KR20130080011A - 산화물 소결체, 그것으로 이루어지는 타겟 및 산화물 반도체 박막 - Google Patents

산화물 소결체, 그것으로 이루어지는 타겟 및 산화물 반도체 박막 Download PDF

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Abstract

인듐 및 알루미늄의 산화물을 함유하고, 원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08인 산화물 소결체.

Description

산화물 소결체, 그것으로 이루어지는 타겟 및 산화물 반도체 박막{SINTERED OXIDE MATERIAL, TARGET COMPRISING SAME, AND OXIDE SEMICONDUCTOR THIN FILM}
본 발명은, 산화물 소결체, 그것으로 이루어지는 타겟 및 산화물 반도체 박막에 관한 것이다.
박막 트랜지스터(TFT) 등의 전계 효과형 트랜지스터는, 반도체 메모리 집적 회로의 단위 전자 소자, 고주파 신호 증폭 소자, 액정 구동용 소자 등으로서 널리 사용되고 있고, 현재, 가장 많이 실용되고 있는 전자 디바이스이다. 그중에서도, 최근의 표시 장치의 놀라운 발전에 따라, 액정 표시 장치(LCD), 전기발광 표시 장치(EL), 필드 에미션 디스플레이(FED) 등의 각종 표시 장치에 있어서, 표시 소자에 구동 전압을 인가하여 표시 장치를 구동시키는 스위칭 소자로서 TFT가 다용되고 있다.
전계 효과형 트랜지스터의 주요 부재인 반도체층(채널층)의 재료로서는, 실리콘 반도체 화합물이 가장 널리 사용되고 있다. 일반적으로, 고속 동작이 필요한 고주파 증폭 소자나 집적 회로용 소자 등에는, 실리콘 단결정이 사용되고 있다. 한편, 액정 구동용 소자 등에는, 대면적화의 요구에서 비정질성 실리콘 반도체(어몰퍼스(amorphous) 실리콘)가 사용되고 있다.
어몰퍼스 실리콘의 박막은, 비교적 저온에서 형성할 수 있지만, 결정성의 박막에 비하여 스위칭 속도가 느리기 때문에, 표시 장치를 구동하는 스위칭 소자로서 사용했을 때에, 고속인 동화의 표시에 추종할 수 없는 경우가 있다. 구체적으로, 해상도가 VGA인 액정 텔레비젼에서는, 이동도가 0.5∼1cm2/Vs인 어몰퍼스 실리콘이 사용 가능하지만, 해상도가 SXGA, UXGA, QXGA 또는 그 이상으로 되면 2cm2/Vs 이상의 이동도가 요구된다. 또한, 화질을 향상시키기 위해서 구동 주파수를 높이면 더욱 높은 이동도가 필요하게 된다.
한편, 결정성의 실리콘계 박막은, 이동도는 높지만, 제조에 있어서 막대한 에너지와 공정수가 필요한 등의 문제나, 대면적화가 곤란하다는 문제가 있었다. 예컨대, 실리콘계 박막을 결정화할 때에 800℃ 이상의 고온이나, 비싼 설비를 사용하는 레이저 어닐링이 필요하다. 또한, 결정성의 실리콘계 박막은, 통상 TFT의 소자 구성이 탑 게이트 구성에 한정되기 때문에 마스크 매수의 삭감 등 비용 절감(cost down)이 곤란했다.
일반적으로, 산화물 반도체 박막의 제작은 산화물 소결체로 이루어지는 타겟(스퍼터링 타겟)을 이용한 스퍼터링으로 실시된다. 예컨대, 산화인듐에 알루미늄을 도핑한 산화물 반도체 박막이 개시되어 있다(특허문헌 1). 특허문헌 1의 실시예에서는, 인듐과 알루미늄의 원자비 Al/(Al+In)이 0.005인 타겟을 이용하여 산화물 반도체 소자를 제작하고 있다. 그러나 타겟의 성능면에 관한 평가, 및 스퍼터링시에 발생하는 노듈(nodule)에 관한 검토는 충분하지 않았다.
국제 공개 제2010/032431호 팜플렛
본 발명의 목적은, 스퍼터링법을 이용하여 산화물 반도체 박막을 성막할 때에 발생하는 이상 방전을 억제하여, 산화물 반도체 박막을 안정되고 또한 재현성 좋게 얻을 수 있는 산화물 소결체를 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 알루미늄 원소, 인듐 원소 및 산소 원소로 이루어지는 산화물 소결체에 있어서, 원자비 Al/(In+Al)이 0.01∼0.08인 스퍼터링 타겟을 이용하여, 직류 스퍼터링법으로 산화물 반도체 박막을 성막했다. 그리고, 동 타겟의 결정 구조와 성막시의 이상 방전의 발생에 이하의 관계가 있는 것을 발견했다. 즉, 동 타겟의 산화인듐의 결정이 실질적으로 빅스바이트 구조만으로 이루어지는 경우는, 직류 전력을 통전하더라도 이상 방전은 발생하지 않지만, 동 결정이 빅스바이트 구조에 더하여 Al2O3 등의 다른 구조도 포함하는 상태로 하면 이상 방전이 다발하는 것을 발견했다. 또한, 산화물 소결체의 결정 구조가 빅스바이트 구조로 이루어지는 경우에 있어서도, 원자비 Al/(In+ Al)가 0.01 미만인 경우에는, 이상 방전이 발생하기 쉽고 노듈이 형성되는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명에 의하면, 이하의 산화물 소결체 등이 제공된다.
1. 인듐 및 알루미늄의 산화물을 함유하고,
원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08인 산화물 소결체.
2. 평균 입경이 1.2㎛ 미만인 산화인듐 분말, 및 평균 입경이 1.2㎛ 미만인 산화알루미늄 분말을, 원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이 되도록 혼합하여 혼합 분말을 조제하는 공정,
상기 혼합 분말을 성형하여 성형체를 제조하는 공정, 및
상기 성형체를 1100℃∼1550℃에서 8시간 이상 소성하는 공정을 포함하는 1에 기재된 산화물 소결체의 제조방법.
3. 상기 소성을 산화 가스 분위기 중에서 행하는 2에 기재된 산화물 소결체의 제조방법.
4. 1에 기재된 산화물 소결체를 가공하여 얻어지는 타겟.
5. 4에 기재된 타겟을 스퍼터링하여 박막을 성막하고, 상기 박막을 어닐링 하는 것으로 얻어지는 산화물 반도체 박막으로서,
원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이며, 산화인듐의 빅스바이트 구조를 갖는 산화물 반도체 박막.
6. 상기 스퍼터링을 수(水) 분압 5×10-4∼7×10-2Pa에서 실시하는 5에 기재된 산화물 반도체 박막.
7. 5 또는 6에 기재된 산화물 반도체 박막을 채널층으로서 갖는 박막 트랜지스터.
8. 7에 기재된 박막 트랜지스터를 갖춰 이루어지는 표시 장치.
본 발명에 의하면, 스퍼터링법을 이용하여 산화물 반도체 박막을 성막할 때에 발생하는 이상 방전을 억제하여, 산화물 반도체 박막을 안정되고 또한 재현성 좋게 얻을 수 있는 산화물 소결체를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 1에서 제조한 소결체의 X선 회절 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 실시예 2에서 제조한 소결체의 X선 회절 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예 3에서 제조한 소결체의 X선 회절 측정 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 산화물 소결체는, 인듐 및 알루미늄의 산화물을 함유하고, 원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이다.
원자비 Al/(Al+In)이 상기 범위에 있는 것에 의해, 알루미늄이 빅스바이트 구조의 산화인듐에 고용한 상태가 되어, 저저항의 산화물 소결체로 된다.
본 발명의 산화물 소결체는, 빅스바이트 구조의 산화인듐에 알루미늄 원자가 고용하고 있음으로써 저저항이며, 이상 방전의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 산화물 소결체는, 알루미늄 원자가 고용한 빅스바이트 구조의 산화인듐을 포함하기 때문에, 본 발명의 산화물 소결체로 이루어지는 타겟의 크랙 및 노듈의 발생을 저감할 수 있다. 따라서, 본 발명의 산화물 소결체는, 고품질의 산화물 반도체 박막을, 효율적으로, 저렴하게, 또한 생(省)에너지로 성막할 수 있다.
상기 빅스바이트 구조는 XRD 측정에 의해 확인할 수 있다.
본 발명의 산화물 소결체가 빅스바이트 구조를 나타내는 산화인듐으로 이루어지는 것은, X선 회절 측정(XRD 측정)에 의해 확인할 수 있다.
한편, 원자가 규칙적으로 정렬된 결정에 X선이 입사하면, 특정한 방향으로 강한 X선이 관찰되어, 회절 현상을 일으킨다. 이것은, 각각의 위치에서 산란되는 X선의 광로차가, X선의 파장의 정수배로 되어 있으면, 파의 위상이 일치하기 때문에 파의 진폭이 커지는 것으로 설명된다.
물질은 각각 특유한 규칙성을 가지는 결정을 만들기 때문에, X선 회절로는 화합물의 종류를 조사할 수 있다. 또한, 결정의 크기(결정의 질서성), 재료 중에 존재하는 결정 방위의 분포 상태(결정 배향), 결정에 걸리는 잔류 응력의 평가를 행할 수도 있다.
본 발명의 산화물 소결체는, 바람직하게는 실질적으로 빅스바이트 구조를 나타내는 산화인듐으로 이루어지고, 산화인듐에 알루미늄 원자가 고용하고 있으며, 원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이다.
「실질적이다」란, 본 발명의 효과가 상기 빅스바이트 구조에 기인하는 것, 또는 산화물 소결체의 결정 구조의 90부피% 이상, 바람직하게는 95부피% 이상, 더 바람직하게는 98부피% 이상이 빅스바이트 구조를 나타내는 산화인듐 결정인 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 산화물 소결체는, 바람직하게는 90부피% 이상, 보다 바람직하게는 95부피% 이상, 더 바람직하게는 98부피% 이상이 결정 구조로 구성된다. 바람직하게는, 본 발명의 산화물 소결체는, 90부피% 이상이 결정 구조로 구성되고, 상기 결정 구조의 90부피%가 빅스바이트 구조를 나타내는 산화인듐이다.
X선 회절 피크 해석으로부터 부피 분율을 산출할 수 있다.
원자비 Al/(Al+In)를 0.08 이하로 하는 것에 의해, Al을 산화인듐 결정 중에 균일하게 분산시킬 수 있다. 한편, 원자비 Al/(Al+In)이 0.08 초과인 경우, 산화인듐의 빅스바이트 구조 중에 Al이 균일하게 분산하지 않게 되어, Al2O3 등이 석출할 우려가 있다. 산화물 소결체가 Al2O3 등의 다른 결정 구조를 포함하면, 상기 산화물 결정체로 이루어지는 타겟을 스퍼터링한 경우에, 이상 방전이 발생하기 쉽게 될 우려가 있다.
상기 이상 방전의 이유로서는, 타겟이 불균일하여 국소적으로 비저항이 다른 부분이 존재하므로, 타겟을 포함하는 방전계의 임피던스가 스퍼터링 중에 변동하여 버리기 때문이다. 이 국소적으로 비저항이 다른 부분이란, Al2O3 등의 결정이며, 이들 결정 크기 및 수밀도를 작게 하는 것이 이상 방전의 억제에는 효과적이다.
원자비 Al/(Al+In)이 0.01 미만인 경우, 산화물 소결체의 저항이 상승할 우려가 있다. 타겟 저항이 상승하면 이상 방전이 발생할 우려가 있다.
이상의 관점에서, 본 발명의 산화물 소결체 중의 알루미늄 금속 및 인듐 금속의 원자비 Al/(Al+In)은, 바람직하게는 0.01∼0.08이며, 보다 바람직하게는 0.01∼0.05이며, 더 바람직하게는 0.01∼0.03이다.
본 발명의 산화물 소결체에 포함되는 각 원소의 원자비는, 유도 결합 플라즈마 발광 분석 장치(ICP-AES)를 이용하여 함유 원소를 분석하는 것에 의해 구할 수 있다.
예컨대 ICP-AES를 이용한 분석의 경우, 용액 시료를 네뷸라이저로 안개상으로 하여, 아르곤 플라즈마(약 6000∼8000℃)에 도입하면, 시료 중의 원소는 열 에너지를 흡수하여 여기되어, 궤도 전자가 기저 상태로부터 높은 에너지 준위의 궤도로 옮겨간다. 이 궤도 전자는 10-7∼10-8초 정도에, 보다 낮은 에너지 준위의 궤도로 옮겨간다. 이 때에 에너지의 차이를 광으로서 방사하여 발광한다. 이 광은 원소 고유의 파장(스펙트럼선)을 나타내기 때문에, 스펙트럼선의 유무에 의해 원소의 존재를 확인할 수 있다(정성 분석). 또한, 각각의 스펙트럼선의 크기(발광 강도)는 시료 중의 원소수에 비례하기 때문에, 기지 농도의 표준액과 비교하는 것으로 시료 농도를 구할 수 있다(정량 분석).
이와 같이, 정성 분석으로 함유되어 있는 원소를 특정하고, 정량 분석으로 함유량을 구하는 것에 의해 각 원소의 원자비를 구할 수 있다.
본 발명의 산화물 소결체의 밀도는 바람직하게는 6.0g/cm3 이상이며, 보다 바람직하게는 6.3g/cm3 이상이며, 더 바람직하게는 6.4 g/cm3 이상이다.
밀도가 6.0g/cm3 미만인 경우, 산화물 소결체로 이루어지는 스퍼터링 타겟의 표면이 흑화하거나 하여, 이상 방전을 유발하여, 스퍼터 속도가 저하될 우려가 있다. 산화물 소결체의 밀도는, 특히 바람직하게는 6.3g/cm3 이상 7.1g/cm3 이하이다.
산화물 소결체 중의 알루미늄 원자가 고용한 산화인듐 결정의 최대 입경은 5㎛ 이하인 것이 바람직하다. 산화인듐 결정의 입경이 5㎛을 넘어 성장하면, 노듈의 원인이 될 우려가 있다.
스퍼터에 의해서 타겟 표면이 깎이는 경우, 그 깎이는 속도가 결정면의 방향에 따라서 달라, 타겟 표면에 요철이 발생한다. 이 요철의 크기는, 소결체 중에 존재하는 결정 입경에 의존하여, 큰 결정 입경을 갖는 소결체로 이루어지는 타겟에서는 그 요철이 커져, 그 볼록 부분으로부터 노듈이 발생한다고 생각된다.
상기 산화인듐 결정의 최대 입경은, 본 발명의 산화물 소결체로 이루어지는 스퍼터링 타겟의 형상이 원형인 경우, 원의 중심점(1개소)과, 그 중심점에서 직교하는 2개의 중심선 상의 중심점과 주연부의 중간점(4개소)의 합계 5개소에서, 또는 스퍼터링 타겟의 형상이 사각형인 경우에는, 그 중심점(1개소)과, 사각형의 대각선 상의 중심점과 각부의 중간점(4개소)의 합계 5개소에서 100㎛ 사방의 프레임 내에서 관찰되는 최대의 입자에 대하여 그 최대 직경을 측정하고, 이들 5개소의 프레임 내의 각각 존재하는 최대 입자의 입경의 평균치이다. 입경은, 결정립의 장직경을 측정한다.
결정립은 주사형 전자 현미경(SEM)에 의해 관찰할 수 있다.
본 발명의 산화물 소결체는, 산화인듐에 알루미늄 원자가 고용하여 분산되어 있지만, 분산되어 있는 알루미늄 원자의 집합체의 직경은 1㎛ 미만이 바람직하다. 알루미늄 원자를 잘게 분산시키는 것에 의해, 안정한 스퍼터 방전을 행할 수 있다.
알루미늄 원자의 집합체의 직경은 EPMA(전자선 마이크로 애널라이저)에 의해 측정할 수 있다.
직류 스퍼터링시의 성막 속도는, 스퍼터링 타겟의 산화물 소결체의 비저항에 의존한다. 따라서, 생산성의 관점에서, 산화물 소결체의 비저항은 되도록이면 낮은 편이 바람직하고, 본 발명의 산화물 소결체의 비저항은, 바람직하게는 0.1Ωcm 이하이며, 보다 바람직하게는 0.01Ωcm 이하이다. 비저항을 0.01Ωcm 이하로 하는 것에 의해, 더욱 빠른 성막 속도가 실현된다. 한편, 산화물 소결체의 비저항이 0.1Ωcm 초과인 경우, 직류 스퍼터에서의 안정적인 성막을 행하기 어려워질 우려가 있다.
한편, 산화물 소결체의 비저항은, 후술하는 소결체의 제조 과정에서, 질소 등의 비산화성의 분위기 하에서 가열하는 환원 처리에 의해 저감할 수 있다.
단, 산화물 소결체의 비저항이 0.1Ωcm 이하이면, 반드시 안정적인 직류 스퍼터를 할 수 있는 것은 아니다. 산화물 소결체 전체의 비저항이 0.1Ωcm 이하라도, 산화물 소결체 중에 0.1Ωcm를 넘는 고저항 물질상(예컨대 상술한 Al2O3상 등)이 국소적으로 포함되어 있는 경우, 그 부분이 스퍼터 가스 이온의 조사에 의해서 대전하기 때문에 이상 방전이 일어나 버려, 직류 스퍼터를 안정되게 행할 수 없다.
따라서, 고저항상을 국소적으로 포함하지 않고서, 산화물 소결체 전체의 비저항이 0.1Ωcm 이하인 것이 중요하다.
본 발명의 산화물 소결체는, 알루미늄 원소, 인듐 원소 및 산소 원소로 이루어지는 산화물을 함유하고, 바람직하게는 빅스바이트 구조를 나타내는 산화인듐으로 실질적으로 이루어지지만, 본 발명의 효과를 손상하지 않는 범위로 그 외에 불가피 불순물 등을 포함하더라도 좋다.
본 발명의 산화물 소결체의 제조방법은, 평균 입경이 1.2㎛ 미만인 산화인듐 분말, 및 평균 입경이 1.2㎛ 미만인 산화알루미늄 분말을, 원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이 되도록 혼합하여 혼합 분말을 조제하는 공정, 혼합 분말을 성형하여 성형체를 제조하는 공정, 및 성형체를 1100℃∼1550℃로 8시간 이상 소성하는 공정을 포함한다.
본 발명의 산화물 소결체는, 그 제조방법에 의해서 제한되지 않고, 알루미늄 금속과 산화인듐의 조합으로부터도 제조할 수 있지만, 산화인듐과 산화알루미늄을 원료 분말로서 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 원료 분말로서, 산화인듐과 알루미늄 금속을 이용하는 경우, 얻어지는 산화물 소결체 중에 알루미늄의 금속립이 존재하여, 성막시에 타겟 표면에 금속립이 용융하고 있음으로써 타겟으로부터 방출되지 않아, 얻어지는 막의 조성과 산화물 소결체의 조성이 크게 다를 우려가 있다.
원료 분말인 산화인듐 분말 및 산화알루미늄 분말은, 모두 평균 입경이 1.2㎛ 미만이며, 바람직하게는 1.0㎛ 이하이다.
산화인듐 분말 또는 산화알루미늄 분말의 평균 입경이 1.2㎛ 이상인 경우, 알루미늄 원자가 산화인듐(In2O3) 결정 중에 균일하게 분산하지 않을 우려가 있다.
한편, 상기 원료 분말의 평균 입경은, 레이저 회절식 입도 분포 장치 등으로 측정할 수 있다.
In2O3 분말 및 Al2O3 분말을 원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이 되도록 혼합한다.
원자비 Al/(Al+In)를 0.08 이하로 하는 것에 의해, 빅스바이트 구조를 나타내는 산화인듐으로 실질적으로 이루어지는 산화물 소결체를 얻을 수 있다.
원료 분말의 혼합 방법은, 습식 또는 건식 볼 밀, 진동 밀, 비드 밀 등을 이용할 수 있다. 균일하고 미세한 결정립 및 공공(空孔)을 얻기 위해서는, 단시간에 응집체의 해쇄(解碎) 효율이 높고, 첨가물의 분산 상태도 양호하게 되는 비드 밀 혼합법이 가장 바람직하다.
혼합에 볼 밀을 이용하는 경우, 혼합 시간은 바람직하게는 15시간 이상, 보다 바람직하게는 19시간 이상으로 한다. 혼합 시간이 부족하면 최종적으로 얻어지는 산화물 소결체 중에 Al2O3 등의 빅스바이트 구조와 다른 결정 구조가 생성될 우려가 있기 때문이다.
혼합에 비드 밀을 이용하는 경우는, 혼합 시간은, 이용하는 장치의 크기 및 처리하는 슬러리량에 따라서 다르지만, 슬러리 중의 입도 분포가 전부 1㎛ 이하로 균일하게 되도록 조정하면 좋다.
원료 분말의 혼합시에는, 바인더를 임의량 첨가하여 동시에 혼합하면 좋다.
상기 바인더로는, 폴리바이닐알코올, 아세트산 바이닐 등을 이용할 수 있다.
혼합 원료 분말에 수계 용매를 배합하여 원료 분말 슬러리로 하고, 상기 원료 분말 슬러리를 조립(造粒)하여 얻어지는 조립분을 성형하는 것으로 성형체를 제조할 수 있다.
조립은, 급속 건조 조립을 행하는 것이 바람직하다. 급속 건조 조립하기 위한 장치로서는, 스프레이 드라이어가 널리 사용되고 있다. 구체적인 건조 조건은, 건조하는 슬러리의 슬러리 농도, 건조에 이용하는 열풍 온도, 풍량 등의 여러 가지조건에 의해 결정된다. 실시에 있어서는, 미리 최적 조건을 구해 놓는 것이 필요하게 된다.
한편, 자연 건조에서는, 원료 분말의 비중차에 따라서 침강 속도가 다르기 때문에, In2O3 분말 및 Al2O3 분말의 분리가 일어나, 균일한 조립분이 얻어지지 않을 우려가 있다. 이 불균일한 조립분을 이용하여 소결체를 제작하면, 소결체 내부에 Al2O3 등이 생성되는 경우가 있어, 스퍼터링에 있어서의 이상 방전의 원인이 된다.
조립분의 성형은, 금형 프레스 또는 냉간 정수압 프레스(CIP)에 의해 행할 수 있고, 성형시의 압력은 예컨대 1.2ton/cm2 이상의 압력이다.
성형체의 소결은, 상압 소결법 외에, 핫 프레스, 산소 가압, 열간 등방압 가압 등의 가압 소결법도 채용할 수 있다.
단, 제조 비용의 저감, 대량 생산의 가능성 및 용이하게 대형의 소결체를 제조할 수 있다고 하는 관점에서, 상압 소결법을 채용하는 것이 바람직하다.
상압 소결법에서는, 성형체를 대기 분위기, 또는 산화 가스 분위기에서 소결하고, 바람직하게는 산화 가스 분위기에서 소결한다.
산화 가스 분위기란, 바람직하게는 산소 가스 분위기이다. 산소 가스 분위기는, 산소 농도가, 예컨대 10∼100vol%의 분위기이면 좋다. 본 발명의 산화물 소결체의 제작에 있어서는, 승온 과정에서 산소 가스 분위기를 도입하는 것으로, 산화물 소결체 밀도를 보다 높게 할 수 있다.
소성 온도는 1100℃∼1550℃로 한다. 또한, 소성 시간은 8시간 이상으로 한다.
소성 온도가 1100℃ 미만 및/또는 소성 시간이 8시간 미만이면, Al이 산화인듐 결정 중에 고용하지 않고서, Al2O3상 등이 타겟 내부에 석출 형성되어, 이상 방전의 원인이 될 우려가 있다. 한편, 소성 온도가 1550℃를 넘는 경우, 현저한 결정립 성장에 의해서 평균 결정 입경의 증대, 및 조대 공공의 발생을 초래하여, 소결체 강도의 저하나 이상 방전의 원인이 될 우려가 있다.
소성 온도는 바람직하게는 1200∼1550℃이며, 더 바람직하게는 1250∼1500℃, 특히 바람직하게는 1300∼1450℃이다.
소성 시간은 바람직하게는 10∼50시간이며, 더 바람직하게는 11∼40시간이며, 특히 바람직하게는 12∼30시간이다.
소성시의 승온 속도는, 500∼1500℃의 온도 범위에 있어서의 승온 속도를 1∼15℃/min으로 하는 것이 바람직하다.
500∼1500℃의 온도 범위는, 소결이 가장 진행하는 범위이다. 이 온도 범위에서의 승온 속도가 1℃/min 미만이면, 결정립 성장이 현저하게 되어, 고밀도화를 달성할 수 없을 우려가 있다. 한편, 승온 속도가 15℃/min 초과이면, 소결로 내의 균열성이 저하됨으로써, 소결 중의 수축량에 분포가 생겨, 소결체가 갈라져 버릴 우려가 있다.
본 발명의 산화물 소결체의 제조방법에서는, 수득된 소결체에 대하여, 필요에 따라 환원 공정을 추가로 마련하더라도 좋다. 환원 공정은, 상기 소성 공정에서 수득된 소결체의 벌크 저항을 소결체 전체로 균일화하기 위한 것이다.
환원 공정에서 적용할 수 있는 환원 방법으로서는, 예컨대 환원성 가스 중에서의 소성, 진공 소성, 불활성 가스 중에서의 소성에 의한 환원 처리 등을 들 수 있다.
환원성 가스 중에서의 소성에 의한 환원 처리의 경우, 수소, 메테인, 일산화탄소, 또는 이들 가스와 산소의 혼합 가스 등을 이용할 수 있다.
불활성 가스 중에서의 소성에 의한 환원 처리의 경우, 질소, 아르곤, 또는 이들 가스와 산소의 혼합 가스 등을 이용할 수 있다.
상기 환원 처리시의 온도는, 통상 100∼800℃, 바람직하게는 200∼800℃이다. 또한, 환원 처리의 시간은, 통상 0.01∼10시간, 바람직하게는 0.05∼5시간이다.
본 발명의 산화물 소결체의 제조방법의 일례로서는 이하이다.
산화인듐 분말과 산화알루미늄 분말의 혼합 분말을 포함하는 원료 분말에 수계 용매를 배합하고, 수득된 슬러리를 12시간 이상 혼합한 후, 고액 분리, 건조 및 조립한다. 이 조립물을 형틀에 넣어 성형하고, 수득된 성형체를 산소 분위기 중, 1100℃∼1550℃로 8시간 이상 소성하는 것으로 산화물 소결체로 한다.
소결체의 제조 공정에 있어서의 여러 가지 조건을 상기와 같이 제어하는 것에 의해, 소결체 밀도가 6.0g/cm3 이상이고, 비저항이 0.1Ωcm 이하이며, 평균 결정 입경이 10㎛ 이하이고, 또한 실질적으로 알루미늄 원자가 고용한 산화인듐의 빅스바이트 구조만으로 이루어지는 산화물 소결체를 얻을 수 있다.
본 발명의 산화물 소결체를 가공하는 것에 의해 스퍼터링 타겟으로 할 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 산화물 소결체를 스퍼터링 장치에의 장착에 적합한 형상으로 절삭 가공하는 것으로 스퍼터링 타겟으로 할 수 있다.
절삭 가공 후의 타겟 소재의 두께는 통상 2∼20mm, 바람직하게는 3∼12mm, 특히 바람직하게는 4∼6mm이다.
산화물 소결체를 타겟 소재로 하기 위해서는, 상기 소결체를, 예컨대 평면 연삭반으로 연삭하여 표면 조도 Ra가 5㎛ 이하인 소재로 한다. 여기서, 추가로 타겟 소재의 스퍼터면에 경면 가공을 실시하여, 평균 표면 조도 Ra를 1000옹스트롬 이하로 해도 좋다. 이 경면 가공(연마)은 기계적인 연마, 화학연마, 메카노케미컬 연마(기계적인 연마와 화학 연마의 병용) 등의 공지된 연마 기술을 이용할 수 있다. 예컨대, 고정 지립(砥粒) 폴리셔(폴리시액: 물)로 #2000 이상으로 폴리싱하거나, 또는 유리(遊離) 지립 랩(연마재: SiC 페이스트 등)으로 래핑 후, 연마재를 다이아몬드 페이스트로 바꿔 래핑하는 것에 의해 얻을 수 있다. 이러한 연마 방법에는 특별히 제한은 없다.
타겟 소재의 표면은 200∼10,000번의 다이아몬드 숫돌에 의해 마무리를 행하는 것이 바람직하고, 400∼5,000번의 다이아몬드 숫돌에 의해 마무리를 행하는 것이 특히 바람직하다. 200번보다 작거나, 또는 10,000번보다 큰 다이아몬드 숫돌을 사용하면 타겟 소재가 깨어지기 쉽게 될 우려가 있다.
타겟 소재의 표면 조도 Ra가 0.5㎛ 이하이며, 방향성이 없는 연삭면을 갖추고 있는 것이 바람직하다. Ra가 0.5㎛보다 크거나, 연마면에 방향성이 있으면, 이상 방전이 일어나거나, 파티클이 발생할 우려가 있다.
절삭 가공 후의 타겟 소재는, 청정 처리하면 좋다. 청정 처리에는, 에어 블로우 또는 유수 세정 등을 사용할 수 있다. 에어 블로우로 이물을 제거할 때는, 노즐의 맞은편으로부터 집진기로 흡기를 실시하면 보다 유효하게 제거할 수 있다.
한편, 에어 블로우나 유수 세정으로서는 한계가 있으므로, 추가로 초음파 세정 등을 행할 수도 있다. 이 초음파 세정은 주파수 25∼300KHz의 사이에서 다중 발진시켜 행하는 방법이 유효하다. 예컨대 주파수 25∼300KHz의 사이에서, 25KHz 간격으로 12종류의 주파수를 다중 발진시켜 초음파 세정을 행하는 것이 좋다.
상기한 바와 같이 하여 수득된 타겟 소재를 백킹 플레이트에 본딩하는 것에 의해, 본 발명의 산화물 소결체로 이루어지는 스퍼터링 타겟을 얻을 수 있다. 또한, 복수의 타겟 소재를 하나의 백킹 플레이트에 부착하여, 실질 하나의 타겟으로 해도 좋다.
본 발명의 산화물 소결체로 이루어지는 타겟을 이용하여 성막하는 것에 의해, 본 발명의 산화물 반도체 박막이 얻어진다.
상기 성막은, 예컨대 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법, 펄스 레이저 증착법 등에 의해 실시할 수 있다. 본 발명의 산화물 소결체로 이루어지는 타겟을 이용하여 스퍼터링법 등에 의해 성막하여 얻어지는 산화물 반도체 박막은, 알루미늄이 산화인듐 결정 중에 고용하고 있기 때문에, 격자 상수를 작게 하여, 결정 중의 인듐끼리의 5s 궤도의 겹침이 커져, 이동도의 향상을 기대할 수 있다. 게다가, In 사이트에 고용된 Al이 산소 결손을 감소시키기 때문에, 캐리어 농도의 감소를 기대할 수 있다.
이하, 본 발명의 산화물 소결체로 이루어지는 타겟을 스퍼터링하여, 기판 상에 산화물 반도체 박막을 성막하는 경우를 설명한다.
본 발명의 산화물 소결체는, 높은 도전성을 갖기 때문에 성막 속도가 빠른 DC 스퍼터링법을 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 산화물 소결체는, 상기 DC 스퍼터링법에 더하여, RF 스퍼터링법, AC 스퍼터링법, 펄스 DC 스퍼터링법도 적용할 수 있고, 어느 방법이더라도 이상 방전이 없는 스퍼터링이 가능하다.
스퍼터링 가스로서는, 아르곤과 산화성 가스의 혼합 가스를 이용할 수 있고, 산화성 가스로서는 O2, CO2, O3, H2O 등을 들 수 있다.
스퍼터링 성막시의 산소 분압은 5% 이상 40% 이하로 하는 것이 바람직하다. 산소 분압이 5% 미만인 조건에서 성막한 박막은 도전성을 가져, 산화물 반도체로서의 이용이 곤란한 경우가 있다. 바람직하게는, 산소 분압은 10% 이상 40% 이하이다.
성막시의 기판 온도는, 예컨대 500℃ 이하이며, 바람직하게는 10℃ 이상 400℃ 이하이고, 더 바람직하게는 20℃ 이상 350℃ 이하이며, 특히 바람직하게는 80℃ 이상 300℃ 이하이다.
스퍼터링시에 물을 도입하는 것에 의해, 박막 중에 미결정이 생기는 것을 막을 수 있다. 퇴적 직후의 박막 중에 미결정이 존재하면, 어닐링에 의해서 2차 결정화하기 때문에, 결함이 많은 막이 되어, 캐리어 농도의 상승이나 이동도의 저하를 초래할 우려가 있기 때문이다.
스퍼터링 성막시의 수(水) 분압은, 바람직하게는 5×10-4∼7×10-2Pa이다. 수 분압이 5×10-4Pa 미만인 경우, 박막 퇴적 직후에 막 중에 미결정이 생성될 우려가 있다. 한편, 수 분압이 7×10-2Pa 초과인 경우, 막 밀도의 저하가 현저해지기 때문에, In 5s 궤도의 겹침이 작게 되어 이동도의 저하를 초래할 우려가 있다.
스퍼터링에 의해 성막한 기판 상의 박막을 어닐링 처리하는 것에 의해, 박막이 결정화하여, 반도체 특성이 얻어진다. 또한, 본 발명의 산화물 반도체 박막은, 어닐링 처리를 실시하는 것에 의해 Al이 산화인듐 결정 중에 고용하여, 빅스바이트의 단일상을 나타낸다.
어닐링 처리 온도는, 예컨대 500℃ 이하이며, 바람직하게는 100℃ 이상 500℃ 이하이고, 더 바람직하게는 150℃ 이상 400℃ 이하, 특히 바람직하게는 200℃ 이상 350℃ 이하이다.
성막시 및 어닐링 처리시의 가열 분위기는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 대기 분위기 또는 산소 유통 분위기가 캐리어 제어성의 관점에서 바람직하다.
어닐링 처리에 있어서는, 산소의 존재하 또는 부존재하에서, 램프 어닐링 장치, 레이저 어닐링 장치, 열플라즈마 장치, 열풍 가열 장치, 접촉 가열 장치 등을 이용할 수 있다.
이렇게 하여 얻어지는 본 발명의 산화물 반도체 박막은, 인듐 및 알루미늄의 산화물을 함유하고, 그 박막 중의 원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이며, 바람직하게는 빅스바이트 구조를 나타내는 산화인듐으로 실질적으로 이루어지고, 산화인듐에 알루미늄이 고용하고 있고, 그 박막 중의 원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이다.
한편, 박막의 원자비 Al/(Al+In)은, 상기 박막의 성막에 이용한 타겟(소결체)의 원자비 Al/(Al+In)과 같은 값을 나타낸다.
본 발명의 산화물 반도체 박막은, 박막 트랜지스터에 이용할 수 있고, 특히 박막 트랜지스터의 채널층에 적합하다.
본 발명의 산화물 반도체 박막을 채널층으로서 구비하는 박막 트랜지스터(이하, 본 발명의 박막 트랜지스터라고 하는 경우가 있다)는, 채널 에치형이라도 좋다. 본 발명의 산화물 반도체 박막은, 결정막이며 내구성이 있으므로, 본 발명의 박막 트랜지스터의 제조에 있어서는, Mo 등의 금속 박막을 에칭하여 소스·드레인 전극, 채널부를 형성하는 포토리소그래피 공정도 가능해진다.
본 발명의 박막 트랜지스터는, 에치 스토퍼쪽이라도 좋다. 본 발명의 산화물 반도체 박막은, 에치 스토퍼가 반도체층으로 이루어지는 채널부를 보호할 수 있고, 또한 성막시에 반도체층에 산소를 대량으로 취입시켜 놓는 것이, 에치 스토퍼층을 통해서 외부로부터 산소를 공급할 필요가 없게 된다. 또한, 성막 직후에는 비정질막을 제작하는 것이 가능하고, Mo 등의 금속 박막을 에칭하여 소스·드레인 전극, 채널부를 형성하는 동시에, 반도체층을 에칭할 수 있어 포토리소그래피 공정을 단축하는 것도 가능해진다.
실시예
[산화물 소결체 및 타겟의 제조]
실시예 1-3
평균 입경 0.98㎛의 산화인듐 분말 및 평균 입경 0.97㎛의 산화알루미늄 분말을, 표 1에 나타내는 원자비 Al/(Al+In)이 되도록 칭량하여, 균일하게 미분쇄 혼합 후, 성형용 바인더를 가하여 조립했다. 다음으로 이 원료 혼합 분말을 금형에 균일하게 충전하여 콜드 프레스기로 프레스압 140MPa로 가압 성형했다. 이렇게 하여 얻은 성형체를 소결로에 의해 표 1에 나타내는 소성 온도 및 소성 시간으로 소성하여, 소결체를 제조했다.
소성 분위기는 승온 중은 산소 분위기이고, 그 밖은 대기 중(분위기)이며, 소성은, 승온 속도 1℃/min, 강온 속도 15℃/min으로 실시했다.
한편, 이용한 원료 산화물 분말의 평균 입경은, 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치 SALD-300V(시마즈제작소제)로 측정하고, 평균 입경은 메디안 직경 D50을 채용했다.
수득된 소결체에 대하여 X선 회절 측정 장치(리가쿠제 Ultima-III)에 의해 결정 구조를 조사했다. 실시예 1-3의 소결체의 X선 차트를 각각 도 1-3에 나타낸다.
차트를 분석한 결과, 실시예 1-3의 소결체에는 산화인듐의 빅스바이트 구조만이 관측되었다. 상기 결정 구조는, JCPDS(Joint Committee of Powder Diffraction Standards) 카드로 확인할 수 있다. 산화인듐의 빅스바이트 구조는, JCPDS 카드 No. 06-0416이다.
상기 X선 회절 측정(XRD)의 측정 조건은 이하와 같다.
장치: (주)리가쿠제 Ultima-III
X선: Cu-Kα선(파장 1.5406Å, 그래파이트 모노크로미터로 단색화)
2θ-θ 반사법, 연속 스캔(1.0°/분)
샘플링 간격: 0.02°
슬릿 DS, SS: 2/3°, RS: 0.6mm
수득된 소결체의 밀도를, 일정한 크기로 잘라낸 소결체의 중량과 외형 치수에 의해 산출했다. 또한, 수득된 소결체의 벌크 저항(도전성)을 저항률계(미쓰비시화학(주)제, 로레스타)를 사용하여 사탐침법(JIS R 1637)에 근거하여 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
수득된 소결체에 대하여, EPMA 측정에 의해 Al의 분산을 조사했다. 그 결과, 1㎛ 이상의 알루미늄 원자의 집합체는 관측되지 않고, 실시예 1-3의 소결체는 분산성, 균일성이 매우 우수함을 알 수 있었다.
EPMA의 측정 조건은 이하와 같다.
장치명: JXA-8200(일본전자주식회사제)
가속 전압: 15kV
조사 전류: 50nA
조사 시간(1점당): 50mS
실시예 1-3에서 수득된 산화물 소결체의 표면을 평면 연삭반으로 연삭하고, 측변을 다이아몬드 커터로 절단하고, 백킹 플레이트에 접합하여, 각각 4인치φ의 스퍼터링 타겟으로 했다.
수득된 스퍼터링 타겟을 DC 스퍼터링 장치에 장착하고, 스퍼터 가스로서 아르곤을 이용하여, 스퍼터압 0.4Pa, 기판 온도: 실온, DC 출력 400W에서, 10kWh 연속 스퍼터를 행하고, 스퍼터 중의 전압 변동을 데이터 로거에 축적하여, 이상 방전의 유무를 확인했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
한편, 상기 이상 방전의 유무는, 전압 변동을 모니터하여 이상 방전을 검출하는 것에 의해 행했다. 구체적으로는, 5분간의 측정 시간 중에 발생하는 전압 변동이 스퍼터 운전 중의 정상 전압의 10% 이상 있었던 경우를 이상 방전으로 했다. 특히 스퍼터 운전 중의 정상 전압이 0.1초간에 ±10% 변동하는 경우는, 스퍼터 방전의 이상 방전인 마이크로아크가 발생하고 있어, 소자의 수율이 저하되어, 양산화에 적합하지 않을 우려가 있다.
또한, 실시예 1-3의 스퍼터링 타겟을 이용하고, 분위기로서는 아르곤 가스에 3%의 수소 가스를 첨가한 혼합 가스를 사용하여, 30시간연 속하여 스퍼터링을 행하여, 노듈의 발생의 유무를 확인했다. 그 결과, 실시예 1-3의 스퍼터링 타겟 표면에서 노듈은 관측되지 않았다.
한편, 스퍼터 조건은, 스퍼터압 0.4Pa, DC 출력 100W, 기판 온도: 실온이며, 분위기 가스에 첨가한 수소 가스는, 노듈의 발생을 촉진하기 위해서이다.
노듈은, 스퍼터링 후의 타겟 표면의 변화를 실체 현미경에 의해 50배로 확대하여 관찰하여, 시야 3mm2 중에 발생한 20㎛ 이상의 노듈에 대하여 수평균을 계측하는 방법을 채용했다. 발생한 노듈수를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
비교예 1-3
평균 입경 0.98㎛의 산화인듐 분말 및 평균 입경 0.97㎛의 산화알루미늄 분말을 표 2에 나타내는 원자비 Al/(Al+In)이 되도록 칭량하여, 표 2에 나타내는 소성 온도 및 소성 시간으로 소성한 것 외는 실시예 1-3과 같이 하여 소결체 및 타겟을 제조하여 평가했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
한편, 비교예 1은 산화인듐 분말만을 이용하여 소결체 및 타겟을 제조했다.
비교예 4 및 5
산화알루미늄 대신에, 비교예 4에서는 평균 입경 1.06㎛의 산화이트륨 분말(Y2O3 분말)을, 비교예 5에서는 평균 입경 1.02㎛의 산화붕소 분말(B2O3 분말)을 표 2에 나타내는 원자비 M/(M+In)이 되도록 각각 칭량하여, 표 2에 나타내는 소성 온도 및 소성 시간으로 소성한 것 외는 실시예 1-3과 같이 하여 소결체 및 타겟을 제조하여 평가했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2로부터 알 수 있듯이, 비교예 1-5의 스퍼터링 타겟을 이용한 경우는, 스퍼터 중에 이상 방전이 발생하고, 또한 타겟 표면에는 노듈이 관측되었다. 또한, 비교예 4 및 5의 산화이트륨 및 산화붕소를 이용한 소결체에서는, 실시예 1-3의 타겟과 비교하여 소결체 밀도가 현저히 낮음을 알 수 있다.
비교예 1-5의 소결체에 대하여, 실시예 1-3과 같이 하여 X선 회절 측정 장치에 의해 결정 구조를 조사했다. 그 결과, 비교예 3의 소결체에서는, X선 회절 차트에 있어서 빅스바이트 구조 외에, 코런덤(corundum) 구조를 갖는 Al2O3상이 관측되었다. 상기 결정 구조는, JCPDS 카드로 확인할 수 있다. Al2O3의 코런덤 구조이면, 카드 JCPDS No. 10-173으로 확인할 수 있다.
[산화물 반도체 박막의 성막 및 박막 트랜지스터의 제조]
실시예 4
유리 기판 상 및 두께 100nm의 열산화막(SiO2) 부착 실리콘 기판 상에 각각 실시예 1에서 수득된 타겟(Al/(In+Al)=0.013)을 이용하여 DC 마그네트론 스퍼터링법에 의해 막 두께 50nm의 박막을 성막했다.
스퍼터링은, 배압(背壓)이 1×10-4Pa이 될 때까지 진공 배기한 후, 아르곤 9.9sccm, 물 0.1sccm(수 분압: 4.0×10-3Pa)을 흐르게 하면서, 압력을 0.4Pa로 조정하여, 스퍼터 출력 100W로 실온에서 행했다.
유리 기판 상에 성막한 박막의 성막 직후의 결정 구조를 XRD에 의해 확인했다. 그 결과, 명료한 회절 피크는 관측되지 않고, 비정질인 것이 확인되었다. 이 박막을 형성한 유리 기판을, 공기 중 300℃로 가열한 가열로 내에 투입하여, 1시간 처리를 행했다. 어닐링 처리 후의 박막에 대하여 XRD 측정한 바, 산화인듐의 빅스바이트 구조의 피크만이 관측되었다. 상기 결정 구조는, JCPDS 카드 No. 06-0416으로 확인할 수 있다.
또한, 어닐링 처리 후의 박막의 캐리어 농도 및 이동도를 홀(Hall) 효과 측정으로 평가한 바, 캐리어 농도는 6.98×1017cm-3이며, 홀 이동도는 24.5cm2/Vs였다. 어닐링 처리 후의 박막의 원자비가, 이용한 타겟의 원자비와 같은 것도 확인했다.
박막을 성막한 실리콘 기판(도전성 실리콘 기판) 상에 금속 마스크를 설치하여, L: 200㎛, W: 1000㎛의 채널부를 형성하고, 금을 증착하여 소스·드레인 전극을 형성했다. 상기 소자를 300℃로 가열한 가열로 내에 투입하여, 1시간 처리를 행하는 것으로 박막 트랜지스터를 제조했다.
제조한 박막 트랜지스터에 대하여, 전계 효과 이동도, on-off비 및 S값에 대하여 평가했다. 그 결과, 전계 효과 이동도는 38.8cm2/Vs이며, on-off비가 8.18×108로, 노멀리 오프의 특성을 나타내고, S값은 0.66인 것을 확인했다.
실시예 5
유리 기판 상 및 두께 100nm의 열산화막(SiO2) 부착 실리콘 기판 상에 각각 실시예 2에서 수득된 타겟(Al/(In+Al)=0.027)을 이용하여 DC 마그네트론 스퍼터링법에 의해 막 두께 50nm의 박막을 성막했다.
스퍼터링은, 배압이 1×10-4Pa이 될 때까지 진공 배기한 후, 아르곤 9.9sccm, 물 0.1sccm(수 분압: 4.0×10-3Pa) 흐르게 하면서, 압력을 0.4Pa로 조정하여, 스퍼터 출력 100W로 실온에서 행했다.
유리 기판 상에 성막한 박막의 성막 직후의 결정 구조를 XRD에 의해 확인했다. 그 결과, 명료한 회절 피크는 관측되지 않고, 비정질인 것이 확인되었다. 이 박막을 형성한 유리 기판을, 공기 중 300℃로 가열한 가열로 내에 투입하여, 1시간 처리를 행했다. 어닐링 처리 후의 박막에 대하여 XRD 측정한 바, 산화인듐의 빅스바이트 구조의 피크만이 관측되었다. 상기 결정 구조는, JCPDS 카드 No. 06-0416으로 확인할 수 있다.
또한, 어닐링 처리 후의 박막의 캐리어 농도 및 이동도를 홀 효과 측정으로 평가한 바, 캐리어 농도는 2.37×1017cm-3이며, 홀 이동도는 22.1cm2/Vs였다.
박막을 성막한 실리콘 기판(도전성 실리콘 기판) 상에 금속 마스크를 설치하여, L: 200㎛, W: 1000㎛의 채널부를 형성하고, 금을 증착하여 소스·드레인 전극을 형성했다. 상기 소자를 300℃로 가열한 가열로 내에 투입하고, 1시간 처리를 행하는 것으로 박막 트랜지스터를 제조했다.
제조한 박막 트랜지스터에 대하여, 전계 효과 이동도, on-off비 및 S값에 대하여 평가했다. 그 결과, 전계 효과 이동도는 31.1cm2/Vs이며, on-off비가 3.11×108로, 노멀리 오프의 특성을 나타내고, S값은 0.52인 것을 확인했다.
실시예 6
유리 기판 상 및 두께 100nm의 열산화막(SiO2) 부착 실리콘 기판 상에 각각 실시예 3에서 수득된 타겟(Al/(In+Al)=0.078)을 이용하여 DC 마그네트론 스퍼터링법에 의해 막 두께 50nm의 박막을 성막했다.
스퍼터링은, 배압이 1×10-4Pa이 될 때까지 진공 배기한 후, 아르곤 9.9sccm, 물 0.1sccm(수 분압: 4.0×10-3Pa) 흐르게 하면서, 압력을 0.4Pa로 조정하여, 스퍼터 출력 100W로 실온에서 행했다.
유리 기판 상에 성막한 박막의 성막 직후의 결정 구조를 XRD에 의해 확인했다. 그 결과, 명료한 회절 피크는 관측되지 않고, 비정질인 것이 확인되었다. 이 박막을 형성한 유리 기판을, 공기 중 300℃로 가열한 가열로 내에 투입하여, 1시간 처리를 했다. 어닐링 처리 후의 박막에 대하여 XRD 측정한 바, 산화인듐의 빅스바이트 구조의 피크만이 관측되었다. 상기 결정 구조는, JCPDS card No. 06-0416으로 확인할 수 있다.
또한, 어닐링 처리 후의 박막의 캐리어 농도 및 이동도를 홀 효과 측정으로 평가한 바, 캐리어 농도는 5.88×1016cm-3이며, 홀 이동도는 18.8cm2/Vs였다.
박막을 성막한 실리콘 기판(도전성 실리콘 기판) 상에 금속 마스크를 설치하여, L: 200㎛, W: 1000㎛의 채널부를 형성하고, 금을 증착하여 소스·드레인 전극을 형성했다. 상기 소자를 300℃로 가열한 가열로 내에 투입하여, 1시간 처리를 행하는 것으로 박막 트랜지스터를 제조했다.
제조한 박막 트랜지스터에 대하여, 전계 효과 이동도, on-off비 및 S값에 대하여 평가했다. 그 결과, 전계 효과 이동도는 24.3cm2/Vs이며, on-off비가 2.56×108로, 노멀리 오프의 특성을 나타내고, S값은 0.77인 것을 확인했다.
비교예 6
유리 기판 상 및 두께 100nm의 열산화막(SiO2) 부착 실리콘 기판 상에 각각 비교예 3에서 수득된 타겟(Al/(In+Al)=0.23)을 이용하여 DC 마그네트론 스퍼터링법에 의해 막 두께 50nm의 박막을 성막했다.
스퍼터링은, 배압이 1×10-4Pa이 될 때까지 진공 배기한 후, 아르곤 9.9sccm, 물 0.1sccm(수 분압: 4.0×10-3Pa) 흐르게 하면서, 압력을 0.4Pa로 조정하여, 스퍼터 출력 100W로 실온에서 행했다.
유리 기판 상에 성막한 박막의 성막 직후의 결정 구조를 XRD에 의해 확인했다. 그 결과, 명료한 회절 피크는 관측되지 않고, 비정질인 것이 확인되었다. 이 박막을 형성한 유리 기판을, 공기 중 300℃로 가열한 가열로 내에 투입하여, 1시간 처리를 행했다. 어닐링 처리 후의 박막에 대하여 XRD 측정한 바, 명료한 회절 피크는 관측되지 않고, 비정질인 것이 확인되었다.
또한, 어닐링 처리 후의 박막의 캐리어 농도 및 이동도를 홀 효과 측정으로 평가한 바, 캐리어 농도는 7.28×1016cm-3이며, 홀 이동도는 9.7cm2/Vs로, 실시예 4∼6의 박막보다도 홀 이동도가 현저히 뒤떨어지고 있음을 알 수 있다.
박막을 성막한 실리콘 기판(도전성 실리콘 기판) 상에 금속 마스크를 설치하여, L: 200㎛, W: 1000㎛의 채널부를 형성하고, 금을 증착하여 소스·드레인 전극을 형성했다. 상기 소자를 300℃에 가열한 가열로 내에 투입하여, 1시간 처리를 행하는 것으로 박막 트랜지스터를 제조했다.
제조한 박막 트랜지스터에 대하여, 전계 효과 이동도, on-off비 및 S값에 대하여 평가했다. 그 결과, 전계 효과 이동도는 7.8cm2/Vs이며, on-off비가 2.43×106으로, 노멀리 오프의 특성을 나타내고, S값은 1.87인 것을 확인했다. 실시예 4∼6의 트랜지스터와 비교하여, 전계 효과 이동도가 뒤떨어짐을 알 수 있다.
본 발명의 산화물 소결체로 이루어지는 스퍼터링 타겟은, 박막 트랜지스터 등의 제조에 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 박막 트랜지스터는 집적 회로 등에 사용할 수 있다.
상기에 본 발명의 실시형태 및/또는 실시예를 몇 가지 구체적으로 설명했지만, 당업자는, 본 발명의 신규한 교시 및 효과로부터 실질적으로 벗어나지 않고, 이들 예시인 실시형태 및/또는 실시예에 많은 변경을 가하는 것이 용이하다. 따라서, 이들 많은 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
이 명세서에 기재된 문헌의 내용을 모두 여기에 원용한다.

Claims (8)

  1. 인듐 및 알루미늄의 산화물을 함유하고,
    원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08인 산화물 소결체.
  2. 평균 입경이 1.2㎛ 미만인 산화인듐 분말, 및 평균 입경이 1.2㎛ 미만인 산화알루미늄 분말을, 원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이 되도록 혼합하여 혼합 분말을 조제하는 공정,
    상기 혼합 분말을 성형하여 성형체를 제조하는 공정, 및
    상기 성형체를 1100℃∼1550℃로 8시간 이상 소성하는 공정을 포함하는 제 1 항에 기재된 산화물 소결체의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소성을 산화 가스 분위기 중에서 행하는 산화물 소결체의 제조방법.
  4. 제 1 항에 기재된 산화물 소결체를 가공하여 얻어지는 타겟.
  5. 제 4 항에 기재된 타겟을 스퍼터링하여 박막을 성막하고, 상기 박막을 어닐링하는 것으로 얻어지는 산화물 반도체 박막으로서,
    원자비 Al/(Al+In)이 0.01∼0.08이며, 산화인듐의 빅스바이트 구조를 갖는 산화물 반도체 박막.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스퍼터링을 수(水) 분압 5×10-4∼7×10-2Pa에서 행하는 산화물 반도체 박막.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 기재된 산화물 반도체 박막을 채널층으로서 갖는 박막 트랜지스터.
  8. 제 7 항에 기재된 박막 트랜지스터를 구비하여 이루어지는 표시 장치.
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