)が確かに存在していると評価することができる。
(5) Acceptor concentration and donor concentration
If the inorganic semiconductor material is n-type, the carrier density is adjusted by the donor concentration, and if it is p-type, the carrier density is adjusted by the acceptor concentration. On the other hand, control of carrier density by such a method (doping) has not been implemented for organic semiconductor materials at this stage. However, considering that the measured
It can be evaluated that the impurities due to the imperfection of () are certainly present.
本実施形態において半導体層46を構成するペンタセンはp型であるため、その特性は
主にアクセプターによって決定される。論理C-V曲線と実測容量値CMIS0との合わせ込
みによって算定されるアクセプター濃度NAは、ドナー濃度NDが「1010[1/cm3]」であ
るのに対して、
NA=1.8×1017[1/cm3]
と算定される。なお、「NA−ND」は、図6に示した論理C-V曲線のうち電圧VGに対
して論理容量値CMIS1の変化が急峻となる直線部分の傾きに相当する。
In this embodiment, pentacene constituting the
N A = 1.8 × 10 17 [1 / cm 3 ]
Is calculated. Note that “N A −N D ” corresponds to the slope of the straight line portion where the change in the logical capacitance value C MIS 1 is steep with respect to the voltage V G in the logical CV curve shown in FIG.
また、ペンタセンからなる半導体層46は、不純物であるアクセプターとホールとがク
ーロン力で束縛された状態にある。ここで、ホールの軌道半径が充分に大きいと仮定すれ
ば、古典電子論的なモデルである水素原子と同様に、誘電率εseの半導体層46の内部を
有効質量mhのホールが周回していると考えることができる。したがって、このホールの
束縛エネルギー(すなわちアクセプターの価電子帯からのエネルギー準位)ΔεAは、こ
れまでの手順で算定された物性値を適用することによって、
け高位に位置する。室温(298K)における熱エネルギーkBTが「0.026eV」であるこ
とを考えると、ペンタセンからなる半導体層46においては、価電子帯からアクセプター
準位に電子が励起されにくく、束縛から解放されて自由に動き回れるホールは少ないと評
価することができる。すなわち、自由に移動できるホールを増加させるには温度を上昇さ
せる必要がある。
In addition, the
(6)容量値の周波数特性
C-V論理式には電圧VGの各周波数ωが変数として含まれている。したがって、以上の
評価によって算定された物性値が代入されたC-V論理式を適宜に変形すれば、電圧VGの
周波数f(=ω/2π)を変数として論理容量値CMIS1を表現する演算式(以下「C-F論
理式」という)が特定される。図10は、実測容量値CMIS0およびC-F論理式が示す論
理容量値CMIS1と周波数fとの関係を示すグラフである。同図においては、電圧VGの周
波数fが横軸に示され、容量値CMIS(実測容量値CMIS0および論理容量値CMIS1)を絶
縁層44の容量値Cinで除算することによって規格化した数値が縦軸に示されている。ま
た、図10においては、電圧VGが「-40V」に固定されたケースが示されている。
(6) Frequency characteristics of capacitance value
The CV logical expression includes each frequency ω of the voltage V G as a variable. Therefore, if deformation or more C-V logical expression calculated by the property value is substituted by the evaluation appropriately, represent logical capacity value C MIS 1 frequency f (= ω / 2π) of the voltage V G as variables An arithmetic expression (hereinafter referred to as “CF logical expression”) is specified. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the measured
このC-F論理式によって表現される特性が計測装置D2による計測の結果に近づくよう
に(理想的には一致するように)、C-F論理式に含まれる各種のパラメータを選定する
ことによっても、C-V論理式を使用した解析と同様に、半導体素子Sの特性や挙動を解
析することが可能である。この場合には、制御装置21は、図3のステップS1において
C-V論理式とともにC-F論理式を特定し、ステップS2において周波数fと実測容量値
CMIS0との関係を計測装置D2から取得する。そして、制御装置21は、ステップS1にて
特定したC-F論理式とステップS2にて取得した実測の結果との合わせ込みを実施するこ
とによって半導体素子Sの特性を評価する(ステップS3)。このようにC-V論理式に基
づく解析にC-F論理式による解析を加えることにより、より高い精度で半導体素子Sの
特性や挙動を評価することが可能となる。
By selecting various parameters included in the CF logical expression so that the characteristic expressed by the CF logical expression approaches the result of measurement by the measuring device D2 (ideally coincides). In addition, similar to the analysis using the CV logic formula, the characteristics and behavior of the semiconductor element S can be analyzed. In this case, the
なお、同図に示される「Cin+Cse(ddip=0)」は、空乏層461が形成されていないと
きの絶縁層44と半導体層46との合成容量であり、「Cin+Cse(ddip=dse)」は、空
乏層461の厚さddipが半導体層46の厚さdseに到達したとき(すなわち半導体層4
6の総てのキャリアが出払ったとき)の絶縁層44と半導体層46との合成容量である。
「Cin+Cse(ddip=0)」と「Cin+Cse(ddip=dse)」とが非常に近い数値となるのは、
上述したように、空乏層461が形成されていないときの半導体層46の誘電率εseと空
乏層461が半導体層46の全膜厚に到達したときの半導体層46の誘電率εdipとが近
い数値であるためである。
Note that “C in + C se (ddip = 0) ” shown in the figure is a combined capacitance of the insulating
6 is a combined capacity of the insulating
“C in + C se (ddip = 0) ” and “C in + C se (ddip = dse) ” are very close to each other.
As described above, the dielectric constant ε se of the
(7)トラップ準位
半導体層46には、絶縁層44と半導体層46との界面に形成される不純物に起因した
トラップ準位が存在する。シリコンからなる半導体層46のトラップ準位については、“
The Si-SiO2 Interface-Electrical Properties as Determined By the Metal-I
nsulator Silicon Conductance Technique”,E.H.Nicollan and A.Goetzberger,THE
BELL SYSTEM TECHNICAL JOURNAL,Number 6,1967 に、以下の手順による解析が詳述
されている。
(7) Trap Level The
The Si-SiO 2 Interface-Electrical Properties as Determined By the Metal-I
nsulator Silicon Conductance Technique ”, EHNicollan and A. Goetzberger, THE
BELL SYSTEM TECHNICAL JOURNAL, Number 6,1967 details the analysis by the following procedure.
トラップ準位がひとつのみであると仮定すると、総てのキャリア(ここでは電子とする
)のうちトラップ準位に捕獲されるキャリアの割合Rn(t)は以下の式(9)によって表現さ
れる。
Rn(t)=Nscn{1−f(t)}ns(t) ……(9)
この式(9)において、「Ns」はトラップの密度(1/cm2)であり、「cn」は電子が捕獲
される確率(cm3/s)である。また、「f(t)」は任意の時刻tでのフェルミ分布関数であ
り、「ns(t)」は任意の時刻tにおける半導体層46の表面での電子密度(1/cm3)であ
る。また、総てのキャリアのうちトラップから解放されるキャリアの割合Gn(t)は以下の
式(10)によって表現される。
Gn(t)=Nsenf(t) ……(10)
なお、式(10)における「en」は、電子が放出されるときの時定数(1/s)である。
Assuming that there is only one trap level, the ratio R n (t) of carriers trapped in the trap level out of all carriers (here, electrons) is expressed by the following equation (9). The
R n (t) = N s c n {1-f (t)} n s (t) (9)
In this equation (9), “N s ” is the trap density (1 / cm 2 ), and “c n ” is the probability of capturing electrons (cm 3 / s). “F (t)” is a Fermi distribution function at an arbitrary time t, and “n s (t)” is an electron density (1 / cm 3 ) on the surface of the
G n (t) = N s e n f (t) (10)
Incidentally, "e n" in formula (10) is a time constant at which electrons are emitted (1 / s).
このとき、トラップ準位に流れる電流(Net電流)is(t)は、
is(t)=qNscn{1−f(t)}ns(t)−qNsenf(t) ……(11)
として表現される。
At this time, the current (Net current) i s (t) flowing through the trap level is
i s (t) = qN s c n {1-f (t)} n s (t) -qN s e n f (t) ...... (11)
Is expressed as
以上を踏まえて半導体層46のアドミタンスYsを計算すると、以下の式(12)が導出さ
れる。なお、式(12)における「ns0」は、時刻tがゼロであるときの「ns(t)」の数値で
ある。また、式(12)における「f0」は以下の式(12a)によって定義される。なお、式(12
a)における「utr」は、トラップ準位(eV)である。
“u tr ” in a) is a trap level (eV).
このアドミタンスYsは抵抗および容量の直列回路と等価である。したがって、このR
C回路の容量値Csと抵抗値RSと時定数τとは、以下の式(13a)ないし式(13c)によって表
現される。
Cs=q2Nsf0(1−f0)/kBT ……(13a)
Rs=f0/CsNscn ……(13b)
τ=f0/cnns0=CsRs ……(13b)
以上のように、単一のトラップ準位を表現する等価回路は直列のRC回路となる。
This admittance Y s is equivalent to a series circuit of a resistor and a capacitor. Therefore, this R
The capacitance value C s , the resistance value R S, and the time constant τ of the C circuit are expressed by the following equations (13a) to (13c).
C s = q 2 N s f 0 (1−f 0 ) / k B T (13a)
Rs = f 0 / C s N s c n (13b)
τ = f 0 / c n n s0 = C s R s ...... (13b)
As described above, an equivalent circuit expressing a single trap level is a serial RC circuit.
次に、ここで想定した単一のトラップ準位の等価回路(容量値Csの容量と抵抗値Rsの
抵抗とが直列に接続されたRC回路)を本実施形態における解析に拡張する。トラップ準
位を考慮しない場合の半導体素子Sの等価回路は図4に示した構成となるが、絶縁層44
と半導体層46との界面の付近におけるトラップ準位を考慮すると、電圧VGの印加に伴
なって半導体素子Sに流れる交流電流は空乏層461の容量成分(容量値Cdip)とトラ
ップ準位の部分とで分岐するから、半導体素子Sの等価回路は図11に示す構成となる。
すなわち、半導体素子Sの等価回路は、空乏層461の容量成分と並列に、上述したよう
に相互に直列に接続された容量(容量値Cs)と抵抗(抵抗値Rs)とがトラップ準位に起
因した要素として介挿された構成となる。したがって、同図に示される等価回路に基づい
てC-V論理式(あるいはC-F論理式)を算定し、このC-V論理式によって表現される
特性と計測装置D1による実測値との合わせ込みを実行することにより、半導体層46に
発生するトラップ準位の特性(例えばトラップの密度Nsやキャリアがトラップ準位に捕
獲される確率cn)を評価することが可能となる。
Next, the equivalent circuit of the single trap level assumed here (RC circuit in which the capacitance of the capacitance value C s and the resistance of the resistance value R s are connected in series) is extended to the analysis in this embodiment. The equivalent circuit of the semiconductor element S when the trap level is not taken into consideration has the configuration shown in FIG.
When the trap level in the vicinity of the interface between the
That is, in the equivalent circuit of the semiconductor element S, the capacitance (capacitance value C s ) and the resistance (resistance value R s ) connected in series with each other in parallel with the capacitance component of the
なお、図12は、トラップ準位を考慮したときの半導体素子Sの論理容量値CMIS1と電
圧VGとの関係を、トラップ準位を考慮しないときの論理容量値CMIS1と電圧VGと対比し
て示すグラフである。同図においては、電圧VGが横軸に示され、半導体素子Sの論理容
量値CMIS1が縦軸に示されている。また、トラップ準位を考慮したときの特性としては、
トラップ密度Ntrが「1011cm-3」である場合の特性とトラップ密度Ntrが「109cm-3」で
ある場合の特性とが併せて表記されている。図12に示されるように、C-V論理式にト
ラップ準位を反映させた場合には、トラップ準位を反映させない場合の特性と対比すると
、電圧VGが特定の範囲内(5Vから10V程度の範囲内)にあるときに半導体素子Sの論理
容量値CMIS1が不連続に増加することが判る。この論理容量値CMIS1の不連続な増加が単
一のトラップ準位による影響である。なお、図12においては、キャリアが捕獲される確
率cnを「10-14[cm3/s]」とし、周波数fを「20Hz」とした場合が想定されている。
Incidentally, FIG. 12, logical capacity value C MIS 1 and the voltage V of the relation between the logical capacity value C MIS 1 and the voltage V G of the semiconductor device S, when not taking into account the trap level when considering trap level It is a graph shown in contrast with G. In the figure, the voltage V G is shown on the horizontal axis, and the logical capacitance value C MIS 1 of the semiconductor element S is shown on the vertical axis. In addition, as a characteristic when considering the trap level,
The characteristics when the trap density N tr is “10 11 cm −3 ” and the characteristics when the trap density N tr is “10 9 cm −3 ” are shown together. As shown in FIG. 12, 10V when reflecting the trap level in C-V logic expression, when compared with the characteristics in the case of not to reflect the trap level, within the voltage V G particular from (5V It can be seen that the logical capacitance value C MIS 1 of the semiconductor element S increases discontinuously when it is within the range of about). This discontinuous increase in the logical capacitance value C MIS 1 is an influence due to a single trap level. In FIG. 12, it is assumed that the carrier capture probability c n is “10 −14 [cm 3 / s]” and the frequency f is “20 Hz”.
<E:変形例>
以上に説明した実施形態には様々な変形を加えることができる。具体的な変形の態様を
例示すれば以下の通りである。なお、以下の各態様を適宜に組み合わせてもよい。
<E: Modification>
Various modifications can be made to the embodiment described above. An example of a specific modification is as follows. In addition, you may combine each following aspect suitably.
(1)変形例1
実施形態においては、絶縁層44の表面に半導体層46が形成された構成を例示したが
、本出願人の先願である特開2005-32774号公報に開示されているように、半導体素子Sの
特性(特に閾値電圧)を制御するための膜体(以下「特性制御膜」という)を絶縁層44
と半導体層46との間に介在させた構成としてもよい。この特性制御膜の典型例は、自己
組織化(SA:Self-Assembly)法によって形成される自己組織化単分子膜(SAMs:Se
lf-Assembled Monolayers)である。この自己組織化単分子膜としては、例えば、R1(C
H2)mSiR2 nX3-nの一般式で表現されるシラン化合物を利用することができる(mは
自然数、n=1,2)。この化学式のR1基は、例えば、水素(-H)、フッ素(-F)、メ
チル基(-CH3)、トリフルオロメチル基(-CF3)、アミノ基(-NH2)、あるいはメ
ルカプト基(-SH)である。この自己組織化単分子膜の材料や膜厚を調整することによ
って半導体素子Sの閾値電圧を適宜に制御することが可能となる。
(1) Modification 1
In the embodiment, the configuration in which the
The
lf-Assembled Monolayers). As this self-assembled monomolecular film, for example, R 1 (C
A silane compound represented by the general formula of H 2 ) m SiR 2 n X 3-n can be used (m is a natural number, n = 1, 2). The R 1 group in this chemical formula is, for example, hydrogen (—H), fluorine (—F), methyl group (—CH 3 ), trifluoromethyl group (—CF 3 ), amino group (—NH 2 ), or mercapto Group (-SH). The threshold voltage of the semiconductor element S can be appropriately controlled by adjusting the material and film thickness of the self-assembled monolayer.
図13は、特性制御膜を形成したときの電圧VGと容量値CMISとの関係を示す図である
。同図においては、R1基をフッ素とした場合の特性(F-SAMs)と、R1基をアミノ基とし
た場合の特性(NH2-SAMs)と、図1に示したように特性制御膜を形成しない場合の特性(
untreated)とが併せて図示されている。図13に示されるように、電圧VGと容量値CMI
Sとの関係は特性制御膜の材料に応じて相違する。したがって、絶縁層44と半導体層4
6との間に特性制御膜が形成された半導体素子Sについて計測装置D1が測定した結果に
C-V論理式を合わせ込むことによって、この特性制御膜の特性についても併せて評価す
ることが可能となる。例えば、キャリアの総数やこれに依存する閾値電圧Vthは、半導体
素子Sの挙動と電圧VGとの関係(VG依存性)からも算定することができるが、本実施形
態のように論理C-V曲線から閾値電圧Vthを評価する方法によれば、閾値電圧Vthに対
する電極の影響を受けることなく自己組織化単分子膜などの特性制御膜の本来の特性のみ
を評価することも可能である。
Figure 13 is a view showing the relationship between the voltage V G and the capacitance value C MIS when forming the characteristic control film. In the same figure, the characteristic when the R 1 group is fluorine (F-SAMs), the characteristic when the R 1 group is an amino group (NH 2 -SAMs), and the characteristic control as shown in FIG. Characteristics when no film is formed (
untreated) is also illustrated. As shown in FIG. 13, the voltage V G and the capacitance value C MI
The relationship with S differs depending on the material of the characteristic control film. Therefore, the insulating
By combining the CV logical expression with the measurement result of the measurement device D1 for the semiconductor element S on which the characteristic control film is formed, the characteristics of the characteristic control film can be evaluated together. It becomes. For example, the threshold voltage Vth is dependent total number of carriers and to this, but can be calculated from the relationship between the behavior and the voltage V G of the semiconductor element S (V G-dependent), the logic C as in this embodiment According to the method of evaluating the threshold voltage Vth from the −V curve, it is possible to evaluate only the original characteristics of the characteristic control film such as a self-assembled monolayer without being affected by the electrode with respect to the threshold voltage Vth. .
(2)変形例2
実施形態においては、半導体層46がペンタセンによって形成された構成を例示したが
、この半導体層46の材料は任意である。半導体層46の材料は、例えば、オリゴチオフ
ェンなどの有機低分子材料やポリチオフェンなどの有機高分子材料、フェタロシアニンな
どの金属錯体、C60、C70、金属内包フラーレンなどのフラーレン類、およびカーボンナ
ノチューブ類といった種々の有機材料のなかから選択される。ただし、半導体層46が有
機材料によって形成される必要は必ずしもなく、各種の無機材料によって形成されてもよ
い。もっとも、本発明においては、半導体層46の容量値Cseおよび抵抗値Rseを含むC
-V論理式によって半導体素子Sの特性が評価されるから、容量値Cseや抵抗値Rseの影
響が比較的に大きい材料によって半導体層46が形成された半導体素子Sの評価に特に好
適であると言える。新規な材料については物性やキャリアの挙動を制御するための技術が
未だ確立されておらず、したがって材料そのものの抵抗値が高い場合が多い。したがって
、本発明は、有機および無機の何れであるかを問わず新規な材料の評価に特に有用である
と言える。
(2)
In the embodiment, the configuration in which the
Since the characteristics of the semiconductor element S are evaluated by the −V logical expression, it is particularly suitable for evaluation of the semiconductor element S in which the
(3)変形例3
実施形態においては、第1電極41と第2電極42との間隙に絶縁層44と半導体層4
6とを介在させたダイオード構造の半導体素子Sを評価の対象としたが、この構造を含む
トランジスタ(例えば図1に示される構造の2個の半導体素子Sを一体に構成した構造の
スイッチング素子)など他の半導体素子Sの特性についても実施形態と同様の手順で評価
することが可能である。
(3)
In the embodiment, the insulating
The semiconductor element S having a diode structure with 6 interposed therebetween was evaluated, but a transistor including this structure (for example, a switching element having a structure in which two semiconductor elements S having the structure shown in FIG. 1 are integrated) The characteristics of other semiconductor elements S can be evaluated by the same procedure as that of the embodiment.
(4)変形例4
以上の実施形態として説明した評価方法は、半導体素子Sを製造するときのひとつのプ
ロセスとして実施される。すなわち、試料となる半導体素子Sについて以上の評価が実施
されると、実際に製造される半導体素子の性状(材料や寸法)がこの評価の結果に基づい
て決定される。そして、ここで決定された内容に基づいて実際に半導体素子が製造される
。実施形態によれば試料となる半導体素子Sの特性を高い精度で評価することができるか
ら、この結果を反映させることによって高品質な半導体素子を製造することができる。
(4) Modification 4
The evaluation method described as the above embodiment is implemented as one process when the semiconductor element S is manufactured. That is, when the above evaluation is performed on the semiconductor element S as a sample, the properties (materials and dimensions) of the actually manufactured semiconductor element are determined based on the result of this evaluation. A semiconductor element is actually manufactured based on the contents determined here. According to the embodiment, the characteristics of the semiconductor element S as a sample can be evaluated with high accuracy, and a high-quality semiconductor element can be manufactured by reflecting this result.
なお、ここでは半導体素子Sを製造するときのひとつのプロセスとして本発明に係る評
価方法が実施される場合を例示したが、既に製造された半導体素子Sの特性の検査に際し
て本発明の評価方法が実施されてもよい。例えば、過去に製造された半導体素子Sを試料
として本発明の評価方法を実施し、この評価の結果(例えば半導体素子Sについて算定さ
れた種々のパラメータ)が所期の結果と略一致する場合にはこの半導体素子Sを良品と判
定する一方、これらが一致しない場合には半導体素子Sを不良品と判定するといった具合
である。また、実際に製品として使用される半導体素子Sとともに評価の対象となる半導
体素子Sをひとつのウェハに形成すれば、後者の半導体素子Sについて評価を実施するこ
とによって他の半導体素子Sの特性や良否を判定することができる。
In addition, although the case where the evaluation method according to the present invention is implemented as one process when manufacturing the semiconductor element S is illustrated here, the evaluation method of the present invention is used for the inspection of the characteristics of the already manufactured semiconductor element S. May be implemented. For example, when the semiconductor device S manufactured in the past is used as a sample and the evaluation method of the present invention is performed, and the result of this evaluation (for example, various parameters calculated for the semiconductor device S) substantially matches the intended result. The semiconductor element S is determined to be a non-defective product, and if they do not match, the semiconductor element S is determined to be defective. In addition, if the semiconductor element S to be evaluated is formed on one wafer together with the semiconductor element S that is actually used as a product, the characteristics of other semiconductor elements S can be obtained by performing the evaluation on the latter semiconductor element S. Pass / fail can be determined.
S……半導体素子、D……評価装置、D1……計測装置、D2……情報処理装置、40……
基板、41……第1電極、42……第2電極、44……絶縁層、46……半導体層、46
1……空乏層。
S ... Semiconductor element, D ... Evaluation device, D1 ... Measuring device, D2 ... Information processing device, 40 ...
Substrate 41...
1 …… Depleted layer.
Claims (6)
って、
前記第1電極と前記半導体層に形成された第2電極とに印加される電圧と、前記第1電
極と前記第2電極との間の容量との関係を、前記半導体層の容量と当該半導体層の抵抗と
を含む複数のパラメータによって表現するC-V論理式を特定する過程と、
前記第1電極と前記第2電極とに印加される電圧と、前記第1電極と前記第2電極との
間の容量との関係を実測する過程と、
前記C-V論理式によって表現される特性が前記実測の結果に近づくように前記C-V論
理式の各パラメータを決定することにより前記半導体素子の特性を評価する過程と
を有する半導体素子の評価方法。 A method of evaluating characteristics of a semiconductor element in which a first electrode and a semiconductor layer are opposed to each other with an insulating layer interposed therebetween,
The relationship between the voltage applied to the first electrode and the second electrode formed on the semiconductor layer and the capacitance between the first electrode and the second electrode is expressed as follows. Identifying a CV logical expression expressed by a plurality of parameters including layer resistance;
A process of actually measuring a relationship between a voltage applied to the first electrode and the second electrode and a capacitance between the first electrode and the second electrode;
Evaluating the characteristics of the semiconductor element by determining each parameter of the CV logical expression so that the characteristic expressed by the CV logical expression approaches the result of the actual measurement. Method.
電極との間の容量との関係を、前記半導体層の容量と前記半導体層の抵抗とを含む複数の
パラメータによって表現するC-F論理式を特定する過程と、
前記第1電極と前記第2電極とに印加される電圧の周波数と、前記第1電極と前記第2
電極との間の容量との関係を実測する過程と
を有し、前記半導体素子の特性を評価する過程においては、さらに、前記C-F論理式
によって表現される特性が前記実測の結果に近づくように前記C-F論理式の各パラメー
タを特定することにより前記半導体素子の特性を評価する
請求項1に記載の半導体素子の評価方法。 The frequency of the voltage applied to the first electrode and the second electrode, the first electrode and the second electrode
Identifying a CF logical expression that expresses the relationship between the capacitance between the electrode and the electrode by a plurality of parameters including the capacitance of the semiconductor layer and the resistance of the semiconductor layer;
The frequency of the voltage applied to the first electrode and the second electrode, the first electrode and the second electrode
In the process of evaluating the characteristics of the semiconductor element, the characteristics expressed by the C-F logic formula approach the measurement results. The method for evaluating a semiconductor device according to claim 1, wherein the characteristics of the semiconductor device are evaluated by specifying each parameter of the C—F logic formula.
請求項1または請求項2に記載の半導体素子の評価方法。 The method for evaluating a semiconductor element according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of an organic material.
って、
前記第1電極と前記半導体層に形成された第2電極とに印加される電圧と、前記第1電
極と前記第2電極との間の容量との関係を、前記半導体層の容量と当該半導体層の抵抗と
を含む複数のパラメータによって表現するC-V論理式を特定する手段と、
前記第1電極と前記第2電極とに印加される電圧と、前記第1電極と前記第2電極との
間の容量との関係を実測した結果を取得する手段と、
前記C-V論理式によって表現される特性が前記実測の結果に近づくように前記C-V論
理式の各パラメータを決定する手段と
を具備する半導体素子の評価装置。 An apparatus for evaluating characteristics of a semiconductor element in which a first electrode and a semiconductor layer face each other with an insulating layer interposed therebetween,
The relationship between the voltage applied to the first electrode and the second electrode formed on the semiconductor layer and the capacitance between the first electrode and the second electrode is expressed as follows. Means for specifying a CV logical expression expressed by a plurality of parameters including layer resistance;
Means for obtaining a result of actual measurement of a relationship between a voltage applied to the first electrode and the second electrode and a capacitance between the first electrode and the second electrode;
And a means for determining each parameter of the CV logical expression so that the characteristic expressed by the CV logical expression approaches the result of the actual measurement.
前記第1電極と前記半導体層に形成された第2電極とに印加される電圧と、前記第1電
極と前記第2電極との間の容量との関係を、前記半導体層の容量と当該半導体層の抵抗と
を含む複数のパラメータによって表現するC-V論理式を特定する処理と、
前記第1電極と前記第2電極とに印加される電圧と、前記第1電極と前記第2電極との
間の容量との関係を実測した結果を取得する処理と、
前記C-V論理式によって表現される特性が前記実測の結果に近づくように前記C-V論
理式の各パラメータを決定する処理と
をコンピュータに実行させるプログラム。 In order to evaluate the characteristics of the semiconductor element in which the first electrode and the semiconductor layer face each other with the insulating layer interposed therebetween,
The relationship between the voltage applied to the first electrode and the second electrode formed on the semiconductor layer and the capacitance between the first electrode and the second electrode is expressed as follows. A process for specifying a CV logical expression expressed by a plurality of parameters including the resistance of the layer;
A process of obtaining a result of actual measurement of a relationship between a voltage applied to the first electrode and the second electrode and a capacitance between the first electrode and the second electrode;
A program for causing a computer to execute a process of determining each parameter of the CV logical expression so that the characteristic expressed by the CV logical expression approaches the result of the actual measurement.
前記第1電極と前記半導体層に形成された第2電極とに印加される電圧と、前記第1電
極と前記第2電極との間の容量との関係を、前記半導体層の容量と当該半導体層の抵抗と
を含む複数のパラメータによって表現するC-V論理式を特定する過程と、
試料となる半導体素子の前記第1電極と前記第2電極とに印加される電圧と、前記第1
電極と前記第2電極との間の容量との関係を実測する過程と、
前記C-V論理式によって表現される特性が前記実測の結果に近づくように前記C-V論
理式の各パラメータを決定する過程と
この決定したパラメータに基づいて、製造の対象となる半導体素子の材料および各部の
寸法を選定する過程と、
この過程で選定した材料および寸法の半導体素子を形成する過程と
を有する半導体素子の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor element in which a first electrode and a semiconductor layer are opposed to each other with an insulating layer interposed therebetween,
The relationship between the voltage applied to the first electrode and the second electrode formed on the semiconductor layer and the capacitance between the first electrode and the second electrode is expressed as follows. Identifying a CV logical expression expressed by a plurality of parameters including layer resistance;
A voltage applied to the first electrode and the second electrode of a semiconductor element as a sample;
Measuring the relationship between the capacitance between the electrode and the second electrode;
The process of determining each parameter of the CV logical formula so that the characteristic expressed by the CV logical formula approximates the result of the actual measurement, and based on the determined parameter, the semiconductor device to be manufactured The process of selecting the material and dimensions of each part;
Forming a semiconductor element of the material and dimensions selected in this process.
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