JP3661998B2 - Ｘ線を用いた半導体装置の評価方法および評価装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の電気的性質、構造的特徴、および電子状態の相関関係を、例えば放射光Ｘ線を用いて測定および解析して評価する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の電気的性質、例えば半導体装置が備える半導体部分の電気的性質を評価する最も精度の高い方法としては、半導体のパルス状の電気的な刺激に対する半導体接合の容量や、あるいは半導体中を流れる電流の過渡応答を測定して解析する、ＤＬＴＳ（Deep Level Transient Spectroscopy）法や、あるいはＩＣＴＳ（Isothermal Capacitance Transient Spectroscopy）法が知られている。これら両評価方法は共に、半導体の接合容量の過渡現象を利用した過渡容量分光法（capacitance transient spectroscopy）の一種であり、半導体装置（半導体デバイス）の特性を決定する重要な要素である半導体禁制帯内の深い準位を測定および解析して評価できる。両評価方法の主な違いは、ＤＬＴＳ法が温度変化を伴う測定を行うのに対して、ＩＣＴＳ法は一定の温度下で測定を行う、という点である。
【０００３】
ＤＬＴＳ法およびＩＣＴＳ法においては、不純物や欠陥の電気的な性質を求めることはできるが、それらの構造に関する情報や、例えば欠陥近傍の伝導帯の電子状態などに関する情報を得ることはできない。また、半導体中の多種多数の原子（元素）の中から、ある特定の種類の原子を選び、その内殻を励起して、その情報を得ることもできない。このため、半導体中の不純物や欠陥、およびそれらの周辺の局所（微細）構造（構造的特徴）と、それらの電気的性質との相関関係を明らかにすることは殆どできなかった。
【０００４】
電気的な手段を用いて被測定試料の原子レベルでの微細な構造や電子状態などを観察する手段としては、例えばＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）、いわゆる走査型トンネル顕微鏡がある。ところが、このＳＴＭは被測定試料の表層（表面）の構造や電子状態などを観察することはできるが、被測定試料の内部を観察することは殆ど不可能である。また、ＳＴＭが観察できる被測定試料は、ＳＴＭの測定原理から導電性のものに限られる。ＳＴＭを用いて絶縁性の被測定試料を観察する場合には、被測定試料の表面に導電性の物質をコーティングしなければならず、被測定試料本来の表面形状が損なわれてしまう。したがって、ＳＴＭは、被測定試料としての半導体装置が備える絶縁膜などの構造や電子状態などを、原子レベルで微細に観察することは殆ど不可能である。
【０００５】
また、電気的手段によることなく被測定試料の内部構造や電子状態を原子レベルで微細に、かつ高精度に解析する実績がある方法としては、例えばＸ線を用いて構造解析を行うＸＡＦＳ（X-ray Absorption Fine Structure）法、いわゆるＸ線吸収微細構造法が知られている。このＸＡＦＳ法は吸収スペクトル法の一種であり、Ｘ線エネルギーの吸収係数が急激に増加する吸収端からのエネルギー範囲に応じて、ＸＡＮＥＳ（X-ray Absorption Near-Edge Structure）法、いわゆるＸ線吸収端微細構造法、およびＥＸＡＦＳ（Extended X-ray Absorption Fine Structure）法、いわゆる広域Ｘ線吸収微細構造法の２種類に大別される。これらＸＡＮＥＳ法およびＥＸＡＦＳ法を組み合わせて用いることにより、被測定試料に含まれる様々な物質の構造や電子状態を原子レベルで微細に解析できる。
【０００６】
ところが、学会あるいは産業界を問わず、半導体装置の研究および開発分野においては、半導体のＸ線構造解析を行っている研究者達や、あるいはそのＸ線構造解析に用いる装置を開発している開発者達は、半導体装置の構造的特徴にのみ注目し、電気的性質などには殆ど注意を払わなかった。このため、前述した研究者達や開発者達の間には、半導体装置の電気的性質をＸ線を用いて評価する装置を開発しようとするアイデアはもちろんのこと、半導体装置の電気的性質をＸ線を用いて評価しようとする方法のアイデアすらなかった。したがって、半導体中の不純物や欠陥の構造的特徴と、半導体の電気的性質とを関連付けて測定および解析して評価し、それら両者の関係を明らかにすることは実質的に不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来のＤＬＴＳ法またはＩＣＴＳ法による半導体装置の評価、あるいはＳＴＭを用いた試料観察など、電気的手段によって半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態との両方を測定および解析して評価し、それら両者の相関関係を明らかにすることは殆ど不可能であるか、あるいは可能であるとしても半導体装置の一部の箇所または材料に限られる。また、構造解析に実績のあるＸ線を用いて、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態との両方を評価して、これら両者の関係を明らかにすることも実質的に不可能であった。
【０００８】
よって、本発明の目的は、半導体装置の被測定箇所や被測定材料に拘らず、Ｘ線を用いて、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とを高い精度で測定および解析して評価し、それら両者の相関関係を明らかにできる半導体装置の評価方法および評価装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法は、評価すべき半導体装置にＸ線を断続的に照射することにより、前記半導体装置が具備する半導体の接合容量の過渡的変化を測定および解析して前記半導体の電気的性質を評価するとともに、前記半導体装置に対する前記Ｘ線の照射状態を切り替えて、前記半導体装置にＸ線を連続的に照射することにより、前記半導体中の所定の元素に吸収された前記連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルを測定および解析して前記半導体の構造および電子状態を評価することを特徴とするものである。
【００１０】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法においては、評価すべき半導体装置が具備する半導体の電気的性質と、構造および電子状態とを、半導体装置に対するＸ線の照射状態を適宜、適正に切り替えることにより、それぞれ測定および解析して評価できる。
【００１１】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法を実施するにあたり、前記Ｘ線は、前記半導体装置への断続的な照射または連続的な照射を選択的に切り替えることができるとともに、その照射時間を調節自在とするとよい。
【００１２】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法においては、Ｘ線の照射時間を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００１３】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法を実施するにあたり、前記Ｘ線は、その波長、エネルギー、および前記半導体装置に照射する線束の太さが可変とするとよい。
【００１４】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法においては、照射するＸ線の状態を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００１５】
さらに、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法を実施するにあたり、前記半導体装置は、その被測定温度が可変であるとともに、前記過渡的変化が測定および解析される際には、所定の温度に保持されるとするとよい。
【００１６】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法においては、評価すべき半導体装置の被測定温度を、半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００１７】
また、前記課題を解決するために、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置は、評価すべき半導体装置にＸ線を照射するＸ線照射手段と、このＸ線照射手段から前記半導体装置に向かう前記Ｘ線の進路上に配置されており、前記半導体装置への前記Ｘ線の断続的な照射または連続的な照射を選択的に切り替えるとともに、前記Ｘ線の照射時間を所定の値に設定するＸ線照射時間設定手段と、前記Ｘ線が断続的に照射された際の前記半導体装置が具備する半導体の接合容量とその過渡的変化を検知する接合容量検知手段と、この接合容量検知手段が検知した前記半導体の接合容量とその過渡的変化過渡的変化を測定する接合容量測定手段と、この接合容量測定手段が測定した前記半導体の接合容量とその過渡的変化を解析して前記半導体装置の電気的性質を評価する第１半導体評価手段と、前記Ｘ線が連続的に照射された際の前記半導体中の所定の元素に吸収された該連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルを検知するＸ線スペクトル検知手段と、このＸ線スペクトル検知手段が検知した前記スペクトルを測定するＸ線スペクトル測定手段と、このＸ線スペクトル測定手段が測定した前記スペクトルを解析して前記半導体装置の構造および電子状態を評価する第２半導体評価手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１８】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、Ｘ線照射手段から評価すべき半導体装置に向かうＸ線の進路上に配置されたＸ線照射時間設定手段を用いて、半導体装置に対するＸ線の照射状態を適宜、適性かつ選択的に切り替えることにより、半導体装置が具備する半導体の電気的性質と、構造および電子状態とを、それぞれＸ線を使用して、かつ、１台の装置で測定および解析して評価できる。
【００１９】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置を実施するにあたり、前記Ｘ線照射時間設定手段は、前記半導体装置への前記Ｘ線の断続的な照射または連続的な照射の選択的な切り替え、および前記Ｘ線の照射時間の長さを、前記半導体の接合容量とその過渡的変化の検知および測定、または前記半導体中の所定の元素に吸収された前記連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルの検知および測定と、それぞれ互いに同期するように制御されるとよい。
【００２０】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、Ｘ線の照射時間を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００２１】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置を実施するにあたり、前記Ｘ線照射手段は、前記Ｘ線の波長、エネルギー、および前記半導体装置に照射する線束の太さを、それぞれ互いに独立に所定の値に設定可能とするとよい。
【００２２】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、照射するＸ線の状態を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００２３】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置を実施するにあたり、前記半導体装置の温度を所定の値に設定可能な温度調節手段が設けられているとよい。
【００２４】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、温度調節手段によって、評価される半導体装置の被測定温度を、半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００２５】
さらに、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置を実施するにあたり、前記半導体の接合容量とその過渡的変化を検知して測定する際のノイズ、および前記半導体中の所定の元素に吸収された前記連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルを検知して測定する際のノイズを、それぞれ低減するノイズ低減手段が設けられているとよい。
【００２６】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、ノイズ低減手段によって、半導体の電気的性質、構造、および電子状態を、適正な状態で測定して解析できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一つの実施の形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法および評価装置１を、図１〜図１７に基づいて説明する。
【００２８】
まず、本実施形態のＸ線を用いた半導体装置の評価装置１（以下、評価装置１と略称する。）について説明する。この評価装置１は、図１に示すように、評価すべき半導体装置２にＸ線３を照射するＸ線照射手段４、Ｘ線３の断続的な照射または連続的な照射を選択的に切り替えるとともに、Ｘ線３の照射時間を所定の値に設定するＸ線照射時間設定手段５、半導体装置２が具備する半導体６の接合容量とその過渡的変化を検知する接合容量検知手段７、半導体６の接合容量とその過渡的変化を測定する接合容量測定手段８、半導体装置２の電気的性質を評価する第１半導体評価手段９、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを検知するＸ線スペクトル検知手段１０、スペクトルを測定するＸ線スペクトル測定手段１１、および半導体装置２の構造および電子状態を評価する第２半導体評価手段１２、などを具備している。
【００２９】
Ｘ線照射手段としてのＸ線照射装置４は、本実施形態においては、評価すべき半導体装置２に照射するＸ線３を発生するＸ線発生手段（Ｘ線源）としてのＸ線発生装置１３と一体に構成されている。また、Ｘ線照射装置４は、Ｘ線発生装置１３と併せて、これらが発生および照射するＸ線３の波長、エネルギー、および半導体装置２に照射する線束の太さ（Ｘ線ビームの断面積）を、それぞれ互いに独立に所定の値に設定可能となっていることが好ましい。具体的には、Ｘ線照射装置４はＸ線発生装置１３などとともに、大出力（大強度）の連続Ｘ線３を発生および照射可能な放射光装置（施設）として、例えばシンクロトロン１４を構成しているものとする。シンクロトロン１４は、これが発生する放射（synchrotron (orbital) radiation，ＳＯＲ，ＳＲ）光を大強度の連続Ｘ線３として取り出すことができる。シンクロトロン１４は、これが有するＸ線照射装置４の一部に図示しないＸＡＦＳ測定用のビームラインを有しているものが好ましく、日本国内にある具体的な装置としては、例えばPhoton Factory Ring ＢＬ１２Ｃや、あるいはSpring８などが適している。
【００３０】
また、シンクロトロン１４は、少なくともそのＸ線照射装置４およびＸ線発生装置１３が、後述する第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２に、接続ケーブル２６を介して制御可能に接続されていることが好ましい。すなわち、Ｘ線照射装置４およびＸ線発生装置１３は、それぞれの作動状態および非作動状態などを、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２のそれぞれが半導体装置２を適正な状態で評価できるように、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって制御される設定となっていることが好ましい。このような設定により、Ｘ線照射装置４およびＸ線発生装置１３、ひいてはシンクロトロン１４は、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２のそれぞれが半導体装置２を適正な状態で評価できるように、半導体装置２の測定および解析に適した、適正な状態のＸ線３を発生させて半導体装置２に向けて照射できる。
【００３１】
Ｘ線照射時間設定手段としてのＸ線照射時間設定装置５は、図１に示すように、Ｘ線照射装置４と半導体装置２との間において、図１中白抜き矢印で示す、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射されるＸ線３の進路上に位置するように配置されている。本実施形態においては、Ｘ線照射時間設定装置５として、Ｘ線チョッパー５ａが用いられる。Ｘ線チョッパー５ａは、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３の半導体装置２への断続的な照射、または連続的な照射を選択的に切り替えることができるとともに、その照射時間を調節自在に設定されている。具体的には、Ｘ線チョッパー５ａは、その作動状態および非作動状態を、図１に示すように、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２に接続ケーブル２６を介して制御可能に接続されている。このような設定により、Ｘ線チョッパー５ａは、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２が、後述する本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法に基づいて、半導体装置２の電気的性質、ならびに局所構造（微細構造）および電子状態などを、それぞれ適正な状態で評価できるように、半導体装置２へのＸ線３の断続的な照射、または連続的な照射を選択的に切り替えることができるとともに、その照射時間を所定の値に調節できる。
【００３２】
以下、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２により制御されるＸ線チョッパー５ａの作動状態および非作動状態について、図２（ａ），（ｂ）を参照しつつ詳しく説明する。
【００３３】
Ｘ線チョッパー５ａは、図２（ａ），（ｂ）に示すように、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３の半導体装置２への断続的な照射、または連続的な照射を選択的に切り替えることができるとともに、その照射時間を調節できる回転板１５を備えている。Ｘ線チョッパー５ａは、その回転板１５の両端面が、例えば、図２（ａ），（ｂ）中白抜き矢印で示すＸ線３の進行方向と直角に交わるように配置される。
【００３４】
回転板１５には、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射されるＸ線３が通過可能な大きさおよび形状に形成されたＸ線通過孔１５ａが複数個、回転板１５をその厚み方向に沿って貫通して、かつ、回転板１５の周方向に沿って互いに等間隔に離間されて設けられている。本実施形態の回転板１５には、４個のＸ線通過孔１５ａが設けられている。各Ｘ線通過孔１５ａは、この評価装置１を用いた本発明の半導体装置の評価方法に基づいて、半導体装置２の電気的性質、ならびに半導体装置２の微細構造および電子状態のいずれをも適正かつ高精度に評価できるように、それらを通過したＸ線３が半導体装置２に適正な状態で十分な量照射可能に、適当な大きさおよび形状に予め形成されている。また、各Ｘ線通過孔１５ａ同士の間は、Ｘ線３が通過不可能なＸ線遮断部１５ｂとして形成されている。本実施形態の回転板１５には、Ｘ線遮断部１５ｂが４箇所に設けられている。回転板１５を回転させて、各Ｘ線通過孔１５ａおよび各Ｘ線遮断部１５ｂを適当な位置に設定することにより、Ｘ線３の半導体装置２への断続的な照射、または連続的な照射を選択的に切り替えることができる。以下、Ｘ線３の半導体装置２への断続的な照射、または連続的な照射を個別に説明する。
【００３５】
この評価装置１を用いた本発明の半導体装置の評価方法に基づいて、不純物の同定、濃度、準位のエネルギー、捕獲準位の深さ、密度、および捕獲断面積などの半導体装置２の電気的性質を評価する場合には、半導体装置２にパルス状の断続Ｘ線３を照射する。具体的には、Ｘ線チョッパー５ａが備えている駆動モータ１６を作動させることにより、例えば図２（ａ），（ｂ）中実線矢印で示す向きに回転板１５を回転駆動させる。この際、例えば、回転板１５の単位時間あたりの回転数が一定となるように駆動モータ１６を作動させる。すると、図２（ａ）に示すように、Ｘ線３が各Ｘ線通過孔１５ａを通過して半導体装置２に届く照射状態と、図２（ｂ）に示すように、Ｘ線３が各Ｘ線遮断部１５ｂに遮断されて半導体装置２に届かない非照射状態とが、それぞれ一定の時間間隔で交互に繰り返される。すなわち、シンクロトロン１４が発生させたＸ線３は、一定の周期で断続的に半導体装置２に照射される。つまり、本実施形態の評価装置１によれば、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３を、Ｘ線チョッパー５ａを用いてパルス状の断続Ｘ線３に設定（加工）して半導体装置２に照射できる。この断続Ｘ線３および第１半導体評価手段９を用いるとともに、本発明の半導体装置の評価方法に基づくことによって、半導体装置２の半導体６の接合部分の容量や、あるいは半導体６中を流れる電流の過渡応答を測定および解析して、半導体装置２の電気的性質を評価できる。
【００３６】
また、各Ｘ線通過孔１５ａおよび各Ｘ線遮断部１５ｂの大きさ、形状、および個数などは、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３がＸ線チョッパー５ａの回転板１５を通過することにより、断続Ｘ線３に加工されて半導体装置２に断続的に照射された際に、評価装置１が半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を適正な状態で評価できる範囲内であれば、それぞれ適宜様々な状態に設定して構わない。Ｘ線通過孔１５ａおよび各Ｘ線遮断部１５ｂが、それぞれ様々な状態に設定された回転板１５を予め複数枚準備しておく。これにより、回転板１５の単位時間あたりの回転数が一定となるように駆動モータ１６を作動させる場合においても、複数枚の回転板１５を適宜交換することにより、半導体装置２に照射するＸ線３の照射時間と非照射時間との組み合わせ、すなわち断続Ｘ線３のパルス状態を様々な異なる状態に変化させて設定することができる。あるいは、１枚（１種類）の回転板１５のみを用いる場合には、各Ｘ線通過孔１５ａおよび各Ｘ線遮断部１５ｂのそれぞれが、Ｘ線３の進路上に位置している時間が可変であるように駆動モータ１６の作動を制御する。これによっても、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３を、様々な異なるパルス状の断続Ｘ線３に加工して半導体装置２に照射できる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の評価装置１においては、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３を、Ｘ線チョッパー５ａを用いることによって、評価すべき半導体装置２の装置構成や、あるいはその半導体６の構成成分などに応じて、半導体装置２の電気的性質の適正な評価に適したパルス状の断続Ｘ線３に加工して半導体装置２に照射できる。これにより、第１半導体評価手段９は、半導体装置２の電気的性質を適正かつ高精度に評価できる。
【００３８】
また、この評価装置１および本発明の半導体装置の評価方法を用いることよって半導体装置２の半導体６中の不純物や欠陥、およびそれらの周辺の局所構造（微細構造）、ならびに電子状態を評価する場合には、半導体装置２に連続Ｘ線３を照射する。具体的には、４個のＸ線通過孔１５ａのうちのいずれか１個が、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射される連続Ｘ線３の進路上に位置している状態に回転板１５の姿勢を設定して保持すればよい。これにより、シンクロトロン１４が発生させて、予め半導体装置２の微細構造および電子状態を適正に評価するのに適した状態に設定された連続Ｘ線３を、そのまま連続的に半導体装置２に照射できる。したがって、第２半導体評価手段１２は、半導体装置２の微細構造および電子状態を適正かつ高精度に評価できる。
【００３９】
なお、本実施形態の評価装置１においては、Ｘ線照射時間設定装置５として、Ｘ線チョッパー５ａを用いたが、前述したように、シンクロトロン１４が発生した連続Ｘ線３を半導体装置２の適正な評価に適したパルス状の断続Ｘ線３に加工できるものであれば、必ずしもＸ線チョッパー５ａを用いる必要はない。例えば、図３（ａ），（ｂ）に示すように、一対の第１バルブ体１７ａおよび第２バルブ体１７ｂなどから構成されるゲートバルブ５ｂを用いても構わない。このゲートバルブ５ｂを前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、Ｘ線照射装置４と半導体装置２との間においてＸ線３の進路上に配置する。それとともに、ゲートバルブ５ｂが有する一対の第１バルブ体１７ａおよび第２バルブ体１７ｂのそれぞれを、例えば図３（ａ），（ｂ）中実線矢印で示すように、図示しない駆動装置によって上下動可能に設定する。このゲートバルブ５ｂも、前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、その第１バルブ体１７ａおよび第２バルブ体１７ｂのそれぞれの駆動は、図示しない接続ケーブル２６を介して制御可能に接続された第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって制御される設定とする。
【００４０】
半導体装置２にＸ線３を照射する場合には、駆動装置を作動させて、第１バルブ体１７ａと第２バルブ体１７ｂとの間隔を、図３（ａ）に示すように、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射される連続Ｘ線３が通過可能な大きさに設定する。すなわち、ゲートバルブ５ｂを開状態に設定する。これにより、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射された連続Ｘ線３は、第１バルブ体１７ａと第２バルブ体１７ｂとの間を通過して、半導体装置２に到達できる。あるいは、半導体装置２にＸ線３を照射しない場合には、駆動装置を作動させて、図３（ｂ）に示すように、第１バルブ体１７ａと第２バルブ体１７ｂとを密着させて、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射される連続Ｘ線３が、第１バルブ体１７ａと第２バルブ体１７ｂとの間を通過不可能に設定する。すなわち、ゲートバルブ５ｂを閉状態に設定する。これにより、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射された連続Ｘ線３は、その進路をゲートバルブ５ｂによって遮断されて半導体装置２に到達することはない。
【００４１】
半導体装置２の電気的性質を評価するために、半導体装置２に断続Ｘ線３を照射する場合には、ゲートバルブ５ｂが開状態あるいは閉状態となっている時間をそれぞれ所定の値に設定する。これにより、前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３を、評価すべき半導体装置２の装置構成や、あるいはその半導体６の構成成分などに応じて、半導体装置２の電気的性質を適正に評価するのに適したパルス状の断続Ｘ線３に加工して半導体装置２に照射できる。また、半導体装置２の微細構造および電子状態を適正に評価するために、半導体装置２に連続Ｘ線３を照射する場合には、ゲートバルブ５ｂを開状態に設定してその状態を保持すればよい。これにより、前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、シンクロトロン１４が発生させて、予め半導体装置２の微細構造および電子状態を適正に評価するのに適した状態に設定された連続Ｘ線３を、そのまま連続的に半導体装置２に照射できる。このように、一対の第１バルブ体１７ａおよび第２バルブ体１７ｂなどから構成されるゲートバルブ５ｂを用いても、前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を適正な状態で高精度に評価できる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態の評価装置１においては、Ｘ線照射時間設定装置５として用いられるＸ線チョッパー５ａおよびゲートバルブ５ｂは、それらを介した半導体装置２への断続的または連続的なＸ線３の照射の選択的な切り替え、およびＸ線３の照射時間の設定を、半導体装置２が有する半導体６の接合容量の過渡的変化の検知および測定、または半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルの検知および測定と、それぞれ互いに適正な状態で同期するように、それらの作動状態および非作動状態を第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって制御される設定となっていることが好ましい。具体的には、Ｘ線チョッパー５ａおよびゲートバルブ５ｂは、半導体６の接合容量の過渡的変化の検知および測定する際には、断続Ｘ線３が半導体装置２に照射されるように、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって、予めそれらの作動を制御される設定となっていることが好ましい。また、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルの検知および測定する際には、連続Ｘ線３が半導体装置２に照射されるように、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって、予めそれらの作動を制御される設定となっていることが好ましい。
【００４３】
また、前記各検知および測定を行う際、例えばＸ線チョッパー５ａおよびゲートバルブ５ｂの作動の制御が適正な状態で行われているか否かを、図示しないセンサなどを併用して検知するとともに、不適正な状態になった際には評価装置１の作動部分の一部もしくは全体を、安全かつ速やかに停止する設定にしても構わない。
【００４４】
具体的には、例えば、半導体６の接合容量の過渡的変化の検知および測定する際に、Ｘ線チョッパー５ａの回転板１５が静止した状態のまま保持されたり、あるいはゲートバルブ５ｂが開状態または閉状態のまま保持されたりした場合には、これをＸ線チョッパー５ａあるいはゲートバルブ５ｂに設けられたセンサが不適正な状態として検知する。そのような状態を検知したセンサは、これを電気信号として接続ケーブル２６を介して第１半導体評価手段９に出力する。センサからの信号を受けた第１半導体評価手段９は、連続Ｘ線３の照射を停止する命令を、電気信号として接続ケーブル２６を介してＸ線照射装置４に出力する。これにより、不適正な状態における半導体６の接合容量の過渡的変化の検知および測定を殆ど未然に防ぐことができる。
【００４５】
同様に、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルの検知および測定する際に、Ｘ線チョッパー５ａの回転板１５が回転した状態のまま保持されたり、あるいはゲートバルブ５ｂが開状態と閉状態とを繰り返す状態に保持されたりした場合には、これをＸ線チョッパー５ａあるいはゲートバルブ５ｂに設けられたセンサが不適正な状態として検知する。そのような状態を検知したセンサは、これを電気信号として接続ケーブル２６を介して第２半導体評価手段１２に出力する。センサからの信号を受けた第２半導体評価手段１２は、連続Ｘ線３の照射を停止する命令を、電気信号として接続ケーブル２６を介してＸ線照射装置４に出力する。これにより、不適正な状態における半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルの検知および測定を殆ど未然に防ぐことができる。
【００４６】
以上説明したように、Ｘ線チョッパー５ａあるいはゲートバルブ５ｂの作動が適正な状態で行われるように、それらを第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって制御することにより、半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を不適正な状態で評価するおそれを抑制できる。したがって、この評価装置１によれば、半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を略適正な状態で評価できる。また、シンクロトロン１４や、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２などの精密機器の故障なども略未然に防ぐことができる。これにより、評価装置１全体の寿命を長寿化できる。
【００４７】
半導体装置２が具備する半導体６の接合容量の過渡的変化を検知する接合容量検知手段としての接合容量検知装置には、本実施形態においては一対の第１ニードル７ａおよび第２ニードル７ｂなどからなるプローブ７が用いられる。これら第１ニードル７ａおよび第２ニードル７ｂはともに純金属で形成されている。それとともに、これら第１ニードル７ａおよび第２ニードル７ｂはそれぞれ、ノイズ低減手段としてのシールドケーブル１８を介して、後述する半導体６の接合容量の過渡的変化を測定する接合容量測定手段８と接続されている。これらのシールドケーブル１８は、例えば銅や金などの抵抗率が低い金属によって形成されている芯線１８ａ、およびこの芯線１８ａをその外側から覆うように設けられ、芯線１８ａをその外部の電磁波、熱、および光などのいわゆるノイズから保護するシールド線１８ｂなどから構成されている。
【００４８】
このような構成により、例えば被評価材料としての半導体装置２を含めた評価装置１が設置されている実験室などが非常に狭い空間である場合においても、プローブ７は、これと接合容量測定手段８などから構成されている、半導体装置２の電気的性質を測定する測定系は、その外部からのノイズの干渉を殆ど受けることなく、略適正な状態で半導体６の接合容量の過渡的変化などを検知できる。また、プローブ７によって検知された半導体６の接合容量の過渡的変化などは、前述したノイズの低減を図った構成により、アナログの電気信号として殆ど劣化することなく接合容量測定手段８に出力される。
【００４９】
半導体６の接合容量の過渡的変化を測定する接合容量測定手段としての接合容量測定装置には、プローブ７が検知した接合容量の過渡的変化（過渡容量Ｃ）や、半導体６の図示しない接合部を流れる電流（過渡電流応答Ｉ）を測定可能な装置として、本実施形態においてはＩＶ／ＣＶメータ８が用いられる。ＩＶ／ＣＶメータ８は、プローブ７が検知したアナログ信号としての接合容量の過渡的変化や、半導体６の接合部を流れる電流を、第１半導体評価手段９が評価し易いように、デジタル信号に変換する第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａにシールドケーブル１８を介して接続されている。これにより、プローブ７、ＩＶ／ＣＶメータ８、および第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａなどから構成されている半導体装置２の電気的性質の測定系は、前述したように、その外部からのノイズの干渉を殆ど受けることなく、半導体６の接合容量の過渡的変化などを高い精度で容易に測定できる。
【００５０】
半導体装置２の電気的性質を評価する第１半導体評価手段としての第１半導体評価装置には、第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａによってデジタル信号に変換されたプローブ７からの電気信号を高い精度で容易に評価可能な装置として、本実施形態においては、所定の解析ソフト（評価ソフト）などを備えたワークステーションあるいはパーソナルコンピュータなどのコンピュータ９が用いられる。コンピュータ９は、前述した第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａとシールドケーブル１８を介して接続されている。これにより、コンピュータ９は、半導体６の接合容量の過渡的変化を検知して測定する際の前述した様々なノイズの干渉を殆ど受けることなく、半導体装置２の電気的性質を高い精度で容易に評価できる。
【００５１】
半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを検知するＸ線スペクトル検知手段としてのＸ線スペクトル検知装置には、Ｘ線検出器１０が用いられる。このＸ線検出器１０は、図１中白抜き矢印で示されるＸ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射されたＸ線３が、図１中破線矢印で示されるように、半導体装置２によって反射および散乱された反射（散乱）Ｘ線３ａを様々な位置で検出可能なように、移動自在に配置されている。Ｘ線検出器１０は、直接的には反射Ｘ線３ａのエネルギーのスペクトルを検知することにより、間接的に半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを検知する。Ｘ線検出器１０によって検知された反射Ｘ線３ａのエネルギーのスペクトルは、アナログの電気信号としてＸ線スペクトル測定手段１１に出力される。
【００５２】
Ｘ線検出器１０が検知した反射Ｘ線３ａのエネルギーのスペクトルを測定するＸ線スペクトル測定手段としてのＸ線スペクトル測定装置１１は、前述したプローブ７およびＩＶ／ＣＶメータ８と同様に、シールドケーブル１８を介してＸ線検出器１０と接続されている。また、このＸ線スペクトル測定装置１１は、前述したＩＶ／ＣＶメータ８および第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａと同様に、Ｘ線検出器１０が検知したアナログ信号としての反射Ｘ線３ａのエネルギーのスペクトルを、第２半導体評価手段１２が評価し易いように、デジタル信号に変換する第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂにシールドケーブル１８を介して接続されている。これらＸ線検出器１０、Ｘ線スペクトル測定装置１１、および第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂは、いわゆるゴニオメータの一部を構成している。
【００５３】
さらに、半導体装置２の微細構造および電子状態を評価する第２半導体評価手段としての第２半導体評価装置１２には、本実施形態においては、前述した第１半導体評価手段９と同様に、第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂによってデジタル信号に変換されたＸ線検出器１０からの電気信号を高い精度で容易に評価可能な装置として、所定の解析ソフト（評価ソフト）などを備えたワークステーションあるいはパーソナルコンピュータなどのコンピュータ１２が用いられる。本実施形態の第２半導体評価装置として用いられるコンピュータ１２には、前述した第１半導体評価装置に用いられるコンピュータ９を併用するものとし、以下の説明において、コンピュータ９（１２）と記述する。コンピュータ９（１２）は、前述した第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂとシールドケーブル１８を介して接続されている。このような構成により、コンピュータ９（１２）は、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを検知して測定する際の前述した様々なノイズの干渉を受けるおそれが殆どない状態で、半導体装置２の微細構造および電子状態を高い精度で容易に評価できる。
【００５４】
また、本実施形態においては、第１半導体評価装置および第２半導体評価装置としてコンピュータ９（１２）を用いることにより、第１半導体評価装置および第２半導体評価装置をコンパクトに一体化できた。プローブ７が検知してＩＶ／ＣＶメータ８にアナログ信号として出力し、第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａによってデジタル信号化された電気信号を解析することにより、半導体装置２の電気的性質を評価するソフト、およびＸ線検出器１０が検出してＸ線スペクトル測定装置１１にアナログ信号として出力し、第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂによってデジタル信号化された電気信号を解析することにより、半導体装置２の微細構造および電子状態を評価するソフト、の両方をともに１台のコンピュータ９（１２）に導入する。それら両ソフトを同時に、あるいは逐次起動させることにより、半導体装置２の電気的性質、ならびに半導体装置２の微細構造および電子状態を、１台のコンピュータ９（１２）を用いて高い精度で容易に評価できる。
【００５５】
また、本実施形態の評価装置１は、図１に示すように、被評価材料としての半導体装置２の温度を、所定の値に設定可能な温度調節手段として、例えば電流の流れる向きを変えることによって加熱および冷却の両方を容易に実行可能な図示しないペルチェ素子などを有する温度調節装置２０を備えている。また、この温度調節装置２０は、これに取り付けられる半導体装置２の温度を高い精度で測定可能とするために、図示しない熱電対を有している。これらペルチェ素子および熱電対などは、温度調節装置２０全体として、まとめて第３Ａ／Ｄコンバータ１９ｃにシールドケーブル１８を介して接続されている。また、第３Ａ／Ｄコンバータ１９ｃは、シールドケーブル１８を介してコンピュータ９（１２）に接続されている。これにより、アナログ信号であるペルチェ素子に流れる電流の向きや流量、ペルチェ素子の温度、および熱電対によって検知される半導体装置２の温度のそれぞれを、コンピュータ９（１２）が認識して制御し易いデジタル信号に変換できる。
【００５６】
ペルチェ素子および半導体装置２のそれぞれの温度をデジタル化することにより、それらの微妙な温度差をコンピュータ９（１２）を用いて高い精度で検知できる。また、ペルチェ素子に流す電流の向きや流量をデジタル化するとともに、それらをコンピュータ９（１２）を用いて微妙に制御可能とすることによって、半導体装置２の温度を、半導体装置２の電気的性質や、あるいは微細構造および電子状態を測定および評価する際の、それぞれの所望される温度に略一致するように、容易に設定して保持できる。これにより、半導体装置２の電気的性質や、微細構造および電子状態をより高い精度で容易に測定して評価できる。
【００５７】
また、本実施形態の評価装置１は、図１に示すように、半導体装置２に対する振動などのノイズの干渉を排除するために、半導体装置２を温度調節装置２０に取り付けた状態で保持できるノイズ低減手段としての除震台２１を備えている。これにより、測定時の半導体装置２の姿勢をより安定させることができるので、半導体装置２の電気的性質や、微細構造および電子状態をさらに高い精度で容易に測定して評価できる。
【００５８】
さらに、本実施形態の評価装置１は、図１中一点鎖線で示すように、そのＸ線光学系のうち、少なくともシンクロトロン１４のＸ線照射装置４、Ｘ線チョッパー５ａまたはゲートバルブ５ｂからなるＸ線照射時間設定装置５、プローブ７、Ｘ線検出器１０、温度調節装置２０、除震台２１、および評価される半導体装置２などを含む測定環境２２を、所定の真空状態に設定できる構成となっている。具体的には、それら各装置を含む測定環境２２は、図示しない気密保持性の高いチャンバーなどに収納されている。このチャンバーには、開閉弁２３および通気管２４を介して真空状態設定手段としての真空ポンプ２５が接続されている。開閉弁２３および真空ポンプ２５は、接続ケーブル２６を介してコンピュータ９（１２）に接続されている。
【００５９】
開閉弁２３の開閉状態、ならびに真空ポンプ２５の作動状態および非作動状態を、コンピュータ９（１２）によって制御しつつ適宜調節して組み合わせることにより、測定環境２２を所定の真空状態に設定する。具体的には、例えば大気圧下の測定環境２２内の圧力を下げる場合には、開閉弁２３を開いた状態に保持しつつ真空ポンプ２５を作動させ、測定環境２２内の空気などの気体を通気管２４を通して測定環境２２の外部に排出する。これにより、測定環境２２内の圧力は低下する。測定環境２２内の圧力が所定の値に達した後、開状態の開閉弁２３を閉じるとともに、真空ポンプ２５の作動を停止させる。これにより、測定環境２２内の圧力を、大気圧よりも低圧の所定の圧力下に設定して保持できる。あるいは、前述したように、大気圧よりも低圧の状態に保持された測定環境２２内の圧力を大気圧と同圧に戻す場合には、真空ポンプ２５を非作動状態に保持したまま閉状態の開閉弁２３を開く。これにより、測定環境２２の外部の空気が通気管２４を通って測定環境２２内に流入する。測定環境２２内の圧力が大気圧と同圧になると、通気管２４を介した測定環境２２内への空気の流入は自然に止まる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の評価装置１は、開閉弁２３の開閉状態、ならびに真空ポンプ２５の作動状態および非作動状態を、コンピュータ９（１２）によって制御することにより、そのＸ線光学系の主要な部分である測定環境２２内の圧力を所定の大きさに設定できる。半導体装置２に照射するＸ線３のエネルギーが、例えば1000（ｅＶ）程度の場合、測定環境２２中に少量の気体が存在していると、Ｘ線３は測定環境２２中の気体によって吸収あるいは散乱などされてしまう。これにより、Ｘ線３は、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に到達する前に、そのエネルギーの殆どを失って減衰してしまう。したがって、半導体装置２の微細構造や電子状態などを、エネルギーの低いＸ線３を用いて解析して評価する場合には、測定環境２２の内部は、一般には高真空状態に設定されている必要がある。
【００６１】
本実施形態の評価装置１は、前述したようにコンピュータ９（１２）によって高精度に制御される開閉弁２３および真空ポンプ２５を用いて、そのＸ線光学系の主要な部分である測定環境２２内の圧力を所定の大きさに設定できる。これにより、評価装置１は、エネルギーの低いＸ線３を用いる場合でも、測定環境２２内を高真空状態に設定して、半導体装置２の電気的性質や、微細構造、および電子状態などを適正な状態でかつ高い精度で解析して評価できる。すなわち、評価装置１は、半導体装置２に照射されるＸ線３のエネルギーを、半導体装置２の大きさや形状、あるいは半導体６の構成成分などに応じて、半導体装置２の電気的性質、微細構造、および電子状態などの解析および評価を適正に行うことができる所定の大きさに設定した場合でも、測定環境２２の内部の雰囲気を、測定環境２２内の気体によってＸ線３が干渉を受けるおそれが殆どない状態に設定できる。これにより、評価装置１は、半導体装置２に照射されるＸ線３のエネルギーの高低に拘らず、半導体装置２の電気的性質の測定および評価、あるいは半導体装置２の微細構造や電子状態などの解析および評価などを、コンピュータ９（１２）を用いて適正な状態で、かつ、高い精度で行うことができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態の評価装置１は、半導体装置２の電気的性質を適正な状態で高精度に検知して測定できるプローブ７やＩＶ／ＣＶメータ８を具備しているとともに、半導体装置２の微細構造や電子状態を適正な状態で高精度に検知して測定できるＸ線検出器１０やＸ線スペクトル測定装置１１を具備している。また、評価装置１は、これが具備している１台のコンピュータ９（１２）によって、半導体装置２の電気的性質、ならびに半導体装置２の微細構造や電子状態を高い精度で容易に解析して評価できる。この１台のコンピュータ９（１２）は、シンクロトロン１４やＸ線チョッパー５ａなどを緻密に制御して、シンクロトロン１４によって発生されて半導体装置２に向けて照射されるＸ線３を、半導体装置２の測定および評価目的に応じて適正な状態に設定できる。それとともに、コンピュータ９（１２）は、半導体装置２の測定および評価目的、ならびにＸ線３のエネルギー状態に応じて、評価装置１のＸ線光学系の主要部分である測定環境２２内の圧力を適正な状態に設定できる。
【００６３】
また、この評価装置１は、プローブ７やＩＶ／ＣＶメータ８などから構成される半導体装置２の電気的性質を測定して評価するための電気的性質の測定系、ならびにＸ線検出器１０やＸ線スペクトル測定装置１１などから構成される半導体装置２の微細構造および電子状態を測定して評価するための微細構造および電子状態の測定系の両方に、ノイズ低減手段としてのシールドケーブル１８が使用されている。さらに、評価装置１が測定して評価すべき半導体装置２は、その測定時などにおける温度を、温度調節装置２０によって測定に適正な状態に設定されて保持されるとともに、温度調節装置２０ごとノイズ低減手段としての除震台２１に保持される。
【００６４】
したがって、本実施形態の評価装置１によれば、半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造（構造的特徴）および電子状態などを、ともにＸ線３を用いて、かつ、１台のコンピュータ９（１２）によって、適正な状態で、かつ高い精度で、しかも容易に測定および解析して評価できる。
【００６５】
次に、前述した評価装置１を用いた、本発明の一実施形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法（以下、評価方法と略称する。）について説明する。
【００６６】
この評価方法は、評価すべき半導体装置２にＸ線３を断続的に照射することにより、半導体装置２が具備する半導体６の接合容量の過渡的変化を測定および解析して半導体６の電気的性質を評価するとともに、半導体装置２にＸ線３を連続的に照射することにより、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを測定および解析して半導体６の構造および電子状態を評価するものである。
【００６７】
以下、本発明の評価方法を、前述した評価装置１およびこの評価方法の発明者らが実際に行った実験に基づいて、主に図４〜図１７を参照しつつ説明する。まず、実験に使用した被評価材料（サンプル）としての半導体装置２について説明する。この半導体装置２は、図４に示すように、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板２７上に、シリコン（Ｓｉ）をドープした窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体６をＭＯＣＶＤ法によって成膜し、その上にさらに金（Ａｕ）からなる第１電極としてのショットキー電極２８ａと、アルミニウム（Ａｌ）からなる第２電極としてのオーミック電極２８ｂとをそれぞれ真空蒸着法を用いて形成した、いわゆるＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２（以下、ダイオード２と略称する。）である。
【００６８】
ダイオード２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を評価するのに先立って、このダイオード２が適正な状態で作動するか否かを検査する。具体的には、評価装置１のプローブ７の第１ニードル７ａをショットキー電極２８ａに接触させるとともに、第２ニードル７ｂをオーミック電極２８ｂに接触させる。この状態において、ダイオード２が備える半導体６に正逆両方の向きの電流を流すように、第１ニードル７ａおよび第２ニードル７ｂのそれぞれに、−２（Ｖ）〜＋２（Ｖ）の電圧を印可する。この検査結果を、電流と電圧との相関関係としてグラフに示すと、図５（ａ）に示すような電流・電圧特性曲線を得ることができた。この電流・電圧特性曲線から、ダイオード２は逆方向電流が微小である良好な状態のショットキーダイオードであることが分かる。
【００６９】
また、先程の検査結果を、１／Ｃ2と電圧との相関関係としてプロットすると、図５（ｂ）に示すようなグラフを得ることができた。この図５（ｂ）に示されるグラフから、ダイオード２は良好な状態のショットキーダイオードであるとともに、均一な濃度プロファイルをもったステップジャンクションを有していることが分かった。なお、図５（ｂ）中一点鎖線で示す部分Ａは、図５（ｂ）中実線で示す部分に連続するように近似曲線を外挿して得られたものである。この図５（ｂ）に示される結果などから、ダイオード２のサファイア基板２７の不純物濃度およびショットキー障壁は、それぞれ4.57×1017（個／cm3）および1.60（ｅＶ）であることが分かる。
【００７０】
次に、ダイオード２の半導体６の容量（空乏層容量、接合容量）を、ショットキー電極２８ａに100（ｋＨｚ）の交流信号を重畳したバイアス電圧を印加することによって測定するとともに、その容量の放射光（Ｘ線）波長依存を調べた。半導体６の容量のＸ線波長依存の測定は、具体的には、半導体６中のＧａ原子のＫ吸収端近傍での励起Ｘ線３の波長およびエネルギーなどを変化させて、容量の変化と時間依存を測定して解析した。すると、図６中実線で示すように、明瞭な容量ＸＡＦＳシグナルを観測できた。
【００７１】
また、その容量ＸＡＦＳシグナルの信頼性を検証するために、先程の励起Ｘ線３と同様の励起源によって発生させた蛍光Ｘ線３を用いて同様の測定および解析をしたところ、図６中破線で示すような蛍光ＸＡＦＳシグナルを得ることができた。それら両ＸＡＦＳシグナルを比較したところ、図６に示すように、Ｇａ原子のＫ吸収端近傍において略一致することが確認された。この結果より、本評価方法が含むＸＡＦＳ法によって得ることができるダイオード２の構造に関する情報は、従来技術のＸＡＦＳ法によって得ることができる結果と同様に、一般に信頼できる精度を有していることが分かる。また、この結果より、Ｇａ原子のＫ吸収端近傍においてシフトがないことが分かる。すなわち、このダイオード２においては、その半導体６の欠陥にＧａ原子が関与していないことが分かる。
【００７２】
さらに、パルス状の断続Ｘ線３に対する半導体６の過渡反応（応答）を調べるために、エネルギーの大きさが10.49（ｋｅＶ）の断続Ｘ線３を半導体６に照射して、その容量の時間変化を測定したところ、図７に示すように、室温で時定数が数十秒オーダーの過渡容量の変化を観測できた。このような接合容量の過渡現象は、Ｘ線３の照射により半導体６中の深いレベルで励起されたキャリア（ホール）の価電子帯から捕獲準位（トラップレベル）への捕獲（トラップ現象）、および熱励起などによる捕獲準位から価電子帯への放出（デトラップ現象）に対応している。
【００７３】
一般に、Ｘ線３は、これが有するエネルギーによって、その波長に応じた所定の原子の内殻の軌道に存在する電子、例えば深い準位である１ｓ軌道に存在する電子を伝導帯の空軌道まで励起させて（たたき上げて）、１ｓ軌道に電子の抜けた状態（穴）を作り出すことが可能である。この現象（作用）は、深い準位のキャリアの励起と呼ばれる現象の一つである。したがって、ダイオード２の半導体６に断続Ｘ線３を照射した結果として観測された半導体６の過渡容量の変化は、断続Ｘ線３による深い準位のキャリアの励起作用に因るものであることが分かる。すなわち、前記観測結果より、半導体６中に含まれるＧａ原子が有する活性化エネルギーが深い準位のキャリアを、パルス状の断続Ｘ線３を用いて励起できることが分かる。したがって、本発明の評価方法によれば、前記評価装置１を用いて断続Ｘ線３を発生および照射することにより、半導体６の禁制帯内の活性化エネルギーが深い準位をもつ不純物や欠陥を検出して、不純物の同定、濃度、準位のエネルギー、捕獲準位の深さ、密度、および捕獲断面積などの半導体装置２の電気的性質に関する情報を得ることができる。
【００７４】
このように、前記評価装置１を用いた本発明の評価方法によれば、従来、物質の構造情報を得るための一方法であったＸＡＦＳ法などに用いる連続Ｘ線３を、パルス状の断続Ｘ線３に加工してダイオード２に照射することにより、ダイオード２が有している半導体６の容量や、その接合部を流れる電流の流量を変化させて、それらの変化量などをＤＬＴＳ信号あるいはＩＣＴＳ信号などとして検知できる。また、それらＤＬＴＳ信号あるいはＩＣＴＳ信号を測定および解析することにより、ダイオード２の電気的性質を評価できる。すなわち、本発明の本評価方法によれば、放射光（ＳＲ光、ＳＯＲ光）としての断続Ｘ線３を用いたＤＬＴＳ法あるいはＩＣＴＳ法として、ＳＲ（ＳＯＲ）−ＤＬＴＳ（ＩＣＴＳ）法を実行できる。したがって、本発明の評価方法によれば、前述した１台の評価装置１を用いて、従来、殆ど不可能とされていたダイオード２の電気的性質と、半導体６中の不純物や欠陥、およびそれらの周辺の局所構造（微細構造）、ならびに電子状態との相関関係を解明できる。
【００７５】
ここで、従来のＤＬＴＳ法について、その概略を、図８〜図１０を参照しつつ説明する。
【００７６】
ＤＬＴＳ法とは、所定の範囲で温度を掃引しつつ、バイアス電圧などの電気的励起手段を用いたパルス励起に対する半導体６の過渡容量変化を解析する信号処理の方法である。各測定温度における半導体６の容量の過渡応答は、例えば図８（ａ）中各実線で示されるようなグラフとなって表される。これらの各グラフにおいて、測定時間中の所定の時刻ｔ１，ｔ２における容量の差をＳ（Ｔ）とすると、このＳ（Ｔ）は以下に示す（１）式で表すことができる。
【００７７】
Ｓ（Ｔ）＝｛Ｃ（ｔ１，Ｔ）−Ｃ（ｔ２，Ｔ）｝…（１）
このＳ（Ｔ）を各測定温度に対してプロットすると、図８（ｂ）に示されるようなグラフとなる。このグラフが以下に示す式（２）で表される各測定温度におけるＤＬＴＳスペクトル、すなわちＤＬＴＳシグナル（信号）Ｓを表す。
【００７８】
Ｓ＝Ｃ（ｔ１）−Ｃ（ｔ２）…（２）
この図８（ｂ）に示されるグラフによって表されるＤＬＴＳシグナルＳは、以下に示す（３）式で表される時定数τの温度で極値を有する。
【００７９】
τ＝（ｔ１−ｔ２）／ｌｎ（ｔ１／ｔ２）…（３）
すなわち、各測定温度における容量の差Ｓ（Ｔ）は、それぞれの時定数τで表される温度において極値を有しており、それら各極値が半導体６の各測定温度における一つの深い準位に対応している。
【００８０】
また、測定時間に対する半導体６の過渡容量変化は、図９（ａ）中実線で示すようなグラフで表すことができる。このグラフにおいて、図９（ａ）中Ｂ〜Ｃで示される時間範囲、すなわちグラフの起ち上がり部分は、図９（ｂ）に示すように、基底状態の価電子帯から励起されたキャリアが、価電子帯と伝導帯との間に存在する所定のエネルギー準位の捕獲準位（トラップレベル）に捕獲されることにより、半導体６の接合容量が一時的に増大している状態を表している。また、図９（ａ）のグラフは、図９（ａ）中Ｃで示される時刻において、半導体６の接合容量が最大値に達した状態を表している。すなわち、半導体６中に生成されたホールおよび電子の単位体積あたりの密度が最大になったことを表している。そして、図９（ａ）のグラフにおいて、図９（ａ）中Ｃ〜Ｄで示される時間範囲、すなわちグラフの減衰部分は、図９（ｃ）に示すように、捕獲準位に捕獲されていたキャリアが、熱励起などによって捕獲準位から放出されて、捕獲準位よりエネルギー準位の低い価電子帯に戻ることにより、半導体６の接合容量が減少している状態を表している。
【００８１】
以下、前述した従来技術のＤＬＴＳ法における電気的励起手段を、放射光としてのパルス状の断続Ｘ線３に代えた、評価装置１を用いた本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法に基づくダイオード２の電気的性質を評価する実験について説明する。
【００８２】
ＳＲ−ＤＬＴＳ法の具体的な手順の概略を図１０に示す。この図１０のフローチャートに示されるように、本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法の特徴は、断続Ｘ線３の波長および測定温度を、所定の範囲内で変化させつつ、ダイオード２の半導体６の過渡応答を測定することにある。まず、過渡応答の測定の際に用いる断続Ｘ線３の波長の範囲、およびその測定を行う際の測定温度の範囲をそれぞれ設定する。測定に用いる断続Ｘ線３の波長の範囲については、例えば、その測定開始波長としての最小波長のλmin、刻み幅（ステップ幅）Δλ、および測定終了波長としての最大波長のλmaxをそれぞれ設定する。同様に、測定温度の範囲については、例えば、その測定開始温度としての最低温度のＴmin、刻み幅（ステップ幅）ΔＴ、および測定終了温度としての最高温度のＴmaxをそれぞれ設定する。その後、測定開始波長λminおよび測定開始温度Ｔminを入力して、半導体６の過渡応答の測定を開始する。
【００８３】
この際、断続Ｘ線３を、その波長をλminに保持しつつ、１回の測定につき所定の時間、本実験においては例えば２０秒間、ダイオード２に向けて照射する。それとともに、１回の測定が終わるごとに、測定温度を刻み幅ΔＴずつ上げていき、測定温度Ｔが測定終了温度Ｔmaxに到達するか、あるいは測定終了温度Ｔmaxを超えた時点で測定波長λminにおける半導体６の過渡応答の測定を終了する。その後、測定波長λを刻み幅Δλだけ大きくした状態で、測定開始温度Ｔminから測定終了温度Ｔmaxまで、刻み幅ΔＴずつ、先程と同様の測定を行う。以後、同様に測定温度Ｔおよび測定波長λをそれぞれ順次設定し直しつつ半導体６の過渡応答の測定を行い、測定波長λが測定終了波長λmaxに到達するか、あるいは測定終了波長λmaxを超えた時点で半導体６の過渡応答の測定を全て終了する。すなわち、本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法を終了する。
【００８４】
なお、ＳＲ−ＤＬＴＳ法を行う時間的余裕がない場合、図１１のフローチャートに示されるように、測定温度Ｔを所定の一定温度に保持した状態で、先程のＳＲ−ＤＬＴＳ法と同様に、測定波長λだけをλminからλmaxまでΔλずつ大きくしていって半導体６の過渡応答の測定を行えばよい。すなわち、従来技術のＩＣＴＳ法における電気的励起手段を放射光としてのパルス状の断続Ｘ線３に代えた、いわゆるＳＲ−ＩＣＴＳ法を行えばよい。
【００８５】
以上説明したＳＲ−ＤＬＴＳ法に基づいて、前述したＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２の電気的性質を測定して解析した結果を、図１２〜図１６に示す。Ｇａ原子のＫ吸収端近傍において、ダイオード２が有する半導体６の過渡容量変化の各測定温度における時間依存性は、図１２中の各グラフのように表される。これら図１２中の各グラフから、測定温度を上げていくことによって、半導体６過渡容量の変化の時定数τが速くなっていくことが分かる。また、半導体６の過渡容量変化を示すＤＬＴＳシグナルの温度依存性は、図１３中の各グラフのように表される。これら図１３中の各グラフにピークフィッティング（図面を見易くするために、その図示を省略する。）を行うと、半導体６の過渡応答が、室温付近における深い準位からの一個のホールの放出に対応していることが分かる。
【００８６】
また、図１３中の各グラフのピークから半導体６のキャリアであるホールの放出速度（エミッション・レート）を計算し、その温度依存性をプロットすると、図１４のように示すことができる。その結果、励起状態において半導体６のホールが捕獲されている捕獲準位（トラップレベル、Trap Level）の深さは、価電子帯（Valence Band）のエネルギー準位が最も浅い（高い）頂上部から、エネルギー準位が約0.9（ｅＶ）だけ高い位置であることが分かった。この捕獲準位の位置（深さ）は、図１５に示すように、半導体６の価電子帯と伝導帯（Conduction Band）との間に存在する約3.4（ｅＶ）の幅を有する、一般にイエロー・バンド（Yellow Luminescence Band）と呼ばれるＧａ空孔の関与した不純物レベルと略一致している。以上の結果を一つの図にまとめると、図１６のように示すことができる。この結果は、従来技術におけるＤＬＴＳ法を用いて、Ａｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２の電気的性質を測定して解析した結果（その説明および図示は省略する。）と極めてよく一致する。
【００８７】
このように、評価装置１を用いた本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法に基づくダイオード２の電気的性質を評価する実験の結果は、十分に信頼できることが判明した。すなわち、従来技術のＤＬＴＳ法における電気的励起手段を放射光としてのパルス状の断続Ｘ線３に代えた、評価装置１を用いた本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法に基づく半導体装置の評価方法の評価精度が高いことが確認できた。したがって、ＳＲ−ＤＬＴＳ法を含む本発明の半導体装置の評価方法に基づいて、評価すべきダイオード２にＸ線３を断続的に照射することにより、ダイオード２が具備する半導体６の接合容量の過渡的変化を測定および解析して半導体６の電気的性質を高い精度で評価できることが分かる。
【００８８】
また、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法のうち、ダイオード２にＸ線３を連続的に照射することにより、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを測定および解析して半導体６の構造および電子状態を評価する方法については、従来技術のＸＡＦＳ法（ＸＡＮＥＳ法やＥＸＡＦＳ法などを含む。）と同様なので、その方法の詳しい図示および説明は省略して、その結果だけを図示して説明する。評価装置１を用いて本発明の評価方法が含むＸ線構造解析を行う場合、前述したＸ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射されるＸ線３が断続Ｘ線３ではなく連続Ｘ線３となるように、また、半導体６の構造解析を行うのに十分な量の連続Ｘ線３が半導体装置２に向けて照射されるように、Ｘ線チョッパー５ａの作動状態または非作動状態を制御すればよい。また、その連続Ｘ線３の波長、エネルギー、および線束の太さなども、半導体６の構造解析を行うのに適正な状態となるように、Ｘ線発生装置１３や、Ｘ線照射装置４、およびＸ線チョッパー５ａを適宜制御して調節して設定する。
【００８９】
Ａｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２の結晶中のＧａ原子の局所構造は、図１７（ａ）のように示すことができる。ところが、先程のＳＲ−ＤＬＴＳ法の実験に先立って行った、ＸＡＦＳ法によるダイオード２の構造解析の結果を示す容量ＸＡＦＳシグナルは、図６中実線で示すように、半導体６中の欠陥にＧａ原子が関与していないことを明瞭に表している。これは、図１７（ｂ）中破線で示すように、欠陥の起源となるＧａ原子が空孔のため、容量ＸＡＦＳ（Capacitance ＸＡＦＳ）のシグナルと、蛍光ＸＡＦＳのシグナルとの間で、Ｋ−吸収端付近においては殆ど差が表れなかったと考えることができる。また、この推論は、前述したＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体６の電気的性質を評価する実験結果である、半導体６のホールが捕獲される準位の深さが、イエロー・バンドと呼ばれるＧａ空孔の関与した不純物レベルと略一致していることと整合性がとれる。
【００９０】
このように、本発明の評価装置１を用いた本発明の評価方法に基づいて、この評価方法に含まれるＳＲ−ＤＬＴＳ法（ＳＲ−ＩＣＴＳ法）およびＸＡＦＳ法を行うことにより、半導体６のホールが捕獲される準位が、ＶＧａに起因する説を支持する結果を得ることができた。また、ＳＲ−ＤＬＴＳ法をＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２に適用して、イエロー・バンドと呼ばれる深い準位を検出できた。この検出感度は、前述した結果から、従来技術の電気的励起源によるＤＬＴＳ法と同程度であり、半導体６の接合容量の1/100程度の変化は容易に検出可能である。この際、ドナー、あるいはアクセプターの濃度を１Ｅ１５とすれば、１Ｅ１３の濃度の深い準位の検出は容易であり、１Ｅ１２の濃度の深い準位の検出も十分に可能である。さらに、Ｘ線３は半導体６の構造中の十分に深い位置まで侵入できるので、ダイオード２の内部の埋もれた構造も高精度かつ容易に解析できる。
【００９１】
また、以上説明したように、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法は、温度と、Ｘ線３の波長およびエネルギーの大きさ等のＸ線３が有する各種状態量との２つのパラメータを主に利用する。前述した本発明の評価方法に基づいた実験においては、電気的性質や構造情報および電子状態が既知であるＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２を評価対象としたため、始めにＸＡＦＳ法によって、その構造情報および電子状態を測定および解析したが、通常は始めにＳＲ−ＤＬＴＳ法によって、その電気的性質を測定および解析する。この際、半導体６中に存在する、ある特定の欠陥などに関する信号が発生する温度を求める。次に、その温度でＸ線３の波長およびエネルギーの大きさ等を変化させて、半導体６の構造情報および電子状態を測定する。これにより、半導体６中のある特定の欠陥などに関する電気的性質や構造情報および電子状態に関する情報を得る。さらに続けて、Ｘ線３の波長およびエネルギーの大きさ等を変化させつつ、半導体６の電気的性質の測定および解析を繰り返し行うことによって、欠陥などのより詳細な電気的性質を知ることができる。
【００９２】
このように、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法は、半導体装置（ダイオード）２の電気的性質の測定および解析と、半導体装置（ダイオード）２の構造情報および電子状態の測定および解析とを、交互に繰り返し行う。したがって、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法に行う際に使用する評価装置１は、ＳＲ−ＤＬＴＳ法およびＸＡＦＳ法を１台の装置で実行できる、前述した本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置１のような一体型のものであることが実用上好ましく、また前記測定および解析を迅速かつ正確に、さらには容易に実行するために、一体型であることが実質的に必要不可欠である。
【００９３】
以上説明したように、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置１、およびこの評価装置１を用いた本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、ダイオードを始めとする半導体装置２の過渡容量応答測定の励起源として断続Ｘ線３などのパルス放射光を利用できるとともに、半導体６中の深い準位のエネルギー、濃度、捕獲断面積などの電気的性質の情報と、欠陥周辺の構造情報および電子状態とを原子レベルの高い精度で微視的（サイト選択的）に、かつ容易に得ることができる。すなわち、本発明の評価装置１を用いた評価方法によれば、半導体装置２の被測定箇所や被測定材料に拘らず、半導体装置２の構造的特徴と電気的性質とを、Ｘ線３を用いて高い精度で容易に測定および解析して評価し、それら両者の関係を明らかにできる。
【００９４】
なお、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法および評価装置は、前述した一実施形態には制約されない。例えば、Ｘ線検出器１０の感度を向上させることにより、シンクロトロン１４ではなく、小型のＸ線構造解析装置を用いても本発明の評価方法のＸＡＦＳ法を実行可能である。また、本発明の評価装置１の一層のノイズ低減効果を向上させるために、コンピュータ９（１２）とシンクロトロン１４やＸ線チョッパー５ａとを接続する接続ケーブル２６の代わりに、シールドケーブル１８を用いても構わない。また、第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａ〜第３Ａ／Ｄコンバータ１９ｃは、それぞれコンピュータ９（１２）と一体のものでも構わない。また、Ｘ線光学系全体の雰囲気温度を調節可能な温度調節装置を設けても構わない。また、本発明の評価方法においては、半導体装置２は、その電気的性質、あるいは構造および電子状態のどちらを先に測定および解析しても構わない。また、本発明の評価装置１によれば、半導体装置２の半導体６だけではなく、絶縁体などの電気的性質、あるいは構造および電子状態も測定および解析して評価可能である。また、本発明の評価装置１を用いた評価方法によれば、半導体装置２の製造プロセスの各過程において、どの段階で半導体中に欠陥や空孔が生じたのか、その起源も容易に検出できる。さらに、Ｘ線３の波長を短くするとともに、その線束を絞ることにより、本発明の評価装置１を、可視光線を利用した一般の光学顕微鏡よりも分解能の高いＸ線顕微鏡として使用することもできる。
【００９５】
【発明の効果】
本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、評価すべき半導体装置が具備する半導体の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を、半導体装置に対するＸ線の照射状態を適宜、適正に切り替えることにより、それぞれＸ線を使用して測定および解析して評価できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ高い精度で解析して評価し、それら両者の関係を明らかにできる。
【００９６】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、Ｘ線の照射時間を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれより高い精度で解析して評価できる。
【００９７】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、照射するＸ線の状態を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれさらに高い精度で解析して評価できる。
【００９８】
さらに、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、評価すべき半導体装置の被測定温度を、半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ極めて高い精度で解析して評価できる。
【００９９】
本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、Ｘ線照射手段から評価すべき半導体装置に向かうＸ線の進路上に配置されたＸ線照射時間設定手段を用いて、半導体装置に対するＸ線の照射状態を適宜、適性かつ選択的に切り替えることにより、半導体装置が具備する半導体の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を、それぞれＸ線を使用して、かつ、１台の装置で測定および解析して評価できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ高い精度で解析して評価し、それら両者の関係を明らかにできる。
【０１００】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、Ｘ線の照射時間を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれより高い精度で解析して評価できる。
【０１０１】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、照射するＸ線の状態を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれさらに高い精度で解析して評価できる。
【０１０２】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、温度調節手段によって、評価される半導体装置の被測定温度を、半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ極めて高い精度で解析して評価できる。
【０１０３】
さらに、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、ノイズ低減手段によって、半導体の電気的性質、微細構造、および電子状態を、適正な状態で測定して解析できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ極めて高い精度で解析して評価できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置の概略を示す図。
【図２】図１の評価装置が具備するＸ線照射時間設定装置としてのＸ線チョッパーを示す斜視図であり、（ａ）は半導体装置にＸ線を照射している場合を示し、（ｂ）は半導体装置に照射するＸ線を遮断している場合を示すものである。
【図３】図１の評価装置が具備する他のＸ線照射時間設定装置としてのゲートバルブを示す斜視図であり、（ａ）は半導体装置にＸ線を照射している場合を示す図であり、（ｂ）は半導体装置に照射するＸ線を遮断している場合を示す図である。
【図４】図１に示す評価装置が評価する半導体装置としてのＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオードを示す斜視図。
【図５】図４に示すダイオードの電気的性質を示すグラフであり、（ａ）は電流・電圧特性を示し、（ｂ）は電圧に対する１／Ｃ2をプロットして示すものである。
【図６】図４に示すダイオードの構造情報を表す容量ＸＡＦＳシグナルおよび蛍光ＸＡＦＳシグナルを示すグラフ。
【図７】図４に示すダイオードが有する半導体に断続Ｘ線を照射した場合の室温における接合容量の時間変化を示すグラフ。
【図８】従来技術に係るＤＬＴＳ法の原理を示すグラフであり、（ａ）は半導体の容量の過渡応答を示し、（ｂ）は半導体のＤＬＴＳシグナルを示すものである。
【図９】従来技術に係るＤＬＴＳ法による半導体の過渡容量変化を示すグラフであり、（ａ）は半導体の過渡容量変化の時間依存性を示し、（ｂ）は（ａ）のグラフの起ち上がり部分のキャリアの様子を示す図であり、（ｃ）は（ａ）のグラフの減衰部分のキャリアの様子を示す図である。
【図１０】本発明の一つの実施形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法が実行するＳＲ−ＤＬＴＳ法の作業の流れを示すフローチャート。
【図１１】本発明の一つの実施形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法が実行するＳＲ−ＩＣＴＳ法の作業の流れを示すフローチャート。
【図１２】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体の過渡容量変化の各温度における時間依存性を示すグラフ。
【図１３】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体の過渡容量変化を表すＤＬＴＳシグナルの温度依存性を示すグラフ。
【図１４】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体のエミッション・レートの温度依存性を示すグラフ。
【図１５】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体のキャリアの捕獲準位を示す図。
【図１６】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体の過渡容量変化を表すＤＬＴＳシグナルの温度依存性と半導体のキャリアの捕獲準位とをまとめて示す図。
【図１７】本発明の評価方法が実行するＸＡＦＳ法によるＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオードの半導体中のＧａ原子付近の局所構造を示し、（ａ）は通常の結晶中における場合を示す図であり、（ｂ）はＧａ空孔の場合を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体評価装置
２…Ａｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード（半導体装置）
３…Ｘ線
４…Ｘ線照射装置（Ｘ線照射手段）
５…Ｘ線照射時間設定装置（Ｘ線照射時間設定手段）
５ａ…Ｘ線チョッパー（Ｘ線照射時間設定手段）
５ｂ…ゲートバルブ（Ｘ線照射時間設定手段）
６…半導体
７…プローブ（接合容量検知手段）
８…ＩＶ／ＣＶメータ（接合容量検知手段）
９…コンピュータ（第１半導体評価手段）
１０…Ｘ線検出器（Ｘ線スペクトル検知手段）
１１…Ｘ線スペクトル測定装置（Ｘ線スペクトル測定手段）
１２…コンピュータ（第２半導体評価手段）
１８…シールドケーブル（ノイズ低減手段）
２０…温度調節装置（温度調節手段）
２１…除震台（ノイズ低減手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の電気的性質、構造的特徴、および電子状態の相関関係を、例えば放射光Ｘ線を用いて測定および解析して評価する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の電気的性質、例えば半導体装置が備える半導体部分の電気的性質を評価する最も精度の高い方法としては、半導体のパルス状の電気的な刺激に対する半導体接合の容量や、あるいは半導体中を流れる電流の過渡応答を測定して解析する、ＤＬＴＳ（Deep Level Transient Spectroscopy）法や、あるいはＩＣＴＳ（Isothermal Capacitance Transient Spectroscopy）法が知られている。これら両評価方法は共に、半導体の接合容量の過渡現象を利用した過渡容量分光法（capacitance transient spectroscopy）の一種であり、半導体装置（半導体デバイス）の特性を決定する重要な要素である半導体禁制帯内の深い準位を測定および解析して評価できる。両評価方法の主な違いは、ＤＬＴＳ法が温度変化を伴う測定を行うのに対して、ＩＣＴＳ法は一定の温度下で測定を行う、という点である。
【０００３】
ＤＬＴＳ法およびＩＣＴＳ法においては、不純物や欠陥の電気的な性質を求めることはできるが、それらの構造に関する情報や、例えば欠陥近傍の伝導帯の電子状態などに関する情報を得ることはできない。また、半導体中の多種多数の原子（元素）の中から、ある特定の種類の原子を選び、その内殻を励起して、その情報を得ることもできない。このため、半導体中の不純物や欠陥、およびそれらの周辺の局所（微細）構造（構造的特徴）と、それらの電気的性質との相関関係を明らかにすることは殆どできなかった。
【０００４】
電気的な手段を用いて被測定試料の原子レベルでの微細な構造や電子状態などを観察する手段としては、例えばＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）、いわゆる走査型トンネル顕微鏡がある。ところが、このＳＴＭは被測定試料の表層（表面）の構造や電子状態などを観察することはできるが、被測定試料の内部を観察することは殆ど不可能である。また、ＳＴＭが観察できる被測定試料は、ＳＴＭの測定原理から導電性のものに限られる。ＳＴＭを用いて絶縁性の被測定試料を観察する場合には、被測定試料の表面に導電性の物質をコーティングしなければならず、被測定試料本来の表面形状が損なわれてしまう。したがって、ＳＴＭは、被測定試料としての半導体装置が備える絶縁膜などの構造や電子状態などを、原子レベルで微細に観察することは殆ど不可能である。
【０００５】
また、電気的手段によることなく被測定試料の内部構造や電子状態を原子レベルで微細に、かつ高精度に解析する実績がある方法としては、例えばＸ線を用いて構造解析を行うＸＡＦＳ（X-ray Absorption Fine Structure）法、いわゆるＸ線吸収微細構造法が知られている。このＸＡＦＳ法は吸収スペクトル法の一種であり、Ｘ線エネルギーの吸収係数が急激に増加する吸収端からのエネルギー範囲に応じて、ＸＡＮＥＳ（X-ray Absorption Near-Edge Structure）法、いわゆるＸ線吸収端微細構造法、およびＥＸＡＦＳ（Extended X-ray Absorption Fine Structure）法、いわゆる広域Ｘ線吸収微細構造法の２種類に大別される。これらＸＡＮＥＳ法およびＥＸＡＦＳ法を組み合わせて用いることにより、被測定試料に含まれる様々な物質の構造や電子状態を原子レベルで微細に解析できる。
【０００６】
ところが、学会あるいは産業界を問わず、半導体装置の研究および開発分野においては、半導体のＸ線構造解析を行っている研究者達や、あるいはそのＸ線構造解析に用いる装置を開発している開発者達は、半導体装置の構造的特徴にのみ注目し、電気的性質などには殆ど注意を払わなかった。このため、前述した研究者達や開発者達の間には、半導体装置の電気的性質をＸ線を用いて評価する装置を開発しようとするアイデアはもちろんのこと、半導体装置の電気的性質をＸ線を用いて評価しようとする方法のアイデアすらなかった。したがって、半導体中の不純物や欠陥の構造的特徴と、半導体の電気的性質とを関連付けて測定および解析して評価し、それら両者の関係を明らかにすることは実質的に不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来のＤＬＴＳ法またはＩＣＴＳ法による半導体装置の評価、あるいはＳＴＭを用いた試料観察など、電気的手段によって半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態との両方を測定および解析して評価し、それら両者の相関関係を明らかにすることは殆ど不可能であるか、あるいは可能であるとしても半導体装置の一部の箇所または材料に限られる。また、構造解析に実績のあるＸ線を用いて、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態との両方を評価して、これら両者の関係を明らかにすることも実質的に不可能であった。
【０００８】
よって、本発明の目的は、半導体装置の被測定箇所や被測定材料に拘らず、Ｘ線を用いて、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とを高い精度で測定および解析して評価し、それら両者の相関関係を明らかにできる半導体装置の評価方法および評価装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法は、評価すべき半導体装置にＸ線を断続的に照射することにより、前記半導体装置が具備する半導体の接合容量の過渡的変化を測定および解析して前記半導体の電気的性質を評価するとともに、前記半導体装置に対する前記Ｘ線の照射状態を切り替えて、前記半導体装置にＸ線を連続的に照射することにより、前記半導体中の所定の元素に吸収された前記連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルを測定および解析して前記半導体の構造および電子状態を評価することを特徴とするものである。
【００１０】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法においては、評価すべき半導体装置が具備する半導体の電気的性質と、構造および電子状態とを、半導体装置に対するＸ線の照射状態を適宜、適正に切り替えることにより、それぞれ測定および解析して評価できる。
【００１１】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法を実施するにあたり、前記Ｘ線は、前記半導体装置への断続的な照射または連続的な照射を選択的に切り替えることができるとともに、その照射時間を調節自在とするとよい。
【００１２】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法においては、Ｘ線の照射時間を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００１３】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法を実施するにあたり、前記Ｘ線は、その波長、エネルギー、および前記半導体装置に照射する線束の太さが可変とするとよい。
【００１４】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法においては、照射するＸ線の状態を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００１５】
さらに、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法を実施するにあたり、前記半導体装置は、その被測定温度が可変であるとともに、前記過渡的変化が測定および解析される際には、所定の温度に保持されるとするとよい。
【００１６】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法においては、評価すべき半導体装置の被測定温度を、半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００１７】
また、前記課題を解決するために、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置は、評価すべき半導体装置にＸ線を照射するＸ線照射手段と、このＸ線照射手段から前記半導体装置に向かう前記Ｘ線の進路上に配置されており、前記半導体装置への前記Ｘ線の断続的な照射または連続的な照射を選択的に切り替えるとともに、前記Ｘ線の照射時間を所定の値に設定するＸ線照射時間設定手段と、前記Ｘ線が断続的に照射された際の前記半導体装置が具備する半導体の接合容量とその過渡的変化を検知する接合容量検知手段と、この接合容量検知手段が検知した前記半導体の接合容量とその過渡的変化過渡的変化を測定する接合容量測定手段と、この接合容量測定手段が測定した前記半導体の接合容量とその過渡的変化を解析して前記半導体装置の電気的性質を評価する第１半導体評価手段と、前記Ｘ線が連続的に照射された際の前記半導体中の所定の元素に吸収された該連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルを検知するＸ線スペクトル検知手段と、このＸ線スペクトル検知手段が検知した前記スペクトルを測定するＸ線スペクトル測定手段と、このＸ線スペクトル測定手段が測定した前記スペクトルを解析して前記半導体装置の構造および電子状態を評価する第２半導体評価手段と、を具備することを特徴とするものである。
【００１８】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、Ｘ線照射手段から評価すべき半導体装置に向かうＸ線の進路上に配置されたＸ線照射時間設定手段を用いて、半導体装置に対するＸ線の照射状態を適宜、適性かつ選択的に切り替えることにより、半導体装置が具備する半導体の電気的性質と、構造および電子状態とを、それぞれＸ線を使用して、かつ、１台の装置で測定および解析して評価できる。
【００１９】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置を実施するにあたり、前記Ｘ線照射時間設定手段は、前記半導体装置への前記Ｘ線の断続的な照射または連続的な照射の選択的な切り替え、および前記Ｘ線の照射時間の長さを、前記半導体の接合容量とその過渡的変化の検知および測定、または前記半導体中の所定の元素に吸収された前記連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルの検知および測定と、それぞれ互いに同期するように制御されるとよい。
【００２０】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、Ｘ線の照射時間を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００２１】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置を実施するにあたり、前記Ｘ線照射手段は、前記Ｘ線の波長、エネルギー、および前記半導体装置に照射する線束の太さを、それぞれ互いに独立に所定の値に設定可能とするとよい。
【００２２】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、照射するＸ線の状態を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００２３】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置を実施するにあたり、前記半導体装置の温度を所定の値に設定可能な温度調節手段が設けられているとよい。
【００２４】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、温度調節手段によって、評価される半導体装置の被測定温度を、半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。
【００２５】
さらに、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置を実施するにあたり、前記半導体の接合容量とその過渡的変化を検知して測定する際のノイズ、および前記半導体中の所定の元素に吸収された前記連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルを検知して測定する際のノイズを、それぞれ低減するノイズ低減手段が設けられているとよい。
【００２６】
この発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置においては、ノイズ低減手段によって、半導体の電気的性質、構造、および電子状態を、適正な状態で測定して解析できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一つの実施の形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法および評価装置１を、図１〜図１７に基づいて説明する。
【００２８】
まず、本実施形態のＸ線を用いた半導体装置の評価装置１（以下、評価装置１と略称する。）について説明する。この評価装置１は、図１に示すように、評価すべき半導体装置２にＸ線３を照射するＸ線照射手段４、Ｘ線３の断続的な照射または連続的な照射を選択的に切り替えるとともに、Ｘ線３の照射時間を所定の値に設定するＸ線照射時間設定手段５、半導体装置２が具備する半導体６の接合容量とその過渡的変化を検知する接合容量検知手段７、半導体６の接合容量とその過渡的変化を測定する接合容量測定手段８、半導体装置２の電気的性質を評価する第１半導体評価手段９、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを検知するＸ線スペクトル検知手段１０、スペクトルを測定するＸ線スペクトル測定手段１１、および半導体装置２の構造および電子状態を評価する第２半導体評価手段１２、などを具備している。
【００２９】
Ｘ線照射手段としてのＸ線照射装置４は、本実施形態においては、評価すべき半導体装置２に照射するＸ線３を発生するＸ線発生手段（Ｘ線源）としてのＸ線発生装置１３と一体に構成されている。また、Ｘ線照射装置４は、Ｘ線発生装置１３と併せて、これらが発生および照射するＸ線３の波長、エネルギー、および半導体装置２に照射する線束の太さ（Ｘ線ビームの断面積）を、それぞれ互いに独立に所定の値に設定可能となっていることが好ましい。具体的には、Ｘ線照射装置４はＸ線発生装置１３などとともに、大出力（大強度）の連続Ｘ線３を発生および照射可能な放射光装置（施設）として、例えばシンクロトロン１４を構成しているものとする。シンクロトロン１４は、これが発生する放射（synchrotron (orbital) radiation，ＳＯＲ，ＳＲ）光を大強度の連続Ｘ線３として取り出すことができる。シンクロトロン１４は、これが有するＸ線照射装置４の一部に図示しないＸＡＦＳ測定用のビームラインを有しているものが好ましく、日本国内にある具体的な装置としては、例えばPhoton Factory Ring ＢＬ１２Ｃや、あるいはSpring８などが適している。
【００３０】
また、シンクロトロン１４は、少なくともそのＸ線照射装置４およびＸ線発生装置１３が、後述する第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２に、接続ケーブル２６を介して制御可能に接続されていることが好ましい。すなわち、Ｘ線照射装置４およびＸ線発生装置１３は、それぞれの作動状態および非作動状態などを、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２のそれぞれが半導体装置２を適正な状態で評価できるように、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって制御される設定となっていることが好ましい。このような設定により、Ｘ線照射装置４およびＸ線発生装置１３、ひいてはシンクロトロン１４は、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２のそれぞれが半導体装置２を適正な状態で評価できるように、半導体装置２の測定および解析に適した、適正な状態のＸ線３を発生させて半導体装置２に向けて照射できる。
【００３１】
Ｘ線照射時間設定手段としてのＸ線照射時間設定装置５は、図１に示すように、Ｘ線照射装置４と半導体装置２との間において、図１中白抜き矢印で示す、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射されるＸ線３の進路上に位置するように配置されている。本実施形態においては、Ｘ線照射時間設定装置５として、Ｘ線チョッパー５ａが用いられる。Ｘ線チョッパー５ａは、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３の半導体装置２への断続的な照射、または連続的な照射を選択的に切り替えることができるとともに、その照射時間を調節自在に設定されている。具体的には、Ｘ線チョッパー５ａは、その作動状態および非作動状態を、図１に示すように、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２に接続ケーブル２６を介して制御可能に接続されている。このような設定により、Ｘ線チョッパー５ａは、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２が、後述する本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法に基づいて、半導体装置２の電気的性質、ならびに局所構造（微細構造）および電子状態などを、それぞれ適正な状態で評価できるように、半導体装置２へのＸ線３の断続的な照射、または連続的な照射を選択的に切り替えることができるとともに、その照射時間を所定の値に調節できる。
【００３２】
以下、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２により制御されるＸ線チョッパー５ａの作動状態および非作動状態について、図２（ａ），（ｂ）を参照しつつ詳しく説明する。
【００３３】
Ｘ線チョッパー５ａは、図２（ａ），（ｂ）に示すように、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３の半導体装置２への断続的な照射、または連続的な照射を選択的に切り替えることができるとともに、その照射時間を調節できる回転板１５を備えている。Ｘ線チョッパー５ａは、その回転板１５の両端面が、例えば、図２（ａ），（ｂ）中白抜き矢印で示すＸ線３の進行方向と直角に交わるように配置される。
【００３４】
回転板１５には、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射されるＸ線３が通過可能な大きさおよび形状に形成されたＸ線通過孔１５ａが複数個、回転板１５をその厚み方向に沿って貫通して、かつ、回転板１５の周方向に沿って互いに等間隔に離間されて設けられている。本実施形態の回転板１５には、４個のＸ線通過孔１５ａが設けられている。各Ｘ線通過孔１５ａは、この評価装置１を用いた本発明の半導体装置の評価方法に基づいて、半導体装置２の電気的性質、ならびに半導体装置２の微細構造および電子状態のいずれをも適正かつ高精度に評価できるように、それらを通過したＸ線３が半導体装置２に適正な状態で十分な量照射可能に、適当な大きさおよび形状に予め形成されている。また、各Ｘ線通過孔１５ａ同士の間は、Ｘ線３が通過不可能なＸ線遮断部１５ｂとして形成されている。本実施形態の回転板１５には、Ｘ線遮断部１５ｂが４箇所に設けられている。回転板１５を回転させて、各Ｘ線通過孔１５ａおよび各Ｘ線遮断部１５ｂを適当な位置に設定することにより、Ｘ線３の半導体装置２への断続的な照射、または連続的な照射を選択的に切り替えることができる。以下、Ｘ線３の半導体装置２への断続的な照射、または連続的な照射を個別に説明する。
【００３５】
この評価装置１を用いた本発明の半導体装置の評価方法に基づいて、不純物の同定、濃度、準位のエネルギー、捕獲準位の深さ、密度、および捕獲断面積などの半導体装置２の電気的性質を評価する場合には、半導体装置２にパルス状の断続Ｘ線３を照射する。具体的には、Ｘ線チョッパー５ａが備えている駆動モータ１６を作動させることにより、例えば図２（ａ），（ｂ）中実線矢印で示す向きに回転板１５を回転駆動させる。この際、例えば、回転板１５の単位時間あたりの回転数が一定となるように駆動モータ１６を作動させる。すると、図２（ａ）に示すように、Ｘ線３が各Ｘ線通過孔１５ａを通過して半導体装置２に届く照射状態と、図２（ｂ）に示すように、Ｘ線３が各Ｘ線遮断部１５ｂに遮断されて半導体装置２に届かない非照射状態とが、それぞれ一定の時間間隔で交互に繰り返される。すなわち、シンクロトロン１４が発生させたＸ線３は、一定の周期で断続的に半導体装置２に照射される。つまり、本実施形態の評価装置１によれば、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３を、Ｘ線チョッパー５ａを用いてパルス状の断続Ｘ線３に設定（加工）して半導体装置２に照射できる。この断続Ｘ線３および第１半導体評価手段９を用いるとともに、本発明の半導体装置の評価方法に基づくことによって、半導体装置２の半導体６の接合部分の容量や、あるいは半導体６中を流れる電流の過渡応答を測定および解析して、半導体装置２の電気的性質を評価できる。
【００３６】
また、各Ｘ線通過孔１５ａおよび各Ｘ線遮断部１５ｂの大きさ、形状、および個数などは、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３がＸ線チョッパー５ａの回転板１５を通過することにより、断続Ｘ線３に加工されて半導体装置２に断続的に照射された際に、評価装置１が半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を適正な状態で評価できる範囲内であれば、それぞれ適宜様々な状態に設定して構わない。Ｘ線通過孔１５ａおよび各Ｘ線遮断部１５ｂが、それぞれ様々な状態に設定された回転板１５を予め複数枚準備しておく。これにより、回転板１５の単位時間あたりの回転数が一定となるように駆動モータ１６を作動させる場合においても、複数枚の回転板１５を適宜交換することにより、半導体装置２に照射するＸ線３の照射時間と非照射時間との組み合わせ、すなわち断続Ｘ線３のパルス状態を様々な異なる状態に変化させて設定することができる。あるいは、１枚（１種類）の回転板１５のみを用いる場合には、各Ｘ線通過孔１５ａおよび各Ｘ線遮断部１５ｂのそれぞれが、Ｘ線３の進路上に位置している時間が可変であるように駆動モータ１６の作動を制御する。これによっても、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３を、様々な異なるパルス状の断続Ｘ線３に加工して半導体装置２に照射できる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の評価装置１においては、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３を、Ｘ線チョッパー５ａを用いることによって、評価すべき半導体装置２の装置構成や、あるいはその半導体６の構成成分などに応じて、半導体装置２の電気的性質の適正な評価に適したパルス状の断続Ｘ線３に加工して半導体装置２に照射できる。これにより、第１半導体評価手段９は、半導体装置２の電気的性質を適正かつ高精度に評価できる。
【００３８】
また、この評価装置１および本発明の半導体装置の評価方法を用いることよって半導体装置２の半導体６中の不純物や欠陥、およびそれらの周辺の局所構造（微細構造）、ならびに電子状態を評価する場合には、半導体装置２に連続Ｘ線３を照射する。具体的には、４個のＸ線通過孔１５ａのうちのいずれか１個が、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射される連続Ｘ線３の進路上に位置している状態に回転板１５の姿勢を設定して保持すればよい。これにより、シンクロトロン１４が発生させて、予め半導体装置２の微細構造および電子状態を適正に評価するのに適した状態に設定された連続Ｘ線３を、そのまま連続的に半導体装置２に照射できる。したがって、第２半導体評価手段１２は、半導体装置２の微細構造および電子状態を適正かつ高精度に評価できる。
【００３９】
なお、本実施形態の評価装置１においては、Ｘ線照射時間設定装置５として、Ｘ線チョッパー５ａを用いたが、前述したように、シンクロトロン１４が発生した連続Ｘ線３を半導体装置２の適正な評価に適したパルス状の断続Ｘ線３に加工できるものであれば、必ずしもＸ線チョッパー５ａを用いる必要はない。例えば、図３（ａ），（ｂ）に示すように、一対の第１バルブ体１７ａおよび第２バルブ体１７ｂなどから構成されるゲートバルブ５ｂを用いても構わない。このゲートバルブ５ｂを前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、Ｘ線照射装置４と半導体装置２との間においてＸ線３の進路上に配置する。それとともに、ゲートバルブ５ｂが有する一対の第１バルブ体１７ａおよび第２バルブ体１７ｂのそれぞれを、例えば図３（ａ），（ｂ）中実線矢印で示すように、図示しない駆動装置によって上下動可能に設定する。このゲートバルブ５ｂも、前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、その第１バルブ体１７ａおよび第２バルブ体１７ｂのそれぞれの駆動は、図示しない接続ケーブル２６を介して制御可能に接続された第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって制御される設定とする。
【００４０】
半導体装置２にＸ線３を照射する場合には、駆動装置を作動させて、第１バルブ体１７ａと第２バルブ体１７ｂとの間隔を、図３（ａ）に示すように、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射される連続Ｘ線３が通過可能な大きさに設定する。すなわち、ゲートバルブ５ｂを開状態に設定する。これにより、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射された連続Ｘ線３は、第１バルブ体１７ａと第２バルブ体１７ｂとの間を通過して、半導体装置２に到達できる。あるいは、半導体装置２にＸ線３を照射しない場合には、駆動装置を作動させて、図３（ｂ）に示すように、第１バルブ体１７ａと第２バルブ体１７ｂとを密着させて、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射される連続Ｘ線３が、第１バルブ体１７ａと第２バルブ体１７ｂとの間を通過不可能に設定する。すなわち、ゲートバルブ５ｂを閉状態に設定する。これにより、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射された連続Ｘ線３は、その進路をゲートバルブ５ｂによって遮断されて半導体装置２に到達することはない。
【００４１】
半導体装置２の電気的性質を評価するために、半導体装置２に断続Ｘ線３を照射する場合には、ゲートバルブ５ｂが開状態あるいは閉状態となっている時間をそれぞれ所定の値に設定する。これにより、前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、シンクロトロン１４が発生させた連続Ｘ線３を、評価すべき半導体装置２の装置構成や、あるいはその半導体６の構成成分などに応じて、半導体装置２の電気的性質を適正に評価するのに適したパルス状の断続Ｘ線３に加工して半導体装置２に照射できる。また、半導体装置２の微細構造および電子状態を適正に評価するために、半導体装置２に連続Ｘ線３を照射する場合には、ゲートバルブ５ｂを開状態に設定してその状態を保持すればよい。これにより、前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、シンクロトロン１４が発生させて、予め半導体装置２の微細構造および電子状態を適正に評価するのに適した状態に設定された連続Ｘ線３を、そのまま連続的に半導体装置２に照射できる。このように、一対の第１バルブ体１７ａおよび第２バルブ体１７ｂなどから構成されるゲートバルブ５ｂを用いても、前述したＸ線チョッパー５ａと同様に、半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を適正な状態で高精度に評価できる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態の評価装置１においては、Ｘ線照射時間設定装置５として用いられるＸ線チョッパー５ａおよびゲートバルブ５ｂは、それらを介した半導体装置２への断続的または連続的なＸ線３の照射の選択的な切り替え、およびＸ線３の照射時間の設定を、半導体装置２が有する半導体６の接合容量の過渡的変化の検知および測定、または半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルの検知および測定と、それぞれ互いに適正な状態で同期するように、それらの作動状態および非作動状態を第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって制御される設定となっていることが好ましい。具体的には、Ｘ線チョッパー５ａおよびゲートバルブ５ｂは、半導体６の接合容量の過渡的変化の検知および測定する際には、断続Ｘ線３が半導体装置２に照射されるように、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって、予めそれらの作動を制御される設定となっていることが好ましい。また、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルの検知および測定する際には、連続Ｘ線３が半導体装置２に照射されるように、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって、予めそれらの作動を制御される設定となっていることが好ましい。
【００４３】
また、前記各検知および測定を行う際、例えばＸ線チョッパー５ａおよびゲートバルブ５ｂの作動の制御が適正な状態で行われているか否かを、図示しないセンサなどを併用して検知するとともに、不適正な状態になった際には評価装置１の作動部分の一部もしくは全体を、安全かつ速やかに停止する設定にしても構わない。
【００４４】
具体的には、例えば、半導体６の接合容量の過渡的変化の検知および測定する際に、Ｘ線チョッパー５ａの回転板１５が静止した状態のまま保持されたり、あるいはゲートバルブ５ｂが開状態または閉状態のまま保持されたりした場合には、これをＸ線チョッパー５ａあるいはゲートバルブ５ｂに設けられたセンサが不適正な状態として検知する。そのような状態を検知したセンサは、これを電気信号として接続ケーブル２６を介して第１半導体評価手段９に出力する。センサからの信号を受けた第１半導体評価手段９は、連続Ｘ線３の照射を停止する命令を、電気信号として接続ケーブル２６を介してＸ線照射装置４に出力する。これにより、不適正な状態における半導体６の接合容量の過渡的変化の検知および測定を殆ど未然に防ぐことができる。
【００４５】
同様に、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルの検知および測定する際に、Ｘ線チョッパー５ａの回転板１５が回転した状態のまま保持されたり、あるいはゲートバルブ５ｂが開状態と閉状態とを繰り返す状態に保持されたりした場合には、これをＸ線チョッパー５ａあるいはゲートバルブ５ｂに設けられたセンサが不適正な状態として検知する。そのような状態を検知したセンサは、これを電気信号として接続ケーブル２６を介して第２半導体評価手段１２に出力する。センサからの信号を受けた第２半導体評価手段１２は、連続Ｘ線３の照射を停止する命令を、電気信号として接続ケーブル２６を介してＸ線照射装置４に出力する。これにより、不適正な状態における半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルの検知および測定を殆ど未然に防ぐことができる。
【００４６】
以上説明したように、Ｘ線チョッパー５ａあるいはゲートバルブ５ｂの作動が適正な状態で行われるように、それらを第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２によって制御することにより、半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を不適正な状態で評価するおそれを抑制できる。したがって、この評価装置１によれば、半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を略適正な状態で評価できる。また、シンクロトロン１４や、第１半導体評価手段９および第２半導体評価手段１２などの精密機器の故障なども略未然に防ぐことができる。これにより、評価装置１全体の寿命を長寿化できる。
【００４７】
半導体装置２が具備する半導体６の接合容量の過渡的変化を検知する接合容量検知手段としての接合容量検知装置には、本実施形態においては一対の第１ニードル７ａおよび第２ニードル７ｂなどからなるプローブ７が用いられる。これら第１ニードル７ａおよび第２ニードル７ｂはともに純金属で形成されている。それとともに、これら第１ニードル７ａおよび第２ニードル７ｂはそれぞれ、ノイズ低減手段としてのシールドケーブル１８を介して、後述する半導体６の接合容量の過渡的変化を測定する接合容量測定手段８と接続されている。これらのシールドケーブル１８は、例えば銅や金などの抵抗率が低い金属によって形成されている芯線１８ａ、およびこの芯線１８ａをその外側から覆うように設けられ、芯線１８ａをその外部の電磁波、熱、および光などのいわゆるノイズから保護するシールド線１８ｂなどから構成されている。
【００４８】
このような構成により、例えば被評価材料としての半導体装置２を含めた評価装置１が設置されている実験室などが非常に狭い空間である場合においても、プローブ７は、これと接合容量測定手段８などから構成されている、半導体装置２の電気的性質を測定する測定系は、その外部からのノイズの干渉を殆ど受けることなく、略適正な状態で半導体６の接合容量の過渡的変化などを検知できる。また、プローブ７によって検知された半導体６の接合容量の過渡的変化などは、前述したノイズの低減を図った構成により、アナログの電気信号として殆ど劣化することなく接合容量測定手段８に出力される。
【００４９】
半導体６の接合容量の過渡的変化を測定する接合容量測定手段としての接合容量測定装置には、プローブ７が検知した接合容量の過渡的変化（過渡容量Ｃ）や、半導体６の図示しない接合部を流れる電流（過渡電流応答Ｉ）を測定可能な装置として、本実施形態においてはＩＶ／ＣＶメータ８が用いられる。ＩＶ／ＣＶメータ８は、プローブ７が検知したアナログ信号としての接合容量の過渡的変化や、半導体６の接合部を流れる電流を、第１半導体評価手段９が評価し易いように、デジタル信号に変換する第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａにシールドケーブル１８を介して接続されている。これにより、プローブ７、ＩＶ／ＣＶメータ８、および第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａなどから構成されている半導体装置２の電気的性質の測定系は、前述したように、その外部からのノイズの干渉を殆ど受けることなく、半導体６の接合容量の過渡的変化などを高い精度で容易に測定できる。
【００５０】
半導体装置２の電気的性質を評価する第１半導体評価手段としての第１半導体評価装置には、第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａによってデジタル信号に変換されたプローブ７からの電気信号を高い精度で容易に評価可能な装置として、本実施形態においては、所定の解析ソフト（評価ソフト）などを備えたワークステーションあるいはパーソナルコンピュータなどのコンピュータ９が用いられる。コンピュータ９は、前述した第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａとシールドケーブル１８を介して接続されている。これにより、コンピュータ９は、半導体６の接合容量の過渡的変化を検知して測定する際の前述した様々なノイズの干渉を殆ど受けることなく、半導体装置２の電気的性質を高い精度で容易に評価できる。
【００５１】
半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを検知するＸ線スペクトル検知手段としてのＸ線スペクトル検知装置には、Ｘ線検出器１０が用いられる。このＸ線検出器１０は、図１中白抜き矢印で示されるＸ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射されたＸ線３が、図１中破線矢印で示されるように、半導体装置２によって反射および散乱された反射（散乱）Ｘ線３ａを様々な位置で検出可能なように、移動自在に配置されている。Ｘ線検出器１０は、直接的には反射Ｘ線３ａのエネルギーのスペクトルを検知することにより、間接的に半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを検知する。Ｘ線検出器１０によって検知された反射Ｘ線３ａのエネルギーのスペクトルは、アナログの電気信号としてＸ線スペクトル測定手段１１に出力される。
【００５２】
Ｘ線検出器１０が検知した反射Ｘ線３ａのエネルギーのスペクトルを測定するＸ線スペクトル測定手段としてのＸ線スペクトル測定装置１１は、前述したプローブ７およびＩＶ／ＣＶメータ８と同様に、シールドケーブル１８を介してＸ線検出器１０と接続されている。また、このＸ線スペクトル測定装置１１は、前述したＩＶ／ＣＶメータ８および第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａと同様に、Ｘ線検出器１０が検知したアナログ信号としての反射Ｘ線３ａのエネルギーのスペクトルを、第２半導体評価手段１２が評価し易いように、デジタル信号に変換する第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂにシールドケーブル１８を介して接続されている。これらＸ線検出器１０、Ｘ線スペクトル測定装置１１、および第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂは、いわゆるゴニオメータの一部を構成している。
【００５３】
さらに、半導体装置２の微細構造および電子状態を評価する第２半導体評価手段としての第２半導体評価装置１２には、本実施形態においては、前述した第１半導体評価手段９と同様に、第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂによってデジタル信号に変換されたＸ線検出器１０からの電気信号を高い精度で容易に評価可能な装置として、所定の解析ソフト（評価ソフト）などを備えたワークステーションあるいはパーソナルコンピュータなどのコンピュータ１２が用いられる。本実施形態の第２半導体評価装置として用いられるコンピュータ１２には、前述した第１半導体評価装置に用いられるコンピュータ９を併用するものとし、以下の説明において、コンピュータ９（１２）と記述する。コンピュータ９（１２）は、前述した第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂとシールドケーブル１８を介して接続されている。このような構成により、コンピュータ９（１２）は、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを検知して測定する際の前述した様々なノイズの干渉を受けるおそれが殆どない状態で、半導体装置２の微細構造および電子状態を高い精度で容易に評価できる。
【００５４】
また、本実施形態においては、第１半導体評価装置および第２半導体評価装置としてコンピュータ９（１２）を用いることにより、第１半導体評価装置および第２半導体評価装置をコンパクトに一体化できた。プローブ７が検知してＩＶ／ＣＶメータ８にアナログ信号として出力し、第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａによってデジタル信号化された電気信号を解析することにより、半導体装置２の電気的性質を評価するソフト、およびＸ線検出器１０が検出してＸ線スペクトル測定装置１１にアナログ信号として出力し、第２Ａ／Ｄコンバータ１９ｂによってデジタル信号化された電気信号を解析することにより、半導体装置２の微細構造および電子状態を評価するソフト、の両方をともに１台のコンピュータ９（１２）に導入する。それら両ソフトを同時に、あるいは逐次起動させることにより、半導体装置２の電気的性質、ならびに半導体装置２の微細構造および電子状態を、１台のコンピュータ９（１２）を用いて高い精度で容易に評価できる。
【００５５】
また、本実施形態の評価装置１は、図１に示すように、被評価材料としての半導体装置２の温度を、所定の値に設定可能な温度調節手段として、例えば電流の流れる向きを変えることによって加熱および冷却の両方を容易に実行可能な図示しないペルチェ素子などを有する温度調節装置２０を備えている。また、この温度調節装置２０は、これに取り付けられる半導体装置２の温度を高い精度で測定可能とするために、図示しない熱電対を有している。これらペルチェ素子および熱電対などは、温度調節装置２０全体として、まとめて第３Ａ／Ｄコンバータ１９ｃにシールドケーブル１８を介して接続されている。また、第３Ａ／Ｄコンバータ１９ｃは、シールドケーブル１８を介してコンピュータ９（１２）に接続されている。これにより、アナログ信号であるペルチェ素子に流れる電流の向きや流量、ペルチェ素子の温度、および熱電対によって検知される半導体装置２の温度のそれぞれを、コンピュータ９（１２）が認識して制御し易いデジタル信号に変換できる。
【００５６】
ペルチェ素子および半導体装置２のそれぞれの温度をデジタル化することにより、それらの微妙な温度差をコンピュータ９（１２）を用いて高い精度で検知できる。また、ペルチェ素子に流す電流の向きや流量をデジタル化するとともに、それらをコンピュータ９（１２）を用いて微妙に制御可能とすることによって、半導体装置２の温度を、半導体装置２の電気的性質や、あるいは微細構造および電子状態を測定および評価する際の、それぞれの所望される温度に略一致するように、容易に設定して保持できる。これにより、半導体装置２の電気的性質や、微細構造および電子状態をより高い精度で容易に測定して評価できる。
【００５７】
また、本実施形態の評価装置１は、図１に示すように、半導体装置２に対する振動などのノイズの干渉を排除するために、半導体装置２を温度調節装置２０に取り付けた状態で保持できるノイズ低減手段としての除震台２１を備えている。これにより、測定時の半導体装置２の姿勢をより安定させることができるので、半導体装置２の電気的性質や、微細構造および電子状態をさらに高い精度で容易に測定して評価できる。
【００５８】
さらに、本実施形態の評価装置１は、図１中一点鎖線で示すように、そのＸ線光学系のうち、少なくともシンクロトロン１４のＸ線照射装置４、Ｘ線チョッパー５ａまたはゲートバルブ５ｂからなるＸ線照射時間設定装置５、プローブ７、Ｘ線検出器１０、温度調節装置２０、除震台２１、および評価される半導体装置２などを含む測定環境２２を、所定の真空状態に設定できる構成となっている。具体的には、それら各装置を含む測定環境２２は、図示しない気密保持性の高いチャンバーなどに収納されている。このチャンバーには、開閉弁２３および通気管２４を介して真空状態設定手段としての真空ポンプ２５が接続されている。開閉弁２３および真空ポンプ２５は、接続ケーブル２６を介してコンピュータ９（１２）に接続されている。
【００５９】
開閉弁２３の開閉状態、ならびに真空ポンプ２５の作動状態および非作動状態を、コンピュータ９（１２）によって制御しつつ適宜調節して組み合わせることにより、測定環境２２を所定の真空状態に設定する。具体的には、例えば大気圧下の測定環境２２内の圧力を下げる場合には、開閉弁２３を開いた状態に保持しつつ真空ポンプ２５を作動させ、測定環境２２内の空気などの気体を通気管２４を通して測定環境２２の外部に排出する。これにより、測定環境２２内の圧力は低下する。測定環境２２内の圧力が所定の値に達した後、開状態の開閉弁２３を閉じるとともに、真空ポンプ２５の作動を停止させる。これにより、測定環境２２内の圧力を、大気圧よりも低圧の所定の圧力下に設定して保持できる。あるいは、前述したように、大気圧よりも低圧の状態に保持された測定環境２２内の圧力を大気圧と同圧に戻す場合には、真空ポンプ２５を非作動状態に保持したまま閉状態の開閉弁２３を開く。これにより、測定環境２２の外部の空気が通気管２４を通って測定環境２２内に流入する。測定環境２２内の圧力が大気圧と同圧になると、通気管２４を介した測定環境２２内への空気の流入は自然に止まる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の評価装置１は、開閉弁２３の開閉状態、ならびに真空ポンプ２５の作動状態および非作動状態を、コンピュータ９（１２）によって制御することにより、そのＸ線光学系の主要な部分である測定環境２２内の圧力を所定の大きさに設定できる。半導体装置２に照射するＸ線３のエネルギーが、例えば1000（ｅＶ）程度の場合、測定環境２２中に少量の気体が存在していると、Ｘ線３は測定環境２２中の気体によって吸収あるいは散乱などされてしまう。これにより、Ｘ線３は、Ｘ線照射装置４から半導体装置２に到達する前に、そのエネルギーの殆どを失って減衰してしまう。したがって、半導体装置２の微細構造や電子状態などを、エネルギーの低いＸ線３を用いて解析して評価する場合には、測定環境２２の内部は、一般には高真空状態に設定されている必要がある。
【００６１】
本実施形態の評価装置１は、前述したようにコンピュータ９（１２）によって高精度に制御される開閉弁２３および真空ポンプ２５を用いて、そのＸ線光学系の主要な部分である測定環境２２内の圧力を所定の大きさに設定できる。これにより、評価装置１は、エネルギーの低いＸ線３を用いる場合でも、測定環境２２内を高真空状態に設定して、半導体装置２の電気的性質や、微細構造、および電子状態などを適正な状態でかつ高い精度で解析して評価できる。すなわち、評価装置１は、半導体装置２に照射されるＸ線３のエネルギーを、半導体装置２の大きさや形状、あるいは半導体６の構成成分などに応じて、半導体装置２の電気的性質、微細構造、および電子状態などの解析および評価を適正に行うことができる所定の大きさに設定した場合でも、測定環境２２の内部の雰囲気を、測定環境２２内の気体によってＸ線３が干渉を受けるおそれが殆どない状態に設定できる。これにより、評価装置１は、半導体装置２に照射されるＸ線３のエネルギーの高低に拘らず、半導体装置２の電気的性質の測定および評価、あるいは半導体装置２の微細構造や電子状態などの解析および評価などを、コンピュータ９（１２）を用いて適正な状態で、かつ、高い精度で行うことができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態の評価装置１は、半導体装置２の電気的性質を適正な状態で高精度に検知して測定できるプローブ７やＩＶ／ＣＶメータ８を具備しているとともに、半導体装置２の微細構造や電子状態を適正な状態で高精度に検知して測定できるＸ線検出器１０やＸ線スペクトル測定装置１１を具備している。また、評価装置１は、これが具備している１台のコンピュータ９（１２）によって、半導体装置２の電気的性質、ならびに半導体装置２の微細構造や電子状態を高い精度で容易に解析して評価できる。この１台のコンピュータ９（１２）は、シンクロトロン１４やＸ線チョッパー５ａなどを緻密に制御して、シンクロトロン１４によって発生されて半導体装置２に向けて照射されるＸ線３を、半導体装置２の測定および評価目的に応じて適正な状態に設定できる。それとともに、コンピュータ９（１２）は、半導体装置２の測定および評価目的、ならびにＸ線３のエネルギー状態に応じて、評価装置１のＸ線光学系の主要部分である測定環境２２内の圧力を適正な状態に設定できる。
【００６３】
また、この評価装置１は、プローブ７やＩＶ／ＣＶメータ８などから構成される半導体装置２の電気的性質を測定して評価するための電気的性質の測定系、ならびにＸ線検出器１０やＸ線スペクトル測定装置１１などから構成される半導体装置２の微細構造および電子状態を測定して評価するための微細構造および電子状態の測定系の両方に、ノイズ低減手段としてのシールドケーブル１８が使用されている。さらに、評価装置１が測定して評価すべき半導体装置２は、その測定時などにおける温度を、温度調節装置２０によって測定に適正な状態に設定されて保持されるとともに、温度調節装置２０ごとノイズ低減手段としての除震台２１に保持される。
【００６４】
したがって、本実施形態の評価装置１によれば、半導体装置２の電気的性質、ならびに微細構造（構造的特徴）および電子状態などを、ともにＸ線３を用いて、かつ、１台のコンピュータ９（１２）によって、適正な状態で、かつ高い精度で、しかも容易に測定および解析して評価できる。
【００６５】
次に、前述した評価装置１を用いた、本発明の一実施形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法（以下、評価方法と略称する。）について説明する。
【００６６】
この評価方法は、評価すべき半導体装置２にＸ線３を断続的に照射することにより、半導体装置２が具備する半導体６の接合容量の過渡的変化を測定および解析して半導体６の電気的性質を評価するとともに、半導体装置２にＸ線３を連続的に照射することにより、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを測定および解析して半導体６の構造および電子状態を評価するものである。
【００６７】
以下、本発明の評価方法を、前述した評価装置１およびこの評価方法の発明者らが実際に行った実験に基づいて、主に図４〜図１７を参照しつつ説明する。まず、実験に使用した被評価材料（サンプル）としての半導体装置２について説明する。この半導体装置２は、図４に示すように、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板２７上に、シリコン（Ｓｉ）をドープした窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体６をＭＯＣＶＤ法によって成膜し、その上にさらに金（Ａｕ）からなる第１電極としてのショットキー電極２８ａと、アルミニウム（Ａｌ）からなる第２電極としてのオーミック電極２８ｂとをそれぞれ真空蒸着法を用いて形成した、いわゆるＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２（以下、ダイオード２と略称する。）である。
【００６８】
ダイオード２の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を評価するのに先立って、このダイオード２が適正な状態で作動するか否かを検査する。具体的には、評価装置１のプローブ７の第１ニードル７ａをショットキー電極２８ａに接触させるとともに、第２ニードル７ｂをオーミック電極２８ｂに接触させる。この状態において、ダイオード２が備える半導体６に正逆両方の向きの電流を流すように、第１ニードル７ａおよび第２ニードル７ｂのそれぞれに、−２（Ｖ）〜＋２（Ｖ）の電圧を印可する。この検査結果を、電流と電圧との相関関係としてグラフに示すと、図５（ａ）に示すような電流・電圧特性曲線を得ることができた。この電流・電圧特性曲線から、ダイオード２は逆方向電流が微小である良好な状態のショットキーダイオードであることが分かる。
【００６９】
また、先程の検査結果を、１／Ｃ2と電圧との相関関係としてプロットすると、図５（ｂ）に示すようなグラフを得ることができた。この図５（ｂ）に示されるグラフから、ダイオード２は良好な状態のショットキーダイオードであるとともに、均一な濃度プロファイルをもったステップジャンクションを有していることが分かった。なお、図５（ｂ）中一点鎖線で示す部分Ａは、図５（ｂ）中実線で示す部分に連続するように近似曲線を外挿して得られたものである。この図５（ｂ）に示される結果などから、ダイオード２のサファイア基板２７の不純物濃度およびショットキー障壁は、それぞれ4.57×1017（個／cm3）および1.60（ｅＶ）であることが分かる。
【００７０】
次に、ダイオード２の半導体６の容量（空乏層容量、接合容量）を、ショットキー電極２８ａに100（ｋＨｚ）の交流信号を重畳したバイアス電圧を印加することによって測定するとともに、その容量の放射光（Ｘ線）波長依存を調べた。半導体６の容量のＸ線波長依存の測定は、具体的には、半導体６中のＧａ原子のＫ吸収端近傍での励起Ｘ線３の波長およびエネルギーなどを変化させて、容量の変化と時間依存を測定して解析した。すると、図６中実線で示すように、明瞭な容量ＸＡＦＳシグナルを観測できた。
【００７１】
また、その容量ＸＡＦＳシグナルの信頼性を検証するために、先程の励起Ｘ線３と同様の励起源によって発生させた蛍光Ｘ線３を用いて同様の測定および解析をしたところ、図６中破線で示すような蛍光ＸＡＦＳシグナルを得ることができた。それら両ＸＡＦＳシグナルを比較したところ、図６に示すように、Ｇａ原子のＫ吸収端近傍において略一致することが確認された。この結果より、本評価方法が含むＸＡＦＳ法によって得ることができるダイオード２の構造に関する情報は、従来技術のＸＡＦＳ法によって得ることができる結果と同様に、一般に信頼できる精度を有していることが分かる。また、この結果より、Ｇａ原子のＫ吸収端近傍においてシフトがないことが分かる。すなわち、このダイオード２においては、その半導体６の欠陥にＧａ原子が関与していないことが分かる。
【００７２】
さらに、パルス状の断続Ｘ線３に対する半導体６の過渡反応（応答）を調べるために、エネルギーの大きさが10.49（ｋｅＶ）の断続Ｘ線３を半導体６に照射して、その容量の時間変化を測定したところ、図７に示すように、室温で時定数が数十秒オーダーの過渡容量の変化を観測できた。このような接合容量の過渡現象は、Ｘ線３の照射により半導体６中の深いレベルで励起されたキャリア（ホール）の価電子帯から捕獲準位（トラップレベル）への捕獲（トラップ現象）、および熱励起などによる捕獲準位から価電子帯への放出（デトラップ現象）に対応している。
【００７３】
一般に、Ｘ線３は、これが有するエネルギーによって、その波長に応じた所定の原子の内殻の軌道に存在する電子、例えば深い準位である１ｓ軌道に存在する電子を伝導帯の空軌道まで励起させて（たたき上げて）、１ｓ軌道に電子の抜けた状態（穴）を作り出すことが可能である。この現象（作用）は、深い準位のキャリアの励起と呼ばれる現象の一つである。したがって、ダイオード２の半導体６に断続Ｘ線３を照射した結果として観測された半導体６の過渡容量の変化は、断続Ｘ線３による深い準位のキャリアの励起作用に因るものであることが分かる。すなわち、前記観測結果より、半導体６中に含まれるＧａ原子が有する活性化エネルギーが深い準位のキャリアを、パルス状の断続Ｘ線３を用いて励起できることが分かる。したがって、本発明の評価方法によれば、前記評価装置１を用いて断続Ｘ線３を発生および照射することにより、半導体６の禁制帯内の活性化エネルギーが深い準位をもつ不純物や欠陥を検出して、不純物の同定、濃度、準位のエネルギー、捕獲準位の深さ、密度、および捕獲断面積などの半導体装置２の電気的性質に関する情報を得ることができる。
【００７４】
このように、前記評価装置１を用いた本発明の評価方法によれば、従来、物質の構造情報を得るための一方法であったＸＡＦＳ法などに用いる連続Ｘ線３を、パルス状の断続Ｘ線３に加工してダイオード２に照射することにより、ダイオード２が有している半導体６の容量や、その接合部を流れる電流の流量を変化させて、それらの変化量などをＤＬＴＳ信号あるいはＩＣＴＳ信号などとして検知できる。また、それらＤＬＴＳ信号あるいはＩＣＴＳ信号を測定および解析することにより、ダイオード２の電気的性質を評価できる。すなわち、本発明の本評価方法によれば、放射光（ＳＲ光、ＳＯＲ光）としての断続Ｘ線３を用いたＤＬＴＳ法あるいはＩＣＴＳ法として、ＳＲ（ＳＯＲ）−ＤＬＴＳ（ＩＣＴＳ）法を実行できる。したがって、本発明の評価方法によれば、前述した１台の評価装置１を用いて、従来、殆ど不可能とされていたダイオード２の電気的性質と、半導体６中の不純物や欠陥、およびそれらの周辺の局所構造（微細構造）、ならびに電子状態との相関関係を解明できる。
【００７５】
ここで、従来のＤＬＴＳ法について、その概略を、図８〜図１０を参照しつつ説明する。
【００７６】
ＤＬＴＳ法とは、所定の範囲で温度を掃引しつつ、バイアス電圧などの電気的励起手段を用いたパルス励起に対する半導体６の過渡容量変化を解析する信号処理の方法である。各測定温度における半導体６の容量の過渡応答は、例えば図８（ａ）中各実線で示されるようなグラフとなって表される。これらの各グラフにおいて、測定時間中の所定の時刻ｔ１，ｔ２における容量の差をＳ（Ｔ）とすると、このＳ（Ｔ）は以下に示す（１）式で表すことができる。
【００７７】
Ｓ（Ｔ）＝｛Ｃ（ｔ１，Ｔ）−Ｃ（ｔ２，Ｔ）｝…（１）
このＳ（Ｔ）を各測定温度に対してプロットすると、図８（ｂ）に示されるようなグラフとなる。このグラフが以下に示す式（２）で表される各測定温度におけるＤＬＴＳスペクトル、すなわちＤＬＴＳシグナル（信号）Ｓを表す。
【００７８】
Ｓ＝Ｃ（ｔ１）−Ｃ（ｔ２）…（２）
この図８（ｂ）に示されるグラフによって表されるＤＬＴＳシグナルＳは、以下に示す（３）式で表される時定数τの温度で極値を有する。
【００７９】
τ＝（ｔ１−ｔ２）／ｌｎ（ｔ１／ｔ２）…（３）
すなわち、各測定温度における容量の差Ｓ（Ｔ）は、それぞれの時定数τで表される温度において極値を有しており、それら各極値が半導体６の各測定温度における一つの深い準位に対応している。
【００８０】
また、測定時間に対する半導体６の過渡容量変化は、図９（ａ）中実線で示すようなグラフで表すことができる。このグラフにおいて、図９（ａ）中Ｂ〜Ｃで示される時間範囲、すなわちグラフの起ち上がり部分は、図９（ｂ）に示すように、基底状態の価電子帯から励起されたキャリアが、価電子帯と伝導帯との間に存在する所定のエネルギー準位の捕獲準位（トラップレベル）に捕獲されることにより、半導体６の接合容量が一時的に増大している状態を表している。また、図９（ａ）のグラフは、図９（ａ）中Ｃで示される時刻において、半導体６の接合容量が最大値に達した状態を表している。すなわち、半導体６中に生成されたホールおよび電子の単位体積あたりの密度が最大になったことを表している。そして、図９（ａ）のグラフにおいて、図９（ａ）中Ｃ〜Ｄで示される時間範囲、すなわちグラフの減衰部分は、図９（ｃ）に示すように、捕獲準位に捕獲されていたキャリアが、熱励起などによって捕獲準位から放出されて、捕獲準位よりエネルギー準位の低い価電子帯に戻ることにより、半導体６の接合容量が減少している状態を表している。
【００８１】
以下、前述した従来技術のＤＬＴＳ法における電気的励起手段を、放射光としてのパルス状の断続Ｘ線３に代えた、評価装置１を用いた本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法に基づくダイオード２の電気的性質を評価する実験について説明する。
【００８２】
ＳＲ−ＤＬＴＳ法の具体的な手順の概略を図１０に示す。この図１０のフローチャートに示されるように、本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法の特徴は、断続Ｘ線３の波長および測定温度を、所定の範囲内で変化させつつ、ダイオード２の半導体６の過渡応答を測定することにある。まず、過渡応答の測定の際に用いる断続Ｘ線３の波長の範囲、およびその測定を行う際の測定温度の範囲をそれぞれ設定する。測定に用いる断続Ｘ線３の波長の範囲については、例えば、その測定開始波長としての最小波長のλmin、刻み幅（ステップ幅）Δλ、および測定終了波長としての最大波長のλmaxをそれぞれ設定する。同様に、測定温度の範囲については、例えば、その測定開始温度としての最低温度のＴmin、刻み幅（ステップ幅）ΔＴ、および測定終了温度としての最高温度のＴmaxをそれぞれ設定する。その後、測定開始波長λminおよび測定開始温度Ｔminを入力して、半導体６の過渡応答の測定を開始する。
【００８３】
この際、断続Ｘ線３を、その波長をλminに保持しつつ、１回の測定につき所定の時間、本実験においては例えば２０秒間、ダイオード２に向けて照射する。それとともに、１回の測定が終わるごとに、測定温度を刻み幅ΔＴずつ上げていき、測定温度Ｔが測定終了温度Ｔmaxに到達するか、あるいは測定終了温度Ｔmaxを超えた時点で測定波長λminにおける半導体６の過渡応答の測定を終了する。その後、測定波長λを刻み幅Δλだけ大きくした状態で、測定開始温度Ｔminから測定終了温度Ｔmaxまで、刻み幅ΔＴずつ、先程と同様の測定を行う。以後、同様に測定温度Ｔおよび測定波長λをそれぞれ順次設定し直しつつ半導体６の過渡応答の測定を行い、測定波長λが測定終了波長λmaxに到達するか、あるいは測定終了波長λmaxを超えた時点で半導体６の過渡応答の測定を全て終了する。すなわち、本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法を終了する。
【００８４】
なお、ＳＲ−ＤＬＴＳ法を行う時間的余裕がない場合、図１１のフローチャートに示されるように、測定温度Ｔを所定の一定温度に保持した状態で、先程のＳＲ−ＤＬＴＳ法と同様に、測定波長λだけをλminからλmaxまでΔλずつ大きくしていって半導体６の過渡応答の測定を行えばよい。すなわち、従来技術のＩＣＴＳ法における電気的励起手段を放射光としてのパルス状の断続Ｘ線３に代えた、いわゆるＳＲ−ＩＣＴＳ法を行えばよい。
【００８５】
以上説明したＳＲ−ＤＬＴＳ法に基づいて、前述したＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２の電気的性質を測定して解析した結果を、図１２〜図１６に示す。Ｇａ原子のＫ吸収端近傍において、ダイオード２が有する半導体６の過渡容量変化の各測定温度における時間依存性は、図１２中の各グラフのように表される。これら図１２中の各グラフから、測定温度を上げていくことによって、半導体６過渡容量の変化の時定数τが速くなっていくことが分かる。また、半導体６の過渡容量変化を示すＤＬＴＳシグナルの温度依存性は、図１３中の各グラフのように表される。これら図１３中の各グラフにピークフィッティング（図面を見易くするために、その図示を省略する。）を行うと、半導体６の過渡応答が、室温付近における深い準位からの一個のホールの放出に対応していることが分かる。
【００８６】
また、図１３中の各グラフのピークから半導体６のキャリアであるホールの放出速度（エミッション・レート）を計算し、その温度依存性をプロットすると、図１４のように示すことができる。その結果、励起状態において半導体６のホールが捕獲されている捕獲準位（トラップレベル、Trap Level）の深さは、価電子帯（Valence Band）のエネルギー準位が最も浅い（高い）頂上部から、エネルギー準位が約0.9（ｅＶ）だけ高い位置であることが分かった。この捕獲準位の位置（深さ）は、図１５に示すように、半導体６の価電子帯と伝導帯（Conduction Band）との間に存在する約3.4（ｅＶ）の幅を有する、一般にイエロー・バンド（Yellow Luminescence Band）と呼ばれるＧａ空孔の関与した不純物レベルと略一致している。以上の結果を一つの図にまとめると、図１６のように示すことができる。この結果は、従来技術におけるＤＬＴＳ法を用いて、Ａｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２の電気的性質を測定して解析した結果（その説明および図示は省略する。）と極めてよく一致する。
【００８７】
このように、評価装置１を用いた本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法に基づくダイオード２の電気的性質を評価する実験の結果は、十分に信頼できることが判明した。すなわち、従来技術のＤＬＴＳ法における電気的励起手段を放射光としてのパルス状の断続Ｘ線３に代えた、評価装置１を用いた本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法に基づく半導体装置の評価方法の評価精度が高いことが確認できた。したがって、ＳＲ−ＤＬＴＳ法を含む本発明の半導体装置の評価方法に基づいて、評価すべきダイオード２にＸ線３を断続的に照射することにより、ダイオード２が具備する半導体６の接合容量の過渡的変化を測定および解析して半導体６の電気的性質を高い精度で評価できることが分かる。
【００８８】
また、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法のうち、ダイオード２にＸ線３を連続的に照射することにより、半導体６中の所定の元素に吸収された連続Ｘ線３のエネルギーのスペクトルを測定および解析して半導体６の構造および電子状態を評価する方法については、従来技術のＸＡＦＳ法（ＸＡＮＥＳ法やＥＸＡＦＳ法などを含む。）と同様なので、その方法の詳しい図示および説明は省略して、その結果だけを図示して説明する。評価装置１を用いて本発明の評価方法が含むＸ線構造解析を行う場合、前述したＸ線照射装置４から半導体装置２に向けて照射されるＸ線３が断続Ｘ線３ではなく連続Ｘ線３となるように、また、半導体６の構造解析を行うのに十分な量の連続Ｘ線３が半導体装置２に向けて照射されるように、Ｘ線チョッパー５ａの作動状態または非作動状態を制御すればよい。また、その連続Ｘ線３の波長、エネルギー、および線束の太さなども、半導体６の構造解析を行うのに適正な状態となるように、Ｘ線発生装置１３や、Ｘ線照射装置４、およびＸ線チョッパー５ａを適宜制御して調節して設定する。
【００８９】
Ａｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２の結晶中のＧａ原子の局所構造は、図１７（ａ）のように示すことができる。ところが、先程のＳＲ−ＤＬＴＳ法の実験に先立って行った、ＸＡＦＳ法によるダイオード２の構造解析の結果を示す容量ＸＡＦＳシグナルは、図６中実線で示すように、半導体６中の欠陥にＧａ原子が関与していないことを明瞭に表している。これは、図１７（ｂ）中破線で示すように、欠陥の起源となるＧａ原子が空孔のため、容量ＸＡＦＳ（Capacitance ＸＡＦＳ）のシグナルと、蛍光ＸＡＦＳのシグナルとの間で、Ｋ−吸収端付近においては殆ど差が表れなかったと考えることができる。また、この推論は、前述したＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体６の電気的性質を評価する実験結果である、半導体６のホールが捕獲される準位の深さが、イエロー・バンドと呼ばれるＧａ空孔の関与した不純物レベルと略一致していることと整合性がとれる。
【００９０】
このように、本発明の評価装置１を用いた本発明の評価方法に基づいて、この評価方法に含まれるＳＲ−ＤＬＴＳ法（ＳＲ−ＩＣＴＳ法）およびＸＡＦＳ法を行うことにより、半導体６のホールが捕獲される準位が、ＶＧａに起因する説を支持する結果を得ることができた。また、ＳＲ−ＤＬＴＳ法をＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２に適用して、イエロー・バンドと呼ばれる深い準位を検出できた。この検出感度は、前述した結果から、従来技術の電気的励起源によるＤＬＴＳ法と同程度であり、半導体６の接合容量の1/100程度の変化は容易に検出可能である。この際、ドナー、あるいはアクセプターの濃度を１Ｅ１５とすれば、１Ｅ１３の濃度の深い準位の検出は容易であり、１Ｅ１２の濃度の深い準位の検出も十分に可能である。さらに、Ｘ線３は半導体６の構造中の十分に深い位置まで侵入できるので、ダイオード２の内部の埋もれた構造も高精度かつ容易に解析できる。
【００９１】
また、以上説明したように、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法は、温度と、Ｘ線３の波長およびエネルギーの大きさ等のＸ線３が有する各種状態量との２つのパラメータを主に利用する。前述した本発明の評価方法に基づいた実験においては、電気的性質や構造情報および電子状態が既知であるＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード２を評価対象としたため、始めにＸＡＦＳ法によって、その構造情報および電子状態を測定および解析したが、通常は始めにＳＲ−ＤＬＴＳ法によって、その電気的性質を測定および解析する。この際、半導体６中に存在する、ある特定の欠陥などに関する信号が発生する温度を求める。次に、その温度でＸ線３の波長およびエネルギーの大きさ等を変化させて、半導体６の構造情報および電子状態を測定する。これにより、半導体６中のある特定の欠陥などに関する電気的性質や構造情報および電子状態に関する情報を得る。さらに続けて、Ｘ線３の波長およびエネルギーの大きさ等を変化させつつ、半導体６の電気的性質の測定および解析を繰り返し行うことによって、欠陥などのより詳細な電気的性質を知ることができる。
【００９２】
このように、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法は、半導体装置（ダイオード）２の電気的性質の測定および解析と、半導体装置（ダイオード）２の構造情報および電子状態の測定および解析とを、交互に繰り返し行う。したがって、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法に行う際に使用する評価装置１は、ＳＲ−ＤＬＴＳ法およびＸＡＦＳ法を１台の装置で実行できる、前述した本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置１のような一体型のものであることが実用上好ましく、また前記測定および解析を迅速かつ正確に、さらには容易に実行するために、一体型であることが実質的に必要不可欠である。
【００９３】
以上説明したように、本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価装置１、およびこの評価装置１を用いた本発明のＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、ダイオードを始めとする半導体装置２の過渡容量応答測定の励起源として断続Ｘ線３などのパルス放射光を利用できるとともに、半導体６中の深い準位のエネルギー、濃度、捕獲断面積などの電気的性質の情報と、欠陥周辺の構造情報および電子状態とを原子レベルの高い精度で微視的（サイト選択的）に、かつ容易に得ることができる。すなわち、本発明の評価装置１を用いた評価方法によれば、半導体装置２の被測定箇所や被測定材料に拘らず、半導体装置２の構造的特徴と電気的性質とを、Ｘ線３を用いて高い精度で容易に測定および解析して評価し、それら両者の関係を明らかにできる。
【００９４】
なお、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法および評価装置は、前述した一実施形態には制約されない。例えば、Ｘ線検出器１０の感度を向上させることにより、シンクロトロン１４ではなく、小型のＸ線構造解析装置を用いても本発明の評価方法のＸＡＦＳ法を実行可能である。また、本発明の評価装置１の一層のノイズ低減効果を向上させるために、コンピュータ９（１２）とシンクロトロン１４やＸ線チョッパー５ａとを接続する接続ケーブル２６の代わりに、シールドケーブル１８を用いても構わない。また、第１Ａ／Ｄコンバータ１９ａ〜第３Ａ／Ｄコンバータ１９ｃは、それぞれコンピュータ９（１２）と一体のものでも構わない。また、Ｘ線光学系全体の雰囲気温度を調節可能な温度調節装置を設けても構わない。また、本発明の評価方法においては、半導体装置２は、その電気的性質、あるいは構造および電子状態のどちらを先に測定および解析しても構わない。また、本発明の評価装置１によれば、半導体装置２の半導体６だけではなく、絶縁体などの電気的性質、あるいは構造および電子状態も測定および解析して評価可能である。また、本発明の評価装置１を用いた評価方法によれば、半導体装置２の製造プロセスの各過程において、どの段階で半導体中に欠陥や空孔が生じたのか、その起源も容易に検出できる。さらに、Ｘ線３の波長を短くするとともに、その線束を絞ることにより、本発明の評価装置１を、可視光線を利用した一般の光学顕微鏡よりも分解能の高いＸ線顕微鏡として使用することもできる。
【００９５】
【発明の効果】
本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、評価すべき半導体装置が具備する半導体の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を、半導体装置に対するＸ線の照射状態を適宜、適正に切り替えることにより、それぞれＸ線を使用して測定および解析して評価できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ高い精度で解析して評価し、それら両者の関係を明らかにできる。
【００９６】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、Ｘ線の照射時間を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれより高い精度で解析して評価できる。
【００９７】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、照射するＸ線の状態を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれさらに高い精度で解析して評価できる。
【００９８】
さらに、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法によれば、評価すべき半導体装置の被測定温度を、半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ極めて高い精度で解析して評価できる。
【００９９】
本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、Ｘ線照射手段から評価すべき半導体装置に向かうＸ線の進路上に配置されたＸ線照射時間設定手段を用いて、半導体装置に対するＸ線の照射状態を適宜、適性かつ選択的に切り替えることにより、半導体装置が具備する半導体の電気的性質、ならびに微細構造および電子状態を、それぞれＸ線を使用して、かつ、１台の装置で測定および解析して評価できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ高い精度で解析して評価し、それら両者の関係を明らかにできる。
【０１００】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、Ｘ線の照射時間を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれより高い精度で解析して評価できる。
【０１０１】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、照射するＸ線の状態を半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれさらに高い精度で解析して評価できる。
【０１０２】
また、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、温度調節手段によって、評価される半導体装置の被測定温度を、半導体の成分や測定目的などに応じて適正な状態に設定できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ極めて高い精度で解析して評価できる。
【０１０３】
さらに、本発明に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置によれば、ノイズ低減手段によって、半導体の電気的性質、微細構造、および電子状態を、適正な状態で測定して解析できる。したがって、半導体装置の電気的性質と、構造的特徴および電子状態とをそれぞれ極めて高い精度で解析して評価できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価装置の概略を示す図。
【図２】図１の評価装置が具備するＸ線照射時間設定装置としてのＸ線チョッパーを示す斜視図であり、（ａ）は半導体装置にＸ線を照射している場合を示し、（ｂ）は半導体装置に照射するＸ線を遮断している場合を示すものである。
【図３】図１の評価装置が具備する他のＸ線照射時間設定装置としてのゲートバルブを示す斜視図であり、（ａ）は半導体装置にＸ線を照射している場合を示す図であり、（ｂ）は半導体装置に照射するＸ線を遮断している場合を示す図である。
【図４】図１に示す評価装置が評価する半導体装置としてのＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオードを示す斜視図。
【図５】図４に示すダイオードの電気的性質を示すグラフであり、（ａ）は電流・電圧特性を示し、（ｂ）は電圧に対する１／Ｃ2をプロットして示すものである。
【図６】図４に示すダイオードの構造情報を表す容量ＸＡＦＳシグナルおよび蛍光ＸＡＦＳシグナルを示すグラフ。
【図７】図４に示すダイオードが有する半導体に断続Ｘ線を照射した場合の室温における接合容量の時間変化を示すグラフ。
【図８】従来技術に係るＤＬＴＳ法の原理を示すグラフであり、（ａ）は半導体の容量の過渡応答を示し、（ｂ）は半導体のＤＬＴＳシグナルを示すものである。
【図９】従来技術に係るＤＬＴＳ法による半導体の過渡容量変化を示すグラフであり、（ａ）は半導体の過渡容量変化の時間依存性を示し、（ｂ）は（ａ）のグラフの起ち上がり部分のキャリアの様子を示す図であり、（ｃ）は（ａ）のグラフの減衰部分のキャリアの様子を示す図である。
【図１０】本発明の一つの実施形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法が実行するＳＲ−ＤＬＴＳ法の作業の流れを示すフローチャート。
【図１１】本発明の一つの実施形態に係るＸ線を用いた半導体装置の評価方法が実行するＳＲ−ＩＣＴＳ法の作業の流れを示すフローチャート。
【図１２】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体の過渡容量変化の各温度における時間依存性を示すグラフ。
【図１３】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体の過渡容量変化を表すＤＬＴＳシグナルの温度依存性を示すグラフ。
【図１４】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体のエミッション・レートの温度依存性を示すグラフ。
【図１５】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体のキャリアの捕獲準位を示す図。
【図１６】本発明のＳＲ−ＤＬＴＳ法による半導体の過渡容量変化を表すＤＬＴＳシグナルの温度依存性と半導体のキャリアの捕獲準位とをまとめて示す図。
【図１７】本発明の評価方法が実行するＸＡＦＳ法によるＡｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオードの半導体中のＧａ原子付近の局所構造を示し、（ａ）は通常の結晶中における場合を示す図であり、（ｂ）はＧａ空孔の場合を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体評価装置
２…Ａｕ／ｎ型ＧａＮショットキーダイオード（半導体装置）
３…Ｘ線
４…Ｘ線照射装置（Ｘ線照射手段）
５…Ｘ線照射時間設定装置（Ｘ線照射時間設定手段）
５ａ…Ｘ線チョッパー（Ｘ線照射時間設定手段）
５ｂ…ゲートバルブ（Ｘ線照射時間設定手段）
６…半導体
７…プローブ（接合容量検知手段）
８…ＩＶ／ＣＶメータ（接合容量検知手段）
９…コンピュータ（第１半導体評価手段）
１０…Ｘ線検出器（Ｘ線スペクトル検知手段）
１１…Ｘ線スペクトル測定装置（Ｘ線スペクトル測定手段）
１２…コンピュータ（第２半導体評価手段）
１８…シールドケーブル（ノイズ低減手段）
２０…温度調節装置（温度調節手段）
２１…除震台（ノイズ低減手段）
Claims (9)
- 評価すべき半導体装置にＸ線を断続的に照射することにより、前記半導体装置が具備する半導体の接合容量の過渡的変化を測定および解析して前記半導体の電気的性質を評価するとともに、前記半導体装置に対する前記Ｘ線の照射状態を切り替えて、前記半導体装置にＸ線を連続的に照射することにより、前記半導体中の所定の元素に吸収された前記連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルを測定および解析して前記半導体の構造および電子状態を評価することを特徴とするＸ線を用いた半導体装置の評価方法。
- 前記Ｘ線は、前記半導体装置への断続的な照射または連続的な照射を選択的に切り替えることができるとともに、その照射時間を調節自在であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の評価方法。
- 前記Ｘ線は、その波長、エネルギー、および前記半導体装置に照射する線束の太さが可変であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の評価方法。
- 前記半導体装置は、その被測定温度が可変であるとともに、前記過渡的変化が測定および解析される際には、所定の温度に保持されることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の評価方法。
- 評価すべき半導体装置にＸ線を照射するＸ線照射手段と、
このＸ線照射手段から前記半導体装置に向かう前記Ｘ線の進路上に配置されており、前記半導体装置への前記Ｘ線の断続的な照射または連続的な照射を選択的に切り替えるとともに、前記Ｘ線の照射時間を所定の値に設定するＸ線照射時間設定手段と、
前記Ｘ線が断続的に照射された際の前記半導体装置が具備する半導体の接合容量とその過渡的変化を検知する接合容量検知手段と、
この接合容量検知手段が検知した前記半導体の接合容量とその過渡的変化過渡的変化を測定する接合容量測定手段と、
この接合容量測定手段が測定した前記半導体の接合容量とその過渡的変化を解析して前記半導体装置の電気的性質を評価する第１半導体評価手段と、
前記Ｘ線が連続的に照射された際の前記半導体中の所定の元素に吸収された該連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルを検知するＸ線スペクトル検知手段と、
このＸ線スペクトル検知手段が検知した前記スペクトルを測定するＸ線スペクトル測定手段と、
このＸ線スペクトル測定手段が測定した前記スペクトルを解析して前記半導体装置の構造および電子状態を評価する第２半導体評価手段と、
を具備することを特徴とするＸ線を用いた半導体装置の評価装置。 - 前記Ｘ線照射時間設定手段は、前記半導体装置への前記Ｘ線の断続的な照射または連続的な照射の選択的な切り替え、および前記Ｘ線の照射時間の長さを、前記半導体の接合容量とその過渡的変化の検知および測定、または前記半導体中の所定の元素に吸収された前記連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルの検知および測定と、それぞれ互いに同期するように制御されることを特徴とする請求項５に記載のＸ線を用いた半導体装置の評価装置。
- 前記Ｘ線照射手段は、前記Ｘ線の波長、エネルギー、および前記半導体装置に照射する線束の太さを、それぞれ互いに独立に所定の値に設定可能であることを特徴とする請求項５または６に記載のＸ線を用いた半導体装置の評価装置。
- 前記半導体装置の温度を所定の値に設定可能な温度調節手段が設けられていることを特徴とする請求項５〜７のうちのいずれか１項に記載のＸ線を用いた半導体装置の評価装置。
- 前記半導体の接合容量とその過渡的変化を検知して測定する際のノイズ、および前記半導体中の所定の元素に吸収された前記連続Ｘ線のエネルギーのスペクトルを検知して測定する際のノイズを、それぞれ低減するノイズ低減手段が設けられていることを特徴とする請求項５〜８のうちのいずれか１項に記載のＸ線を用いた半導体装置の評価装置。
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