KR101251123B1 - 산화물 반도체 박막의 평가 방법 및 산화물 반도체 박막의 품질 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 산화물 반도체 박막의 전기적 특성을, 전극을 부착하는 일 없이 비접촉형으로 평가ㆍ측정하는 방법을 제공하는 것이다.
산화물 반도체 박막이 형성된 시료에 여기광 및 마이크로파를 조사하여, 상기 여기광의 조사에 의해 변화되는 상기 마이크로파의 상기 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 최대값을 측정한 후, 상기 여기광의 조사를 정지하고, 상기 여기광의 조사 정지 후의 상기 마이크로파의 상기 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 반사율의 변화를 측정하고, 상기 측정한 값으로부터 라이프타임값을 산출함으로써, 상기 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정한다.

Description

산화물 반도체 박막의 평가 방법 및 산화물 반도체 박막의 품질 관리 방법{METHOD FOR ESTIMATING OXIDE SEMICONDUCTOR THIN FILM AND METHOD FOR MANAGING QUALITY OF OXIDE SEMICONDUCTOR THIN FILM}
본 발명은 산화물 반도체 박막의 평가 방법에 관한 것으로, 상세하게는 산화물 반도체 박막의 캐리어 이동도를 판정ㆍ평가하는 방법 및 산화물 반도체 박막의 품질 관리 방법에 관한 것이다.
인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 주석(Sn) 등을 포함하는 산화물의 반도체(산화물 반도체)는, 전계 효과 이동도(이동도)가 높은 등, 우수한 반도체 특성을 가지므로, 액티브 매트릭스형 디스플레이의 구동 소자 등에의 적용이 검토되고 있다. 특히 산화물 반도체는, 저온에서 성막할 수 있고, 또한 광학 밴드갭이 크기 때문에, 플라스틱 기판, 필름 기판에의 성막이 가능하여, 이러한 기판을 사용한 가요성 디스플레이, 투명 디스플레이 등에의 적용이 검토되고 있다.
재료 개발에 있어서는, 요구되는 특성에 따라서 산화물 반도체의 조성의 조합이나 함유량 등을 변경할 필요가 있지만, 최적의 조합을 검토할 때에, 이동도 등의 전기적 특성의 검사가 필요해진다.
또한 산화물 반도체는 내열성이 충분하지 않아, TFT(박막 트랜지스터) 제조 프로세스 중의 열처리나 플라즈마 처리에 의해 산소가 이탈하여 격자 결함을 형성하는 것이 알려져 있다. 또한 산화물 반도체는 제조 공정에서 수소를 도입하여, 전기적으로는 얕은 불순물 준위를 형성하는 것이 알려져 있다. 이러한 격자 결함이나 수소에 기인하여 산화물 반도체의 이동도에 편차가 발생하기 쉬워, TFT 특성에도 영향이 발생하는 경우가 있다. 그로 인해, 디스플레이 등의 제조 공정에 있어서는, 성막한 산화물 반도체 박막의 특성을 평가하고, 그 결과를 피드백하여 제조 조건을 조정하여 막질의 관리를 행하는 것이 생산성 향상의 관점에서는 중요해진다.
종래의 반도체 박막의 특성의 평가 방법으로서는, 통상 반도체 박막에 게이트 절연막이나 패시베이션 절연막을 형성하여 전극 부착을 행한 후, 이동도나 임계값 등의 특성을 측정하고 있지만, 전극 부착을 필요로 하는 접촉형의 측정 방법으로는, 전극 부착을 위한 시간이나 비용이 걸리고 있었다. 또한 전극을 부착함으로써, 반도체 박막에 새로운 결함이 발생할 우려가 있고, 또한 제조 수율 향상의 관점에서도 전극 부착을 필요로 하지 않는 비접촉형의 측정 방법의 확립이 요구되고 있었다.
비접촉형으로 반도체 박막의 특성을 평가하는 방법으로서, 본 발명자들은 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의한 평가 방법을 제안하고 있다(특허 문헌 1). 이 기술은 다결정 폴리실리콘 등의 결정질의 반도체 박막을 형성한 시료에 레이저를 조사하고, 상기 레이저 조사에 의해 여기된 과잉 캐리어에 따라서 변화되는 마이크로파의 반사율의 변화를 측정함으로써, 반도체 박막의 결정성을 평가하고 있다.
일본 특허 출원 공개 제2008-191123호 공보
상기 특허 문헌 1의 기술은, 반도체 박막에 전극을 부착할 필요가 없고, 또한 단시간, 또한 고정밀도로 반도체 박막의 결정성을 측정할 수 있지만, 결정질 반도체 박막의 결정성의 평가를 행하는 것으로, 산화물 반도체 박막과 같은 비정질 박막은 대상 외이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 사정에 착안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 산화물 반도체 박막의 전기적 특성(특히 이동도)을, 전극을 부착하는 일 없이, 비접촉형으로 평가ㆍ측정하는 방법 및 산화물 반도체의 품질 관리 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성할 수 있었던 본 발명은, 산화물 반도체 박막이 형성된 시료에 여기광 및 마이크로파를 조사하여, 상기 여기광의 조사에 의해 변화되는 상기 마이크로파의 상기 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 최대값을 측정한 후, 상기 여기광의 조사를 정지하고, 상기 여기광의 조사 정지 후의 상기 마이크로파의 상기 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 반사율의 변화를 측정하고, 상기 측정한 값으로부터 라이프타임값을 산출함으로써, 상기 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정하는 것에 요지를 갖는 산화물 반도체 박막의 평가 방법이다.
또한 본 발명은, 산화물 반도체 박막이 형성된 시료에 여기광 및 마이크로파를 조사하여, 상기 여기광의 조사에 의해 변화되는 상기 마이크로파의 상기 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 최대값을 측정함으로써, 상기 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정하는 것에 요지를 갖는 산화물 반도체 박막의 평가 방법이다.
본 발명에서는 상기 산화물 반도체 박막이, In, Ga, Zn 및 Sn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상 조합을 포함하는 것인 것도 바람직하다.
본 발명의 상기 평가 방법은, 산화물 반도체 박막을 기판 상에 형성한 후의 반도체 제조 공정 중 어느 하나의 공정에 적용하여 산화물 반도체 박막의 품질을 관리하는 것도 바람직한 실시 형태이다.
본 발명에 따르면, 전극을 부착하는 일 없이, 비접촉으로, 산화물 반도체 박막의 이동도를 정성적 또는 정량적으로 평가할 수 있다.
따라서, 개발 단계에 있어서 다양한 조성의 산화물 반도체의 이동도를 단시간에, 또한 저비용으로 평가할 수 있다. 또한 본 발명의 방법에 따르면, 액정 표시 장치 등의 제조 라인에 있어서, 산화물 반도체 박막의 전기적 특성을 인라인에서 단시간에 평가할 수 있고, 또한 비접촉형으로 행할 수 있으므로, 수율의 향상 등, 생산성을 향상시킬 수 있어, 산화물 반도체의 품질 관리를 적절하게 행할 수 있다.
도 1은 라이프타임 측정 장치의 개략도.
도 2는 라이프타임 측정에 의해 얻어지는 감쇠 파형의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 TFT 소자 구조의 모식도.
도 4는 제1 실시예에 있어서의 각 처리 조건에 있어서의 Id-Vg 특성을 나타내는 도면.
도 5는 제1 실시예에 있어서의 각 처리 조건에 있어서의 라이프타임 측정 결과를 나타내는 도면.
도 6은 이동도와 라이프타임값의 관계를 나타내는 도면.
도 7은 이동도와 피크값의 관계를 나타내는 도면.
도 8은 피크값의 매핑 결과를 나타내는 도면.
도 9는 이동도의 매핑 결과를 나타내는 도면.
도 10은 피크값의 매핑 결과를 나타내는 도면.
도 11은 이동도의 매핑 결과를 나타내는 도면.
도 12는 피크값의 매핑 결과를 나타내는 도면.
도 13은 이동도의 매핑 결과를 나타내는 도면.
도 14는 이동도의 매핑 결과를 나타내는 도면.
이미 서술한 바와 같이, 본 발명자들은 먼저 폴리실리콘 등의 결정질 반도체 박막의 결정성을 평가하는 기술로서, 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의한 측정 방법을 제안하고 있다. 이 기술의 측정 대상인 결정질 반도체 박막의 경우, 레이저 어닐에 의한 결정화시의 레이저 조사 시간이나 레이저 강도 등의 조건 변동에 의해, 결정성에 편차가 발생하기 쉬워, 이 결정성의 편차가 제품의 성능에 악영향을 미치므로, 결정성을 평가하는 것이 중요하다. 그리고 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의한 평가 방법은, 전극 부착을 필요로 하지 않는 비접촉형의 측정이며, 또한 단시간에 측정할 수 있으므로, 본 발명자들은 이 평가 방법을 비정질인 산화물 반도체 박막의 특성 평가에도 적용하기 위해, 예의 검토를 거듭하였다.
마이크로파 광 도전 감쇠법에 의해 상기 반도체 박막의 결정성을 평가하는 경우, 조사한 마이크로파의 반사율은, 박막 중의 결정립 직경의 편차나 댕글링본드에 기인하는 결함의 양(결함의 존재 정도) 등에 대응하여 변화되므로, 마이크로파의 반사율의 시간 변화로부터 라이프타임을 측정함으로써, 결정성을 평가할 수 있다. 그러나 본 발명에서 평가ㆍ측정 대상으로 하는 산화물 반도체 박막의 경우, 비정질(아몰퍼스)이므로, 상기 결정질의 반도체 박막과 동일한 평가(결정성)를 할 수는 없다.
또한 결정질의 반도체 박막을 대상으로 한 측정 조건을 그대로 비정질 산화물 반도체 박막에 적용해도 반사율 등을 정확하게 측정할 수 없다.
따라서 본 발명자들은, 우선 산화물 반도체 박막의 반사율 등의 측정 조건에 대해 검토한 결과, 산화물 반도체 박막에 적합한 여기광의 조사 조건을 설정할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.
또한 본 발명자들은, 산화물 반도체 박막의 특성과 라이프타임의 측정 결과의 관계에 대해 연구를 거듭한 결과, 상세한 것은 제1 실시예에 있어서 설명하지만, (가) 산화물 반도체 박막의 이동도와 라이프타임값에 높은 상관 관계가 있는 것, 또한 (나) 산화물 반도체 박막의 이동도와 반사율의 피크값에 높은 상관 관계가 있는 것을 발견하여, 본 발명에 이르렀다.
본 발명자들이, (가) 산화물 반도체 박막의 이동도와 라이프타임값의 관계에 대해 검토한 결과, 우선 반사율이 피크값(최대값)으로부터 여기광 조사 정지 후, 피크값에 대해 반사율이 1/e로 감쇠할 때까지의 시간이 지연될수록, 라이프타임이 길어지지만, 라이프타임의 길이에 비례하여 이동도도 높아지는 것을 알 수 있었다(도 6). 따라서 산화물 반도체 박막의 경우, 라이프타임값(반사율 변화의 1/e)을 조사함으로써, 산화물 반도체 박막의 이동도를 간접적으로 평가할 수 있다.
또한 (나) 산화물 반도체 박막의 이동도와 반사율의 피크값의 관계에 대해 검토한 결과, 반사율의 피크값이 높을수록(즉, 마이크로파의 반사율이 높을수록), 라이프타임이 길어지지만, 피크값의 높이에 비례하여 이동도도 높아지는 것을 알 수 있었다(도 7). 따라서 산화물 반도체 박막의 경우, 라이프타임값 대신에 피크값을 조사함으로써도, 산화물 반도체 박막의 이동도를 간접적으로 평가할 수 있다.
즉, 산화물 반도체 박막의 피크값 및 라이프타임값은, 전기적 특성의 지표인 이동도의 간접적인 평가 파라미터로서 유용하다.
또한 본 발명자들이 검토한 결과, 상세한 것은 후기하는 제2 내지 제4 실시예에서 설명하지만, 산화물 반도체 박막의 경우, 산화물 반도체막의 조성이나 원소 농도에 따라서는 반사율의 피크값을 측정할 수 없는 경우가 있는 것도 알 수 있었다. 즉, 제작한 아몰퍼스 산화물 반도체 박막의 캐리어 농도가 지나치게 높으면, 여기광을 조사해도 피크값을 검출할 수 없다. 그리고 이러한 피크값을 검출할 수 없었던 산화물 반도체 박막을 액정 디스플레이 등의 표시 장치에 사용하면, 동작 불량의 원인이 되는 것을 알 수 있었다.
산화물 반도체 박막의 경우, 요구되는 전기적 특성에도 의존하지만, 일반적으로 캐리어 농도는 낮은 쪽이 바람직하고, 예를 들어 캐리어 농도는 1018-3 이하인 것이 바람직하지만, 상기 피크값을 검출할 수 없었던 산화물 반도체 박막은, 모두 캐리어 농도가 1018-3을 상회하는 것이었다. 따라서 재료 개발 단계에 있어서 피크값의 검출을 할 수 없는 재료는, 산화물 반도체막으로서 사용할 수 없는 것으로서, 제외하는 것이 가능해진다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 산화물 반도체 박막의 전기적 특성(이동도)을 비접촉형으로 평가ㆍ판정할 수 있을 뿐만 아니라, 산화물 반도체 박막의 재료 개발 단계에 있어서, 산화물 반도체 박막의 조성이나 원소 농도에 따른 이동도의 판단도 간이하게 행할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 관한 산화물 반도체 박막의 이동도의 평가에 사용하는 장치의 개략 및 산화물 반도체 박막의 측정ㆍ평가 방법에 대해 설명한다.
도 1에 도시하는 측정 장치는, 시료(산화물 반도체 박막)(20a)의 측정 부위에 대해 여기광 및 마이크로파를 조사하여, 그 여기광의 조사에 의해 변화되는 마이크로파의 시료로부터의 반사파의 강도를 검출하는 것이다.
박막 시료(20a)는, 글래스 등으로 이루어지는 기판(20b)(기재)의 표면에 형성된 산화물 반도체의 박막이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 In, Ga, Zn 및 Sn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 조합으로 이루어지는 비정질의 산화물 반도체가 사용된다. 산화물 반도체의 박막은, 예를 들어 수십 ㎚ 내지 100㎚ 정도의 두께이면 되고, 또한 산화물 반도체로서는, 예를 들어 In 산화물, In-Sn 산화물, In-Zn 산화물, In-Sn-Zn 산화물, In-Ga 산화물, Zn-Ga 산화물, In-Ga-Zn 산화물, Zn 산화물을 들 수 있다.
또한 기판(20b)은, 각종 기판을 사용할 수 있지만, 예를 들어 두께 0.7㎜ 정도, 크기(넓이)가 제1 세대 내지 제10 세대라 불리우는 수십 ㎠로부터 수 ㎡를 초과하는 액정 표시 장치용 글래스 기판 등을 사용할 수 있다. 이하, 기판(20b)과 그 표면에 형성된 박막 시료(20a)를 합쳐 시료 기판(20)이라 칭한다.
측정 장치는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 펄스 레이저(1), 마이크로파 발진기(2), 방향성 결합기(3), 매직 T(4), 제1 도파관(신호용 도파관)(5a), 제2 도파관(참조용 도파관)(5b), 믹서(6), 신호 처리 장치(7), 컴퓨터(8), 스테이지 컨트롤러(9), 시료대(10), X-Y 스테이지(11), 기판 보유 지지부(12), 미러(13) 및 집광 렌즈(14) 등을 구비하고 있다.
펄스 레이저(1)는, 박막 시료(20a)에 조사하는 여기광을 출력하는 광원이고, 예를 들어 실시예에 나타내어지는, 파장 349㎚, 파워 1μJ/pulse, 펄스 폭 15ns 정도, 빔 직경 1.5㎜ 정도의 펄스 형상의 자외광(YLF 레이저 제3 고조파 등)을 여기광으로서 출사하는 반도체 레이저 등이다. 상기 파장(자외광의 파장)에 있어서의 침투 길이는 약 10㎚로, 실시예의 박막 시료(20a)의 막 두께 50㎚와 비교하여 충분히 짧다.
본 발명자들이 산화물 반도체 박막에 대한 감쇠 파형의 검출 감도에 대해 검토한 결과, 펄스 에너지가 길어지면, 검출 감도가 나빠지는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 발명에서는, 감쇠 파형의 검출 감도를 높이기 위해 펄스 에너지를 짧게 하는 것이 바람직하고, 바람직하게는 3μJ/pulse 이하, 보다 바람직하게 1μJ/pulse 이하로 하는 것이 좋다.
또한 펄스 레이저(1)의 출력광(여기광)은, 박막 시료(20a)의 밴드캡 이상의 에너지를 갖는다. 여기서 여기광이 박막 시료(20a)의 밴드캡 이상의 에너지를 갖는 것은, 박막 시료(20a)의 도전율을 변화시키기 위한 조건이다. 또한, 펄스 레이저(1)는 컴퓨터(8)로부터 전송되어 오는 타이밍 신호의 입력을 트리거로 하여 여기광(펄스광)을 출력한다. 또한, 타이밍 신호는, 동시에 신호 처리 장치(7)에 대해서도 전송된다.
펄스 레이저(1)로부터 출력된 여기광은, 미러(13)에서 반사되는 동시에, 집광 렌즈(14)(집광 수단)에 의해 집광되고, 제1 도파관(5a)에 형성된 미소 개구(5c)를 통과하고, 그 제1 도파관(5a)의 박막 시료(20a)에 근접하는 단부(개구부)를 통해, 박막 시료(20a)의 측정 부위(예를 들어, 직경 5 내지 10㎛ 정도의 스폿)에 대해 조사된다. 이와 같이, 미러(13) 및 집광 렌즈(14)가, 펄스 레이저(1)로부터 출력된 여기광을 집광하여 박막 시료(20a)로 유도한다. 이에 의해, 박막 시료(20a)에 있어서의 미소한 여기광 조사 영역(측정 부위)에 있어서, 여기 캐리어가 발생한다.
마이크로파 발진기(2)는, 박막 시료(20a)의 측정 부위(여기광에 의한 여기부를 포함하는 부분)에 조사하는 마이크로파(전자파)를 출력하는 것이다. 이 마이크로파 발진기(2)는, 예를 들어 주파수 26㎓의 건 다이오드 등이다.
방향성 결합기(3)는, 마이크로파 발진기(2)로부터 출력된 마이크로파를 2분기하는 것이고, 분기 후의 한쪽 출력파[이하, 제1 마이크로파(Op1)라 함]는 매직 T(4)측으로 전송되고, 다른 쪽 출력파[이하, 제2 마이크로파(Op2)라 함]는 믹서(6)의 LO 입력단으로 전송된다. 이 방향성 결합기(3)는, 예를 들어 10dB 커플러 등이 채용된다.
매직 T(4)는, 제1 마이크로파(Op1)를 2분기하는 동시에, 2분기된 제1 마이크로파 각각의 박막 시료(20a)에 대한 반사파 각각의 차신호(Rt1)(이하, 반사파 차신호라 함) 및 합신호를 출력하는 것이다.
매직 T(4)에 의해 2분기된 제1 마이크로파(Op1) 중 한쪽[이하, 제1 주 마이크로파(Op11)라 함]은, 그 매직 T(4)에 접속된 제1 도파관(5a)에 의해, 박막 시료(20a)의 측정 부위(여기부를 포함하는 부분)로 유도되어 그 선단의 개구부로부터 방사된다. 이에 의해, 제1 주 마이크로파(Op11)가 박막 시료(20a)의 측정 부위에 조사된다. 또한 제1 도파관(5a)은, 상기 제1 주 마이크로파(Op11)를 방사하는 안테나(도파관 안테나)로서의 기능에 더하여, 측정 부위에 조사된 제1 주 마이크로파(Op11)의 반사파를 그 선단 개구부에서 포착하고, 매직 T(4)까지 되꺾어 유도하는(거슬러 올라가 유도하는) 기능도 한다.
한편, 매직 T(4)에 의해 2분기된 제1 마이크로파(Op1) 중 다른 쪽[이하, 제1 부 마이크로파(Op12)라 함]은, 매직 T(4)에 접속된 제2 도파관(5b)에 의해, 박막 시료(20a)의 측정 부위의 근방(여기광에 의한 여기부를 포함하지 않는 부분)으로 유도되어 그 선단의 개구부로부터 방사된다. 이에 의해, 제1 부 마이크로파(Op12)가, 박막 시료(20a)의 측정 부위의 근방에 조사된다. 또한 제2 도파관(5b)은, 제1 부 마이크로파(Op12)를 방사하는 안테나(도파관 안테나)로서의 기능에 더하여, 측정 부위의 근방에 조사된 제1 부 마이크로파(Op12)의 반사파를 그 선단 개구부에서 포착하고, 매직 T(4)까지 되꺾어 유도하는 기능도 한다. 여기서, 제1 도파관(5a)이 마이크로파를 유도하는 경로 길이와, 제2 도파관(5b)이 마이크로파를 유도하는 경로 길이는 동등하다(동일 경로 길이).
또한 제1 도파관(5a) 및 제2 도파관(5b)에 의해 매직 T(4)에 유도된 2개의 반사파[2분기 후의 제1 마이크로파(Op11, Op12) 각각이 박막 시료(20a)에 반사된 것]의 차신호[반사파 차신호(Rt1)]가, 그 매직 T(4)에 의해 출력되고, 믹서(6)의 RF 입력단으로 전송된다.
믹서(6)는, 제2 마이크로파(Op2) 및 반사파 차신호(Rt1)를 혼합함으로써 검파 신호(Sg1)를 출력한다. 이 검파 신호(Sg1)는, 반사파 차신호(Rt1)의 강도[박막 시료(20a)에 조사된 제1 마이크로파(Op1)의 반사파의 강도의 일례]를 나타내는 신호이며, 신호 처리 장치(7)에 도입된다. 반사파 차신호(Rt1)는, 후술하는 기판 보유 지지부(12)에 의해 소정 위치에 보유 지지된 박막 시료(20a)에 대한 여기광의 조사에 의해 그 강도가 변화된다. 이와 같이 믹서(6)는, 반사파 차신호(Rt1)의 강도를 검출하는 것이고(전자파 강도 검출 수단의 일례), 이 믹서(6) 대신에, 마이크로파를 입력하여 그 강도에 따른 전기 신호(전류 혹은 전압)를 출력하는 마이크로파 검출기(검파기)가 설치되어도 된다.
믹서(6)에 의해 검출되는 반사파 차신호(Rt1)의 강도는, 박막 시료(20a)의 측정 부위에 대한 여기광의 조사에 의해 변화된다. 구체적으로는, 반사파 차신호(Rt1)의 강도는, 여기광(펄스광)의 조사에 의해 일시적으로 강해진 후에 감쇠한다. 또한 측정 부위에 불순물이나 결함 등이 많을수록 반사파 차신호(Rt1)의 강도의 피크값은 작아지고, 그 감쇠 시간(캐리어 수명)도 짧아진다.
여기서 여기광(펄스광)의 조사에 의해 변화되는 반사파 차신호(Rt1)의 강도에 대해 그 피크값이나 피크가 발생한 후 소정 레벨로 감쇠할 때까지의 시간(감쇠 시간 : 라이프타임값)이 박막 시료(20a)의 캐리어 이동도를 평가하는 지표값이 된다.
또한, 반사파 차신호(Rt1)에 대해 소정의 지연 회로에 의해 지연 처리를 실시함으로써, 그 피크값 부근에 대해서만 신호 변화의 속도를 지연시킬 수 있어, 실제의 신호 측정의 샘플링 주파수가 비교적 작아도, 실효적인 샘플링 주파수를 의사적으로 높일 수 있다.
신호 처리 장치(7)는, 믹서(6)에 의해 검출되는 반사파 차신호(Rt1)의 강도의 변화의 피크값(Sp)을 검출하고, 그 검출 결과를 컴퓨터(8)로 전송하는 장치이다. 보다 구체적으로는 신호 처리 장치(7)는, 컴퓨터(8)로부터의 타이밍 신호의 입력을 트리거로 하여 반사파 차신호(Rt1)의 변화를 소정 시간 감시하고, 그 동안에 얻어지는 반사파 차신호(Rt1)의 레벨의 최고값을 반사파 차신호(Rt1)의 강도의 변화의 피크값(Sp)으로서 검출한다. 여기서 신호 처리 장치(7)는, 반사파 차신호(Rt1)에 대해 지연 처리를 실시하는 지연 회로를 구비하고, 지연 처리 후의 신호에 대해 소정의 샘플링 주파수로 신호 강도를 순차 검출하고, 그 검출값의 변화로부터 반사파 차신호(Rt1)의 강도의 변화의 피크값(Sp)을 검출한다.
컴퓨터(8)는, CPU, 기억부, 입출력 신호의 인터페이스 등을 구비하고, CPU가 소정의 프로그램을 실행함으로써 각종 처리를 실행한다.
예를 들어, 컴퓨터(8)는, 펄스 레이저(1) 및 신호 처리 장치(7)에 대해 여기광의 출력 타이밍을 나타내는 타이밍 신호를 출력하는 동시에, 신호 처리 장치(7)에 의해 검출되는 반사파 차신호(Rt1)의 피크값(Sp)을 도입하여 당해 컴퓨터(8)가 구비하는 기억부에 기록한다. 기록된 반사파 차신호(Rt1)는, 박막 시료(20a)의 캐리어 이동도의 평가에 사용된다.
또한 스테이지 컨트롤러(9)는, 컴퓨터(8)로부터의 지령에 따라서 X-Y 스테이지(11)를 제어함으로써, 박막 시료(20a)에 있어서의 측정 부위의 위치 결정 제어를 행한다.
시료대(10)는, 알루미늄, 스테인리스 혹은 철 등의 금속 또는 그 밖의 도체로 이루어지는 판 형상 부재(도체 부재)이고, 그 상측에 기판 보유 지지부(12)가 설치되고, 또한 그 기판 보유 지지부(12) 상에 시료 기판(20)이 적재된다. 이에 의해 시료대(10)는, 박막 시료(20a)를 포함하는 시료 기판(20)에 대해 상기 제1 마이크로파(Op11, Op12)가 조사되는 측과 반대측[시료 기판(20)의 하측]에 배치된다.
기판 보유 지지부(12)는, 시료대(10)에 대해 그 상측에 고정된 고형의 유전체이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 기판 보유 지지부(12)는 기판(20b)(기재)과 시료대(10)(도체 부재) 사이에 삽입되는 고형의 유전체이고, 그 재질은 예를 들어 글래스나 세라믹 등의 비교적 굴절률이 큰 유전체이다. 이에 의해 기판 보유 지지부(12)를 매질로 하는 마이크로파의 파장이 짧아져, 기판 보유 지지부(12)로서 보다 두께가 얇은 경량인 것을 채용할 수 있다.
또한, 기판 보유 지지부(12)로서 복수 종류의 재질로 이루어지는 유전체를 채용하는 것도 생각할 수 있지만, 다른 재질의 계면에서의 마이크로파의 반사 등에 의한 손실을 고려하면, 기판 보유 지지부(12)는 단일 재질의 유전체를 채용하는 것이 바람직하다.
또한 기판 보유 지지부(12)는, 상방으로부터(마이크로파의 조사 방향으로부터) 보아 박막 시료(20) 전체를 포함하는 크기(예를 들어, 약 1m×1m 이상의 크기)로 형성되어 있다. 여기서 기판 보유 지지부(12)는, 예를 들어 시료대(10)에 형성된 오목부에 끼워 맞추어짐으로써, 혹은 소정의 고정구를 통해 시료대(10)에 나사 고정됨으로써 시료대(10)에 대해 고정된다.
액정 표시 장치용 글래스 기판 등의 양산품인 시료 기판(20)은, 그 두께[기판(20b) 및 박막 시료(20a)의 두께]를 미리 알고 있으므로, 기판 보유 지지부(12)의 두께는, 시료 기판(20)의 이미 알고 있는 두께에 따라서 결정된다. 또한 두께가 다른 복수 종류의 시료 기판(20)이 측정 대상으로 되는 경우는, 두께가 다른 복수 종류의 기판 보유 지지부(12)를 준비하여, 그것을 시료대(10)에 대해 착탈 가능(교환 가능)하게 구성하고, 시료 기판(20)의 두께에 따른 기판 보유 지지부(12)를 시료대(10)에 대해 장착하면 된다.
예를 들어, 마이크로파의 주파수가 2.65㎓, 기판(20b) 및 기판 보유 지지부(12)(마이크로파의 매질)가 굴절률 2.35의 글래스이고, 기판(20b)의 두께가 0.7㎜인 경우, 글래스 매질 중에 있어서의 마이크로파의 파장(λm)이 4.81㎜로 되므로, 기판 보유 지지부(12)의 두께를 0.5㎜ 정도(≒4.81/4-0.70)로 하면 된다.
다음에 산화물 반도체 박막의 평가 방법에 대해 도 1, 도 2를 참조하면서 설명한다.
후기하는 제1 실시예에서 상세하게 서술하지만, 산화물 반도체 박막의 캐리어 이동도는, 라이프타임값이나 캐리어 피크값(=반사율의 피크값)과 상관 관계가 있으므로, 라이프타임값이나 피크값을 산출함으로써, 산화물 반도체 박막의 캐리어 이동도를 간접적으로 평가ㆍ판정할 수 있다.
도 2는 마이크로파 광 도전 감쇠법에 있어서의 과잉의 캐리어 밀도의 변화의 모습을 나타낸 도면이다(그래프는 캐리어 밀도를 나타냄). 산화물 반도체 박막 시료에 조사한 여기광에 의해, 산화물 반도체 박막에 흡수되어 과잉 캐리어(여기 캐리어)를 생성하고, 과잉 캐리어 밀도가 증가하는 동시에 그 소실 속도가 증가하여, 캐리어 주입 속도와 소실 속도가 동등해졌을 때에 과잉 캐리어 밀도는 일정한 피크값으로 된다. 그리고 상기 과잉 캐리어의 생성과 소멸 속도가 동등해지면 포화되어 일정한 값을 유지하게 되지만, 여기광의 조사를 정지하면, 과잉 캐리어의 재결합, 소멸에 의해, 과잉 캐리어가 감소하여, 최종적으로는 여기광 조사 전의 값으로 되돌아가는 것이 알려져 있다.
이러한 마이크로파 광 도전 감쇠법을 이용하여 라이프타임값, 또는 피크값을 측정함으로써 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정할 수 있는 것은, 다음과 같은 이유에 기초하는 것이라고 생각된다.
산화물 반도체 박막 시료에 조사된 마이크로파는, 산화물 반도체 박막의 자유 캐리어 밀도에 의해 정해지는 저항률에 기초한 반사율로 반사된다. 여기광의 조사에 의해 과잉 캐리어가 생성되면 산화물 반도체 박막의 저항률이 감소하므로, 상기 저항률의 감소에 수반하여 마이크로파의 반사율은 증가한다. 또한 여기광의 조사 정지에 의해, 과잉 캐리어수가 감소함에 따라서 저항률이 상승하므로, 마이크로파의 반사율은 감소한다.
마이크로파의 반사파의 강도는, 여기광의 조사에 의해 측정 부위에 발생하는 과잉 캐리어의 영향을 받지만, 그 영향 정도는, 시료 중의 결함 등의 정도에도 의존한다. 즉, 산화물 반도체 박막 시료에 조사한 마이크로파의 반사파의 강도는, 여기광의 조사에 의해 일시적으로 강해진 후에 감쇠하지만, 시료 중의 결함 등이 많을수록 그 반사파의 강도의 피크값은 작아지고, 그 감쇠 시간(캐리어 수명)도 짧아진다. 그로 인해 반도체 시료에 조사한 마이크로파의 반사파의 강도는, 시료의 캐리어 이동도의 지표로 된다. 제1 실시예에서 상세하게 서술하는 바와 같이 라이프타임값은 산화물 반도체 박막 시료의 캐리어 이동도와 비례하므로, 라이프타임값이 높으면, 이동도도 높다고 평가할 수 있다(도 6).
따라서, 산화물 반도체 박막이 형성된 시료에 여기광 및 마이크로파를 조사하고, 여기광의 조사에 의해 변화되는 마이크로파의 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 최대값(피크값)을 측정한 후, 여기광의 조사를 정지하고, 여기광의 조사 정지 후의 마이크로파의 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 반사율의 변화를 측정하고, 측정한 값으로부터 라이프타임값(반사율 변화의 1/e)을 산출함으로써, 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정할 수 있다.
또한 마찬가지로 제1 실시예에서 상세하게 서술하지만, 산화물 반도체 박막의 캐리어 이동도와 반사율의 피크값에 상관 관계가 있으므로(도 7), 반사율의 피크값을 측정함으로써, 산화물 반도체막의 캐리어 이동도를 판정할 수 있다.
따라서 산화물 반도체 박막이 형성된 시료에 여기광 및 마이크로파를 조사하고, 여기광의 조사에 의해 변화되는 마이크로파의 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 최대값(피크값)을 측정함으로써, 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정할 수 있다.
상기한 바와 같이, 산화물 반도체 박막의 이동도는, 라이프타임값에 기초하여 평가해도 되고, 혹은 피크값에 기초하여 평가해도 된다. 어느 방법에 의해서도 비파괴 또한 비접촉으로 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정할 수 있다.
또한 본 발명의 산화물 반도체 박막의 평가 방법을 산화물 반도체 박막을 기판 상에 형성한 후의 제조 공정 중 어느 하나의 공정에 적용함으로써, 산화물 반도체 박막의 특성을 평가하고, 그 결과를 피드백하여 제조 조건을 조정하여 막질의 관리를 행할 수 있으므로, 산화물 반도체의 품질 관리를 적절하게 행할 수 있다.
또한, 상기 제조 공정 중에서 측정하는 포인트로서는, 예를 들어 기판 상에의 산화물 반도체 박막의 형성 직후에 행해도 되고, 상기 산화물 반도체 박막을 예를 들어 산소나 수증기에 의한 열처리 후에 행해도 되고, 패시베이션 절연막의 형성 전에 행해도 되어, 다양한 공정 후에 측정하는 것이 가능하다. 또한 기재 상의 복수의 포인트를 측정함으로써 산화물 반도체 박막의 면내 분포를 측정할 수도 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 상기ㆍ후기의 취지에 적합한 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
(제1 실시예)
제1 실시예에서는 산화물 반도체 박막의 캐리어 이동도와 라이프타임값, 또는 피크값 사이의 상관 관계에 대해 이하의 실험을 행하여 조사하였다.
우선, 마이크로파 광 도전 감쇠법에 기초하여 라이프타임 등을 측정하기 위해, 아몰퍼스의 산화물 반도체 박막(InGaZnO)의 샘플을 제작하였다. 우선, 글래스 기판(코닝사제 EAGLE 2000 : 6인치)에, 하기 조건으로 산화물 반도체 박막을 스퍼터링법에 의해 성막하였다.
스퍼터링 타깃 조성 : InGaZnO4(In:Ga:Zn=1:1:1)
기판 온도 : 실온
산화물 반도체층의 막 두께 : 100㎚
산소 첨가량 : O2/(Ar+O2)=2%
계속해서 산화물 반도체 박막의 이동도를 변화시키기 위해 하기의 조건으로 프리어닐 처리를 행하여 시료를 얻었다(시료 No.1은 프리어닐 처리를 행하고 있지 않음).
시료 No.1 : 프리어닐 없음
시료 No.2 : 프리어닐 조건 1 : 대기압, 산소 100%, 온도 : 350℃, 1시간
시료 No.3 : 프리어닐 조건 2 : 수증기 분압 50%/산소 50%, 온도 : 350℃, 1시간
얻어진 각 시료에 대해, 하기 조건으로 도 1에 도시하는 구성을 갖는 장치(구체적으로는 가부시끼가이샤 코벨코 가가꾸 겐뀨쇼제 : LTA-1820SP)를 사용하여 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의해 반사율의 변화를 측정하였다.
마이크로파 광 도전 감쇠법에 있어서의 조건은 이하와 같다.
레이저 파장 : 349㎚(자외광)
펄스 폭 : 15ns
펄스 에너지 : 1μJ/pulse
빔 직경 : 1.5㎜φ
1측정에 있어서의 펄스수=64숏
장치 : LTA-1820SP(가부시끼가이샤 코벨코 가가꾸 겐뀨쇼제)
상기 마이크로파 광 도전 감쇠법에 기초하여 측정한 반사율의 변화와 라이프타임의 측정 결과를 도 5에 나타낸다. 또한 도 5의 감쇠 파형으로부터 산출되는 각 시료의 라이프타임값(μs : 또한, s는 초의 의미)과 피크값(㎷)을 표 2에 나타낸다.
캐리어 이동도의 측정
또한 상기 시료 No.1 내지 3의 캐리어 이동도에 대해 조사하기 위해, 도 3에 도시하는 시료를 제작하여 측정하였다. 구체적으로는 상기 시료의 제작에 사용한 글래스 기판(31) 상에 Mo 게이트 전극(두께 100㎚)(32), 게이트 절연막(SiO2 : 두께 200㎚)(33)을 형성하고, 그 위에 상기 시료와 동일 조건으로 산화물 반도체 박막(50㎚)(34)을 형성하였다. 그 후, 산화물 반도체 박막(34)을 습식 에칭(에천트는 간또 가가꾸제 ITO-07N)으로 패터닝하였다. 이 직후에 산화물 반도체 박막(34)의 막질 개선을 위해 열처리를 행하였다(프리어닐 처리 조건은 상기 시료 No.1 내지 3과 동일). 그 후, 산화물 반도체 박막(34) 상에 소스ㆍ드레인 전극(순Ti : 두께 200㎚)(35)을 리프트오프법(성막 온도 : 실온)으로 형성하고[소스ㆍ드레인 사이의 채널 길이(L) : 10㎛, 전극 폭 : 200㎛], 그 위에 패시베이션 절연막(SiN/SiO2 : 하층 SiO2 막 두께 150㎚, 상층 SiN 막 두께 100㎚)(36)을 형성하였다. 패시베이션막을 DVD법에 의해 성막하였지만, 성막시에 플라즈마 손상에 의해 산화물 반도체층 표면이 도통화되는 것을 회피하기 위해 패시베이션 성막 전에 N2O 플라즈마 조사를 행하였다. N2O 플라즈마의 조사 조건은 공지 문헌[J. Park 외 : Appl. Phys. Lett., 93, 053505(2008)]을 참조하였다(N2O 가스 유량 : 100sc㎝, 플라즈마 조사시 압력 : 133㎩, 플라즈마 발생 전력 : 100mW/㎠, 플라즈마 조사 시간 : 300sec, 플라즈마 조사 온도 : 250℃, 성막 온도 : 250℃). 패시베이션 절연막 형성 후, 전기적 특성을 측정하기 위해 포토리소그래피와 드라이 에칭을 행하여, 콘택트 홀(37)을 개방하였다. 그리고 게이트 전극(32)의 콘택트 홀에는 측정용 프로브(38)를, 소스 전극(35)에는 측정용 프로브(39)를, 드레인 전극(35)에는 측정용 프로브(40)를 접촉시켜, 상기 시료 No.1 내지 3에 대응하는 박막 트랜지스터 시료 No.1 내지 3을 제작하고, 각 박막 트랜지스터의 전기적인 평가(Id-Vg 특성)를 행하였다.
그 결과를 도 4(Id-Vg 특성)에 나타낸다. 또한 도 4로부터 산출한 각 시료의 이동도(선형 이동도)를 표 1에 나타낸다. 선형 이동도는 이하의 식에 기초하여 산출하였다.
Id=(W/L)×μ×Cox×(Vg-Vth)×Vd
식 중, W는 산화물 반도체 박막의 채널 폭, L은 산화물 반도체 박막의 채널 길이, μ는 선형 이동도, Cox는 게이트 절연막 용량, Vg는 게이트 전압, Vth는 임계값 전압, Vd는 드레인 전압이다. 본 실시예에서는, W는 200㎛, L은 10㎛, Cox는 절연막 재료와 막 두께로부터 1.68×10-4F/㎡, Vg는 20 내지 30V의 영역, Vd는 10V로 하였다(Vg를 20 내지 30V의 영역 수 점에서 Id를 측정함으로써, Vth 없이 μ의 산출을 할 수 있음).
상기 측정에 의해 얻어진 결과(표 1과 표 2)에 기초하여, 이동도와 라이프타임값을 플롯한 것을 도 6에, 이동도와 피크값을 플롯한 것을 도 7에 나타낸다.
Figure 112011049502242-pat00001
Figure 112011049502242-pat00002
이상의 시험 결과로부터 다음의 것을 알 수 있다.
도 4로부터는, 프리어닐을 행하지 않은 박막 트랜지스터 시료 No.1보다도, 프리어닐을 행한 박막 트랜지스터 시료 No.2, 3의 이동도가 높고, 또한 수증기 처리한 박막 트랜지스터 시료 No.3은 가장 높은 이동도를 갖는 것을 알 수 있다.
또한 도 5로부터는, 프리어닐을 행하지 않은 시료 No.1보다도, 프리어닐을 행한 시료 No.2, 3의 라이프타임이 길고, 또한 수증기 처리한 No.3은 가장 긴 라이프타임을 갖는 것을 알 수 있다.
또한 도 6으로부터는, 이동도와 라이프타임값에 상관 관계가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 라이프타임이 길고, 라이프타임값이 높을수록, 이동도도 높아지는 경향을 도 6으로부터 판독할 수 있다.
또한 도 7로부터는, 이동도와 피크값에 상관 관계가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 피크값이 높을수록, 이동도도 높아지는 경향을 도 7로부터 판독할 수 있다.
그리고 이 실험 결과로부터, 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의해 얻어지는 라이프타임값 및 피크값을 측정함으로써, 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정ㆍ평가할 수 있는 것을 알 수 있었다.
(제2 실시예)
제2 실시예에서는 마이크로파 광 도전 감쇠법(제1 실시예와 동일한 장치를 사용)으로 시료의 라이프타임의 면내 분포를 측정ㆍ평가하기 위해, 이하의 산화물 반도체 박막의 샘플을 제작하였다.
산화물 반도체 박막은 조성이 다른 2개의 스퍼터링 타깃을 동시 방전하는 Co-Sputter법을 사용하여 행하였다. 2개의 스퍼터링 타깃의 정확히 중간 바로 아래에 기판을 고정함으로써, 기판면 내에 2개의 스퍼터링 타깃 조성의 원소량이 경사진 박막을 형성할 수 있다. 또한, 기판은 제1 실시예와 동일한 글래스판을 사용하였다.
Co-sputter의 성막 조건은 이하와 같다.
스퍼터링 타깃 조성 : ZnO, ZnSnO(Zn:Sn의 조성비는 3:2)
기판 온도 : 실온
산화물 반도체층의 기판 중심 막 두께 : 100㎚
산소 첨가량 : O2/(Ar/O2)×100=2%
계속해서 프리어닐 처리(대기압, 산소 100%, 온도 350℃, 1시간)를 실시하였다. 프리어닐 처리 후, 얻어진 시료에 대해, 제1 실시예와 동일한 조건으로 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의해 라이프타임을 측정하는 동시에, 피크값을 매핑하였다. 결과를 도 8에 나타낸다.
도 8에서는, X축 좌측(Y축 방향)으로 갈수록, 막 조성이 ZnO 타깃 조성에 가까워지고, X축 우측으로 갈수록 ZnSnO(Zn:Sn비가 6:4) 타깃 조성에 가까워지고 있다.
또한 도 8로부터는, X축 좌측 방향으로 갈수록, 피크 강도가 약해지고 있는 것이 나타내어져 있다. 이것은 막 조성이 ZnO 타깃 조성에 근접할수록(ZnO 리치로 될수록), 캐리어 농도가 높아지는 것을 나타내고 있고, 특히 캐리어 농도가 1018-3을 초과하면, 여기광 조사에 의한 과잉 캐리어가 여기되어 있지 않은 것을 의미한다. 이것으로부터, 시료의 좌측 부분(도면 중, 피크값이 500㎷ 미만으로 나타내어지는 영역)은 산화물 반도체 박막으로서, 트랜지스터 특성을 나타내지 않는 부분인 것을 알 수 있다.
한편, 시료의 우측 부분(도면 중, 특히 피크값이 1500㎷ 이상으로 나타내어지는 영역)은, 균일한 반사율 피크값의 면내 분포를 나타내고 있고, 트랜지스터로서 바람직한 전기적 특성을 갖는 막 조성인 것을 알 수 있다.
확인을 위해, 상기 시료를 사용한 박막 트랜지스터의 이동도에 대해 조사하기 위해, 상기 제1 실시예와 마찬가지로 도 3에 도시하는 시료를 제작하여 측정하였다. 또한, 산화물 반도체 박막은 상기한 바와 같이 Co-sputter법으로 형성하였다.
이 시료의 스위칭 특성(Id-Vg 특성)을 측정하고, 이 측정값으로부터 산출되는 이동도를 매핑한 결과를 도 9에 나타낸다(도면 중, X-Y축에 기재된 1 내지 20의 일련 번호는 박막 트랜지스터의 어드레스 번호임). 도면 중, 백색 숫자는 이동도(㎠/Vs : 또한, s는 초의 의미)를 나타내고, 숫자가 클수록, 이동도도 높은 것을 나타내지만, 이동도가 0.1㎠/Vs 이하인 영역은, 스위칭 특성이 얻어지지 않는 영역이다.
박막 트랜지스터의 스위칭 특성으로부터 이동도를 산출하였지만, 트랜지스터의 스위칭 특성을 나타내지 않는 고캐리어 농도 영역(1018-3 이상)에서는 이동도가 0.1㎠/Vs 이하였다(도면 중, 0.0은 산출 불능을 의미함). 그리고 도 9 중, 이동도가 0.1㎠/Vs 이하인 영역은, 이동도가 낮고, 트랜지스터 특성을 갖지 않는 영역이다.
그리고 이 실험 결과로부터, 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의해 얻어지는 반사율 피크값을 측정함으로써, 전극을 부착하지 않고 산화물 반도체 박막의 이동도의 면내 분포를 판정ㆍ평가할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한 동시에 트랜지스터의 스위칭 특성을 갖지 않는 영역에 대해 판별할 수 있는 것을 알 수 있었다. 특히 산화물 반도체 박막의 조성의 원소량에 그라데이션을 부여한 것을 측정할 수 있으므로, 재료 개발에 있어서 유용한 것을 알 수 있다.
(제3 실시예)
제3 실시예에서는 마이크로파 광 도전 감쇠법(제1 실시예와 동일한 장치를 사용)으로 시료의 라이프타임의 면내 분포를 측정ㆍ평가하기 위해, 이하의 산화물 반도체 박막의 샘플을 제작하였다.
산화물 반도체 박막의 성막은, 조성이 다른 3개의 스퍼터링 타깃을 동시 방전하는 Co-Sputter법을 사용하여 행하였다. 3개의 스퍼터링 타깃의 중간 바로 아래에 기판을 고정함으로써, 기판면 내에 3개의 스퍼터링 타깃 조성의 원소량이 경사진 박막을 형성할 수 있다. 또한, 기판은 제1 실시예와 동일한 글래스판을 사용하였다.
Co-sputter의 성막 조건은 이하와 같다.
스퍼터링 타깃 조성 : ZnO, ZnSnO(Zn:Sn의 조성비는 3:2), Al2O3
기판 온도 : 실온
산화물 반도체층의 기판 중심 막 두께 : 100㎚
산소 첨가량 : O2/(Ar+O2)×100=2%
계속해서 프리어닐 처리(대기압, 산소 100%, 온도 350℃, 1시간)를 실시하였다. 프리어닐 처리 후, 얻어진 시료에 대해, 제1 실시예와 동일 조건으로 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의해 라이프타임을 측정하는 동시에, 피크값을 매핑하였다. 결과를 도 10에 나타낸다.
도 10에서는, X축 좌측 방향(Y축 방향)으로 갈수록, 막 조성이 ZnO 타깃 조성에 가까워지고, X축 우측 방향으로 갈수록 ZnSnO(Zn:Sn비가 6:4) 타깃 조성에 가까워지고 있다. 또한 Y축 상측 방향(X축과 반대 방향)으로 갈수록 Al의 도핑 농도가 높아진다.
도 10으로부터는, 시료의 X축 좌측 방향으로 갈수록, 피크 강도가 약해지고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 막 조성이 ZnO 타깃 조성에 근접할수록(ZnO 리치로 될수록), 캐리어 농도가 높아지는 것을 나타내고 있고, 특히 캐리어 농도가 1018-3을 초과하면, 여기광 조사에 의한 과잉 캐리어가 여기되어 있지 않은 것을 의미한다. 이것으로부터, 시료의 좌측 부분(도면 중, 피크값이 480㎷ 미만으로 나타내어지는 영역)은 아몰퍼스 산화물 반도체 박막으로서, 트랜지스터 특성을 나타내지 않는 부분인 것을 알 수 있다.
또한, 시료의 우측 부분이라도, Al 도프량이 높아지는 상측으로 갈수록(도면 중, 피크값이 480㎷ 미만으로 나타내어지는 영역), 피크값이 감소하고, 산화물 반도체 박막으로서, 트랜지스터 특성을 나타내지 않는 부분인 것을 알 수 있다.
또한, XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)에 의해 시료의 조성 분석을 한 결과, Al 도프량이 가장 높아지는 기판 상측의 에지 부분에서는 Al은 10원자%이고, A1 농도가 낮아지는 기판 하측의 에지 부분에서는 Al은 2원자%였다.
한편, 도 10으로부터는, 시료의 우측 하측 부분(도면 중, 피크값이 1400㎷ 이상으로 나타내어지는 영역)은, 균일한 반사율 피크값의 면내 분포를 나타내고 있고, 트랜지스터로서 바람직한 전기적 특성을 갖는 막 조성인 것을 알 수 있다.
확인을 위해, 상기 시료를 사용한 박막 트랜지스터의 이동도에 대해 조사하기 위해, 상기 제1 실시예와 마찬가지로 도 3에 도시하는 시료를 제작하여 측정하였다. 또한, 산화물 반도체 박막은 상기한 바와 같이 Co-sputter법으로 형성하였다.
이 박막 트랜지스터의 스위칭 특성(Id-Vg 특성)을 측정하고, 이 측정값으로부터 산출되는 이동도를 매핑한 결과를 도 11에 나타낸다(도면 중, X-Y축에 기재된1 내지 20은 박막 트랜지스터의 어드레스 번호임). 도면 중, 숫자가 클수록, 이동도도 높은 것을 나타내지만, 이동도가 0.1㎠/Vs 이하인 영역은, 스위칭 특성이 얻어지지 않는 영역이다.
박막 트랜지스터의 스위칭 특성으로부터 이동도를 산출하였지만, 트랜지스터의 스위칭 특성을 나타내지 않는 고캐리어 농도 영역(1018-3 이상)에서는 이동도가 0.1㎠/Vs 이하였다(도면 중, 0.0은 산출 불능을 의미함). 그리고 도면 중, 이동도가 0.1㎠/Vs 이하인 영역은, 이동도가 낮고, 트랜지스터 특성을 갖지 않는 영역이다.
또한 도면 중 우측 부분에 있어서도, Al 도핑 농도가 높아지는 상측에서는, Al 도프량이 높아지는 상측으로 갈수록 이동도가 저하되는 것을 알 수 있었다.
그리고 이 실험 결과로부터, 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의해 얻어지는 반사율 피크값을 측정함으로써, 전극을 부착하지 않고 산화물 반도체 박막의 이동도의 면내 분포를 판정ㆍ평가할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한 동시에 트랜지스터의 스위칭 특성을 갖지 않는 영역에 대해 판별할 수 있는 것을 알 수 있었다. 특히 산화물 반도체 박막의 조성의 원소량에 그라데이션을 부여한 것을 측정할 수 있으므로, 재료 개발에 있어서 유용한 것을 알 수 있다.
(제4 실시예)
제4 실시예에서는 마이크로파 광 도전 감쇠법(제1 실시예와 동일한 장치를 사용)으로 시료의 라이프타임의 면내 분포를 측정ㆍ평가하기 위해, 이하의 산화물 반도체 박막의 샘플을 제작하였다.
산화물 반도체 박막의 성막은, 조성이 다른 3개의 스퍼터링 타깃을 동시 방전하는 Co-Sputter법을 사용하여 행하였다. 3개의 스퍼터링 타깃의 중간 바로 아래에 기판을 고정함으로써, 기판면 내에 3개의 스퍼터링 타깃 조성의 원소량이 경사진 박막을 형성할 수 있다. 또한, 기판은 제1 실시예와 동일한 글래스판을 사용하였다.
Co-sputter의 성막 조건은 이하와 같다.
스퍼터링 타깃 조성 : In2O3, Ga2O3, ZnO
기판 온도 : 실온
산화물 반도체층의 기판 중심 막 두께 : 100㎚
산소 첨가량 : O2/(Ar+O2)×100=2%
계속해서 프리어닐 처리(대기압, 산소 100%, 온도 350℃, 1시간)를 실시하였다. 프리어닐 처리 후, 얻어진 시료에 대해, 제1 실시예와 동일한 조건으로 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의해 라이프타임을 측정하는 동시에, 피크값을 매핑하였다. 결과를 도 12에 나타낸다.
도 12에서는, X축 좌측 방향으로 갈수록, 막 조성이 In2O3 타깃 조성에 가까워지고, X축 우측 방향으로 갈수록 ZnO 타깃 조성에 가까워지고 있다. 또한 Y축 상측 방향(X축과 반대 방향)으로 갈수록 Ga2O3 타깃 조성에 가까워지고 있다.
도 12로부터는, 시료의 X축 우측 방향, ZnO 타깃 조성에 가까울수록(도면 중, 피크값이 30㎷ 미만으로 나타내어지는 영역), 피크값이 감소하여, 산화물 반도체 박막으로서, 트랜지스터 특성을 나타내지 않는 부분인 것을 알 수 있다.
또한, 시료의 Y축 상측 방향이라도, Ga2O3 타깃 조성에 가까운 상측으로 갈수록(도면 중, 피크값이 30㎷ 미만으로 나타내어지는 영역), 피크값이 감소하여, 산화물 반도체 박막으로서, 트랜지스터 특성을 나타내지 않는 부분인 것을 알 수 있다.
한편, 도 12로부터는, 시료의 좌측 하측 부분(도면 중, 피크값이 300㎷ 이상으로 나타내어지는 영역)은, 균일한 반사율 피크값의 면내 분포를 나타내고 있어, 트랜지스터로서 바람직한 전기적 특성을 갖는 막 조성인 것을 알 수 있다.
확인을 위해, 상기 시료를 사용한 박막 트랜지스터의 이동도에 대해 조사하기 위해, 상기 제1 실시예와 마찬가지로 도 3에 도시하는 시료를 제작하여 측정하였다. 또한, 산화물 반도체 박막은 상기한 바와 같이 Co-sputter법으로 형성하였다.
이 박막 트랜지스터의 스위칭 특성(Id-Vg 특성)을 측정하고, 이 측정값으로부터 산출되는 이동도를 매핑한 결과를 도 13에 나타낸다(도면 중, X-Y축에 기재된1 내지 20은 박막 트랜지스터의 어드레스 번호임). 도면 중, 숫자가 클수록, 이동도도 높은 것을 나타내지만, 이동도가 0.1㎠/Vs 이하인 영역은, 스위칭 특성이 얻어지지 않는 영역이다.
도 13 중의 우측의 ZnO 타깃 조성에 가까운 부분 및 상측의 Ga2O3 타깃 조성에 가까운 부분에 있어서, 이동도가 저하되는 것을 알 수 있었다.
또한, 이 박막 트랜지스터의 스위칭 특성(Id-Vg 특성)으로부터, 이하의 식에 의해 산출되는 포화 이동도를 매핑한 결과를 도 14에 나타낸다(도면 중, X-Y축에 기재된 1 내지 20은 박막 트랜지스터의 어드레스 번호임). 도면 중, 숫자가 클수록 포화 이동도도 높은 것을 나타내지만, 포화 이동도가 0.1㎠/Vs 이하인 영역은, 스위칭 특성이 얻어지지 않는 영역이다.
Id=(W/2L)×μ×Cox×(Vg-Vth)2
식 중, W는 산화물 반도체 박막의 채널 폭, L은 산화물 반도체 박막의 채널 길이, μ는 포화 이동도, Cox는 게이트 절연막 용량, Vg는 게이트 전압, Vth는 임계값 전압이다. 본 실시예에서는, W는 200㎛, L은 10㎛, Cox는 절연막 재료와 막 두께로부터 1.68×10-4F/㎡, Vg는 20 내지 30V의 영역으로 하였다(Vg를 20 내지 30V의 영역 수 점에서 Id를 측정함으로써, Vth 없이 μ의 산출을 할 수 있음).
도 14 중의 우측의 ZnO 타깃 조성에 가까운 부분 및 상측의 Ga2O3 타깃 조성에 가까운 부분에 있어서, 포화 이동도가 저하되는 것을 알 수 있었다.
그리고 이 실험 결과로부터, 마이크로파 광 도전 감쇠법에 의해 얻어지는 반사율 피크값을 측정함으로써, 전극을 부착하지 않고 산화물 반도체 박막의 선형 이동도 및 포화 이동도의 면내 분포를 판정ㆍ평가할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한 동시에 트랜지스터의 스위칭 특성을 갖지 않는 영역에 대해 판별할 수 있는 것을 알 수 있었다. 특히 산화물 반도체 박막의 조성의 원소량에 그라데이션을 부여한 것을 측정할 수 있으므로, 재료 개발에 있어서 유용한 것을 알 수 있다.
1 : 펄스 레이저(여기광의 광원)
2 : 마이크로파 발진기
3 : 방향성 결합기
4 : 매직 T
5a : 제1 도파관(신호용 도파관)
5b : 제2 도파관(참조용 도파관)
6 : 믹서
7 : 신호 처리 장치
8 : 컴퓨터
9 : 스테이지 컨트롤러
10 : 시료대
11 : X-Y 스테이지
12 : 기판 보유 지지부
13 : 미러
14 : 집광 렌즈
20 : 시료 기판
20a : 박막 시료
20b : 기판
31 : 글래스 기판
32 : 게이트 전극
33 : 게이트 절연막
34 : 산화물 반도체 박막
35 : 소스ㆍ드레인 전극
36 : 패시베이션 절연막
37 : 콘택트 홀
38 : 측정용 프로브
39 : 측정용 프로브
40 : 측정용 프로브

Claims (4)

  1. 산화물 반도체 박막이 형성된 시료에 여기광 및 마이크로파를 조사하여, 상기 여기광의 조사에 의해 변화되는 상기 마이크로파의 상기 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 최대값을 측정한 후, 상기 여기광의 조사를 정지하고, 상기 여기광의 조사 정지 후의 상기 마이크로파의 상기 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 반사율의 변화를 측정하고, 상기 측정한 값으로부터 라이프타임값을 산출함으로써, 상기 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정하는 것을 특징으로 하는, 산화물 반도체 박막의 평가 방법.
  2. 산화물 반도체 박막이 형성된 시료에 여기광 및 마이크로파를 조사하여, 상기 여기광의 조사에 의해 변화되는 상기 마이크로파의 상기 산화물 반도체 박막으로부터의 반사파의 최대값을 측정함으로써, 상기 산화물 반도체 박막의 이동도를 판정하는 것을 특징으로 하는, 산화물 반도체 박막의 평가 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화물 반도체 박막이, In, Ga, Zn 및 Sn으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상 조합을 포함하는 것인, 산화물 반도체 박막의 평가 방법.
  4. 산화물 반도체 박막을 기판 상에 형성한 후의 반도체 제조 공정 중 어느 하나의 공정에, 제1항 또는 제2항에 기재된 산화물 반도체 박막의 평가 방법을 적용하는 것을 특징으로 하는, 산화물 반도체 박막의 품질 관리 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180126558A (ko) * 2016-04-27 2018-11-27 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 산화물 반도체 박막의 품질 평가 방법, 및 상기 산화물 반도체 박막의 품질 관리 방법, 그리고 해당 품질 평가 방법을 이용하는 반도체의 제조 장치

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5759425B2 (ja) * 2012-07-20 2015-08-05 株式会社神戸製鋼所 薄膜トランジスタの半導体層用薄膜の形成に用いられるターゲット組立体の品質評価方法
JP6152348B2 (ja) * 2013-01-11 2017-06-21 株式会社神戸製鋼所 酸化物半導体薄膜の評価方法及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法
JP5732120B2 (ja) * 2013-09-13 2015-06-10 株式会社神戸製鋼所 酸化物半導体薄膜の評価装置
JP5798669B2 (ja) 2013-12-03 2015-10-21 株式会社神戸製鋼所 酸化物半導体薄膜の評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法、並びに上記評価方法に用いられる評価装置
JP6243800B2 (ja) * 2014-06-09 2017-12-06 株式会社神戸製鋼所 酸化物半導体評価装置および該方法
JP6283273B2 (ja) 2014-07-01 2018-02-21 株式会社神戸製鋼所 薄膜トランジスタ評価用の積層構造体の評価方法
JP5993496B2 (ja) * 2014-07-16 2016-09-14 株式会社神戸製鋼所 酸化物半導体薄膜、及び前記酸化物半導体薄膜の表面に保護膜を有する積層体の品質評価方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法
KR101862085B1 (ko) * 2016-03-03 2018-05-30 에이피시스템 주식회사 Ela 공정용 탈산소 장치
CN106910695A (zh) * 2017-03-08 2017-06-30 京东方科技集团股份有限公司 一种薄膜晶体管的电性特征测试方法及装置
KR102161466B1 (ko) * 2019-11-21 2020-10-05 주식회사 아바코 산화물 반도체 박막 검사장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003332400A (ja) 2002-05-10 2003-11-21 Tokyo Electron Ltd 半導体薄膜用の移動度算出方法及び装置、結晶化レーザアニール方法及び装置
JP2008191123A (ja) 2007-02-08 2008-08-21 Kobe Steel Ltd 薄膜半導体の結晶性測定装置及びその方法
JP2008305859A (ja) 2007-06-05 2008-12-18 Toyota Motor Corp キャリアライフタイムの測定方法
JP2010123872A (ja) 2008-11-21 2010-06-03 Sony Corp 酸化物半導体層の非破壊検査方法、及び酸化物半導体層の作製方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2802825B2 (ja) * 1990-09-22 1998-09-24 大日本スクリーン製造 株式会社 半導体ウエハの電気測定装置
JP4831482B2 (ja) * 2006-06-22 2011-12-07 独立行政法人物質・材料研究機構 個体のキャリア移動度測定方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003332400A (ja) 2002-05-10 2003-11-21 Tokyo Electron Ltd 半導体薄膜用の移動度算出方法及び装置、結晶化レーザアニール方法及び装置
JP2008191123A (ja) 2007-02-08 2008-08-21 Kobe Steel Ltd 薄膜半導体の結晶性測定装置及びその方法
JP2008305859A (ja) 2007-06-05 2008-12-18 Toyota Motor Corp キャリアライフタイムの測定方法
JP2010123872A (ja) 2008-11-21 2010-06-03 Sony Corp 酸化物半導体層の非破壊検査方法、及び酸化物半導体層の作製方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180126558A (ko) * 2016-04-27 2018-11-27 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 산화물 반도체 박막의 품질 평가 방법, 및 상기 산화물 반도체 박막의 품질 관리 방법, 그리고 해당 품질 평가 방법을 이용하는 반도체의 제조 장치
KR102086442B1 (ko) 2016-04-27 2020-03-09 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 산화물 반도체 박막의 품질 평가 방법, 및 상기 산화물 반도체 박막의 품질 관리 방법, 그리고 해당 품질 평가 방법을 이용하는 반도체의 제조 장치

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