(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体薄膜が形成された試料に励起光及びマイクロ波を照射し、前記励起光の照射により変化する前記マイクロ波の前記酸化物半導体薄膜からの反射波の最大値を測定した後、前記励起光の照射を停止し、前記励起光の照射停止後の前記マイクロ波の前記酸化物半導体薄膜からの反射波の反射率の変化を測定し、前記測定した値からライフタイム値を算出することによって、前記酸化物半導体薄膜の移動度を判定することを特徴とする酸化物半導体薄膜の評価方法。
【請求項２】
酸化物半導体薄膜が形成された試料に励起光及びマイクロ波を照射し、前記励起光の照射により変化する前記マイクロ波の前記酸化物半導体薄膜からの反射波の最大値を測定することによって、前記酸化物半導体薄膜の移動度を判定することを特徴とする酸化物半導体薄膜の評価方法。
【請求項３】
前記酸化物半導体薄膜が、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＳｎよりなる群から選択される少なくとも１種以上組み合わせを含むものである請求項１または２に記載の評価方法。
【請求項４】
酸化物半導体薄膜を基板上に形成した後の半導体製造工程のいずれかの工程に、請求項１〜３のいずれかに記載の評価方法を適用することを特徴とする酸化物半導体薄膜の品質管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物半導体薄膜の評価方法に関し、詳細には酸化物半導体薄膜のキャリア移動度を判定・評価する方法、及び酸化物半導体薄膜の品質管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）などを含む酸化物の半導体（酸化物半導体）は、電界効果移動度（移動度）が高いなど、優れた半導体特性を有することから、アクティブマトリクス型ディスプレイの駆動素子などへの適用が検討されている。特に酸化物半導体は、低温で成膜でき、しかも光学バンドギャップが大きいことから、プラスチック基板、フィルム基板への成膜が可能であり、このような基板を使ったフレキシブルディスプレイ、透明ディスプレイなどへの適用が検討されている。
【０００３】
もっとも材料開発においては、要求される特性に応じて酸化物半導体の組成の組み合わせや含有量等を変更する必要があるが、最適な組み合わせを検討する際に、移動度などの電気的特性の検査が必要となる。
【０００４】
また酸化物半導体は耐熱性が十分でなく、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）製造プロセス中の熱処理やプラズマ処理により酸素が脱離して格子欠陥を形成することが知られている。また酸化物半導体は製造工程で水素を取り込んで、電気的には浅い不純物準位を形成することが知られている。このような格子欠陥や水素に起因して酸化物半導体の移動度にばらつきが生じやすく、ＴＦＴ特性にも影響が生じることがある。そのため、ディスプレイなどの製造工程においては、成膜した酸化物半導体薄膜の特性を評価し、その結果をフィードバックして製造条件を調整して膜質の管理を行うことが生産性向上の観点からは重要となる。
【０００５】
従来の半導体薄膜の特性の評価方法としては、通常、半導体薄膜にゲート絶縁膜やパッシベーション絶縁膜を形成して電極付けを行ったうえで、移動度やしきい値などの特性を測定しているが、電極付けを必要とする接触型の測定方法では、電極付けのための時間やコストがかかっていた。また電極付けをすることで、半導体薄膜に新たな欠陥が生じるおそれがあり、更に製造歩留まり向上の観点からも電極付けを必要としない非接触型の測定方法の確立が求められていた。
【０００６】
非接触型で半導体薄膜の特性を評価する方法として、本発明者らはマイクロ波光導電減衰法による評価方法を提案している（特許文献１）。この技術は多結晶ポリシリコンなどの結晶質の半導体薄膜を形成した試料にレーザを照射し、該レーザ照射で励起された過剰キャリアに応じて変化するマイクロ波の反射率の変化を測定することによって、半導体薄膜の結晶性を評価している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１９１１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１の技術は、半導体薄膜に電極付けをする必要がなく、また短時間、且つ高精度で半導体薄膜の結晶性を測定することができるが、結晶質の半導体薄膜の結晶性の評価を行うものであり、酸化物半導体薄膜のような非晶質の薄膜は対象外である。
【０００９】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、酸化物半導体薄膜の電気的特性（特に移動度）を、電極付けすることなく、非接触型で評価・測定する方法、及び酸化物半導体の品質管理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成できた本発明は、酸化物半導体薄膜が形成された試料に励起光及びマイクロ波を照射し、前記励起光の照射により変化する前記マイクロ波の前記酸化物半導体薄膜からの反射波の最大値を測定した後、前記励起光の照射を停止し、前記励起光の照射停止後の前記マイクロ波の前記酸化物半導体薄膜からの反射波の反射率の変化を測定し、前記測定した値からライフタイム値を算出することによって、前記酸化物半導体薄膜の移動度を判定することに要旨を有する酸化物半導体薄膜の評価方法である。
【００１１】
また本発明は、酸化物半導体薄膜が形成された試料に励起光及びマイクロ波を照射し、前記励起光の照射により変化する前記マイクロ波の前記酸化物半導体薄膜からの反射波の最大値を測定することによって、前記酸化物半導体薄膜の移動度を判定することに要旨を有する酸化物半導体薄膜の評価方法である。
【００１２】
本発明では上記酸化物半導体薄膜が、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＳｎよりなる群から選択される少なくとも１種以上組み合わせを含むものであることも望ましい。
【００１３】
本発明の上記評価方法は、酸化物半導体薄膜を基板上に形成した後の半導体製造工程のいずれかの工程に適用して酸化物半導体薄膜の品質を管理することも望ましい実施態様である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電極付けすることなく、非接触で、酸化物半導体薄膜の移動度を定性的または定量的に評価することができる。
【００１５】
したがって、開発段階において様々な組成の酸化物半導体の移動度を短時間で、且つ低コストで評価することができる。また本発明の方法によれば、液晶表示装置などの製造ラインにおいて、酸化物半導体薄膜の電気的特性をインラインで短時間に評価することができ、更に非接触型で行うことができるため、歩留まりの向上など、生産性を向上することができ、酸化物半導体の品質管理を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１はライフタイム測定装置の概略図である。
【図２】図２はライフタイム測定により得られる減衰波形の一例を示す図である。
【図３】図３はＴＦＴ素子構造の模式図である。
【図４】図４は実施例１における各処理条件におけるＩｄ−Ｖｇ特性を示す図である。
【図５】図５は実施例１における各処理条件におけるライフタイム測定結果を示す図である。
【図６】図６は移動度とライフタイム値の関係を示す図である。
【図７】図７は移動度とピーク値の関係を示す図である。
【図８】図８はピーク値のマッピング結果を示す図である。
【図９】図９は移動度のマッピング結果を示す図である。
【図１０】図１０はピーク値のマッピング結果を示す図である。
【図１１】図１１は移動度のマッピング結果を示す図である。
【図１２】図１２はピーク値のマッピング結果を示す図である。
【図１３】図１３は移動度のマッピング結果を示す図である。
【図１４】図１４は移動度のマッピング結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
既に述べたように、本発明者らは先にポリシリコンなどの結晶質の半導体薄膜の結晶性を評価する技術として、マイクロ波光導電減衰法による測定方法を提案している。この技術の測定対象である結晶質の半導体薄膜の場合、レーザアニールによる結晶化の際のレーザ照射時間やレーザ強度などの条件変動により、結晶性にばらつきが生じやすく、この結晶性のばらつきが製品の性能に悪影響を及ぼすことから、結晶性を評価することが重要である。そしてマイクロ波光導電減衰法による評価手法は、電極付けを必要としない非接触型の測定であり、しかも短時間で測定することができることから、本発明者らはこの評価手法を非晶質である酸化物半導体薄膜の特性評価にも適用すべく、鋭意検討を重ねた。
【００１８】
マイクロ波光導電減衰法によって上記半導体薄膜の結晶性を評価する場合、照射したマイクロ波の反射率は、薄膜中の結晶粒径のバラツキやダングリングボンドに起因する欠陥の量（欠陥の存在度合い）などに対応して変化するため、マイクロ波の反射率の時間変化からライフタイムを測定することによって、結晶性を評価することができる。しかしながら本発明で評価・測定対象とする酸化物半導体薄膜の場合、非晶質（アモルファス）であるため、上記結晶質の半導体薄膜と同一の評価（結晶性）をすることはできない。
【００１９】
また結晶質の半導体薄膜を対象とした測定条件をそのまま非晶質の酸化物半導体薄膜に適用しても反射率等を正確に測定することができない。
【００２０】
そこで本発明者らは、まず、酸化物半導体薄膜の反射率等の測定条件について検討した結果、酸化物半導体薄膜に適した励起光の照射条件を設定する必要があることが分かった。
【００２１】
また本発明者らは、酸化物半導体薄膜の特性とライフタイムの測定結果との関係について研究を重ねた結果、詳細は実施例１において説明するが、（ア）酸化物半導体薄膜の移動度とライフタイム値に高い相関関係があること、また（イ）酸化物半導体薄膜の移動度と反射率のピーク値に高い相関関係があることを見出し、本発明に至った。
【００２２】
本発明者らが、（ア）酸化物半導体薄膜の移動度とライフタイム値の関係について検討した結果、まず、反射率がピーク値（最大値）から励起光照射停止後、ピーク値に対して反射率が１／ｅに減衰するまでの時間が遅い程、ライフタイムが長くなるが、ライフタイムの長さに比例して移動度も高くなることが分かった（図６）。したがって酸化物半導体薄膜の場合、ライフタイム値（反射率変化の１／ｅ）を調べることによって、酸化物半導体薄膜の移動度を間接的に評価できる。
【００２３】
また（イ）酸化物半導体薄膜の移動度と反射率のピーク値との関係について検討した結果、反射率のピーク値が高い程（すなわち、マイクロ波の反射率が高い程）、ライフタイムが長くなるが、ピーク値の高さに比例して移動度も高くなることが分かった（図７）。したがって酸化物半導体薄膜の場合、ライフタイム値の代わりにピーク値を調べることによっても、酸化物半導体薄膜の移動度を間接的に評価できる。
【００２４】
すなわち、酸化物半導体薄膜のピーク値及びライフタイム値は、電気的特性の指標である移動度の間接的な評価パラメータとして有用である。
【００２５】
更に本発明者らが検討した結果、詳細は後記実施例２〜４にて説明するが、酸化物半導体薄膜の場合、酸化物半導体膜の組成や元素濃度によっては反射率のピーク値を測定できないものがあることも分かった。すなわち、作製したアモルファス酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が高すぎると、励起光を照射してもピーク値を検出できない。そしてこのようなピーク値を検出できなかった酸化物半導体薄膜を液晶ディスプレイなどの表示装置に用いると、動作不良の原因となることがわかった。
【００２６】
酸化物半導体薄膜の場合、要求される電気的特性にもよるが、一般的にキャリア濃度は低い方が望ましく、例えばキャリア濃度は１０18ｃｍ-3以下であることが望ましいが、上記ピーク値を検出できなかった酸化物半導体薄膜は、いずれもキャリア濃度が１０18ｃｍ-3を上回るものであった。したがって材料開発段階においてピーク値の検出ができない材料は、酸化物半導体膜として使用できないものとして、除外することが可能となる。
【００２７】
以上のように本発明によれば、酸化物半導体薄膜の電気的特性（移動度）を非接触型で評価・判定できるだけでなく、酸化物半導体薄膜の材料開発段階において、酸化物半導体薄膜の組成や元素濃度に応じた移動度の判断も簡易に行うことができる。
【００２８】
以下、図１を参照しながら本発明の実施形態に係る酸化物半導体薄膜の移動度の評価に用いる装置の概略、及び酸化物半導体薄膜の測定・評価方法について説明する。
【００２９】
図１に示す測定装置は、試料（酸化物半導体薄膜）２０ａの測定部位に対して励起光、及びマイクロ波を照射し、その励起光の照射により変化するマイクロ波の試料からの反射波の強度を検出するものである。
【００３０】
薄膜試料２０ａは、ガラス等からなる基板２０ｂ（基材）の表面に形成された酸化物半導体の薄膜であれば特に限定されず、例えばＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＳｎよりなる群から選択される少なくとも１種以上の組み合わせからなる非晶質の酸化物半導体が用いられる。酸化物半導体の薄膜は例えば、数十ｎｍ〜１００ｎｍ程度の厚みであればよく、また酸化物半導体としては、例えばＩｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｚｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｚｎ酸化物が挙げられる。
【００３１】
また基板２０ｂは、各種基板を用いることができるが、例えば、厚み０．７ｍｍ程度、大きさ（広さ）が第１世代〜第１０世代と呼ばれる数十ｃｍ2から数ｍ2を超える液晶表示装置用のガラス基板等を用いることができる。以下、基板２０ｂとその表面に形成された薄膜試料２０ａとを併せて試料基板２０と称する。
【００３２】
測定装置は、図１に示すように、パルスレーザ１、マイクロ波発振器２、方向性結合器３、マジックＴ（４）、第１導波管（信号用導波管）５ａ、第２導波管（参照用導波管）５ｂ、ミキサ６、信号処理装置７、コンピュータ８、ステージコントローラ９、試料台１０、Ｘ−Ｙステージ１１、基板保持部１２、ミラー１３及び集光レンズ１４等を備えている。
【００３３】
パルスレーザ１は、薄膜試料２０ａに照射する励起光を出力する光源であり、例えば実施例に示される、波長３４９ｎｍ、パワー１μＪ／ｐｕｌｓｅ、パルス幅１５ｎｓ程度、ビーム径１．５ｍｍ程度のパルス状の紫外光（ＹＬＦレーザ第三高調波等）を励起光として出射する半導体レーザ等である。上記波長（紫外光の波長）における浸透長は約１０ｎｍであり、実施例の薄膜試料２０ａの膜厚５０ｎｍと比較して十分に短い。
【００３４】
本発明者らが酸化物半導体薄膜に対する減衰波形の検出感度について検討した結果、パルスエネルギーが長くなると、検出感度が悪くなることがわかった。そこで本発明では、減衰波形の検出感度を高めるためにパルスエネルギーを短くすることが望ましく、好ましくは３μＪ／ｐｕｌｓｅ以下、より好ましく１μＪ／ｐｕｌｓｅ以下とすることがよい。
【００３５】
またパルスレーザ１の出力光（励起光）は、薄膜試料２０ａのバンドキャップ以上のエネルギーを有する。ここで励起光が薄膜試料２０ａのバンドキャップ以上のエネルギーを有することは、薄膜試料２０ａの導電率を変化させるための条件である。また、パルスレーザ１はコンピュータ８から伝送されてくるタイミング信号の入力をトリガとして励起光（パルス光）を出力する。なお，タイミング信号は、同時に信号処理装置７に対しても伝送される。
【００３６】
パルスレーザ１から出力された励起光は、ミラー１３で反射されるとともに、集光レンズ１４（集光手段）によって集光され、第１導波管５ａに設けられた微小開口５ｃを通過し、その第１導波管５ａの薄膜試料２０ａに近接する端部（開口部）を通じて、薄膜試料２０ａの測定部位（例えば，直径５〜１０μｍ程度のスポット）に対して照射される。このように、ミラー１３及び集光レンズ１４が、パルスレーザ１から出力された励起光を集光して薄膜試料２０ａへ導く。これにより、薄膜試料２０ａにおける微小な励起光照射領域（測定部位）において、励起キャリアが発生する。
【００３７】
マイクロ波発振器２は、薄膜試料２０ａの測定部位（励起光による励起部を含む部分）に照射するマイクロ波（電磁波）を出力するものである。このマイクロ波発振器２は、例えば、周波数２６ＧＨｚのガンダイオード等である。
【００３８】
方向性結合器３は、マイクロ波発振器２から出力されたマイクロ波を２分岐するものであり、分岐後の一方の出力波（以下、第１マイクロ波Ｏｐ１という）はマジックＴ（４）側へ伝送され、他方の出力波（以下、第２マイクロ波Ｏｐ２という）はミキサ６のＬＯ入力端へ伝送される。この方向性結合器３は、例えば、１０ｄＢカプラ等が採用される。
【００３９】
マジックＴ（４）は、第１マイクロ波Ｏｐ１を２分岐するとともに、２分岐された第１マイクロ波各々の薄膜試料２０ａに対する反射波各々の差信号Ｒｔ１（以下、反射波差信号という）及び和信号を出力するものである。
【００４０】
マジックＴ（４）により２分岐された第１マイクロ波Ｏｐ１の一方（以下、第１主マイクロ波Ｏｐ１１という）は、そのマジックＴ（４）に接続された第１導波管５ａにより、薄膜試料２０ａの測定部位（励起部を含む部分）に導かれてその先端の開口部から放射される。これにより、第１主マイクロ波Ｏｐ１１が薄膜試料２０ａの測定部位に照射される。さらに第１導波管５ａは，前記第１主マイクロ波Ｏｐ１１を放射するアンテナ（導波管アンテナ）としての機能に加え、測定部位に照射された第１主マイクロ波Ｏｐ１１の反射波をその先端開口部で捕捉し，マジックＴ（４）まで折り返し導く（遡って導く）機能も果たす。
【００４１】
一方、マジックＴ（４）により２分岐された第１マイクロ波Ｏｐ１の他方（以下，第１副マイクロ波Ｏｐ１２という）は，マジックＴ（４）に接続された第２導波管５ｂにより、薄膜試料２０ａの測定部位の近傍（励起光による励起部を含まない部分）に導かれてその先端の開口部から放射される。これにより、第１副マイクロ波Ｏｐ１２が、薄膜試料２０ａの測定部位の近傍に照射される。さらに第２導波管５ｂは、第１副マイクロ波Ｏｐ１２を放射するアンテナ（導波管アンテナ）としての機能に加え、測定部位の近傍に照射された第１副マイクロ波Ｏｐ１２の反射波をその先端開口部で捕捉し、マジックＴ（４）まで折り返し導く機能も果たす。ここで、第１導波管５ａがマイクロ波を導く経路長と、第２導波管５ｂがマイクロ波を導く経路長とは等しい（同一経路長）。
【００４２】
また第１導波管５ａ及び第２導波管５ｂによりマジックＴ（４）に導かれた２つの反射波（２分岐後の第１マイクロ波Ｏｐ１１，Ｏｐ１２各々が薄膜試料２０ａに反射したもの）の差信号（反射波差信号Ｒｔ１）が、そのマジックＴ（４）により出力され、ミキサ６のＲＦ入力端に伝送される。
【００４３】
ミキサ６は、第２マイクロ波Ｏｐ２及び反射波差信号Ｒｔ１を混合することによって検波信号Ｓｇ１を出力する。この検波信号Ｓｇ１は，反射波差信号Ｒｔ１の強度（薄膜試料２０ａに照射された第１マイクロ波Ｏｐ１の反射波の強度の一例）を表す信号であり、信号処理装置７に取り込まれる。反射波差信号Ｒｔ１は、後述する基板保持部１２によって所定位置に保持された薄膜試料２０ａに対する励起光の照射によってその強度が変化する。このようにミキサ６は、反射波差信号Ｒｔ１の強度を検出するものであり（電磁波強度検出手段の一例）、このミキサ６の代わりに、マイクロ波を入力してその強度に応じた電気信号（電流或いは電圧）出力するマイクロ波検出器（検波器）が設けられてもよい。
【００４４】
ミキサ６により検出される反射波差信号Ｒｔ１の強度は、薄膜試料２０ａの測定部位に対する励起光の照射により変化する。具体的には，反射波差信号Ｒｔ１の強度は、励起光（パルス光）の照射によって一時的に強くなった後に減衰する。また測定部位に不純物や欠陥等が多いほど反射波差信号Ｒｔ１の強度のピーク値は小さくなり，その減衰時間（キャリア寿命）も短くなる。
【００４５】
ここで励起光（パルス光）の照射により変化する反射波差信号Ｒｔ１の強度についてそのピーク値やピークが生じてから所定レベルに減衰するまでの時間（減衰時間：ライフタイム値）が薄膜試料２０ａのキャリア移動度を評価する指標値となる。
【００４６】
なお、反射波差信号Ｒｔ１に対して所定の遅延回路によって遅延処理を施すことにより、そのピーク値付近についてのみ信号変化の速度を遅延させることができ、実際の信号測定のサンプリング周波数が比較的小さくても、実効的なサンプリング周波数を擬似的に高めることができる。
【００４７】
信号処理装置７は、ミキサ６により検出される反射波差信号Ｒｔ１の強度の変化のピーク値Ｓｐを検出し、その検出結果をコンピュータ８に伝送する装置である。より具体的には信号処理装置７は、コンピュータ８からのタイミング信号の入力をトリガとして反射波差信号Ｒｔ１の変化を所定時間監視し，その間に得られる反射波差信号Ｒｔ１のレベルの最高値を反射波差信号Ｒｔ１の強度の変化のピーク値Ｓｐとして検出する。ここで信号処理装置７は、反射波差信号Ｒｔ１に対して遅延処理を施す遅延回路を備え、遅延処理後の信号に対して所定のサンプリング周波数で信号強度を順次検出し、その検出値の変化から反射波差信号Ｒｔ１の強度の変化のピーク値Ｓｐを検出する。
【００４８】
コンピュータ８は、ＣＰＵ、記憶部、入出力信号のインターフェース等を備え、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって各種の処理を実行する。
【００４９】
例えば、コンピュータ８は、パルスレーザ１及び信号処理装置７に対して励起光の出力タイミングを表すタイミング信号を出力するとともに、信号処理装置７によって検出される反射波差信号Ｒｔ１のピーク値Ｓｐを取り込んで当該コンピュータ８が備える記憶部に記録する。記録された反射波差信号Ｒｔ１は、薄膜試料２０ａのキャリア移動度の評価に用いられる。
【００５０】
またステージコントローラ９は、コンピュータ８からの指令に従ってＸ−Ｙステージ１１を制御することにより、薄膜試料２０ａにおける測定部位の位置決め制御を行う。
【００５１】
試料台１０は、アルミニウム、ステンレス或いは鉄等の金属又はその他の導体からなる板状部材（導体部材）であり、その上側に基板保持部１２が設けられ、さらにその基板保持部１２の上に試料基板２０が載置される。これにより試料台１０は、薄膜試料２０ａを
含む試料基板２０に対して前記第１マイクロ波Ｏｐ１１、Ｏｐ１２が照射される側と反対側（試料基板２０の下側）に配置される。
【００５２】
基板保持部１２は、試料台１０に対してその上側に固定された固形の誘電体である。図１に示すように、基板保持部１２は基板２０ｂ（基材）と試料台１０（導体部材）との間に挿入される固形の誘電体であり、その材質は、例えばガラスやセラミック等の比較的屈折率の大きな誘電体である。これにより基板保持部１２を媒質とするマイクロ波の波長が短くなり、基板保持部１２としてより厚みの薄い軽量なものを採用できる。
【００５３】
なお、基板保持部１２として複数種類の材質からなる誘電体を採用することも考えられるが、異なる材質の界面でのマイクロ波の反射等による損失を考慮すると、基板保持部１２は単一材質の誘電体を採用することが望ましい。
【００５４】
また基板保持部１２は、上方から（マイクロ波の照射方向から）見て薄膜試料２０全体を含む大きさ（例えば、約１ｍ×１ｍ以上の大きさ）に形成されている。ここで基板保持部１２は、例えば試料台１０に形成された窪み（凹部）に嵌合されることにより、或いは所定の固定具を介して試料台１０にビス止めされることにより、試料台１０に対して固定される。
【００５５】
液晶表示装置用のガラス基板等の量産品である試料基板２０は、その厚み（基板２０ｂ及び薄膜試料２０ａの厚み）が予めわかっているため、基板保持部１２の厚みは、試料基板２０の既知の厚みに応じて決定される。また厚みが異なる複数種類の試料基板２０が測定対象となる場合は、厚みが異なる複数種類の基板保持部１２を用意して、それを試料台１０に対して着脱自在（交換可能）に構成し、試料基板２０の厚みに応じた基板保持部１２を試料台１０に対して装着すればよい。
【００５６】
例えば、マイクロ波の周波数が２．６５ＧＨｚ、基板２０ｂ及び基板保持部１２（マイクロ波の媒質）が屈折率２．３５のガラスであり、基板２０ｂの厚みが０．７ｍｍである場合、ガラス媒質中におけるマイクロ波の波長λｍが４．８１ｍｍとなるので、基板保持部１２の厚みを０．５ｍｍ程度（≒４．８１／４−０．７０）とすればよい。
【００５７】
次に酸化物半導体薄膜の評価方法について図１、図２を参照しながら説明する。
【００５８】
後記実施例１で詳述するが、酸化物半導体薄膜のキャリア移動度は、ライフタイム値やキャリアピーク値（＝反射率のピーク値）と相関関係があるため、ライフタイム値やピーク値を算出することによって、酸化物半導体薄膜のキャリア移動度を間接的に評価・判定できる。
【００５９】
図２はマイクロ波光導電減衰法における過剰のキャリア密度の変化の様子を示した図である（グラフはキャリア密度を表す）。酸化物半導体薄膜試料に照射した励起光によって、酸化物半導体薄膜に吸収されて過剰キャリア（励起キャリア）を生成し、過剰キャリア密度が増加すると共にその消失速度が増え、キャリア注入速度と消失速度が等しくなったときに過剰キャリア密度は一定のピーク値となる。そして該過剰キャリアの生成と消滅の速度が等しくなると飽和して一定の値を維持するようになるが、励起光の照射を停止すると、過剰キャリアの再結合、消滅により、過剰キャリアが減少し、最終的には励起光照射前の値に戻ることが知られている。
【００６０】
このようなマイクロ波光導電減衰法を利用してライフタイム値、またはピーク値を測定することによって酸化物半導体薄膜の移動度を判定することができるのは、次のような理由に基づくものと思われる。
【００６１】
酸化物半導体薄膜試料に照射されたマイクロ波は、酸化物半導体薄膜の自由キャリア密度で決まる抵抗率に基づいた反射率で反射される。励起光の照射によって過剰キャリアが生成すると酸化物半導体薄膜の抵抗率が減少するため、該抵抗率の減少に伴ってマイクロ波の反射率は増加する。また励起光の照射停止により、過剰キャリア数が減少するに従って抵抗率が上昇するため、マイクロ波の反射率は減少する。
【００６２】
もっとも、マイクロ波の反射波の強度は、励起光の照射により測定部位に生じる過剰キャリアの影響を受けるが、その影響度合いは、試料中の欠陥等の程度にも依存する。即ち、酸化物半導体薄膜試料に照射したマイクロ波の反射波の強度は、励起光の照射によって一時的に強くなった後に減衰するが、試料中の欠陥等が多いほど、その反射波の強度のピーク値は小さくなり、その減衰時間（キャリア寿命）も短くなる。そのため半導体試料に照射したマイクロ波の反射波の強度は、試料のキャリア移動度の指標となる。実施例１で詳述する様にライフタイム値は酸化物半導体薄膜試料のキャリア移動度と比例することから、ライフタイム値が高ければ、移動度も高いと評価することができる（図６）。
【００６３】
したがって、酸化物半導体薄膜が形成された試料に励起光及びマイクロ波を照射し、励起光の照射により変化するマイクロ波の酸化物半導体薄膜からの反射波の最大値（ピーク値）を測定した後、励起光の照射を停止し、励起光の照射停止後のマイクロ波の酸化物半導体薄膜からの反射波の反射率の変化を測定し、測定した値からライフタイム値（反射率変化の１／ｅ）を算出することによって、酸化物半導体薄膜の移動度を判定することができる。
【００６４】
また同様に実施例１で詳述するが、酸化物半導体薄膜のキャリア移動度と反射率のピーク値に相関関係があるため（図７）、反射率のピーク値を測定することによって、酸化物半導体膜のキャリア移動度を判定できる。
【００６５】
したがって酸化物半導体薄膜が形成された試料に励起光及びマイクロ波を照射し、励起光の照射により変化するマイクロ波の酸化物半導体薄膜からの反射波の最大値（ピーク値）を測定することによって、酸化物半導体薄膜の移動度を判定することができる。
【００６６】
上記のとおり、酸化物半導体薄膜の移動度は、ライフタイム値に基づいて評価してもよいし、あるいはピーク値に基づいて評価してもよい。いずれの方法によっても非破壊かつ非接触で酸化物半導体薄膜の移動度を判定することができる。
【００６７】
また本発明の酸化物半導体薄膜の評価方法を酸化物半導体薄膜を基板上に形成した後の製造工程のいずれかの工程に適用することによって、酸化物半導体薄膜の特性を評価し、その結果をフィードバックして製造条件を調整して膜質の管理を行うことができるため、酸化物半導体の品質管理を適切に行うことができる。
【００６８】
なお、上記製造工程中で測定するポイントとしては、例えば基板上への酸化物半導体薄膜の形成直後に行っても良いし、同酸化物半導体薄膜を例えば酸素や水蒸気による熱処理後に行っても良いし、パッシベーション絶縁膜の形成前に行ってもよく、いろいろな工程後に測定することが可能である。さらに基材上の複数のポイントを測定することで酸化物半導体薄膜の面内分布を測定することもできる。
【実施例】
【００６９】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される
。
【００７０】
（実施例１）
実施例１では酸化物半導体薄膜のキャリア移動度とライフタイム値、またはピーク値との間の相関関係について以下の実験を行って調べた。
【００７１】
まず、マイクロ波光導電減衰法に基づいてライフタイム等を測定するため、アモルファスの酸化物半導体薄膜（ＩｎＧａＺｎＯ）のサンプルを作製した。まず、ガラス基板（コーニング社製ＥＡＧＬＥ２０００：６インチ）に、下記条件で酸化物半導体薄膜をスパッタリング法で成膜した。
スパッタリングターゲット組成：ＩｎＧａＺｎＯ4（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）
基板温度：室温
酸化物半導体層の膜厚：１００ｎｍ
酸素添加量：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）＝２％
【００７２】
続いて酸化物半導体薄膜の移動度を変えるために下記の条件でプレアニール処理を行って試料を得た（試料Ｎｏ．１はプレアニール処理を行っていない）。
試料Ｎｏ．１：プレアニールなし
試料Ｎｏ．２：プレアニール条件１：大気圧、酸素１００％、温度：３５０℃、１時間
試料Ｎｏ．３：プレアニール条件２：水蒸気分圧５０％／酸素５０％、温度：３５０℃、１時間
【００７３】
得られた各試料について、下記条件で図１に示す様な構成を有する装置（具体的には株式会社コベルコ科研製：ＬＡＴ−１８２０ＳＰ）を用いてマイクロ波光導電減衰法によって反射率の変化を測定した。
【００７４】
マイクロ波光導電減衰法における条件は以下の通りである。
レーザ波長：３４９ｎｍ（紫外光）
パルス幅：１５ｎｓ
パルスエネルギー：１μＪ／ｐｕｌｓｅ
ビーム径：１．５ｍｍφ
１測定におけるパルス数=６４ショット
装置：ＬＴＡ−１８２０ＳＰ（株式会社コベルコ科研製）
【００７５】
上記マイクロ波光導電減衰法に基づいて測定した反射率の変化とライフタイムの測定結果を図５に示す。また図５の減衰波形から算出される各試料のライフタイム値（μｓ：なお、ｓは秒の意味）とピーク値（ｍＶ）を表２に示す。
【００７６】
キャリア移動度の測定
また上記試料Ｎｏ．１〜３のキャリア移動度について調べるため、図３に示す試料を作製して測定した。具体的には上記試料の作製に用いたガラス基板３１上にＭｏゲート電極（厚さ１００ｎｍ）３２、ゲート絶縁膜（ＳｉＯ2：厚さ２００ｎｍ）３３を形成し、その上に上記試料と同じ条件で酸化物半導体薄膜（５０ｎｍ）３４を形成した。その後、酸化物半導薄膜３４をウェットエッチング（エッチャントは関東化学製ＩＴＯ-０７Ｎ）にてパターニングした。この直後に酸化物半導体薄膜３４の膜質改善のために熱処理を行った（プレアニール処理条件は上記試料Ｎｏ．１〜３と同じ）。その後、酸化物半導体薄膜３４の上にソース・ドレイン電極（純Ｔｉ：厚さ２００ｎｍ）３５をリフトオフ法（成膜温度：室温）で形成し（ソース・ドレイン間のチャンネル長Ｌ：１０μｍ、電極幅：２００μｍ）、その上にパッシベーション絶縁膜（ＳｉＮ／ＳｉＯ2：下層ＳｉＯ2膜厚さ１５０ｎｍ、上層ＳｉＮ膜厚さ１００ｎｍ）３６を形成した。パッシベーション膜をＤＶＤ法によって成膜したが、成膜時にプラズマダメージによって酸化物半導体層表面が導通化することを回避するためにパッシベーション成膜前にＮ2Ｏプラズマ照射を行った。Ｎ2Ｏプラズマの照射条件は公知文献（Ｊ．Ｐａｒｋら：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９３，０５３５０５（２００８））を参照した（Ｎ2Ｏガス流量：１００ｓｃｃｍ、プラズマ照射時圧力：１３３Ｐａ、プラズマ発生電力：１００ｍＷ／ｃｍ２、プラズマ照射時間：３００ｓｅｃ、プラズマ照射温度：２５０℃、成膜温度：２５０℃）。パッシベーション絶縁膜形成後、電気的特性を測定するためにフォトリソグラフィーとドライエッチを行い、コンタクトホール３７を開口した。そしてゲート電極３２のコンタクトホールには測定用プローブ３８を、ソース電極３５には測定用プローブ３９を、ドレイン電極３５には測定用プローブ４０を接触させて、上記試料Ｎｏ．１〜３に対応する薄膜トランジスタ試料Ｎｏ．１〜３を作製し、各薄膜トランジスタの電気的な評価（Ｉｄ−Ｖｇ特性）を行った。
【００７７】
その結果を図４（Ｉｄ−Ｖｇ特性）に示す。また図４から算出した各試料の移動度（線形移動度）を表１に示す。線形移動度は以下の式に基づいて算出した。
Ｉｄ＝（Ｗ／Ｌ）×μ×Ｃｏｘ×（Ｖｇ−Ｖｔｈ）×Ｖｄ
式中、Ｗは酸化物半導体薄膜のチャネル幅、Ｌは同チャネル長、μは線形移動度、Ｃｏｘはゲート絶縁膜容量、Ｖｇはゲート電圧、Ｖｔｈはしきい値電圧、Ｖｄはドレイン電圧である。本実施例では、Ｗは２００μｍ、Ｌは１０μｍ、Ｃｏｘは絶縁膜材料と膜厚から１．６８×１０−４Ｆ／ｍ2、Ｖｇは２０〜３０Ｖの領域、Ｖｄは１０Ｖとした（Ｖｇを２０〜３０Ｖの領域数点にてＩｄを測定することで、Ｖｔｈなしにμの算出ができる）。
【００７８】
上記測定によって得られた結果（表１と表２）に基づき、移動度とライフタイム値をプロットしたものを図６に、移動度とピーク値をプロットしたものを図７に示す。
【００７９】
【表１】
0005814558.tif 000002
【００８０】
【表２】
0005814558.tif 000003
【００８１】
以上の試験結果から次のことがわかる。
【００８２】
図４からは、プレアニールを行わなかった薄膜トランジスタ試料Ｎｏ．１よりも、プレアニールを行った薄膜トランジスタ試料Ｎｏ．２、３の移動度が高く、更に水蒸気処理した薄膜トランジスタ試料Ｎｏ．３は最も高い移動度を有することが分かる。
【００８３】
また図５からは、プレアニールを行わなかった試料Ｎｏ．１よりも、プレアニールを行った試料Ｎｏ．２、３のライフタイムが長く、更に水蒸気処理したＮｏ．３は最も長いライフタイムを有することが分かる。
【００８４】
更に図６からは、移動度とライフタイム値に相関関係があることが分かる。すなわち、ライフタイムが長く、ライフタイム値が高いほど、移動度も高くなる傾向が図６から読み
取ることができる。
【００８５】
また図７からは、移動度とピーク値に相関関係があることがわかる。すなわち、ピーク値が高いほど、移動度も高くなる傾向が図７から読み取ることができる。
【００８６】
そしてこの実験結果から、マイクロ波光導電減衰法によって得られるライフタイム値、及びピーク値を測定することによって、酸化物半導体薄膜の移動度を判定・評価できることがわかった。
【００８７】
（実施例２）
実施例２ではマイクロ波光導電減衰法（実施例１と同じ装置を使用）で試料のライフタイムの面内分布を測定・評価するために、以下の酸化物半導体薄膜のサンプルを作製した。
【００８８】
酸化物半導体薄膜は組成の異なる２つのスパッタリングターゲットを同時放電するＣｏ−Ｓｐｕｔｔｅｒ法を用いて行った。２つのスパッタリングターゲットのちょうど中間直下に基板を固定することで、基板面内に２つのスパッタリングターゲット組成の元素量が傾斜した薄膜を形成できる。なお、基板は実施例１と同じガラス板を用いた。
【００８９】
Ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒの成膜条件は以下の通りである。
スパッタリングターゲット組成：ＺｎＯ、ＺｎＳｎＯ（Ｚｎ：Ｓｎの組成比は３：２）
基板温度：室温
酸化物半導体層の基板中心膜厚：１００ｎｍ
酸素添加量：Ｏ2／（Ａｒ／Ｏ2）×１００＝２％
【００９０】
続いてプレアニール処理（大気圧、酸素１００％、温度３５０℃、１時間）を実施した。プレアニール処理後、得られた試料について、実施例１と同じ条件でマイクロ波光導電減衰法によってライフタイムを測定すると共に、ピーク値をマッピングした。結果を図８に示す。
【００９１】
図８では、Ｘ軸左側（Ｙ軸方向）にいくほど、膜組成がＺｎＯターゲット組成に近くなり、Ｘ軸右側にいくほどＺｎＳｎＯ（Ｚｎ：Ｓｎ比が６：４）ターゲット組成に近くになっている。
【００９２】
また図８からは、Ｘ軸左側方向にいくほど、ピーク強度が弱まっていることが示されている。これは膜組成がＺｎＯターゲット組成に近づくほど（ＺｎＯリッチになるほど）、キャリア濃度が高くなることを示しており、特にキャリア濃度が１０18ｃｍ-3を超えると、励起光照射による過剰キャリアが励起されていないことを意味する。このことから、試料の左側部分（図中、ピーク値が５００ｍＶ未満で示される領域）は酸化物半導体薄膜として、トランジスタ特性を示さない部分であることが分かる。
【００９３】
一方、試料の右側部分（図中、特にピーク値が１５００ｍＶ以上で示される領域）は、均一な反射率ピーク値の面内分布を示しており、トランジスタとして好ましい電気的特性を有する膜組成であることが分かる。
【００９４】
確認のため、上記試料を用いた薄膜トランジスタの移動度について調べるため、上記実施例１と同様に図３に示す試料を作製して測定した。なお、酸化物半導体薄膜は上記したようにＣｏ−ｓｐｕｔｔｅｒ法にて形成した。
【００９５】
この試料のスイッチング特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）を測定し、この測定値から算出される
移動度をマッピングした結果を図９に示す（図中、Ｘ−Ｙ軸に記載の１〜２０の連番は薄膜トランジスタのアドレス番号である）。図中、白抜き数字は移動度（ｃｍ2／Ｖｓ：なお、ｓは秒の意味）を表し、数字が大きいほど、移動度も高いことを示すが、移動度が０．１ｃｍ2／Ｖs以下の領域は、スイッチング特性が得られない領域である。
【００９６】
薄膜トランジスタのスイッチング特性から移動度を算出したが、トランジスタのスイッチング特性を示さない高キャリア濃度領域（１０18ｃｍ-3以上）では移動度が０．１ｃｍ2／Ｖs以下であった(図中、０．０は算出不能を意味する)。そして図９中、移動度が０．１ｃｍ2／Ｖs以下の領域は、移動度が低く、トランジスタ特性を有さない領域である。
【００９７】
そしてこの実験結果から、マイクロ波光導電減衰法によって得られる反射率ピーク値を測定することによって、電極付けせずに酸化物半導体薄膜の移動度の面内分布を判定・評価できることがわかった。また同時にトランジスタのスイッチング特性を有さない領域について判別できることがわかった。特に酸化物半導体薄膜の組成の元素量にグラデーションを付けたものを測定できるため、材料開発において有用であることがわかる。
【００９８】
（実施例３）
実施例３ではマイクロ波光導電減衰法（実施例１と同じ装置を使用）で試料のライフタイムの面内分布を測定・評価するために、以下の酸化物半導体薄膜のサンプルを作製した。
【００９９】
酸化物半導体薄膜の成膜は、組成の異なる３つのスパッタリングターゲットを同時放電するＣｏ−Ｓｐｕｔｔｅｒ法を用いて行った。３つのスパッタリングターゲットの中間直下に基板を固定することで、基板面内に３つのスパッタリングターゲット組成の元素量が傾斜した薄膜を形成できる。なお、基板は実施例１と同じガラス板を用いた。
【０１００】
Ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒの成膜条件は以下の通りである。
スパッタリングターゲット組成：ＺｎＯ、ＺｎＳｎＯ（Ｚｎ：Ｓｎの組成比は３：２）、Ａｌ2Ｏ3
基板温度：室温
酸化物半導体層の基板中心膜厚：１００ｎｍ
酸素添加量：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）×１００＝２％
【０１０１】
続いてプレアニール処理（大気圧、酸素１００％、温度３５０℃、１時間）を実施した。プレアニール処理後、得られた試料について、実施例１と同じ条件でマイクロ波光導電減衰法によってライフタイムを測定すると共に、ピーク値をマッピングした。結果を図１０に示す。
【０１０２】
図１０では、Ｘ軸左側方向（Ｙ軸方向）にいくほど、膜組成がＺｎＯターゲット組成に近くなり、Ｘ軸右側方向にいくほどＺｎＳｎＯ（Ｚｎ：Ｓｎ比が６：４）ターゲット組成に近くになっている。またＹ軸上側方向（Ｘ軸と反対方向）にいくほど、Ａｌのドーピング濃度が高くなる。
【０１０３】
図１０からは、試料のＸ軸左側方向にいくほど、ピーク強度が弱まっていることが分かる。これは膜組成がＺｎＯターゲット組成に近づくほど（ＺｎＯリッチになるほど）、キャリア濃度が高くなることを示しており、特にキャリア濃度が１０18ｃｍ-3を超えると、励起光照射による過剰キャリアが励起されていないことを意味する。このことから、試料の左側部分（図中、ピーク値が４８０ｍＶ未満で示される領域）はアモルファス酸化物半導体薄膜として、トランジスタ特性を示さない部分であることが分かる。
【０１０４】
また、試料の右側部分であっても、Ａｌドープ量が高くなる上側にいくほど（図中、ピーク値が４８０ｍＶ未満で示される領域）、ピーク値が減少し、酸化物半導体薄膜として、トランジスタ特性を示さない部分であることが分かる。
【０１０５】
なお、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ  ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって試料の組成分析をした結果、Ａｌドープ量がもっとも高くなる基板上側のエッジ部分ではＡｌは１０原子％であり、Ａｌ濃度が低くなる基板下側のエッジ部分ではＡｌは２原子％であった。
【０１０６】
一方、図１０からは、試料の右下側部分（図中、ピーク値が１４００ｍＶ以上で示される領域）は、均一な反射率ピーク値の面内分布を示しており、トランジスタとして好ましい電気的特性を有する膜組成であることが分かる。
【０１０７】
確認のため、上記試料を用いた薄膜トランジスタの移動度について調べるため、上記実施例１と同様に図３に示す試料を作製して測定した。なお、酸化物半導体薄膜は上記したようにＣｏ−ｓｐｕｔｔｅｒ法にて形成した。
【０１０８】
この薄膜トランジスタのスイッチング特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）を測定し、この測定値から算出される移動度をマッピングした結果を図１１に示す（図中、Ｘ−Ｙ軸に記載の１〜２０は薄膜トランジスタのアドレス番号である）。図中、数字が大きいほど、移動度も高いことを示すが、移動度が０．１ｃｍ2／Ｖs以下の領域は、スイッチング特性が得られない領域である。
【０１０９】
薄膜トランジスタのスイッチング特性から移動度を算出したが、トランジスタのスイッチング特性を示さない高キャリア濃度領域（１０18ｃｍ-3以上）では移動度が０．１ｃｍ2／Ｖs以下であった(図中、０．０は算出不能を意味する)。そして、図中、移動度が０．１ｃｍ2／Ｖs以下の領域は、移動度が低く、トランジスタ特性を有さない領域である。
【０１１０】
また図中右側部分においても、Ａｌドーピング濃度が高くなる上側では、Ａｌドープ量が高くなる上側にいくほど移動度が低下することがわかった。
【０１１１】
そしてこの実験結果から、マイクロ波光導電減衰法によって得られる反射率ピーク値を測定することによって、電極付けせずに酸化物半導体薄膜の移動度の面内分布を判定・評価できることがわかった。また同時にトランジスタのスイッチング特性を有さない領域について判別できることがわかった。特に酸化物半導体薄膜の組成の元素量にグラデーションを付けたものを測定できるため、材料開発において有用であることがわかる。
【０１１２】
（実施例４）
実施例４ではマイクロ波光導電減衰法（実施例１と同じ装置を使用）で試料のライフタイムの面内分布を測定・評価するために、以下の酸化物半導体薄膜のサンプルを作製した。
【０１１３】
酸化物半導体薄膜の成膜は、組成の異なる３つのスパッタリングターゲットを同時放電するＣｏ−Ｓｐｕｔｔｅｒ法を用いて行った。３つのスパッタリングターゲットの中間直下に基板を固定することで、基板面内に３つのスパッタリングターゲット組成の元素量が傾斜した薄膜を形成できる。なお、基板は実施例１と同じガラス板を用いた。
【０１１４】
Ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒの成膜条件は以下の通りである。
スパッタリングターゲット組成：Ｉｎ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＺｎＯ
基板温度：室温
酸化物半導体層の基板中心膜厚：１００ｎｍ
酸素添加量：Ｏ2／（Ａｒ＋Ｏ2）×１００＝２％
【０１１５】
続いてプレアニール処理（大気圧、酸素１００％、温度３５０℃、１時間）を実施した。プレアニール処理後、得られた試料について、実施例１と同じ条件でマイクロ波光導電減衰法によってライフタイムを測定すると共に、ピーク値をマッピングした。結果を図１２に示す。
【０１１６】
図１２では、Ｘ軸左側方向にいくほど、膜組成がＩｎ2Ｏ3ターゲット組成に近くなり、Ｘ軸右側方向にいくほどＺｎＯターゲット組成に近くになっている。またＹ軸上側方向（Ｘ軸と反対方向）にいくほど、Ｇａ2Ｏ3ターゲット組成に近くなっている。
【０１１７】
図１２からは、試料のＸ軸右側方向、ＺｎＯターゲット組成に近いほど、（図中、ピーク値が３０ｍＶ未満で示される領域）、ピーク値が減少し、酸化物半導体薄膜として、トランジスタ特性を示さない部分であることが分かる。
【０１１８】
また、試料のＹ軸上側方向であっても、Ｇａ2Ｏ3ターゲット組成に近い上側にいくほど（図中、ピーク値が３０ｍＶ未満で示される領域）、ピーク値が減少し、酸化物半導体薄膜として、トランジスタ特性を示さない部分であることが分かる。
【０１１９】
一方、図１２からは、試料の左下側部分（図中、ピーク値が３００ｍＶ以上で示される領域）は、均一な反射率ピーク値の面内分布を示しており、トランジスタとして好ましい電気的特性を有する膜組成であることが分かる。
【０１２０】
確認のため、上記試料を用いた薄膜トランジスタの移動度について調べるため、上記実施例１と同様に図３に示す試料を作製して測定した。なお、酸化物半導体薄膜は上記したようにＣｏ−ｓｐｕｔｔｅｒ法にて形成した。
【０１２１】
この薄膜トランジスタのスイッチング特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）を測定し、この測定値から算出される移動度をマッピングした結果を図１３に示す（図中、Ｘ−Ｙ軸に記載の１〜２０は薄膜トランジスタのアドレス番号である）。図中、数字が大きいほど、移動度も高いことを示すが、移動度が０．１ｃｍ２／Ｖs以下の領域は、スイッチング特性が得られない領域である。
【０１２２】
図１３中の右側のＺｎＯターゲット組成に近いところ及び上側のＧａ2Ｏ3ターゲット組成に近いところにおいて、移動度が低下することがわかった。
【０１２３】
さらに、この薄膜トランジスタのスイッチング特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）から、以下の式により算出される飽和移動度をマッピングした結果を図１４に示す（図中、Ｘ−Ｙ軸に記載の１〜２０は薄膜トランジスタのアドレス番号である）。図中、数字が大きいほど、飽和移動度も高いことを示すが、飽和移動度が０．１ｃｍ２／Ｖs以下の領域は、スイッチング特性が得られない領域である。
Ｉｄ＝（Ｗ／２Ｌ）×μ×Ｃｏｘ×（Ｖｇ−Ｖｔｈ）2
式中、Ｗは酸化物半導体薄膜のチャネル幅、Ｌは同チャネル長、μは飽和移動度、Ｃｏｘはゲート絶縁膜容量、Ｖｇはゲート電圧、Ｖｔｈはしきい値電圧である。本実施例では、Ｗは２００μｍ、Ｌは１０μｍ、Ｃｏｘは絶縁膜材料と膜厚から１．６８×１０−4Ｆ／ｍ2、Ｖｇは２０〜３０Ｖの領域とした（Ｖｇを２０〜３０Ｖの領域数点にてＩｄを測定することで、Ｖｔｈなしにμの算出ができる）。
【０１２４】
図１４中の右側のＺｎＯターゲット組成に近いところ及び上側のＧａ2Ｏ3ターゲット組成に近いところにおいて、飽和移動度が低下することがわかった。
【０１２５】
そしてこの実験結果から、マイクロ波光導電減衰法によって得られる反射率ピーク値を測定することによって、電極付けせずに酸化物半導体薄膜の線形移動度及び飽和移動度の面内分布を判定・評価できることがわかった。また同時にトランジスタのスイッチング特性を有さない領域について判別できることがわかった。特に酸化物半導体薄膜の組成の元素量にグラデーションを付けたものを測定できるため、材料開発において有用であることがわかる。
【符号の説明】
【０１２６】
１ ：パルスレーザ（励起光の光源）
２ ：マイクロ波発振器
３ ：方向性結合器
４ ：マジックＴ
５ａ：第１導波管（信号用導波管）
５ｂ：第２導波管（参照用導波管）
６ ：ミキサ
７ ：信号処理装置
８ ：コンピュータ
９ ：ステージコントローラ
１０：試料台
１１：Ｘ−Ｙステージ
１２：基板保持部
１３：ミラー
１４：集光レンズ
２０：試料基板
２０ａ：薄膜試料
２０ｂ：基板
３１：ガラス基板
３２：ゲート電極
３３：ゲート絶縁膜
３４：酸化物半導体薄膜
３５：ソース・ドレイン電極
３６：パッシベーション絶縁膜
３７：コンタクトホール
３８：測定用プローブ
３９：測定用プローブ
４０：測定用プローブ
【図１】
0005814558.tif 000004
【図２】
0005814558.tif 000005
【図６】
0005814558.tif 000006
【図７】
0005814558.tif 000007
【図３】
0005814558.tif 000008
【図４】
0005814558.tif 000009
【図５】
0005814558.tif 000010
【図８】
0005814558.tif 000011
【図９】
0005814558.tif 000012
【図１０】
0005814558.tif 000013
【図１１】
0005814558.tif 000014
【図１２】
0005814558.tif 000015
【図１３】
0005814558.tif 000016
【図１４】
0005814558.tif 000017