JP5883990B2 - Igzoスパッタリングターゲット - Google Patents

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Description

本発明は、液晶表示装置や有機EL表示装置中の薄膜トランジスタの活性層等に使用される透明半導体IGZO膜を、スパッタリング法で製造する際に使用するのに適した、IGZOターゲット及び該ターゲットをスパッタリングすることにより得られたIGZO膜に関する。
アクティブマトリックス型液晶表示装置等の表示素子には、各画素駆動用のシリコン系材料を活性層とする薄膜トランジスタが使用されているが、画素の微細化に伴いトランジスタの占有領域が増えることによる開口率の減少、高温成膜が必要等の欠点から、近年、透明酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの開発が行われている。
透明酸化物半導体は、スパッタリング法で大面積へ均一成膜可能、高移動度等の観点から注目されており、中でも、インジウム、ガリウム、亜鉛、酸素を構成元素とするIn−Ga−Zn−O系材料(以下、「IGZO」と記載する。)からなる非晶質IGZO膜の移動度は、アモルファスシリコンの移動度より高く、非晶質IGZO膜を活性層に用いた電界効果型トランジスタはオンオフ比が大きく、オフ電流値が低い等の特性を有するため、有望視されている(非特許文献1、特許文献1参照)。
非晶質IGZO膜の作製方法としては、量産性に優れているスパッタリング法が、最も適切であり、そのためには、IGZOターゲットは高密度である必要がある。
しかしながら、これまでに高密度IGZOターゲットを製造できる場合もあったが、生産継続中に焼結体の密度が低下し、更に生産を継続していくと、また、高密度ターゲットができるようになるといったことがあり、その原因として、焼結条件等のターゲット製造プロセス条件の不適切が予想されたが、結局、原因は不明ということがあった。
特許文献2には、塩素濃度が50質量ppm以下の酸化インジウム粉を用いた酸化インジウム系スパッタリングターゲットの製造方法について記載されている。しかしながら該明細書で開示されているのは酸化インジウム粉に含まれる塩素濃度の効果のみである。特許文献3には、ハロゲン元素の含有量が少ない酸化インジウム粉当に関する記載がある。しかしながら、実施例では、原料としては、硝酸インジウムが用いられているのみである。
この他、特許文献4には、「インジウム元素(In)、ガリウム元素(Ga 、及び亜鉛元素(Zn)を含み、(Ga,In)で表される酸化物結晶相を含む酸化物。前記酸化物に含まれる結晶相全体に対し、前記(Ga,Inで表される酸化物結晶相が、50質量%以上である前記酸化物。インジウム元素(In)、ガリウム元素(Ga)、及び亜鉛元素(Zn)の合計(In+Ga+Zn)に対する、各元素の原子比が下記式(1)〜(3)の関係を満たす、前記酸化物が記載されている。
0.05≦In/(In+Ga+Zn)≦0.9(1)
0.05≦Ga/(In+Ga+Zn)≦0.9(2)
0.05≦Zn/(In+Ga+Zn)≦0.9(3)」
また、特許文献5には、「下記に示す酸化物A と、ビックス(登録商標)バイト型の結晶構造を有する酸化インジウム(In) と、を含有するスパッタリングターゲット。酸化物A:インジウム元素(In)、ガリウム元素(Ga)、及び亜鉛元素(Zn) を含み、X線回折測定(Cukα線)により、入射角(2θ)が、7.0°〜8.4 °、30.6°〜32.0°、33.8°〜35.8°、53.5°〜56.5°及び56.5°〜59.5°の各位置に回折ピークが観測される酸化物。インジウム元素(In)、ガリウム元素(Ga)及び亜鉛元素(Zn)の原子比が、下記式(1)及び(2)を満たす、スパッタリングターゲット。
0.10≦Zn/(In+Ga+Zn)≦0.45(1)
0.05<Ga/(In+Ga+Zn)<0.18(2)
さらに、インジウム元素(In) 及びガリウム元素(Ga) の原子比が、下記式(3) を満たす前記スパッタリングターゲット。
0.14≦Ga/(In+Ga)(3)」が記載されている。
しかし、これらは広範囲なターゲットの成分組成が記載されているが、ターゲットの結晶組織(相)の調整が十分行われていないので、異常放電の抑制効果が小さいという問題がある。
特開2006−173580号公報 特開2008−308385号公報 特開平10−182150号公報 特開2009−275272号公報 特開2011−106002号公報
本発明はこのような事情に着目してなされたものであって、その目的は、透明半導体IGZO膜のスパッタ法での成膜に必要なスパッタリングターゲットとして高密度のIGZOターゲットを提供するものであり、かつスパッタリング用ターゲットの低バルク抵抗化及びスパッタ膜のキャリア濃度及び移動度を一定の範囲とし、かつアーキングの発生を最小限に押さえ、DCスパッタリングが可能であるIGZOターゲット技術を提供することを課題とする。
かかる知見を基礎として、本発明は以下の発明を提供する。
1)インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)及び酸素(O)からなるIGZO焼結体スパッタリングターゲットであって、In、Ga、Znが0.575≧In/(In+Ga)≧0.500であり、かつZn/(In+Ga+Zn)<0.333の組成範囲であり、(InGa(1−x)) ZnO(1>x>0)相からなる単一相の組織を有することを特徴とするスパッタリングターゲット。
2)インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)及び酸素(O)からなるIGZO焼結体スパッタリングターゲットであって、In、Ga、Znが0.575≧In/(In+Ga)≧0.500であり、かつZn/(In+Ga+Zn)<0.333の組成範囲であり、(InGa(1−x)) ZnO(1>x>0)相とIn相からなる二相構造の組織を有し、当該In相の最大径が10μm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。
3)バルク抵抗が15mΩ・cm以下であることを特徴とする上記1)又は2)に記載のスパッタリングターゲット。
4)相対密度が95%以上であることを特徴とする上記1)〜3)のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
5)上記1)〜4)のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングすることにより得られる膜であって、キャリア濃度5×1015(cm−3)以下、移動度5(cm/Vs)以上の膜特性を有することを特徴とする膜。
以上の様に、本発明によれば、透明半導体IGZO膜作製用のスパッタリングターゲットとして使用される高密度IGZO酸化物焼結体は、高密度のIGZOターゲットを提供することができ、かつスパッタリング用ターゲットの低バルク抵抗化及びスパッタ膜のキャリア濃度及び移動度を一定の範囲とし、かつアーキングの発生を最小限に押さえ、DCスパッタリングが可能であるIGZOターゲット技術を提供することができるので、アクティブマトリックス駆動の液晶表示素子や有機EL表示素子中の薄膜トランジスタの活性層部分となる良好な透明半導体IGZO膜を、高品位かつ効率的に作製することができる効果を有する。
本発明に使用する酸化物焼結体は、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)及び酸素(O)を構成元素とする。ターゲットの組成、バルク抵抗、組織を制御することで、成膜時の酸素分圧を減らして所定の膜特性(キャリア濃度、移動度)を得る。IGZO膜は成膜時の酸素分圧が増加するほど、膜中のキャリア濃度は低くなる。
半導体特性を得るには1015(cm−3)オーダー以下のキャリア濃度が必要であり、これを得るために成膜時に酸素の導入が必要となる。酸素分圧が増えるとスパッタレートの低下、プラズマの不安定化などのマイナス要因が生じるため、酸素分圧は低い方が好ましい。
本発明のインジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)及び酸素(O)からなるIGZOスパッタリングターゲットは、酸素を除くIn、Ga、Znが0.575≧In/(In+Ga)≧0.500であり、かつZn/(In+Ga+Zn)<0.333の組成範囲である。
本願は、In:Ga:Zn=1:1:1の組成のIGZOターゲットを改良する発明であり、高密度のIGZOターゲットを提供することができ、かつスパッタリング用ターゲットの低バルク抵抗化及びスパッタ膜のキャリア濃度及び移動度を一定の範囲とし、かつアーキングの発生を最小限に押さえ、DCスパッタリングが可能である。
ここで、In量が多くなるとIn相が著しく成長し、IGZO相中に電気特性の異なる大きな異相が存在することとなり、異常放電に繋がる。またInが多いと膜中のキャリア濃度が増えやすく、低キャリア濃度の膜を得るために、成膜時に多量の酸素導入が必要となり、スパッタ中のプラズマが不安となり、これまた異常放電の要因となる。反対にInが少なすぎると膜の移動度が不足してしまうため、一定量以上必要である。
スパッタ時の異常を避けつつ所定の移動度を確保するには本明細中のIn組成にコントロールする必要がある。
また、Gaが増えるとターゲット密度が上がらず、導電性も損なわれる。さらに、Ga、Znが増えすぎると、得られる膜の移動度が著しく低下するので、GaとZnの組成もコントロールする必要がある。上記の組成範囲は、これらの問題を解決できる範囲に調整したものであり、これは本願発明の必須の要件である。
また、本願発明のIGZOターゲットは、(InGa(1−x)) ZnO(1>x>0)相のみ、又は(InGa(1−x)) ZnO(1>x>0)相以外にIn相を一部含有し、バルク抵抗が15mΩ・cm以下であることも、大きな特徴の一つである。
さらに、上記スパッタリングターゲットにおいて、In相の最大径が10μm以下の組織を有すること、相対密度が95%以上であることも特徴の一つである。
このIGZOスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングすることにより、キャリア濃度5×1015(cm−3)以下、移動度5(cm/Vs)以上の膜特性を有するIGZO膜を得ることができる。これらの条件は、特性を向上させる目的に応じて、必要により設定可能である。
上記の通り、本発明の酸化物焼結体の相対密度は95%以上とすることが可能であり、また98%以上に、さらには99%以上を達成することができる。酸化物焼結体の相対密度が95%未満であると、膜のキャリア濃度のばらつきが大きくなることに加えて、その酸化物焼結体をスパッタリングターゲットとして用いて、スパッタ成膜した場合、スパッタ時間の経過に伴って、アーキングの発生が多くなり、得られる膜特性が劣化するという不利があるので、本願発明の優位性は明らかである。
酸化物焼結体の相対密度の測定方法は、まず、各組成に対して、各構成元素と形態から酸化物焼結体の相対密度が100%となる密度の値が決定でき、次に、実際に作製した酸化物焼結体の密度をアルキメデス法等で求めて、相対密度が100%の密度の値で除したものとして求めることができる。
酸化物焼結体に含まれるInの粒径の測定は、SEMの反射電子像等により、Inを含む組織写真から、画像解析により各In相の最大となる径を測定し、1視野中の最大径を求めた。これをランダムに5視野測定し、その中で最大となる値を最大経とした。
本発明のターゲットの低バルク抵抗化で成膜時のスパッタ電圧を下げることが出来る。スパッタ電圧が高い場合、スパッタにより生成した2次イオンや高エネルギー散乱粒子によって成膜した膜が衝撃されてダメージを受け,多くの酸素欠損を生じる。
酸化物半導体のスパッタ成膜においては、酸素欠損量を低減し所定のキャリア濃度を得るために成膜雰囲気中に多量の酸素を供給する必要があるが、ターゲットの低バルク抵抗化によってスパッタ電圧を低下させることによって膜中の酸素欠損量が減り、所定のキャリア濃度を得るために必要なスパッタ中の酸素分圧を低減出来る。
In相のサイズは、成分組成及び焼結温度で制御可能である。すなわち、In濃度が高いほどIn相は大きく成長し易く、高温で焼結するとサイズも大きくなるので、これによって、In相の大きさを制御できる。焼結温度は1420度以上1480度以下とすることが好ましい。焼結温度を上げ過ぎると、In相の粗大化が起り、アーキング数が増大するので好ましくない。
(酸化物焼結体の製造方法)
上記の本発明に係る酸化物焼結体の製造工程の代表例を示すと、次の通りである。
原料としては、酸化インジウム(In)、酸化ガリウム(Ga)、及び酸化亜鉛(ZnO)を使用することができる。不純物による電気特性への悪影響を避けるために、純度4N以上の原料を用いることが望ましい。各々の原料粉を所望の組成比となるように秤量する。なお、上記の通り、これらに不可避的に含有される不純物は含まれるものである。
次に、混合と粉砕を行う。粉砕が不充分であると、製造したターゲット中に各成分が偏析して、高抵抗率領域と低抵抗率領域が存在することになり、スパッタ成膜時に高抵抗率領域での帯電等によるアーキングなどの異常放電の原因となってしまうので、充分な混合と粉砕が必要である。
ターゲットの作製は必要に応じて原料の仮焼を行う。スーパーミキサーにて各原料を混合した後、必要に応じて、これらをアルミナ製匣鉢に詰め、温度950〜1350°Cの範囲で仮焼する。仮焼の保持時間は、2〜10hr、酸素雰囲気または大気雰囲気で行う。
混合原料は、少量の場合は、例えば1バッチ1〜20kg単位でアトライター(φ3mmジルコニアビーズ、アジテータ回転数300rpm)又はLMZ(スターミル:アシザワファインテック製)にて2〜5hr程度、微粉砕する。
大量の場合は、原料を1バッチ20〜1000kg単位で、LMZ(スターミル:アシザワファインテック製)にて2〜8hr程度微粉砕(φ0.5mmジルコニアビーズ、投入電力2.0〜20.0kW・Hr)する。
次に、微粉砕後のスラリーはバインダーを加え造粒機で、100〜250°Cで乾燥して、目開き250μm篩で篩別して粉を回収する。なお、微粉砕の前後で、それぞれの粉末の比表面積を測定する。1000gのIGZO粉にPVA水溶液(PVA固形分6%)を50〜200cc混合する。
次に、φ210mmの金型に、粉末1000gを充填し、面圧400〜1000kgf・cmでプレスして成型体を得る。この成型体をビニールで2重に真空パックし、1500〜4000kgf/cmでCIPする。そして、所定の温度で焼結を行ない(保持時間5〜24hr、酸素雰囲気中)、焼結体を得る。
ターゲットの製作に際しては、上記によって得られた酸化物焼結体の外周の円筒研削、面側の平面研削をすることによって、例えば152.4φ×5tmmのターゲットに加工する。これをさらに、例えば銅製のバッキングプレートに、インジウム系合金などをボンディングメタルとして、貼り合わせることでスパッタリングターゲットとする。
以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例によって何ら制限されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形を包含するものである。
実施例に使用した原料粉は、表1に示す通りである。IGZOの原料について、酸素を除くIn、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)≦0.575とし、Zn/(In+Ga+Zn)<0.333、残部をGaの組成となるよう原料を調合し、これらの原料組合せと製造条件(微粉砕、仮焼温度、焼結温度)を変えて、ターゲットを作製し、各種の試験を行った。これらの詳細を、表1の実施例1〜7に示す。
下記に示す実施例及び比較例において、各種の分析測定や評価が必要となるが、その条件・装置名等を以下に示す。
(原料の平均粒径の測定)
粒径の測定は、粒度分布測定装置(日機装株式会社製、Microtrac MT3000)を用いて行った。
(密度の測定)
密度の測定は純水を溶媒として用いたアルキメデス法にて測定を行った。相対密度の算出に用いた理論密度は、各原料の密度(In:7.18g/cm、Ga:6.44g/cm、ZnO:5.61g/cm)を組成に応じた重量比より体積換算して算出した。
(バルク抵抗値の測定)
バルク抵抗値の測定は、抵抗率測定器(エヌピイエス株式会社製、Σ−5+)を用いて、四探針法で行った。
(スパッタリング条件)
スパッタリング装置は、DCマグネトロンスパッタ装置を使用し、成膜条件は、室温、DC500W、酸素濃度6%、アニール条件は大気雰囲気で300℃×1hrで行った。
膜のキャリア濃度、移動度の測定は、東陽テクニカ製(ResiTest8400 ホール効果測定装置)を使用して行った。キャリア濃度5×1015(cm−3)以下、移動度5(cm/Vs)以上を目標とした。
Figure 0005883990
(実施例1)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積(BET)4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。これらの粉末を、In原料を46.6wt%、Ga原料を28.6wt%、ZnO原料を24.8wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.524とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.323、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は6.0m/gであった。また、粉砕後の比表面積は17.8m/gであった。この差は、11.8m/gであった。粉末の焼結温度を1430℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.32g/cm、相対密度は96.8%と高密度であり、バルク抵抗値は3.8mΩ・cmで、DCスパッタリングが十分可能である低バルク抵抗値を有していた。In相の最大サイズ(長径)が4.9μm、相状態はInGa(1−x)) ZnO相とIn相の2相であった。
そして、キャリア濃度が2.21×1015(cm−3)、移動度9.14(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は121回と少なかった。いずれも、本願発明の条件を満たしていた。
(実施例2)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を44.7wt%、Ga原料を29.6wt%、ZnO原料を25.7wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.505とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.331、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は6.0m/gであった。また、粉砕後の比表面積は18.0m/gであった。この差は、12.0m/gであった。粉末の焼結温度を1430℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.33g/cm、相対密度は97.3%と高密度であり、バルク抵抗値は5.8mΩ・cmで、DCスパッタリングが十分可能である低バルク抵抗値を有していた。相状態はInGa(1−x)) ZnO相の単相であった。
そして、キャリア濃度が1.34×1015(cm−3)、移動度6.46(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は86回と少なかった。いずれも、本願発明の条件を満たしていた。
(実施例3)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を45.4wt%、Ga原料を29.2wt%、ZnO原料を25.4wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、酸素を除くIn、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.512とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.328、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は5.8m/gであった。また、粉砕後の比表面積は16.8m/gであった。この差は、11.0m/gであった。粉末の焼結温度を1430℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.33g/cm、相対密度は97.1%と高密度であり、バルク抵抗値は4.3mΩ・cmで、DCスパッタリングが十分可能である低バルク抵抗値を有していた。In相の最大サイズ(長径)が5.2μm、相状態はInGa(1−x)) ZnO相とIn相の2相であった。
そして、キャリア濃度が1.56×1015(cm−3)、移動度7.23(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は130回と少なかった。いずれも、本願発明の条件を満たしていた。
(実施例4)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を46.6wt%、Ga原料を28.6wt%、ZnO原料を24.8wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.524とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.323、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は5.9m/gであった。また、粉砕後の比表面積は17.5m/gであった。この差は、11.6m/gであった。粉末の焼結温度を1430℃、焼結雰囲気:大気中で焼結した。
この結果、密度は6.32g/cm、相対密度は96.8%と高密度であり、バルク抵抗値は2.9mΩ・cmで、DCスパッタリングが十分可能である低バルク抵抗値を有していた。In相の最大サイズ(長径)が4.3μm、相状態はInGa(1−x)) ZnO相とIn相の2相であった。
そして、キャリア濃度が1.72×1015(cm−3)、移動度8.62(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は128回と少なかった。いずれも、本願発明の条件を満たしていた。
(実施例5)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を46.6wt%、Ga原料を28.6wt%、ZnO原料を24.8wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.524とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.323、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は5.9m/gであった。また、粉砕後の比表面積は17.5m/gであった。この差は、11.6m/gであった。粉末の焼結温度を1370℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.32g/cm、相対密度は96.8%と高密度であり、バルク抵抗値は8.0mΩ・cmで、DCスパッタリングが十分可能である低バルク抵抗値を有していた。In相の最大サイズ(長径)が3.5μm、相状態はInGa(1−x)) ZnO相とIn相の2相であった。
そして、キャリア濃度が2.61×1015(cm−3)、移動度8.89(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は142回と少なかった。いずれも、本願発明の条件を満たしていた。
(実施例6)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を49.9wt%、Ga原料を24.9wt%、ZnO原料を25.3wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.575とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.332、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は5.6m/gであった。また、粉砕後の比表面積は17.8m/gであった。この差は、12.2m/gであった。粉末の焼結温度を1430℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.38g/cm、相対密度は97.5%と高密度であり、バルク抵抗値は9.8mΩ・cmで、DCスパッタリングが十分可能である低バルク抵抗値を有していた。相状態はInGa(1−x)) ZnO相の単相であった。
そして、キャリア濃度が3.53×1015(cm−3)、移動度9.53(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は134回と少なかった。いずれも、本願発明の条件を満たしていた。
(実施例7)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を52.4wt%、Ga原料を26.2wt%、ZnO原料を21.4wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.575とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.286、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は6.2m/gであった。また、粉砕後の比表面積は15.5m/gであった。この差は、9.3m/gであった。粉末の焼結温度を1430℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.42g/cm、相対密度は97.2%と高密度であり、バルク抵抗値は2.1mΩ・cmで、DCスパッタリングが十分可能である低バルク抵抗値を有していた。In相の最大サイズ(長径)が8.8μm、相状態はInGa(1−x)) ZnO相とIn相の2相であった。
そして、キャリア濃度が4.55×1015(cm−3)、移動度7.34(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は173回と少なかった。いずれも、本願発明の条件を満たしていた。
(比較例1)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を44.2wt%、Ga原料を29.9wt%、ZnO原料を25.9wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.500とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.333、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は5.6m/gであった。また、粉砕後の比表面積は16.6m/gであった。この差は、11.0m/gであった。粉末の焼結温度を1430℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.33g/cm、相対密度は97.3%と高密度であり、バルク抵抗値は32mΩ・cmと高く、DCスパッタリングは十分でなかった。相状態はInGa(1−x)) ZnO相の単相であった。
そして、キャリア濃度が5.87×1015(cm−3)と高くなった。移動度8.92(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は92回と少なかった。本願発明の条件を満たしていなかった。
(比較例2)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を46.6wt%、Ga原料を28.6wt%、ZnO原料を24.8wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.500とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.333、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は5.6m/gであった。また、粉砕後の比表面積は16.6m/gであった。この差は、11.0m/gであった。粉末の焼結温度を1370℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.32g/cm、相対密度は97.2%と高密度であり、バルク抵抗値は80mΩ・cmと高く、DCスパッタリングは十分でなかった。相状態はInGa(1−x)) ZnO相の単相であった。
そして、キャリア濃度が10.8×1015(cm−3)と高くなった。移動度10.5(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は76回と少なかった。本願発明の条件を満たしていなかった。
(比較例3)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を61.7wt%、Ga原料を16.7wt%、ZnO原料を21.7wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.714とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.333、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は5.1m/gであった。また、粉砕後の比表面積は16.0m/gであった。この差は、10.9m/gであった。粉末の焼結温度を1430℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.55g/cm、相対密度は98.3%と高密度であり、バルク抵抗値は2.7mΩ・cmで、DCスパッタリングが十分可能である低バルク抵抗値を有していた。In相の最大サイズ(長径)が11.1μmと大きくなり、相状態はInGa(1−x)) ZnO相とIn相の2相であった。
そして、キャリア濃度が1.15×1019(cm−3)と高くなった。移動度29.0(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は366回と多かった。これは、In相が大きくなった結果であり、本願発明の条件を満たしていなかった。
(比較例4)
In原料として、粒径1.3μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を52.4wt%、Ga原料を26.2wt%、ZnO原料を21.4wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.575とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.286、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は6.2m/gであった。また、粉砕後の比表面積は15.5m/gであった。この差は、9.3m/gであった。粉末の焼結温度を1490℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は6.43g/cm、相対密度は97.4%と高密度であり、バルク抵抗値は1.2mΩ・cmで、DCスパッタリングが十分可能である低バルク抵抗値を有していた。In相の最大サイズ(長径)が13.5μmと大きくなり、相状態はInGa(1−x)) ZnO相とIn相の2相であった。
そして、キャリア濃度が4.55×1015(cm−3)、移動度7.34(cm/Vs)であった。また、スパッタリング中のアーキングの発生は514回と多かった。これはIn相が大きくなったことが原因であり、本願発明の条件を満たしていなかった。
実施例7と比較して、成分組成が同一であるが、この比較例4では、In相の粗大化が観察された。これは、焼結温度が実施例7の1430℃に比べて、比較例4では1490℃と高いことが原因で、In相の粗大化が生じたと考えられる。
(比較例5)
In原料として、粒径10.7μm、比表面積4.4m/gのIn粉末を用い、Ga原料として、粒径5.6μm、比表面積9.1m/gのGa粉末を用い、ZnO原料として、粒径1.1μm、比表面積3.8m/gのZnO粉末を用いた。
これらの粉末を、In原料を42.9wt%、Ga原料を31.9wt%、ZnO原料を25.2wt%とし、合計が100wt%となるように調整することで、
In、Ga、Znをメタル比で、In/(In+Ga)で0.476とし、Zn/(In+Ga+Zn)を0.323、残部をGaの組成となる。
次に、これらの粉末を混合した(仮焼せず)。粉砕前の比表面積は6.9m/gであった。また、粉砕後の比表面積は18.7m/gであった。この差は、11.8m/gであった。粉末の焼結温度を1430℃、焼結雰囲気:酸素雰囲気で焼結した。
この結果、密度は5.60g/cm、相対密度は86.5%と低密度となり、導電性がなく、DCスパッタリングができなかった。相状態はInGa(1−x)) ZnO相の単相であった。スパッタリングを実施していないので、薄膜の特性評価はできなかった。
本発明の透明半導体IGZO膜作製用のスパッタリングターゲットとして使用される高密度IGZO酸化物焼結体は、高密度のIGZOターゲットを提供することができ、かつスパッタリング用ターゲットの低バルク抵抗化及びスパッタ膜のキャリア濃度及び移動度を一定の範囲とし、かつアーキングの発生を最小限に押さえ、DCスパッタリングが可能であるIGZOターゲット技術を提供することができ、安定したDCスパッタリングが可能であるという優れた効果を有する。これによって、ターゲットライフも長くすることができ、品質のばらつきが少なく量産性を向上させることができる。このIn−Ga−Zn−O系(IGZO)材料は、電子キャリア濃度が1018/cm未満であるアモルファス酸化物が得られるので、電界効果型トランジスタに有用である。また、IGZOターゲットとして、広範囲な用途に支障なく使用できるので、産業上の利用価値は高い。

Claims (3)

  1. インジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)及び酸素(O)からなるIGZO焼結体スパッタリングターゲットであって、In、Ga、Znが0.575≧In/(In+Ga)≧0.500であり、かつZn/(In+Ga+Zn)<0.333の組成範囲であり、(InGa(1−x) ZnO(1>X>0)相とIn相からなる二相構造の組織を有し、当該In相の最大径が10μm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。
  2. バルク抵抗が15mΩ・cm以下であることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリングターゲット。
  3. 相対密度が95%以上であることを特徴とする請求項1〜2のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
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