KR20140027241A - In₂O₃-ZnO계 스퍼터링 타겟 - Google Patents

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마사유키 이토세
마미 니시무라
미사 스나가와
마사시 가사미
고키 야노
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이데미쓰 고산 가부시키가이샤
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Abstract

인듐 원소(In) 및 아연 원소(Zn)와, 하기의 X군으로부터 선택되는 1 이상의 원소 X를 함유하는 산화물로 이루어지고, 각 원소의 원자비가 다음 수학식 1 및 2를 만족하는 스퍼터링 타겟.
X군: Mg, Si, Al, Sc, Ti, Y, Zr, Hf, Ta, La, Nd, Sm
[수학식 1]
0.30 ≤ In/(In+Zn) ≤ 0.90
[수학식 2]
0.70 ≤ In/(In+X) ≤ 0.99
(상기 식에서, In, Zn 및 X는 각각 스퍼터링 타겟에 있어서의 각 원소의 원자비를 나타낸다.)

Description

In₂O₃-ZnO계 스퍼터링 타겟{In₂O₃-ZnO SPUTTERING TARGET}
본 발명은 산화물 반도체나 투명 도전막 등의 산화물 박막 제작용 스퍼터링 타겟, 특히 박막 트랜지스터용 산화물 박막의 형성에 바람직한 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.
전계 효과형 트랜지스터는, 반도체 메모리 집적회로의 단위 전자 소자, 고주파 신호 증폭 소자, 액정 구동용 소자 등으로서 널리 사용되고 있고, 현재 가장 많이 실용화되어 있는 전자 디바이스이다. 그 중에서도, 최근의 표시장치의 발전에 따라, 액정 표시장치(LCD)뿐만 아니라, 전기 발광 표시장치(EL), 전계 방출 디스플레이(FED) 등의 각종 표시장치에 있어서, 표시 소자에 구동 전압을 인가하여 표시장치를 구동시키는 스위칭 소자로서, 박막 트랜지스터(TFT)가 다용되고 있다.
TFT 구동 소자에는, 현재, 실리콘계 반도체 박막이 가장 널리 사용되고 있다. 한편, 실리콘계 반도체 박막보다도 안정성이 우수하기 때문에, 금속 산화물로 이루어지는 투명 반도체 박막이 주목되고 있다.
금속 산화물을 이용한 반도체막의 하나로서, 산화아연을 주성분으로 한 결정질을 포함하는 산화물 반도체막이 있으며, 다수의 검토가 되어 있다. 그러나, 공업적으로 일반적으로 실시되고 있는 스퍼터링법으로 성막한 경우에는, 산화아연을 주성분으로 한 결정질을 포함하는 산화물 반도체막은, 산소 결함이 들어가기 쉽고, 캐리어 전자가 다수 발생하여, 전기 전도도를 작게 하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있었다. 또한, 스퍼터링법에 의한 성막 시에, 이상 방전이 발생하여, 성막의 안정성이 손상되어, 얻어지는 막의 균일성 및 재현성이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 특히, 산화아연을 주성분으로 한 결정질을 포함하는 산화물 반도체막은, 그 전계 효과 이동도(이하, 단지 「이동도」라고 하는 경우가 있다)가 1cm2/V·sec 정도로 낮고, 온-오프비가 작은 데다가, 누설 전류가 발생하기 쉽다. 이 때문에, 산화아연을 주성분으로 한 결정질을 포함하는 산화물 반도체막을, TFT의 활성층(채널층)으로서 사용하는 때에는, 게이트 전압 무인가 시에도 소스 단자 및 드레인 단자 사이에 큰 전류가 흘러 버려, TFT의 노멀리-오프(normally off) 동작을 실현할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 또한, 트랜지스터의 온·오프비를 크게 하는 것도 어려웠다.
이와 같이, 산화아연을 함유하는 산화물 반도체막을 사용하여 얻어지는 TFT는, 이동도가 낮고, 온-오프비가 낮고, 누설 전류가 크며, 핀치 오프(pinch off)가 불명료, 노멀리-온(normally on)이 되기 쉬운 등, TFT의 성능이 낮아질 우려가 있었다. 또한, 내약품성이 뒤떨어지기 때문에, 웨트 에칭이 어려운 등 제조 프로세스나 사용 환경의 제한이 있었다.
그런데, 산화아연을 주성분으로 한 결정질을 포함하는 산화물 반도체막에서는, 이동도 등의 성능을 올리기 위해서, 높은 압력으로 성막할 필요가 있다. 그 때문에, 성막 속도가 느렸다. 또한, 700℃ 이상의 고온 처리가 필요하기 때문에, 공업화에도 문제가 있었다.
또한, 산화아연을 주성분으로 한 결정질을 포함하는 산화물 반도체막을 이용한 TFT의 경우, 보텀(bottom) 게이트 구성에서의 이동도 등의 TFT 성능이 낮다. 성능을 올리기 위해서는 톱(top) 게이트 구성으로 막 두께를 100nm 이상으로 할 필요 등이 있다. 따라서, TFT의 소자 구성에 제한도 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 산화인듐, 산화갈륨 및 산화아연으로 이루어지는 비정질 산화물 반도체막을 박막 트랜지스터로 하여 구동시키는 방법이 검토되어 있다. 또한, 산화인듐, 산화갈륨 및 산화아연으로 이루어지는 비정질 산화물 반도체막을 공업적으로 양산성이 우수한 스퍼터링법으로 형성하는 검토도 행해지고 있다. 그러나, 갈륨은 희소 금속이고 원료 비용이 높으며, 갈륨의 첨가량을 적게 하여 버리면, 성막 시의 산소 분압을 높게 하지 않으면 TFT의 노멀리-오프 동작을 실현할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
한편, 갈륨을 포함시키지 않고서, 산화인듐 및 산화아연으로 이루어지는 비정질 산화물 반도체막을 이용한 박막 트랜지스터도 제안되어 있다(특허문헌 1). 그러나, 상기와 마찬가지로, 성막 시의 산소 분압을 높게 하지 않으면 TFT의 노멀리-오프 동작을 실현할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
또한 In2O3-ZnO계 산화물에 Hf나 Zr, Ti와 같은 첨가 원소를 포함하는 스퍼터링 타겟이 검토되어 있다(특허문헌 2). 그러나, 이 타겟은, 절연성 물질의 응집체가 형성되기 쉬워, 저항값이 높아져 버리거나 이상 방전이 일어나기 쉽다고 하는 문제점이 있었다.
특허 제4620046호 공보 일본 특허공개 2009-203554호 공보
본 발명의 목적은, 스퍼터링법을 이용하여 산화물 반도체나 투명 도전막 등의 산화물 박막을 성막할 때 산소 분압을 낮게 할 수 있는 In2O3-ZnO계 스퍼터링 타겟을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 이하의 스퍼터링 타겟 등이 제공된다.
1. 인듐 원소(In) 및 아연 원소(Zn)와, 하기의 X군으로부터 선택되는 1 이상의 원소 X를 함유하는 산화물로 이루어지고, 각 원소의 원자비가 다음 수학식 1 및 2를 만족하는 스퍼터링 타겟.
X군: Mg, Si, Al, Sc, Ti, Y, Zr, Hf, Ta, La, Nd, Sm
[수학식 1]
0.30 ≤ In/(In+Zn) ≤ 0.90
[수학식 2]
0.70 ≤ In/(In+X) ≤ 0.99
(상기 식에서, In, Zn 및 X는 각각 스퍼터링 타겟에 있어서의 각 원소의 원자비를 나타낸다.)
2. 스퍼터링 타겟에 포함되는 In2O3로 표시되는 빅스바이트 구조 화합물의 X선 회절(XRD)에 있어서의 최대 피크 강도(I( In2O3 ))와, 상기 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물의 최대 피크 강도(Ix)가 다음 수학식 3을 만족하는, 1에 기재된 스퍼터링 타겟.
[수학식 3]
Ix/I( In2O3 ) ≤ 0.15
3. 상기 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물의 평균 결정 입경이 10㎛ 이하인, 1 또는 2에 기재된 스퍼터링 타겟.
4. 상기 스퍼터링 타겟에 있어서, 잘 구워진 면을 제거한 후의 타겟 표면부와 상기 표면부로부터 평면 연삭반으로 2mm 연삭한 부분의 CIE 1976 공간에서 측정되는 L*a*b* 색차(ΔE*)가 3.0 이하인, 1 내지 3의 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타겟.
5. 비저항이 30mΩcm 이하, 상대 밀도가 90% 이상인, 1 내지 4의 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타겟.
6. 원소 X가 Zr인, 1 내지 5의 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타겟.
7. 산화인듐 분말과 원소 X의 산화물을 혼합, 분쇄하는 공정 A, 상기 공정 A에서 얻은 혼합 분말을 700 내지 1200℃의 온도로 열처리하는 공정 B, 및 상기 공정 B에서 얻은 열처리 분말에 산화아연 분말을 가하여 혼합 분쇄하는 공정 C를 포함하는, 1 내지 6의 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타겟의 제조방법.
8. 상기 1 내지 6의 어느 하나에 기재된 스퍼터링 타겟을 이용하여 제작된 산화물 박막.
9. 8에 기재된 산화물 박막을 이용한 박막 트랜지스터.
본 발명에 의하면, 스퍼터링법을 이용하여 산화물 반도체나 투명 도전막 등의 산화물 박막을 성막할 때에, 산소 분압을 높게 할 필요가 없고, 또 응집체가 생기기 어려워 이상 방전의 발생이 억제된 스퍼터링 타겟이 얻어진다.
도 1은 실시예 1에서 얻은 스퍼터링 타겟의 X선 차트이다.
본 발명의 스퍼터링 타겟은, 인듐 원소(In) 및 아연 원소(Zn)와, Mg, Si, Al, Sc, Ti, Y, Zr, Hf, Ta, La, Nd 및 Sm으로 이루어지는 군(이하, X군이라 함)으로부터 선택되는 1 이상의 원소 X를 함유하는 산화물로 이루어진다. 그리고, 각 원소의 원자비가 다음 수학식 1 및 2를 만족하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
0.30 ≤ In/(In+Zn) ≤ 0.90
[수학식 2]
0.70 ≤ In/(In+X) ≤ 0.99
(상기 식에서, In, Zn 및 X는 각각 스퍼터링 타겟에 있어서의 각 원소의 원자비를 나타낸다.)
스퍼터링 타겟에, 상기 X군으로부터 선택되는 1 이상의 원소 X를 함유시키는 것에 의해, 스퍼터링 시의 산소 분압을 낮게 할 수 있다.
상기 X군의 원소 중에서도, In 원소 또는 Zn 원소와 복합 산화물을 만드는 것이 바람직하다. 복합 산화물을 만들지 않는 원소의 경우, In 함유 산화물에의 고용량이 큰 원소가 바람직하다. 한편, In 함유 산화물에의 고용은, 인듐 원소와 원소 X의 이온 반경의 차이가 적을수록 생기기 쉽다. 또한, 원소 X와 산소와의 전기 음성도의 차이가, In 및 Zn 원소와 산소와의 전기 음성도의 차이보다도 큰 편이 바람직하다. 이 경우, 원소 X의 산화물은 이온결합성이 강한 산화물이 되기 때문에, 스퍼터링 시의 산소 분압을 낮게 할 수 있다.
한편, X군은 Mg, Si, Al, Sc, Ti, Y, Zr, Hf, Ta, La, Nd 및 Sm 이외에도, 산소와의 전기 음성도의 차이가 In 및 Zn 원소와 산소와의 전기 음성도의 차이보다도 크면, 마찬가지의 효과가 얻어지기 때문에, 이들 원소에 한정되는 경우는 없다.
X군의 원소 중, 바람직하게는 Mg, Si, Al, Sc, Zr 및 Hf이며, 더 바람직하게는 Al, Zr 및 Hf이며, 특히 바람직하게는 Zr이다.
본 발명의 스퍼터링 타겟에서는, 타겟 중의 In 원소 및 Zn 원소의 합계(원자비)에서 차지하는 In 원소의 양[In/(In+Zn)]은, 다음 수학식 1의 관계를 만족시킨다.
[수학식 1]
0.30 ≤ In/(In+Zn) ≤ 0.90
수학식 1에 있어서, In 원소의 양이 0.30보다도 적으면, 스퍼터링 타겟의 벌크 저항값이 높아지기 때문에, DC 스퍼터링이 불가능해진다. 또한, Zn이 많기 때문에 얻어지는 박막의 웨트 에칭액에의 용해 속도가 지나치게 높아, 웨트 에칭이 곤란해진다.
한편, In 원소의 양이 0.90보다도 많으면, 원소 X의 첨가에 의한 스퍼터링 중의 산소 분압을 낮게 하는 효과가 얻어지지 않게 되어, 양호한 TFT 특성을 갖는 산화물 박막을 성막하는 것이 어려워진다. 또한, Zn이 적기 때문에 얻어지는 막이 비정질막으로 되어 안정되지 않을 우려가 있다.
In 원소의 양[In/(In+Zn)]은, 바람직하게는 0.35 내지 0.70이며, 더 바람직하게는 0.40 내지 0.60이다.
또한, 본 발명의 스퍼터링 타겟에서는, 타겟 중의 In 원소 및 원소 X의 합계(원자비)에서 차지하는 In 원소의 양[In/(In+X)]은, 다음 수학식 2의 관계를 만족시킨다.
[수학식 2]
0.70 ≤ In/(In+X) ≤ 0.99
수학식 2에 있어서, In 원소의 양이 0.70보다도 적으면, 타겟 중의 원소 X의 비율이 높아지고, 그 결과, 절연성 물질의 응집체가 형성되어 쉬워져, 타겟의 저항값이 높아진다. 또한, 스퍼터링 시에 있어서 이상 방전(아킹)이 일어나기 쉬워진다.
한편, In 원소의 양이 0.99보다도 많으면, 원소 X의 첨가량이 모자라기 때문에, 원소 X의 첨가에 의한 효과가 얻어지지 않게 된다.
In 원소의 양[In/(In+X)]은, 바람직하게는 0.80 내지 0.99이며, 더 바람직하게는 0.85 내지 0.99이다.
한편, 스퍼터링 타겟에 원소 X를 2종 이상 첨가하는 경우, 수학식 2의 X가 나타내는 원자비는, 첨가한 원소 X의 원자비의 합계를 의미한다.
한편, 상기의 원자비는 유도 플라즈마 발광 분석장치(ICP-AES)에 의해 측정할 수 있다.
본 발명의 스퍼터링 타겟에서는, 타겟에 포함되는 In2O3로 표시되는 빅스바이트 구조 화합물의 X선 회절(XRD)에 있어서의 최대 피크 강도(I( In2O3 ))와, 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물의 최대 피크 강도(Ix)의 비(Ix/I( In2O3 ))가 다음 수학식 3을 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식 3]
Ix/I( In2O3 ) ≤ 0.15
상기 비는, 스퍼터링 타겟에 포함되는 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물량을 상대적으로 나타내는 것이다. 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물은 절연성 물질이기 때문에, 상기 비가 0.15보다도 크면, 스퍼터링 타겟의 벌크 저항이 높아질 우려가 있다.
상기 비는 0.1 이하인 것이 바람직하고, 특히 0.05 이하인 것이 바람직하다.
In2O3로 표시되는 빅스바이트 구조 화합물과 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물을 포함하는 것은, X선 회절 측정(XRD)으로 확인할 수 있다.
In2O3로 표시되는 빅스바이트 구조 화합물(또는 희토류 산화물 C형의 결정 구조)이란, 희토류 산화물 C형 또는 Mn2O3(I)형 산화물이라고도 말해진다. 「투명 도전막의 기술」((주)오옴사 출판, 일본 학술진흥회, 투명 산화물·광전자 재료 제 166위원회편, 1999) 등에 개시되어 있는 바와 같이, 화학량론비가 M2X3(M은 양이온, X는 음이온으로 보통 산소 이온)이고, 하나의 단위 세포는 M2X3:16분자, 합계 80개의 원자(M이 32개, X가 48개)에 의해 구성되어 있다.
한편, 결정 구조 중의 원자나 이온이 일부 다른 원자로 치환된 치환형 고용체, 다른 원자가 격자간 위치에 가해진 침입형 고용체도 빅스바이트 구조 화합물에 포함된다.
본 발명의 타겟의 구성성분인 빅스바이트 구조 화합물은, 이들 중, In2O3로 표시되는 화합물, 즉 X선 회절에서, JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards) 데이타 베이스의 No.06-0416의 피크 패턴이거나, 또는 유사한(쉬프트된) 패턴을 나타내는 것이다.
원소 X와 산소로 이루어지는 화합물로서는, 예컨대, MgO, SiO2, Al2O3, Sc2O3, TiO2, Y2O3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, La2O3, Nd2O3, Sm2O3 등을 들 수 있다. 즉, X선 회절에서, JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards) 데이타 베이스의 각각 No.45-0946, 89-1668, 46-1212, 42-1463, 21-1272, 41-1105, 37-1484, 06-0318, 18-1304, 05-0602, 43-1023, 43-1030의 피크 패턴이거나, 또는 유사한(쉬프트된) 패턴을 나타내는 것이다.
본 발명의 스퍼터링 타겟에서는, 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물의 평균 결정 입경이 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 결정 입경을 10㎛ 이하로 하는 것에 의해, 스퍼터링 타겟의 벌크 저항을 저감할 수 있고, 이상 방전을 억제할 수 있다. 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물의 평균 결정 입경은, 바람직하게는 6㎛ 이하이며, 더 바람직하게는 4㎛ 이하이다.
한편, 평균 결정 입경은 X선 마이크로 애널라이저(EPMA)로 측정한 값이다. 상세에 대해서는 실시예에서 설명한다.
본 발명의 스퍼터링 타겟에서는, 잘 구워진 면을 제거한 후의 타겟 표면부와 이 표면부로부터 평면 연삭반으로 2mm 연삭한 부분의 CIE 1976 공간에서 측정되는 L*a*b* 색차:ΔE*가 3.0 이하인 것이 바람직하다.
ΔE*가 3.0 이하이면, 육안으로의 색차가 눈에 띄지 않게 되고, 또한 면내의 소결체 저항값이 균일하게 됨으로써, 이상 방전의 저하, 박막 저항값의 면내 균일성의 향상 등의 효과가 얻어진다
한편, L*a*b*이란 xyz 표색계에 근거하는 색공간이며, L*값은 명도를 나타내고, a*와 b*는 색도 좌표로 되어 있고, 색상과 색상을 함께 나타내고 있다. L*값은 색에 관계없이 밝음(명도)만을 나타내며, L = 0(흑)부터 L = 100(백)까지의 값을 취하고 있고, 값이 클수록 희고 밝은 것을 의미한다. a*는 빨강으로부터 초록으로의 축이며, +a*는 빨강 방향을 -a*은 초록 방향을 나타내고, b*는 노랑으로부터 파랑으로의 축이며, +b*는 노랑 방향을 -b*은 파랑 방향을 나타내고 있다.
본 발명의 스퍼터링 타겟의 비저항값은 30mΩcm 이하인 것이 바람직하고, 10mΩcm 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5mΩcm 이하인 것이 특히 바람직하다. 비저항을 30mΩcm 이하로 하는 것에 의해, DC 스퍼터링이 가능해지고, 얻어지는 박막 트랜지스터의 TFT 특성의 균일성 및 TFT 특성의 재현성을 향상시킬 수 있다.
한편, 스퍼터링 타겟의 비저항값은, 사탐침법(四探針法)(JIS R 1637)에 근거하여 측정한 벌크 저항을 의미한다.
또한, 본 발명의 스퍼터링 타겟의 상대 밀도는 90% 이상인 것이 바람직하고, 95% 이상인 것이 더욱 바람직하고, 98% 이상인 것이 특히 바람직하다. 상대 밀도로 90% 미만인 경우, 성막 중에 타겟이 균열되거나, 성막 속도가 늦어질 우려가 있다.
한편, 상대 밀도는 타겟의 밀도의 실측값을 이론 밀도로 나누어 구한다.
본 발명에서는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서, 전술한 In, Zn 및 원소 X 이외의 다른 금속 원소를 함유하고 있어도 좋다. 그러나, 본 발명에 있어서는, 산화물 소결체에 함유되는 금속 원소는, 실질적으로 In, Zn 및 원소 X만, 또는 In, Zn 및 원소 X만이어도 좋다. 본 발명에 있어서 「실질적」이란, 스퍼터링 타겟으로서의 효과가 상기 In, Zn 및 원소 X에 기인하는 것, 또는 스퍼터링 타겟의 금속 원소의 95중량% 이상 100중량% 이하(바람직하게는 98중량% 이상 100중량% 이하)가 In, Zn 및 원소 X인 것을 의미한다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 스퍼터링 타겟에 함유되는 금속 원소는, 실질적으로 In, Zn 및 원소 X로 이루어져 있고, 본 발명의 효과를 손상하지 않는 범위에서 그 외에 불가피 불순물을 포함하고 있어도 좋다.
본 발명의 스퍼터링 타겟은, 원료 분말을 혼합, 성형, 소결하는 것에 의해 제조할 수 있다.
혼합 공정은 특별히 제한되지 않고, 원료 분말을 1회에 또는 2회 이상으로 나누어 혼합 분쇄하여 행할 수 있다. 원료 분말, 혼합 분쇄에 관해서는 후술하는 바와 같다.
혼합 공정은, 하기의 공정 A 내지 공정 C로 행하는 것이 바람직하다.
공정 A: 산화인듐 분말과 원소 X의 산화물을 혼합 분쇄한다.
공정 B: 상기 공정 A에서 얻은 혼합 분말을 700 내지 1200℃의 온도로 열처리한다.
공정 C: 상기 공정 B에서 얻은 혼합 분말에 산화아연 분말을 가하여 혼합 분쇄한다.
상기 공정 A에서는, 산화인듐 분말과 원소 X의 산화물을 혼합 분쇄한다. 이것에 의해, 첨가 원소 X를 In2O3의 주위에 균일 분산시켜, 산화인듐과 첨가 원소의 반응율을 향상시킬 수 있다.
원료인 산화인듐 분말은, 특별히 한정은 없고, 공업적으로 시판되고 있는 것을 사용할 수 있지만, 고순도, 예컨대 4N(0.9999) 이상인 것이 바람직하다. 또한, 산화물뿐만 아니라, 염화인듐, 질산인듐, 아세트산인듐 등의 인듐염을 이용하여도 상관없다.
원소 X의 산화물로서는, 예컨대, MgO, SiO2, Al2O3, Sc2O3, TiO2, Y2O3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, La2O3, Nd2O3, Sm2O3 등을 들 수 있다.
혼합 분쇄 수단에 관해서는, 예컨대, 볼 밀, 비드 밀, 제트 밀 또는 초음파 장치 등의 공지된 장치를 사용할 수 있다.
분쇄 시간 등의 조건은, 적절히 조정하면 좋지만, 습식 볼 밀을 사용한 경우는, 6 내지 100시간 정도가 바람직하다.
6시간 미만의 혼합 시간에서는, 산화인듐 분말과 원소 X의 산화물의 균일 분산이 불충분해지는 경우가 있기 때문이다. 한편, 혼합 시간이 100시간을 초과한 경우에는, 제조 시간이 지나치게 걸려 비용이 높아지기 때문에, 실용상 채용할 수 없다.
산화인듐 분말과 원소 X의 산화물을 혼합하여 분쇄하는 경우, 분쇄 후의 혼합물의 평균 입경은, 보통 10㎛ 이하, 바람직하게는 3㎛ 이하, 특히 바람직하게는 1㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 혼합 분말의 평균 입경이 지나치게 크면, 산화인듐 분말과 원소 X의 산화물의 반응율이 저하되어, 절연성 물질의 응집체가 형성되기 쉬워진다.
한편, 혼합물의 분쇄 후의 평균 입경은, JIS R 1629에 기재된 방법에 의해서 측정한 부피 평균 입경을 의미한다.
상기 공정 B에서는, 공정 A에서 얻은 혼합 분말을 700 내지 1200℃의 온도로 열처리한다. 혼합 분말을 700 내지 1200℃로 열처리함으로써, 원소 X가 In2O3의 In 사이트(site)에 고용 한계까지 치환하여, 첨가 원소의 응집을 억제할 수 있다.
열처리 온도는, 바람직하게는 800 내지 1100℃이며, 더 바람직하게는 900 내지 1000℃이다. 한편, 열처리에는 보통의 소성로 등을 사용할 수 있다.
열처리 시간은 1 내지 100시간 정도이며, 바람직하게는 3 내지 50시간이다.
700℃ 미만 또는 1시간 미만의 열처리 조건에서는, 산화인듐 분말과 원소 X의 산화물의 반응이 불충분해지는 경우가 있기 때문이다. 한편, 열처리 조건이 1200℃를 넘는 경우 또는 100시간을 넘는 경우에는, 입자의 조대화가 일어나는 경우가 있어, 다음 공정의 혼합 분쇄에서 충분히 균일 혼합할 수 없을 우려가 있다.
열처리 분위기는, 산화 분위기이면 특별히 한정되는 것은 없다. 예컨대, 대기 분위기이어도 좋으며, 보다 바람직하게는 산소 가스 분위기 또는 산소 가스 가압 하이다.
열처리 후, 필요한 경우는 처리물을 분급이나 분쇄를 할 수도 있다. 분쇄 수단은 특별히 제한 없고, 각종 밀 등 공지된 수단을 사용할 수 있다.
상기 공정 C에서는, 공정 B에서 얻은 열처리 분말에 산화아연 분말을 가하여 혼합 분쇄한다. 이것에 의해, 원료 분말을 소결할 때에 있어서의 원소 X의 응집을 억제할 수 있어, 타겟의 색불균일을 저감할 수 있다.
원료인 산화아연 분말은 특별히 한정은 없고, 공업적으로 시판되고 있는 것을 사용할 수 있지만, 고순도, 예컨대 4N(0.9999) 이상인 것이 바람직하다. 또한 염화아연, 질산아연 등의 아연염을 이용하여도 상관없다.
본 발명에서는, 상기 공정 B에서 원소 X를 산화인듐 분말에 고용시키는 것에 의해, 원소 X로 이루어지는 산화물 분말끼리가 접촉하는 확률을 저감시킨다. 이것에 의해, 타겟에 있어서 원소 X를 주성분으로 하는 응집체의 발생을 저감하고 있다.
한편, 공정 A에 있어서 산화아연이 아니라 산화인듐 분말을 선택한 이유는, 원소 X가 In계 화합물에 고용하기 쉽고, 또한 산화아연은 승화성이기 때문에, 원료의 투입 값과 열처리물에 있어서 원자 조성이 변화될 우려가 있기 때문이다.
상기의 혼합 공정, 바람직하게는 공정 A 내지 공정 C에서 조제한 원료를 공지된 방법에 의해 성형하고, 소결하는 것에 의해 산화물 소결체로 한다.
성형 공정에서는, 예컨대, 상기 공정 C에서 얻은 혼합 분말을 가압 성형하여 성형체로 한다. 이 공정에 의해, 제품의 형상(예컨대, 타겟으로서 바람직한 형상)으로 성형한다.
성형 처리로서는, 예컨대, 금형 성형, 주입 성형, 사출 성형 등을 들 수 있지만, 소결 밀도가 높은 소결체(타겟)를 얻기 위해서는, 냉간 정수압(冷間靜水壓, CIP) 등으로 성형하는 것이 바람직하다.
한편, 성형 처리에 있어서는, 폴리바이닐알코올이나 메틸셀룰로스, 폴리왁스, 올레산 등의 성형 조제를 사용할 수 있다.
소결 공정은, 상기 성형 공정에서 수득된 성형체를 소성하는 공정이다
소결 조건으로서는, 산소 가스 분위기 또는 산소 가스 가압 하에, 보통 1200 내지 1550℃에서 보통 30분 내지 360시간, 바람직하게는 8 내지 180시간, 보다 바람직하게는 12 내지 96시간 소결한다. 소결 온도가 1200℃ 미만이면, 타겟의 밀도가 올라가기 어려워지거나, 소결에 시간이 지나치게 걸릴 우려가 있다. 한편, 1550℃을 초과하면 성분의 기화에 의해, 조성이 어긋나거나, 화로를 상하게 하거나 할 우려가 있다.
연소 시간이 30분 미만이면, 타겟의 밀도가 올라가기 어렵고, 360시간보다 길면, 제조 시간이 지나치게 걸려 비용이 높아지기 때문에, 실용상 채용할 수 없다. 상기 범위 내이면 상대 밀도를 향상시키고, 벌크 저항을 내릴 수 있다.
소성 시의 승온 속도는, 보통 8℃/분 이하, 바람직하게는 4℃/분 이하, 보다 바람직하게는 3℃/분 이하, 더 바람직하게는 2℃/분 이하이다. 8℃/분 이하이면 크랙이 발생하기 어렵다.
또한, 소성 시의 강온 속도는, 보통 4℃/분 이하, 바람직하게는 2℃/분 이하, 보다 바람직하게는 1℃/분 이하, 더 바람직하게는 0.8℃/분 이하, 특히 바람직하게는 0.5℃/분 이하이다. 4℃/분 이하이면 크랙이 발생하기 어렵다.
한편, 승온이나 강온은 단계적으로 온도를 변화시켜도 좋다.
산화물 소결체를 필요에 따라 원하는 형상으로 가공하는 것에 의해 스퍼터링 타겟이 얻어진다.
가공은, 상기의 산화물 소결체를 스퍼터링 장치에의 장착에 적합한 형상으로 절삭 가공하고, 또한 배킹(backing) 플레이트 등의 장착용 치구를 부착하기 위해서 행한다. 산화물 소결체를 스퍼터링 타겟으로 하기 위해서는, 소결체를, 예컨대 평면 연삭반으로 연삭하여 표면 조도(Ra)를 5㎛ 이하로 한다. 또한, 스퍼터링 타겟의 스퍼터면에 경면 가공을 실시하여, 평균표면 조도 Ra가 1000 옹스트롬 이하로 하여도 좋다. 평균 표면 조도가 작을수록 스퍼터 성막 초기에 발생하는 파티클을 저감할 수 있어 바람직하다.
연삭은 0.1mm 이상 행하는 것이 바람직하고, 0.3mm 이상 행하는 것이 보다 바람직하고, 0.5mm 이상이 더 바람직하고, 1mm 이상 행하는 것이 특히 바람직하다. 0.1mm 이상 연삭함으로써, 아연 등의 성분이 기화하는 것 등으로 발생하는 표면 부근의 조성 어긋난 부위를 제거할 수 있다.
수득된 스퍼터링 타겟을 배킹(backing) 플레이트에 본딩한다. 타겟의 두께는 보통 2 내지 20mm, 바람직하게는 3 내지 12mm, 특히 바람직하게는 4 내지 10mm이다. 또한, 복수의 타겟을 하나의 배킹(backing) 플레이트에 취부하여, 실질적으로 하나의 타겟으로 하여도 좋다.
본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용하여 기판 등의 대상물에 스퍼터함으로써, 본 발명의 산화물 박막을 성막할 수 있다. 본 발명의 스퍼터링 타겟을 이용함으로써, 성막 시에서의 산소 농도를 억제할 수 있고, 성막 속도 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
예컨대, 스퍼터 시에서의 산소 농도는, 보통 10 내지 100% 정도이지만, 본 발명의 경우, 1 내지 5% 정도로 할 수 있다.
본 발명의 산화물 박막은, 투명 전극, 박막 트랜지스터의 반도체층, 산화물 박막층 등에 사용할 수 있다. 그 중에서도, 박막 트랜지스터의 반도체층으로서 적합하게 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 기초로 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 초과하지 않는 한, 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1
(1) 원료의 조제
원료로서, 산화인듐(아시아물성재료사 제품, 평균 입경: 1㎛ 이하, 순도: 4N 상당), 및 산화하프늄(와코쥰야쿠공업사 제품, 평균 입경: 1㎛ 이하, 순도: 4N 상당)을 사용했다. 이들을, In 원소와 Hf 원소의 합계에 대한 In 원소의 원자비〔In/(In+Hf)〕가 0.88이 되도록 혼합했다. 혼합물을 습식 볼 밀에 공급하여, 12시간 혼합 분쇄했다.
수득된 혼합 슬러리를 취득, 여과, 건조했다. 이 건조 분말을 소성로에 장입하여, 대기 분위기 하, 1000℃에서 5시간 열처리했다.
이상에 의해, In 원소와 Hf 원소를 함유하는 혼합 분말을 수득했다.
이 혼합 분말에, 산화아연(고순도화학사 제품, 평균 입경: 1㎛ 이하, 순도: 4N 상당)을 원자비〔In/(In+Zn)〕가 0.37이 되도록 혼합했다. 혼합 분말을 습식 볼 밀에 공급하여 24시간 혼합 분쇄하여, 원료 미분말의 슬러리를 수득했다. 이 슬러리를 여과, 건조 및 과립화했다.
(2) 스퍼터링 타겟의 제조
상기 (1)에서 얻은 과립화물을 프레스 성형하고, 추가로, 2000kgf/cm2의 압력을 가하여 냉간 정수압(冷間靜水壓) 프레스로 성형했다.
성형물을 소성로에 장입하여, 대기압, 산소 가스 유입 조건에서 1400℃, 12시간의 조건으로 소성하여, 소결체를 수득했다. 한편, 실온으로부터 400℃까지는 승온 속도를 0.5℃/분으로 하고, 400 내지 1400℃까지는 1℃/분으로 했다. 한편, 강온 속도는 1℃/분으로 했다.
수득된 소결체의 측변을 다이아몬드 커터로 절단한 후, 상하면을 평면 연삭반으로 연삭하여, 직경 2인치, 두께 5mm, 표면 조도(Ra) 0.5㎛ 이하의 스퍼터링 타겟을 제작했다.
수득된 스퍼터링 타겟에 대하여, 원소 조성비, 벌크 저항값(mΩcm), 상대 밀도, X선 회절(XRD)에 있어서의 최대 피크 강도비[Ix/I( In2O3 )], 원소 X와 산소로 이루어지는 산화물의 평균 결정 입경, 색차 ΔE*, 이상 방전, 및 성막 시의 필요 산소 분압을 이하의 방법으로 평가했다.
결과를 표 1에 나타낸다.
(A) 원소 조성비(원자비)
유도 플라즈마 발광 분석장치(ICP-AES)에 의해 측정했다.
(B) 스퍼터링 타겟의 벌크 저항값
저항율계(미쓰비시화학(주)제, 로레스타)를 사용하여 사탐침법(JIS R 1637)에 근거하여, 소결체의 임의의 10개소에 대하여 벌크 저항을 측정하여, 그 평균값을 소결체의 벌크 저항값으로 했다.
(C) 상대 밀도
원료 분말의 밀도로부터 계산한 이론 밀도와 아르키메데스법으로 측정한 소결체의 밀도로부터, 하기 계산식으로써 산출했다.
상대 밀도 = (아르키메데스법으로 측정한 밀도)÷(이론 밀도)× 100(%)
(D) X선 회절 측정
하기의 장치·조건으로 측정했다.
장치: (주)리가쿠제 Ultima-III
X선: Cu-Kα선(파장 1.5406Å, 그래파이트 모노크로메이터로써 단색화)
2θ-θ 반사법, 연속 스캔(1.0°/분)
샘플링 간격: 0.02°
슬릿 DS, SS: 2/3°, RS: 0.6mm
한편, 실시예 1에서 얻은 스퍼터링 타겟의 X선 차트를 도 1에 나타낸다.
(E) 평균 결정 입경
소결체를 수지에 포매(包埋)하고, 그 표면을 입경 0.05㎛의 알루미나 입자로 연마한 후, X선 마이크로 애널라이저(EPMA)인 JXA-8621MX(일본전자사 제품)를 이용하여 연마면을 1000배로 확대하여, 소결체 표면의 100㎛×100㎛ 사방을 임의의 3개소에서 측정하여, 각각의 테두리 내에서 관찰되는 첨가 원소 X와 산소로 이루어지는 결정 입자의 최대 직경을 측정했다. 이 결정 입자의 최대 직경을 평균 결정 입경으로 했다.
(F) 색차 ΔE*
연삭 후(잘 구워진 면을 제거한 후)의 소결체 표면부 및 표면으로부터 평면 연삭반으로 2mm 연삭한 부분을, 분광 측색계 NR11A(일본전색공업사 제품)를 이용하여 측정하여, CIE 1976 공간에서 평가했다. 한편, 기준치는 다음 수학식에 따라 측정값의 평균값으로 했다.
ΔE* = √(ΔL*2+Δa*2+Δb*2)
상기 식에서, ΔL*2 = (L* 표면-L* 연삭후)2이며 Δa*2 = (a* 표면-a* 연삭후)2이며, Δb*2 = (b* 표면-b* 연삭후)2이다. L*는 명도, a*와 b*는 색도 좌표를 나타낸다. 「표면」은 잘 구워진 면을 제거한 후의 타겟 표면부, 「연삭후」는 표면으로부터 평면 연삭반으로 2mm 연삭한 부분 각각에 관한 값인 것을 의미한다.
(G) 이상 방전
스퍼터링 타겟을 DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 장착하여, O2×100/(Ar+O2) = 3%의 조건 하에서 96시간 연속하여 스퍼터링했을 때의 이상 방전의 유무를 관찰했다.
한편, DC 방전이 가능한지 여부에 대하여, 가능한 것에는 「가능」, 불가능한 것에는 「불가」라고 했다.
이상 방전이 한번도 확인되지 않은 경우를 「○」, 확인된 경우를 「×」라고 했다. 또한, DC 방전이 불가능했던 것에 관해서는 「-」라고 했다.
(H) 필요 산소 분압
제작한 스퍼터링 타겟을 DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 장착하여, 이하의 방법으로 톱 콘택트 보텀 게이트형의 TFT를 제작했다. 그리고, 채널층을 형성할 때의 산소 분압(O2/(Ar+O2))에 대하여 평가했다. 또한, DC 방전이 불가능했던 것에 관해서는 「-」라고 했다.
(1) TFT의 제작
기판은, 열산화막 부착 n형 고(高)도핑 실리콘 기판을 이용했다. 기판을 게이트 전극, 열산화막(100nm)을 게이트 절연막으로 했다.
실리콘 기판에 채널층 형성용 마스크를 장착한 후, DC 스퍼터법에 의해 스퍼터링 타겟을 사용하고, Ar 가스 및 O2 가스를 도입하여, 막 두께 50nm의 비정질막을 성막했다.
다음으로, 소스 전극 및 드레인 전극 형성용 마스크를 장착하고, RF 스퍼터법에 의해 Au를 성막하여, 소스 전극 및 드레인 전극을 형성했다.
그 후, 대기 중 300℃에서 60분간 열처리하여, 채널 길이가 200㎛이고, 채널폭이 1000㎛인 TFT를 수득했다.
(2) 필요 산소 분압의 측정
채널층 성막 시의 산소 분압(O2/(Ar+O2))을 측정하여, TFT 특성 Vth ≥ -0.5V 및 이동도(전계 효과 이동도(μ)) ≥ 5cm2/Vs가 되기 위해서 가장 적은 산소 분압을 필요 산소 분압으로 했다.
한편, TFT 특성은 반도체 파라메터 애널라이저(케이스레이-4200)를 이용하여, 실온, 차광 환경 하에서 질소를 내뿜어면서, 드레인 전압 Vds = 5V 및 게이트 전압 Vgs = -20 내지 20V의 조건에서 평가했다.
실시예 2 내지 25
원료의 조제에 있어서, 원료의 배합 및 원소 X의 산화물을 표 1 내지 표 3에 나타낸 바와 같이 변경한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 스퍼터링 타겟을 제작하여, 평가했다. 결과를 표 1 내지 표 3에 나타낸다.
한편, 사용한 원소 X의 산화물은 모두 와코쥰야쿠공업사 제품이다.
실시예 26 내지 29
산화인듐, 산화아연 및 원소 X의 산화물을 표 3에 나타내는 것과 같은 배합으로 칭량하고, 이들을 유성 볼 밀로 6시간 혼합하여, 원료 미분말의 슬러리를 수득했다. 이 슬러리를 여과, 건조 및 과립화하여 원료를 조제했다.
실시예 1과 마찬가지로 하여 스퍼터링 타겟을 제작하여, 평가했다. 결과를 표 3에 나타낸다.
비교예 1 내지 3
(1) 원료의 조제
산화인듐 및 산화아연의 배합을 표 4에 나타낸 바와 같이 하여, 이들을 혼합했다. 이 혼합물을 습식 볼 밀에 공급하여 12시간 혼합 분쇄하여, 원료 미분말의 슬러리를 수득했다. 이 슬러리를 여과, 건조 및 과립화했다.
(2) 스퍼터링 타겟의 제조
실시예 1과 마찬가지로 하여, 스퍼터링 타겟을 제작하여, 평가했다. 결과를 표 4에 나타낸다.
비교예 4 내지 8
원료의 조제에 있어서, 원료의 배합 및 원소 X의 산화물을 표 4에 나타낸 바와 같이 변경한 것 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 스퍼터링 타겟을 제작하여, 평가했다. 결과를 표 4에 나타낸다.
비교예 9
(1) 원료의 조제
원료로서, 실시예 1과 같은 산화인듐, 산화아연 및 실시예 11과 같은 산화스칸듐을 사용했다. 이들을, 원자비〔In/(In+Sc)〕가 0.60, 원자비〔Zn/(In+Zn)〕가 0.18이 되도록 혼합했다. 이 혼합물을 습식 볼 밀에 공급하여 12시간 혼합 분쇄하여, 원료 미분말의 슬러리를 수득했다. 이 슬러리를 여과, 건조 및 과립화했다.
(2) 스퍼터링 타겟의 제조
실시예 1과 마찬가지로 하여, 스퍼터링 타겟을 제작하여, 평가했다. 결과를 표 4에 나타낸다.
비교예 10 내지 18
원료의 조제에 있어서, 원료의 배합을 표 4 또는 표 5에 나타낸 바와 같이 변경한 것 외에는, 비교예 9와 같이 하여 스퍼터링 타겟을 제작하여, 평가했다. 결과를 표 4 또는 표 5에 나타낸다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2]
Figure pct00002
[표 3]
Figure pct00003
[표 4]
Figure pct00004
[표 5]
Figure pct00005
[산업상 이용가능성]
본 발명의 스퍼터링 타겟은, 산화물 반도체나 투명 도전막 등의 산화물 박막 제작, 특히 박막 트랜지스터용 산화물 박막의 형성에 적합하다. 또한, 본 발명의 산화물 박막은, 투명 전극, 박막 트랜지스터의 반도체층, 산화물 박막층 등에 사용할 수 있다.
상기에 본 발명의 실시형태 및/또는 실시예를 몇 가지 상세히 설명했지만, 당업자는, 본 발명의 신규한 교시 및 효과로부터 실질적으로 벗어남이 없이, 이들 예시의 실시형태 및/또는 실시예에 많은 변경을 가하는 것이 용이하다. 따라서, 이들의 많은 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 명세서에 기재된 문헌의 내용을 모두 여기에 원용한다.

Claims (9)

  1. 인듐 원소(In) 및 아연 원소(Zn)와,
    하기의 X군으로부터 선택되는 1 이상의 원소 X를 함유하는 산화물로 이루어지고,
    각 원소의 원자비가 다음 수학식 1 및 2를 만족하는 스퍼터링 타겟.
    X군: Mg, Si, Al, Sc, Ti, Y, Zr, Hf, Ta, La, Nd, Sm
    [수학식 1]
    0.30 ≤ In/(In+Zn) ≤ 0.90
    [수학식 2]
    0.70 ≤ In/(In+X) ≤ 0.99
    (상기 식에서, In, Zn 및 X는 각각 스퍼터링 타겟에 있어서의 각 원소의 원자비를 나타낸다.)
  2. 제 1 항에 있어서,
    스퍼터링 타겟에 포함되는 In2O3로 표시되는 빅스바이트 구조 화합물의 X선 회절(XRD)에 있어서의 최대 피크 강도(I( In2O3 ))와, 상기 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물의 최대 피크 강도(Ix)가 다음 수학식 3을 만족하는 스퍼터링 타겟.
    [수학식 3]
    Ix/I( In2O3 ) ≤ 0.15
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원소 X와 산소로 이루어지는 화합물의 평균 결정 입경이 10㎛ 이하인 스퍼터링 타겟.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퍼터링 타겟에 있어서, 잘 구워진 면을 제거한 후의 타겟 표면부와 상기 표면부로부터 평면 연삭반으로 2mm 연삭한 부분의 CIE 1976 공간에서 측정되는 L*a*b* 색차(ΔE*)가 3.0 이하인 스퍼터링 타겟.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    비저항이 30mΩcm 이하, 상대 밀도가 90% 이상인 스퍼터링 타겟.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원소 X가 Zr인 스퍼터링 타겟.
  7. 산화인듐 분말과 원소 X의 산화물을 혼합, 분쇄하는 공정 A,
    상기 공정 A에서 얻은 혼합 분말을 700 내지 1200℃의 온도로 열처리하는 공정 B, 및
    상기 공정 B에서 얻은 열처리 분말에 산화아연 분말을 가하여 혼합 분쇄하는 공정 C
    를 포함하는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 스퍼터링 타겟의 제조방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 스퍼터링 타겟을 이용하여 제작된 산화물 박막.
  9. 제 8 항에 기재된 산화물 박막을 이용한 박막 트랜지스터.
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