TW201536936A - 氧化物燒結體及由該氧化物燒結體構成之濺鍍靶 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)、氧(O)及不可避免之雜質構成的氧化物燒結體，其特徵為：具備由以In、Ga及Zn之原子比計In：Ga：Zn為1：1：1構成之IGZO(111)相與較IGZO(111)相含有更多Zn的IGZO相，其中，較IGZO(111)相含有更多之Zn的IGZO相之面積比率計，為1~10%，該氧化物燒結體之In、Ga及Zn的原子數比由In：Ga：Zn=1：1：(1.02~1.10)構成。本發明之課題為提供一種IGZO燒結體，該IGZO燒結體可減少為了獲得具有期望之載體濃度的膜所必需之濺鍍時的氧濃度。

Description

氧化物燒結體及由該氧化物燒結體構成之濺鍍靶
本發明係關於一種由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)、氧(O)及不可避免之雜質構成之氧化物(一般被稱作「IGZO」)。視需要使用此「IGZO」進行說明)，尤其有關於一種IGZO燒結體及由該燒結體構成之濺鍍靶。
以往，於FPD(平面顯示器)，其底板之TFT(薄膜電晶體)一直使用α-Si(非晶矽)。然而，α-Si無法獲得充足之電子遷移率，近年來正在進行使用電子遷移率較α-Si高之In-Ga-Zn-O系氧化物(IGZO)的TFT之研究開發。而且，使用IGZO-TFT之次世代高性能平面顯示器被部分實用化而獲得注意。
IGZO膜主要係對由IGZO燒結體製作之靶進行濺鍍而形成。作為IGZO濺鍍靶，例如於專利文獻1中揭示了可藉由生成含有In、Ga及Zn而In的含量較周圍多之組織，而即使不進行於高溫之還原處理，亦可製作比電阻低之靶。又，於專利文獻2中，揭示有藉由含有特定比例之In、Ga、Zn，共存有二種以上之同質結晶，而可使濺鍍穩定，減少顆粒(particle)之產生。
因此，將此種IGZO膜用作TFT膜之活性層之情形時，膜中的氧缺乏之量係對膜之電特性造成影響的要因之一。為了控制此氧缺乏量，在濺鍍成膜時於除了氬氣等非活性氣體外，一般還會導入氧氣。氧之 濺鍍效率較氬氣低，於濺鍍時若導入氧氣則被濺鍍之原子之量會減少，成膜速率降低。於IGZO膜之濺鍍成膜中，為了控制膜之載體濃度為期望之值，而必須導入大量之氧，因此有成膜速率降低而使得生產性降低之問題。
[專利文獻1]日本特開2011-105995號公報
[專利文獻2]日本專利第5288141號
本發明之課題為提供一種IGZO氧化物燒結體，可減低為了獲得具有期望之載體濃度的膜所必需之濺鍍時的氧濃度。由該燒結體構成之濺鍍靶可提高濺鍍速率，可顯著提升生產性。
為了解決上述課題，本發明人等努力研究，結果得知藉由在IGZO燒結體中增加Zn(鋅)的含量，可降低膜之載體濃度，其結果可減低濺鍍時之氧濃度。本發明人等基於以上見解，提供以下發明。
1)一種氧化物燒結體，係由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)、氧(O)及不可避免之雜質構成，其特徵在於：具備由以In、Ga及Zn之原子比計In：Ga：Zn為1：1：1構成之IGZO(111)相與較IGZO(111)相含有更多Zn的IGZO相，其中，較IGZO(111)相含有更多Zn的IGZO相以面積比率計，為1~10%，該氧化物燒結體之In、Ga及Zn的原子數比由In：Ga：Zn=1：1：(1.02~1.10)構成。
2)如上述1)之氧化物燒結體，其平均粒徑為20μm以下。
3)如上述1)或2)任一項之氧化物燒結體，其體電阻為30mΩcm以下。
4)如上述1)至3)中任一項之氧化物燒結體，其燒結體密度為6.3g/cm3以上。
5)一種濺鍍靶，由上述1)至4)中任一項之氧化物燒結體製作。
本發明藉由在由(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)、氧(O)及不可避免之雜質構成之IGZO系氧化燒結體中具備含有大量Zn之IGZO相，而可減低為了形成具有期望之載體濃度的薄膜所必需之濺鍍時的氧濃度，因此具有可提升濺鍍速率之優異效果。
[圖1]係表示實施例1之氧化物燒結體由EPMA獲得之組織影像的圖。
[圖2]係表示實施例2之氧化物燒結體由EPMA獲得之組織影像的圖。
[圖3]係表示實施例3之氧化物燒結體由EPMA獲得之組織影像的圖。
[圖4]係表示比較例之氧化物燒結體由EPMA獲得之組織影像的圖。
[圖5]係表示成膜環境中之氧濃度與成膜速率之關係的圖。
[圖6]係表示成膜環境中之氧濃度與薄膜之載體濃度之關係的圖。
本發明之氧化燒結體的特徵在於：由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)、氧(O)及不可避免之雜質構成，具備由以In、Ga及Zn之原子比計In：Ga：Zn為1：1：1構成之IGZO(111)相與較IGZO(111)相含有更多Zn的IGZO相，較IGZO(111)相含有更多Zn的IGZO相以面積比率計，為1~10%。藉由具備較IGZO(111)相含有更多Zn的IGZO相(富含Zn之IGZO相)，可減低為了獲得具有期望之載體濃度的膜所必需之濺鍍時的氧濃度，因此可提升濺鍍速率(成膜速率)。
若使用含有大量Zn之存在IGZO相之IGZO燒結體進行濺鍍 成膜，則機制雖不清楚，但膜之載體濃度會降低。藉由使用此種靶，可將為了獲得期望之載體濃度而導入的氧氣濃度較以往降得更低，因此可抑制起因於氧濃度之濺鍍速率之減低。再者，本發明之氧化物燒結體在將氧氣濃度設為與以往相同之情形時，具有可降低載體濃度之效果，更不用說濺鍍速率之降低不會成為本發明之要件。
較IGZO(111)相含有更多Zn之IGZO相(富含Zn之IGZO相)，較佳於燒結體中以面積比率計，為1~10%。若富含Zn之IGZO相的面積比率未達1%，則降低膜之載體濃度的效果不充分，另一方面，若富含Zn之IGZO相的面積比率超過10%，則濺鍍成膜之膜的載體濃度增加。
又，於本發明中，氧化物燒結體之In、Ga及Zn之原子比，較佳為In：Ga：Zn=1：1：(1.02~1.10)。藉此，可有效率地產生富含Zn之相，可使膜之載體濃度降低。若Zn之原子比未達1.02，則降低膜之載體濃度的效果變小。另一方面，若Zn之原子比超過1.10，則相較於氧化物燒結體為IGZO(111)相單相之情形，膜之載體濃度雖低，但載體濃度轉為增加傾向。因此，IGZO燒結體之In、Ga、Zn的原子比，較佳為上述數值範圍。
本發明之氧化物燒結體之平均粒徑較佳為20μm以下。藉由將平均粒徑減小，可提高機械強度。若平均粒徑超過20μm，則機械強度降低，於在濺鍍時投入過多電力的情形時，有可能會因濺鍍靶與接合該靶之背板的熱膨脹差所產生之應力，使得燒結體發生破裂。
又，本發明之氧化物燒結體之體電阻較佳為30mΩcm以下。若體電阻低，則於濺鍍中發生異常放電之可能性變低，可抑制產生對成膜中之膜造成不良影響的顆粒。另一方面，若體電阻超過30mΩcm，則 即便是可進行直流濺鍍之情形，於長時間之濺鍍中有時會發生異常放電、根據狀況，有時於DC不發生放電，而必須使用裝置成本高且成膜速率亦降低的射頻濺鍍。
又，本發明之氧化物燒結體之燒結體密度較佳為6.2g/cm3以上。於將本發明之氧化物燒結體作為濺鍍靶使用之情形時，燒結體之高密度化具有提高濺鍍膜之均勻性，又，可在濺鍍時顯著減低顆粒之產生的優異效果。
若表示本發明之氧化物燒結體的製造步驟之代表例，則為如下。
準備氧化銦(In2O3)、氧化鎵(Ga2O3)及氧化鋅(ZnO)作為原料。為了避免雜質對電特性造成不良影響，較佳使用純度為4N以上之原料。將各原料秤量成特定之組成比。再者，於該等之原料含有無法避免之雜質。
接下來，以氧化物燒結體成為特定組成比之方式添加、混合各原料。若此時混合不充分，則靶中之各成分會發生偏析，成為於濺鍍中電弧等之異常放電的原因，或成為顆粒產生之原因，因此較佳充分進行混合。進而，藉由將混合粉進行微粉碎、造粒，使混合粉之成形性及燒結性提升，可獲得高密度之燒結體。作為混合、粉碎之手段，例如可使用市售之混合器或球磨機、珠磨機等，作為造粒之手段，例如可使用市售之噴霧乾燥器。
繼而，將混合粉末填充於金屬模具，以面壓力400~1000kgf/cm2，維持1~3分之條件進行單軸加壓，獲得成形體。若未達面壓力400kgf/cm2則無法獲得充分之密度的成形體。又，即使施加過度之面壓力，成 形體之密度亦難以提升至某一定之值以上，及於單軸加壓原理性地在成形體內容易產生密度分布，成為燒結時之變形或破裂的原因，因此1000kgf/cm2以上之面壓力，在生產上並不被認為特別需要。
接著，以塑膠對此成形體進行雙重真空包裝，以壓力1500~4000kgf/cm2，維持1~3分之條件實施CIP(冷均壓法)。若未達壓力1500kgf/cm2，則無法獲得充分之CIP的效果，另一方面即使施加4000kgf/cm2以上之壓力，成形體之密度亦難以提升至某一定之值以上，因此4000kgf/cm2以上之面壓，在生產上並不被認為特別需要。
繼而，對成形體以溫度1300~1500℃、維持時間5~24小時、大氣環境或氧環境下進行燒結，獲得燒結體。若燒結溫度低於1300℃則無法獲得充分之密度的燒結體，若燒結溫度在1500℃以上，則燒結體中之結晶粒的尺寸變得過大，而有使得燒結體的機械強度降低之虞。又若維持時間未達5小時則無法獲得充分之密度的燒結體，若維持時間超過24小時，則由生產成本之觀點而言，並不佳。
又，於成形、燒結工程中，除了上述方法以外，亦可使用HP(熱壓法)或HIP(熱均壓法)。以上述方法獲得之燒結體，可藉由研削、研磨等機械加工形成靶形狀，藉此製成濺鍍靶。
當製作本發明之氧化物燒結體時，對以上述方式獲得之濺鍍靶以特定之條件實施濺鍍而成膜，視需要以特定溫度將此膜退火，可藉此獲得氧化物半導體膜。又，當製作本發明之薄膜電晶體時，將上述氧化物半導體膜使用作為如圖1所示之閘電極，可藉此獲得薄膜電晶體。
[實施例]
以下基於實施例以及比較例進行說明。再者，本實施例僅為一例，本發明並未受本例之任何限制。即，本發明係僅受申請專利範圍之限制，並包含本發明所含之實施例以外的各種變形。
(實施例1)
以燒結體之組成比以In、Ga及Zn的原子比計成為1.00：1.00：1.02之方式，秤量In2O3粉、Ga2O3粉、ZnO粉之後，將該等粉末以濕式進行混合、微粉碎，之後，以噴霧乾燥器進行乾燥、造粒，獲得混合粉末。接著，將此混合粉末以面壓力400~1000kgf/cm2進行單軸加壓而獲得成形體。繼而，將所獲得之成形體以塑膠進行雙重真空包裝，以1500~4000kgf/cm2進行CIP成形後，在氧環境中以溫度1430℃燒結20小時。
將以此方式獲得之IGZO燒結體由EPMA獲得之組織照片表示於圖1(圖中，白色部分相當於富含Zn之IGZO相)。自EPMA的組織照片確認實施例1之燒結體係由IGZO(111)相與富含Zn之IGZO相構成。又，自組織照片求出富含Zn之IGZO相的面積，由其與組織照片整體之面積的比率算出富含Zn之IGZO相的面積比率。其結果，富含Zn之IGZO相之面積比率為1.7%。
又，燒結體之平均粒徑為19.7μm，燒結體密度高達6.3g/cm3。進而，體電阻低至30.0mΩcm。將以上結果示於表1。再者，藉由弦線法(chord method)算出平均粒徑，藉由阿基米德法求出燒結體密度，藉由四探針法算出體電阻。
繼而，將燒結體機械加工，精加工成6吋之濺鍍靶，使用此靶進行濺鍍。濺鍍條件如下：成膜方法：直流磁控濺鍍；成膜溫度：室溫； 成膜壓力：0.5Pa(O2+Ar)；輸入功率：2.74W/cm2，將成膜時之氧濃度改為2vol%、6vol%、10vol%，形成各厚度約4000Å之膜。
自表面形貌儀所得到之膜厚測定值與成膜時間算出各氧濃度的成膜速率。將其結果表示於表1及圖4。如表1所示，確認到與下述之比較例相比，成膜速率有些許提升。
又，針對各自之膜，於大氣中以400℃進行退火1小時，測量霍爾效應，藉此測量載體濃度與霍爾遷移率。將其結果表示於表1與圖6。如表1所示，確認到與下述之比較例相比，各氧濃度之載體濃度均降低。再者，於霍爾效應之測量，係使用東陽特克尼卡股份有限公司製造之ResiTest8400。
(實施例2)
以燒結體之組成比以In、Ga及Zn的原子比計成為1.00：1.00：1.05之方式秤量In2O3粉、Ga2O3粉、ZnO粉之後，將該等粉末以濕式進行混合、微粉碎，之後，以噴霧乾燥器進行乾燥、造粒，獲得混合粉末。接著，將此混合粉末以以面壓力400~1000kgf/cm2進行單軸加壓而獲得成形體。繼而，將所獲得之成形體以塑膠進行雙重真空包裝，以1500~4000kgf/cm2進行CIP成形後，在氧環境中以溫度1430℃燒結20小時。
將以此方式獲得之IGZO燒結體由EPMA獲得之將組織照片表示於圖2(圖中，白色部分相當於富含Zn之IGZO相)。自EPMA的組織照片確認實施例2之燒結體係由IGZO(111)相與富含Zn之IGZO相構成。又，以與實施例1相同之方式算出富含Zn之IGZO相的面積之結果，富含Zn之IGZO相之面積比率為5.2%。
又，燒結體之平均粒徑為14.9μm，燒結體密度高達6.3g/cm3。進而，體電阻低至23.0mΩcm。將以上結果示於表1。再者，於平均粒徑、燒結體密度、體電阻之測量，使用與實施例1相同之方法。
繼而，將燒結體機械加工，精加工成6吋之濺鍍靶，使用此靶進行濺鍍。濺鍍條件設為與實施例1相同。然後，自表面形貌儀所得到之膜厚測定值與成膜時間算出各氧濃度的成膜速率。將其結果表示於表1及圖5。如表1所示，確認到與下述之比較例相比，成膜速率提升。
接著，針對各自之膜，於大氣中以400℃進行退火1小時，測量霍爾效應，藉此測量載體濃度與霍爾遷移率。將其結果表示於表1與圖6。如表1所示，確認到與下述之比較例相比，各氧濃度之載體濃度均降低。
(實施例3)
以燒結體之組成比以In、Ga及Zn的原子比計成為1.00：1.00：1.10之方式秤量In2O3粉、Ga2O3粉、ZnO粉之後，將該等粉末以濕式進行混合、微粉碎，之後，以噴霧乾燥器進行乾燥、造粒，獲得混合粉末。接著，將此混合粉末以以面壓力400~1000kgf/cm2進行單軸加壓而獲得成形體。繼而，將所獲得之成形體以塑膠進行雙重真空包裝，以1500~4000kgf/cm2進行CIP成形後，在氧環境中以溫度1430℃燒結20小時。
將以如此方式獲得之IGZO燒結體由EPMA獲得之將組織照片表示於圖3(圖中，白色部分相當於富含Zn之IGZO相)。自EPMA的組織照片確認實施例3之燒結體係由IGZO(111)相與富含Zn之IGZO相構成。又，以與實施例1相同之方式算出富含Zn之IGZO相的面積之結果，富含Zn之IGZO相之面積比率為9.8%。
又，燒結體之平均粒徑為8.9μm，燒結體密度高達6.3g/cm3。進而，體電阻低至21.0mΩcm。將以上結果示於表1。再者，於平均粒徑、燒結體密度、體電阻之測量，使用與實施例1相同之方法。
繼而，將燒結體機械加工，精加工成6吋之濺鍍靶，使用此靶進行濺鍍。濺鍍條件設為與實施例1相同。然後，自表面形貌儀所得到之膜厚測定值與成膜時間算出各氧濃度的成膜速率。將其結果表示於表1及圖5。如表1所示，確認到與下述之比較例相比，成膜速率提升。
接著，針對各自之膜，於大氣中以400℃進行退火1小時，測量霍爾效應，藉此測量載體濃度與霍爾遷移率。將其結果表示於表1與圖6。如表1所示，確認到與下述之比較例相比，各氧濃度之載體濃度均降低。
(比較例)
以燒結體之組成比以In、Ga及Zn的原子比計成為1.00：1.00：1.00之方式秤量In2O3粉、Ga2O3粉、ZnO粉之後，將該等粉末以濕式進行混合、微粉碎，之後，以噴霧乾燥器進行乾燥、造粒，獲得混合粉末。接著，將此混合粉末以以面壓400~1000kgf/cm2進行單軸加壓而獲得成形體。繼而，將所獲得之成形體以塑膠袋真空包裝成2重，以1500~4000kgf/cm2進行CIP成形後，在氧環境中以溫度1430℃燒結20小時。
藉由如此獲得之IGZO燒結體的EPMA將組織照片表示於圖4(圖中，白色部分相當於富含Zn之IGZO相)。自EPMA的組織照片確認比較例之燒結體僅由IGZO(111)相構成。
又，獲得燒結體之平均粒徑為24.6μm，燒結體密度為6.3g/cm3之高密度物。進而，獲得體電阻為37.3mΩcm之低電阻物。將以上結果示於表1。再者，於平均粒徑、燒結體密度、體電阻之測量，使用與實施例1相同之方法。
繼而，將燒結體機械加工，精加工成6吋之濺鍍靶，使用此靶進行濺鍍。濺鍍條件設為與實施例1相同。然後，自表面形貌儀所得到膜厚測定值與成膜時間算出各氧濃度的成膜速率。將其結果表示於表1及圖5。如表1所示，與實施例相比，結果成膜速率變低。接著，針對各自之膜，於大氣中以400℃進行退火1小時，測量霍爾效應，藉此測量載體濃度與霍爾遷移率。將其結果表示於表1與圖6。如表1所示，確認與實施例相比，載體濃度結果變高。
自以上結果，可確認實施例之Zn組成1.02、1.05、1.10之任 一者與比較例之Zn組成相比，載體濃度降低。得知於比較例中，將氧濃度設為10%以上對載體濃度降至一定程度以下(例如1e+15cm-3以下)係為必要，但實施例1~3中，2%便充分。進而，即便於以相同氧濃度進行成膜之情形時，實施例之成膜速率較比較例稍高，因此不必為了獲得預期之載體濃度(於一般之TFT膜之載體濃度為自1e+15cm-3以下)而增加氧，可維持高成膜速率。
【產業上之可利用性】
本發明之氧化物燒結體可作為濺鍍靶，於使用此濺鍍靶進行濺鍍成膜之情形時，可減少濺鍍環境中之氧濃度，故可提升濺鍍速率(成膜速率)。因此，藉著如此般使用濺鍍靶，而具有可將氧化物半導體膜及薄膜電晶體穩定地進行量產之優異效果。本發明之氧化物半導體膜尤其可作為平板顯示或可撓性面板顯示(flexible panel display)等底板之TFT的活性層而發揮作用。

Claims (5)

  1. 一種氧化物燒結體，係由銦(In)、鎵(Ga)、鋅(Zn)、氧(O)及不可避免之雜質構成，其特徵在於：具備由以In、Ga及Zn之原子比計In：Ga：Zn為1：1：1構成之IGZO(111)相與較IGZO(111)相含有更多Zn的IGZO相，其中，較IGZO(111)相含有更多Zn的IGZO相以面積比率計，為1~10%，該氧化物燒結體之In、Ga及Zn的原子數比由In：Ga：Zn=1：1：(1.02~1.10)構成。
  2. 如申請專利範圍第1項之氧化物燒結體，其平均粒徑為20μm以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之氧化物燒結體，其體電阻為30mΩcm以下。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之氧化物燒結體，其燒結體密度為6.3g/cm3以上。
  5. 一種濺鍍靶，由申請專利範圍第1至4項中任一項之氧化物燒結體製作。
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