JP2016160120A - 酸化物焼結体、スパッタリング用ターゲット、及びそれを用いて得られる酸化物半導体薄膜 - Google Patents

Abstract

【課題】良好なウエットエッチング性と高いキャリア移動度を示す非晶質の酸化物半導体薄膜の形成が可能なスパッタリング用ターゲット、それを得るのに最適な酸化物焼結体、ならびにそれを用いて得られる低いキャリア濃度と高いキャリア移動度を示す酸化物半導体薄膜を提供すること。【解決手段】インジウム、ガリウム及びケイ素を酸化物として含有し、ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下であり、ケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子数比で０．０００１以上０．２５未満であることを特徴とする酸化物焼結体である。【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物焼結体、ターゲット、及びそれを用いて得られる酸化物半導体薄膜に関し、より詳しくは、インジウム、ガリウム、及びケイ素を含有させることによって非晶質の酸化物半導体薄膜のキャリア濃度低減を可能にするスパッタリング用ターゲット、それを得るのに最適なインジウム、ガリウム、及びケイ素を含有する酸化物焼結体、ならびにそれを用いて得られる低いキャリア濃度と高いキャリア移動度を示す非晶質のインジウム、ガリウム、及びケイ素を含有する酸化物半導体薄膜に関する。

薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下ＴＦＴ）は、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下ＦＥＴ）の１種である。ＴＦＴは、基本構成としてゲート端子、ソース端子、及び、ドレイン端子を備えた３端子素子であり、基板上に成膜した半導体薄膜を、電子又はホールが移動するチャネル層として用い、ゲート端子に電圧を印加して、チャネル層に流れる電流を制御し、ソース端子とドレイン端子間の電流をスイッチングする機能を有するアクティブ素子である。ＴＦＴは、現在、最も多く実用化されている電子デバイスであり、その代表的な用途として液晶駆動用素子がある。

ＴＦＴとして、現在、最も広く使われているのは多結晶シリコン膜又はアモルファスシリコン膜をチャネル層材料としたＭｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ＦＥＴ（ＭＩＳ−ＦＥＴ）である。シリコンを用いたＭＩＳ−ＦＥＴは、可視光に対して不透明であるため、透明回路を構成することができない。このため、ＭＩＳ−ＦＥＴを液晶ディスプレイの液晶駆動用スイッチング素子として応用した場合、該デバイスは、ディスプレイ画素の開口比が小さくなる。

また、最近では、液晶の高精細化が求められるのに伴い、液晶駆動用スイッチング素子にも高速駆動が求められるようになってきている。高速駆動を実現するためには、キャリアである電子又はホールの移動度が少なくともアモルファスシリコンのそれより高い半導体薄膜をチャネル層に用いる必要が出てきている。

このような状況に対して、特許文献１では、気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透明アモルファス酸化物薄膜であって、該酸化物の組成は、結晶化したときの組成がＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍは６未満の自然数）であり、不純物イオンを添加することなしに、キャリア移動度（キャリア電子移動度ともいう）が１ｃｍ^２／（Ｖ・秒）超、かつキャリア濃度（キャリア電子濃度ともいう）が１０^１６／ｃｍ^３以下である半絶縁性であることを特徴とする透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜、ならびに、この透明半絶縁性アモルファス酸化物薄膜をチャネル層としたことを特徴とする薄膜トランジスタが提案されている。

しかし、特許文献１で提案された、スパッタ法、パルスレーザー蒸着法のいずれかの気相成膜法で成膜され、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及びＯの元素から構成される透明アモルファス酸化物薄膜（ａ−ＩＧＺＯ膜）は、そのキャリア電子移動度が概ね１〜１０ｃｍ^２／（Ｖ・秒）の範囲にとどまり、ディスプレイのさらなる高精細化に対してキャリア移動度が不足することが指摘されている。

また、特許文献２には、特許文献１に記載のアモルファス酸化物薄膜を形成することを目的としたスパッタリングターゲット、すなわち、少なくともＩｎ、Ｚｎ、Ｇａを含む焼結体ターゲットであって、その組成にＩｎ、Ｚｎ、Ｇａを含み、相対密度が７５％以上、かつ抵抗値ρが５０Ωｃｍ以下であることを特徴とするスパッタリングターゲットが開示されている。しかし、特許文献２のターゲットがホモロガス相の結晶構造を示す多結晶酸化物焼結体であるため、これより得られるアモルファス酸化物薄膜は、特許文献１と同様に、キャリア移動度が概ね１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ程度にとどまってしまう。

高いキャリア移動度を実現する材料として、特許文献３では、ガリウムが酸化インジウムに固溶していて、原子数比Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）が０．００１〜０．１２であり、全金属原子に対するインジウムとガリウムの含有率が８０原子％以上であり、Ｉｎ_２Ｏ_３のビックスバイト構造を有する酸化物薄膜を用いることを特徴とする薄膜トランジスタが提案されており、その原料として、ガリウムが酸化インジウムに固溶していて、原子比Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）が０．００１〜０．１２であり、全金属原子に対するインジウムとガリウムの含有率が８０原子％以上であり、Ｉｎ_２Ｏ_３のビックスバイト構造を有することを特徴とする酸化物焼結体が提案されている。

しかしながら、特許文献３で提案されているような結晶質の酸化物半導体薄膜をＴＦＴに適用した場合、結晶粒界に起因するＴＦＴ特性のばらつきが課題である。特に、第８世代以上の大型ガラス基板上に、均一にＴＦＴを形成することは極めて困難である。

特許文献４には、ビックスバイト構造を有し、酸化インジウム、酸化ガリウム及び正三価及び／又は正四価の金属含有する酸化物焼結体であって、正三価及び／又は正四価の金属含有量が１００〜１００００ｐｐｍであって、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）の組成量が原子％で０．００５＜Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ）＜０．１５の式を満たす組成範囲にある焼結体が記載され、ＴＦＴ評価では、６０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ程度の高い移動度を示す実施例が開示されている。

しかしながら、特許文献４の焼結体によって得られる酸化物半導体薄膜には微結晶等が生成し易い点が課題であり、特に大型ガラス基板上に歩留まり良くＴＦＴを形成することが困難になる。一般に酸化物半導体の薄膜トランジスタの製造工程では、一旦非晶質膜を形成し、その後のアニール処理によって非晶質あるいは結晶質の酸化物半導体薄膜を得る。非晶質膜形成工程の後には、所望のチャネル層の形状にパターニング加工するため、蓚酸や塩酸等を含む水溶液等の弱酸によるウエットエッチングを実施する。ところが、特許文献４の実質的にビッグスバイト構造のみからなる酸化物焼結体を用いた場合には、形成される非晶質膜の結晶化温度が低くなってしまい、成膜後の段階ですでに微結晶が生成してエッチング工程で残渣が発生する、あるいは部分的に結晶化してエッチングできないといった問題が生じる。すなわち、フォトリソグラフィ技術等を利用して、ウエットエッチング法により、所望のＴＦＴチャネル層のパターンを形成することが困難になる、あるいはＴＦＴ形成ができたとしても安定動作しない等の問題が起こってしまう。

特開２０１０−２１９５３８号公報 特開２００７−０７３３１２号公報 ＷＯ２０１０／０３２４２２号公報 ＷＯ２０１１／１５２０４８号公報

本発明の目的は、良好なウエットエッチング性と高いキャリア移動度を示す非晶質の酸化物半導体薄膜の形成が可能なスパッタリング用ターゲット、それを得るのに最適な酸化物焼結体、ならびにそれを用いて得られる低いキャリア濃度と高いキャリア移動度を示す酸化物半導体薄膜を提供することにある。

本発明者等は、インジウム、ガリウム及びケイ素からなる酸化物焼結体であって、ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下、かつケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）の原子数比で０．０００１以上０．２５未満である酸化物焼結体が、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相と、Ｉｎ_２Ｏ_３相以外の生成相としてβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相、あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相と（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相、トルトバイタイト型構造のＩｎ_２（Ｓｉ_２Ｏ_７）相によって構成される場合に、前記酸化物焼結体を用いて作製された非晶質の酸化物半導体薄膜が、良好なウエットエッチング性と低いキャリア濃度と高いキャリア移動度を示すことを新たに見出した。

すなわち、本発明の第一は、インジウム、ガリウム及びケイ素を酸化物として含有し、前記ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下であり、前記ケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子数比で０．０００１以上０．２５未満であることを特徴とする酸化物焼結体である。

本発明の第二は、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相と、Ｉｎ_２Ｏ_３相以外の生成相としてβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相、あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相と（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相とによって構成されることを特徴とする第一の発明に記載の酸化物焼結体である。

本発明の第三は、トルトバイタイト型構造のＩｎ_２Ｓｉ_２Ｏ_７相を含むことを特徴とする第一又は第二の発明に記載の酸化物焼結体である。

本発明の第四は、前記ケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子数比で０．０１以上０．２０以下である第一〜第三の発明に記載の酸化物焼結体である。

本発明の第五は、前記ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．２０以上０．４５以下である第一〜第四のいずれかの発明に酸化物焼結体である。

本発明の第六は、第一〜第五のいずれかの発明に記載の酸化物焼結体を加工して得られるスパッタリング用ターゲットである。

本発明の第七は、第六の発明に記載のスパッタリング用ターゲットを用いてスパッタリング法によって基板上に形成された後、酸化性雰囲気における熱処理を施されたことを特徴とする非晶質の酸化物半導体薄膜である。

本発明の第八は、キャリア濃度が４．０×１０^１８ｃｍ^−３未満、かつキャリア移動度が１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上であることを特徴とする第七の発明に記載の酸化物半導体薄膜である。

本発明の第九は、キャリア濃度が６．０×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする第八の発明に記載の酸化物半導体薄膜である。

本発明の第十は、キャリア移動度が１５ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上である第八又は第九の発明に記載の酸化物半導体薄膜である。

本発明のインジウム、ガリウム及びケイ素からなる酸化物焼結体であって、ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下、かつケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）の原子数比で０．０００１以上０．２５未満であり、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相と、Ｉｎ_２Ｏ_３相以外の生成相としてβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相、あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相と（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相を含む酸化物焼結体は、例えばスパッタリング用ターゲットとして用いられた場合に、スパッタリング成膜によって形成され、その後熱処理されることにより、本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜を得ることができる。前記のスパッタリング成膜によって形成された薄膜は、所定量のガリウムとケイ素を含む効果により、微結晶等が生成せず、十分な非晶質性を有しているため、ウエットエッチングによって所望の形状にパターニング加工することができる。また、同効果により、本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜は、低いキャリア濃度と高いキャリア移動度を示す。よって、本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜をＴＦＴに適用した場合には、ＴＦＴのｏｎ／ｏｆｆを高めることが可能になる。したがって、本発明の酸化物焼結体、ターゲット、及びそれを用いて得られる酸化物半導体薄膜は工業的に極めて有用である。

実施例５、１０、１１の酸化物焼結体のＸ線回折測定結果スペクトルを示した図である。 走査透過電子顕微鏡を用いて撮影した実施例１１の酸化物焼結体の結晶粒写真である。

以下に、本発明の酸化物焼結体、スパッタリング用ターゲット、及びそれを用いて得られる酸化物半導体薄膜について詳細に説明する。

（１）酸化物焼結体
（ａ）組成
本発明の酸化物焼結体は、インジウム、ガリウム及びケイ素からなる酸化物焼結体であって、ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下、かつケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子数比で０．０００１以上０．２５未満であることを特徴とする。

ガリウムの含有量は、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下であり、０．１５以上０．４５以下であることがより好ましい。ガリウムは、本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜の結晶化温度を高める効果を有する。また、ガリウムは酸素との結合力が強く、本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜の酸素欠損量を低減させる効果がある。ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８未満の場合、これらの効果が十分得られない。一方、０．４９を超える場合、酸化物半導体薄膜として十分高いキャリア移動度を得ることができない。

本発明の酸化物焼結体は、上記の通り規定される組成範囲のインジウムとガリウムに加え、ケイ素を含有する。ケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）の原子数比で０．０００１以上０．２５未満であり、０．０１以上０．２０以下であることが好ましい。ケイ素は、本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜の結晶化温度を高める効果を有する。また、ケイ素を添加することで、本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜のキャリア濃度が抑制されるが、０．２５以上である場合、スパッタリングターゲットのバルク抵抗値が高くなり、スパッタリング時に成膜時にアーク放電（アーキング）のような異常放電により、均質な膜が得ることができない。

この効果によって、本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜をＴＦＴに適用した場合には、ＴＦＴのｏｎ／ｏｆｆを高めることが可能になる。

（ｂ）焼結体組織
本発明の酸化物焼結体は、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相によって構成されるが、これらに加えて（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相を多少含んでもよい。さらには、トルトバイタイト型構造のＩｎ_２（Ｓｉ_２Ｏ_７）相を含んでもよい。

ここでガリウムはビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相に固溶する、あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相を構成することが好ましい。基本的に正三価イオンであるガリウムは、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相に固溶する場合には同じく正三価イオンであるインジウムの格子位置を置換する。β−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相ならびに（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相を構成する場合には、基本的にＧａが本来の格子位置を占有するが、Ｉｎの格子位置に欠陥として若干置換固溶していても構わない。また、焼結が進行しない等の理由によって、ガリウムがビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相に固溶しにくい、あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相ならびに（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相が生成しにくくなり、その結果として、β−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａ_２Ｏ_３相を形成することは好ましくない。Ｇａ_２Ｏ_３相は導電性に乏しいため、異常放電の原因となる。さらに、トルトバイタイト型構造のＩｎ_２（Ｓｉ_２Ｏ_７）に固溶する場合には、基本的にＩｎ又はＳｉの格子位置に置換する。トルトバイタイト型構造のＩｎ_２（Ｓｉ_２Ｏ_７）は導電性に乏しく、異常放電の原因となる場合があるため、多量に生成することは好ましくない。

また、ケイ素はビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相に固溶することが好ましい。基本的に陽イオンであるケイ素は、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相に固溶する場合には陽イオンであるインジウムの格子位置を置換する。β−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相ならびに（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相に固溶する場合には、基本的に、Ｉｎ又はＧａの格子位置に置換する。さらに、トルトバイタイト型構造のＩｎ_２（Ｓｉ_２Ｏ_７）を形成する場合には、基本的にＳｉが本来の格子位置を占有するが、Ｉｎの格子位置に欠陥として若干置換固溶していても構わない。

本発明の酸化物焼結体は、少なくともビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相によって構成され、β−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相ならびに、（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相を含む場合があるが、これらの相の結晶粒は平均粒径５μｍ以下であることが好ましい。これらの相の結晶粒は、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相の結晶粒と比較してスパッタリングされにくいため、掘れ残ることでノジュールが発生し、アーキングの原因になる場合がある。

（２）酸化物焼結体の製造方法
本発明の酸化物焼結体の製造では、酸化インジウム粉末と酸化ガリウム粉末からなる酸化物粉末、ならびに二酸化ケイ素粉末を原料粉末として用いることが好ましいが、一酸化ケイ素粉末や金属ケイ素粉末を用いてもよい。

本発明の酸化物焼結体の製造工程では、これらの原料粉末が混合された後、成形され、成形物を常圧焼結法によって焼結される。本発明の酸化物焼結体組織の生成相は、酸化物焼結体の各工程における製造条件、例えば原料粉末の粒径、混合条件及び焼結条件に強く依存する。

本発明の酸化物焼結体の組織はビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相、β−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相、さらに（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相の各結晶粒が５μｍ以下になるよう制御されることが好ましいが、このため前記原料粉末の平均粒径を３．０μｍ以下とすることがより好ましく、１．０μｍ以下とすることがさらに好ましい。

酸化インジウム粉末は、ＩＴＯ（スズ添加インジウム酸化物）の原料であり、焼結性に優れた微細な酸化インジウム粉末の開発は、ＩＴＯの改良とともに進められてきた。酸化インジウム粉末は、ＩＴＯ用原料として大量に継続して使用されているため、最近では平均粒径１．０μｍ以下の原料粉末を入手することが可能である。

二酸化ケイ素粉末は、セラミックスやガラスの原料として広くに使用されておりであるため、平均粒径１．０μｍ以下の原料粉末を入手することが可能である。

ところが、酸化ガリウム粉末の場合、酸化インジウム粉末に比べて依然使用量が少ないため、平均粒径１．０μｍ以下の原料粉末を入手することは困難な場合がある。粗大な酸化ガリウム粉末しか入手できない場合、平均粒径１．０μｍ以下まで粉砕することが必要である。

本発明の酸化物焼結体の焼結工程では、常圧焼結法の適用が好ましい。常圧焼結法は、簡便かつ工業的に有利な方法であって、低コストの観点からも好ましい手段である。

常圧焼結法を用いる場合、前記の通り、まず成形体を作製する。原料粉末を樹脂製ポットに入れ、バインダー（例えば、ＰＶＡ）等とともに湿式ボールミル等で混合する。本発明の酸化物焼結体はビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相、又はビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相によって構成され、さらに（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相を含む場合があるが、これらの相の結晶粒が平均粒径５μｍ以下に制御されて微細分散していることが好ましい。また、（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相の生成はなるべく抑制されることが好ましい。加えて、これらの相以外にアーキングの原因となるβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａ_２Ｏ_３相を生成させないことが必要である。これらの要件を満たすためには、上記ボールミル混合を１８時間以上行うことが好ましい。この際、混合用ボールとしては、硬質ＺｒＯ_２ボールを用いればよい。混合後、スラリーを取り出し、濾過、乾燥、造粒を行う。その後、得られた造粒物を、冷間静水圧プレスで９．８ＭＰａ（０．１ｔｏｎ／ｃｍ^２）〜２９４ＭＰａ（３ｔｏｎ／ｃｍ^２）程度の圧力をかけて成形し、成形体とする。

常圧焼結法の焼結工程では、酸素の存在する雰囲気とすることが好ましく、雰囲気中の酸素体積分率が２０％を超えることがより好ましい。特に、酸素体積分率が２０％を超えることで、酸化物焼結体がより一層高密度化する。雰囲気中の過剰な酸素によって、焼結初期には成形体表面の焼結が先に進行する。続いて成形体内部の還元状態での焼結が進行し、最終的に高密度の酸化物焼結体が得られる。

酸素が存在しない雰囲気では、成形体表面の焼結が先行しないため、結果として焼結体の高密度化が進まない。酸素が存在しなければ、特に９００〜１０００℃程度において酸化インジウムが分解して金属インジウムが生成するようになるため、目的とする酸化物焼結体を得ることは困難である。

常圧焼結の温度範囲は、１２００〜１５５０℃が好ましく、より好ましくは焼結炉内の大気に酸素ガスを導入する雰囲気において１３５０〜１４５０℃である。焼結時間は１０〜３０時間であることが好ましく、より好ましくは１５〜２５時間である。

焼結温度を上記範囲とし、前記の平均粒径１．０μｍ以下に調整した酸化インジウム粉末と酸化ガリウム粉末からなる酸化物粉末、ならびに二酸化ケイ素粉末を原料粉末として用いることで、主にビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相とβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相、あるいは（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相とによって構成される。

焼結温度１２００℃未満の場合には焼結反応が十分進行しない。一方、焼結温度が１５５０℃を超えると、高密度化が進みにくくなる一方で、焼結炉の部材と酸化物焼結体が反応してしまい、目的とする酸化物焼結体が得られなくなる。特に本発明の酸化物焼結体は、ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上であるため、焼結温度を１４５０℃以下とすることが好ましい。１５００℃前後の温度域では、（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相の生成が著しくなる場合があるためである。（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相は少量であれば支障はないが、多量の場合には成膜速度の低下やアーキング等を招く恐れがあり好ましくない。

焼結温度までの昇温速度は、焼結体の割れを防ぎ、脱バインダーを進行させるためには、昇温速度を０．２〜５℃／分の範囲とすることが好ましい。この範囲であれば、必要に応じて、異なる昇温速度を組み合わせて、焼結温度まで昇温してもよい。昇温過程において、脱バインダーや焼結を進行させる目的で、特定温度で一定時間保持してもよい。焼結後、冷却する際は酸素導入を止め、１０００℃までを０．２〜５℃／分、特に、０．２℃／分以上１℃／分以下の範囲の降温速度で降温することが好ましい。

（３）ターゲット
本発明のターゲットは、本発明の酸化物焼結体を所定の大きさに加工することで得られる。ターゲットとして用いる場合には、さらに表面を研磨加工し、バッキングプレートに接着して得ることができる。ターゲット形状は、平板形が好ましいが、円筒形でもよい。円筒形ターゲットを用いる場合には、ターゲット回転によるパーティクル発生を抑制することが好ましい。また、上記酸化物焼結体を、例えば円柱形状に加工してタブレットとし、蒸着法やイオンプレーティング法による成膜に使用することができる。

スパッタリング用ターゲットとして用いる場合には、本発明の酸化物焼結体の密度は６．３ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましく、より好ましくは６．７ｇ／ｃｍ^３以上である。密度が６．３ｇ／ｃｍ^３未満である場合、量産使用時のノジュール発生の原因となる。また、イオンプレーティング用タブレットとして用いる場合には、６．３ｇ／ｃｍ^３未満であることが好ましく、３．４〜５．５ｇ／ｃｍ^３であればより好ましい。この場合、焼結温度を１２００℃未満としたほうがよい場合がある。

（４）酸化物半導体薄膜とその成膜方法
本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜は、主に、前記のスパッタリング用ターゲットを用いて、スパッタリング法で基板上に一旦非晶質の酸化物薄膜を形成し、次いでアニール処理を施すことによって得られる。

前記のスパッタリング用ターゲットは本発明の酸化物焼結体より得られるが、その酸化物焼結体組織、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相と（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相によって基本構成されている組織が重要である。本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜を得るためには、非晶質の酸化物半導体薄膜の結晶化温度が高いことが重要であるが、これには酸化物焼結体組織が関係する。すなわち、本発明の酸化物焼結体のように、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相だけでなく、β−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相と（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相も含む場合には、これから得られる酸化物薄膜は高い結晶化温度、すなわち３００℃以上、より好ましくは３５０℃以上の結晶化温度を示し、安定な非晶質となる。また、トルトバイタイト型構造のＩｎ_２（Ｓｉ_２Ｏ_７）相を含む場合には、さらに高い結晶化温度を示し、より安定な非晶質となる。これに対して、酸化物焼結体がビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相のみによって構成される場合、これから得られる酸化物薄膜は、その結晶化温度が２００℃前後と低く非晶質性ではなくなる。なお、この場合には、成膜後にすでに微結晶が生成して非晶質性が維持されず、ウエットエッチングによるパターニング加工が困難になる。

本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜の成膜工程では、一般的なスパッタリング法が用いられるが、特に、直流（ＤＣ）スパッタリング法であれば、成膜時の熱影響が少なく、高速成膜が可能であるため工業的に有利である。本発明の酸化物半導体薄膜を直流スパッタリング法で形成するには、スパッタリングガスとして不活性ガスと酸素、特にアルゴンと酸素からなる混合ガスを用いることが好ましい。また、スパッタリング装置のチャンバー内を０．１〜１Ｐａ、特に０．２〜０．８Ｐａの圧力として、スパッタリングすることが好ましい。

基板は、ガラス基板が代表的であり、無アルカリガラスが好ましいが、樹脂板や樹脂フィルムのうち上記プロセス条件に耐えうるものであれば使用できる。

前記の非晶質の酸化物薄膜形成工程は、例えば、２×１０^−４Ｐａ以下まで真空排気後、アルゴンと酸素からなる混合ガスを導入し、ガス圧を０．２〜０．８Ｐａとし、ターゲットの面積に対する直流電力、すなわち直流電力密度が１〜７Ｗ／ｃｍ^２程度の範囲となるよう直流電力を印加して直流プラズマを発生させ、プリスパッタリングを実施することができる。このプリスパッタリングを５〜３０分間行った後、必要により基板位置を修正したうえでスパッタリングすることが好ましい。

前記の成膜工程におけるスパッタリング成膜では、成膜速度を向上させるために、投入する直流電力を高めることが行われる。

本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜は、前記の非晶質の酸化物薄膜を成膜後、これをアニール処理することによって得られる。アニール処理までの方法の１つとしては、例えば室温近傍等低温で一旦非晶質の酸化物薄膜を形成し、その後、結晶化温度未満でアニール処理して、非晶質を維持したままの酸化物半導体薄膜を得る。もう１つの方法としては、基板を結晶化温度未満の温度、好ましく１００〜３００℃に加熱して、非晶質の酸化物半導体薄膜を成膜する。これに続いて、さらにアニール処理をしてもよい。これら２つの方法での加熱温度は概ね６００℃以下で済み、無アルカリのガラス基板の歪み点以下とすることができる。

本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜は、一旦非晶質の酸化物薄膜を形成した後、アニール処理することで得られる。アニール処理条件は、酸化性雰囲気において、結晶化温度未満の温度である。酸化性雰囲気としては、酸素、オゾン、水蒸気、あるいは窒素酸化物等を含む雰囲気が好ましい。アニール温度は、２００〜６００℃であり、３００〜５００℃が好ましい。アニール時間は、アニール温度に保持される時間が１〜１２０分間であり、５〜６０分間が好ましい。

前記の非晶質の酸化物薄膜及び非晶質の酸化物半導体薄膜のインジウム、ガリウム、及びケイ素の組成は、本発明の酸化物焼結体の組成とほぼ同じである。すなわち、インジウム及びガリウムを酸化物として含有し、かつケイ素を含有する非晶質の酸化物焼半導体薄膜である。ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下であり、前記ケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子数比で０．０００１以上０．２５未満である。

本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜は、前記のような組成及び組織が制御された酸化物焼結体をスパッタリングターゲット等に用いて成膜し、上記の適当な条件でアニール処理することで、キャリア濃度が４．０×１０^１８ｃｍ^−３以下に低下し、キャリア移動度１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上を示す。より好ましくはキャリア移動度１５ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上、特に好ましくは２０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上が得られる。

本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜は、ウエットエッチングあるいはドライエッチングによって、ＴＦＴ等の用途で必要な微細加工を施される。通常、結晶化温度未満の温度、例えば室温から３００℃までの範囲から適当な基板温度を選択して一旦非晶質の酸化物薄膜を形成した後、ウエットエッチングによる微細加工を施すことができる。エッチャントとしては、弱酸であれば概ね使用できるが、蓚酸あるいは塩酸を主成分とする弱酸が好ましい。例えば、関東化学製ＩＴＯ−０６Ｎ等の市販品が使用できる。ＴＦＴの構成によっては、ドライエッチングを選択してもよい。
本発明の非晶質の酸化物半導体薄膜の膜厚は限定されるものではないが、１０〜５００ｎｍ、好ましくは２０〜３００ｎｍ、さらに好ましくは３０〜１００ｎｍである。１０ｎｍ未満であると十分な半導体特性が得られず、結果として高いキャリア移動度が実現しない。一方、５００ｎｍを超えると生産性の問題が生じてしまうので好ましくない。

以下に、本発明の実施例を用いて、さらに詳細に説明するが、本発明は、これら実施例によって限定されるものではない。

＜酸化物焼結体の評価＞
得られた酸化物焼結体の金属元素の組成をＩＣＰ発光分光法によって調べた。得られた酸化物焼結体の端材を用いて、Ｘ線回折装置（フィリップス製）を用いて粉末法による生成相の同定を行った。また、得られた酸化物焼結体を集束イオンビーム装置を用いて薄片化を行い、走査透過電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製）により結晶粒の観察を行い、エネルギー分散型Ｘ線分析（日立ハイテクノロジーズ製）により各結晶粒の組成を調べた。

＜酸化物薄膜の基本特性評価＞
得られた酸化物薄膜の組成をＩＣＰ発光分光法によって調べた。酸化物薄膜の膜厚は表面粗さ計（テンコール社製）で測定した。成膜速度は、膜厚と成膜時間から算出した。酸化物薄膜のキャリア濃度及び移動度は、ホール効果測定装置（東陽テクニカ製）によって求めた。膜の生成相はＸ線回折測定によって同定した。

「酸化物焼結体及び酸化物薄膜の作製」
酸化インジウム粉末と酸化ガリウム粉末、ならびに二酸化ケイ素粉末を平均粒径１．０μｍ以下となるよう調整して原料粉末とした。これらの原料粉末を、表１及び表２の実施例及び比較例のＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比、Ｓｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子数比の通りになるように調合し、水とともに樹脂製ポットに入れ、湿式ボールミルで混合した。この際、硬質ＺｒＯ_２ボールを用い、混合時間を１８時間とした。混合後、スラリーを取り出し、濾過、乾燥、造粒した。造粒物を、冷間静水圧プレスで３ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力をかけて成形した。

次に、成形体を次のように焼結した。炉内容積０．１ｍ^３当たり５リットル／分の割合で、焼結炉内の大気に酸素を導入する雰囲気で、１３５０〜１４５０℃の焼結温度で２０時間焼結した。この際、１℃／分で昇温し、焼結後の冷却の際は酸素導入を止め、１０００℃までを１℃／分で降温した。

得られた酸化物焼結体の組成分析をＩＣＰ発光分光法にて行ったところ、金属元素について、原料粉末の配合時の仕込み組成とほぼ同じであることがいずれの実施例でも確認された。

次に、Ｘ線回折測定（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ＸＲＤ）による酸化物焼結体の相同定、走査透過電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＴＥＭ）により結晶粒の観察を行い、エネルギー分散型Ｘ線（Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ＥＤＸ）分析により各結晶粒の組成分析を行った結果を表１に示した。

また、実施例５、１０、１１のＸ線回折測定結果と相同定した結果を図１に、実施例１１の走査透過電子顕微鏡の観察結果を図２に示した。走査透過電子顕微鏡の観察では、白く見える結晶粒と黒く見える結晶粒の２種類の結晶粒の存在が確認された。さらに、Ｘ線回折測定及びエネルギー分散型Ｘ線分析の結果から、白く見える結晶粒がビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相、黒く見える結晶粒がβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相であることがわかる。

酸化物焼結体を、直径１５２ｍｍ、厚み５ｍｍの大きさに加工し、スパッタリング面をカップ砥石で最大高さＲｚが３．０μｍ以下となるように研磨した。加工した酸化物焼結体を、無酸素銅製のバッキングプレートに金属インジウムを用いてボンディングして、スパッタリング用ターゲットとした。

実施例及び比較例のスパッタリング用ターゲットならびに無アルカリのガラス基板（コーニングＥａｇｌｅＸＧ）を用いて、表２に記載の基板温度で直流スパッタリングによる成膜を行った。アーキング抑制機能のない直流電源を装備した直流マグネトロンスパッタリング装置（トッキ製）のカソードに、上記スパッタリングターゲットを取り付けた。このときターゲット−基板（ホルダー）間距離を６０ｍｍに固定した。２×１０^−４Ｐａ以下まで真空排気後、アルゴンと酸素の混合ガスを各ターゲットのガリウム量ならびにケイ素量に応じて適当な酸素の比率になるように導入し、ガス圧を０．６Ｐａに調整した。直流電力３００Ｗ（１．６４Ｗ／ｃｍ^２）を印加して直流プラズマを発生させた。１０分間のプリスパッタリング後、スパッタリングターゲットの直上、すなわち静止対向位置に基板を配置して、膜厚５０ｎｍの酸化物半導体薄膜を形成した。このとき、アーキングの発生の有無を確認した。得られた酸化物半導体薄膜の組成は、ターゲットとほぼ同じであることが確認された。

成膜された酸化物半導体薄膜に、表２に記載の通り、酸素中、３００〜５００℃において３０〜６０分間の熱処理を施し、Ｘ線回折測定によって熱処理後の酸化物半導体薄膜の結晶性を調べた。その結果、比較例１及び２の酸化物半導体薄膜は結晶化しており、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相が生成していたが、それを除く実施例及び比較例では非晶質を維持していた。また、結晶化している酸化物半導体薄膜については、酸化物半導体薄膜を構成する結晶相を同定した。比較例１、２、４〜６及び８を除いた実施例及び比較例について酸化物半導体薄膜のホール効果測定を行い、キャリア濃度及びキャリア移動度を求めた。得られた評価結果を、表２にまとめて記載した。

「評価」
表１の結果より、実施例１〜１９では、ガリウム含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下であり、ケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子量比で０．０００１以上０．２５未満の場合には、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相及びβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相、β−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相と（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相あるいはトルトバイタイト型のＩｎ_２（Ｓｉ_２Ｏ_７）によって構成されていた。これに対して、比較例１〜３では、酸化物焼結体のガリウム又はケイ素含有量が本発明の範囲より少ない。比較例１、２では、このためにビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相のみによって構成される酸化物焼結体となってしまっている。また、比較例３〜６、８では、ケイ素含有量が過剰であるために、スパッタリング成膜時にアーキングが発生し、均質な膜を得ることができず、本発明の目的とする酸化物焼結体が得られていない。

また、表２の結果より、インジウム、ガリウム及びケイ素からなる非晶質の酸化物半導体薄膜であって、ガリウム含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下であり、ケイ素含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子数比で０．０００１以上０．２５未満に制御された酸化物半導体薄膜の特性を示した。

実施例の酸化物半導体薄膜は、いずれも非晶質であることがわかる。また、実施例の酸化物半導体薄膜は、キャリア濃度が４．０×１０^１８ｃｍ^−３以下、及びキャリア移動度が１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の優れた特性を示していることがわかる。

これに対して、比較例１及び２では、アニール後の酸化物半導体薄膜は、結晶化しており、ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相が生成して非晶質ではなかった。また、比較例３〜６、８の酸化物半導体薄膜は、前記のケイ素含有量が本発明の範囲を超えている結果、アーキングが発生して均質な膜が得られなかったため、キャリア濃度、キャリア移動度の評価は行わなかった。比較例７の酸化物半導体は前記のＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）が上限を超えているため、そのキャリア移動度が１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ未満であることがわかる。

Claims (10)

1. インジウム、ガリウム及びケイ素を酸化物として含有し、
   前記ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．０８以上０．４９以下であり、
   前記ケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子数比で０．０００１以上０．２５未満であることを特徴とする酸化物焼結体。
2. ビックスバイト型構造のＩｎ_２Ｏ_３相を主相とし、Ｉｎ_２Ｏ_３相以外の生成相としてβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相、あるいはβ−Ｇａ_２Ｏ_３型構造のＧａＩｎＯ_３相と（Ｇａ，Ｉｎ）_２Ｏ_３相を含むことを特徴とする請求項１に記載の酸化物焼結体。
3. トルトバイタイト型構造のＩｎ_２（Ｓｉ_２Ｏ_７）相を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の酸化物焼結体。
4. 前記ケイ素の含有量がＳｉ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｉ）原子数比で０．０１以上０．２０以下である請求項１〜３に記載の酸化物焼結体。
5. 前記ガリウムの含有量がＧａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）原子数比で０．１５以上０．４５以下である請求項１〜４に記載の酸化物焼結体。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の酸化物焼結体を加工して得られるスパッタリング用ターゲット。
7. 請求項６に記載のスパッタリング用ターゲットを用いてスパッタリング法によって基板上に形成された後、酸化性雰囲気における熱処理を施されたことを特徴とする非晶質の酸化物半導体薄膜。
8. キャリア濃度が４．０×１０^１８ｃｍ^−３未満、かつキャリア移動度が１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上であることを特徴とする請求項７に記載の酸化物半導体薄膜。
9. キャリア濃度が６．０×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項８に記載の酸化物半導体薄膜。
10. キャリア移動度が１５ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上である請求項８又は９に記載の酸化物半導体薄膜。