酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット、その製造方法、および酸化インジウム亜鉛系薄膜
【課題】酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット、その製造方法、および酸化インジウム亜鉛系薄膜を提供する。
【解決手段】酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、（ＭＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有し、ｘ：ｙは１：０．０１〜１：１であり、ｙ：ｚは１：０．１〜１：１０であり、Ｍは、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタニウム（Ｔｉ）からなる群から選択された１つ以上の金属である。
【解決手段】酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、（ＭＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有し、ｘ：ｙは１：０．０１〜１：１であり、ｙ：ｚは１：０．１〜１：１０であり、Ｍは、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタニウム（Ｔｉ）からなる群から選択された１つ以上の金属である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリングターゲットの製造、およびそのスパッタリングターゲットを用いた薄膜の製造に関し、より詳細には、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット、その製造方法、およびその酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを用いて蒸着された酸化インジウム亜鉛系薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、微細かつ薄い膜の形状で生成された小型増幅管であり、ゲート（ｇａｔｅ）、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）、およびドレイン（ｄｒａｉｎ）を備える三端子素子である。従来は、薄膜トランジスタのチャンネル層として多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）シリコン膜または非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）シリコン膜を主に用いていた。しかしながら、多結晶シリコン膜の場合は、多結晶粒子界面で起こる電子の散乱により、電子移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）が制限されることがある。これに対し、非晶質シリコン膜の場合は、電子移動度が極めて低く、時間による素子の劣化が発生し、素子の信頼性が極めて低くなることがある。このような問題点を解決するために、最近では、多結晶シリコン膜または非晶質シリコン膜の代りに酸化物薄膜、例えば酸化亜鉛系薄膜でＴＦＴチャンネル層を形成しようとする研究がなされている。
【０００３】
酸化物薄膜を形成する方法としては、多結晶焼結体をターゲットとするスパッタリング法（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、パルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、電子ビーム蒸着法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などがある。このうち、スパッタリング法は量産適用が容易であるため、スパッタリングを用いて薄膜を蒸着することができるターゲットを製造する方法についての研究が進められている。
【０００４】
スパッタリング法には、アルゴンプラズマの発生方法によって高周波（ＲＦ）プラズマを用いるＲＦスパッタリング法と、直流（ＤＣ）プラズマを用いるＤＣスパッタリング法とがある。このうち、ＤＣスパッタリング法は、成膜速度が早くて操作が簡単であることから、産業用として主に用いられている。ところが、酸化亜鉛系薄膜を蒸着するための酸化亜鉛系スパッタリングターゲットの場合は、ドーピングされる物質の種類および含量に応じて酸化亜鉛系スパッタリングターゲットの抵抗が極めて高く、ＤＣスパッタリングが不可能になる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたものであって、抵抗が低い酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、低温で非晶質あるいはナノ結晶質薄膜を成膜することができる酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを提供することを他の目的とする。
【０００７】
また、本発明は、電子移動度および薄膜平坦度の優れた酸化インジウム亜鉛系薄膜を提供することを他の目的とする。
【０００８】
さらに、本発明は、抵抗が低くて焼結密度が高い酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法を提供することをさらに他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、（ＭＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有し、ｘ：ｙは１：０．０１〜１：１であり、ｙ：ｚは１：０．１〜１：１０であり、前記Ｍは、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタニウム（Ｔｉ）からなる群から選択された１つ以上の金属である。
【００１０】
本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜は、上述した範囲の組成を有する酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを用いてＤＣスパッタリング法で蒸着され、電子移動度が１〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓを示す。
【００１１】
本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法は、酸化インジウム粉末および酸化亜鉛粉末が添加されたスラリに酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された１種以上の酸化物粉末を添加してスラリ混合物を準備するステップと、前記スラリ混合物に分散剤を添加して湿式ミリングする分散ステップと、前記分散したスラリ混合物を乾燥して顆粒粉末を形成する顆粒化ステップと、前記顆粒粉末を成形して成形体を製造する成形ステップと、前記成形体を焼結する焼結ステップとを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一側面によれば、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、ターゲットの電気抵抗が低くてＤＣスパッタリングが可能であり、焼結密度が高くて焼結体内部に存在する微細気孔によるプラズマ異常放電の発生を抑制することができる。また、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット内に存在する二次相凝集体のサイズが小さくて酸化インジウム亜鉛系薄膜の組成が均一になるように酸化インジウム亜鉛系薄膜を成膜することができ、異常放電およびノジュールの発生を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜は、優れた電子移動度および薄膜平坦度を示し、素子の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
さらに、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法によれば、ターゲット内に含まれた構成成分の組成分布が均一になるようにターゲットを製造することができる。これにより、このようなターゲットを用いて成膜された薄膜の組成均質性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例２に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜の可視光領域における光透過率グラフである。
【図２】本発明の実施例２に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜の表面粗度を原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット、その酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを用いて蒸着された酸化インジウム亜鉛系薄膜、およびその酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法についてより詳しく説明する。
【００１７】
本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、酸化インジウム、酸化亜鉛を基本として含み、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウムのうちから選択された１つ以上の酸化物を追加的に含む。すなわち、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、（ＭＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有し、Ｍは、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタニウム（Ｔｉ）からなる群から選択された１つ以上の金属である。言い換えれば、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、（ＨｆＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚ、または（ＺｒＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚ、または（ＴｉＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有することができる。
【００１８】
ここで、ｘ：ｙは１：０．０１〜１：１、ｙ：ｚは１：０．１〜１：１０であり、より好ましくは、ｘ：ｙが１：０．０１〜１：０．５、ｙ：ｚが１：０．２〜１：５である。このようなｘ：ｙの比率は、酸化インジウム亜鉛系薄膜が最適な電子移動度を示すと同時に半導体特性を際立たせる条件、およびＤＣスパッタリングが可能な条件に応じて決定される。ｘ：ｙが１：０．０１〜１：１の比率を外れる場合には、薄膜自体が不導体特性を帯びるだけでなくターゲット抵抗が高くなり、ＤＣスパッタリングが困難になることがある。ｙ：ｚの比率は、非晶質あるいはナノ結晶質特性を示す薄膜を得る条件に応じて決定される。ｙ：ｚが１：０．１〜１：１０の比率を外れる場合には、薄膜の結晶質特性が強まり、多結晶シリコンで発生する問題点が同じように発生する恐れがある。ｚの比率は、原料の価格を考慮する場合、大きいほど好ましい。しかしながら、ｚの比率が一定の値を超えれば、ターゲットにおいて酸化亜鉛の性向が強まって薄膜が多結晶化し、非晶質薄膜を形成し難くなることがある。これにより、薄膜が半導体的である特性よりは、透明電極に近い物性を示すことができる。このように、本発明の一側面によれば、Ｈｆ：Ｉｎ：ＺｎあるいはＺｒ：Ｉｎ：ＺｎあるいはＴｉ：Ｉｎ：Ｚｎの比率を調節し、電気抵抗が１００ｍΩ以下であるだけでなくＤＣスパッタリングが可能な酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを製造することができる。
【００１９】
Ｍの含量が本発明の一側面に係る組成比を外れて過多に添加される場合、Ｍは酸化インジウム亜鉛に固溶されずに不純物凝集体として残り、ターゲットの局部的な高抵抗を引き起こすことがある。これにより、酸化インジウム亜鉛系薄膜特性が低下することがあり、薄膜が不導体に変わる恐れがある。同時に、これによってＤＣスパッタリングが不可能になることもあり、またはスパッタリング時に異常放電（アーキング）を起こすこともあり、薄膜が酸化物半導体としての役割を果たせなくなる恐れもある。これに反し、Ｍの含量が本発明の一側面に係る組成比を外れて不足して添加される場合は、非晶質あるいはナノ結晶質特性が現われない恐れもある。
【００２０】
酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造時、酸化亜鉛に酸化インジウムが添加され、追加的に酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの酸化物がターゲット内に添加されるようになる。このために、酸化亜鉛格子内で酸素空孔（ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙ）や電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）などの電荷キャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）が生成されてターゲットに電気が流れるようになる。
【００２１】
酸化亜鉛は、広いバンドギャップを有した物質であり、それ自体が非導電性を示す物質であるため、上述したような酸化物がドーピング元素として添加されることによって電気が流れるようになる。このとき、ドーピング元素の種類および含量に応じてドーピング元素が不純物凝集体をなし、問題が発生することがある。しかしながら、本発明の一側面に係る組成を有する酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットでは、酸化亜鉛にそれぞれのドーピング物質の置換固溶が良好になされるようになり、一部固溶がなされない不純物凝集体、すなわちインジウム二次相、ハフニウム二次相、ジルコニウム二次相、およびチタニウム二次相のサイズが小さい。このため、スパッタリング時に電気抵抗が高い不純物凝集体による異常放電（アーキング）およびノジュールの発生が抑制されるようになる。
【００２２】
ＤＣスパッタリングを可能にするためには、ターゲットのバルク抵抗が数十Ω以下の値である必要がある。もし、スパッタリング時にターゲットに電気が流れない場合は、薄膜蒸着のためにＲＦスパッタリングを行わなければならないが、これは工程費用が高く、効率性面においてＤＣスパッタリングに比べて不利である。しかしながら、本発明の一側面によれば、酸化亜鉛にｉ）酸化インジウム、およびｉｉ）酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの酸化物を所定の組成比で添加することにより、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの抵抗を低くすることができる。また、添加された酸化物の二次相のサイズが１μｍよりも小さくなることでターゲットの抵抗を低くすることができるだけでなく、スパッタリング時のアーキングおよびノジュールの発生を抑制してターゲット製造工程の効率を高めることができる。同時に、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットが本発明の一側面に係る組成比を満たす場合には、電子移動度の優れた非晶質の透明半導体薄膜がＤＣスパッタリングで形成されるようになる。
【００２３】
以下、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを製造する方法について説明する。
【００２４】
まず、酸化インジウム粉末および酸化亜鉛粉末が添加されたスラリに酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された１種以上の酸化物粉末を添加してスラリ混合物を準備するステップを実行する。次に、このスラリ混合物に分散剤を添加して湿式ミリングする分散ステップ、分散したスラリ混合物を乾燥して顆粒粉末を形成する顆粒化ステップ、顆粒粉末を成形して成形体を製造する成形ステップ、および成形体を焼結する焼結ステップを実行する。以下、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを製造する方法についてより具体的に説明する。
【００２５】
スラリ混合物を準備するステップにおいて、例えば、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムのうちの少なくとも１つの酸化物粉末に分散剤および水を混合して湿式ミリングするステップ、酸化インジウム粉末、分散剤、および水を混合して湿式ミリングするステップ、酸化亜鉛粉末、分散剤、および水を混合して湿式ミリングするステップをそれぞれ個別に実行した後、ミリングされた各粉末を混合することができる。ここで、湿式ミリングは、各構成粒子を粉砕させる機能を担うと同時に、各構成粒子が粉砕された状態で均質な状態になるように分散させる役割を果たす。このような分散のために、分散剤を用いることができる。このとき用いられる分散剤としては、ポリカルボン酸塩類を一般的に用いることができるが、より具体的には、ポリカルボン酸アンモニウム塩またはポリアクリル酸アンモニウム塩を用いることができる。このような分剤は、単独で、または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００２６】
一方、本発明は、スラリ混合物を準備するステップにおいて、上述した例によって限定されることはない。一例として、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ハフニウムなどの酸化物粉末をスラリで混合した後にミリング過程を実行することができるが、好ましくは、それぞれの酸化物粉末を個別にミリングしてそれぞれの酸化物粉末の平均直径を調節することができる。
【００２７】
上述したように、原料の直径を個別に制御して混合させる工程を用いる場合には、分散剤の種類および添加量をそれぞれの構成粒子の表面特性に適合するように最適化して用いることができる。例えば、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、または酸化チタニウムの分散には酸化物粉末に対し０．８〜２．０重量％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量約２０００）を用い、酸化インジウムの分散には酸化インジウム粉末に対し０．５〜１．５重量％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量約５０００）を用い、酸化亜鉛の分散には酸化亜鉛粉末に対し０．１〜０．５重量％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量約３０００）を用いることができる。
【００２８】
このように添加される分散剤の種類、分子量、配合量などを酸化物粉末の種類に応じて調整して、粉末の直径を調節することができる。しかしながら、分散ステップ前に酸化インジウム、酸化亜鉛粉末に酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、または酸化チタニウム粉末を混合してスラリ混合物を準備した場合には、全体の酸化物粉末に対し約０．５重量％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量約３０００〜２００００）を水に添加することができる。
【００２９】
スラリ混合物として混合する前に酸化亜鉛粉末、酸化インジウム粉末、およびドーパントとして添加される酸化物粉末は、それぞれミリング過程を経ることによって平均直径が小さい粉末状態で互いに混合することができる。これにより、酸化亜鉛格子内の格子間位置（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｓｉｔｅ）または置換位置（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌ ｓｉｔｅ）に添加された成分がドーピングされる固溶効果を増加することもでき、ターゲット内でインジウム粉末、ハフニウム粉末、ジルコニウム粉末、およびチタニウム粉末がそれぞれ局部的に固まった不純物（またはドーパント）凝集体のサイズも小さく現れ、１μｍ以上である二次相の比率が５％以下で示されるようになる。
【００３０】
一方、原料物質として用いられる酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムの平均直径が調節された後、顆粒粉末状態で酸化物粉末が極めて均一に混合される必要がある。この場合、酸化物粉末の平均直径は、１μｍよりも小さいことが好ましい。そうではない場合には、原料の均一な混合のために工程費用が追加されることがあり、スパッタリングターゲット内部に特定元素の局部的な濃縮化が発生し、成膜後に薄膜の組成の均質性を得難くなることがある。これはすなわち、薄膜物性の低下と信頼性の低下を招来することになる。
【００３１】
したがって、湿式ミリングを用いてスラリ混合物を均一に分散させる分散ステップを実行する。このときの湿式ミリングは、各構成粒子を粉砕させる機能を担うと同時に、３種類以上の酸化物粒子が粉砕された状態から均質な状態になるように分散させる役割を果たす。これにより、上述した分散剤が添加される。分散ステップのときには、湿式ミリングによって得られたスラリの粘度が１００ｃｐｓ以下になるようにすることが好ましい。粘度が１００ｃｐｓよりも高い場合には、スラリ内の粒子サイズが大きくて分散性が低下し、焼結後の焼結体の密度低下の原因となる。
【００３２】
分散ステップを経て混合されたスラリが完成すれば、ここにポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ：ＰＥＧ）のような結合剤を添加することができる。このような結合剤は、スパッタリングターゲットを製造するための成形体の製造時に、成形体の強度と焼結密度を向上させることができる。結合剤は、単独で、または２種以上を組み合わせて用いることができる。本発明において、結合剤の種類および添加量は、特定の事項に限定されることはない。すなわち、成形強度を維持させることができる結合剤であれば、すべて応用が可能である。結合剤の添加量は、スラリ内で粉末に対し０．０１〜５重量％、好ましくは０．５〜３重量％とすることができる。
【００３３】
分散剤、結合剤などのような有機溶媒を過量で用いる場合は、以後に製造される焼結体の密度を低下させる恐れがあるため、上述した含量内で用いることが好ましい。
【００３４】
次に、結合剤が添加されたスラリ混合物を噴霧乾燥によって顆粒粉末に製造する。噴霧乾燥技術は、既に公知の技術を用いることができ、その使用方法を特定のものとして本発明を限定することはない。しかしながら、顆粒化された顆粒粉末は、国際標準規格であるＡＳＴＭ標準手順に基づいて規定された見掛け密度（ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）を１．３以上とすることができる。顆粒粉末の見掛け密度が１．３よりも小さい場合には、焼結体の焼結密度が低下し、これはすなわちターゲットのスパッタリングにおいて異常放電の原因となり得るためである。
【００３５】
次に、噴霧乾燥した顆粒粉末を一般的な冷却プレス（ｃｏｌｄ ｐｒｅｓｓ）法によって１次成形し、冷間等方圧成形によって２次成形する。このとき、冷却プレスの成形圧力は、３００〜７００ｋｇ／ｃｍ２であることが好ましい。成形圧力が３００ｋｇ／ｃｍ２よりも小さかったり７００ｋｇ／ｃｍ２よりも大きかったりする場合は、冷間等方圧プレスと焼結工程を経る間に、横方向収縮と軸方向収縮程度において大きな差を発生することがあり、これによって成形体や焼結体が曲がる現象が現れる恐れがある。
【００３６】
最後に、成形ステップが完了すれば、焼結ステップを経てスパッタリングターゲットを製造する。焼結ステップを介してターゲットを構成する構成成分が均一な状態で存在することができ、同時にＤＣスパッタリングが可能になるように焼結体のバルク抵抗を１００ｍΩ以下に維持することができる。
【００３７】
インジウム、亜鉛、ハフニウムまたはインジウム、亜鉛、ジルコニウムの３成分系において、ハフニウムとジルコニウムの含量が高くなることにより、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの電気抵抗が高くなることがあるため、焼結時の焼結条件を調節することができる。例えば、ターゲットの電気抵抗特性をＤＣスパッタリングが可能な程度に低くするために、焼結ステップは、１３００℃〜１５００℃の温度範囲、および酸素または空気雰囲気またはこの２つが適切に組み合わされた雰囲気下で実行することができる。
【００３８】
以下、本発明の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットから製造される酸化インジウム亜鉛系薄膜について説明する。
【００３９】
スパッタリングターゲットの組成と薄膜の組成は、単一成分ではない多成分系では異なることがある。一例として、半導体特性を示す薄膜は、この薄膜の組成と同じ組成のスパッタリングターゲットから得ることができない場合がある。これは、スパッタリング時に用いたパワーの種類、気体雰囲気などに応じて成膜された薄膜の特性が変わることがあるためである。
【００４０】
そして、酸化インジウム亜鉛系薄膜は、具体的な目的に応じてターゲットの組成およびスパッタリング条件を調節し、非晶質薄膜または結晶質薄膜として形成することができる。同じように、ターゲットの組成およびスパッタリング条件に応じて、半導体薄膜または導電性薄膜として形成することができる。一例として、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットで透明半導体薄膜を製造するために、スパッタリング工程時にアルゴン気体と酸素気体の合計体積に対する酸素気体の体積比が０％超過３０％以下となる量で酸素を注入することができる。このようなスパッタリング条件でＤＣスパッタリングとして成膜された酸化インジウム亜鉛系薄膜は、非晶質形態を有することができる。また、ターゲットの組成およびスパッタリング条件を調節して薄膜の蒸着速度を早くすることもできる。
【００４１】
本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜は、高い光透過率、例えば、５５０ｎｍで９５％以上の可視光透過率を示すことができる。また、薄膜の表面ＲＭＳ粗度は１００Å以下と、薄膜の表面平坦度が極めて優れるようになる。このために、薄膜トランジスタ素子の製造時にゲート絶縁膜の厚さを減少させることができる。また、酸化インジウム亜鉛系薄膜の電子移動度は、１〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓとすることができる。
【００４２】
以下、実施例を参照しながら、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットおよび酸化インジウム亜鉛系薄膜についてより詳しく説明するが、下記の実施例は本発明をより一層具体的に説明するための例示的なものに過ぎず、本発明の内容が下記の実施例に限定されることはない。
【実施例１】
【００４３】
実施例１：ＨＩＺＯ（Ｈａｆｎｉｕｍ Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）スパッタリングターゲット製造
平均直径がそれぞれ１μｍ以下である酸化ハフニウム粉末、酸化インジウム粉末、および酸化亜鉛粉末をＨｆ：Ｉｎ：Ｚｎの比率が１：０．４：０．４となるように準備した。次いで、このように準備した酸化物粉末をそれぞれ、水とポリカルボン酸アンモニウム塩が混合されたそれぞれの混合物に混合した後、硬質ジルコニアボールミルを用いて個別に１時間湿式ミリングした後、湿式ミリングされた混合物を混合してスラリ混合物を準備した。次いで、このスラリ混合物にポリカルボン酸アンモニウム塩を添加し、硬質ジルコニアボールミルを用いて１時間湿式ミリングを行った後、ポリビニルアルコールを添加した。次いで、ポリビニルアルコールが添加されたスラリ混合物をスプレー乾燥機（Ｓｐｒａｙ Ｄｒｙｅｒ）を用いて乾燥して顆粒粉末の形態に生成した。次いで、５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で冷却プレスして１次成形した後、１次成形された顆粒粉末を６００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で冷却等方圧プレスして２次成形して成形体を製造した。次いで、この成形体を酸素雰囲気下で約１４００℃の高温で１時間焼結してＨＩＺＯ焼結体を製造した。次いで、この焼結体のスパッタリング面を研摩機で研磨して直径３インチ、厚さ５ｍｍに加工し、インジウム系合金を用いてバッキング（ｂａｃｋｉｎｇ）プレートを接合させてＨＩＺＯスパッタリングターゲットを製造した。このようなＨＩＺＯスパッタリングターゲットの電気抵抗は、７５ｍΩであった。
【実施例２】
【００４４】
実施例２：ＨＩＺＯ薄膜製造
実施例１によって製造されたＨＩＺＯスパッタリングターゲットをマグネトロンスパッタリング装置に装着し、常温で酸素とアルゴン気体を投入してガラス基板上に厚さ１５０ｎｍの透明ＨＩＺＯ薄膜を成膜した。このとき、この成膜は、アルゴン気体と酸素気体の合計体積に対する酸素気体の体積が１５％である雰囲気下で実行された。同時に、ＤＣパワーは１００Ｗであった。このとき、１００ＷのＤＣパワーにおける従来のＧＩＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）の蒸着速度（９Ａ／ｓｅｃ）よりも早い蒸着速度（１１Ａ／ｓｅｃ）でＨＩＺＯ薄膜が蒸着された。
【００４５】
実施例２によって製造されたＨＩＺＯ薄膜をＸ線回折分析（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）した結果、ＨＩＺＯ薄膜は非晶質特性を示した。ＨＩＺＯ薄膜の電気導電度を測定した結果、ＴＦＴ素子製造に適合した１Ｅ−４〜３Ｅ−３（ｏｈｍ・ｃｍ）−１の範囲値を有した。また、ＨＩＺＯ薄膜の電子移動度を測定した結果、極めて優れていることが分かった。
【００４６】
ＨＩＺＯ薄膜が蒸着されたガラス基板に対し、可視光領域における光透過率を測定した結果を図１に示した。図１を参照すれば、ＨＩＺＯ薄膜は、特に５５０ｎｍにおける光透過率が約９８％と高い値を示した。これにより、ＨＩＺＯ薄膜は、透明なＴＦＴ素子に適用できることが分かった。
【００４７】
ＨＩＺＯ薄膜の表面粗度を原子力間顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で測定した写真を図２に示した。図２を参照すれば、ＨＩＺＯ薄膜の表面ＲＭＳ粗度は３Åであった。一般的に、従来のエキシマレーザで結晶化された多結晶シリコン薄膜の表面ＲＭＳ粗度が数百Åであることに比べれば、ＨＩＺＯ薄膜の表面平坦度は極めて優れていることが分かった。
【００４８】
上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリングターゲットの製造、およびそのスパッタリングターゲットを用いた薄膜の製造に関し、より詳細には、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット、その製造方法、およびその酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを用いて蒸着された酸化インジウム亜鉛系薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、微細かつ薄い膜の形状で生成された小型増幅管であり、ゲート（ｇａｔｅ）、ソース（ｓｏｕｒｃｅ）、およびドレイン（ｄｒａｉｎ）を備える三端子素子である。従来は、薄膜トランジスタのチャンネル層として多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）シリコン膜または非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）シリコン膜を主に用いていた。しかしながら、多結晶シリコン膜の場合は、多結晶粒子界面で起こる電子の散乱により、電子移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）が制限されることがある。これに対し、非晶質シリコン膜の場合は、電子移動度が極めて低く、時間による素子の劣化が発生し、素子の信頼性が極めて低くなることがある。このような問題点を解決するために、最近では、多結晶シリコン膜または非晶質シリコン膜の代りに酸化物薄膜、例えば酸化亜鉛系薄膜でＴＦＴチャンネル層を形成しようとする研究がなされている。
【０００３】
酸化物薄膜を形成する方法としては、多結晶焼結体をターゲットとするスパッタリング法（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、パルスレーザ蒸着法（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、電子ビーム蒸着法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などがある。このうち、スパッタリング法は量産適用が容易であるため、スパッタリングを用いて薄膜を蒸着することができるターゲットを製造する方法についての研究が進められている。
【０００４】
スパッタリング法には、アルゴンプラズマの発生方法によって高周波（ＲＦ）プラズマを用いるＲＦスパッタリング法と、直流（ＤＣ）プラズマを用いるＤＣスパッタリング法とがある。このうち、ＤＣスパッタリング法は、成膜速度が早くて操作が簡単であることから、産業用として主に用いられている。ところが、酸化亜鉛系薄膜を蒸着するための酸化亜鉛系スパッタリングターゲットの場合は、ドーピングされる物質の種類および含量に応じて酸化亜鉛系スパッタリングターゲットの抵抗が極めて高く、ＤＣスパッタリングが不可能になる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたものであって、抵抗が低い酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、低温で非晶質あるいはナノ結晶質薄膜を成膜することができる酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを提供することを他の目的とする。
【０００７】
また、本発明は、電子移動度および薄膜平坦度の優れた酸化インジウム亜鉛系薄膜を提供することを他の目的とする。
【０００８】
さらに、本発明は、抵抗が低くて焼結密度が高い酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法を提供することをさらに他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、（ＭＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有し、ｘ：ｙは１：０．０１〜１：１であり、ｙ：ｚは１：０．１〜１：１０であり、前記Ｍは、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびチタニウム（Ｔｉ）からなる群から選択された１つ以上の金属である。
【００１０】
本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜は、上述した範囲の組成を有する酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを用いてＤＣスパッタリング法で蒸着され、電子移動度が１〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓを示す。
【００１１】
本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法は、酸化インジウム粉末および酸化亜鉛粉末が添加されたスラリに酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された１種以上の酸化物粉末を添加してスラリ混合物を準備するステップと、前記スラリ混合物に分散剤を添加して湿式ミリングする分散ステップと、前記分散したスラリ混合物を乾燥して顆粒粉末を形成する顆粒化ステップと、前記顆粒粉末を成形して成形体を製造する成形ステップと、前記成形体を焼結する焼結ステップとを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一側面によれば、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、ターゲットの電気抵抗が低くてＤＣスパッタリングが可能であり、焼結密度が高くて焼結体内部に存在する微細気孔によるプラズマ異常放電の発生を抑制することができる。また、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット内に存在する二次相凝集体のサイズが小さくて酸化インジウム亜鉛系薄膜の組成が均一になるように酸化インジウム亜鉛系薄膜を成膜することができ、異常放電およびノジュールの発生を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜は、優れた電子移動度および薄膜平坦度を示し、素子の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
さらに、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法によれば、ターゲット内に含まれた構成成分の組成分布が均一になるようにターゲットを製造することができる。これにより、このようなターゲットを用いて成膜された薄膜の組成均質性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例２に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜の可視光領域における光透過率グラフである。
【図２】本発明の実施例２に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜の表面粗度を原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット、その酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを用いて蒸着された酸化インジウム亜鉛系薄膜、およびその酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法についてより詳しく説明する。
【００１７】
本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、酸化インジウム、酸化亜鉛を基本として含み、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウムのうちから選択された１つ以上の酸化物を追加的に含む。すなわち、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、（ＭＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有し、Ｍは、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタニウム（Ｔｉ）からなる群から選択された１つ以上の金属である。言い換えれば、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットは、（ＨｆＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚ、または（ＺｒＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚ、または（ＴｉＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有することができる。
【００１８】
ここで、ｘ：ｙは１：０．０１〜１：１、ｙ：ｚは１：０．１〜１：１０であり、より好ましくは、ｘ：ｙが１：０．０１〜１：０．５、ｙ：ｚが１：０．２〜１：５である。このようなｘ：ｙの比率は、酸化インジウム亜鉛系薄膜が最適な電子移動度を示すと同時に半導体特性を際立たせる条件、およびＤＣスパッタリングが可能な条件に応じて決定される。ｘ：ｙが１：０．０１〜１：１の比率を外れる場合には、薄膜自体が不導体特性を帯びるだけでなくターゲット抵抗が高くなり、ＤＣスパッタリングが困難になることがある。ｙ：ｚの比率は、非晶質あるいはナノ結晶質特性を示す薄膜を得る条件に応じて決定される。ｙ：ｚが１：０．１〜１：１０の比率を外れる場合には、薄膜の結晶質特性が強まり、多結晶シリコンで発生する問題点が同じように発生する恐れがある。ｚの比率は、原料の価格を考慮する場合、大きいほど好ましい。しかしながら、ｚの比率が一定の値を超えれば、ターゲットにおいて酸化亜鉛の性向が強まって薄膜が多結晶化し、非晶質薄膜を形成し難くなることがある。これにより、薄膜が半導体的である特性よりは、透明電極に近い物性を示すことができる。このように、本発明の一側面によれば、Ｈｆ：Ｉｎ：ＺｎあるいはＺｒ：Ｉｎ：ＺｎあるいはＴｉ：Ｉｎ：Ｚｎの比率を調節し、電気抵抗が１００ｍΩ以下であるだけでなくＤＣスパッタリングが可能な酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを製造することができる。
【００１９】
Ｍの含量が本発明の一側面に係る組成比を外れて過多に添加される場合、Ｍは酸化インジウム亜鉛に固溶されずに不純物凝集体として残り、ターゲットの局部的な高抵抗を引き起こすことがある。これにより、酸化インジウム亜鉛系薄膜特性が低下することがあり、薄膜が不導体に変わる恐れがある。同時に、これによってＤＣスパッタリングが不可能になることもあり、またはスパッタリング時に異常放電（アーキング）を起こすこともあり、薄膜が酸化物半導体としての役割を果たせなくなる恐れもある。これに反し、Ｍの含量が本発明の一側面に係る組成比を外れて不足して添加される場合は、非晶質あるいはナノ結晶質特性が現われない恐れもある。
【００２０】
酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造時、酸化亜鉛に酸化インジウムが添加され、追加的に酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの酸化物がターゲット内に添加されるようになる。このために、酸化亜鉛格子内で酸素空孔（ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙ）や電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）などの電荷キャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）が生成されてターゲットに電気が流れるようになる。
【００２１】
酸化亜鉛は、広いバンドギャップを有した物質であり、それ自体が非導電性を示す物質であるため、上述したような酸化物がドーピング元素として添加されることによって電気が流れるようになる。このとき、ドーピング元素の種類および含量に応じてドーピング元素が不純物凝集体をなし、問題が発生することがある。しかしながら、本発明の一側面に係る組成を有する酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットでは、酸化亜鉛にそれぞれのドーピング物質の置換固溶が良好になされるようになり、一部固溶がなされない不純物凝集体、すなわちインジウム二次相、ハフニウム二次相、ジルコニウム二次相、およびチタニウム二次相のサイズが小さい。このため、スパッタリング時に電気抵抗が高い不純物凝集体による異常放電（アーキング）およびノジュールの発生が抑制されるようになる。
【００２２】
ＤＣスパッタリングを可能にするためには、ターゲットのバルク抵抗が数十Ω以下の値である必要がある。もし、スパッタリング時にターゲットに電気が流れない場合は、薄膜蒸着のためにＲＦスパッタリングを行わなければならないが、これは工程費用が高く、効率性面においてＤＣスパッタリングに比べて不利である。しかしながら、本発明の一側面によれば、酸化亜鉛にｉ）酸化インジウム、およびｉｉ）酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの酸化物を所定の組成比で添加することにより、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの抵抗を低くすることができる。また、添加された酸化物の二次相のサイズが１μｍよりも小さくなることでターゲットの抵抗を低くすることができるだけでなく、スパッタリング時のアーキングおよびノジュールの発生を抑制してターゲット製造工程の効率を高めることができる。同時に、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットが本発明の一側面に係る組成比を満たす場合には、電子移動度の優れた非晶質の透明半導体薄膜がＤＣスパッタリングで形成されるようになる。
【００２３】
以下、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを製造する方法について説明する。
【００２４】
まず、酸化インジウム粉末および酸化亜鉛粉末が添加されたスラリに酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された１種以上の酸化物粉末を添加してスラリ混合物を準備するステップを実行する。次に、このスラリ混合物に分散剤を添加して湿式ミリングする分散ステップ、分散したスラリ混合物を乾燥して顆粒粉末を形成する顆粒化ステップ、顆粒粉末を成形して成形体を製造する成形ステップ、および成形体を焼結する焼結ステップを実行する。以下、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを製造する方法についてより具体的に説明する。
【００２５】
スラリ混合物を準備するステップにおいて、例えば、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムのうちの少なくとも１つの酸化物粉末に分散剤および水を混合して湿式ミリングするステップ、酸化インジウム粉末、分散剤、および水を混合して湿式ミリングするステップ、酸化亜鉛粉末、分散剤、および水を混合して湿式ミリングするステップをそれぞれ個別に実行した後、ミリングされた各粉末を混合することができる。ここで、湿式ミリングは、各構成粒子を粉砕させる機能を担うと同時に、各構成粒子が粉砕された状態で均質な状態になるように分散させる役割を果たす。このような分散のために、分散剤を用いることができる。このとき用いられる分散剤としては、ポリカルボン酸塩類を一般的に用いることができるが、より具体的には、ポリカルボン酸アンモニウム塩またはポリアクリル酸アンモニウム塩を用いることができる。このような分剤は、単独で、または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００２６】
一方、本発明は、スラリ混合物を準備するステップにおいて、上述した例によって限定されることはない。一例として、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ハフニウムなどの酸化物粉末をスラリで混合した後にミリング過程を実行することができるが、好ましくは、それぞれの酸化物粉末を個別にミリングしてそれぞれの酸化物粉末の平均直径を調節することができる。
【００２７】
上述したように、原料の直径を個別に制御して混合させる工程を用いる場合には、分散剤の種類および添加量をそれぞれの構成粒子の表面特性に適合するように最適化して用いることができる。例えば、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、または酸化チタニウムの分散には酸化物粉末に対し０．８〜２．０重量％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量約２０００）を用い、酸化インジウムの分散には酸化インジウム粉末に対し０．５〜１．５重量％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量約５０００）を用い、酸化亜鉛の分散には酸化亜鉛粉末に対し０．１〜０．５重量％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量約３０００）を用いることができる。
【００２８】
このように添加される分散剤の種類、分子量、配合量などを酸化物粉末の種類に応じて調整して、粉末の直径を調節することができる。しかしながら、分散ステップ前に酸化インジウム、酸化亜鉛粉末に酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、または酸化チタニウム粉末を混合してスラリ混合物を準備した場合には、全体の酸化物粉末に対し約０．５重量％のポリアクリル酸アンモニウム塩（分子量約３０００〜２００００）を水に添加することができる。
【００２９】
スラリ混合物として混合する前に酸化亜鉛粉末、酸化インジウム粉末、およびドーパントとして添加される酸化物粉末は、それぞれミリング過程を経ることによって平均直径が小さい粉末状態で互いに混合することができる。これにより、酸化亜鉛格子内の格子間位置（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｓｉｔｅ）または置換位置（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌ ｓｉｔｅ）に添加された成分がドーピングされる固溶効果を増加することもでき、ターゲット内でインジウム粉末、ハフニウム粉末、ジルコニウム粉末、およびチタニウム粉末がそれぞれ局部的に固まった不純物（またはドーパント）凝集体のサイズも小さく現れ、１μｍ以上である二次相の比率が５％以下で示されるようになる。
【００３０】
一方、原料物質として用いられる酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムの平均直径が調節された後、顆粒粉末状態で酸化物粉末が極めて均一に混合される必要がある。この場合、酸化物粉末の平均直径は、１μｍよりも小さいことが好ましい。そうではない場合には、原料の均一な混合のために工程費用が追加されることがあり、スパッタリングターゲット内部に特定元素の局部的な濃縮化が発生し、成膜後に薄膜の組成の均質性を得難くなることがある。これはすなわち、薄膜物性の低下と信頼性の低下を招来することになる。
【００３１】
したがって、湿式ミリングを用いてスラリ混合物を均一に分散させる分散ステップを実行する。このときの湿式ミリングは、各構成粒子を粉砕させる機能を担うと同時に、３種類以上の酸化物粒子が粉砕された状態から均質な状態になるように分散させる役割を果たす。これにより、上述した分散剤が添加される。分散ステップのときには、湿式ミリングによって得られたスラリの粘度が１００ｃｐｓ以下になるようにすることが好ましい。粘度が１００ｃｐｓよりも高い場合には、スラリ内の粒子サイズが大きくて分散性が低下し、焼結後の焼結体の密度低下の原因となる。
【００３２】
分散ステップを経て混合されたスラリが完成すれば、ここにポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ：ＰＥＧ）のような結合剤を添加することができる。このような結合剤は、スパッタリングターゲットを製造するための成形体の製造時に、成形体の強度と焼結密度を向上させることができる。結合剤は、単独で、または２種以上を組み合わせて用いることができる。本発明において、結合剤の種類および添加量は、特定の事項に限定されることはない。すなわち、成形強度を維持させることができる結合剤であれば、すべて応用が可能である。結合剤の添加量は、スラリ内で粉末に対し０．０１〜５重量％、好ましくは０．５〜３重量％とすることができる。
【００３３】
分散剤、結合剤などのような有機溶媒を過量で用いる場合は、以後に製造される焼結体の密度を低下させる恐れがあるため、上述した含量内で用いることが好ましい。
【００３４】
次に、結合剤が添加されたスラリ混合物を噴霧乾燥によって顆粒粉末に製造する。噴霧乾燥技術は、既に公知の技術を用いることができ、その使用方法を特定のものとして本発明を限定することはない。しかしながら、顆粒化された顆粒粉末は、国際標準規格であるＡＳＴＭ標準手順に基づいて規定された見掛け密度（ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）を１．３以上とすることができる。顆粒粉末の見掛け密度が１．３よりも小さい場合には、焼結体の焼結密度が低下し、これはすなわちターゲットのスパッタリングにおいて異常放電の原因となり得るためである。
【００３５】
次に、噴霧乾燥した顆粒粉末を一般的な冷却プレス（ｃｏｌｄ ｐｒｅｓｓ）法によって１次成形し、冷間等方圧成形によって２次成形する。このとき、冷却プレスの成形圧力は、３００〜７００ｋｇ／ｃｍ２であることが好ましい。成形圧力が３００ｋｇ／ｃｍ２よりも小さかったり７００ｋｇ／ｃｍ２よりも大きかったりする場合は、冷間等方圧プレスと焼結工程を経る間に、横方向収縮と軸方向収縮程度において大きな差を発生することがあり、これによって成形体や焼結体が曲がる現象が現れる恐れがある。
【００３６】
最後に、成形ステップが完了すれば、焼結ステップを経てスパッタリングターゲットを製造する。焼結ステップを介してターゲットを構成する構成成分が均一な状態で存在することができ、同時にＤＣスパッタリングが可能になるように焼結体のバルク抵抗を１００ｍΩ以下に維持することができる。
【００３７】
インジウム、亜鉛、ハフニウムまたはインジウム、亜鉛、ジルコニウムの３成分系において、ハフニウムとジルコニウムの含量が高くなることにより、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの電気抵抗が高くなることがあるため、焼結時の焼結条件を調節することができる。例えば、ターゲットの電気抵抗特性をＤＣスパッタリングが可能な程度に低くするために、焼結ステップは、１３００℃〜１５００℃の温度範囲、および酸素または空気雰囲気またはこの２つが適切に組み合わされた雰囲気下で実行することができる。
【００３８】
以下、本発明の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットから製造される酸化インジウム亜鉛系薄膜について説明する。
【００３９】
スパッタリングターゲットの組成と薄膜の組成は、単一成分ではない多成分系では異なることがある。一例として、半導体特性を示す薄膜は、この薄膜の組成と同じ組成のスパッタリングターゲットから得ることができない場合がある。これは、スパッタリング時に用いたパワーの種類、気体雰囲気などに応じて成膜された薄膜の特性が変わることがあるためである。
【００４０】
そして、酸化インジウム亜鉛系薄膜は、具体的な目的に応じてターゲットの組成およびスパッタリング条件を調節し、非晶質薄膜または結晶質薄膜として形成することができる。同じように、ターゲットの組成およびスパッタリング条件に応じて、半導体薄膜または導電性薄膜として形成することができる。一例として、酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットで透明半導体薄膜を製造するために、スパッタリング工程時にアルゴン気体と酸素気体の合計体積に対する酸素気体の体積比が０％超過３０％以下となる量で酸素を注入することができる。このようなスパッタリング条件でＤＣスパッタリングとして成膜された酸化インジウム亜鉛系薄膜は、非晶質形態を有することができる。また、ターゲットの組成およびスパッタリング条件を調節して薄膜の蒸着速度を早くすることもできる。
【００４１】
本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系薄膜は、高い光透過率、例えば、５５０ｎｍで９５％以上の可視光透過率を示すことができる。また、薄膜の表面ＲＭＳ粗度は１００Å以下と、薄膜の表面平坦度が極めて優れるようになる。このために、薄膜トランジスタ素子の製造時にゲート絶縁膜の厚さを減少させることができる。また、酸化インジウム亜鉛系薄膜の電子移動度は、１〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓとすることができる。
【００４２】
以下、実施例を参照しながら、本発明の一側面に係る酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットおよび酸化インジウム亜鉛系薄膜についてより詳しく説明するが、下記の実施例は本発明をより一層具体的に説明するための例示的なものに過ぎず、本発明の内容が下記の実施例に限定されることはない。
【実施例１】
【００４３】
実施例１：ＨＩＺＯ（Ｈａｆｎｉｕｍ Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）スパッタリングターゲット製造
平均直径がそれぞれ１μｍ以下である酸化ハフニウム粉末、酸化インジウム粉末、および酸化亜鉛粉末をＨｆ：Ｉｎ：Ｚｎの比率が１：０．４：０．４となるように準備した。次いで、このように準備した酸化物粉末をそれぞれ、水とポリカルボン酸アンモニウム塩が混合されたそれぞれの混合物に混合した後、硬質ジルコニアボールミルを用いて個別に１時間湿式ミリングした後、湿式ミリングされた混合物を混合してスラリ混合物を準備した。次いで、このスラリ混合物にポリカルボン酸アンモニウム塩を添加し、硬質ジルコニアボールミルを用いて１時間湿式ミリングを行った後、ポリビニルアルコールを添加した。次いで、ポリビニルアルコールが添加されたスラリ混合物をスプレー乾燥機（Ｓｐｒａｙ Ｄｒｙｅｒ）を用いて乾燥して顆粒粉末の形態に生成した。次いで、５００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で冷却プレスして１次成形した後、１次成形された顆粒粉末を６００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で冷却等方圧プレスして２次成形して成形体を製造した。次いで、この成形体を酸素雰囲気下で約１４００℃の高温で１時間焼結してＨＩＺＯ焼結体を製造した。次いで、この焼結体のスパッタリング面を研摩機で研磨して直径３インチ、厚さ５ｍｍに加工し、インジウム系合金を用いてバッキング（ｂａｃｋｉｎｇ）プレートを接合させてＨＩＺＯスパッタリングターゲットを製造した。このようなＨＩＺＯスパッタリングターゲットの電気抵抗は、７５ｍΩであった。
【実施例２】
【００４４】
実施例２：ＨＩＺＯ薄膜製造
実施例１によって製造されたＨＩＺＯスパッタリングターゲットをマグネトロンスパッタリング装置に装着し、常温で酸素とアルゴン気体を投入してガラス基板上に厚さ１５０ｎｍの透明ＨＩＺＯ薄膜を成膜した。このとき、この成膜は、アルゴン気体と酸素気体の合計体積に対する酸素気体の体積が１５％である雰囲気下で実行された。同時に、ＤＣパワーは１００Ｗであった。このとき、１００ＷのＤＣパワーにおける従来のＧＩＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）の蒸着速度（９Ａ／ｓｅｃ）よりも早い蒸着速度（１１Ａ／ｓｅｃ）でＨＩＺＯ薄膜が蒸着された。
【００４５】
実施例２によって製造されたＨＩＺＯ薄膜をＸ線回折分析（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）した結果、ＨＩＺＯ薄膜は非晶質特性を示した。ＨＩＺＯ薄膜の電気導電度を測定した結果、ＴＦＴ素子製造に適合した１Ｅ−４〜３Ｅ−３（ｏｈｍ・ｃｍ）−１の範囲値を有した。また、ＨＩＺＯ薄膜の電子移動度を測定した結果、極めて優れていることが分かった。
【００４６】
ＨＩＺＯ薄膜が蒸着されたガラス基板に対し、可視光領域における光透過率を測定した結果を図１に示した。図１を参照すれば、ＨＩＺＯ薄膜は、特に５５０ｎｍにおける光透過率が約９８％と高い値を示した。これにより、ＨＩＺＯ薄膜は、透明なＴＦＴ素子に適用できることが分かった。
【００４７】
ＨＩＺＯ薄膜の表面粗度を原子力間顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で測定した写真を図２に示した。図２を参照すれば、ＨＩＺＯ薄膜の表面ＲＭＳ粗度は３Åであった。一般的に、従来のエキシマレーザで結晶化された多結晶シリコン薄膜の表面ＲＭＳ粗度が数百Åであることに比べれば、ＨＩＺＯ薄膜の表面平坦度は極めて優れていることが分かった。
【００４８】
上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、当該技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ＭＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有し、ｘ：ｙは１：０．０１〜１：１であり、ｙ：ｚは１：０．１〜１：１０であり、前記Ｍは、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタニウム（Ｔｉ）からなる群から選択された１つ以上の金属であることを特徴とする酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット。
【請求項２】
前記スパッタリングターゲットは、ＤＣスパッタリングが可能であることを特徴とする請求項１に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット。
【請求項３】
前記スパッタリングターゲットは、電気抵抗が１００ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット。
【請求項４】
ＤＣスパッタリングで請求項１に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを用いて蒸着された酸化インジウム亜鉛系薄膜であって、電子移動度が１〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓであることを特徴とする酸化インジウム亜鉛系薄膜。
【請求項５】
前記蒸着は、アルゴン気体と酸素気体の合計体積に対する酸素気体の体積比が０％超過３０％以下である雰囲気下でなされることを特徴とする請求項４に記載の酸化インジウム亜鉛系薄膜。
【請求項６】
前記薄膜は、非晶質であることを特徴とする請求項４に記載の酸化インジウム亜鉛系薄膜。
【請求項７】
前記薄膜の表面ＲＭＳ粗度は、１００Å以下であることを特徴とする請求項４に記載の酸化インジウム亜鉛系薄膜。
【請求項８】
酸化インジウム粉末および酸化亜鉛粉末が添加されたスラリに酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された１種以上の酸化物粉末を添加してスラリ混合物を準備するステップと、
前記スラリ混合物に分散剤を添加して湿式ミリングする分散ステップと、
前記分散したスラリ混合物を乾燥して顆粒粉末を形成する顆粒化ステップと、
前記顆粒粉末を成形して成形体を製造する成形ステップと、
前記成形体を焼結する焼結ステップと、
を含むことを特徴とする酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項９】
前記スラリ混合物を準備するステップは、
第１酸化物粉末、第１分散剤、および水を混合し、湿式ミリングして第１酸化物スラリを準備するステップと、
酸化インジウム粉末、第２分散剤、および水を混合し、湿式ミリングして酸化インジウムスラリを準備するステップと、
酸化亜鉛粉末、第３分散剤、および水を混合し、湿式ミリングして酸化亜鉛スラリを準備するステップと、
前記第１酸化物スラリ、前記酸化インジウムスラリ、および前記酸化亜鉛スラリを混合するステップと、
を含み、
前記第１酸化物粉末は、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された１種以上であることを特徴とする請求項８に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１０】
前記第１分散剤、前記第２分散剤、または前記第３分散剤のうちの少なくとも１つは、ポリカルボン酸アンモニウム塩またはポリアクリル酸アンモニウム塩であることを特徴とする請求項９に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１１】
前記第１分散剤は前記第１酸化物スラリ内に０．８〜２．０重量％、前記第２分散剤は前記酸化インジウムスラリ内に０．５〜１．５重量％、前記第３分散剤は前記酸化亜鉛スラリ内に０．１〜０．５重量％、それぞれ含まれることを特徴とする請求項９に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１２】
前記顆粒粉末は、国際標準規格であるＡＳＴＭ測定に基づいて１．３以上の見掛け密度を示すことを特徴とする請求項８に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１３】
前記焼結ステップは、１３００℃〜１５００℃の温度範囲、および酸素または空気雰囲気下でなされることを特徴とする請求項８に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１】
（ＭＯ２）ｘ（Ｉｎ２Ｏ３）ｙ（ＺｎＯ）ｚの組成を有し、ｘ：ｙは１：０．０１〜１：１であり、ｙ：ｚは１：０．１〜１：１０であり、前記Ｍは、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタニウム（Ｔｉ）からなる群から選択された１つ以上の金属であることを特徴とする酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット。
【請求項２】
前記スパッタリングターゲットは、ＤＣスパッタリングが可能であることを特徴とする請求項１に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット。
【請求項３】
前記スパッタリングターゲットは、電気抵抗が１００ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲット。
【請求項４】
ＤＣスパッタリングで請求項１に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットを用いて蒸着された酸化インジウム亜鉛系薄膜であって、電子移動度が１〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓであることを特徴とする酸化インジウム亜鉛系薄膜。
【請求項５】
前記蒸着は、アルゴン気体と酸素気体の合計体積に対する酸素気体の体積比が０％超過３０％以下である雰囲気下でなされることを特徴とする請求項４に記載の酸化インジウム亜鉛系薄膜。
【請求項６】
前記薄膜は、非晶質であることを特徴とする請求項４に記載の酸化インジウム亜鉛系薄膜。
【請求項７】
前記薄膜の表面ＲＭＳ粗度は、１００Å以下であることを特徴とする請求項４に記載の酸化インジウム亜鉛系薄膜。
【請求項８】
酸化インジウム粉末および酸化亜鉛粉末が添加されたスラリに酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された１種以上の酸化物粉末を添加してスラリ混合物を準備するステップと、
前記スラリ混合物に分散剤を添加して湿式ミリングする分散ステップと、
前記分散したスラリ混合物を乾燥して顆粒粉末を形成する顆粒化ステップと、
前記顆粒粉末を成形して成形体を製造する成形ステップと、
前記成形体を焼結する焼結ステップと、
を含むことを特徴とする酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項９】
前記スラリ混合物を準備するステップは、
第１酸化物粉末、第１分散剤、および水を混合し、湿式ミリングして第１酸化物スラリを準備するステップと、
酸化インジウム粉末、第２分散剤、および水を混合し、湿式ミリングして酸化インジウムスラリを準備するステップと、
酸化亜鉛粉末、第３分散剤、および水を混合し、湿式ミリングして酸化亜鉛スラリを準備するステップと、
前記第１酸化物スラリ、前記酸化インジウムスラリ、および前記酸化亜鉛スラリを混合するステップと、
を含み、
前記第１酸化物粉末は、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、および酸化チタニウムからなる群から選択された１種以上であることを特徴とする請求項８に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１０】
前記第１分散剤、前記第２分散剤、または前記第３分散剤のうちの少なくとも１つは、ポリカルボン酸アンモニウム塩またはポリアクリル酸アンモニウム塩であることを特徴とする請求項９に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１１】
前記第１分散剤は前記第１酸化物スラリ内に０．８〜２．０重量％、前記第２分散剤は前記酸化インジウムスラリ内に０．５〜１．５重量％、前記第３分散剤は前記酸化亜鉛スラリ内に０．１〜０．５重量％、それぞれ含まれることを特徴とする請求項９に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１２】
前記顆粒粉末は、国際標準規格であるＡＳＴＭ測定に基づいて１．３以上の見掛け密度を示すことを特徴とする請求項８に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１３】
前記焼結ステップは、１３００℃〜１５００℃の温度範囲、および酸素または空気雰囲気下でなされることを特徴とする請求項８に記載の酸化インジウム亜鉛系スパッタリングターゲットの製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２０３５５４（Ｐ２００９−２０３５５４Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４４１０５（Ｐ２００９−４４１０５）
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（５０２４１１２４１）サムスンコーニング精密ガラス株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（５０２４１１２４１）サムスンコーニング精密ガラス株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]