JP6234541B2 - 酸化物半導体膜の評価方法 - Google Patents

Description

本発明の一形態は酸化物材料の評価方法に係り、例えば酸化物膜が積層された構造体にお
ける酸素の挙動を評価する方法に関する。

絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が
注目されている。該トランジスタは集積回路（ＩＣ）や画像表示装置（表示装置）のよう
な電子デバイスに広く応用されている。トランジスタに適用可能な半導体薄膜の材料とし
てシリコン系半導体材料が広く知られているが、その他の材料として酸化物半導体が注目
されている。

例えば、トランジスタの活性層として、電子キャリア濃度が１０^１８／ｃｍ^３未満である
インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及び亜鉛（Ｚｎ）を含む非晶質酸化物を用いた
トランジスタが開示されている（特許文献１参照。）。

酸化物半導体を用いたトランジスタは、アモルファスシリコンを用いたトランジスタより
も動作が速く、多結晶シリコンを用いたトランジスタよりも製造が容易であるものの、電
気的特性が変動しやすく信頼性が低いという問題点が知られている。例えば、バイアス−
熱ストレス試験（ＢＴ試験）前後において、トランジスタのしきい値電圧は変動してしま
う。

特開２００６−１６５５２８号公報

酸素を主成分とする膜において、化学量論的組成に対する酸素の微量な超過、欠損などが
該膜の物性に寄与することが経験的にわかっている。しかしながら、酸素を主成分とする
膜中の微量の酸素を評価しようとするとき、既存の定量分析の手法では、定量精度に数ａ
ｔｏｍｉｃ％の不確かさが含まれる。そのため、酸素を主成分とする膜における酸素の微
量な超過、欠損などの影響を正確に評価することが困難であった。そこで、酸素を主成分
とする膜において、微量な酸素の増減を比較可能とする評価方法について提案する。

さらに、酸化物半導体膜における酸素の挙動を評価することを目的の一とする。

本発明の一態様は、第１の酸化物膜と、該第１の酸化物膜と酸素の同位体の存在比率の異
なる第２の酸化物膜と、を有する基板を、二次イオン質量分析法によって前記酸素の同位
体の一の深さ方向の定量値を測定し、第１の酸化物膜から第２の酸化物膜へ拡散する酸素
の同位体の一を評価する酸化物膜積層構造体の酸素拡散評価方法である。

なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順または積層順
を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名
称を示すものではない。

また、本発明の一態様は、第１の酸化物と第２の酸化物を入れ替えて適用することが可能
である。

また、酸素の同位体の一が、質量数１８の酸素原子である酸化物膜積層構造体の酸素拡散
評価方法である。

本明細書において、質量数１８の酸素原子を^１８Ｏと記載する。また、^１８Ｏで構成され
る酸素分子を^１８Ｏ_２と記載する。その他の同位体原子、同位体原子によって構成される
分子についても同様の記載方法を適用する。また、^１８Ｏと質量数１６の酸素原子（^１６
Ｏ）によって構成される酸素分子も当然存在するものであるが、煩雑になることを避ける
ため、本明細書においては説明を省略する。

本明細書において、酸素の同位体の一として^１８Ｏを主に用いて説明する。ただし、必ず
しも^１８Ｏに限定されるものではなく、例えば、質量数１７の酸素原子（^１７Ｏ）や^１６
Ｏに置き換えて実施することが可能である。

また、本明細書では、酸化物膜積層構造体の酸素拡散評価方法に言及しているが、これを
水素、窒素、硫黄、炭素などの安定同位体を有する元素の評価方法に用いることもできる
。

ここで、自然界に存在する酸素の同位体の平均の存在比率は、^１６Ｏが９９．７６２ａｔ
ｏｍｉｃ％、^１７Ｏが０．０３７ａｔｏｍｉｃ％、^１８Ｏが０．２０４ａｔｏｍｉｃ％で
ある。同位体の存在比率が上記から０．１ａｔｏｍｉｃ％程度ずれることもある。述べる
までもないが、上記の同位体の存在比率から外れた場合においても、本発明を適用するこ
とに何ら問題はない。

上述の存在比率から、^１６Ｏは^１８Ｏの４８９倍多く自然界に存在することがわかる。即
ち、意図的に同位体の比率を制御していない通常の酸化物においても、^１６Ｏは^１８Ｏの
４８９倍多く存在する。

例えば、第１の酸化物膜は、酸化物半導体膜または酸化物絶縁膜である。また、第２の酸
化物膜は、酸化物半導体膜または酸化物絶縁膜である。

第１の酸化物膜に第２の酸化物膜よりも高い濃度で^１８Ｏが含まれるとき、その含有量に
十分な差があれば、第１の酸化物膜を^１８Ｏの供給源として第２の酸化物膜への^１８Ｏの
拡散を評価し得る。^１８Ｏの拡散の評価には、拡散係数にもよるが、ある程度の熱を加え
ることが必要な場合が多い。

このとき、加えた温度Ｔと時間ｔに応じて、^１８Ｏの拡散距離ｘ及び表面濃度Ｃ_ＳをＳＩ
ＭＳによって見積もることができる。ここで、ｘは表面からの距離（第１の酸化物膜及び
第２の酸化物膜の界面から、第２の酸化物膜方向に向かっての距離）である。

見積もった^１８Ｏの拡散距離ｘ及び表面濃度Ｃ_Ｓから数式１を適用すると、拡散係数Ｄを
導出できる。

ここで、加える温度Ｔを何条件か変えて拡散係数Ｄを導出すると、拡散係数Ｄは数式２の
ように表せるため、後述するように活性化エネルギーＥ_ａを導出することができる。

ここで、Ｄ_０は頻度因子、ｋはボルツマン定数である。

数式２の両辺の自然対数をとると、数式３になる。

即ち、Ｔの逆数に対してｌｎＤをプロットした直線の傾きは−（Ｅ_ａ／ｋ）、切片はｌｎ
Ｄ_０となり、活性化エネルギーＥ_ａ及び頻度因子Ｄ_０を導出することができる。

本発明の一態様により、酸素を主成分とする膜中の酸素の拡散を評価できる。

また、酸化物半導体膜に適用することで、酸化物半導体膜の酸素の微量な増減を評価でき
る。

実施の形態を説明するための試料の断面構造を示した図。 酸素の濃度について説明する図。 酸素の拡散について説明する図。 酸素の拡散を解析するための図。 酸素の拡散係数と温度の逆数をプロットした図。 トランジスタの上面図及び断面図。 トランジスタの電気的特性を示す図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は
以下の説明に限定されず、その形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば
容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈され
るものではない。なお、図面を用いて発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符
号は異なる図面間でも共通して用いる。なお、同様のものを指す際にはハッチパターンを
同じくし、特に符号を付さない場合がある。

本実施の形態では、酸化物膜から近接する酸化物膜への酸素の拡散を評価する方法につい
て説明する。

酸化物半導体膜は、酸素欠損に起因して電荷が生じる場合がある。一般に酸化物半導体膜
中の酸素欠損の一部は、ドナーとなりキャリアである電子を生じる。この結果、酸化物半
導体を用いたトランジスタのしきい値電圧がマイナスシフトしてしまう。なお、本明細書
においてしきい値電圧とは、トランジスタを「オン状態」にするために必要なゲート電圧
をいう。そして、ゲート電圧とは、ソースの電位を基準としたゲートの電位との電位差を
いう。

例えば、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいて、下地である絶縁膜から酸化物半導
体膜に酸素が供給されるとき、トランジスタの動作などに起因して生じうる電荷の影響を
低減することができる。

このように、酸化物半導体膜の酸素欠損に起因するトランジスタの電気特性の変動が問題
になることがある。ところが、上述の酸素欠損を評価しようとする場合、既存の簡便な評
価方法がなく、状況証拠や計算結果などの結果を鑑みて総合的に評価する必要があった。

例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔ
ｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による酸化物膜の酸素の定量分析には、プラス
マイナス５ａｔｏｍｉｃ％の不確かさを伴う。ＲＢＳは重金属の定量分析には一定の精度
を有するが、低質量の元素ほど精度が低くなるため酸素の定量分析には適さない。また、
電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｘ−ｒａｙ
ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）による酸化物膜の酸素の定量分析には、プラスマイナス０
．１ｗｅｉｇｈｔ％の不確かさを伴う。ＥＰＭＡは比較的定量精度の高い分析方法である
が、酸化物膜の厚さを１μｍ以上とする必要があり、また得られる定量値は測定範囲にお
ける平均値となるため、トランジスタに用いるような薄膜中の酸素の評価には不適当であ
る。また、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐ
ｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）は、膜をエッチングしながら分析を行うことで深さ方向の定量分
析が可能であるが、酸素の定量分析にプラスマイナス１ａｔｏｍｉｃ％の不確かさを伴う
。即ち、これらの定量分析方法では、薄膜中の微量の酸素の増減を議論することができな
い。

一般に微量の酸素の定量分析には、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒ
ｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）が用いられる。ＳＩＭＳは微量分析
に適しているが、１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上含まれる主成分の微量な増減を評
価することは困難である。

そこで、酸素を主成分とする膜においても酸素の微量の増減を比較可能とするため、酸素
の同位体の一を用いる酸化物膜積層構造体の酸素拡散評価方法を提案する。

酸素の微量の増減が比較可能な試料について図１を用いて説明する。該試料は、基板１０
０と、基板１００上の第１の酸化物膜１０２と、第１の酸化物膜１０２上の第２の酸化物
膜１０４と、を有する（図１参照。）。

ここで、第１の酸化物膜１０２または第２の酸化物膜１０４の一方は、酸素の同位体の一
を天然に存在する比率より高濃度に含む。好ましくは１×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以
上含む。酸素の同位体としては、^１６Ｏ、^１７Ｏ及び^１８Ｏが知られている。

第１の酸化物膜１０２には、例えば酸化物絶縁膜を用いる。酸化物絶縁膜の材料には、酸
化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガ
ン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化イットリウム、酸化ジルコニウ
ム、酸化ニオブ、酸化モリブデン、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化
タングステン、酸化セリウムまたは酸化ネオジムなどを用いる。あるいは、前述の酸化物
を混合して用いてもよい。また、水素、窒素、炭素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、ヘリ
ウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどを含んでもよい。

第２の酸化物膜１０４には、例えば酸化物半導体膜を用いる。酸化物半導体膜に用いる材
料としては、四元系金属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、三元系金
属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−
Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材
料、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料や、二元系金属酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料
、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｓｎ−
Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系の材料、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料や、Ｉｎ−Ｏ系の
材料、Ｓｎ−Ｏ系の材料、Ｚｎ−Ｏ系の材料などを用いてもよい。また、上記の材料に酸
化シリコンを含ませてもよい。ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の材料は、イン
ジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物膜、という意味であり
、その組成比は特に問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の元素を含んでいてもよい。

また、酸化物半導体膜は、化学式ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記される材料を
用いた薄膜により形成する。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一ま
たは複数の金属元素を示す。例えば、Ｍとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎまた
はＧａ及びＣｏなどを用いてもよい。

ここで、第１の酸化物膜１０２及び第２の酸化物膜１０４を適宜入れ替えてもよい。また
、本実施の形態では、第１の酸化物膜１０２として酸化物絶縁膜を、第２の酸化物膜１０
４として酸化物半導体膜を、それぞれ用いているが、これに限定されない。例えば、第１
の酸化物膜１０２として酸化物半導体膜を、第２の酸化物膜１０４としても酸化物半導体
膜を設けても構わない。酸化物半導体膜に代えて酸化物絶縁膜を用いた場合についても同
様である。

なお、図示しないが第２の酸化物膜上に保護膜を設けてもよい。保護膜によって、第２の
酸化物膜の脱ガスを抑制できる。保護膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜
、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜などを用いることができる。

または、第１の酸化物膜１０２及び第２の酸化物膜１０４は酸化物に限らず、窒化物、硫
化物、フッ化物、塩化物、セレン化合物、有機化合物、その他化合物などとしても構わな
い。その場合、後述の第１の酸化物膜１０２及び第２の酸化物膜１０４の成膜時に用いる
同位体を有する成膜ガスを適宜選択すればよい。

基板１００の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の
耐熱性を有している必要がある。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サフ
ァイア基板などを、基板１００として用いることができる。また、シリコンや炭化シリコ
ンなどの単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムなどの化合物半導
体基板、ＳＯＩ基板などを適用することも可能であり、これらの基板上に半導体素子が設
けられたものを、基板１００として用いてもよい。

ここで、第１の酸化物膜１０２及び第２の酸化物膜１０４のＳＩＭＳを行い、第１の酸化
物膜１０２及び第２の酸化物膜１０４に含まれる各酸素の同位体の濃度について、深さ方
向の定量分析を行う。なお、一次イオン種にはセシウム一次イオン（Ｃｓ^＋）を用いれば
よい。

こうすることで、第１の酸化物膜１０２に含まれる天然よりも存在比率の高い酸素の同位
体の一が、第２の酸化物膜１０４中に拡散する距離や濃度などを評価することができる。
または、第２の酸化物膜１０４に含まれる天然よりも存在比率の高い酸素の同位体の一が
、第１の酸化物膜１０２中に拡散する距離や濃度などを評価することができる。

また、図１の積層物を一定時間だけ熱処理したときの第１の酸化物膜１０２に含まれる天
然よりも存在比率の高い酸素の同位体の一が、第２の酸化物膜１０４中に拡散する距離や
濃度などを評価してもよい。または、第２の酸化物膜１０４に含まれる天然よりも存在比
率の高い酸素の同位体の一が、第１の酸化物膜１０２中に拡散する距離や濃度などを評価
してもよい。

このとき、熱処理の時間ｔ及び温度Ｔから、前述の数式１を適用して拡散係数Ｄを導出す
ることができる。また、拡散係数Ｄと温度Ｔの逆数のプロットから、数式３を適用して活
性化エネルギーＥ_ａ及び頻度因子Ｄ_０を導出することができる。

次に、図１に示す積層物の作製方法について説明する。

まず、第１の酸化物膜１０２は、スパッタリング法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏ
ｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、原子
層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの成膜方法
で成膜する。あるいは、酸素の同位体の一を、第１の酸化物膜１０２中に天然よりも高い
存在比率で含ませることのできる成膜方法であればよい。

例えば、第１の酸化物膜１０２をスパッタリング法を用いて酸化アルミニウム膜を成膜す
る場合、スパッタ室に成膜ガスとしてアルゴンガスを１０ｓｃｃｍ及び酸素ガスとして^１
８Ｏ_２を４０ｓｃｃｍ導入し、圧力を０．４Ｐａに調整した後、該成膜ガスを用いてアル
ミニウムターゲットにパルスＤＣ電源から１ｋＷの電力を印加する反応性スパッタリング
法を用いて成膜すればよい。このとき、成膜対象となる基板の温度は室温とすればよい。

また、第１の酸化物膜１０２をＣＶＤ法の一種であるプラズマＣＶＤ法を用いて酸化窒化
シリコン膜を成膜する場合、成膜ガスとしてモノシランガスを２５ｓｃｃｍ及び亜酸化窒
素ガスとしてＮ_２ ^１８Ｏを１０００ｓｃｃｍ導入し、圧力を１３３．３Ｐａに調整した後
、電極にＲＦ電源から電力を３５Ｗ印加することで気相反応及び基板表面反応を起こし、
膜を堆積させればよい。このとき、成膜対象となる基板の温度及び電極の温度はそれぞれ
２００℃とする。

または、上述の成膜方法に限らず、成膜ガス中に^１８Ｏを１ａｔｏｍｉｃ％以上含めばよ
い。

なお、ここでは、酸化窒化シリコンとは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多
いものであって、好ましくは、ＲＢＳ及び水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ
Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定した
場合に、組成範囲として酸素が５０ａｔｏｍｉｃ％〜７０ａｔｏｍｉｃ％、窒素が０．５
ａｔｏｍｉｃ％〜１５ａｔｏｍｉｃ％、およびシリコンが２５ａｔｏｍｉｃ％〜３５ａｔ
ｏｍｉｃ％の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成として
、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、好ましくは、ＲＢＳ及びＨＦＳを用いて
測定した場合に、組成範囲として酸素が５ａｔｏｍｉｃ％〜３０ａｔｏｍｉｃ％、窒素が
２０ａｔｏｍｉｃ％〜５５ａｔｏｍｉｃ％、シリコンが２５ａｔｏｍｉｃ％〜３５ａｔｏ
ｍｉｃ％、および水素が１０ａｔｏｍｉｃ％〜３０ａｔｏｍｉｃ％の範囲で含まれるもの
をいう。ただし、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを構成する原子の合計を１０
０ａｔｏｍｉｃ％としたとき、窒素、酸素、シリコン及び水素の含有比率が上記の範囲内
に含まれるものとする。

ここで、基板、第１の酸化物膜１０２及び第２の酸化物膜１０４を加熱する場合、例えば
、抵抗発熱体などを用いて加熱すればよい。または、加熱されたガスなどの媒体からの熱
伝導または熱輻射によって、加熱しても用いてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａ
ｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒ
ｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）などのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）を
用いることができる。ＬＲＴＡは、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンア
ークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのラン
プから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する。ＧＲＴＡは、高温のガス
を用いて熱処理を行う。ガスとしては、不活性ガスが用いられる。

以上の工程で、図１に示す積層物を作製することができる。

本実施の形態によって、酸化物膜から近接する酸化物膜への酸素の拡散を評価することが
可能となる。

本実施例では、^１８Ｏ_２及びＯ_２を成膜ガスに用いて石英ターゲットをスパッタリングし
て成膜した酸化シリコン膜について説明する。なお、単にＯ_２と表記する場合、自然界に
存在する比率で同位体を含んだ酸素を示すものとする。

成膜ガスは、アルゴンガスを２５ｓｃｃｍ、酸素ガスを２５ｓｃｃｍとした。このとき、
酸素ガスの総流量は一定とし、酸素ガス中の^１８Ｏ_２及びＯ_２の混合比を変えた。具体的
には、（^１８Ｏ_２／（^１８Ｏ_２＋Ｏ_２））割合を０ｖｏｌｕｍｅ％、２０ｖｏｌｕｍｅ％
、４０ｖｏｌｕｍｅ％、６０ｖｏｌｕｍｅ％、８０ｖｏｌｕｍｅ％及び１００ｖｏｌｕｍ
ｅ％とし、石英ターゲットをスパッタリングして酸化シリコン膜を３００ｎｍの厚さで成
膜した。その後、該酸化シリコン膜に含まれる^１８Ｏ及び^１６Ｏの平均の濃度をＳＩＭＳ
によって評価した（図２参照。）。なお、一次イオン種にはセシウム一次イオンを用いた
。^１８Ｏ及び^１６Ｏの平均の濃度は、酸化シリコン膜の表面及び基板の界面から５０ｎｍ
の深さまでを除外して算出した。酸化シリコン膜の成膜条件を以下に示す。

・成膜法：ＲＦスパッタリング法
・ターゲット：石英ターゲット
・成膜ガス：Ａｒ（２５ｓｃｃｍ）、^１８Ｏ_２＋Ｏ_２（計２５ｓｃｃｍ）
・電力：１．５ｋＷ（１３．５６ＭＨｚ）
・圧力：０．４Ｐａ
・Ｔ−Ｓ間距離：６０ｍｍ
・成膜時基板温度：１００℃

図２において、シンボル１００２は^１６Ｏの濃度を、シンボル１００４は^１８Ｏの濃度を
、それぞれ示す。酸素ガス中の（^１８Ｏ_２／（^１８Ｏ_２＋Ｏ_２））割合を高めるに従い、
膜中の^１８Ｏの濃度が一次関数的に増加し、^１６Ｏの濃度が一次関数的に減少することが
わかる。

本実施例によって、^１８Ｏ_２及びＯ_２を成膜ガスに用いて石英ターゲットをスパッタリン
グして成膜した酸化シリコン膜は、酸素ガス中の（^１８Ｏ_２／（^１８Ｏ_２＋Ｏ_２））割合
に応じて、成膜した酸化シリコン膜中の^１８Ｏ及び^１６Ｏの割合が決まることがわかる。

本実施例では、酸化シリコン膜から酸化物半導体膜へ拡散する酸素を評価した例について
説明する。

なお、酸化物半導体膜への酸素の拡散を評価するために、実施例２に示した方法で、第１
の酸化物膜１０２中に^１８Ｏを含有させている。

本実施例では、試料１乃至試料５の^１８Ｏの深さ方向分析をＳＩＭＳを用いて行った。な
お、一次イオン種にはセシウム一次イオンを用いた。

各試料の作製方法を示す。

まず、石英基板に^１８Ｏを含有する酸化シリコン膜を成膜した。酸化シリコン膜の成膜条
件を以下に示す。

・成膜法：ＲＦスパッタリング法
・ターゲット：石英ターゲット
・成膜ガス：Ａｒ（２５ｓｃｃｍ）、^１８Ｏ_２（２５ｓｃｃｍ）
・電力：１．５ｋＷ（１３．５６ＭＨｚ）
・圧力：０．４Ｐａ
・Ｔ−Ｓ間距離：６０ｍｍ
・成膜時基板温度：１００℃
・厚さ：３００ｎｍ

次に、酸化シリコン膜上に酸化物半導体膜を成膜した。

酸化物半導体膜の成膜条件を以下に示す。

・成膜法：ＤＣスパッタリング法
・ターゲット：Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［
ｍｏｌ数比］）ターゲット
・成膜ガス：Ａｒ（３０ｓｃｃｍ）、Ｏ_２（１５ｓｃｃｍ）
・電力：０．５ｋＷ（ＤＣ）
・圧力：０．４Ｐａ
・Ｔ−Ｓ間距離：６０ｍｍ
・成膜時基板温度：２００℃
・厚さ：１００ｎｍ

次に、熱処理を行う。熱処理の条件は、温度を２５０℃、４５０℃、５５０℃または６５
０℃、時間を１時間、窒素雰囲気中とした。ここで、試料２は加熱温度を２５０℃とし、
試料３は加熱温度を４５０℃とし、試料４は加熱温度を５５０℃とし、試料５は加熱温度
を６５０℃とした。なお、試料１は熱処理を行っていない。

図３に試料１乃至試料５の^１８Ｏの深さ方向分析の結果を示す。シンボル２００１は試料
１、シンボル２００３は試料２、シンボル２００５は試料３、シンボル２００７は試料４
、シンボル２００９は試料５を示す。また、範囲２０５０は酸化物半導体膜、範囲２０６
０は酸化シリコン膜を示す。ここで、^１８Ｏの定量範囲は範囲２０５０である。なお、破
線２０７０は^１８Ｏの、酸化物半導体膜における定量下限を示す。

試料１及び試料２では^１８Ｏがほとんど酸化物半導体膜へＳＩＭＳの測定範囲内において
拡散しないことがわかる。また、試料３、試料４、試料５と熱処理温度を上げるに伴い、
^１８Ｏの酸化物半導体膜での表面濃度が高まり、拡散距離が長くなることがわかる。

ここで、^１８Ｏの拡散源である酸化シリコン膜における^１８Ｏの表面濃度を一定とし、無
限遠における^１８Ｏの濃度はゼロと仮定して拡散係数を見積もった。上記の仮定において
、^１８Ｏの深さ方向の濃度分布は前述の数式１で表される。数式１を用いて実験値とのフ
ィッティングを行う際、距離の基準となる酸化シリコン膜と酸化物半導体膜の界面の位置
はシリコンの信号強度が大きく変化する位置から判断した。

ここで、Ｃ_Ｓは酸化物半導体膜における^１８Ｏの表面濃度、ｘは表面からの距離（ここで
は酸化シリコン膜及び酸化物半導体膜の界面から酸化物半導体膜方向への距離）、Ｄは酸
化物半導体膜における^１８Ｏの拡散係数、ｔは熱処理の時間である。

数式１を用いてフィッティングを行った結果を図４に示す。シンボル２１０５は試料３、
シンボル２１０７は試料４、シンボル２１０９は試料５の^１８Ｏの濃度分布を示す。また
、実線２１１５は試料３、実線２１１７は試料４、実線２１１９は試料５のフィッティン
グカーブを示す。ここで、範囲２１５０は、酸化物半導体膜、範囲２１６０は酸化シリコ
ン膜を示す。^１８Ｏの定量範囲は範囲２１５０である。なお、破線２１７０は酸化シリコ
ン膜と酸化物半導体膜の界面、破線２１８０は、酸化物半導体膜の表面を示す。得られた
フィッティング値は、実験値を非常によく再現できた。なお、試料１及び試料２は、図３
からＳＩＭＳの測定範囲内において拡散が確認できなかったためフィッティングを行って
いない。

図４のフィッティングの結果から試料３における^１８Ｏの拡散係数は３．５×１０^−１７
ｃｍ^２／秒、試料４における^１８Ｏの拡散係数は６．３×１０^−１６ｃｍ^２／秒、試料５
における^１８Ｏの拡散係数は６．２×１０^−１５ｃｍ^２／秒であった。

ここで、前述の数式３より、図４から得られた試料３乃至試料５におけるＤの自然対数と
Ｔの逆数をプロットし、図５に示す。図５のプロットを近似すると、ｌｎＤ_０＝−１４．
３０４、−（Ｅ_ａ／ｋ）＝−１７０２５が得られた。つまり、Ｄ_０＝６．１６×１０^−７
ｃｍ^２／秒である。また、ｋは１．３８０７×１０^−２３Ｊ／Ｋであるから、Ｅ_ａ＝２．
３９×１０^−１９Ｊとなる。単位換算すると、Ｅ_ａ＝１．４９ｅＶとわかる。

本実施例によって、酸化シリコン膜から酸化物半導体膜への酸素の拡散を評価できた。

また、得られた頻度因子Ｄ_０及び活性化エネルギーＥ_ａから、前述の数式２を適用するこ
とで各温度における拡散係数Ｄを外挿し導出することができるため、ＳＩＭＳ分析の測定
下限値以下の酸素の拡散についても議論可能となった。

酸化物半導体を用いたトランジスタの安定動作及び特性向上が、下地である酸化物絶縁膜
から酸化物半導体層への酸素の拡散によってもたらされることを説明する。

図６は、酸化物半導体を用いたトップゲートトップコンタクト型であるトランジスタ２５
１の上面図及び断面図を示す。ここで、図６（Ａ）は上面図であり、図６（Ｂ）及び図６
（Ｃ）はそれぞれ、図６（Ａ）におけるＡ−Ｂ断面及びＣ−Ｄ断面における断面図である
。なお、図６（Ａ）では、煩雑になることを避けるため、トランジスタ２５１の構成要素
の一部（例えば、ゲート絶縁膜２１２など）を省略している。

図６に示すトランジスタ２５１は、基板２００と、基板２００上の酸化物絶縁膜２０２と
、酸化物絶縁膜２０２上の酸化物半導体膜２０６と、酸化物半導体膜２０６上に設けられ
た一対のソース電極２０８ａ及びドレイン電極２０８ｂと、ソース電極２０８ａ及びドレ
イン電極２０８ｂを覆い、酸化物半導体膜２０６と一部が接するゲート絶縁膜２１２と、
酸化物半導体膜２０６上にゲート絶縁膜２１２を介して設けられたゲート電極２１４とを
含む。

酸化物絶縁膜２０２は実施例２で示した酸化シリコン膜を３００ｎｍの厚さで用いた。ま
た、酸化物半導体膜２０６は実施例２で示した酸化物半導体膜を３０ｎｍの厚さで用いた
。実施例２において、試料の熱処理温度を高めるに従い、酸化シリコン膜から酸化物半導
体膜への酸素の拡散量が増加することがわかった。酸化シリコン層から酸化物半導体膜へ
の酸素の拡散量が増加することで作製するトランジスタの諸特性がどのように変化するか
以下に説明する。

ソース電極２０８ａ、ドレイン電極２０８ｂ及びゲート電極２１４の材料は、全てタング
ステン膜を１００ｎｍの厚さで用いた。

ゲート絶縁膜２１２は、酸化窒化シリコン膜を３０ｎｍの厚さで用いた。

トランジスタ２５１を２試料を用意し、それぞれを熱処理した。熱処理は、窒素ガス雰囲
気において、温度を２５０℃または３５０℃、時間を１時間とした。該熱処理によって、
下地である酸化物絶縁膜２０２から酸化物半導体膜２０６へ酸素の拡散が起こる。

なお、実施例２の結果から２５０℃及び３５０℃における酸素の拡散を外挿すると、２５
０℃では、０．２ｎｍの深さまで１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の酸素が拡散する
ことがわかり、３５０℃では、３ｎｍの深さまで１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の
酸素が拡散することがわかる。

本実施例のトランジスタにおけるドレイン電流（Ｉｄｓ）−ゲート電圧（Ｖｇｓ）測定結
果について図７に示す。測定は、基板面内で２５点行っており、重ねて表示している。チ
ャネル長Ｌは０．８μｍ、チャネル幅Ｗは１０μｍである。なお、トランジスタのソース
電極とドレイン電極の間の電圧Ｖｄｓは３Ｖとした。

図７（Ａ）は２５０℃で熱処理した試料の、図７（Ｂ）は３５０℃で熱処理した試料のＩ
ｄｓ−Ｖｇｓ測定結果である。２５０℃で熱処理した試料は、しきい値電圧の平均が０．
２２Ｖ、Ｖｇｓ＝０Ｖにおける電流値の平均が１．７×１０^−８Ａであった。３５０℃で
熱処理した試料は、しきい値電圧の平均が０．７２Ｖ、Ｖｇｓ＝０Ｖにおける電流値の平
均が１．２×１０^−１２Ａであった。

酸化物絶縁膜２０２から酸化物半導体膜２０６への酸素の拡散量が大きい試料において、
しきい値電圧がプラスシフトし、Ｖｇｓ＝０Ｖにおける電流値が低減した。即ち、酸素の
拡散によってトランジスタをノーマリーオフ化することができるとわかる。

このように、酸化物絶縁膜と酸化物半導体膜との間における酸素拡散の挙動を把握するこ
とで、酸化物半導体を用いたトランジスタ及び関連するデバイスの開発、信頼性の向上、
特性向上に寄与する。

１００ 基板
１０２ 第１の酸化物膜
１０４ 第２の酸化物膜
２００ 基板
２０２ 酸化物絶縁膜
２０６ 酸化物半導体膜
２０８ａ ソース電極
２０８ｂ ドレイン電極
２１２ ゲート絶縁膜
２１４ ゲート電極
２５１ トランジスタ
１００２ シンボル
１００４ シンボル
２００１ シンボル
２００３ シンボル
２００５ シンボル
２００７ シンボル
２００９ シンボル
２０５０ 範囲
２０６０ 範囲
２０７０ 破線
２１０５ シンボル
２１０７ シンボル
２１０９ シンボル
２１１５ 実線
２１１７ 実線
２１１９ 実線
２１５０ 範囲
２１６０ 範囲
２１７０ 破線
２１８０ 破線

Claims (6)

1. 天然に存在する比率よりも高濃度に^１８Ｏを含むガスを用いて酸化物絶縁膜を形成し、
   前記酸化物絶縁膜上に酸化物半導体膜を形成し、
   二次イオン質量分析法によって前記酸化物半導体膜の深さ方向の^１８Ｏ濃度を測定し、
   前記酸化物絶縁膜から前記酸化物半導体膜へ拡散する^１８Ｏを評価することを特徴とする酸化物半導体膜の評価方法。
2. 酸化物半導体膜を形成し、
   前記酸化物半導体膜上に、天然に存在する比率よりも高濃度に^１８Ｏを含むガスを用いて酸化物絶縁膜を形成し、
   二次イオン質量分析法によって前記酸化物半導体膜の深さ方向の^１８Ｏ濃度を測定し、
   前記酸化物絶縁膜から前記酸化物半導体膜へ拡散する^１８Ｏを評価することを特徴とする酸化物半導体膜の評価方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記酸化物半導体膜及び前記酸化物絶縁膜を熱処理した後、前記二次イオン質量分析法によって前記酸化物半導体膜の深さ方向の^１８Ｏ濃度を測定することを特徴とする酸化物半導体膜の評価方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
   前記二次イオン質量分析法によって前記酸化物半導体膜の深さ方向の^１８Ｏ濃度を測定することにより、前記酸化物半導体膜をトランジスタの活性層に用いた場合の、当該トランジスタの特性を評価することを特徴とする酸化物半導体膜の評価方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   前記酸化物半導体膜が、インジウム、ガリウム及び亜鉛の少なくともいずれかを含むことを特徴とする酸化物半導体膜の評価方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
   前記酸化物絶縁膜は、^１８Ｏを１ａｔｏｍｉｃ％以上含むガスを用いて形成されることを特徴とする酸化物半導体膜の評価方法。

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