氧化物燒結(jié)體和包含該氧化物燒結(jié)體的濺射靶的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包含銦（In)、鎵（Ga)、鋅（Zn)、氧（0)和不可避免的雜質(zhì)的氧化物（一 般稱(chēng)為"IGZ0";根據(jù)需要使用該"IGZ0"進(jìn)行說(shuō)明），特別是涉及IGZO燒結(jié)體和包含該氧化 物燒結(jié)體的濺射靶。
【背景技術(shù)】
[0002] 以往，在FPD (平板顯示器）中，其背板的TFT (薄膜晶體管）一直使用a-Si (非 晶硅）。然而，α-Si得不到充分的電子迀移率，近些年進(jìn)行了使用電子迀移率高于a-Si 的In-Ga-Zn-O類(lèi)氧化物（IGZO)的TFT的研究開(kāi)發(fā)。而且，使用IGZO-TFT的下一代高功能 平板顯示器部分得以實(shí)用化，并受到矚目。
[0003] IGZO膜主要通過(guò)使用由IGZO燒結(jié)體制作的靶進(jìn)行濺射而成膜。作為IGZO濺射 靶，例如，專(zhuān)利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了通過(guò)生成包含In、Ga和Zn、且In的含量高于周?chē)慕M織，即 使不在高溫下進(jìn)行還原處理，也可以制造低電阻率的靶。另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了通過(guò) 以規(guī)定比率含有In、Ga、Zn且共存2種以上同系晶體，可以穩(wěn)定濺射、減少粉粒的產(chǎn)生。
[0004] 順便說(shuō)一下，當(dāng)將這樣的IGZO膜用作TFT的有源層時(shí)，對(duì)膜的電學(xué)特性產(chǎn)生影響 的因素之一為膜中的氧缺陷量。為了控制該氧缺陷量，在濺射成膜時(shí)，一般除了氬氣等惰性 氣體以外還引入氧氣。氧氣的濺射效率低于氬氣，在濺射時(shí)引入氧氣時(shí)，被濺射的原子數(shù)量 減少，成膜速率降低。在IGZO膜的濺射成膜中，為了將膜的載流子濃度控制為所期望的值， 需要引入大量氧氣，因此存在成膜速率降低從而生產(chǎn)率降低的問(wèn)題。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006] 專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0007] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :日本特開(kāi)2011-105995號(hào)公報(bào)
[0008] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2 :日本專(zhuān)利第5288141號(hào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 發(fā)明所要解決的問(wèn)題
[0010] 本發(fā)明的課題在于提供可以降低為了得到具有所期望的載流子濃度的膜而需要 的濺射時(shí)的氧氣濃度的IGZO氧化物燒結(jié)體。包含該燒結(jié)體的濺射靶可以提高濺射速率，并 且可以顯著提高生產(chǎn)率。
[0011] 用于解決問(wèn)題的手段
[0012] 為了解決上述課題，本發(fā)明人進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加 IGZO燒結(jié)體 中Zn(鋅）的含量，可以降低膜的載流子濃度，結(jié)果可以降低濺射時(shí)的氧濃度。本發(fā)明人基 于上述發(fā)現(xiàn)，提供下述發(fā)明。
[0013] 1) -種氧化物燒結(jié)體，其為包含銦（In)、鎵（Ga)、鋅（Zn)、氧（0)和不可避免的雜 質(zhì)的氧化物燒結(jié)體，其特征在于，所述氧化物燒結(jié)體具有以In、Ga和Zn的原子比計(jì)In :Ga : Zn = I : I : 1的IGZO (111)相和比IGZO (111)相含有更多Zn的IGZO相；比IGZO (111)相含 有更多Zn的IGZO相的面積比率為1~10% ;該氧化物燒結(jié)體的In、Ga和Zn的原子數(shù)比 為 In :Ga :Zn = I :1 : (1. 02 ~1. 10) 〇
[0014] 2)如上述1)所述的氧化物燒結(jié)體，其特征在于，平均粒徑為20 μm以下。
[0015] 3)如上述1)或2)中任一項(xiàng)所述的氧化物燒結(jié)體，其特征在于，體電阻為30m Qcm以下。
[0016] 4)如上述1)至3)中任一項(xiàng)所述的氧化物燒結(jié)體，其特征在于，燒結(jié)體密度為 6. 3g/cm3以上。
[0017] 5) -種濺射靶，其由上述1)至4)中任一項(xiàng)所述的氧化物燒結(jié)體制作。
[0018] 發(fā)明效果
[0019] 本發(fā)明通過(guò)在包含銦（In)、鎵（Ga)、鋅（Zn)、氧（0)和不可避免的雜質(zhì)的IGZO類(lèi) 氧化物燒結(jié)體中具有含有大量Zn的IGZO相，可以降低為了形成具有所期望的載流子濃度 的薄膜而需要的濺射時(shí)的氧濃度，因此具有可以提高濺射速率的優(yōu)良效果。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為表示實(shí)施例1的氧化物燒結(jié)體的利用EPM得到的組織圖像的圖。
[0021 ] 圖2為表示實(shí)施例2的氧化物燒結(jié)體的利用EPM得到的組織圖像的圖。
[0022] 圖3為表示實(shí)施例3的氧化物燒結(jié)體的利用EPM得到的組織圖像的圖。
[0023] 圖4為表示比較例的氧化物燒結(jié)體的利用EPM得到的組織圖像的圖。
[0024] 圖5為表示成膜氣氛中的氧濃度和成膜速率的關(guān)系的圖。
[0025] 圖6為表示成膜氣氛中的氧濃度和薄膜的載流子濃度的關(guān)系的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 本發(fā)明的氧化物燒結(jié)體的特征在于：包含（In)、鎵（Ga)、鋅（Zn)、氧（0)和不可 避免的雜質(zhì)；具有以In、Ga和Zn的原子比計(jì)In :Ga :Zn = 1 :1 :1的IGZO(Ill)相和比 IGZO (111)相含有更多Zn的IGZO相；比IGZO (111)相含有更多Zn的IGZO相的面積比率 為1~10%。由于具有比IGZO(Ill)相含有更多Zn的IGZO相（富Zn的IGZO相），可以 降低為了形成具有所期望的載流子濃度的膜而需要的濺射時(shí)的氧濃度，因此可以提高濺射 速率（成膜速率）。
[0027] 使用含有大量Zn且存在IGZO相的IGZO燒結(jié)體濺射成膜時(shí)，雖然機(jī)理不明確，但 是膜的載流子濃度降低。通過(guò)使用這樣的靶，與以往相比可以降低為了得到所期望的載流 子濃度而引入的氧濃度，因此可以抑制由氧濃度引起的濺射速率的降低。需要說(shuō)明的是，自 不必言本發(fā)明的氧化物燒結(jié)體在氧氣濃度與以往同等程度時(shí)，具有可以降低載流子濃度的 效果，濺射速率降低不成為本發(fā)明的要件。
[0028] 比IGZO(Ill)相含有更多Zn的IGZO相（富鋅的IGZO相）優(yōu)選在燒結(jié)體中的面 積比率為1~10%。富鋅的IGZO相的面積比率小于1 %時(shí)，降低膜的載流子濃度的效果不 足，另一方面，富鋅的IGZO相的面積比率超過(guò)10%時(shí)，有時(shí)濺射成膜而得到的膜的載流子 濃度增加。
[0029] 另外，本發(fā)明中，優(yōu)選氧化物燒結(jié)體的In、Ga和Zn的原子比為In :Ga :Zn = 1 :1 : (1. 02~1. 10)。由此，可以有效地生成富Zn相，并且可以降低膜的載流子濃度。Zn的原子 比小于I. 02時(shí)，降低膜的載流子濃度的效果變小。另一方面，Zn的原子比超過(guò)I. 10時(shí)，與 氧化物燒結(jié)體為IGZO(Ill)相單相的情況相比，雖然膜的載流子濃度低，但是載流子濃度 轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾于厔?shì)。因此，IGZO燒結(jié)體的In、Ga、Zn的原子比優(yōu)選為上述數(shù)值范圍。
[0030] 本發(fā)明的氧化物燒結(jié)體優(yōu)選其平均粒徑為20 μπι以下。通過(guò)減小平均粒徑，可以 提高機(jī)械強(qiáng)度。平均粒徑超過(guò)20 μπι時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度降低，在濺射時(shí)輸入過(guò)度電力的情況下， 由于因?yàn)R射靶（燒結(jié)體）和接合該靶的背襯板的熱膨脹差產(chǎn)生的應(yīng)力，有可能在燒結(jié)體中 產(chǎn)生裂紋。
[0031 ] 另外，本發(fā)明的氧化物燒結(jié)體優(yōu)選其體電阻為30m Ω cm以下。體電阻低時(shí)，濺射中 發(fā)生異常放電的可能性降低，可以抑制對(duì)成膜中的膜產(chǎn)生不利影響的粉粒的產(chǎn)生。另一方 面，當(dāng)體電阻超過(guò)30m Ω cm時(shí)，即使在可以進(jìn)行DC濺射的情況下，有時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間的濺射中發(fā) 生異常放電，有時(shí)根據(jù)情況通過(guò)DC不引起放電，必須使用裝置成本高、成膜速率低的RF濺 射。
[0032] 另外，本發(fā)明的氧化物燒結(jié)體優(yōu)選燒結(jié)體密度為6. 3g/cm3以上。將本發(fā)明的氧化 物燒結(jié)體用作濺射靶時(shí)，燒結(jié)體的高密度化具有可以提高濺射膜的均勻性、而且可以顯著 減少在濺射時(shí)粉粒產(chǎn)生的優(yōu)良效果。
[0033] 以下說(shuō)明本發(fā)明的氧化物燒結(jié)體的制造工序的代表例。
[0034] 準(zhǔn)備氧化銦（In2O3)、氧化鎵（Ga2O 3)和氧化鋅（ZnO)作為原料。為了避免由雜質(zhì) 引起的對(duì)電學(xué)特性的不利影響，優(yōu)選使用純度4N以上的原料。稱(chēng)量各原料以達(dá)到規(guī)定的組 成比。需要說(shuō)明的是，這些原料中含有不可避免地含有的雜質(zhì)。
[0035] 接下來(lái)，添加、混合各原料使得氧化物燒結(jié)體達(dá)到規(guī)定的組成比。此時(shí)若混合不充 分，則靶中的各成分發(fā)生偏析，導(dǎo)致濺射中電弧放電等異常放電、或者導(dǎo)致粉粒產(chǎn)生，因此 優(yōu)選進(jìn)行充分混合。然后，通過(guò)將混合粉微粉碎、制粒而提高混合粉的成型性和燒結(jié)性，從 而可以得到高密度的燒結(jié)體。作為混合、粉碎單元，例如可以使用市售的混合機(jī)、球磨機(jī)、珠 磨機(jī)等；作為制粒單元，例如可以使用市售的噴霧干燥機(jī)。
[0036] 接下來(lái)，將混合粉末填充到模具中，在面壓力400~1000kgf/cm2、保持1分鐘~3 分鐘的條件下進(jìn)行單軸壓制而得到成型體。面壓力小于400kgf/cm2時(shí)，不能得到密度足夠 的成型體。另外，即使施加過(guò)高的面壓力，成型體的密度也難以提高到一定數(shù)值以上，并且 在單軸壓制的情況下原理上在成型體內(nèi)易于產(chǎn)生密度分布，從而導(dǎo)致燒結(jié)時(shí)變形、開(kāi)裂，因 此1000kgf/cm2以上的面壓力在生產(chǎn)上不是特別必需的。
[0037] 接下來(lái)，將該成型體用塑料真空包裝2層，并在壓力1500~4000kgf/cm2、保持1 分鐘~3分鐘的條件下實(shí)施CIP (冷等靜壓法）。壓力小于1500kgf/cm2時(shí)，不能獲得充分 的CIP的效果，另一方面，即使施加4000kgf/cm2以上的壓力，成型體的密度也難以提高到 一定數(shù)值以上，因此4000kgf/cm2以上的面壓力在生產(chǎn)上不是特別必需的。
[0038] 接下來(lái)，將成型體在1300~1500°C的溫度、保持時(shí)間5小時(shí)~24小時(shí)，在大氣氣 氛或氧氣氣氛中進(jìn)行燒結(jié)而得到燒結(jié)體。燒結(jié)溫度低于1300°C時(shí)，不能得到密度足夠的燒 結(jié)體；燒結(jié)溫度為1500°C以上時(shí)，燒結(jié)體中的晶粒的尺寸過(guò)大，有可能使燒結(jié)體的機(jī)械強(qiáng) 度降低。另外，保持時(shí)間短于5小時(shí)時(shí)，不能得到密度足夠的燒結(jié)體；保持時(shí)間長(zhǎng)于24小時(shí) 時(shí)，從生產(chǎn)成本的觀點(diǎn)考慮不優(yōu)選。
[0039] 另外，在成型/燒結(jié)工序中，除了上述的方法之外，也可以使用HP(熱壓）或者 HIP (熱等靜壓法）。按上述方式獲得的燒結(jié)體通過(guò)研磨、拋光等機(jī)械加工而形成靶形狀，從 而可以制成濺射靶。
[0040] 在本發(fā)明的氧化物半導(dǎo)體膜的制作時(shí)，使用按上述方式得到的濺射靶在規(guī)定的條 件下實(shí)施濺射而進(jìn)行成膜，根據(jù)需要，將該膜在規(guī)定的溫度下退火，從而可以得到氧化物半 導(dǎo)體膜。另外，在制作本發(fā)明的薄膜晶體管時(shí)，可以將所述氧化物半導(dǎo)體膜用作圖1所示的 柵極，從而得到薄膜晶體管。
[0041] 實(shí)施例
[0042] 下面，基于實(shí)施例和比較例進(jìn)行說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例僅僅為一例，本發(fā) 明不受該例任何限制。即，本發(fā)明只受權(quán)利要求書(shū)限制，包含本發(fā)明中包含的實(shí)施例之外的 各種變形。
[0043] (實(shí)施例1)
[0044] 稱(chēng)量In2O3粉