JP2009007664A

JP2009007664A - 酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットおよびこの製造方法

Info

Publication number: JP2009007664A
Application number: JP2008062683A
Authority: JP
Inventors: Yoon Gyu Lee; 倫圭李; Jin Ho Lee; 眞 ▲天▼ 李
Original assignee: Samsung Corning Precision Glass Co Ltd
Current assignee: Corning Precision Materials Co Ltd
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2009-01-15
Also published as: TW200900522A; CN101333644A; KR20090000421A

Abstract

【課題】酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットおよびこの製造方法が開示される。
【解決手段】本発明は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１００、Ｔ＝０．１〜５）である組成を有する酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットを提供する。これにより、バルク抵抗が２０Ω・ｃｍ以下の値を示し、ＤＣスパッタリングが可能であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、およびＺｎの凝集体が１μｍ以下で形成され、異常放電による不良を抑制することがでる上に、成膜時の電子キャリア濃度が１０^１６〜１０^１８／ｃｍ^３の値を示し、電子移動度が１〜１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ値を有する酸化亜鉛系の非晶質薄膜を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットおよびこの製造方法に関し、より詳細には、ＤＣ（ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）スパッタリングが可能なインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットおよびこの製造方法に関する。

従来には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャンネル層として、多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜が主に用いられていた。しかし、最近は、電子キャリア濃度と電子移動度がより一層優れている酸化亜鉛を用いて透明電導性酸化膜を形成する研究が進められている。このような酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットは、酸化物を用いたＴＦＴの製作に利用されている。

ＴＦＴは、微細で薄い膜形状で生成された小型の増幅管であって、ゲート、ソース、ドレインを備えた三端子素子である。前記した非晶質酸化膜は、半導体的な特性に基づいて、ＴＦＴのソースとドレインとの間に位置するチャンネルとして用いられるものである。このようなチャンネルは、ＴＦＴの動作において、ゲート端子に電圧を印加してチャンネルに流れる電流を制御することによって、ソース端子とドレイン端子との間に電流をスイッチングする機能を行うものである。

しかし、酸化亜鉛系の透明電導膜のうち、非晶質でない多結晶薄膜を形成する場合には、多結晶粒子界面の散乱によって電子移動度が制限され、トランジスタのオン／オフ比を増加させるという問題点を抱えている。これにより、最近では、酸化亜鉛系の非晶質酸化物膜を形成しようとする研究が進められているのである。

このような酸化亜鉛系の非晶質酸化物膜を形成する方法としては、多結晶焼結体をターゲットにするスパッタリング法、パルスレーザー蒸着法、電子ビーム蒸着法などを挙げることができるが、このうちスパッタリング法を用いて酸化亜鉛系の非晶質薄膜を蒸着するスパッタリングターゲットを製造する方法が注目されている。

薄膜の組成は、単一成分でない多成分系で同一組成のスパッタリングターゲットを用いて実行したとしても、その最終成分が異なる。したがって、スパッタリングターゲットの組成決定は、所望する薄膜の組成に対して様々な条件の検討が成された上で行われなければならない。

従来技術では、酸化亜鉛系の非晶質薄膜を形成するためのスパッタリングターゲットの特定元素に局部的な濃縮化が発生し、成膜後に薄膜組成の均質性を得ることが困難であるため、薄膜物性および信頼度の低下を奏していた。したがって、均一な薄膜を成膜するためにスパッタリングターゲット製造工程の条件を制御することで、原料物質が定められた組成比で均一に分布したスパッタリングターゲットを形成することが求められている。

本発明は、前記のような問題点を改善するために案出されたものであって、成膜時に非晶質薄膜が良好な電子キャリア濃度と電子移動度を示すことで、ＤＣスパッタリングが可能な酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットを提供することを目的とする。

また、本発明は、成膜時に非晶質薄膜が良好な電子キャリア濃度と電子移動度を示すようにＤＣスパッタリングが可能な酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットを製造するために、湿式ミーリング、噴霧乾燥、プレス成形工程を用いて酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットを製造する方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成し、従来技術の問題点を解決するために、本発明のスパッタリングターゲットは、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１００、Ｔ＝０．１〜５）である組成を有する酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットを提供することを特徴とする。

また、本発明は、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯを含む原料物質に分散剤を添加し、湿式ミーリングを行ってスラリを形成する段階と、前記スラリに結合剤を添加し、噴霧乾燥して顆粒粉末として形成する段階と、前記顆粒粉末をプレス成形して焼結してＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１００、Ｔ＝０．１〜５）の組成を有するスパッタリングターゲットを形成する段階とを含む酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法を提供することを特徴とする。

本発明によれば、バルク抵抗が２０Ω・ｃｍ以下の値を示し、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、およびＺｎの凝集体が１μｍ以下で形成され、ＤＣスパッタリングが可能な酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットを提供することができる効果がある。

また、本発明によれば、成膜時の電子キャリア濃度が１０^１６〜１０^１８／ｃｍ^３値を示し、電子移動度が１〜１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ値を有する酸化亜鉛系の非晶質薄膜を形成することができる効果がある。

以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る実施形態について詳しく説明する。

まず、本発明の実施形態に係るスパッタリングターゲットについて説明する。

本発明の実施形態に係るスパッタリングターゲットは、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１００、Ｔ＝０．１〜５）の組成を有しており、好ましくはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１０、Ｔ＝０．１〜５）の組成で形成される。

多結晶状態の酸化物、すなわち焼結体の組成は、スパッタリングのような薄膜蒸着工程において蒸着条件の制御に応じて微細な変化が生じる場合があるので、スパッタリングターゲットのＩｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｚｎの組成比を提示された値で制御することが重要である。

ここで、Ｔ値は、Ｉｎ、Ｇａの値を考慮すれば大きいほど好ましい。しかし、Ｔ値が一定の範囲を外れるようになれば、ＺｎＯの性向が強くなって多結晶が形成されるようになるため、非晶質の膜を成膜するのが困難になる。また、多結晶の薄膜は、半導体的な特性よりは透明電極に近い物性を示すため、Ｔ値を適正な範囲内で調節する必要がある。ただし、Ｔ値が極端に小さい場合には、貴金属であるＩｎとＧａが組成の大部分を占めるようになるため、コスト面では好ましくない。したがって、本発明の実施形態に係るスパッタリングターゲットでは、Ｔが０．１〜５の値となるように調節するが、ここで、Ｔ値が特定の定数に限定されることはない。

本発明の実施形態に係るスパッタリングターゲットは、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比率を調節し、多結晶酸化物スパッタリングターゲットをバルク抵抗が数十Ωｃｍ、好ましくは２０Ωｃｍ以下になるように形成することによってＤＣスパッタリングが可能となる。また、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、およびＺｎの凝集体が１μｍ以下で形成されることができる。

このような特性を有する本発明の実施形態に係るスパッタリングターゲットを用いて基板にスパッタリングを行うことで、酸化亜鉛系の非晶質薄膜を得ることができる。このような非晶質薄膜は、電子キャリア濃度が１０^１６〜１０^１８／ｃｍ^３、電子移動度が１〜１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ値を示し、ＴＦＴのゲート絶縁膜のチャンネル層としても使用が可能である。

図１は、本発明の実施形態に係る酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法を示したフローチャートである。

図１を参照すれば、本発明の実施形態に係る酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットを製造するために、まず、原料物質としてＩｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、およびＺｎＯを準備する（段階１１０）。この後、各原料物質に分散剤（Ａ_１）と消泡剤（Ａ_２）を添加し、湿式ミーリング工程を行う（段階１１１）。

このような湿式ミーリング工程によって各原料の構成粒子が粉砕されるとともに、それぞれの粒子が粉砕された状態で均一に分散されなければならない。このために、湿式ミーリング工程前に準備した原料物質に分散剤（Ａ_１）を添加し、分散剤（Ａ_１）の添加によって発生する気泡を破泡する消泡剤（Ａ_２）を添加することによって、湿式ミーリングを進行する際に原料物質をより一層均質した状態で分散することが可能となる。

分散剤（Ａ_１）としてはカルボン酸塩が用いられ、消泡剤（Ａ_２）としては汎用消泡剤が用いられる。また、湿式ミーリングの前に分散剤（Ａ_１）を原料に添加する方式は、２つに大別される。

第一に、湿式ミーリング前に原料物質をすべて混合して湿式ミーリングを行う場合には、分散剤であるポリアクリル酸アンモニウム（分子量３０００）をパウダー基準で約０．５ｗｔ％添加することが好ましい。

第二に、各原料物質を別途に分散させる場合には、Ｉｎ_２Ｏ_３には０．５〜１．５ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩を用い、ＺｎＯには０．１〜０．５ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩を用いる。また、Ｇａ_２Ｏ_３の分散には０．８〜２．０ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩を用い、Ａｌ_２Ｏ_３には０．５〜１．０ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩を用いる。

より好ましくは、Ｉｎ_２Ｏ_３には０．８ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量５０００）を、ＺｎＯには０．３ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量３０００）を、Ｇａ_２Ｏ_３には１．０ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量２０００）をを用いるのが良い。０．５〜２．０ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量３０００〜５０００）を用いることもできる。

上述したように、分散剤（Ａ_１）および消泡剤（Ａ_２）が混合された原料物質に湿式ミーリング工程を行ってスラリを形成する（段階１１２）。次に、準備された前記スラリに結合剤（Ａ_３）を添加する。

結合剤（Ａ_３）は、スパッタリングターゲットを製造するために、成形体の製造時に成形体の強度と焼結密度を向上させるために添加されるものであるが、その種類と添加量が特定の物質や量に限定されることはない。結合剤（Ａ_３）の例としては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を挙げることができるが、成形強度を維持できる程度の結合剤（Ａ_３）であればすべて使用が可能である。

結合剤（Ａ_３）が添加されたスラリに噴霧乾燥過程を進行すれば（段階１１３）、顆粒粉末が形成される（段階１１４）。このように形成された顆粒粉末の表面密度を米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）の標準に基づいて測定する場合には、好ましく１．４以上となり、これにより焼結体の焼結密度が向上したことを知ることができる。このような焼結密度の向上により、スパッタリングターゲットから発生する異常放電を防ぐことができる。

噴霧乾燥された顆粒粉末は、プレス成形によってスパッタリングターゲット形態に成形される（段階１１５）。このようなプレス成形法を行うときには、冷却プレス法で１次成形を行った後、再び冷間等方圧成形法で２次成形を行うことが好ましい。

成形圧力が極端に強いか極端に弱い場合には、２次で行われる冷間等方圧プレス法または焼結工程の経過中に横方向の収縮と軸方向の収縮において大きな差が生じ、成形体や焼結体が歪曲する現象が発生する恐れがある。したがって、冷却プレス法を進行させる際には、成形圧力が３００〜５００ｋｇ／ｃｍ^２となるようにすることが好ましい。

最後に、成形工程が完了すれば前記成形体を焼結させ（段階１１７）、スパッタリングターゲットとして形成する（段階１１６）。ここで、焼結温度は１４００〜１６００℃が好ましく、焼結時には空気や酸素またはこれらの組み合わせを用いた気体雰囲気において焼結する。このとき、焼結密度は、理論密度に対して９９％以上となる。

本発明の実施形態に係る酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法によって製造されたスパッタリングターゲットは、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１００、Ｔ＝０．１〜５）の組成を有するようになり、好ましくはＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１０、Ｔ＝０．１〜５）の組成を有するようになる。このような組成を有する本発明のスパッタリングターゲットは、電気抵抗が２０Ω・ｃｍ以下の値を示し、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、およびＺｎの凝集体が１μｍ以下で形成され、ＤＣスパッタリングが可能となる。

本発明の実施形態に係るスパッタリングターゲットを用いることで、成膜時に形成された非晶質薄膜は、電子キャリア濃度が１０^１６〜１０^１８／ｃｍ^３の値を示し、電子移動度が１〜１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ値を示すようになる。

上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。

本発明の実施形態に係るスパッタリングターゲットを製造する方法を示したフローチャートである。

Claims

酸化亜鉛系非晶質薄膜用のスパッタリングターゲットにおいて、
前記スパッタリングターゲットは、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１００、Ｔ＝０．１〜５）である組成を有することを特徴とする酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲット。
前記スパッタリングターゲットは、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１０、Ｔ＝０．１〜５）である組成を有することを特徴とする請求項１に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲット。
前記スパッタリングターゲットは、ＤＣスパッタリングが可能なことを特徴とする請求項１に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲット。
前記スパッタリングターゲットは、電気抵抗が２０Ω・ｃｍ以下の値を示すことを特徴とする請求項１に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲット。
前記スパッタリングターゲットは、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、およびＺｎの凝集体が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲット。
前記スパッタリングターゲットは、成膜時の非晶質薄膜の電子キャリア濃度が１０^１６〜１０^１８／ｃｍ^３の値を示すことを特徴とする請求項１に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲット。
前記スパッタリングターゲットは、成膜時の非晶質薄膜の電子移動度が１〜１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ値を示すことを特徴とする請求項１に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲット。
酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法において、
Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯを含む原料物質に分散剤を添加し、湿式ミーリングを行ってスラリを形成する段階と、
前記スラリに結合剤を添加し、噴霧乾燥して顆粒粉末として形成する段階と、
前記顆粒粉末をプレス成形して焼結してＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_１−ｙＯ_３（ＺｎＯ）_Ｔ（ｘ＋ｙ＝１、ｘ：ｙ＝１：０．０１〜１００、Ｔ＝０．１〜５）の組成を有するスパッタリングターゲットを形成する段階と、
を含むことを特徴とする酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記スラリを形成する段階において、
Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯを含む原料物質をすべて混合して約０．５ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量３０００）を分散剤として用いることを特徴とする請求項８に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記スラリを形成する段階において、
前記原料物質であるＩｎ_２Ｏ_３に０．５〜１．５ｗｔ％、Ｇａ_２Ｏ_３に０．８〜２．０ｗｔ％、Ａｌ_２Ｏ_３に０．５〜１．０ｗｔ％、ＺｎＯに０．１〜０．５ｗｔ％のポリアクリル酸アンモニウム塩をそれぞれ分散剤として用いて分散させた後に混合することを特徴とする請求項８に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記スラリを形成する段階において、
前記原料物質であるＩｎ_２Ｏ_３に０．８ｗｔ％（分子量５０００）、Ｇａ_２Ｏ_３に１．０ｗｔ％（分子量２０００）、Ａｌ_２Ｏ_３に０．８ｗｔ％（分子量５０００）、ＺｎＯに０．３ｗｔ％（分子量３０００）のポリアクリル酸アンモニウム塩をそれぞれ分散剤として用いて分散させた後に混合することを特徴とする請求項１０に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記顆粒粉末を形成する段階において、
前記結合剤としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いることを特徴とする請求項８に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記顆粒粉末を形成する段階において、
前記顆粒粉末は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）の測定に基づいて１．４以上の密度を示すことを特徴とする請求項８に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記スパッタリングターゲットを形成する段階において、
前記顆粒粉末に冷却プレス法で１次プレス成形した後、再び冷間等方圧法で２次成形を実施することを特徴とする請求項８に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記スパッタリングターゲットを形成する段階において、
前記冷却プレス法は、３００〜５００ｋｇ／ｃｍ^２の成形圧を加えることを特徴とする請求項８に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記スパッタリングターゲットを形成する段階において、
前記プレス成形後に１４００〜１６００℃の温度で焼結することを特徴とする請求項８に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記スパッタリングターゲットを形成する段階において、
前記プレス成形後に酸素または空気またはこれらの組み合わせを用いて焼結することを特徴とする請求項８に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。
前記スパッタリングターゲットを形成する段階において、
前記プレス成形後に９９％以上の焼結密度で焼結することを特徴とする請求項８に記載の酸化亜鉛系の非晶質薄膜用スパッタリングターゲットの製造方法。