KR101973873B1

KR101973873B1 - Igzo 스퍼터링 타깃 및 igzo 막

Info

Publication number: KR101973873B1
Application number: KR1020177004745A
Authority: KR
Inventors: 고조 오사다; 고지 가쿠타; 도시야 구리하라
Original assignee: 제이엑스금속주식회사
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2019-04-29
Also published as: JPWO2014156601A1; JP5883990B2; TW201506182A; KR20150023832A; KR20170023201A; CN105308208A; TWI639722B; WO2014156601A1

Abstract

인듐 (In), 갈륨 (Ga), 아연 (Zn) 및 산소 (O) 로 이루어지는 IGZO 소결체 스퍼터링 타깃으로서, In, Ga, Zn 이 0.575 ≥ In/(In ＋ Ga) ≥ 0.500 이고, 또한 Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) ＜ 0.333 의 조성 범위이고, (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ (1 ＞ x ＞ 0) 상으로 이루어지는 단일상의 조직을 갖거나, 또는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ (1 ＞ x ＞ 0) 상과 In₂O₃ 상으로 이루어지는 2 상 구조의 조직을 갖고, 당해 In₂O₃ 상의 최대 직경이 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃. 스퍼터링용 타깃의 저벌크 저항화 및 캐리어 농도를 일정한 범위 이하로 하고, 또한 타깃의 고밀도화를 달성하고, 아킹의 발생을 최소한으로 억제하여, DC 스퍼터링이 가능한 IGZO 타깃 기술을 제공한다.

Description

IGZO 스퍼터링 타깃 및 IGZO 막{IGZO SPUTTERING TARGET AND IGZO FILM}

본 발명은 액정 표시 장치나 유기 EL 표시 장치 중의 박막 트랜지스터의 활성층 등에 사용되는 투명 반도체 IGZO 막을 스퍼터링법으로 제조할 때에 사용하는 데에 적합한 IGZO 타깃 및 그 타깃을 스퍼터링함으로써 얻어진 IGZO 막에 관한 것이다.

액티브 매트릭스형 액정 표시 장치 등의 표시 소자에는, 각 화소 구동용 실리콘계 재료를 활성층으로 하는 박막 트랜지스터가 사용되고 있지만, 화소의 미세화에 수반하여 트랜지스터의 점유 영역이 증가하는 것에 의한 개구율의 감소, 고온 성막이 필요 등의 결점으로부터, 최근 투명 산화물 반도체를 사용한 박막 트랜지스터의 개발이 실시되고 있다.

투명 산화물 반도체는, 스퍼터링법으로 대면적에 균일 성막 가능, 고이동도 등의 관점에서 주목되고 있고, 그 중에서도 인듐, 갈륨, 아연, 산소를 구성 원소로 하는 In-Ga-Zn-O 계 재료 (이하,「IGZO」라고 기재한다) 로 이루어지는 비정질 IGZO 막의 이동도는 아모르퍼스 실리콘의 이동도보다 높고, 비정질 IGZO 막을 활성층에 사용한 전계 효과형 트랜지스터는 온 오프비가 크고, 오프 전류값이 낮은 등의 특성을 갖기 때문에 유망시되고 있다 (비특허문헌 1, 특허문헌 1 참조).

비정질 IGZO 막의 제조 방법으로는, 양산성이 우수한 스퍼터링법이 가장 적절하고, 그것을 위해서는 IGZO 타깃은 고밀도일 필요가 있다.

그러나, 지금까지 고밀도 IGZO 타깃을 제조할 수 있는 경우도 있었지만, 생산 계속 중에 소결체의 밀도가 저하되고, 추가로 생산을 계속 해 가면 또 고밀도 타깃이 생성되게 되는 경우가 있어, 그 원인으로서 소결 조건 등의 타깃 제조 프로세스 조건의 부적절이 예상되었지만, 결국 원인은 불명이라는 경우가 있었다.

특허문헌 2 에는, 염소 농도가 50 질량 ppm 이하인 산화인듐 분말을 사용한 산화인듐계 스퍼터링 타깃의 제조 방법에 대해 기재되어 있다. 그러나 그 명세서에서 개시되어 있는 것은 산화인듐 분말에 함유되는 염소 농도의 효과뿐이다. 특허문헌 3 에는, 할로겐 원소의 함유량이 적은 산화인듐 분말당에 관한 기재가 있다. 그러나, 실시예에서는 원료로는 질산인듐이 사용되고 있을 뿐이다.

이 밖에, 특허문헌 4 에는「인듐 원소 (In), 갈륨 원소 (Ga), 및 아연 원소 (Zn) 를 함유하고, (Ga,In)₂O₃ 으로 나타내는 산화물 결정상을 포함하는 산화물. 상기 산화물에 포함되는 결정상 전체에 대해, 상기 (Ga,In)₂O₃ 으로 나타내는 산화물 결정상이 50 질량％ 이상인 상기 산화물. 인듐 원소 (In), 갈륨 원소 (Ga), 및 아연 원소 (Zn) 의 합계 (In ＋ Ga ＋ Zn) 에 대한 각 원소의 원자비가 하기 식 (1) ∼ (3) 의 관계를 만족시키는 상기 산화물이 기재되어 있다.

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)」

또, 특허문헌 5 에는,「하기에 나타내는 산화물 A 와, 빅스 (등록상표) 바이트형의 결정 구조를 갖는 산화인듐 (In₂O₃) 을 함유하는 스퍼터링 타깃. 산화물 A : 인듐 원소 (In), 갈륨 원소 (Ga), 및 아연 원소 (Zn) 를 함유하고, X 선 회절 측정 (Cukα 선) 에 의해 입사각 (2θ) 이 7.0 °∼ 8.4 °, 30.6 °∼ 32.0 °, 33.8 °∼ 35.8 °, 53.5 °∼ 56.5 °및 56.5 °∼ 59.5 °의 각 위치에 회절 피크가 관측되는 산화물. 인듐 원소 (In), 갈륨 원소 (Ga) 및 아연 원소 (Zn) 의 원자비가 하기 식 (1) 및 (2) 를 만족시키는 스퍼터링 타깃.

0.10 ≤ Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) ≤ 0.45 (1)

0.05 ＜ Ga/(In ＋ Ga ＋ Zn) ＜ 0.18 (2)

또한, 인듐 원소 (In) 및 갈륨 원소 (Ga) 의 원자비가 하기 식 (3) 을 만족시키는 상기 스퍼터링 타깃.

0.14 ≤ Ga/(In ＋ Ga) (3)」이 기재되어 있다.

그러나, 이들은 광범위한 타깃의 성분 조성이 기재되어 있지만, 타깃의 결정 조직 (상) 의 조정이 충분히 실시되어 있지 않으므로, 이상 방전의 억제 효과가 작다는 문제가 있다.

일본 공개특허공보 2006-173580호 일본 공개특허공보 2008-308385호 일본 공개특허공보 평10-182150호 일본 공개특허공보 2009-275272호 일본 공개특허공보 2011-106002호

비특허문헌 1 : K. Nomura et al. "Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors", Nature, 432, p488-492 (2004)

본 발명은 이와 같은 사정에 주목하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 투명 반도체 IGZO 막의 스퍼터법에서의 성막에 필요한 스퍼터링 타깃으로서 고밀도의 IGZO 타깃을 제공하는 것이고, 또한 스퍼터링용 타깃의 저벌크 저항화 및 스퍼터막의 캐리어 농도 및 이동도를 일정한 범위로 하고, 또한 아킹의 발생을 최소한으로 억제하여, DC 스퍼터링이 가능한 IGZO 타깃 기술을 제공하는 것을 과제로 한다.

이러한 지견을 기초로 하여 본 발명은 이하의 발명을 제공한다.

1) 인듐 (In), 갈륨 (Ga), 아연 (Zn) 및 산소 (O) 로 이루어지는 IGZO 소결체 스퍼터링 타깃으로서, In, Ga, Zn 이 0.575 ≥ In/(In ＋ Ga) ≥ 0.500 이고, 또한 Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) ＜ 0.333 의 조성 범위이고, (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ (1 ＞ x ＞ 0) 상으로 이루어지는 단일상의 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃.

2) 인듐 (In), 갈륨 (Ga), 아연 (Zn) 및 산소 (O) 로 이루어지는 IGZO 소결체 스퍼터링 타깃으로서, In, Ga, Zn 이 0.575 ≥ In/(In ＋ Ga) ≥ 0.500 이고, 또한 Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) ＜ 0.333 의 조성 범위이고, (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ (1 ＞ x ＞ 0) 상과 In₂O₃ 상으로 이루어지는 2 상 구조의 조직을 갖고, 당해 In₂O₃ 상의 최대 직경이 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃.

3) 벌크 저항이 15 mΩ·㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1) 또는 2) 에 기재된 스퍼터링 타깃.

4) 상대 밀도가 95 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 상기 1) ∼ 3) 중 어느 한 항에 기재된 스퍼터링 타깃.

5) 상기 1) ∼ 4) 중 어느 한 항에 기재된 스퍼터링 타깃을 사용하여 스퍼터링함으로써 얻어지는 막으로서, 캐리어 농도 5 × 10¹⁵ (㎝^-3) 이하, 이동도 5 (㎠/Vs) 이상의 막 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 막.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 투명 반도체 IGZO 막 제조용 스퍼터링 타깃으로서 사용되는 고밀도 IGZO 산화물 소결체는, 고밀도의 IGZO 타깃을 제공할 수 있고, 또한 스퍼터링용 타깃의 저벌크 저항화 및 스퍼터막의 캐리어 농도 및 이동도를 일정한 범위로 하고, 또한 아킹의 발생을 최소한으로 억제하여, DC 스퍼터링이 가능한 IGZO 타깃 기술을 제공할 수 있으므로, 액티브 매트릭스 구동의 액정 표시 소자나 유기 EL 표시 소자 중의 박막 트랜지스터의 활성층 부분이 되는 양호한 투명 반도체 IGZO 막을 고품위 또한 효율적으로 제조할 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명에 사용하는 산화물 소결체는, 인듐 (In), 갈륨 (Ga), 아연 (Zn) 및 산소 (O) 를 구성 원소로 한다. 타깃의 조성, 벌크 저항, 조직을 제어함으로써, 성막시의 산소 분압을 줄여 소정의 막 특성 (캐리어 농도, 이동도) 을 얻는다. IGZO 막은 성막시의 산소 분압이 증가할수록 막 중의 캐리어 농도는 낮아진다.

반도체 특성을 얻으려면 10¹⁵ (㎝^-3) 오더 이하의 캐리어 농도가 필요하고, 이것을 얻기 위해 성막시에 산소의 도입이 필요해진다. 산소 분압이 증가하면 스퍼터 레이트의 저하, 플라즈마의 불안정화 등의 마이너스 요인이 생기기 때문에, 산소 분압은 낮은 편이 바람직하다.

본 발명의 인듐 (In), 갈륨 (Ga), 아연 (Zn) 및 산소 (O) 로 이루어지는 IGZO 스퍼터링 타깃은, 산소를 제외한 In, Ga, Zn 이 0.575 ≥ In/(In ＋ Ga) ≥ 0.500 이고, 또한 Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) ＜ 0.333 의 조성 범위이다.

본원은 In : Ga : Zn ＝ 1 : 1 : 1 의 조성의 IGZO 타깃을 개량하는 발명으로, 고밀도의 IGZO 타깃을 제공할 수 있고, 또한 스퍼터링용 타깃의 저벌크 저항화 및 스퍼터막의 캐리어 농도 및 이동도를 일정한 범위로 하고, 또한 아킹의 발생을 최소한으로 억제하여, DC 스퍼터링이 가능하다.

여기서, In 량이 많아지면 In₂O₃ 상이 현저하게 성장하고, IGZO 상 중에 전기 특성이 상이한 큰 이상 (異相) 이 존재하게 되어, 이상 방전으로 이어진다. 또 In 이 많으면 막 중의 캐리어 농도가 증가하기 쉬워, 저캐리어 농도의 막을 얻기 위해 성막시에 다량의 산소 도입이 필요해지고, 스퍼터 중의 플라즈마가 불안해져 이 또한 이상 방전의 요인이 된다. 반대로 In 이 지나치게 적으면 막의 이동도가 부족하기 때문에, 일정량 이상 필요하다.

스퍼터시의 이상을 피하면서 소정의 이동도를 확보하려면 본 명세서 중의 In 조성으로 컨트롤할 필요가 있다.

또, Ga 가 증가하면 타깃 밀도가 오르지 않고, 도전성도 저해된다. 또한 Ga, Zn 이 지나치게 증가하면 얻어지는 막의 이동도가 현저하게 저하되므로, Ga 와 Zn 의 조성도 컨트롤할 필요가 있다. 상기 조성 범위는, 이들 문제를 해결할 수 있는 범위로 조정한 것으로, 이것은 본원 발명의 필수 요건이다.

또, 본원 발명의 IGZO 타깃은, (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ (1 ＞ x ＞ 0) 상만, 또는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ (1 ＞ x ＞ 0) 상 이외에 In₂O₃ 상을 일부 함유하고, 벌크 저항이 15 mΩ·㎝ 이하인 것도 큰 특징 중 하나이다.

또한, 상기 스퍼터링 타깃에 있어서, In₂O₃ 상의 최대 직경이 10 ㎛ 이하인 조직을 갖는 것, 상대 밀도가 95 ％ 이상인 것도 특징 중 하나이다.

이 IGZO 스퍼터링 타깃을 사용하여 스퍼터링함으로써, 캐리어 농도 5 × 10¹⁵ (㎝^-3) 이하, 이동도 5 (㎠/Vs) 이상의 막 특성을 갖는 IGZO 막을 얻을 수 있다. 이들 조건은, 특성을 향상시키는 목적에 따라 필요에 의해 설정 가능하다.

상기와 같이, 본 발명의 산화물 소결체의 상대 밀도는 95 ％ 이상으로 하는 것이 가능하고, 또 98 ％ 이상으로, 나아가서는 99 ％ 이상을 달성할 수 있다. 산화물 소결체의 상대 밀도가 95 ％ 미만이면, 막의 캐리어 농도의 편차가 커지는 것에 추가하여, 그 산화물 소결체를 스퍼터링 타깃으로서 사용하여 스퍼터 성막한 경우, 스퍼터 시간의 경과에 수반하여 아킹의 발생이 많아지고, 얻어지는 막 특성이 열화된다는 불리함이 있으므로, 본원 발명의 우위성은 분명하다.

산화물 소결체의 상대 밀도의 측정 방법은, 먼저, 각 조성에 대해 각 구성 원소와 형태로부터 산화물 소결체의 상대 밀도가 100 ％ 가 되는 밀도의 값을 결정할 수 있고, 다음으로 실제로 제조한 산화물 소결체의 밀도를 아르키메데스법 등으로 구하여, 상대 밀도가 100 ％ 인 밀도의 값으로 나눈 것으로 하여 구할 수 있다.

산화물 소결체에 함유되는 In₂O₃ 의 입경의 측정은, SEM 의 반사 전자 이미지 등에 의해, In₂O₃ 을 함유하는 조직 사진으로부터 화상 해석에 의해 각 In₂O₃ 상이 최대가 되는 직경을 측정하고, 1 시야 중의 최대 직경을 구하였다. 이것을 랜덤하게 5 시야 측정하고, 그 중에서 최대가 되는 값을 최대 직경으로 하였다.

본 발명의 타깃의 저벌크 저항화로 성막시의 스퍼터 전압을 내릴 수 있다. 스퍼터 전압이 높은 경우, 스퍼터에 의해 생성된 2 차 이온이나 고에너지 산란 입자에 의해 성막된 막이 충격 받아 데미지를 입고, 많은 산소 결손을 일으킨다.

산화물 반도체의 스퍼터 성막에 있어서는, 산소 결손량을 저감시켜 소정의 캐리어 농도를 얻기 위해 성막 분위기 중에 다량의 산소를 공급할 필요가 있지만, 타깃의 저벌크 저항화에 의해 스퍼터 전압을 저하시킴으로써 막 중의 산소 결손량이 줄어들어, 소정의 캐리어 농도를 얻기 위해 필요한 스퍼터 중의 산소 분압을 저감시킬 수 있다.

In₂O₃ 상의 사이즈는, 성분 조성 및 소결 온도로 제어 가능하다. 즉, In 농도가 높을수록 In₂O₃ 상은 크게 성장하기 쉽고, 고온에서 소결하면 사이즈도 커지므로, 이로써 In₂O₃ 상의 크기를 제어할 수 있다. 소결 온도는 1420 도 이상 1480 도 이하로 하는 것이 바람직하다. 소결 온도를 지나치게 올리면, In₂O₃ 상의 조대화가 일어나 아킹수가 증대하므로 바람직하지 않다.

(산화물 소결체의 제조 방법)

상기 본 발명에 관련된 산화물 소결체의 제조 공정의 대표예를 나타내면, 다음과 같다.

원료로는, 산화인듐 (In₂O₃), 산화갈륨 (Ga₂O₃) 및 산화아연 (ZnO) 을 사용할 수 있다. 불순물에 의한 전기 특성에 대한 악영향을 피하기 위해, 순도 4 N 이상의 원료를 사용하는 것이 바람직하다. 각각의 원료 분말을 원하는 조성비가 되도록 칭량한다. 또한, 상기와 같이, 이들에 불가피적으로 함유되는 불순물은 포함되는 것이다.

다음으로, 혼합과 분쇄를 실시한다. 분쇄가 불충분하면, 제조된 타깃 중에 각 성분이 편석되어 고저항률 영역과 저저항률 영역이 존재하게 되고, 스퍼터 성막시에 고저항률 영역에서의 대전 등에 의한 아킹 등의 이상 방전의 원인이 되므로, 충분한 혼합과 분쇄가 필요하다.

타깃의 제조는 필요에 따라 원료의 가소를 실시한다. 슈퍼 믹서로 각 원료를 혼합한 후, 필요에 따라 이들을 알루미나제 갑발에 채우고, 온도 950 ∼ 1350 ℃ 의 범위에서 가소한다. 가소의 유지 시간은 2 ∼ 10 hr, 산소 분위기 또는 대기 분위기에서 실시한다.

혼합 원료는, 소량인 경우에는, 예를 들어 1 배치 1 ∼ 20 ㎏ 단위로 애트라이터 (φ 3 ㎜ 지르코니아 비즈, 에지테이터 회전수 300 rpm) 또는 LMZ (스타 밀 : 아시자와 화인테크 제조) 로 2 ∼ 5 hr 정도 미분쇄한다.

대량인 경우에는, 원료를 1 배치 20 ∼ 1000 ㎏ 단위로, LMZ (스타 밀 : 아시자와 화인테크 제조) 로 2 ∼ 8 hr 정도 미분쇄 (φ 0.5 ㎜ 지르코니아 비즈, 투입 전력 2.0 ∼ 20.0 ㎾·Hr) 한다.

다음으로, 미분쇄 후의 슬러리는 바인더를 첨가하고 조립기로 100 ∼ 250 ℃ 에서 건조시켜, 메시 250 ㎛ 체로 체 분급하여 분말을 회수한다. 또한, 미분쇄 전후에서 각각의 분말의 비표면적을 측정한다. 1000 g 의 IGZO 분말에 PVA 수용액 (PVA 고형분 6 ％) 을 50 ∼ 200 cc 혼합한다.

다음으로, φ 210 ㎜ 의 금형에 분말 1000 g 을 충전하고, 면압 400 ∼ 1000 ㎏f·㎠ 로 프레스하여 성형체를 얻는다. 이 성형체를 비닐로 2 겹으로 진공팩하고, 1500 ∼ 4000 ㎏f/㎠ 로 CIP 한다. 그리고, 소정의 온도에서 소결을 실시하여 (유지 시간 5 ∼ 24 hr, 산소 분위기 중) 소결체를 얻는다.

타깃의 제조시에는, 상기에 의해 얻어진 산화물 소결체의 외주의 원통 연삭, 면측의 평면 연삭을 함으로써, 예를 들어 152.4 φ × 5 t ㎜ 의 타깃으로 가공한다. 이것을 다시, 예를 들어 구리제의 배킹 플레이트에 인듐계 합금 등을 본딩 메탈로 하여 첩합 (貼合) 함으로써 스퍼터링 타깃으로 한다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예에 기초하여 설명한다. 또한, 본 실시예는 어디까지나 일례이며, 이 예에 의해 조금도 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 특허청구범위에 의해서만 제한되는 것이고, 본 발명에 포함되는 실시예 이외의 여러 가지 변형을 포함하는 것이다.

실시예에 사용한 원료 분말은 표 1 에 나타내는 바와 같다. IGZO 의 원료에 대해, 산소를 제외한 In, Ga, Zn 을 메탈비로 In/(In ＋ Ga) ≤ 0.575 로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) ＜ 0.333, 잔부를 Ga 의 조성이 되도록 원료를 조합 (調合) 하고, 이들 원료 조합과 제조 조건 (미분쇄, 가소 온도, 소결 온도) 을 변경하여 타깃을 제조하고, 각종 시험을 실시하였다. 이들의 상세를 표 1 의 실시예 1 ∼ 7 에 나타낸다.

하기에 나타내는 실시예 및 비교예에 있어서, 각종 분석 측정이나 평가가 필요해지는데, 그 조건·장치명 등을 이하에 나타낸다.

(원료의 평균 입경의 측정)

입경의 측정은, 입도 분포 측정 장치 (닛키소 주식회사 제조, Microtrac MT3000) 를 사용하여 실시하였다.

(밀도의 측정)

밀도의 측정은 순수를 용매로서 사용한 아르키메데스법으로 측정을 실시하였다. 상대 밀도의 산출에 사용한 이론 밀도는, 각 원료의 밀도 (In₂O₃ : 7.18 g/㎤, Ga₂O₃ : 6.44 g/㎤, ZnO : 5.61 g/㎤) 를 조성에 따른 중량비로부터 체적 환산하여 산출하였다.

(벌크 저항값의 측정)

벌크 저항값의 측정은, 저항률 측정기 (NPS 주식회사 제조, Σ－5＋) 를 사용하여 4 탐침법으로 실시하였다.

(스퍼터링 조건)

스퍼터링 장치는, DC 마그네트론 스퍼터 장치를 사용하고, 성막 조건은 실온, DC 500 W, 산소 농도 6 ％, 어닐 조건은 대기 분위기에서 300 ℃ × 1 hr 로 실시하였다.

막의 캐리어 농도, 이동도의 측정은, 토요 테크니카 제조 (ResiTest 8400 홀 효과 측정 장치) 를 사용하여 실시하였다. 캐리어 농도 5 × 10¹⁵ (㎝^-3) 이하, 이동도 5 (㎠/Vs) 이상을 목표로 하였다.

(실시예 1)

In₂O₃ 원료로서 입경 1.3 ㎛, 비표면적 (BET) 4.4 ㎡/g 의 In₂O₃ 분말을 사용하고, Ga₂O₃ 원료로서 입경 5.6 ㎛, 비표면적 9.1 ㎡/g 의 Ga₂O₃ 분말을 사용하고, ZnO 원료로서 입경 1.1 ㎛, 비표면적 3.8 ㎡/g 의 ZnO 분말을 사용하였다. 이들 분말을, In₂O₃ 원료를 46.6 wt％, Ga₂O₃ 원료를 28.6 wt％, ZnO 원료를 24.8 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.524 로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.323, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 6.0 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 17.8 ㎡/g 이었다. 이 차이는 11.8 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1430 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.32 g/㎤, 상대 밀도는 96.8 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 3.8 mΩ·㎝ 로, DC 스퍼터링이 충분히 가능한 저벌크 저항값을 갖고 있었다. In₂O₃ 상의 최대 사이즈 (장경) 가 4.9 ㎛, 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상과 In₂O₃ 상의 2 상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 2.21 × 10¹⁵ (㎝^-3), 이동도 9.14 (㎠/Vs) 였다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 121 회로 적었다. 모두 본원 발명의 조건을 만족시켰다.

(실시예 2)

In₂O₃ 원료로서 입경 1.3 ㎛, 비표면적 4.4 ㎡/g 의 In₂O₃ 분말을 사용하고, Ga₂O₃ 원료로서 입경 5.6 ㎛, 비표면적 9.1 ㎡/g 의 Ga₂O₃ 분말을 사용하고, ZnO 원료로서 입경 1.1 ㎛, 비표면적 3.8 ㎡/g 의 ZnO 분말을 사용하였다.

이들 분말을, In₂O₃ 원료를 44.7 wt％, Ga₂O₃ 원료를 29.6 wt％, ZnO 원료를 25.7 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.505 로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.331, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 6.0 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 18.0 ㎡/g 이었다. 이 차이는 12.0 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1430 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.33 g/㎤, 상대 밀도는 97.3 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 5.8 mΩ·㎝ 로, DC 스퍼터링이 충분히 가능한 저벌크 저항값을 갖고 있었다. 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상의 단상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 1.34 × 10¹⁵ (㎝^-3), 이동도 6.46 (㎠/Vs) 이었다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 86 회로 적었다. 모두 본원 발명의 조건을 만족시켰다.

(실시예 3)

이들 분말을, In₂O₃ 원료를 45.4 wt％, Ga₂O₃ 원료를 29.2 wt％, ZnO 원료를 25.4 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, 산소를 제외한 In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.512 로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.328, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 5.8 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 16.8 ㎡/g 이었다. 이 차이는 11.0 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1430 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.33 g/㎤, 상대 밀도는 97.1 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 4.3 mΩ·㎝ 로, DC 스퍼터링이 충분히 가능한 저벌크 저항값을 갖고 있었다. In₂O₃ 상의 최대 사이즈 (장경) 가 5.2 ㎛, 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상과 In₂O₃ 상의 2 상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 1.56 × 10¹⁵ (㎝^-3), 이동도 7.23 (㎠/Vs) 이었다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 130 회로 적었다. 모두 본원 발명의 조건을 만족시켰다.

(실시예 4)

이들 분말을, In₂O₃ 원료를 46.6 wt％, Ga₂O₃ 원료를 28.6 wt％, ZnO 원료를 24.8 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.524 로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.323, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 5.9 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 17.5 ㎡/g 이었다. 이 차이는 11.6 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1430 ℃, 소결 분위기 : 대기 중에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.32 g/㎤, 상대 밀도는 96.8 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 2.9 mΩ·㎝ 로, DC 스퍼터링이 충분히 가능한 저벌크 저항값을 갖고 있었다. In₂O₃ 상의 최대 사이즈 (장경) 가 4.3 ㎛, 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상과 In₂O₃ 상의 2 상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 1.72 × 10¹⁵ (㎝^-3), 이동도 8.62 (㎠/Vs) 였다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 128 회로 적었다. 모두 본원 발명의 조건을 만족시켰다.

(실시예 5)

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 5.9 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 17.5 ㎡/g 이었다. 이 차이는 11.6 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1370 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.32 g/㎤, 상대 밀도는 96.8 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 8.0 mΩ·㎝ 로, DC 스퍼터링이 충분히 가능한 저벌크 저항값을 갖고 있었다. In₂O₃ 상의 최대 사이즈 (장경) 가 3.5 ㎛, 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상과 In₂O₃ 상의 2 상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 2.61 × 10¹⁵ (㎝^-3), 이동도 8.89 (㎠/Vs) 였다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 142 회로 적었다. 모두 본원 발명의 조건을 만족시켰다.

(실시예 6)

이들 분말을, In₂O₃ 원료를 49.9 wt％, Ga₂O₃ 원료를 24.9 wt％, ZnO 원료를 25.3 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.575 로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.332, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 5.6 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 17.8 ㎡/g 이었다. 이 차이는 12.2 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1430 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.38 g/㎤, 상대 밀도는 97.5 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 9.8 mΩ·㎝ 로, DC 스퍼터링이 충분히 가능한 저벌크 저항값을 갖고 있었다. 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상의 단상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 3.53 × 10¹⁵ (㎝^-3), 이동도 9.53 (㎠/Vs) 이었다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 134 회로 적었다. 모두 본원 발명의 조건을 만족시켰다.

(실시예 7)

이들 분말을, In₂O₃ 원료를 52.4 wt％, Ga₂O₃ 원료를 26.2 wt％, ZnO 원료를 21.4 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.575 로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.286, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 6.2 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 15.5 ㎡/g 이었다. 이 차이는 9.3 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1430 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.42 g/㎤, 상대 밀도는 97.2 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 2.1 mΩ·㎝ 로, DC 스퍼터링이 충분히 가능한 저벌크 저항값을 갖고 있었다. In₂O₃ 상의 최대 사이즈 (장경) 가 8.8 ㎛, 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상과 In₂O₃ 상의 2 상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 4.55 × 10¹⁵ (㎝^-3), 이동도 7.34 (㎠/Vs) 였다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 173 회로 적었다. 모두 본원 발명의 조건을 만족시켰다.

(비교예 1)

이들 분말을, In₂O₃ 원료를 44.2 wt％, Ga₂O₃ 원료를 29.9 wt％, ZnO 원료를 25.9 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.500 으로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.333, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 5.6 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 16.6 ㎡/g 이었다. 이 차이는 11.0 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1430 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.33 g/㎤, 상대 밀도는 97.3 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 32 mΩ·㎝ 로 높아, DC 스퍼터링은 충분하지 않았다. 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상의 단상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 5.87 × 10¹⁵ (㎝^-3) 로 높아졌다. 이동도 8.92 (㎠/Vs) 였다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 92 회로 적었다. 본원 발명의 조건을 만족시키지 못하였다.

(비교예 2)

이들 분말을, In₂O₃ 원료를 46.6 wt％, Ga₂O₃ 원료를 28.6 wt％, ZnO 원료를 24.8 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.500 으로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.333, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 5.6 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 16.6 ㎡/g 이었다. 이 차이는 11.0 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1370 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.32 g/㎤, 상대 밀도는 97.2 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 80 mΩ·㎝ 로 높아, DC 스퍼터링은 충분하지 않았다. 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상의 단상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 10.8 × 10¹⁵ (㎝^-3) 로 높아졌다. 이동도 10.5 (㎠/Vs) 였다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 76 회로 적었다. 본원 발명의 조건을 만족시키지 못하였다.

(비교예 3)

이들 분말을, In₂O₃ 원료를 61.7 wt％, Ga₂O₃ 원료를 16.7 wt％, ZnO 원료를 21.7 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.714 로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.333, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 5.1 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 16.0 ㎡/g 이었다. 이 차이는 10.9 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1430 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.55 g/㎤, 상대 밀도는 98.3 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 2.7 mΩ·㎝ 로, DC 스퍼터링이 충분히 가능한 저벌크 저항값을 갖고 있었다. In₂O₃ 상의 최대 사이즈 (장경) 가 11.1 ㎛ 로 커지고, 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상과 In₂O₃ 상의 2 상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 1.15 × 10¹⁹ (㎝^-3) 로 높아졌다. 이동도 29.0 (㎠/Vs) 이었다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 366 회로 많았다. 이것은 In₂O₃ 상이 커진 결과이며, 본원 발명의 조건을 만족시키지 못하였다.

(비교예 4)

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 6.2 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 15.5 ㎡/g 이었다. 이 차이는 9.3 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1490 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 6.43 g/㎤, 상대 밀도는 97.4 ％ 로 고밀도이고, 벌크 저항값은 1.2 mΩ·㎝ 로, DC 스퍼터링이 충분히 가능한 저벌크 저항값을 갖고 있었다. In₂O₃ 상의 최대 사이즈 (장경) 가 13.5 ㎛ 로 커지고, 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상과 In₂O₃ 상의 2 상이었다.

그리고, 캐리어 농도가 4.55 × 10¹⁵ (㎝^-3), 이동도 7.34 (㎠/Vs) 였다. 또, 스퍼터링 중의 아킹의 발생은 514 회로 많았다. 이것은 In₂O₃ 상이 커진 것이 원인이며, 본원 발명의 조건을 만족시키지 못하였다.

실시예 7 과 비교하여 성분 조성이 동일하지만, 이 비교예 4 에서는 In₂O₃ 상의 조대화가 관찰되었다. 이것은, 소결 온도가 실시예 7 의 1430 ℃ 에 비해, 비교예 4 에서는 1490 ℃ 로 높은 것이 원인으로, In₂O₃ 상의 조대화가 발생한 것으로 생각된다.

(비교예 5)

In₂O₃ 원료로서 입경 10.7 ㎛, 비표면적 4.4 ㎡/g 의 In₂O₃ 분말을 사용하고, Ga₂O₃ 원료로서 입경 5.6 ㎛, 비표면적 9.1 ㎡/g 의 Ga₂O₃ 분말을 사용하고, ZnO 원료로서 입경 1.1 ㎛, 비표면적 3.8 ㎡/g 의 ZnO 분말을 사용하였다.

이들 분말을, In₂O₃ 원료를 42.9 wt％, Ga₂O₃ 원료를 31.9 wt％, ZnO 원료를 25.2 wt％ 로 하여, 합계가 100 wt％ 가 되도록 조정함으로써, In, Ga, Zn 을 메탈비로, In/(In ＋ Ga) 는 0.476 으로 하고, Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) 을 0.323, 잔부를 Ga 의 조성으로 한다.

다음으로, 이들 분말을 혼합하였다 (가소하지 않음). 분쇄 전의 비표면적은 6.9 ㎡/g 이었다. 또, 분쇄 후의 비표면적은 18.7 ㎡/g 이었다. 이 차이는 11.8 ㎡/g 이었다. 분말의 소결 온도를 1430 ℃, 소결 분위기 : 산소 분위기에서 소결하였다.

이 결과, 밀도는 5.60 g/㎤, 상대 밀도는 86.5 ％ 로 저밀도가 되고, 도전성이 없어, DC 스퍼터링을 할 수 없었다. 상 상태는 (In_xGa_(1-x))₂ZnO₄ 상의 단상이었다. 스퍼터링을 실시하지 않았으므로, 박막의 특성 평가는 할 수 없었다.

산업상 이용가능성

본 발명의 투명 반도체 IGZO 막 제조용 스퍼터링 타깃으로서 사용되는 고밀도 IGZO 산화물 소결체는, 고밀도의 IGZO 타깃을 제공할 수 있고, 또한 스퍼터링용 타깃의 저벌크 저항화 및 스퍼터막의 캐리어 농도 및 이동도를 일정한 범위로 하고, 또한 아킹의 발생을 최소한으로 억제하여, DC 스퍼터링이 가능한 IGZO 타깃 기술을 제공할 수 있어, 안정적인 DC 스퍼터링이 가능하다는 우수한 효과를 갖는다. 이로써, 타깃 라이프도 길게 할 수 있고, 품질의 편차가 적어 양산성을 향상시킬 수 있다. 이 In-Ga-Zn-O 계 (IGZO) 재료는, 전자 캐리어 농도가 10¹⁸/㎤ 미만인 아모르퍼스 산화물이 얻어지므로, 전계 효과형 트랜지스터에 유용하다. 또, IGZO 타깃으로서 광범위한 용도에 지장 없이 사용할 수 있으므로, 산업상 이용 가치는 높다.

Claims

인듐 (In), 갈륨 (Ga), 아연 (Zn) 및 산소 (O) 로 이루어지는 IGZO 소결체 스퍼터링 타깃으로서, In, Ga, Zn 이 0.575 ≥ In/(In ＋ Ga) ≥ 0.512 이고, 또한 Zn/(In ＋ Ga ＋ Zn) ＜ 0.328 의 조성 범위이고, InGaZnO₄ 상과 In₂O₃ 상으로 이루어지는 2 상 구조의 조직을 갖고, 당해 In₂O₃ 상의 최대 직경이 10 ㎛ 이하이고, 상대 밀도가 95 % 이상인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃.
제 1 항에 있어서,
벌크 저항이 15 mΩ·㎝ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 스퍼터링 타깃을 사용하여 스퍼터링함으로써 얻어지는 막으로서, 캐리어 농도 5 × 10¹⁵ (㎝^-3) 이하, 이동도 5 (㎠/Vs) 이상의 막 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 막.
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