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分光エリプソメーター SiCホモエピタキシャル薄膜の膜厚評価
炭化シリコン(SiC)はシリコン(Si)と比べてバンドギャップが広く、絶縁破壊電界が約8倍と大きいため、電界効果トランジスタ(MOSFET)や絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)などのパワーデバイスの材料として使われており、SiCのトランジスタには薄膜と同じ材料であるSiC基板が多く用いられています。基板とその上の薄膜が同じ材料の場合一般的には光学定数(n&k)が等しく、光学的な手法では膜厚を求めることが困難です。SiやGaAsなどではドーピングの量と種類の違いによるキャリア密度の差が104cm-3以上無いと光学定数の差が見られませんが、SiCの場合、キャリア密度の差が102cm-3以上あれば、薄膜と基板の間にわずかな光学定数差が生じ測定データに小さい干渉が現れます。
分光エリプソメーターUVISEL Plusはこのようなわずかな干渉でも精度よく測定することができ、膜厚や光学定数と表面状態を求めることが可能になります。このSiC基板上のSiC薄膜を非破壊・非接触で評価できれば、パワーデバイスの研究開発や品質管理を行う上で非常に役立ちます。
本アプリケーションノートでは、分光エリプソメーターによるSiCホモエピタキシャル薄膜の膜厚評価について紹介いたします。
分光エリプソメーターの概要
分光エリプソメトリーは、入射光と反射光の偏光状態の変化を波長ごとに計測し、得られた測定データをもとに光学モデルを作成、フィッティング計算をすることにより薄膜の膜厚および光学定数（屈折率n、消衰係数k）を非破壊、非接触で求める分析手法です。この手法を行う装置を分光エリプソメーターといいます。
図1 分光エリプソメーターの概要
測定結果
図2 試料構造と光学モデルにより得られた膜厚
図3 測定データとフィッティングカーブ（全体）
図4 測定データとフィッティングカーブ（低エネルギー側拡大）
エレクトロニクスアプリケーション
分光エリプソメーター ゲート絶縁超薄膜の分析 ▶
電界効果トランジスタ(MOSFET)に用いられるゲート絶縁膜は、薄膜化することにより性能を向上させてきました。従来ゲート絶縁膜に用いられていたのは酸化膜(SiO2)でしたが、膜厚が薄くなりすぎると絶縁性の効果が低くなり、リーク電流が発生することでMOSFETが機能しなくなります。その問題を解決する方法として、ゲート絶縁膜が薄くても絶縁性を保つ、酸化膜よりも誘電率の高い高誘電率(High-k)材料が用いられるようになってきております。本アプリケーションノートでは、分光エリプソメーターUVISEL PlusによるHigh-k材料のHfOx超薄膜の膜厚と、膜厚による膜質(屈折率)の変化について紹介しています。
分光エリプソメーターによるガリウム砒素(GaAs)の分析 ▶
ガリウムヒ素(GaAs)はSiと比較して電子移動度が高く、直接遷移型であるという特徴があります。また、AlやInなどとの混晶を作ることでバンドギャップエンジニアリングか可能です。これより、トランジスタなどの電子デバイスや発光ダイオード(LED)といった光デバイスに用いられております。このような多層になったデバイス構造の膜厚や混晶の組成比などを非破壊・非接触で評価できれば、研究開発や品質管理を行う上で非常に役立ちます。
分光エリプソメーターによる有機ELサンプルの評価 ▶
有機発光ダイオード(有機EL, OLED)はディスプレイや照明などへの応用に使われています。有機ELに使われる材料は大気中に晒されると状態が変化（劣化）し、性能を悪くします。そのため一般的には材料を封止して劣化を防ぎます。分光エリプソメーターでは封止された状態の有機ELサンプルを評価することが可能です。ここでは、封止缶サンプルと、ガラス基板上に成膜したNPDを大気中に約１か月間晒したサンプルの状態変化を分光エリプソメーターにより評価した事例について紹介しています。
分光エリプソメーターによる多結晶シリコンの結晶性評価 ▶
分光エリプソメーターは主に膜厚や光学定数(n&k)の評価に用いられますが、非常に高精度・高性能であることより、他に光学異方性や組成などの材料特性の情報を得ることが可能です。ここでは、フィッティングにより得られた光学定数スペクトルから計算できる結晶性の評価について、シリコン(Si)の例を用いて紹介します。
分光エリプソメーターによる窒化ガリウム(GaN)の分析 ▶
窒化ガリウム(GaN)はバンドギャップが室温において約3.4eVのワイドギャップ半導体であり、青色発光ダイオード(LED)の材料として知られております。また、絶縁破壊電解が大きいことからパワー半導体の材料としても有望であり、高電子移動度トランジスタ(HEMT)などのパワーデバイスへの応用も期待されております。このような多層になったデバイス構造の膜厚や混晶の組成比を非破壊・非接触で評価できれば、研究開発や品質管理を行う上で非常に役立ちます。
分光エリプソメーターによる透明電極の測定例 ▶
分光エリプソメーターはITOやSnO2、あるいはFTOなどといった透明電極に用いられるTCO（透明導電性酸化物）の膜厚、屈折率(n)、消衰係数(k)のほか、テクスチャ構造の表面粗さや、電気特性（電子移動度、キャリア密度、抵抗率）の評価が非破壊・非接触で可能です。この透明電極は可視域において透明であり電気を流すことができる材料であることより、太陽電池といった光電デバイスや、発光ダイオード(LED)、有機ELなどの発光デバイスで使われております。このような材料の開発や品質管理を行う上で、膜厚、光学定数(n-k)、電気特性などの評価を非破壊・非接触で行うことは非常に重要です。本アプリケーションノートではガラス基板上のITO膜、フィルム基材上の不均一ITO膜の電気特性の評価、表面がテクスチャ状になっているSnO2膜の測定について紹介しています。
