JP6350466B2 - Oxide sintered body and method for manufacturing the same, sputter target, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、酸化物半導体膜をスパッタ法で形成するためのスパッタターゲットとして好適に用いることのできる酸化物焼結体およびその製造方法、該酸化物焼結体を含むスパッタターゲット(スパッタリングターゲット)、ならびに該スパッタターゲットを用いてスパッタ法(スパッタリング法)により形成される酸化物半導体膜を含む半導体デバイスの製造方法に関する。 The present invention provides an oxide sintered body that can be suitably used as a sputtering target for forming an oxide semiconductor film by a sputtering method, a method for producing the oxide sintered body, a sputtering target (sputtering target) including the oxide sintered body, The present invention also relates to a method for manufacturing a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed by sputtering (sputtering) using the sputtering target.
従来、液晶表示装置、薄膜EL(エレクトロルミネッセンス)表示装置、有機EL表示装置等において、半導体デバイスであるTFT(薄膜トランジスタ)のチャネル層として機能する半導体膜として、アモルファスシリコン(a−Si)膜が主に使用されてきた。 Conventionally, in a liquid crystal display device, a thin film EL (electroluminescence) display device, an organic EL display device, etc., an amorphous silicon (a-Si) film has been mainly used as a semiconductor film functioning as a channel layer of a TFT (thin film transistor) that is a semiconductor device. Has been used.
近年では、a−Siに代わる材料として、インジウム(In)、ガリウム(Ga)および亜鉛(Zn)を含有する複合酸化物、すなわちIn−Ga−Zn系複合酸化物(「IGZO」とも呼ばれる。)が注目されている。IGZO系酸化物半導体は、a−Siと比較して、より高いキャリア移動度が期待できる。 In recent years, a composite oxide containing indium (In), gallium (Ga), and zinc (Zn) as a material to replace a-Si, that is, an In—Ga—Zn-based composite oxide (also referred to as “IGZO”). Is attracting attention. The IGZO-based oxide semiconductor can be expected to have higher carrier mobility than a-Si.
たとえば、特開2008−199005号公報(特許文献1)は、IGZOを主成分とする酸化物半導体膜が、酸化物焼結体をターゲットとして使用するスパッタ法によって形成されることを開示する。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2008-199005 (Patent Document 1) discloses that an oxide semiconductor film containing IGZO as a main component is formed by a sputtering method using an oxide sintered body as a target.
特開2008−192721号公報(特許文献2)は、酸化物半導体膜をスパッタ法等により形成する際に好適に用いられる材料として、Inおよびタングステン(W)を含む酸化物焼結体を開示する。 Japanese Patent Laying-Open No. 2008-192721 (Patent Document 2) discloses an oxide sintered body containing In and tungsten (W) as a material suitably used when an oxide semiconductor film is formed by a sputtering method or the like. .
また、特開平09−071860号公報(特許文献3)は、InおよびZnを含む酸化物焼結体を開示する。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 09-071860 (Patent Document 3) discloses an oxide sintered body containing In and Zn.
特許文献1に記載のIGZO系酸化物半導体膜をチャネル層として含むTFTは、電界効果移動度が10cm2/Vs程度と低いことが課題である。 A problem with the TFT including the IGZO-based oxide semiconductor film described in Patent Document 1 as a channel layer is that the field effect mobility is as low as about 10 cm 2 / Vs.
また、特許文献2では、InおよびWを含む酸化物焼結体を用いて形成した酸化物半導体膜をチャネル層として含むTFTが提案されているが、TFTの信頼性についての検討はなされていない。 In Patent Document 2, a TFT including an oxide semiconductor film formed using an oxide sintered body containing In and W as a channel layer has been proposed, but the reliability of the TFT has not been studied. .
特許文献3に記載の酸化物焼結体を用いて形成される薄膜は、透明導電膜であり、例えばTFTのチャネル層に用いられる薄膜のような半導体膜に比べて、電気抵抗が低い。また、酸化物焼結体をスパッタターゲットとして用いる場合、酸化物焼結体は高い密度(見かけ密度)を有することが望まれるところ、特許文献3に記載の酸化物焼結体においては、これを調製する際の焼結温度を高くしなければ見かけ密度を高くすることができない。しかしながら、焼結温度を高い温度に設定すると、昇温時間および降温時間が長時間となり、また、焼結雰囲気を高い温度に維持するために電力量も大きくなるため、生産性が低下する。また、焼結温度を高くすると、原料のタングステン酸化物が蒸発してしまい、Wを含有する酸化物焼結体が得られない。
A thin film formed using the oxide sintered body described in
スパッタターゲットとして酸化物焼結体を用いて薄膜形成を実施する場合、このスパッタターゲットには所定の電力が印加される。この際、印加電力を高くしていくとスパッタターゲットの温度が上がり、熱疲労、または酸化物焼結体とこれが貼り付けられている銅のバッキングプレートとの熱膨張差により酸化物焼結体に割れが発生して、スパッタターゲットとして使用できなくなることがある。上記のような割れを生じることなく印加電圧を高めることができるためには、銅のバッキングプレートを介して行われている水冷の効率を向上するために、酸化物焼結体の熱伝導率を高めることが望まれる。 When thin film formation is performed using an oxide sintered body as a sputtering target, a predetermined power is applied to the sputtering target. At this time, as the applied power is increased, the temperature of the sputter target increases, and thermal fatigue or the difference in thermal expansion between the oxide sintered body and the copper backing plate to which the oxide sintered body is attached to the oxide sintered body. Cracks may occur, making it impossible to use as a sputtering target. In order to increase the applied voltage without causing cracks as described above, in order to improve the efficiency of water cooling performed through the copper backing plate, the thermal conductivity of the oxide sintered body is increased. It is desirable to increase.
そこで本発明は、比較的低い焼結温度でも高い見かけ密度を示すことができるとともに、高い熱伝導率を示すことができる酸化物焼結体およびその製造方法、該酸化物焼結体を含むスパッタターゲット、ならびに該スパッタターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を含む半導体デバイスの製造方法の提供を目的とする。 Accordingly, the present invention provides an oxide sintered body capable of exhibiting a high apparent density even at a relatively low sintering temperature and exhibiting a high thermal conductivity, a method for producing the same, and a sputter including the oxide sintered body. It is an object of the present invention to provide a target and a method for manufacturing a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed using the sputter target.
本発明の一態様に係る酸化物焼結体は、インジウム、タングステンおよび亜鉛を含有する酸化物焼結体であって、該酸化物焼結体の主成分であり、ビックスバイト型結晶相を含む第1結晶相と、X線回折における2θの34.74degより大きく34.97degより小さい位置に第1回折ピークを有する第2結晶相とを含む。 An oxide sintered body according to one embodiment of the present invention is an oxide sintered body containing indium, tungsten, and zinc, is a main component of the oxide sintered body, and includes a bixbite type crystal phase. A first crystal phase and a second crystal phase having a first diffraction peak at a position larger than 34.74 deg of 2θ in X-ray diffraction and smaller than 34.97 deg.
本発明の別の態様に係るスパッタターゲットは、上記態様の酸化物焼結体を含む。
本発明のさらに別の態様に係る半導体デバイスの製造方法は、酸化物半導体膜を含む半導体デバイスの製造方法であって、上記態様のスパッタターゲットを用意する工程と、スパッタターゲットを用いてスパッタ法により酸化物半導体膜を形成する工程とを含む。
A sputter target according to another aspect of the present invention includes the oxide sintered body according to the above aspect.
A method for manufacturing a semiconductor device according to still another aspect of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device including an oxide semiconductor film, the step of preparing the sputter target of the above aspect, and a sputtering method using the sputter target. Forming an oxide semiconductor film.
本発明のさらに別の態様に係る酸化物焼結体の製造方法は、上記態様の酸化物焼結体の製造方法であって、インジウム酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程と、該1次混合物を熱処理することにより仮焼粉末を形成する工程と、該仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物を調製する工程と、該2次混合物を成形することにより成形体を形成する工程と、該成形体を焼結することにより酸化物焼結体を形成する工程と、を含み、該仮焼粉末を形成する工程は、酸素含有雰囲気下、700℃以上1400℃未満の温度で該1次混合物を熱処理することにより、該仮焼成粉末としてインジウムとタングステンとを含む複酸化物の粉末を形成することを含む。 The method for manufacturing an oxide sintered body according to still another aspect of the present invention is a method for manufacturing the oxide sintered body according to the above aspect, and prepares a primary mixture of indium oxide powder and tungsten oxide powder. Forming a calcined powder by heat-treating the primary mixture, preparing a secondary mixture of raw material powders containing the calcined powder, and molding the secondary mixture. A step of forming an oxide sintered body by sintering the formed body, and the step of forming the calcined powder includes 700 ° C. or higher and 1400 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. Forming a double oxide powder containing indium and tungsten as the pre-fired powder by heat-treating the primary mixture at a temperature lower than
本発明のさらに別の態様に係る酸化物焼結体の製造方法は、上記態様の酸化物焼結体の製造方法であって、亜鉛酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程と、該1次混合物を熱処理することにより仮焼粉末を形成する工程と、該仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物を調製する工程と、該2次混合物を成形することにより成形体を形成する工程と、該成形体を焼結することにより酸化物焼結体を形成する工程と、を含み、該仮焼粉末を形成する工程は、酸素含有雰囲気下、550℃以上1200℃未満の温度で該1次混合物を熱処理することにより、該仮焼成粉末として亜鉛とタングステンとを含む複酸化物の粉末を形成することを含む。 The method for producing an oxide sintered body according to still another aspect of the present invention is a method for producing an oxide sintered body according to the above aspect, wherein a primary mixture of zinc oxide powder and tungsten oxide powder is prepared. Forming a calcined powder by heat-treating the primary mixture, preparing a secondary mixture of raw material powders containing the calcined powder, and molding the secondary mixture. A step of forming an oxide sintered body by sintering the compact, and the step of forming the calcined powder is performed at 550 ° C. or higher and 1200 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. Forming a double oxide powder containing zinc and tungsten as the pre-fired powder by heat-treating the primary mixture at a temperature below.
上記によれば、比較的低い焼結温度でも高い見かけ密度を示すことができるとともに、高い熱伝導率を示すことができる酸化物焼結体およびその製造方法を提供することができる。また上記によれば、高電界効果移動度と高信頼性とを両立できる半導体デバイスを提供することが可能である。 According to the above, it is possible to provide an oxide sintered body capable of exhibiting a high apparent density even at a relatively low sintering temperature and exhibiting a high thermal conductivity, and a method for producing the same. Moreover, according to the above, it is possible to provide a semiconductor device that can achieve both high field effect mobility and high reliability.
<本発明の実施形態の説明>
まず、本発明の実施形態を列記して説明する。
<Description of Embodiment of the Present Invention>
First, embodiments of the present invention will be listed and described.
[1]本発明の一態様に係る酸化物焼結体は、インジウム(In)、タングステン(W)および亜鉛(Zn)を含有する酸化物焼結体であって、該酸化物焼結体の主成分であり、ビックスバイト型結晶相を含む第1結晶相と、X線回折における2θの34.74degより大きく34.97degより小さい位置に第1回折ピークを有する第2結晶相とを含む。第2結晶相は、酸化物焼結体の一部に含まれる。本実施形態の酸化物焼結体は、比較的低い焼結温度でも高い見かけ密度(焼結後の見かけ密度を意味しており、焼結密度とも呼ばれる。)を示すことができるとともに、高い熱伝導率を示すことができる。本実施形態の酸化物焼結体は、半導体デバイスが有する酸化物半導体膜(たとえばチャネル層として機能する酸化物半導体膜)を形成するためのスパッタターゲットとして好適に用いることができ、本実施形態の酸化物焼結体によれば、電界効果移動度および信頼性の高い半導体デバイスを得ることが可能である。 [1] An oxide sintered body according to one embodiment of the present invention is an oxide sintered body containing indium (In), tungsten (W), and zinc (Zn), and the oxide sintered body A first crystal phase that is a main component and includes a bixbite type crystal phase, and a second crystal phase having a first diffraction peak at a position greater than 34.74 deg of 2θ in X-ray diffraction and less than 34.97 deg. The second crystal phase is included in a part of the oxide sintered body. The oxide sintered body of the present embodiment can exhibit a high apparent density (meaning an apparent density after sintering, also referred to as a sintered density) even at a relatively low sintering temperature, and has a high heat Conductivity can be shown. The oxide sintered body of this embodiment can be suitably used as a sputtering target for forming an oxide semiconductor film (for example, an oxide semiconductor film functioning as a channel layer) included in a semiconductor device. According to the oxide sintered body, a semiconductor device having high field effect mobility and high reliability can be obtained.
[2]本実施形態の酸化物焼結体は、第1結晶相とは異なる結晶相であって、亜鉛を含有する第3結晶相を含むことができ、この第3結晶相を構成する粒子は、平均長軸径が3μm以上50μm以下であり、平均アスペクト比が4以上50以下であることが好ましい。このことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また上記半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 [2] The oxide sintered body of the present embodiment is a crystal phase different from the first crystal phase, and can include a third crystal phase containing zinc, and particles constituting the third crystal phase The average major axis diameter is preferably 3 μm or more and 50 μm or less, and the average aspect ratio is preferably 4 or more and 50 or less. This is advantageous in realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature, and also improves the field effect mobility and reliability of the semiconductor device. It is advantageous also in raising.
[3]本実施形態の酸化物焼結体において上記第3結晶相は、上記第1結晶相に分散していることが好ましい。このことは、本実施形態の酸化物焼結体をスパッタターゲットとして用いるうえで有利である。 [3] In the oxide sintered body of the present embodiment, the third crystal phase is preferably dispersed in the first crystal phase. This is advantageous when the oxide sintered body of the present embodiment is used as a sputtering target.
[4]本実施形態の酸化物焼結体において、第3結晶相は、X線回折における2θの31.77degより大きく32.00degより小さい位置に第2回折ピークを有する第4結晶相を含むことができる。第4結晶相は、酸化物焼結体の一部に含まれ得る相である。第4結晶相を含むことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また上記半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 [4] In the oxide sintered body of the present embodiment, the third crystal phase includes a fourth crystal phase having a second diffraction peak at a position larger than 31.77 deg of 2θ in X-ray diffraction and smaller than 32.00 deg. be able to. The fourth crystal phase is a phase that can be included in a part of the oxide sintered body. The inclusion of the fourth crystal phase is advantageous in realizing an oxide sintered body that has a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature, and also has a field effect transfer of the semiconductor device. It is also advantageous to increase the degree and reliability.
[5]本実施形態の酸化物焼結体は、第1回折ピークのピーク強度Iaと第2回折ピークのピーク強度Ibとの比Ia/Ibが0.05以上3以下であることができる。Ia/Ibが0.05以上3以下であることは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また上記半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 [5] In the oxide sintered body of the present embodiment, the ratio Ia / Ib between the peak intensity Ia of the first diffraction peak and the peak intensity Ib of the second diffraction peak can be 0.05 or more and 3 or less. An Ia / Ib of 0.05 or more and 3 or less is advantageous for realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. This is also advantageous in increasing the field effect mobility and reliability of the semiconductor device.
[6]本実施形態の酸化物焼結体において、第3結晶相は、タングステン酸亜鉛化合物結晶相である第5結晶相を含むことができる。このことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また上記半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 [6] In the oxide sintered body of the present embodiment, the third crystal phase can include a fifth crystal phase that is a zinc tungstate compound crystal phase. This is advantageous in realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature, and also improves the field effect mobility and reliability of the semiconductor device. It is advantageous also in raising.
[7]本実施形態の酸化物焼結体において、第1結晶相は、タングステン酸インジウム化合物結晶相をさらに含むことができる。このことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また上記半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 [7] In the oxide sintered body of the present embodiment, the first crystal phase may further include an indium tungstate compound crystal phase. This is advantageous in realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature, and also improves the field effect mobility and reliability of the semiconductor device. It is advantageous also in raising.
[8]本実施形態の酸化物焼結体は、見かけ密度が6.4g/cm3より大きく7.5g/cm3以下であり、酸化物焼結体中のインジウム、タングステンおよび亜鉛の合計に対するタングステンの含有率(以下、酸化物焼結体の「W含有率」ともいう。)が0.5原子%より大きく5.0原子%以下であり、酸化物焼結体中のインジウム、タングステンおよび亜鉛の合計に対する亜鉛の含有率(以下、酸化物焼結体の「Zn含有率」ともいう。)が1.2原子%以上40原子%未満であり、酸化物焼結体中のタングステンに対する亜鉛の原子比(以下、酸化物焼結体の「Zn/W比」ともいう。)が1.0より大きく80より小さいことが好ましい。見かけ密度が上記範囲であることは、本実施形態の酸化物焼結体をスパッタターゲットとして用いるうえで有利である。W含有率、Zn含有率およびZn/W比が上記範囲であることは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また上記半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 [8] The oxide sintered body of the present embodiment has an apparent density of greater than 6.4 g / cm 3 and 7.5 g / cm 3 or less, based on the sum of indium, tungsten and zinc in the oxide sintered body. The content of tungsten (hereinafter also referred to as “W content” of the oxide sintered body) is larger than 0.5 atomic% and not larger than 5.0 atomic%, and indium, tungsten and The zinc content relative to the total zinc (hereinafter also referred to as “Zn content” of the oxide sintered body) is 1.2 atomic% or more and less than 40 atomic%, and zinc relative to tungsten in the oxide sintered body The atomic ratio (hereinafter also referred to as “Zn / W ratio” of the oxide sintered body) is preferably larger than 1.0 and smaller than 80. The apparent density within the above range is advantageous when the oxide sintered body of the present embodiment is used as a sputtering target. The W content, Zn content, and Zn / W ratio being in the above ranges are advantageous for realizing an oxide sintered body that has a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. It is also advantageous for enhancing the field effect mobility and reliability of the semiconductor device.
[9]本発明の別の実施形態であるスパッタターゲットは、上記実施形態の酸化物焼結体を含む。本実施形態のスパッタターゲットは、上記実施形態の酸化物焼結体を含むため、電界効果移動度および信頼性の高い半導体デバイスの酸化物半導体膜をスパッタ法で形成するために好適に用いられる。 [9] A sputter target according to another embodiment of the present invention includes the oxide sintered body of the above embodiment. Since the sputter target of this embodiment includes the oxide sintered body of the above-described embodiment, it is preferably used for forming an oxide semiconductor film of a semiconductor device with high field effect mobility and high reliability by a sputtering method.
[10]本発明のさらに別の実施形態である半導体デバイスの製造方法は、酸化物半導体膜を含む半導体デバイスの製造方法であって、上記実施形態のスパッタターゲットを用意する工程と、該スパッタターゲットを用いてスパッタ法により上記酸化物半導体膜を形成する工程とを含む。本実施形態の製造方法により得られる半導体デバイスは、上記実施形態のスパッタターゲットを用いてスパッタ法により形成した酸化物半導体膜を含むため、高い電界効果移動度および信頼性を示すことができる。ここで述べる半導体デバイスとは、特に制限はないが、上記実施形態のスパッタターゲットを用いてスパッタ法により形成した酸化物半導体膜をチャネル層として含むTFT(薄膜トランジスタ)が好適な例である。 [10] A method for manufacturing a semiconductor device according to still another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device including an oxide semiconductor film, the step of preparing the sputter target of the above embodiment, and the sputter target And forming the oxide semiconductor film by sputtering using a sputtering method. Since the semiconductor device obtained by the manufacturing method of this embodiment includes an oxide semiconductor film formed by sputtering using the sputtering target of the above embodiment, high field-effect mobility and reliability can be exhibited. The semiconductor device described here is not particularly limited, but a TFT (thin film transistor) including an oxide semiconductor film formed by a sputtering method using the sputtering target of the above embodiment as a channel layer is a preferable example.
[11]本実施形態の半導体デバイスの製造方法において、得られる酸化物半導体膜中のインジウム、タングステンおよび亜鉛の合計に対するタングステンの含有率(以下、酸化物半導体膜の「W含有率」ともいう。)は0.5原子%より大きく5.0原子%以下であり、酸化物半導体膜中のインジウム、タングステンおよび亜鉛の合計に対する亜鉛の含有率(以下、酸化物半導体膜の「Zn含有率」ともいう。)は1原子%以上40原子%未満であり、酸化物半導体膜中のタングステンに対する亜鉛の原子比(以下、酸化物半導体膜の「Zn/W比」ともいう。)は1.0より大きく80より小さいことが好ましい。本実施形態の製造方法により得られる半導体デバイスは、上記実施形態のスパッタターゲットを用いて形成される酸化物半導体膜を含むため、高い電界効果移動度および信頼性を示すことができる。 [11] In the method for manufacturing a semiconductor device of this embodiment, the content of tungsten with respect to the sum of indium, tungsten and zinc in the obtained oxide semiconductor film (hereinafter also referred to as “W content” of the oxide semiconductor film). ) Is larger than 0.5 atomic% and not larger than 5.0 atomic%, and the zinc content relative to the total of indium, tungsten and zinc in the oxide semiconductor film (hereinafter referred to as “Zn content ratio” in the oxide semiconductor film) Is 1 atomic percent or more and less than 40 atomic percent, and the atomic ratio of zinc to tungsten in the oxide semiconductor film (hereinafter also referred to as “Zn / W ratio” of the oxide semiconductor film) is from 1.0. It is preferably larger and smaller than 80. Since the semiconductor device obtained by the manufacturing method of this embodiment includes an oxide semiconductor film formed using the sputtering target of the above embodiment, high field-effect mobility and reliability can be exhibited.
[12]本実施形態の半導体デバイスの製造方法において、得られる酸化物半導体膜は、ナノ結晶酸化物およびアモルファス酸化物の少なくともいずれか1つで構成されることができる。このことは、酸化物半導体膜をたとえばチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、電界効果移動度を高くし、かつ信頼性を高くするうえで有利である。 [12] In the semiconductor device manufacturing method of the present embodiment, the obtained oxide semiconductor film can be composed of at least one of nanocrystalline oxide and amorphous oxide. This is advantageous in increasing the field effect mobility and reliability in a semiconductor device including an oxide semiconductor film as a channel layer, for example.
[13]本発明のさらに別の実施形態である酸化物焼結体の製造方法は、上記実施形態の酸化物焼結体の製造方法であって、インジウム酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程と、1次混合物を熱処理することにより仮焼粉末を形成する工程と、仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物を調製する工程と、2次混合物を成形することにより成形体を形成する工程と、成形体を焼結することにより酸化物焼結体を形成する工程とを含み、仮焼粉末を形成する工程は、酸素含有雰囲気下、700℃以上1400℃未満の温度で1次混合物を熱処理することにより、仮焼成粉末としてインジウムとタングステンとを含む複酸化物の粉末を形成することを含む。本実施形態の酸化物焼結体の製造方法によれば、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高くてスパッタターゲットとして好適に用いることができ、かつ熱伝導率の高い酸化物焼結体を比較的容易に得ることができる。 [13] A method for manufacturing an oxide sintered body according to still another embodiment of the present invention is a method for manufacturing an oxide sintered body according to the above-described embodiment, and includes an indium oxide powder and a tungsten oxide powder. A step of preparing a primary mixture, a step of forming a calcined powder by heat-treating the primary mixture, a step of preparing a secondary mixture of raw material powders including the calcined powder, and forming the secondary mixture The step of forming a sintered body and the step of forming an oxide sintered body by sintering the molded body, and the step of forming the calcined powder is performed at 700 ° C. or higher and lower than 1400 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. Forming a double oxide powder containing indium and tungsten as a pre-fired powder by heat-treating the primary mixture at a temperature of According to the method for producing an oxide sintered body of the present embodiment, an oxide sintered body having a high apparent density at a relatively low sintering temperature and suitable for use as a sputtering target, and having a high thermal conductivity. It can be obtained relatively easily.
[14]上記[13]に係る実施形態の酸化物焼結体の製造方法において、上記複酸化物はIn6WO12型結晶相を含むことができる。このことは、見かけ密度および熱伝導率の高い酸化物焼結体を得るうえで有利である。 [14] In the method for manufacturing an oxide sintered body according to the embodiment according to [13], the double oxide may include an In 6 WO 12 type crystal phase. This is advantageous in obtaining an oxide sintered body with high apparent density and high thermal conductivity.
[15]本発明のさらに別の実施形態である酸化物焼結体の製造方法は、上記実施形態の酸化物焼結体の製造方法であって、亜鉛酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程と、1次混合物を熱処理することにより仮焼粉末を形成する工程と、仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物を調製する工程と、2次混合物を成形することにより成形体を形成する工程と、成形体を焼結することにより酸化物焼結体を形成する工程とを含み、仮焼粉末を形成する工程は、酸素含有雰囲気下、550℃以上1200℃未満の温度で1次混合物を熱処理することにより、仮焼成粉末として亜鉛とタングステンとを含む複酸化物の粉末を形成することを含む。本実施形態の酸化物焼結体の製造方法によれば、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高くてスパッタターゲットとして好適に用いることができ、かつ熱伝導率の高い酸化物焼結体を比較的容易に得ることができる。 [15] A method for manufacturing an oxide sintered body according to still another embodiment of the present invention is a method for manufacturing an oxide sintered body according to the above-described embodiment, and includes a zinc oxide powder and a tungsten oxide powder. A step of preparing a primary mixture, a step of forming a calcined powder by heat-treating the primary mixture, a step of preparing a secondary mixture of raw material powders including the calcined powder, and forming the secondary mixture The step of forming a calcined powder including the step of forming a molded body by sintering and the step of forming an oxide sintered body by sintering the molded body is performed at 550 ° C. or more and less than 1200 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. Forming a double oxide powder containing zinc and tungsten as a pre-fired powder by heat-treating the primary mixture at a temperature of According to the method for producing an oxide sintered body of the present embodiment, an oxide sintered body having a high apparent density at a relatively low sintering temperature and suitable for use as a sputtering target, and having a high thermal conductivity. It can be obtained relatively easily.
[16]上記[15]に係る実施形態の酸化物焼結体の製造方法において、上記複酸化物はZnWO4型結晶相を含むことができる。このことは、見かけ密度および熱伝導率の高い酸化物焼結体を得るうえで有利である。 [16] In the method of manufacturing an oxide sintered body according to the embodiment according to [15], the double oxide may include a ZnWO 4 type crystal phase. This is advantageous in obtaining an oxide sintered body with high apparent density and high thermal conductivity.
[17]上記[13]〜[16]に係る実施形態の酸化物焼結体の製造方法においてタングステン酸化物粉末は、WO3結晶相、WO2結晶相、およびWO2.72結晶相からなる群より選ばれる少なくとも1種の結晶相を含むことができる。このことは、見かけ密度および熱伝導率の高い酸化物焼結体を得るうえで有利である。 [17] In the method for manufacturing an oxide sintered body according to the embodiments of [13] to [16], the tungsten oxide powder is selected from the group consisting of a WO 3 crystal phase, a WO 2 crystal phase, and a WO 2.72 crystal phase. It may contain at least one selected crystal phase. This is advantageous in obtaining an oxide sintered body with high apparent density and high thermal conductivity.
[18]上記[13]〜[17]に係る実施形態の酸化物焼結体の製造方法においてタングステン酸化物粉末は、メジアン粒径d50が0.1μm以上4μm以下であることができる。このことは、見かけ密度および熱伝導率の高い酸化物焼結体を得るうえで有利である。 [18] In the method for producing an oxide sintered body according to the embodiments of [13] to [17], the tungsten oxide powder may have a median particle diameter d50 of 0.1 μm or more and 4 μm or less. This is advantageous in obtaining an oxide sintered body with high apparent density and high thermal conductivity.
<本発明の実施形態の詳細>
[実施形態1:酸化物焼結体]
本実施形態の酸化物焼結体は、インジウム(In)、タングステン(W)および亜鉛(Zn)を含有する酸化物焼結体である。本実施形態の酸化物焼結体は、該酸化物焼結体の主成分であってビックスバイト型結晶相を含む第1結晶相と、X線回折における2θの34.74degより大きく34.97degより小さい位置に第1回折ピークを有する第2結晶相とを含む。第2結晶相は、酸化物焼結体の一部に含まれる。本実施形態の酸化物焼結体は、比較的低い焼結温度でも高い見かけ密度を示すことができるとともに、高い熱伝導率を示すことができる。本実施形態の酸化物焼結体は、半導体デバイスの酸化物半導体膜(たとえばチャネル層として機能する酸化物半導体膜)を形成するためのスパッタターゲットとして好適に用いることができ、本実施形態の酸化物焼結体によれば、電界効果移動度および信頼性の高い半導体デバイスを得ることが可能である。
<Details of Embodiment of the Present Invention>
[Embodiment 1: Oxide sintered body]
The oxide sintered body of the present embodiment is an oxide sintered body containing indium (In), tungsten (W), and zinc (Zn). The oxide sintered body of the present embodiment includes a first crystal phase that is a main component of the oxide sintered body and includes a bixbyite crystal phase, and 34.97 deg which is larger than 34.74 deg of 2θ in X-ray diffraction. And a second crystal phase having a first diffraction peak at a smaller position. The second crystal phase is included in a part of the oxide sintered body. The oxide sintered body of the present embodiment can exhibit a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. The oxide sintered body of the present embodiment can be suitably used as a sputtering target for forming an oxide semiconductor film (for example, an oxide semiconductor film functioning as a channel layer) of a semiconductor device. According to the sintered body, it is possible to obtain a semiconductor device with high field effect mobility and high reliability.
(1)第1結晶相
第1結晶相は、酸化物焼結体の主成分であり、少なくともビックスバイト型結晶相を含む、後述するインジウム高含有型結晶相である。本明細書において「ビックスバイト型結晶相」とは、ビックスバイト結晶相、ならびにビックスバイト結晶相の少なくとも一部にIn以外の金属元素の少なくとも1つが含まれる相であって、ビックスバイト結晶相と同じ結晶構造を有するものの総称をいう。ビックスバイト結晶相は、インジウム酸化物(In2O3)の結晶相の1つであり、JCPDSカードの6−0416に規定される結晶構造をいい、希土類酸化物C型相(またはC−希土構造相)とも呼ぶ。
(1) First Crystal Phase The first crystal phase is a main component of the oxide sintered body and is an indium high-content crystal phase described later including at least a bixbite type crystal phase. In this specification, the “bixbite type crystal phase” means a bixbite crystal phase, and a phase in which at least one of the metal elements other than In is included in at least a part of the bixbite crystal phase, A generic term for those having the same crystal structure. The bixbite crystal phase is one of the crystal phases of indium oxide (In 2 O 3 ), refers to the crystal structure defined in JCPDS card 6-0416, and is a rare earth oxide C-type phase (or C-rare). Also called soil structure phase.
ビックスバイト型結晶相を含むことは、X線回折により同定できる。すなわち、X線回折により、ビックスバイト型結晶相の存在が確認され、各面間隔を測定することができる。X線回折の測定条件は、下記の「(2)第2結晶相」に示す条件が採用される。 The inclusion of a bixbite type crystal phase can be identified by X-ray diffraction. That is, the existence of a bixbite type crystal phase is confirmed by X-ray diffraction, and the spacing between each plane can be measured. As the measurement conditions for X-ray diffraction, the conditions shown in the following “(2) Second crystal phase” are employed.
「ビックスバイト型結晶相を含む第1結晶相が酸化物焼結体の主成分である」とは、酸化物焼結体中で、ビックスバイト型結晶相やタングステン酸インジウム化合物結晶相などの高含有率でInを含有するインジウム高含有型結晶相が占める割合(インジウム高含有型結晶相占有率)が50%以上であることを意味する。 “The first crystal phase including the bixbite type crystal phase is the main component of the oxide sintered body” means that in the oxide sintered body, the bixbite type crystal phase, the indium tungstate compound crystal phase, etc. This means that the ratio of the indium-rich crystal phase containing In in terms of content (the indium-rich crystal phase occupancy) is 50% or more.
「インジウム高含有型結晶相占有率」は、次のようにして測定される。まず、酸化物焼結体の一部からサンプルを採取し、該サンプルの表面を研磨して平滑にする。次いで、SEM−EDX(エネルギー分散型ケイ光X線分析計を付帯する走査型二次電子顕微鏡)を用いて、サンプルの当該表面をSEM(走査型二次電子顕微鏡)で観察し、各結晶粒子の金属元素の組成比をEDX(エネルギー分散型ケイ光X線分析計)で分析する。そして、それらの結晶粒子の金属元素の組成比の傾向に基づいて、結晶粒子のグループ分けを行う。具体的には、Znを含有し、より典型的にはZn含有率〔In、WおよびZnの合計に対するZnの含有率(原子%)〕が後述するグループBよりも高い結晶粒子のグループAと、Zn含有率が非常に低いかまたはZnを含有せず、かつ、グループAに比べてIn含有率(In、WおよびZnの合計に対するInの含有率(原子%))が高い結晶粒子のグループB(インジウム高含有型結晶相)とに分ける。このとき、グループBの結晶粒が第1結晶相(In2O3相など)であると判断される。第1結晶相は、ビックスバイト型結晶相のほか、タングステン酸インジウム化合物結晶相などを含み得る。そして、酸化物焼結体における「インジウム高含有型結晶相占有率」は、酸化物焼結体の上記測定表面に占めるインジウム高含有型結晶相(グループB)の面積の割合(百分率)として定義される。第1結晶相(インジウム高含有型結晶相)を主成分として含む本実施形態に係る酸化物焼結体は、この定義に従うインジウム高含有型結晶相占有率が50%以上である。 The “indium-rich crystal phase occupancy” is measured as follows. First, a sample is taken from a part of the oxide sintered body, and the surface of the sample is polished and smoothed. Next, using SEM-EDX (scanning secondary electron microscope with an energy dispersive fluorescent X-ray analyzer), the surface of the sample is observed with SEM (scanning secondary electron microscope), and each crystal particle The metal elemental composition ratio is analyzed by EDX (energy dispersive fluorescence X-ray analyzer). Then, the crystal particles are grouped based on the tendency of the composition ratio of the metal elements of the crystal particles. Specifically, a group A of crystal grains containing Zn and more typically having a Zn content [Zn content (atomic%) with respect to the sum of In, W and Zn] higher than Group B described later. A group of crystal grains having a very low Zn content or no Zn content and a high In content (In content (atomic%) with respect to the sum of In, W and Zn) compared to Group A And B (indium-rich crystal phase). At this time, the crystal grains of group B are determined to be the first crystal phase (such as In 2 O 3 phase). The first crystal phase may include an indium tungstate compound crystal phase in addition to the bixbyite crystal phase. The “indium-rich crystal phase occupancy ratio” in the oxide sintered body is defined as the ratio (percentage) of the area of the indium-rich crystal phase (group B) to the measurement surface of the oxide sintered body. Is done. The oxide sintered body according to this embodiment including the first crystal phase (indium-rich crystal phase) as a main component has an indium-rich crystal phase occupancy of 50% or more according to this definition.
第1結晶相において、その少なくとも一部にWおよび/またはZnが固溶していてもよい。このことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また当該酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 In the first crystal phase, W and / or Zn may be dissolved in at least a part thereof. This is advantageous in realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature, and is formed using the oxide sintered body. This is also advantageous in increasing the field effect mobility and reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor film as a channel layer.
「第1結晶相の少なくとも一部にWおよび/またはZnが固溶している」とは、第1結晶相の結晶格子中の少なくとも一部に、Wおよび/またはZnが置換型にて固溶している形態、結晶格子間に侵入型で固溶している形態、または置換型と侵入型の両方の形態で固溶している形態を意味する。 “W and / or Zn is solid-dissolved in at least a part of the first crystal phase” means that W and / or Zn is a substitutional solid in at least a part of the crystal lattice of the first crystal phase. It means a dissolved form, an interstitial solid solution form between crystal lattices, or a solid solution form in both substitutional and interstitial forms.
本実施形態に係る酸化物焼結体において、Wおよび/またはZnが第1結晶相に含まれるビックスバイト型結晶相の少なくとも一部に固溶していると、JCPDSカードの6−0416に規定される面間隔よりも広くなったり、狭くなったりする。X線回折では、ピーク位置が高角度側にシフトしたり、低角度側にシフトしたりする。かかるピークシフトが確認されるとともに、SEM−EDX(エネルギー分散型ケイ光X線分析計を付帯する走査型二次電子顕微鏡)やTEM−EDX(エネルギー分散型ケイ光X線分析計を付帯する透過型二次電子顕微鏡)により面分析を行い、InとWおよび/またはZnとが混在する領域の存在が確認されたとき、第1結晶相に含まれるビックスバイト型結晶相にWおよび/またはZnが固溶していると判断することができる。 In the oxide sintered body according to the present embodiment, when W and / or Zn is dissolved in at least a part of the bixbite type crystal phase included in the first crystal phase, it is defined in JCPDS card 6-0416. It becomes wider or narrower than the surface spacing. In X-ray diffraction, the peak position shifts to the high angle side or shifts to the low angle side. While such peak shift is confirmed, SEM-EDX (scanning secondary electron microscope with an energy dispersive fluorescence X-ray analyzer) and TEM-EDX (transmission with an energy dispersive fluorescence X-ray analyzer) Surface analysis by a type secondary electron microscope), and when the presence of a region in which In and W and / or Zn are mixed is confirmed, the bixbite type crystal phase contained in the first crystal phase contains W and / or Zn. It can be determined that is dissolved.
あるいは、ICP(誘導結合プラズマ)質量分析、SEM−EDX、その他の元素同定方法を用いて存在元素の同定を行い、InとともにWおよび/またはZnの存在が確認されたにもかかわらず、X線回折ではWおよび/またはZnの酸化物が確認されないことをもって、Wおよび/またはZnが第1結晶相に含まれるビックスバイト型結晶相に固溶していると判断することもできる。 Alternatively, the presence element is identified using ICP (inductively coupled plasma) mass spectrometry, SEM-EDX, and other element identification methods, and the presence of W and / or Zn together with In is confirmed. It can also be determined that W and / or Zn is solid-solved in the bixbite type crystal phase contained in the first crystal phase when the oxide of W and / or Zn is not confirmed by diffraction.
第1結晶相は、タングステン酸インジウム化合物結晶相をさらに含むことができる。タングステン酸インジウム化合物結晶相をさらに含むことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また、酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 The first crystal phase may further include an indium tungstate compound crystal phase. Further inclusion of an indium tungstate compound crystal phase is advantageous for realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. This is also advantageous in increasing the field-effect mobility and reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed using a combined body as a channel layer.
本明細書において「タングステン酸インジウム化合物結晶相」とは、In、WおよびOを主成分とする結晶相である。例えば、In6WO12結晶相、InW3O9相などが挙げられる。In6WO12結晶相は、三方晶系の結晶構造を有し、JCPDSカードの01−074−1410に規定される結晶構造を有するタングステン酸インジウム化合物結晶相である。当該結晶系を示す限り、酸素が欠損していたり、金属が固溶していたりしていて、格子定数が変化していても構わない。InW3O9相は、六方晶系の結晶構造を有し、JCPDSカードの33−627に規定される結晶構造を有するタングステン酸インジウム化合物結晶相である。当該結晶系を示す限り、酸素が欠損していたり、金属が固溶していたりしていて、格子定数が変化していても構わない。 In this specification, “indium tungstate compound crystal phase” is a crystal phase mainly composed of In, W and O. For example, In 6 WO 12 crystal phase, InW 3 O 9 phase and the like can be mentioned. The In 6 WO 12 crystal phase is a trigonal crystal structure and is an indium tungstate compound crystal phase having a crystal structure defined by JCPDS card 01-074-1410. As long as the crystal system is shown, oxygen may be deficient or metal may be dissolved, and the lattice constant may be changed. The InW 3 O 9 phase has a hexagonal crystal structure and is an indium tungstate compound crystal phase having a crystal structure defined by JCPDS card 33-627. As long as the crystal system is shown, oxygen may be deficient or metal may be dissolved, and the lattice constant may be changed.
タングステン酸インジウム化合物結晶相の存在は、X線回折において「タングステン酸インジウム化合物結晶相」に帰属されるピークの存在によって、確認することができる。例えば、上述のIn6WO12結晶相、InW3O9相に帰属されるピークの存在によって確認することができる。X線回折の測定条件は、上記の「(2)第2結晶相」に示す条件が採用される。 The presence of the indium tungstate compound crystal phase can be confirmed by the presence of a peak attributed to the “indium tungstate compound crystal phase” in X-ray diffraction. For example, it can be confirmed by the presence of peaks attributed to the above-mentioned In 6 WO 12 crystal phase and InW 3 O 9 phase. As the measurement conditions for the X-ray diffraction, the conditions shown in the above “(2) Second crystal phase” are employed.
(2)第2結晶相
第2結晶相は、第1結晶相とは異なる結晶相であって、X線回折における2θの34.74degより大きく34.97degより小さい位置に第1回折ピークを有する結晶相である。第1結晶相とともに、これとは異なる第2結晶相を含む本実施形態の酸化物焼結体は、比較的低い焼結温度でも高い見かけ密度を示すことができるとともに、高い熱伝導率を示すことができる。第1回折ピークの位置は、見かけ密度および熱伝導率の観点から、好ましくは2θの34.90degよりも小さい。第2結晶相は、酸化物焼結体の一部に含まれる。
(2) Second Crystal Phase The second crystal phase is a crystal phase different from the first crystal phase, and has a first diffraction peak at a position larger than 34.74 deg of 2θ in X-ray diffraction and smaller than 34.97 deg. Crystalline phase. The oxide sintered body according to the present embodiment including the first crystal phase and a second crystal phase different from the first crystal phase can exhibit a high apparent density even at a relatively low sintering temperature, and also exhibits a high thermal conductivity. be able to. The position of the first diffraction peak is preferably smaller than 34.90 deg of 2θ from the viewpoint of apparent density and thermal conductivity. The second crystal phase is included in a part of the oxide sintered body.
第2結晶相の存在は、X線回折によって確認することができる。X線回折は、以下の条件またはこれと同等条件にて測定される。 The presence of the second crystal phase can be confirmed by X-ray diffraction. X-ray diffraction is measured under the following conditions or equivalent conditions.
(X線回折の測定条件)
θ−2θ法、
X線源:Cu Kα線、
X線管球電圧:45kV、
X線管球電流:40mA、
ステップ幅:0.03deg、
ステップ時間:1秒/ステップ、
測定範囲2θ:10deg〜90deg。
(Measurement conditions for X-ray diffraction)
θ-2θ method,
X-ray source: Cu Kα ray,
X-ray tube voltage: 45 kV,
X-ray tube current: 40 mA,
Step width: 0.03 deg.
Step time: 1 second / step,
Measurement range 2θ: 10 deg to 90 deg.
X線回折において2θの34.74degより大きく34.97degより小さい位置に第1回折ピークが観察されることは、2.56Åより大きく2.58Åより小さい面間隔を持つことを意味している。第1回折ピークは、In、WおよびZnのいずれか1つ以上と酸素原子とからなる酸化物または複合酸化物の回折ピーク位置とは一致しないことが明らかになっている。上記酸化物としては、ビックスバイト型結晶相であるIn2O3相、六方晶ウルツ型結晶ZnO、単斜晶WO3などが挙げられる。上記複合酸化物としてはZnWO4、In6WO12、In2O3(ZnO)m(mは自然数)などが挙げられる。上記酸化物または上記複合酸化物の回折ピーク位置とは一致せず、かつX線回折において2θの34.74degより大きく34.97degより小さい範囲内に位置する第1回折ピークを有する第2結晶相をさらに含む本実施形態の酸化物焼結体は、比較的低い焼結温度でも高い見かけ密度を示すことができるとともに、高い熱伝導率を示すことができる。当該酸化物焼結体によれば、これを用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めることができる。 The fact that the first diffraction peak is observed at a position larger than 34.74 deg of 2θ in X-ray diffraction and smaller than 34.97 deg means that the surface interval is larger than 2.56 Å and smaller than 2.58 Å. It has been clarified that the first diffraction peak does not coincide with the diffraction peak position of an oxide or composite oxide composed of one or more of In, W and Zn and an oxygen atom. Examples of the oxide include In 2 O 3 phase, which is a bixbite type crystal phase, hexagonal wurtzite crystal ZnO, and monoclinic WO 3 . Examples of the composite oxide include ZnWO 4 , In 6 WO 12 , and In 2 O 3 (ZnO) m (m is a natural number). A second crystal phase having a first diffraction peak that does not coincide with the diffraction peak position of the oxide or the composite oxide and is located in a range of 2θ greater than 34.74 deg and less than 34.97 deg in X-ray diffraction In addition, the oxide sintered body of the present embodiment that further includes can exhibit a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. According to the oxide sintered body, field effect mobility and reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed using the oxide sintered body as a channel layer can be improved.
(3)第3結晶相
本実施形態の酸化物焼結体は、第1結晶相とは異なる結晶相であって、亜鉛(Zn)を含有する第3結晶相を含むことが好ましい。第3結晶相を含むことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また、酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。第3結晶相は、第2結晶相と同じ相である場合もあり得る。第3結晶相は、酸化物焼結体の一部に含まれ得る相である。
(3) Third Crystal Phase The oxide sintered body of the present embodiment is preferably a crystal phase different from the first crystal phase and includes a third crystal phase containing zinc (Zn). The inclusion of the third crystal phase is advantageous in realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. This is also advantageous in increasing the field-effect mobility and reliability of a semiconductor device including the oxide semiconductor film formed using the channel layer as a channel layer. The third crystal phase may be the same phase as the second crystal phase. The third crystal phase is a phase that can be included in part of the oxide sintered body.
第3結晶相は、Znを含有する結晶相であり、より典型的にはZn含有率〔In、WおよびZnの合計に対するZnの含有率(原子%)〕が第1結晶相より高い相である。第3結晶相の存在は、インジウム高含有型結晶相占有率を求める際に実施するSEM−EDXを用いた表面分析によって確認することができ、この表面分析によってグループ分けされる上述のグループAの結晶粒子を構成する結晶相が第3結晶相である。第3結晶相は、好ましくはZn含有率が50原子%以上である。比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現する観点から、第3結晶相のZn含有率は、より好ましくは60原子%以上であり、さらに好ましくは70原子%以上である。第3結晶相のZn含有率は、100原子%であってもよい。 The third crystal phase is a crystal phase containing Zn, and more typically a phase in which the Zn content [the Zn content (atomic%) relative to the sum of In, W and Zn] is higher than that of the first crystal phase. is there. The presence of the third crystal phase can be confirmed by surface analysis using SEM-EDX performed when obtaining the indium-rich crystal phase occupancy ratio. The crystal phase constituting the crystal particles is the third crystal phase. The third crystal phase preferably has a Zn content of 50 atomic% or more. From the viewpoint of realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature, the Zn content of the third crystal phase is more preferably 60 atomic% or more, More preferably, it is 70 atomic% or more. The Zn content of the third crystal phase may be 100 atomic%.
第3結晶相は、後述する第4結晶相、後述するタングステン酸亜鉛化合物結晶相である第5結晶相および六方晶ウルツ型結晶相からなる群より選択される少なくとも1つの結晶相であり得る。第3結晶相は、1種の結晶相のみからなっていてもよいし、2種以上の結晶相を含んでいてもよい。 The third crystal phase may be at least one crystal phase selected from the group consisting of a fourth crystal phase described later, a fifth crystal phase that is a zinc tungstate compound crystal phase described later, and a hexagonal wurtzite crystal phase. The third crystal phase may consist of only one type of crystal phase or may contain two or more types of crystal phases.
第3結晶相を構成する結晶粒子は、平均長軸径が3μm以上50μm以下であり、平均アスペクト比が4以上50以下であることが好ましい。このことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また、酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 The crystal grains constituting the third crystal phase preferably have an average major axis diameter of 3 to 50 μm and an average aspect ratio of 4 to 50. This is advantageous in realizing an oxide sintered body having a high apparent density and high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature, and is formed using the oxide sintered body. This is also advantageous in increasing the field effect mobility and reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor film as a channel layer.
上記平均長軸径および平均アスペクト比は次のようにして求められる。インジウム高含有型結晶相占有率を求める際に実施するSEM−EDXを用いた表面分析におけるSEM観察に反射電子像を用いると、第3結晶相であるグループAは、第1結晶相に分類されるグループBに比して濃いグレーに観察される。500倍で撮影した反射電子像において濃いグレーに観察される第3結晶相を構成する結晶粒子に関して長軸長さおよび短軸長さを測定し、長軸長さと短軸長さとの比(長軸長さ/短軸長さ)であるアスペクト比を算出する。短軸長さは、長軸長さの1/2の位置において測定される。なお、測定対象である第3結晶相は単結晶である必要はなく、多結晶が寄り集まった粒子であってもよく、第1結晶相に囲まれた独立した第3結晶相の領域を一つの粒子として計測する。 The average major axis diameter and average aspect ratio are determined as follows. When a reflected electron image is used for SEM observation in the surface analysis using SEM-EDX, which is performed when obtaining the indium-rich crystal phase occupancy, group A, which is the third crystal phase, is classified as the first crystal phase. It is observed in a dark gray color compared to Group B. The major axis length and minor axis length of the crystal grains constituting the third crystal phase observed in dark gray in the backscattered electron image taken at 500 times are measured, and the ratio of the major axis length to the minor axis length (long The aspect ratio is calculated (axis length / short axis length). The minor axis length is measured at a position that is 1/2 the major axis length. Note that the third crystal phase to be measured does not have to be a single crystal, and may be a particle in which polycrystals are gathered together. One independent third crystal phase region surrounded by the first crystal phase may be used. Measure as one particle.
SEM観察において500倍で撮影した反射電子像の170μm×250μm視野にある第3結晶相の短軸長さ、長軸長さをランダムにそれぞれ100個計測し、長軸長さを長い方から順番に並べた3位から22位の20個の平均値を平均長軸径とする。 In the SEM observation, 100 short axis lengths and 100 long axis lengths of the third crystal phase in the 170 μm × 250 μm field of the backscattered electron image taken at 500 times are measured randomly, and the long axis length is measured in order from the longest. The average value of 20 from the 3rd position to the 22nd position arranged in the above is defined as the average major axis diameter.
同様に、SEM観察において500倍で撮影した反射電子像の170μm×250μm視野にある第3結晶相の短軸長さ、長軸長さをランダムにそれぞれ100個計測して、それぞれについてアスペクト比(長軸長さ/短軸長さ)を算出し、得られたアスペクト比を長い方から順番に並べた3位から22位の20個の平均値を平均アスペクト比とする。 Similarly, 100 short axis lengths and long axis lengths of the third crystal phase in the 170 μm × 250 μm field of the backscattered electron image taken at 500 times in SEM observation were measured at random, and the aspect ratio ( (Major axis length / minor axis length) is calculated, and an average value of 20 average values from the 3rd position to the 22nd position in which the obtained aspect ratios are arranged in order from the longest side is defined as the average aspect ratio.
平均長軸径が3μm以上50μm以下であることは、酸化物焼結体の見かけ密度および熱伝導率を高めるうえで有利である。平均長軸径が3μmより小さい場合、十分に高い熱伝導率が得られない傾向にある。平均長軸径が50μmより大きい場合、十分に高い見かけ密度が得られない傾向にある。平均長軸径は、より好ましくは10μm以上であり、さらに好ましくは15μm以上である。また平均長軸径は、より好ましくは40μm以下であり、さらに好ましくは30μm以下である。 An average major axis diameter of 3 μm or more and 50 μm or less is advantageous in increasing the apparent density and thermal conductivity of the oxide sintered body. When the average major axis diameter is smaller than 3 μm, a sufficiently high thermal conductivity tends not to be obtained. When the average major axis diameter is larger than 50 μm, a sufficiently high apparent density tends not to be obtained. The average major axis diameter is more preferably 10 μm or more, and further preferably 15 μm or more. The average major axis diameter is more preferably 40 μm or less, and further preferably 30 μm or less.
平均アスペクト比が4以上50以下であることは、酸化物焼結体の見かけ密度および熱伝導率を高めるうえで有利である。平均アスペクト比が4より小さい場合、十分に高い熱伝導率が得られない傾向にある。平均アスペクト比が50より大きい場合、十分に高い見かけ密度が得られない傾向にある。平均アスペクト比は、より好ましくは6以上であり、さらに好ましくは8以上である。また平均アスペクト比は、より好ましくは40以下であり、さらに好ましくは30以下である。 An average aspect ratio of 4 or more and 50 or less is advantageous in increasing the apparent density and thermal conductivity of the oxide sintered body. When the average aspect ratio is less than 4, a sufficiently high thermal conductivity tends not to be obtained. When the average aspect ratio is greater than 50, a sufficiently high apparent density tends not to be obtained. The average aspect ratio is more preferably 6 or more, and still more preferably 8 or more. The average aspect ratio is more preferably 40 or less, and still more preferably 30 or less.
第3結晶相は、第1結晶相に分散していることが好ましい。このことは、本実施形態の酸化物焼結体をスパッタターゲットとして用いるうえで有利である。 The third crystal phase is preferably dispersed in the first crystal phase. This is advantageous when the oxide sintered body of the present embodiment is used as a sputtering target.
スパッタ法では、スパッタターゲットに印加する電圧を直流電圧とすることがあるが、この場合、スパッタターゲットは導電性を有することが望まれている。スパッタターゲットの電気抵抗が高くなると、直流電圧を印加できずにスパッタ法による成膜(酸化物半導体膜の形成)を実施することができないためである。 In the sputtering method, the voltage applied to the sputtering target may be a DC voltage. In this case, the sputtering target is desired to have conductivity. This is because when the electric resistance of the sputtering target is increased, a direct-current voltage cannot be applied and film formation by sputtering (formation of an oxide semiconductor film) cannot be performed.
スパッタターゲットして用いる酸化物焼結体において、その一部に電気抵抗の高い領域が存在し、その領域が広い場合、電気抵抗の高い領域には直流電圧が印加されないため、その領域がスパッタリングされないなどの問題を生じるおそれがある。あるいは、電気抵抗の高い領域でアーキングと呼ばれる異常放電が発生し、成膜が正常に実施されないなどの問題を生じるおそれがある。 In the oxide sintered body used as a sputtering target, there is a region with a high electrical resistance in a part thereof, and when the region is wide, a direct current voltage is not applied to the region with a high electrical resistance, so that region is not sputtered. May cause problems. Alternatively, abnormal discharge called arcing may occur in a region with high electrical resistance, which may cause problems such as film formation not being performed normally.
第3結晶相は、第1結晶相と比較して電気抵抗が高いため、第3結晶相が広い領域にわたって存在している場合には上記問題を生じる可能性がある。この点に鑑み、上述のとおり、第3結晶相は、第1結晶相に分散していることが好ましい。ここでいう分散とは、平均長軸径が3μm以上50μm以下であり、平均アスペクト比が4以上50以下である結晶粒子が、好ましくは1個、多くても5個以下の凝集体にて存在していることを意味する。分散状態の確認は、上述の500倍のSEM観察による反射電子像によって確認できる。 Since the third crystal phase has a higher electrical resistance than the first crystal phase, there is a possibility that the above-described problem occurs when the third crystal phase exists over a wide region. In view of this point, as described above, the third crystal phase is preferably dispersed in the first crystal phase. The term “dispersion” as used herein means that the crystal grains having an average major axis diameter of 3 μm or more and 50 μm or less and an average aspect ratio of 4 or more and 50 or less are preferably present in an aggregate of 1 or at most 5 or less. Means that Confirmation of the dispersion state can be confirmed by the reflected electron image obtained by SEM observation of 500 times as described above.
第3結晶相は、第1結晶相とは異なる結晶相であって、X線回折における2θの31.77degより大きく32.00degより小さい位置に第2回折ピークを有する第4結晶相を含むことが好ましい。第4結晶相を含むことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また、酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。第4結晶相は、第2結晶相と同じ相である場合もあり得る。第4結晶相は、酸化物焼結体の一部に含まれ得る相である。 The third crystal phase is a crystal phase different from the first crystal phase, and includes a fourth crystal phase having a second diffraction peak at a position larger than 31.77 deg of 2θ in X-ray diffraction and smaller than 32.00 deg. Is preferred. The inclusion of the fourth crystal phase is advantageous in realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. This is also advantageous in increasing the field-effect mobility and reliability of a semiconductor device including the oxide semiconductor film formed using the channel layer as a channel layer. The fourth crystal phase may be the same phase as the second crystal phase. The fourth crystal phase is a phase that can be included in a part of the oxide sintered body.
比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで、第2回折ピークの位置は、好ましくは31.8degより大きく、また好ましくは31.96deg以下である。X線回折において2θの31.77degより大きく32.00degより小さい位置に第2回折ピークが観察されることは、2.795Åより大きく2.814Åより小さい面間隔を持つことを意味している。 In order to realize an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature, the position of the second diffraction peak is preferably larger than 31.8 deg, and preferably 31. .96 deg or less. The fact that the second diffraction peak is observed at a position larger than 31.77 deg of 2θ and smaller than 32.00 deg in X-ray diffraction means that it has an interplanar spacing larger than 2.795 mm and smaller than 2.814 mm.
第4結晶相の存在は、X線回折によって確認することができる。X線回折の測定条件は、上記の「(2)第2結晶相」に示す条件が採用される。第4結晶相としては、たとえばIn2O3(ZnO)5が考えられるが、第4結晶相が示す第2回折ピークの位置は、一般にIn2O3(ZnO)5の回折ピーク位置よりも低角度側である31.92deg付近にあるので、第4結晶相が実際にIn2O3(ZnO)5であるかは、現在のところ定かではない。また、第4結晶相が実際にIn2O3(ZnO)5である場合、第4結晶相と第2結晶相とは異なる。 The presence of the fourth crystal phase can be confirmed by X-ray diffraction. As the measurement conditions for the X-ray diffraction, the conditions shown in the above “(2) Second crystal phase” are employed. For example, In 2 O 3 (ZnO) 5 can be considered as the fourth crystal phase, but the position of the second diffraction peak indicated by the fourth crystal phase is generally more than the diffraction peak position of In 2 O 3 (ZnO) 5. Since it is in the vicinity of 31.92 deg on the low angle side, it is not certain at present whether the fourth crystal phase is actually In 2 O 3 (ZnO) 5 . Further, when the fourth crystal phase is actually In 2 O 3 (ZnO) 5 , the fourth crystal phase is different from the second crystal phase.
本実施形態の酸化物焼結体は、第1回折ピークのピーク強度Iaと、第2回折ピークのピーク強度Ibとの比Ia/Ibが0.05以上3以下であることが好ましい。Ia/Ibが0.05以上3以下であることは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また、酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 In the oxide sintered body of the present embodiment, the ratio Ia / Ib between the peak intensity Ia of the first diffraction peak and the peak intensity Ib of the second diffraction peak is preferably 0.05 or more and 3 or less. Ia / Ib of 0.05 or more and 3 or less is advantageous in realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature, This is also advantageous in increasing the field effect mobility and reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed using an oxide sintered body as a channel layer.
Ia/Ibが0.05未満であると、得られる酸化物焼結体の熱伝導率が十分に高くならない傾向にある。この観点から、Ia/Ibは、より好ましくは0.1以上であり、さらに好ましくは0.2以上である。Ia/Ibが3より大きい酸化物焼結体を調製することは容易ではない。高い熱伝導率を得る観点から、Ia/Ibは、より好ましくは2以下である。 When Ia / Ib is less than 0.05, the thermal conductivity of the obtained oxide sintered body tends not to be sufficiently high. From this viewpoint, Ia / Ib is more preferably 0.1 or more, and further preferably 0.2 or more. It is not easy to prepare an oxide sintered body having Ia / Ib greater than 3. From the viewpoint of obtaining high thermal conductivity, Ia / Ib is more preferably 2 or less.
X線回折におけるピーク強度IaおよびIbは、それぞれ次のようにして求められる。まず、2θが32.15deg以上32.90deg以下の範囲におけるX線回折のシグナル強度Iの平均値Iaveを算出する。次に、第1回折ピークのシグナル強度Ia’および第2回折ピークのシグナル強度Ib’を計測し、第1回折ピークのピーク強度Iaを、下記式:
Ia=Ia’−Iave
より求める。同様に、第2回折ピークのピーク強度Ibを、下記式:
Ib=Ib’−Iave
より求める。本計算はX線回折におけるバックグラウンドを除去することを目的としている。
The peak intensities Ia and Ib in X-ray diffraction are obtained as follows. First, the average value Iave of the signal intensity I of X-ray diffraction in the range where 2θ is 32.15 deg or more and 32.90 deg or less is calculated. Next, the signal intensity Ia ′ of the first diffraction peak and the signal intensity Ib ′ of the second diffraction peak are measured, and the peak intensity Ia of the first diffraction peak is expressed by the following formula:
Ia = Ia′−Iave
Ask more. Similarly, the peak intensity Ib of the second diffraction peak is expressed by the following formula:
Ib = Ib′−Iave
Ask more. The purpose of this calculation is to remove the background in X-ray diffraction.
Ia/Ibは、試料が無配向である場合には物質固有の値を示すが、本実施形態の酸化物焼結体においてIa/Ibは、物質固有の値とは異なる値を示すことがある。この場合、第1回折ピークを有する第2結晶相と第2回折ピークを有する第4結晶相とが同じ化合物である場合は、本化合物が配向性を有していると考えられる。また、第1回折ピークを有する第2結晶相と第2回折ピークを有する第4結晶相とが異なる化合物である場合は、第2結晶相および/または第4結晶相が配向性を有している、もしくは第2結晶相と第4結晶相の存在割合を反映した値となっていると考えられる。結晶の方位によって、酸化物焼結体の熱伝導率や機械的強度は異なり得るところ、本実施形態の酸化物焼結体においては、Ia/Ibが0.05以上3以下であると、高い熱伝導率や高い機械的強度を実現するうえで有利となる。 Ia / Ib shows a value specific to the material when the sample is non-oriented, but in the oxide sintered body of the present embodiment, Ia / Ib may show a value different from the value specific to the material. . In this case, when the second crystal phase having the first diffraction peak and the fourth crystal phase having the second diffraction peak are the same compound, it is considered that the present compound has orientation. Further, when the second crystal phase having the first diffraction peak and the fourth crystal phase having the second diffraction peak are different compounds, the second crystal phase and / or the fourth crystal phase have orientation. Or a value reflecting the ratio of the second crystal phase and the fourth crystal phase. The thermal conductivity and mechanical strength of the oxide sintered body may vary depending on the crystal orientation, but in the oxide sintered body of this embodiment, Ia / Ib is high when it is 0.05 or more and 3 or less. This is advantageous in realizing thermal conductivity and high mechanical strength.
また第3結晶相は、第1結晶相とは異なる結晶相であって、タングステン酸亜鉛化合物結晶相である第5結晶相を含むことができる。第5結晶相をさらに含むことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また、酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。第5結晶相は、第2結晶相または第4結晶相と同じ相である場合もあり得る。第5結晶相は、酸化物焼結体の一部に含まれ得る相である。 The third crystal phase is a crystal phase different from the first crystal phase, and can include a fifth crystal phase that is a zinc tungstate compound crystal phase. Further including the fifth crystal phase is advantageous in realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. This is also advantageous in increasing the field effect mobility and reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed using a silicon oxide as a channel layer. The fifth crystal phase may be the same phase as the second crystal phase or the fourth crystal phase. The fifth crystal phase is a phase that can be included in part of the oxide sintered body.
本明細書において「タングステン酸亜鉛化合物結晶相」とは、Zn、WおよびOを主成分とする結晶相である。例えば、ZnWO4型結晶相が挙げられる。「ZnWO4型結晶相」とは、ZnWO4結晶相、ならびにZnWO4結晶相の少なくとも一部にZnおよびW以外の元素の少なくとも一つが含まれる相であって、ZnWO4結晶相と同じ結晶構造を有するものの総称をいう。ZnWO4結晶相は、空間群P12/c1(13)にて表される結晶構造を有し、JCPDSカードの01−088−0251に規定される結晶構造を有するタングステン酸亜鉛化合物結晶相である。当該結晶系を示す限り、酸素が欠損していたり、金属が固溶していたりしていて、格子定数が変化していても構わない。 In this specification, the “zinc tungstate compound crystal phase” is a crystal phase mainly composed of Zn, W and O. For example, a ZnWO 4 type crystal phase can be mentioned. The "ZnWO 4 type crystal phase", ZnWO 4 crystalline phase, and at least a portion of ZnWO 4 crystalline phase a phase that contains at least one element other than Zn and W, the same crystal structure as ZnWO 4 crystalline phase This is a general term for those having The ZnWO 4 crystal phase is a zinc tungstate compound crystal phase having a crystal structure represented by the space group P12 / c1 (13) and having a crystal structure defined by JCPDS card 01-088-0251. As long as the crystal system is shown, oxygen may be deficient or metal may be dissolved, and the lattice constant may be changed.
第5結晶相の存在は、X線回折において「タングステン酸亜鉛化合物結晶相」に帰属されるピークの存在によって、確認することができる。例えば、上述のZnWO4型結晶相に帰属されるピークの存在によって確認することができる。X線回折の測定条件は、上記の「(2)第2結晶相」に示す条件が採用される。 The presence of the fifth crystal phase can be confirmed by the presence of a peak attributed to the “zinc tungstate compound crystal phase” in X-ray diffraction. For example, it can be confirmed by the presence of a peak attributed to the above-described ZnWO 4 type crystal phase. As the measurement conditions for the X-ray diffraction, the conditions shown in the above “(2) Second crystal phase” are employed.
また第3結晶相は、六方晶ウルツ型結晶相をさらに含むことができる。六方晶ウルツ型結晶相をさらに含むことは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また、酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。六方晶ウルツ型結晶相は、第4結晶相と同じ相である場合もあり得る。六方晶ウルツ型結晶相が第4結晶相である場合、第4結晶相と第2結晶相は異なる。六方晶ウルツ型結晶相は、酸化物焼結体の一部に含まれ得る相である。 The third crystal phase can further include a hexagonal wurtzite crystal phase. Further inclusion of a hexagonal wurtzite crystal phase is advantageous for realizing an oxide sintered body having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. This is also advantageous in increasing the field-effect mobility and reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed using a combined body as a channel layer. The hexagonal wurtzite crystal phase may be the same phase as the fourth crystal phase. When the hexagonal wurtzite crystal phase is the fourth crystal phase, the fourth crystal phase and the second crystal phase are different. The hexagonal wurtzite crystal phase is a phase that can be included in part of the oxide sintered body.
本明細書において「六方晶ウルツ型結晶相」とは、六方晶ウルツ結晶相、ならびに六方晶ウルツ結晶相の少なくとも一部にZn以外の金属元素の少なくとも1つが含まれる相であって、六方晶ウルツ結晶相と同じ結晶構造を有するものの総称をいう。六方晶ウルツ結晶相は、亜鉛酸化物(ZnO)の結晶相の1つであり、空間群:P63mc、空間群No.:186にて表され、JCPDSカードの01−079−0207に規定される結晶構造をいう。 As used herein, the term “hexagonal wurtzite crystal phase” refers to a hexagonal wurtz crystal phase and a phase in which at least a part of the hexagonal wurtz crystal phase contains at least one metal element other than Zn, A generic term for those having the same crystal structure as the Wurtz crystal phase. The hexagonal wurtz crystal phase is one of the crystal phases of zinc oxide (ZnO), and space group: P63mc, space group no. : A crystal structure represented by 186 and defined in JCPDS card 01-079-0207.
六方晶ウルツ型結晶相の存在は、X線回折において「六方晶ウルツ型結晶相」に帰属されるピークの存在によって、確認することができる。例えば、上述の亜鉛酸化物に帰属されるピークの存在によって確認することができる。X線回折の測定条件は、上記の「(2)第2結晶相」に示す条件が採用される。 The presence of the hexagonal wurtzite crystal phase can be confirmed by the presence of a peak attributed to the “hexagonal wurtzite crystal phase” in X-ray diffraction. For example, it can be confirmed by the presence of a peak attributed to the above zinc oxide. As the measurement conditions for the X-ray diffraction, the conditions shown in the above “(2) Second crystal phase” are employed.
六方晶ウルツ型結晶相は、ZnOを主成分として含み、その少なくとも一部に置換型、侵入型の形でWおよび/またはInが固溶していてもよい。固溶していることの確認には、上述の「第1結晶相の少なくとも一部にWおよび/またはZnが固溶している」ことを確認する手法と同様に、X線回折、SEM−EDX、TEM−EDXを用いた手法を適用することができる。 The hexagonal wurtzite crystal phase may contain ZnO as a main component, and W and / or In may be dissolved in substitutional or interstitial forms at least in part. In the confirmation of the solid solution, X-ray diffraction, SEM-, as well as the above-mentioned method for confirming that “W and / or Zn is dissolved in at least a part of the first crystal phase”. A technique using EDX or TEM-EDX can be applied.
(4)酸化物焼結体の見かけ密度、W含有率、Zn含有率およびZn/W比
本実施形態の酸化物焼結体は、見かけ密度が6.4g/cm3より大きく7.5g/cm3以下であることが好ましい。また本実施形態の酸化物焼結体は、その理論密度に対する見かけ密度の比である相対密度(相対密度/理論密度)が94%以上であることが好ましい。本実施形態の酸化物焼結体の理論密度は、そのIn含有率、W含有率およびZn含有率に依存し、計算上、6.8g/cm3〜7.5g/cm3の範囲の値を採り得る。
(4) Apparent density, W content, Zn content, and Zn / W ratio of the oxide sintered body The oxide sintered body of the present embodiment has an apparent density greater than 6.4 g / cm 3 and 7.5 g / It is preferable that it is cm 3 or less. The oxide sintered body of the present embodiment preferably has a relative density (relative density / theoretical density) of 94% or more, which is the ratio of the apparent density to the theoretical density. Theoretical density of the oxide sintered body of the present embodiment, the In content, depending on the W content and Zn content, calculated on, 6.8g / cm 3 ~7.5g / cm 3 range of values Can be taken.
見かけ密度が上記範囲であることは、本実施形態の酸化物焼結体をスパッタターゲットとして用いるうえで有利である。酸化物焼結体をスパッタターゲットとして用いる場合、その酸化物焼結体の見かけ密度は高ければ高いほど望ましいとされている。酸化物焼結体の見かけ密度が低いということは、酸化物焼結体中に空孔が多く存在することを意味している。スパッタターゲットは使用時に表面がアルゴンイオンでエッチングされながら使用される。したがって、酸化物焼結体中に空孔が存在すると、成膜中にこれが露出して内部の気体が放出されるため、析出される酸化物半導体薄膜中にターゲットから放出された気体が混入してしまい、膜特性が劣化する。また、酸化物焼結体の見かけ密度が低いと、成膜時にノジュールといわれるInの絶縁体がターゲット上に生成し、良好なスパッタ放電が阻害されることが知られており、この観点からも酸化物焼結体の見かけ密度を高くすることが望まれる。 The apparent density within the above range is advantageous when the oxide sintered body of the present embodiment is used as a sputtering target. When an oxide sintered body is used as a sputter target, the apparent density of the oxide sintered body is preferably as high as possible. The low apparent density of the oxide sintered body means that there are many voids in the oxide sintered body. The sputter target is used while its surface is etched with argon ions during use. Therefore, if there are vacancies in the oxide sintered body, they are exposed during film formation and the internal gas is released, so that the gas released from the target is mixed into the deposited oxide semiconductor thin film. As a result, the film characteristics deteriorate. In addition, it is known that if the apparent density of the oxide sintered body is low, an In insulator called nodule is generated on the target during film formation, and good sputter discharge is inhibited. It is desired to increase the apparent density of the oxide sintered body.
本実施形態の酸化物焼結体は、W含有率が0.5原子%より大きく5.0原子%以下であり、Zn含有率が1.2原子%以上40原子%未満であり、Zn/W比が1.0より大きく80より小さいことが好ましい。W含有率、Zn含有率およびZn/W比が上記範囲であることは、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高く、かつ高い熱伝導率を示す酸化物焼結体を実現するうえで有利であり、また、酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利である。 The oxide sintered body of the present embodiment has a W content greater than 0.5 atomic% and 5.0 atomic% or less, a Zn content of 1.2 atomic% or more and less than 40 atomic%, Zn / The W ratio is preferably larger than 1.0 and smaller than 80. The W content, Zn content, and Zn / W ratio being in the above ranges are advantageous for realizing an oxide sintered body that has a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. In addition, it is advantageous in increasing the field effect mobility and reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed using an oxide sintered body as a channel layer.
電界効果移動度および信頼性を高める観点から、酸化物焼結体のW含有率は、より好ましくは0.6原子%以上3原子%以下であり、さらに好ましくは2原子%以下である。酸化物焼結体のW含有率が0.5原子%以下の場合、かかる酸化物焼結体を用いて形成された酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、信頼性が低くなってしまう。酸化物焼結体のW含有率が5原子%を超える場合、かかる酸化物焼結体を含むスパッタターゲットを用いて形成された酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、電界効果移動度が低くなってしまう。 From the viewpoint of enhancing field effect mobility and reliability, the W content of the oxide sintered body is more preferably 0.6 atomic percent or more and 3 atomic percent or less, and further preferably 2 atomic percent or less. When the W content of the oxide sintered body is 0.5 atomic% or less, in a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed using the oxide sintered body as a channel layer, the reliability becomes low. End up. When the W content of the oxide sintered body exceeds 5 atomic%, in a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed using a sputtering target including the oxide sintered body as a channel layer, field effect mobility Will be lower.
このように、好ましくは、本実施形態の酸化物焼結体を用いて形成される酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスの特性によって酸化物焼結体のW含有率の範囲が決定され、酸化物半導体膜のW含有率は通常、酸化物焼結体のW含有率に応じた値を示す。ただし、酸化物半導体膜のW含有率と酸化物焼結体のW含有率と必ずしも一致する必要はない。 Thus, preferably, the range of the W content of the oxide sintered body is determined by the characteristics of the semiconductor device including the oxide semiconductor film formed using the oxide sintered body of the present embodiment as a channel layer. The W content of the oxide semiconductor film usually indicates a value corresponding to the W content of the oxide sintered body. However, the W content of the oxide semiconductor film does not necessarily match the W content of the oxide sintered body.
インジウム酸化物とタングステン酸化物とを混合して得られる酸化物焼結体は、一般に見かけ密度が小さい。Znを含有させ、WとZnとの接触点を増やすことによって見かけ密度を高めることができるが、半導体デバイスの特性を考慮して決められる所望のW含有率は0.5原子%より大きく5.0原子%以下と少量であるため、より高い見かけ密度を有する酸化物焼結体を実現するためにはZn含有率を高くすることが好ましい。Zn含有率が1.2原子%未満の場合、十分に高い見かけ密度を得ることが難しい傾向にある。Zn含有率が40原子%以上の場合、酸化物焼結体の電気抵抗が高くなり、直流電圧印加によりスパッタリングすることが困難な傾向にある。また、Zn/W比が1.0以下の場合、十分に高い見かけ密度を得ることが難しい傾向にある。Zn/W比が80以上の場合、酸化物焼結体の電気抵抗が高くなり、直流電圧印加によりスパッタリングすることが困難な傾向にある。酸化物焼結体中のIn、ZnおよびWの含有量は、ICP質量分析法により測定することができる。 An oxide sintered body obtained by mixing indium oxide and tungsten oxide generally has a small apparent density. Although the apparent density can be increased by containing Zn and increasing the contact points between W and Zn, the desired W content determined in consideration of the characteristics of the semiconductor device is greater than 0.5 atomic%. Since the amount is as small as 0 atomic% or less, it is preferable to increase the Zn content in order to realize an oxide sintered body having a higher apparent density. When the Zn content is less than 1.2 atomic%, it tends to be difficult to obtain a sufficiently high apparent density. When the Zn content is 40 atomic% or more, the electric resistance of the oxide sintered body increases, and it tends to be difficult to perform sputtering by applying a DC voltage. Further, when the Zn / W ratio is 1.0 or less, it tends to be difficult to obtain a sufficiently high apparent density. When the Zn / W ratio is 80 or more, the electric resistance of the oxide sintered body becomes high, and it tends to be difficult to perform sputtering by applying a DC voltage. The contents of In, Zn, and W in the oxide sintered body can be measured by ICP mass spectrometry.
なお、本実施形態の酸化物焼結体は、ジルコニウム(Zr)をさらに含有していてもよい。その含有量は、たとえば1×1017atms/cm3以上1×1020atms/cm3以下である。Zrは、酸化物焼結体の製造工程にて混入し得る元素であるが、高い見かけ密度を達成することを阻害するものではない。Zrの存在およびその含有量は、二次イオン質量分析計にて確認することができる。 Note that the oxide sintered body of the present embodiment may further contain zirconium (Zr). The content is, for example, 1 × 10 17 atms / cm 3 or more and 1 × 10 20 atms / cm 3 or less. Zr is an element that can be mixed in the manufacturing process of the oxide sintered body, but does not hinder achieving a high apparent density. The presence of Zr and its content can be confirmed with a secondary ion mass spectrometer.
(5)酸化物焼結体のスパッタターゲットへの適用
本実施形態の酸化物焼結体は、スパッタターゲットとして好適に用いることができる。スパッタターゲットとは、スパッタ法の原料となるものである。スパッタ法とは、成膜室内にスパッタターゲットと基板とを対向させて配置し、スパッタターゲットに電圧を印加して、希ガスイオンでターゲットの表面をスパッタリングすることにより、ターゲットからターゲットを構成する原子を放出させて基板上に堆積させることによりターゲットを構成する原子で構成される膜を形成する方法をいう。
(5) Application of oxide sintered body to sputter target The oxide sintered body of the present embodiment can be suitably used as a sputter target. The sputter target is a raw material for the sputtering method. In the sputtering method, a sputtering target and a substrate are placed facing each other in a film forming chamber, a voltage is applied to the sputtering target, and the surface of the target is sputtered with rare gas ions, thereby forming atoms constituting the target from the target. This is a method of forming a film composed of atoms constituting the target by releasing and depositing on the substrate.
スパッタターゲットは、印加される電圧によって電流が流れることから、加熱される。このため、酸化物焼結体は銅のバッキングプレートにインジウム金属によって貼り付けられて銅側から水冷されるのが一般的である。スパッタターゲットに印加される電力が高いほど、スパッタターゲットの加熱温度も高くなる。 The sputtering target is heated because a current flows according to the applied voltage. For this reason, the oxide sintered body is generally attached to a copper backing plate with indium metal and water-cooled from the copper side. The higher the power applied to the sputtering target, the higher the heating temperature of the sputtering target.
酸化物焼結体をスパッタターゲットとしてスパッタ法により形成した酸化物半導体膜を含む半導体デバイスにおいて信頼性をより高めるためには、スパッタ時にスパッタターゲットに印加する電力を高くすることが好ましい。しかしながら、印加電力を高くするとスパッタターゲットの加熱温度も高くなるため、成膜時に銅のバッキングプレートと酸化物焼結体の熱膨張差により、酸化物焼結体に引っ張り応力がかかり割れを生じることがある。この割れを抑制するためには、酸化物焼結体の熱伝導率を高めることによって水冷による冷却効率を高め、同じ電力を印加しても酸化物焼結体の加熱温度を抑えることが望まれる。本実施形態の酸化物焼結体は、このような要請に適合した熱伝導率の高い酸化物焼結体であり、平均アスペクト比の大きい第3結晶相(柱状粒子で構成される結晶相)を含む(好ましくは多く含む)酸化物焼結体において、とりわけ高い熱伝導率を示すことができる。 In order to further improve the reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor film formed by sputtering using an oxide sintered body as a sputtering target, it is preferable to increase the power applied to the sputtering target during sputtering. However, since the heating temperature of the sputter target increases as the applied power is increased, the oxide sintered body is subject to tensile stress and cracks due to the difference in thermal expansion between the copper backing plate and the oxide sintered body during film formation. There is. In order to suppress this cracking, it is desired to increase the cooling efficiency by water cooling by increasing the thermal conductivity of the oxide sintered body, and to suppress the heating temperature of the oxide sintered body even when the same power is applied. . The oxide sintered body of the present embodiment is an oxide sintered body with high thermal conductivity that meets such requirements, and a third crystal phase (a crystal phase composed of columnar particles) having a large average aspect ratio. In an oxide sintered body containing (preferably containing many), particularly high thermal conductivity can be exhibited.
[実施形態2:酸化物焼結体の製造方法]
本実施形態に係る酸化物焼結体の製造方法の1つは、実施形態1に係る酸化物焼結体の製造方法であって、亜鉛酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程と、1次混合物を熱処理することにより仮焼粉末を形成する工程と、仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物を調製する工程と、2次混合物を成形することにより成形体を形成する工程と、成形体を焼結することにより酸化物焼結体を形成する工程とを含む。仮焼粉末を形成する工程は、酸素含有雰囲気下、550℃以上1200℃未満の温度で1次混合物を熱処理することにより、仮焼粉末としてZnとWとを含む複酸化物の粉末を形成することを含む。
[Embodiment 2: Method for producing oxide sintered body]
One method for producing an oxide sintered body according to this embodiment is a method for producing an oxide sintered body according to Embodiment 1, in which a primary mixture of zinc oxide powder and tungsten oxide powder is used. A step of preparing, a step of forming a calcined powder by heat-treating the primary mixture, a step of preparing a secondary mixture of raw material powders including the calcined powder, and a molded body by molding the secondary mixture A step of forming, and a step of forming an oxide sintered body by sintering the formed body. In the step of forming the calcined powder, the primary mixture is heat-treated at a temperature of 550 ° C. or higher and lower than 1200 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, thereby forming a double oxide powder containing Zn and W as the calcined powder. Including that.
上記の製造方法によれば、仮焼粉末を形成する工程において、亜鉛酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を、酸素含有雰囲気下、550℃以上1200℃未満の温度で熱処理することにより、仮焼粉末としてZnとWとを含む複酸化物粉末を形成することを含むため、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高くなり、かつ熱伝導率の高い、スパッタターゲットとして好適に用いることのできる酸化物焼結体を得ることができる。複酸化物としては、酸素が欠損していたり、金属が置換していたりしていても構わない。 According to the above manufacturing method, in the step of forming the calcined powder, the primary mixture of the zinc oxide powder and the tungsten oxide powder is heat-treated at a temperature of 550 ° C. or more and less than 1200 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. Thus, it includes forming a double oxide powder containing Zn and W as the calcined powder, so that the apparent density is high even at a relatively low sintering temperature, and it is suitably used as a sputtering target having a high thermal conductivity. An oxide sintered body that can be obtained can be obtained. The double oxide may be deficient in oxygen or substituted with metal.
熱処理の温度が550℃未満の場合は、ZnとWとを含む複酸化物粉末が得られず、1200℃以上の場合、ZnとWとを含む複酸化物粉末が分解、飛散してしまうか、複酸化物粉末の粒径が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向にある。 If the temperature of the heat treatment is less than 550 ° C., a double oxide powder containing Zn and W cannot be obtained, and if it is 1200 ° C. or higher, the double oxide powder containing Zn and W is decomposed or scattered. The particle size of the double oxide powder tends to be too large for use.
また、上記熱処理によって仮焼粉末としてのZnとWとを含む複酸化物粉末を形成することにより、得られる酸化物焼結体を含むスパッタターゲットを用いて形成された酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、より効果的に電界効果移動度および信頼性を高くすることができる。 In addition, by forming a double oxide powder containing Zn and W as a calcined powder by the heat treatment, an oxide semiconductor film formed using a sputter target containing an oxide sintered body obtained is formed into a channel layer. In the semiconductor device including the field effect mobility and reliability can be increased more effectively.
ZnとWとを含む複酸化物は、ZnWO4型結晶相を含むことが好ましい。これにより、酸化物焼結体の見かけ密度をより効果的に高めることができる。ZnWO4型結晶相は、空間群P12/c1(13)にて表される結晶構造を有し、JCPDSカードの01−088−0251に規定される結晶構造を有するタングステン酸亜鉛化合物結晶相である。当該結晶系を示す限り、酸素が欠損していたり、金属が固溶していたりしていて、格子定数が変化していても構わない。ZnWO4型結晶相は、X線回折測定により同定される。 The double oxide containing Zn and W preferably contains a ZnWO 4 type crystal phase. Thereby, the apparent density of oxide sintered compact can be raised more effectively. The ZnWO 4 type crystal phase is a zinc tungstate compound crystal phase having a crystal structure represented by the space group P12 / c1 (13) and having a crystal structure defined by JCPDS card 01-088-0251. . As long as the crystal system is shown, oxygen may be deficient or metal may be dissolved, and the lattice constant may be changed. The ZnWO 4 type crystal phase is identified by X-ray diffraction measurement.
また、本実施形態に係る酸化物焼結体の製造方法の他の1つは、実施形態1に係る酸化物焼結体の製造方法であって、インジウム酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程と、1次混合物を熱処理することにより仮焼粉末を形成する工程と、仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物を調製する工程と、2次混合物を成形することにより成形体を形成する工程と、成形体を焼結することにより酸化物焼結体を形成する工程とを含む。仮焼粉末を形成する工程は、酸素含有雰囲気下、700℃以上1400℃未満の温度で1次混合物を熱処理することにより、仮焼粉末としてInとWとを含む複酸化物の粉末を形成することを含む。 Moreover, another one of the manufacturing methods of the oxide sintered compact which concerns on this embodiment is a manufacturing method of the oxide sintered compact which concerns on Embodiment 1, Comprising: Indium oxide powder and tungsten oxide powder A step of preparing a primary mixture, a step of forming a calcined powder by heat-treating the primary mixture, a step of preparing a secondary mixture of raw material powders including the calcined powder, and forming the secondary mixture The step of forming a molded body by the above and the step of forming an oxide sintered body by sintering the molded body are included. In the step of forming the calcined powder, the primary mixture is heat-treated at a temperature of 700 ° C. or higher and lower than 1400 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, thereby forming a double oxide powder containing In and W as the calcined powder. Including that.
上記の製造方法によれば、仮焼粉末を形成する工程において、インジウム酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を、酸素含有雰囲気下、700℃以上1400℃未満の温度で熱処理することにより、仮焼粉末としてInとWとを含む複酸化物粉末を形成することを含むため、比較的低い焼結温度でも見かけ密度が高くなり、かつ熱伝導率の高い、スパッタターゲットとして好適に用いることのできる酸化物焼結体を得ることができる。複酸化物としては、酸素が欠損していたり、金属が置換していたりしていても構わない。 According to the above manufacturing method, in the step of forming the calcined powder, the primary mixture of the indium oxide powder and the tungsten oxide powder is heat-treated at a temperature of 700 ° C. or higher and lower than 1400 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, it is suitable for use as a sputtering target having a high apparent density and a high thermal conductivity even at a relatively low sintering temperature. An oxide sintered body that can be obtained can be obtained. The double oxide may be deficient in oxygen or substituted with metal.
熱処理の温度が700℃未満の場合は、InとWとを含む複酸化物粉末が得られず、1400℃以上の場合、InとWとを含む複酸化物粉末が分解、飛散してしまうか、複酸化物粉末の粒径が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向にある。 If the temperature of the heat treatment is less than 700 ° C., a double oxide powder containing In and W cannot be obtained. The particle size of the double oxide powder tends to be too large for use.
また、上記熱処理によって仮焼粉末としてのInとWとを含む複酸化物粉末を形成することにより、得られる酸化物焼結体を含むスパッタターゲットを用いて形成された酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、より効果的に電界効果移動度および信頼性を高くすることができる。 In addition, by forming a double oxide powder containing In and W as the calcined powder by the heat treatment, an oxide semiconductor film formed using a sputter target containing an oxide sintered body obtained is formed into a channel layer. In the semiconductor device including the field effect mobility and reliability can be increased more effectively.
InとWとを含む複酸化物は、In6WO12型結晶相を含むことが好ましい。これにより、酸化物焼結体の見かけ密度をより効果的に高めることができる。In6WO12結晶相は、三方晶系の結晶構造を有し、JCPDSカードの01−074−1410に規定される結晶構造を有するタングステン酸インジウム化合物結晶相である。当該結晶系を示す限り、酸素が欠損していたり、金属が固溶していたりしていて、格子定数が変化していても構わない。なお、特開2004−091265号公報で開示されているタングステン酸インジウム化合物結晶相は、InW3O9結晶相であり、六方晶系の結晶構造を有し、JCPDSカードの33−627に規定される結晶構造を有するため、In6WO12結晶相とは結晶構造が異なる。In6WO12型結晶相は、X線回折測定により同定される。 The double oxide containing In and W preferably contains an In 6 WO 12 type crystal phase. Thereby, the apparent density of oxide sintered compact can be raised more effectively. The In 6 WO 12 crystal phase is a trigonal crystal structure and is an indium tungstate compound crystal phase having a crystal structure defined by JCPDS card 01-074-1410. As long as the crystal system is shown, oxygen may be deficient or metal may be dissolved, and the lattice constant may be changed. Note that the indium tungstate compound crystal phase disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-091265 is an InW 3 O 9 crystal phase, has a hexagonal crystal structure, and is defined in JCPDS Card 33-627. The crystal structure is different from the In 6 WO 12 crystal phase. In 6 WO 12 type crystal phase is identified by X-ray diffraction measurement.
Wは、インジウム酸化物の焼結を阻害し、ひいては酸化物焼結体の高い見かけ密度の達成を阻害することが知られている。しかしながら、本発明の製造方法によれば、InとWとを含む複酸化物の粉末、および/またはZnとWとを含む複酸化物の粉末、および/またはInとZnとを含む複酸化物の粉末を用いることにより、高い見かけ密度を有する酸化物焼結体を低い焼結温度にて得ることが可能である。また、得られた酸化物焼結体は高い熱伝導率を有している。 It is known that W inhibits the sintering of indium oxide, and consequently inhibits the achievement of a high apparent density of the oxide sintered body. However, according to the manufacturing method of the present invention, a powder of a double oxide containing In and W and / or a powder of a double oxide containing Zn and W and / or a double oxide containing In and Zn By using this powder, it is possible to obtain an oxide sintered body having a high apparent density at a low sintering temperature. Moreover, the obtained oxide sintered body has a high thermal conductivity.
In、WおよびZnを含む酸化物焼結体の見かけ密度を高めるためには、融点の低いZnとWとを含む複酸化物を焼結時に存在させることが有効である。このためには、焼結時にタングステン酸化物と亜鉛酸化物の接触点を増やして、ZnとWとを含む複酸化物を形成することが好ましい。したがって、低い焼結温度でも高い見かけ密度を得る観点から、予め合成したZnとWとを含む複酸化物の粉末を製造工程に用いる方法や、予め合成したInとWとを含む複酸化物の粉末を用いることでZnとの接触点を増やす方法を用いることが好ましい。これらの方法は単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。たとえば、予め合成したZnとWとを含む複酸化物の粉末を製造工程に用いる方法と、予め合成したインジウムとタングステンとを含む複酸化物の粉末を用いる方法とを併用してもよい。低い焼結温度で高い見かけ密度と高い熱伝導率を実現できる観点から、予め合成したZnとWとを含む複酸化物の粉末を製造工程に用いる方法を少なくとも用いることがより好ましい。 In order to increase the apparent density of an oxide sintered body containing In, W and Zn, it is effective to have a double oxide containing Zn and W having a low melting point present during sintering. For this purpose, it is preferable to increase the contact points of tungsten oxide and zinc oxide during sintering to form a double oxide containing Zn and W. Therefore, from the viewpoint of obtaining a high apparent density even at a low sintering temperature, a method of using a pre-synthesized composite oxide powder containing Zn and W in a manufacturing process, a pre-synthesized composite oxide containing In and W, It is preferable to use a method of increasing the contact point with Zn by using powder. These methods may be used alone or in combination. For example, a method of using a composite oxide powder containing Zn and W synthesized in advance in a manufacturing process and a method using a composite oxide powder containing indium and tungsten synthesized beforehand may be used in combination. From the viewpoint of realizing a high apparent density and high thermal conductivity at a low sintering temperature, it is more preferable to use at least a method of using a powder of a complex oxide containing Zn and W synthesized in advance in the manufacturing process.
酸化物焼結体の製造に用いられるタングステン酸化物粉末は、WO3結晶相、WO2結晶相、およびWO2.72結晶相からなる群より選ばれる少なくとも1種の結晶相を含むことが好ましい。これにより、酸化物焼結体の見かけ密度をより効果的に高めることができるとともに、電界効果移動度および信頼性を高めるうえでも有利となる。 It is preferable that the tungsten oxide powder used for manufacturing the oxide sintered body includes at least one crystal phase selected from the group consisting of a WO 3 crystal phase, a WO 2 crystal phase, and a WO 2.72 crystal phase. Thereby, the apparent density of the oxide sintered body can be increased more effectively, and it is advantageous for increasing the field-effect mobility and reliability.
またタングステン酸化物粉末は、メジアン粒径d50が0.1μm以上4μm以下であることが好ましく、0.2μm以上2μm以下であることがより好ましく、0.3μm以上1.5μm以下であることがさらに好ましい。これにより、酸化物焼結体の見かけ密度をより効果的に高めることができる。メジアン粒径d50は、BET比表面積測定により求められる。メジアン粒径d50が0.1μmより小さい場合、粉末のハンドリングが困難で、亜鉛酸化物粉末とタングステン酸化物粉末、もしくはインジウム酸化物粉末とタングステン酸化物粉末を均一に混合することが難しい傾向にある。 The tungsten oxide powder preferably has a median particle diameter d50 of 0.1 μm to 4 μm, more preferably 0.2 μm to 2 μm, and further preferably 0.3 μm to 1.5 μm. preferable. Thereby, the apparent density of oxide sintered compact can be raised more effectively. The median particle size d50 is determined by BET specific surface area measurement. When the median particle size d50 is smaller than 0.1 μm, it is difficult to handle the powder, and it tends to be difficult to uniformly mix the zinc oxide powder and the tungsten oxide powder or the indium oxide powder and the tungsten oxide powder. .
メジアン粒径d50が4μmより大きい場合、亜鉛酸化物粉末と混合した後、酸素含有雰囲気下で550℃以上1200℃未満の温度にて熱処理して得られるZnとWとを含む複酸化物粉末の粒径も大きくなってしまい、酸化物焼結体の見かけ密度を高くすることが難しい傾向にある。また、同様にインジウム酸化物粉末と混合した後、酸素含有雰囲気下で700℃以上1400℃未満の温度にて熱処理して得られるInとWとを含む複酸化物粉末の粒径も大きくなってしまい、酸化物焼結体の見かけ密度を高くすることが難しい傾向にある。 When the median particle size d50 is larger than 4 μm, the mixed oxide powder containing Zn and W obtained by heat treatment at a temperature of 550 ° C. or more and less than 1200 ° C. in an oxygen-containing atmosphere after mixing with the zinc oxide powder. The particle size also increases, and it tends to be difficult to increase the apparent density of the oxide sintered body. Similarly, the particle size of the double oxide powder containing In and W obtained by heat treatment at a temperature of 700 ° C. or higher and lower than 1400 ° C. in an oxygen-containing atmosphere after being mixed with the indium oxide powder is also increased. Therefore, it tends to be difficult to increase the apparent density of the oxide sintered body.
本実施形態に係る酸化物焼結体の製造方法は、特に制限はないが、効率よく実施形態1の酸化物焼結体を形成する観点から、たとえば、以下の工程を含む。 Although the manufacturing method of the oxide sintered compact which concerns on this embodiment does not have a restriction | limiting in particular, From a viewpoint of forming the oxide sintered compact of Embodiment 1 efficiently, the following processes are included, for example.
(1)原料粉末を準備する工程
酸化物焼結体の原料粉末として、インジウム酸化物粉末(たとえばIn2O3粉末)、タングステン酸化物粉末(たとえばWO3粉末、WO2.72粉末、WO2粉末)、亜鉛酸化物粉末(たとえばZnO粉末)等、酸化物焼結体を構成する金属元素の酸化物粉末を準備する。タングステン酸化物粉末としてはWO3粉末だけでなく、WO2.72粉末、WO2粉末のようなWO3粉末に比べて酸素が欠損した化学組成を有する粉末を原料として用いることが、半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高める観点から好ましい。かかる観点から、WO2.72粉末およびWO2粉末の少なくとも1つをタングステン酸化物粉末の少なくとも一部として用いることがより好ましい。原料粉末の純度は、酸化物焼結体への意図しない金属元素およびSiの混入を防止し、安定した物性を得る観点から、99.9質量%以上の高純度であることが好ましい。
(1) Step of preparing raw material powder Indium oxide powder (for example, In 2 O 3 powder), tungsten oxide powder (for example, WO 3 powder, WO 2.72 powder, WO 2 powder) as the raw material powder of the oxide sintered body A metal element oxide powder constituting the oxide sintered body, such as zinc oxide powder (for example, ZnO powder), is prepared. As the tungsten oxide powder, it is possible to use not only WO 3 powder but also powder having a chemical composition deficient in oxygen as compared with WO 3 powder such as WO 2.72 powder and WO 2 powder as a raw material. It is preferable from the viewpoint of improving mobility and reliability. From this viewpoint, it is more preferable to use at least one of WO 2.72 powder and WO 2 powder as at least a part of the tungsten oxide powder. The purity of the raw material powder is preferably a high purity of 99.9% by mass or more from the viewpoint of preventing unintentional mixing of metal elements and Si into the oxide sintered body and obtaining stable physical properties.
上述のように、タングステン酸化物粉末のメジアン粒径d50は、0.1μm以上4μm以下であることが、酸化物焼結体の見かけ密度を高くする観点から、好ましい。 As described above, the median particle diameter d50 of the tungsten oxide powder is preferably 0.1 μm or more and 4 μm or less from the viewpoint of increasing the apparent density of the oxide sintered body.
(2)1次混合物を調製する工程
(2−1)亜鉛酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程
上記原料粉末の内、亜鉛酸化物粉末とタングステン酸化物粉末とを混合(または粉砕混合)する。このとき、酸化物焼結体の結晶相としてZnWO4型結晶相を得たい場合は、タングステン酸化物粉末と亜鉛酸化物粉末とをモル比で1:1の割合で、Zn2W3O8型結晶相を得たい場合は、タングステン酸化物粉末と亜鉛酸化物粉末とをモル比で3:2の割合で混合する。上述のように、酸化物焼結体の見かけ密度をより効果的に高める観点、ならびに半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高める観点からは、酸化物焼結体は、ZnWO4型相を含むことが好ましい。タングステン酸化物粉末と亜鉛酸化物粉末とを混合する方法に特に制限はなく、乾式および湿式のいずれの方式であってもよく、具体的には、ボールミル、遊星ボールミル、ビーズミル等を用いて粉砕混合される。このようにして、原料粉末の1次混合物が得られる。湿式の粉砕混合方式を用いて得られた混合物の乾燥には、自然乾燥やスプレードライヤのような乾燥方法を用いることができる。
(2) Step of preparing primary mixture (2-1) Step of preparing primary mixture of zinc oxide powder and tungsten oxide powder Among the above raw material powders, zinc oxide powder and tungsten oxide powder. Mix (or pulverize and mix). At this time, when it is desired to obtain a ZnWO 4 type crystal phase as the crystal phase of the oxide sintered body, the tungsten oxide powder and the zinc oxide powder are mixed at a molar ratio of 1: 1 to Zn 2 W 3 O 8. In order to obtain a type crystal phase, the tungsten oxide powder and the zinc oxide powder are mixed at a molar ratio of 3: 2. As described above, from the viewpoint of more effectively increasing the apparent density of the oxide sintered body, and from the viewpoint of increasing the field effect mobility and reliability of the semiconductor device, the oxide sintered body has a ZnWO 4 type phase. It is preferable to include. There is no particular limitation on the method of mixing the tungsten oxide powder and the zinc oxide powder, and any of dry and wet methods may be used, and specifically, pulverized and mixed using a ball mill, a planetary ball mill, a bead mill or the like. Is done. In this way, a primary mixture of raw material powders is obtained. A drying method such as natural drying or a spray dryer can be used to dry the mixture obtained using the wet pulverization and mixing method.
(2−2)インジウム酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程
上記原料粉末の内、インジウム酸化物粉末とタングステン酸化物粉末とを混合(または粉砕混合)する。このとき、酸化物焼結体の結晶相としてIn6WO12型結晶相を得たい場合は、タングステン酸化物粉末とインジウム酸化物粉末とをモル比で1:3の割合で混合する。タングステン酸化物粉末とインジウム酸化物粉末とを混合する方法に特に制限はなく、乾式および湿式のいずれの方式であってもよく、具体的には、ボールミル、遊星ボールミル、ビーズミル等を用いて粉砕混合される。このようにして、原料粉末の1次混合物が得られる。湿式の粉砕混合方式を用いて得られた混合物の乾燥には、自然乾燥やスプレードライヤのような乾燥方法を用いることができる。
(2-2) Step of preparing a primary mixture of indium oxide powder and tungsten oxide powder Among the raw material powders, indium oxide powder and tungsten oxide powder are mixed (or ground and mixed). At this time, when it is desired to obtain an In 6 WO 12 type crystal phase as the crystal phase of the oxide sintered body, the tungsten oxide powder and the indium oxide powder are mixed at a molar ratio of 1: 3. There is no particular limitation on the method of mixing the tungsten oxide powder and the indium oxide powder, and any of dry and wet methods may be used. Specifically, pulverized and mixed using a ball mill, a planetary ball mill, a bead mill or the like. Is done. In this way, a primary mixture of raw material powders is obtained. A drying method such as natural drying or a spray dryer can be used to dry the mixture obtained using the wet pulverization and mixing method.
(3)仮焼粉末を形成する工程
(3−1)タングステン酸亜鉛酸化物の仮焼粉末を形成する工程
得られた1次混合物を熱処理(仮焼)して、仮焼粉末(ZnとWとを含む複酸化物粉末)を形成する。1次混合物の仮焼温度は、仮焼物の粒径が大きくなりすぎて焼結体の見かけ密度が低下することがないように1200℃未満であることが好ましく、仮焼生成物としてZnとWとを含む複酸化物粉末を得るために、また、ZnWO4型結晶相を得るためには550℃以上であることが好ましい。より好ましくは550℃以上1000℃未満であり、さらに好ましくは550℃以上900℃以下である。仮焼温度は結晶相が形成される温度である限り、仮焼粉の粒径をなるべく小さくできる点から低い方が好ましい。このようにして、ZnWO4型結晶相を含む仮焼粉末が得ることができる。仮焼雰囲気は、酸素を含む雰囲気であればよいが、大気圧もしくは大気よりも圧力の高い空気雰囲気、または大気圧もしくは大気よりも圧力の高い酸素を25体積%以上含む酸素−窒素混合雰囲気が好ましい。生産性が高いことから、大気圧またはその近傍下での空気雰囲気がより好ましい。
(3) Step of forming calcined powder (3-1) Step of forming calcined powder of zinc tungstate oxide The obtained primary mixture is heat-treated (calcined) to obtain calcined powder (Zn and W). A double oxide powder). The calcining temperature of the primary mixture is preferably less than 1200 ° C. so that the particle size of the calcined product becomes too large and the apparent density of the sintered body does not decrease. Zn and W are used as calcined products. In order to obtain a double oxide powder containing, and in order to obtain a ZnWO 4 type crystal phase, the temperature is preferably 550 ° C. or higher. More preferably, it is 550 degreeC or more and less than 1000 degreeC, More preferably, it is 550 degreeC or more and 900 degrees C or less. As long as the calcination temperature is a temperature at which a crystal phase is formed, a lower calcination temperature is preferable from the viewpoint that the particle size of the calcination powder can be made as small as possible. In this way, a calcined powder containing a ZnWO 4 type crystal phase can be obtained. The calcining atmosphere may be an atmosphere containing oxygen, but an air atmosphere having a higher pressure than atmospheric pressure or air, or an oxygen-nitrogen mixed atmosphere containing 25% by volume or more of oxygen having a pressure higher than atmospheric pressure or air. preferable. Since the productivity is high, an air atmosphere at atmospheric pressure or in the vicinity thereof is more preferable.
(3−2)タングステン酸インジウム酸化物の仮焼粉末を形成する工程
得られた1次混合物を熱処理(仮焼)して、仮焼粉末(InとWとを含む複酸化物粉末)を形成する。1次混合物の仮焼温度は、仮焼物の粒径が大きくなりすぎて焼結体の見かけ密度が低下することがないように1400℃未満であることが好ましく、仮焼生成物としてInとWとを含む複酸化物粉末を得るために、また、In6WO12型結晶相を得るためには700℃以上であることが好ましい。より好ましくは800℃以上1300℃未満である。仮焼温度は結晶相が形成される温度である限り、仮焼粉の粒径をなるべく小さくできる点から低い方が好ましい。このようにして、In6WO12型結晶相を含む仮焼粉末が得ることができる。仮焼雰囲気は、酸素を含む雰囲気であればよいが、大気圧もしくは大気よりも圧力の高い空気雰囲気、または大気圧もしくは大気よりも圧力の高い酸素を25体積%以上含む酸素−窒素混合雰囲気が好ましい。生産性が高いことから、大気圧またはその近傍下での空気雰囲気がより好ましい。
(3-2) Step of forming a calcined powder of indium tungstate oxide The obtained primary mixture is heat-treated (calcined) to form a calcined powder (a double oxide powder containing In and W). To do. The calcining temperature of the primary mixture is preferably less than 1400 ° C. so that the particle size of the calcined product becomes too large and the apparent density of the sintered body does not decrease. In order to obtain a double oxide powder containing, and in order to obtain an In 6 WO 12 type crystal phase, the temperature is preferably 700 ° C. or higher. More preferably, it is 800 degreeC or more and less than 1300 degreeC. As long as the calcination temperature is a temperature at which a crystal phase is formed, a lower calcination temperature is preferable from the viewpoint that the particle size of the calcination powder can be made as small as possible. In this way, a calcined powder containing an In 6 WO 12 type crystal phase can be obtained. The calcining atmosphere may be an atmosphere containing oxygen, but an air atmosphere having a higher pressure than atmospheric pressure or air, or an oxygen-nitrogen mixed atmosphere containing 25% by volume or more of oxygen having a pressure higher than atmospheric pressure or air. preferable. Since the productivity is high, an air atmosphere at atmospheric pressure or in the vicinity thereof is more preferable.
(4)仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物を調製する工程
次に、得られた仮焼粉末と、上記原料粉末の内の残りの粉末〔インジウム酸化物粉末(たとえばIn2O3粉末)または亜鉛酸化物粉末(例えばZnO粉末)〕とを、1次混合物の調製と同様にして、混合(または粉砕混合)する。このようにして、原料粉末の2次混合物が得られる。タングステン酸化物は、上記仮焼工程により複酸化物として存在していることが好ましい。
(4) Step of preparing a secondary mixture of raw material powder including calcined powder Next, the obtained calcined powder and the remaining powder of the raw material powder [indium oxide powder (for example, In 2 O 3 powder) ) Or zinc oxide powder (for example, ZnO powder)] is mixed (or ground and mixed) in the same manner as the preparation of the primary mixture. In this way, a secondary mixture of raw material powders is obtained. The tungsten oxide is preferably present as a double oxide by the calcination step.
(5)2次混合物を成形することにより成形体を形成する工程
次に、得られた2次混合物を成形する。2次混合物を成形する方法に特に制限はないが、酸化物焼結体の見かけ密度を高くする点から、一軸プレス法、CIP(冷間静水圧処理)法、キャスティング法等が好ましい。
(5) The process of forming a molded object by shape | molding a secondary mixture Next, the obtained secondary mixture is shape | molded. Although there is no restriction | limiting in particular in the method of shape | molding a secondary mixture, From the point which makes the apparent density of oxide sintered compact high, a uniaxial press method, a CIP (cold isostatic pressure processing) method, a casting method, etc. are preferable.
(6)成形体を焼結することにより酸化物焼結体を形成する工程
次に、得られた成形体を焼結して、酸化物焼結体を形成する。この際、生産性の面からホットプレス焼結法は用いないことが好ましい。成形体の焼結温度に特に制限はないが、形成される酸化物焼結体の見かけ密度を6.4g/cm3より大きくするために、900℃以上で、1200℃より低いことが好ましい。焼結雰囲気にも特に制限はないが、酸化物焼結体の構成結晶の粒径が大きくなることを防いでクラックの発生を防止する観点から、大気圧またはその近傍下での空気雰囲気が好ましい。
(6) Step of forming oxide sintered body by sintering molded body Next, the obtained molded body is sintered to form an oxide sintered body. At this time, it is preferable not to use the hot press sintering method in terms of productivity. Although there is no restriction | limiting in particular in the sintering temperature of a molded object, In order to make the apparent density of the oxide sintered compact formed larger than 6.4 g / cm < 3 >, it is preferable that it is 900 degreeC or more and lower than 1200 degreeC. There is no particular limitation on the sintering atmosphere, but from the viewpoint of preventing the generation of cracks by preventing the grain size of the constituent crystals of the oxide sintered body from increasing, an air atmosphere at or near atmospheric pressure is preferable. .
[実施形態3:スパッタターゲット]
本実施形態に係るスパッタターゲットは、実施形態1の酸化物焼結体を含む。したがって、本実施形態に係るスパッタターゲットは、電界効果移動度が高く、信頼性も高い半導体デバイスの酸化物半導体膜をスパッタ法で形成するために好適に用いることができる。
[Embodiment 3: Sputtering target]
The sputter target according to the present embodiment includes the oxide sintered body according to the first embodiment. Therefore, the sputter target according to this embodiment can be suitably used for forming an oxide semiconductor film of a semiconductor device having high field effect mobility and high reliability by a sputtering method.
本実施形態に係るスパッタターゲットは、電界効果移動度および信頼性の高い半導体デバイスの酸化物半導体膜をスパッタ法で形成するために好適に用いられるものとするために、実施形態1の酸化物焼結体を含むことが好ましく、実施形態1の酸化物焼結体からなることがより好ましい。 The sputter target according to this embodiment is preferably used for forming an oxide semiconductor film of a semiconductor device with high field effect mobility and high reliability by a sputtering method. It is preferable that a bonded body is included, and it is more preferable that the oxide sintered body of Embodiment 1 is included.
[実施形態4:半導体デバイスおよびその製造方法]
図1を参照して、本実施形態に係る半導体デバイス10は、実施形態1の酸化物焼結体を用いて形成される、または実施形態3のスパッタターゲット用いてスパッタ法により形成した酸化物半導体膜14を含む。かかる酸化物半導体膜14を含むため、本実施形態に係る半導体デバイスは、電界効果移動度が高く、信頼性も高いという特性を有することができる。
[Embodiment 4: Semiconductor Device and Manufacturing Method Thereof]
Referring to FIG. 1, a
本実施形態に係る半導体デバイス10は、特に限定はされないが、たとえば、高い電界効果移動度と高い信頼性を有することから、TFT(薄膜トランジスタ)であることが好ましい。TFTが有する酸化物半導体膜14は、高い電界効果移動度と高い信頼性を有することから、チャネル層であることが好ましい。
The
本実施形態に係る半導体デバイス10において、酸化物半導体膜14のW含有率は、好ましくは0.5原子%より大きく5.0原子%以下であり、酸化物半導体膜14のZn含有率は、好ましくは1原子%以上40原子%未満であり、かつ酸化物半導体膜14のZn/W比は、好ましくは1.0より大きく80より小さい。これにより、半導体デバイス10の電界効果移動度および信頼性を高めることができる。
In the
電界効果移動度および信頼性を高める観点から、酸化物半導体膜14のW含有率は、より好ましくは0.6原子%以上3原子%以下であり、さらに好ましくは2原子%以下である。酸化物半導体膜14のW含有率が0.5原子%以下の場合、かかる酸化物半導体膜14をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、信頼性が低くなってしまう。酸化物半導体膜14のW含有率が5原子%を超える場合、かかる酸化物半導体膜をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、電界効果移動度が低くなってしまう。
From the viewpoint of increasing the field effect mobility and reliability, the W content of the
酸化物半導体膜14のZn含有率が1原子%以上40原子%未満であり、かつ酸化物半導体膜14のZn/W比が1.0より大きく80より小さい場合、かかる酸化物半導体膜14をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、電界効果移動度を高くすることができるとともに、信頼性を高くすることができる。
When the
電界効果移動度および信頼性を高める観点から、酸化物半導体膜14のZn含有率は、より好ましくは3原子%より大きく40原子%未満であり、さらに好ましくは5原子%以上で20原子%より小さい。
From the viewpoint of enhancing field effect mobility and reliability, the Zn content of the
酸化物半導体膜14のZn含有率が1原子%より小さい場合、かかる酸化物半導体膜14をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、信頼性が低くなってしまう。酸化物半導体膜14のZn含有率が40原子%以上である場合、かかる酸化物半導体膜14をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、電界効果移動度が低くなってしまう。
When the Zn content of the
酸化物半導体膜14におけるZn/W比が1.0以下の場合、かかる酸化物半導体膜14をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、信頼性が低くなってしまう。Zn/W比は、より好ましくは3.0以上であり、さらに好ましくは5.0以上である。酸化物半導体膜14のにおけるZn/W比が80以上の場合、かかる酸化物半導体膜14をチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、電界効果移動度が低くなってしまう。Zn/W比は、より好ましくは20より小さい。
When the Zn / W ratio in the
酸化物半導体膜14の化学組成、すなわち、各種元素の含有率は、RBS(ラザフォード後方散乱分析)により測定される。この測定結果に基づいて、W含有率、Zn含有率およびZn/W比が算出される。RBSでの分析を実施できない場合は、TEM−EDX(エネルギー分散型ケイ光X線分析計を付帯する透過型電子顕微鏡)により測定される。化学組成測定の正確性から、RBSでの測定が望ましい。TEM−EDXを用いる場合はまず、検量線作成用の試料として、In、W、ZnおよびOからなり、測定対象の酸化物半導体膜に近い組成を有し、かつ、RBSでの分析を実施可能な酸化物半導体膜を少なくとも3個以上用意する。次いで、これらの試料について、RBSによってIn、WおよびZnの含有量を測定するとともに、TEM−EDXによってIn、WおよびZnの含有量を測定する。これらの測定値から、TEM−EDXによるIn、WおよびZnの含有量の測定値と、RBSによるIn、WおよびZnの含有量の測定値との関係を示す検量線を作成する。そして、測定対象の酸化物半導体膜について、TEM−EDXによってIn、WおよびZnの含有量を測定した後、この測定値を、上記検量線に基づきRBSによるIn、WおよびZnの含有量の測定値に変換する。この変換された値が、測定対象の酸化物半導体膜についてのIn、WおよびZnの含有量である。
The chemical composition of the
酸化物半導体14は、ジルコニウム(Zr)をさらに含有していてもよい。その含有量は、たとえば1×1017atms/cm3以上1×1020atms/cm3以下である。Zrは、酸化物焼結体の製造工程にて混入し得る元素であり、この酸化物焼結体を原料として成膜される酸化物半導体膜14にも混入され得るが、Zrの存在は、高い電界効果移動度と高い信頼性を阻害するものではない。ジルコニウムの存在およびその含有量は、二次イオン質量分析計にて確認することができる。
The
ここで半導体デバイスの信頼性について説明する。一般的に酸化物半導体を含む半導体デバイスは、半導体デバイスの製造時における熱処理の温度によって信頼性が変化し得る。熱処理の温度を高くすることで信頼性を向上させることが可能である。しかしながら一般的には、熱処理温度を高くすると電界効果移動度が低下してしまう。このため、高い熱処理温度でも電界効果移動度が低下しないことが望まれていた。本明細書において「電界効果移動度が高く、かつ信頼性が高い」とは、高い加熱処理温度でも電界効果移動度が低下せず、かつ高い加熱処理の温度により高い信頼性が得られることを意味している。 Here, the reliability of the semiconductor device will be described. In general, the reliability of a semiconductor device including an oxide semiconductor can change depending on the temperature of heat treatment during the manufacture of the semiconductor device. Reliability can be improved by increasing the temperature of the heat treatment. However, generally, when the heat treatment temperature is increased, the field effect mobility is lowered. For this reason, it has been desired that the field effect mobility does not decrease even at a high heat treatment temperature. In this specification, “the field effect mobility is high and the reliability is high” means that the field effect mobility does not decrease even at a high heat treatment temperature, and high reliability is obtained at a high heat treatment temperature. I mean.
酸化物半導体膜14は、ナノ結晶酸化物およびアモルファス酸化物の少なくともいずれか1つで構成されることが、これをチャネル層として含む半導体デバイス(たとえばTFT)において、電界効果移動度が高く、かつ信頼性も高くすることができる点から好ましい。
The
本明細書において「ナノ結晶酸化物」とは、以下の条件に従うX線回折測定によっても、結晶に起因するピークが観測されずにハローと呼ばれる低角度側に現れるブロードなピークのみが観測され、かつ、透過電子顕微鏡を用い、以下の条件に従って微細領域の透過電子線回折測定を実施した場合、リング状のパターンが観察される酸化物をいう。リング状のパターンとは、スポットが集合してリング状のパターンを形成している場合を含む。 In the present specification, the “nanocrystalline oxide” means that only a broad peak appearing on a low angle side called a halo is observed without observing a peak due to a crystal even by X-ray diffraction measurement according to the following conditions. And when the transmission electron beam diffraction measurement of a micro area | region is implemented according to the following conditions using a transmission electron microscope, the ring-shaped pattern is observed. The ring-shaped pattern includes a case where spots are gathered to form a ring-shaped pattern.
また、本明細書において「アモルファス酸化物」とは、以下の条件に従うX線回折測定によっても、結晶に起因するピークが観測されずにハローと呼ばれる低角度側に現れるブロードなピークのみが観測され、かつ、透過電子顕微鏡を用い、以下の条件に従って微細領域の透過電子線回折測定を実施しても、やはりハローと呼ばれる不明瞭なパターンが観察される酸化物をいう。 Also, in this specification, “amorphous oxide” means that only a broad peak appearing on the low angle side called a halo is observed without a peak due to a crystal being observed even by X-ray diffraction measurement under the following conditions. In addition, an oxide in which an unclear pattern called a halo is observed even when transmission electron beam diffraction measurement of a fine region is performed according to the following conditions using a transmission electron microscope.
(X線回折測定条件)
測定方法:In−plane法(スリットコリメーション法)、
X線発生部:対陰極Cu、出力50kV 300mA、
検出部:シンチレーションカウンタ、
入射部:スリットコリメーション、
ソーラースリット:入射側 縦発散角0.48°
受光側 縦発散角0.41°、
スリット:入射側 S1=1mm*10mm
受光側 S2=0.2mm*10mm、
走査条件:走査軸 2θχ/φ、
走査モード:ステップ測定、走査範囲 10〜80°、ステップ幅0.1°、
ステップ時間 8sec.。
(X-ray diffraction measurement conditions)
Measuring method: In-plane method (slit collimation method),
X-ray generation part: counter cathode Cu, output 50 kV 300 mA,
Detector: Scintillation counter,
Incident part: slit collimation,
Solar slit: Incident side Longitudinal divergence angle 0.48 °
Light receiving side Longitudinal divergence angle 0.41 °,
Slit: incident side S1 = 1mm * 10mm
Light-receiving side S2 = 0.2mm * 10mm,
Scanning condition: scanning axis 2θχ / φ,
Scanning mode: step measurement, scanning range 10-80 °, step width 0.1 °,
Step time 8 sec. .
(透過電子線回折測定条件)
測定方法:極微電子線回折法、
加速電圧:200kV、
ビーム径:測定対象である酸化物半導体膜の膜厚と同じか、または同等。
(Transmission electron diffraction measurement conditions)
Measuring method: Micro electron diffraction method,
Acceleration voltage: 200 kV,
Beam diameter: Same or equivalent to the thickness of the oxide semiconductor film to be measured.
酸化物半導体膜14がナノ結晶酸化物で構成される場合、上記の条件に従って微細領域の透過電子線回折測定を行うと、上述のようにリング状のパターンが観察され、スポット状のパターンは観察されない。これに対して、たとえば特許第5172918号に開示されるような酸化物半導体膜は、当該膜の表面に対して垂直な方向に沿うようにc軸配向した結晶を含んでおり、このように微細領域中のナノ結晶がある方向に配向している場合には、スポット状のパターンが観察される。酸化物半導体膜14がナノ結晶酸化物で構成される場合、当該ナノ結晶は、少なくとも膜面内に垂直な面(膜断面)の観察を行った際に、当該膜の表面に対して結晶が配向していない無配向であってランダムな配向性を有している。つまり、膜厚方向に対して結晶軸が配向していない。
When the
酸化物半導体膜14は、ナノ結晶酸化物またはアモルファス酸化物で構成されるため、これをチャネル層として含む半導体デバイスにおいて、高い電界効果移動度を達成することが可能である。電界効果移動度を高めるうえで、酸化物半導体膜14は、より好ましくはアモルファス酸化物で構成される。酸化物半導体膜14の膜厚は、たとえば2nm以上60nm以下である。
Since the
本実施形態の半導体デバイスにおいて酸化物半導体膜14は、電気抵抗率が好ましくは10-1Ωcm以上である。これまでインジウム酸化物を用いた透明導電膜が多く検討されているが、これらの透明導電膜の用途では、電気抵抗率が10-1Ωcmより小さいことが求められている。一方、本実施形態の半導体デバイスが有する酸化物半導体膜は電気抵抗率が10-1Ωcm以上であることが好ましく、これにより、半導体デバイスのチャネル層として好適に用いることができる。電気抵抗率が10-1Ωcmより小さい場合、半導体デバイスのチャネル層として用いることが困難である。
In the semiconductor device of this embodiment, the
酸化物半導体膜14は、スパッタ法により成膜する工程を含む製造方法によって得ることができる。スパッタ法の意味については上述のとおりである。酸化物半導体膜を形成する方法としては、スパッタ法のほか、パルスレーザー蒸着(PLD)法、加熱蒸着法などが提案されているが、スパッタ法を用いることが生産性の面から好ましい。
The
スパッタ法としては、マグネトロンスパッタリング法、対向ターゲット型マグネトロンスパッタリング法などを用いることができる。スパッタ時の雰囲気ガスとして、Arガス、Krガス、Xeガスを用いることができ、これらのガスとともに酸素ガスを混合して用いることもできる。 As the sputtering method, a magnetron sputtering method, a counter target type magnetron sputtering method, or the like can be used. Ar gas, Kr gas, and Xe gas can be used as the atmosphere gas at the time of sputtering, and oxygen gas can be mixed and used with these gases.
また、酸化物半導体膜14は、スパッタ法による成膜後に加熱処理するか、またはスパッタ法により成膜を行いながら加熱処理することによって得ることもできる。これにより、ナノ結晶酸化物またはアモルファス酸化物で構成される酸化物半導体膜が得られやすくなる。また、この方法により得られる酸化物半導体膜は、これをチャネル層として含む半導体デバイス(たとえばTFT)において、電界効果移動度および信頼性を高くするうえで有利である。
The
スパッタ法による成膜を行いながら実施する加熱処理は、当該成膜中に基板を加熱することによって実施できる。基板温度は、好ましくは100℃以上250℃以下である。加熱処理の時間は成膜時間に相当し、成膜時間は形成する酸化物半導体膜14の膜厚に依存するが、たとえば10秒〜10分程度であることができる。
The heat treatment performed while performing film formation by sputtering can be performed by heating the substrate during the film formation. The substrate temperature is preferably 100 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. The heat treatment time corresponds to the film formation time, and the film formation time depends on the thickness of the
スパッタリング法による成膜後に実施する加熱処理も同様に、基板を加熱することによって実施できる。高い信頼性を得るために、スパッタ法による成膜の後に加熱処理を行うことが好ましい。この場合、酸化物半導体膜14を形成した直後に加熱処理を行ってもよいし、ソース電極、ドレイン電極、エッチストッパ層(ES層)、パシベーション層などを形成した後に加熱処理を行ってもよい。高い信頼性を得るために、エッチストッパ層を形成した後に加熱処理を行うことがより好ましい。
Similarly, heat treatment performed after film formation by sputtering can be performed by heating the substrate. In order to obtain high reliability, heat treatment is preferably performed after film formation by sputtering. In this case, heat treatment may be performed immediately after the
酸化物半導体膜14を形成した後に加熱処理を行う場合において、基板温度は、好ましくは100℃以上500℃以下である。加熱処理の雰囲気は、大気中、窒素ガス中、窒素ガス−酸素ガス中、Arガス中、Ar−酸素ガス中、水蒸気含有大気中、水蒸気含有窒素中など、各種雰囲気であってよい。雰囲気圧力は、大気圧のほか、減圧条件下(たとえば0.1Pa未満)、加圧条件下(たとえば0.1Pa〜9MPa)であることができるが、好ましくは大気圧である。加熱処理の時間は、たとえば3分〜2時間程度であることができ、好ましくは10分〜90分程度である。
In the case where heat treatment is performed after the
図1〜図3は、本実施形態に係る半導体デバイス(TFT)のいくつかの例を示す概略図である。図1に示される半導体デバイス10は、基板11と、基板11上に配置されたゲート電極12と、ゲート電極12上に絶縁層として配置されたゲート絶縁膜13と、ゲート絶縁膜13上にチャネル層として配置された酸化物半導体膜14と、酸化物半導体膜14上に互いに接触しないように配置されたソース電極15およびドレイン電極16と、を含む。
1 to 3 are schematic views showing some examples of a semiconductor device (TFT) according to this embodiment. A
図2に示される半導体デバイス20は、ゲート絶縁膜13および酸化物半導体膜14上に配置され、コンタクトホールを有するエッチストッパ層17と、エッチストッパ層17、ソース電極15およびドレイン電極16上に配置されるパシベーション膜18とをさらに含むこと以外は、図1に示される半導体デバイス10と同様の構成を有する。図2に示される半導体デバイス20において、図1に示される半導体デバイス10のように、パシベーション膜18を省略することもできる。図3に示される半導体デバイス30は、ゲート絶縁膜13、ソース電極15およびドレイン電極16上に配置されるパシベーション膜18をさらに含むこと以外は、図1に示される半導体デバイス10と同様の構成を有する。
The
本実施形態に係る半導体デバイスは、上記の酸化物半導体膜14を含み、かつ、この酸化物半導体膜14の少なくとも一部と接して配置される層であって、アモルファス層である層(以下、この層を「アモルファス隣接層」ともいう。)をさらに含むことが好ましい。アモルファス隣接層を含む半導体デバイスによれば、上述の加熱処理の温度が高い場合であっても酸化物半導体膜14がアモルファス酸化物で構成されている状態を維持できる場合、高い電界効果移動度を保持でき、かつ高い信頼性を実現できる。アモルファス隣接層としては、ゲート絶縁膜13、パシベーション層18、エッチストッパ層17が挙げられる。
A semiconductor device according to this embodiment includes the
アモルファス隣接層は、酸化物半導体膜14の下地(下層)として酸化物半導体膜14に接して形成される層であってもよいし、酸化物半導体膜14の上に接して形成される上層であってもよい。また、本実施形態に係る半導体デバイスは、隣接層を2層以上含むことができ、この場合、これらの隣接層は、酸化物半導体膜14の下層と上層とであることができる。
The amorphous adjacent layer may be a layer formed in contact with the
たとえば図1に示される半導体デバイス10においては、ゲート絶縁膜13がアモルファス隣接層であってよい。図2に示される半導体デバイス20においては、ゲート絶縁膜13および/またはエッチストッパ層17がアモルファス隣接層であってよい。図3に示される半導体デバイス30においては、ゲート絶縁膜13および/またはパシベーション膜18がアモルファス隣接層であってよい。
For example, in the
アモルファス隣接層は、シリコンおよびアルミニウムの少なくともいずれか1つを含む酸化物層であることが好ましい。アモルファス隣接層がシリコンおよびアルミニウムの少なくともいずれか1つを含む酸化物層であることは、半導体デバイスの電界効果移動度および信頼性を高くするうえで有利であり、とりわけ、上述の加熱処理の温度が高い場合であっても、高い電界効果移動度を維持できる半導体デバイスを提供するうえで有利である。また、アモルファス隣接層がシリコンおよびアルミニウムの少なくともいずれか1つを含む酸化物層であることは、OFF電流の低減にも有利となり得る。シリコンおよびアルミニウムの少なくともいずれか1つを含む酸化物としては、特に制限されないが、酸化シリコン(SiOx)、酸化アルミニウム(AlmOn)等を挙げることができる。 The amorphous adjacent layer is preferably an oxide layer containing at least one of silicon and aluminum. The fact that the amorphous adjacent layer is an oxide layer containing at least one of silicon and aluminum is advantageous in increasing the field effect mobility and reliability of the semiconductor device. This is advantageous in providing a semiconductor device that can maintain a high field-effect mobility even when it is high. In addition, the amorphous adjacent layer being an oxide layer containing at least one of silicon and aluminum can be advantageous in reducing the OFF current. The oxide containing at least one of silicon and aluminum is not particularly limited, and examples thereof include silicon oxide (SiO x ) and aluminum oxide (Al m O n ).
次に、本実施形態に係る半導体デバイスの製造方法について説明する。半導体デバイスの製造方法は、上記実施形態のスパッタターゲットを用意する工程と、該スパッタターゲットを用いてスパッタ法により上記酸化物半導体膜を形成する工程とを含む。まず、図1に示される半導体デバイス10の製造方法について説明すると、この製造方法は、特に制限されないが、効率よく高特性の半導体デバイス10を製造する観点から、図4を参照して、基板11上にゲート電極12を形成する工程(図4(A))と、ゲート電極12および基板11上に絶縁層としてゲート絶縁膜13を形成する工程(図4(B))と、ゲート絶縁膜13上にチャネル層として酸化物半導体膜14を形成する工程(図4(C))と、酸化物半導体膜14上にソース電極15およびドレイン電極16を互いに接触しないように形成する工程(図4(D))と、を含むことが好ましい。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment will be described. A method for manufacturing a semiconductor device includes a step of preparing the sputter target of the above embodiment and a step of forming the oxide semiconductor film by a sputtering method using the sputter target. First, the manufacturing method of the
(1)ゲート電極を形成する工程
図4(A)を参照して、基板11上にゲート電極12を形成する。基板11は、特に制限されないが、透明性、価格安定性、および表面平滑性を高くする観点から、石英ガラス基板、無アルカリガラス基板、アルカリガラス基板等であることが好ましい。ゲート電極12は、特に制限されないが、耐酸化性が高くかつ電気抵抗が低い点から、Mo電極、Ti電極、W電極、Al電極、Cu電極等であることが好ましい。ゲート電極12の形成方法は、特に制限されないが、基板11の主面上に大面積で均一に形成できる点から、真空蒸着法、スパッタ法等であることが好ましい。図4(A)に示されるように、基板11の表面上に部分的にゲート電極12を形成する場合には、フォトレジストを使ったエッチング法を用いることができる。
(1) Step of Forming Gate Electrode Referring to FIG. 4A,
(2)ゲート絶縁膜を形成する工程
図4(B)を参照して、ゲート電極12および基板11上に絶縁層としてゲート絶縁膜13を形成する。ゲート絶縁膜13の形成方法は、特に制限はないが、大面積で均一に形成できる点および絶縁性を確保する点から、プラズマCVD(化学気相堆積)法等であることが好ましい。
(2) Step of Forming Gate Insulating Film Referring to FIG. 4B, a
ゲート絶縁膜13の材質は、特に制限されないが、絶縁性の観点からは、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiNy)等であることが好ましい。また、ゲート絶縁膜13を上述のアモルファス隣接層とする場合、酸化シリコン(SiOx)、酸化アルミニウム(AlmOn)等のシリコンおよびアルミニウムの少なくともいずれか1つを含む酸化物であることが好ましい。
The material of the
(3)酸化物半導体膜を形成する工程
図4(C)を参照して、ゲート絶縁膜13上にチャネル層として酸化物半導体膜14を形成する。上述のように、酸化物半導体膜14は、スパッタ法により成膜する工程を含んで形成されることが好ましく、たとえばスパッタ法による成膜後に加熱処理するか、またはスパッタ法により成膜を行いながら加熱処理することによって形成されることが好ましい。スパッタ法の原料ターゲット(スパッタターゲット)としては、上記実施形態1の酸化物焼結体を用いる。
(3) Step of Forming Oxide Semiconductor Film Referring to FIG. 4C, an
高い信頼性を得るために、スパッタ法による成膜の後に加熱処理を行うことが好ましい。この場合、酸化物半導体膜14を形成した直後に加熱処理を行ってもよいし、ソース電極15、ドレイン電極16、エッチストッパ層17、パシベーション層18などを形成した後に加熱処理を行ってもよい。高い信頼性を得るために、エッチストッパ層17を形成した後に加熱処理を行うことがより好ましい。エッチストッパ層17を形成した後に加熱処理を行う場合、この加熱処理は、ソース電極15、ドレイン電極16形成前であっても後であってもよいが、パシベーション層18を形成する前であることが好ましい。
In order to obtain high reliability, heat treatment is preferably performed after film formation by sputtering. In this case, heat treatment may be performed immediately after the
(4)ソース電極およびドレイン電極を形成する工程
図4(D)を参照して、酸化物半導体膜14上にソース電極15およびドレイン電極16を互いに接触しないように形成する。ソース電極15およびドレイン電極16は、特に制限はないが、耐酸化性が高く、電気抵抗が低く、かつ酸化物半導体膜14との接触電気抵抗が低いことから、Mo電極、Ti電極、W電極、Al電極、Cu電極等であることが好ましい。ソース電極15およびドレイン電極16を形成する方法は、特に制限はないが、酸化物半導体膜14が形成された基板11の主面上に大面積で均一に形成できる点から、真空蒸着法、スパッタリング法等であることが好ましい。ソース電極15およびドレイン電極16を互いに接触しないように形成する方法は、特に制限はないが、大面積で均一なソース電極15とドレイン電極16のパターンを形成できる点から、フォトレジストを使ったエッチング法による形成であることが好ましい。
(4) Step of Forming Source and Drain Electrodes Referring to FIG. 4D,
次に、図2に示される半導体デバイス20の製造方法について説明すると、この製造方法は、コンタクトホール17aを有するエッチストッパ層17を形成する工程およびパシベーション膜18を形成する工程をさらに含むこと以外は図1に示される半導体デバイス10の製造方法と同様であることができ、具体的には、図4および図5を参照して、基板11上にゲート電極12を形成する工程(図4(A))と、ゲート電極12および基板11上に絶縁層としてゲート絶縁膜13を形成する工程(図4(B))と、ゲート絶縁膜13上にチャネル層として酸化物半導体膜14を形成する工程(図4(C))と、酸化物半導体膜14およびゲート絶縁膜13上にエッチストッパ層17を形成する工程(図5(A))と、エッチストッパ層17にコンタクトホール17aを形成する工程(図5(B))と、酸化物半導体膜14およびエッチストッパ層17上にソース電極15およびドレイン電極16を互いに接触しないように形成する工程(図5(C))と、エッチストッパ層17、ソース電極15およびドレイン電極16上にパシベーション膜18を形成する工程(図5(D))を含むことが好ましい。
Next, a manufacturing method of the
エッチストッパ層17の材質は、特に制限されないが、絶縁性の観点からは、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiNy)、酸化アルミニウム(AlmOn)等であることが好ましい。また、エッチストッパ層17を上述のアモルファス隣接層とする場合、酸化シリコン(SiOx)、酸化アルミニウム(AlmOn)等のシリコンおよびアルミニウムの少なくともいずれか1つを含む酸化物であることが好ましい。エッチストッパ層17は、異なる材質からなる膜の組み合わせであってもよい。エッチストッパ層17の形成方法は、特に制限はないが、大面積で均一に形成できる点および絶縁性を確保する点から、プラズマCVD(化学気相堆積)法、スパッタ法、真空蒸着法等であることが好ましい。
The material of the
ソース電極15、ドレイン電極16は、酸化物半導体膜14に接触させる必要があることから、エッチストッパ層17を酸化物半導体膜14上に形成した後、エッチストッパ層17にコンタクトホール17aを形成する(図5(B))。コンタクトホール17aの形成方法としては、ドライエッチングまたはウェットエッチングを挙げることができる。当該方法によりエッチストッパ層17をエッチングしてコンタクトホール17aを形成することで、エッチング部において酸化物半導体膜14の表面を露出させる。
Since the
図2に示される半導体デバイス20の製造方法においては、図1に示される半導体デバイス10の製造方法と同様にして、酸化物半導体膜14およびエッチストッパ層17上にソース電極15およびドレイン電極16を互いに接触しないように形成した後(図5(C))、エッチストッパ層17、ソース電極15およびドレイン電極16上にパシベーション膜18を形成する(図5(D))。
In the manufacturing method of the
パシベーション膜18の材質は、特に制限されないが、絶縁性の観点からは、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiNy)、酸化アルミニウム(AlmOn)等であることが好ましい。また、パシベーション膜18を上述のアモルファス隣接層とする場合、酸化シリコン(SiOx)、酸化アルミニウム(AlmOn)等のシリコンおよびアルミニウムの少なくともいずれか1つを含む酸化物であることが好ましい。パシベーション膜18は、異なる材質からなる膜の組み合わせであってもよい。パシベーション膜18の形成方法は、特に制限はないが、大面積で均一に形成できる点および絶縁性を確保する点から、プラズマCVD(化学気相堆積)法、スパッタ法、真空蒸着法等であることが好ましい。
The material of the
また、図3に示される半導体デバイス30のように、エッチストッパ層17を形成することなくバックチャネルエッチ(BCE)構造を採用し、ゲート絶縁膜13、酸化物半導体膜14、ソース電極15およびドレイン電極16の上に、パシベーション膜18を直接形成してもよい。この場合におけるパシベーション膜18については、図2に示される半導体デバイス20が有するパシベーション膜18についての上の記述が引用される。
Further, as in the
(5)その他の工程
最後に、通常は、加熱処理を施す。加熱処理は基板を加熱することによって実施できる。基板温度は、好ましくは100℃以上250℃以下である。加熱処理の雰囲気は、大気中、窒素ガス中、窒素ガス−酸素ガス中、Arガス中、Ar−酸素ガス中、水蒸気含有大気中、水蒸気含有窒素中など、各種雰囲気であってよい。好ましくは、窒素、Arガス中などの不活性雰囲気である。雰囲気圧力は、大気圧のほか、減圧条件下(たとえば0.1Pa未満)、加圧条件下(たとえば0.1Pa〜9MPa)であることができるが、好ましくは大気圧である。加熱処理の時間は、たとえば3分〜2時間程度であることができ、好ましくは10分〜90分程度である。
(5) Other steps Finally, heat treatment is usually performed. The heat treatment can be performed by heating the substrate. The substrate temperature is preferably 100 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. The atmosphere for the heat treatment may be various atmospheres such as air, nitrogen gas, nitrogen gas-oxygen gas, Ar gas, Ar-oxygen gas, water vapor-containing air, water vapor-containing nitrogen. An inert atmosphere such as nitrogen or Ar gas is preferable. The atmospheric pressure can be atmospheric pressure, reduced pressure conditions (for example, less than 0.1 Pa), and pressurized conditions (for example, 0.1 Pa to 9 MPa), but is preferably atmospheric pressure. The heat treatment time can be, for example, about 3 minutes to 2 hours, and preferably about 10 minutes to 90 minutes.
<実施例1〜実施例16>
(1)酸化物焼結体の作製
(1−1)粉末原料の準備
表1に示す組成とメジアン粒径d50(表1において「W粒径」と表記した。)を有し、純度が99.99質量%のタングステン酸化物粉末(表1において「W」と表記した。)と、メジアン粒径d50が1.0μmで純度が99.99質量%のZnO粉末(表1において「Z」と表記した。)と、メジアン粒径d50が1.0μmで純度が99.99質量%のIn2O3粉末(表1において「I」と表記した。)と、を準備した。
<Example 1 to Example 16>
(1) Production of oxide sintered body (1-1) Preparation of powder raw material It has the composition shown in Table 1 and the median particle size d50 (indicated as “W particle size” in Table 1), and the purity is 99. .99 mass% tungsten oxide powder (indicated as “W” in Table 1) and ZnO powder having a median particle diameter d50 of 1.0 μm and a purity of 99.99 mass% (referred to as “Z” in Table 1). And an In 2 O 3 powder (shown as “I” in Table 1) having a median particle diameter d50 of 1.0 μm and a purity of 99.99% by mass were prepared.
(1−2)原料粉末の1次混合物の調製
まず、ボールミルに、準備した原料粉末の内、タングステン酸化物粉末とZnO粉末、またはタングステン酸化物粉末とインジウム酸化物粉末とを入れて、18時間粉砕混合することにより原料粉末の1次混合物を調製した。タングステン酸化物粉末とZnO粉末とのモル混合比率は、およそタングステン酸化物粉末:ZnO粉末=1:1とした。タングステン酸化物粉末とインジウム酸化物粉末とのモル混合比率は、およそタングステン酸化物粉末:In2O3粉末=1:3とした。粉砕混合の際、分散媒としてエタノールを用いた。得られた原料粉末の1次混合物は大気中で乾燥させた。
(1-2) Preparation of Primary Mixture of Raw Material Powder First, in the prepared raw material powder, tungsten oxide powder and ZnO powder or tungsten oxide powder and indium oxide powder are put into a ball mill for 18 hours. A primary mixture of raw material powders was prepared by pulverization and mixing. The molar mixing ratio of the tungsten oxide powder and the ZnO powder was approximately tungsten oxide powder: ZnO powder = 1: 1. The molar mixing ratio of the tungsten oxide powder and the indium oxide powder was approximately tungsten oxide powder: In 2 O 3 powder = 1: 3. During the pulverization and mixing, ethanol was used as a dispersion medium. The obtained primary mixture of raw material powders was dried in the air.
(1−3)1次混合物の熱処理による仮焼粉末の形成
次に、得られた原料粉末の1次混合物をアルミナ製坩堝に入れて、空気雰囲気中、表1に示す仮焼温度で8時間仮焼し、ZnWO4型結晶相で構成された仮焼粉末またはIn6WO12型結晶相で構成された仮焼粉末を得た。表1に、得られた仮焼粉末を構成する結晶相の組成(種類)を示す。
(1-3) Formation of calcination powder by heat treatment of primary mixture Next, the obtained primary mixture of raw material powders was put into an alumina crucible and heated in an air atmosphere at the calcination temperature shown in Table 1 for 8 hours. Calcination was performed to obtain a calcined powder composed of a ZnWO 4 type crystal phase or a calcined powder composed of an In 6 WO 12 type crystal phase. Table 1 shows the composition (type) of the crystal phase constituting the calcined powder obtained.
(1−4)仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物の調製
次に、得られた仮焼粉末を、準備した残りの原料粉末であるIn2O3粉末またはZnO粉末とともにポットへ投入し、さらに粉砕混合ボールミルに入れて12時間粉砕混合することにより原料粉末の2次混合物を調製した。これらの粉末の混合比は、混合物中のW、ZnおよびInのモル比が表1に示されるとおりとなるようにした。粉砕混合の際、分散媒としてエタノールを用いた。得られた混合粉末はスプレードライで乾燥させた。
(1-4) Preparation of secondary mixture of raw material powder containing calcined powder Next, the obtained calcined powder is put into a pot together with the remaining raw material powder, In 2 O 3 powder or ZnO powder. Further, the mixture was pulverized and mixed for 12 hours in a pulverizing and mixing ball mill to prepare a secondary mixture of raw material powders. The mixing ratio of these powders was such that the molar ratio of W, Zn and In in the mixture was as shown in Table 1. During the pulverization and mixing, ethanol was used as a dispersion medium. The obtained mixed powder was dried by spray drying.
(1−5)2次混合物の成形による成形体の形成
次に、得られた2次混合物をプレスにより成形し、さらにCIPにより室温(5℃〜30℃)の静水中、190MPaの圧力で加圧成形して、直径100mmで厚み約9mmの円板状の成形体を得た。
(1-5) Formation of molded product by molding of secondary mixture Next, the obtained secondary mixture was molded by pressing, and further applied with CIP at a pressure of 190 MPa in still water at room temperature (5 ° C to 30 ° C). By pressure forming, a disk-shaped molded body having a diameter of 100 mm and a thickness of about 9 mm was obtained.
(1−6)成形体の焼結による酸化物焼結体の形成
次に、得られた成形体を大気圧下、空気雰囲気中にて表1に示す焼結温度で8時間焼結して、タングステンおよび亜鉛が固溶したビックスバイト型結晶相(In2O3型相)を含む第1結晶相を含む酸化物焼結体を得た。タングステンおよび亜鉛が固溶しているとの判断は、X線回折の測定において、ピーク位置が、JCPDSカードの6−0416に規定されるピーク位置からずれていることの確認に基づいている。
(1-6) Formation of Oxide Sintered Body by Sintering of Molded Body Next, the obtained molded body was sintered at a sintering temperature shown in Table 1 for 8 hours under atmospheric pressure in an air atmosphere. In addition, an oxide sintered body including a first crystal phase including a bixbite type crystal phase (In 2 O 3 type phase) in which tungsten and zinc were dissolved was obtained. The determination that tungsten and zinc are in solid solution is based on confirmation that the peak position is deviated from the peak position defined in JCPDS card 6-0416 in the measurement of X-ray diffraction.
(1−7)酸化物焼結体の物性評価
〔A〕第1結晶相、第2結晶相および第4結晶相の同定
酸化物焼結体の一部からサンプルを採取して、粉末X線回折法による結晶解析を行い、ビックスバイト型結晶相、2θの34.74degより大きく34.97degより小さいより小さい位置に第1回折ピークを有する第2結晶相、および2θの31.77degより大きく32.00degより小さい位置に第2回折ピークを有する第4結晶相の存在の有無を確認した。X線回折の測定条件は以下のとおりとした。
(1-7) Physical property evaluation of oxide sintered body [A] Identification of first crystal phase, second crystal phase, and fourth crystal phase A sample was taken from a part of the oxide sintered body, and powder X-rays were obtained. A crystal analysis is performed by a diffraction method, and a bixbite type crystal phase, a second crystal phase having a first diffraction peak at a position smaller than 34.74 deg of 2θ and smaller than 34.97 deg, and 32 larger than 31.77 deg of 2θ. The presence or absence of the fourth crystal phase having the second diffraction peak at a position smaller than 0.000 deg was confirmed. The measurement conditions for X-ray diffraction were as follows.
(X線回折の測定条件)
θ−2θ法、
X線源:Cu Kα線、
X線管球電圧:45kV、
X線管球電流:40mA、
ステップ幅:0.03deg、
ステップ時間:1秒/ステップ、
測定範囲2θ:10deg〜90deg。
(Measurement conditions for X-ray diffraction)
θ-2θ method,
X-ray source: Cu Kα ray,
X-ray tube voltage: 45 kV,
X-ray tube current: 40 mA,
Step width: 0.03 deg.
Step time: 1 second / step,
Measurement range 2θ: 10 deg to 90 deg.
実施例の酸化物焼結体はいずれもビックスバイト型結晶相、第2結晶相および第4結晶相を有していた。第2結晶相が有する第1回折ピークの角度および第4結晶相が有する第2回折ピークの角度を表2に示す。また、X線回折のビックスバイト型結晶相に帰属される回折ピークの中で強度が一番高い回折ピークのピーク強度IInと、ビックスバイト型結晶相に帰属されない回折ピークの中で最も強度が高い回折ピークのピーク強度Imの比IIn/Imが3.0以上であったことから、実施例の酸化物焼結体はいずれも、ビックスバイト型結晶相が主成分であるといえる。 The oxide sintered bodies of the examples all had a bixbite type crystal phase, a second crystal phase, and a fourth crystal phase. Table 2 shows the angle of the first diffraction peak of the second crystal phase and the angle of the second diffraction peak of the fourth crystal phase. Further, the peak intensity IIn of the diffraction peak having the highest intensity among the diffraction peaks attributed to the bixbyite crystal phase of X-ray diffraction and the highest intensity among the diffraction peaks not attributed to the bixbite crystal phase. Since the ratio IIn / Im of the peak intensity Im of the diffraction peak was 3.0 or more, it can be said that the oxide sintered bodies of the examples are mainly composed of the bixbite type crystal phase.
〔B〕第1結晶相が主成分であることの確認およびインジウム高含有型結晶相占有率の測定
酸化物焼結体の一部からサンプルを採取し、該サンプルの表面を研磨して平滑にした。次いで、SEM−EDX(エネルギー分散型ケイ光X線分析計を付帯する走査型二次電子顕微鏡)を用いて、サンプルの当該表面をSEM(走査型二次電子顕微鏡)で観察し、各結晶粒子の金属元素の組成比をEDX(エネルギー分散型ケイ光X線分析計)で分析した。そして、それらの結晶粒子の金属元素の組成比の傾向に基づいて、結晶粒子のグループ分けを行った。具体的には、Znを含有し、より典型的にはZn含有率〔In、WおよびZnの合計に対するZnの含有率(原子%)〕が後述するグループBよりも高い結晶粒子のグループAと、Zn含有率が非常に低いかまたはZnを含有せず、かつ、グループAに比べてIn含有率(In、WおよびZnの合計に対するInの含有率(原子%))が高い結晶粒子のグループB(インジウム高含有型結晶相)とに分けた。グループBの結晶粒が第1結晶相であると判断した。
[B] Confirmation that first crystal phase is main component and measurement of indium high content type crystal phase occupancy Sample was taken from a part of oxide sintered body, and the surface of the sample was polished and smoothed did. Next, using SEM-EDX (scanning secondary electron microscope with an energy dispersive fluorescent X-ray analyzer), the surface of the sample is observed with SEM (scanning secondary electron microscope), and each crystal particle The metal elemental composition ratio was analyzed by EDX (energy dispersive fluorescence X-ray analyzer). And based on the tendency of the composition ratio of the metal elements of those crystal grains, the crystal grains were grouped. Specifically, a group A of crystal grains containing Zn and more typically having a Zn content [Zn content (atomic%) with respect to the sum of In, W and Zn] higher than Group B described later. A group of crystal grains having a very low Zn content or no Zn content and a high In content (In content (atomic%) with respect to the sum of In, W and Zn) compared to Group A B (indium-rich crystal phase). The crystal grains of group B were judged to be the first crystal phase.
酸化物焼結体における「インジウム高含有型結晶相占有率」は、酸化物焼結体の上記測定表面に占めるインジウム高含有型結晶相(グループB)の面積の割合(百分率)として定義される。実施例の酸化物焼結体はいずれもインジウム高含有型結晶相占有率が50%以上であり、第1結晶相が主成分であった。 The “indium-rich crystal phase occupancy” in the oxide sintered body is defined as the ratio (percentage) of the area of the indium-rich crystal phase (group B) to the measurement surface of the oxide sintered body. . In each of the oxide sintered bodies of Examples, the indium-rich crystal phase occupation ratio was 50% or more, and the first crystal phase was the main component.
〔C〕第1回折ピークのピーク強度Iaと第2回折ピークのピーク強度Ibとの比Ia/Ibの測定
上述の〔A〕第1結晶相、第2結晶相および第4結晶相の同定のためのX線回折の測定結果に基づき、上述の式に従ってIaおよびIbを測定し、Ia/Ibを算出した。結果を表2に示す。
[C] Measurement of ratio Ia / Ib between peak intensity Ia of first diffraction peak and peak intensity Ib of second diffraction peak [A] Identification of first crystal phase, second crystal phase, and fourth crystal phase Based on the X-ray diffraction measurement results, Ia and Ib were measured according to the above formula, and Ia / Ib was calculated. The results are shown in Table 2.
〔D〕第3結晶相の存在確認、ならびにこれを構成する結晶粒子の平均長軸径および平均アスペクト比の測定
上述の〔B〕第1結晶相が主成分であることの確認およびインジウム高含有型結晶相占有率の測定において、グループAに分けられた結晶相を第3結晶相と判断した。またこの表面分析でのSEM観察において500倍の反射電子像を測定し、第1結晶相に分類されるグループBに比して濃いグレーに観察される第3結晶相を構成する結晶粒子について、上述の方法にしたがって平均長軸径および平均アスペクト比を測定した。結果を表2に示す。
[D] Confirmation of existence of third crystal phase and measurement of average major axis diameter and average aspect ratio of crystal grains constituting the same [B] Confirmation that first crystal phase is main component and high content of indium In the measurement of the type crystal phase occupancy, the crystal phase divided into group A was judged as the third crystal phase. In addition, in the SEM observation in this surface analysis, a 500-fold backscattered electron image is measured, and the crystal particles constituting the third crystal phase observed in dark gray compared to the group B classified as the first crystal phase, The average major axis diameter and average aspect ratio were measured according to the method described above. The results are shown in Table 2.
〔E〕第5結晶相、タングステン酸インジウム化合物結晶相、六方晶ウルツ型結晶相およびIn2O3(ZnO)5の存在確認
上述の〔A〕X線回折の測定において、併せて、第5結晶相、タングステン酸インジウム化合物結晶相、六方晶ウルツ型結晶相およびIn2O3(ZnO)5の存在の有無を確認した。いずれの実施例・比較例においても、タングステン酸インジウム化合物結晶相の存在は認められなかった。
[E] Confirmation of presence of fifth crystal phase, indium tungstate compound crystal phase, hexagonal wurtzite crystal phase and In 2 O 3 (ZnO) 5 In the measurement of [A] X-ray diffraction described above, The presence or absence of a crystal phase, an indium tungstate compound crystal phase, a hexagonal wurtzite crystal phase, and In 2 O 3 (ZnO) 5 was confirmed. In any of the examples and comparative examples, the presence of an indium tungstate compound crystal phase was not observed.
表2の「結晶相」の欄に、酸化物焼結体に存在する結晶相をまとめた。結晶相に関し、表中の略称は次の結晶相を意味する。なお、表2の「結晶相」の欄には、上記のX線回折の測定によって同定することができたものを示しており、酸化物焼結体が「結晶相」の欄に記載されているもののみで構成されていることを意味するものではない。 In the column of “Crystal Phase” in Table 2, the crystal phases present in the oxide sintered body are summarized. Regarding crystal phases, the abbreviations in the table mean the following crystal phases. In the column of “Crystal Phase” in Table 2, those that can be identified by the above X-ray diffraction measurement are shown, and the oxide sintered body is described in the “Crystal Phase” column. It does not mean that it is composed only of what is present.
I:ビックスバイト型結晶相(第1結晶相)、
Z:六方晶ウルツ型結晶相(第3結晶相)、
ZW:タングステン酸亜鉛化合物結晶相(第3結晶相および第5結晶相)、
IZ:In2O3(ZnO)5(第3結晶相)。
I: Bixbite type crystal phase (first crystal phase),
Z: hexagonal wurtzite crystal phase (third crystal phase),
ZW: zinc tungstate compound crystal phase (third crystal phase and fifth crystal phase),
IZ: In 2 O 3 (ZnO) 5 (third crystal phase).
〔F〕酸化物焼結体中のIn、ZnおよびWの含有量の測定
得られた酸化物焼結体中のIn、ZnおよびWの含有量は、ICP質量分析法により測定した。これらの含有量に基づいて、酸化物焼結体のW含有率(原子%)、Zn含有率(原子%)、およびZn/W比(原子数比)をそれぞれ求めた。結果を表2に示す。
[F] Measurement of In, Zn and W contents in oxide sintered body The contents of In, Zn and W in the obtained oxide sintered body were measured by ICP mass spectrometry. Based on these contents, the W content (atomic%), the Zn content (atomic%), and the Zn / W ratio (atomic ratio) of the oxide sintered body were determined. The results are shown in Table 2.
〔G〕酸化物焼結体の見かけ密度の測定
得られた酸化物焼結体の見かけ密度はアルキメデス法により求めた。
[G] Measurement of apparent density of oxide sintered body The apparent density of the obtained oxide sintered body was determined by the Archimedes method.
〔H〕酸化物焼結体の熱伝導率の測定
JIS R 1611:2010に規定される方法にしたがって、熱拡散率、比熱容量および熱伝導率を測定した。表2に、比較例1の熱伝導率を1とした場合の各実施例および比較例の熱伝導率比を示す。
[H] Measurement of Thermal Conductivity of Oxide Sintered Body The thermal diffusivity, specific heat capacity, and thermal conductivity were measured according to the method defined in JIS R 1611: 2010. Table 2 shows the thermal conductivity ratios of the examples and the comparative example when the thermal conductivity of the comparative example 1 is 1.
<比較例1〜比較例2>
原料粉末であるタングステン酸化物粉末、ZnO粉末およびIn2O3粉末の混合比が表1に示されるとおりとなるようにしたこと、ならびに、仮焼粉末を形成することなく、これらの原料粉末を一度に混合し表1に示される温度で焼結したこと以外は実施例と同じ方法で酸化物焼結体を作製し、物性評価を行った。比較例の酸化物焼結体はいずれも第1結晶相を有していたが、第2結晶相、所定の平均長軸径および平均アスペクト比を有する第3結晶、ならびに第4結晶相を有していなかった。比較例2の酸化物焼結体については、第3結晶相がインジウム高含有型結晶相に分散しておらず、お互いに接触した形であり、第3結晶相の粒子形状を特定することができなかったため、平均長軸径および平均アスペクト比を測定することはできなかった。いずれの比較例においても、見かけ密度を高めるためには焼結温度は、実施例に比較して高くする必要があった。焼結温度を1160℃としたこと以外は比較例1、比較例2と同様にして酸化物焼結体を作製したところ、これらの酸化物焼結体の見かけ密度はいずれも6.3g/cm3であった。
<Comparative Examples 1 to 2>
The mixing ratio of the tungsten oxide powder, the ZnO powder and the In 2 O 3 powder as the raw material powder was as shown in Table 1, and these raw material powders were formed without forming a calcined powder. Except that they were mixed at one time and sintered at the temperature shown in Table 1, oxide sintered bodies were produced in the same manner as in Examples, and physical properties were evaluated. The oxide sintered bodies of the comparative examples all had the first crystal phase, but had the second crystal phase, the third crystal having a predetermined average major axis diameter and average aspect ratio, and the fourth crystal phase. I did not. In the oxide sintered body of Comparative Example 2, the third crystal phase is not dispersed in the indium-rich crystal phase but is in contact with each other, and the particle shape of the third crystal phase can be specified. As a result, the average major axis diameter and average aspect ratio could not be measured. In any of the comparative examples, in order to increase the apparent density, it was necessary to increase the sintering temperature as compared with the examples. Oxide sintered bodies were produced in the same manner as in Comparative Example 1 and Comparative Example 2 except that the sintering temperature was 1160 ° C. The apparent density of these oxide sintered bodies was 6.3 g / cm. It was 3 .
(1−8)スパッタターゲットの作製
得られた酸化物焼結体を、直径3インチ(76.2mm)×厚さ6mmに加工した後、銅のバッキングプレートにインジウム金属を用いて貼り付けた。
(1-8) Production of Sputter Target The obtained oxide sintered body was processed into a diameter of 3 inches (76.2 mm) × thickness of 6 mm, and then attached to a copper backing plate using indium metal.
(2)酸化物半導体膜を備える半導体デバイス(TFT)の作製と評価
(2−1)スパッタリング電力の最大限界値(割れ電力)の計測
作製したスパッタターゲットをスパッタリング装置(図示せず)の成膜室内に設置した。スパッタターゲットは、銅のバッキングプレートを介して水冷されている。成膜室内を6×10-5Pa程度の真空度として、ターゲットを次のようにしてスパッタリングした。
(2) Manufacture and evaluation of semiconductor device (TFT) provided with oxide semiconductor film (2-1) Measurement of maximum limit value (cracking power) of sputtering power Film formation of sputtering apparatus (not shown) for prepared sputtering target Installed indoors. The sputter target is water cooled via a copper backing plate. The target was sputtered as follows with the vacuum in the film formation chamber being about 6 × 10 −5 Pa.
成膜室内へAr(アルゴン)ガスとO2(酸素)ガスとの混合ガスを0.5Paの圧力まで導入した。混合ガス中のO2ガス含有率は20体積%であった。ターゲットに300WのDC電力を印加してスパッタリング放電を起こし、60分間保持した。60分後、冷却を10分間行った後、成膜室を大気開放し、スパッタターゲットの酸化物焼結体に割れが発生していないか確認した。300Wから50Wずつ増加させて、各段階について60分間のスパッタリングを行い、スパッタターゲットの酸化物焼結体に割れが発生していないかを確認した。酸化物焼結体に割れが発生した場合、実験を停止し、そのスパッタリング電力を割れ電力(W)とした。表2に実施例と比較例の割れ電力を示す。実施例のスパッタターゲットはすべて、高いスパッタリング電力まで割れが発生しなかった。これは、酸化物焼結体が所定の第2結晶相を含んでいるために熱伝導率が高くなったためと考えられる。また、第1結晶相および第2結晶相以外の結晶相(とりわけ、高いアスペクト比を有する結晶粒子で構成される第3結晶相など)を含んでいることも高熱伝導率に寄与していると考えられる。 A mixed gas of Ar (argon) gas and O 2 (oxygen) gas was introduced into the deposition chamber up to a pressure of 0.5 Pa. The O 2 gas content in the mixed gas was 20% by volume. Sputtering discharge was caused by applying DC power of 300 W to the target and held for 60 minutes. After 60 minutes, after cooling for 10 minutes, the film forming chamber was opened to the atmosphere, and it was confirmed whether or not cracks occurred in the oxide sintered body of the sputter target. It was increased from 300 W by 50 W, and sputtering was performed for 60 minutes for each stage, and it was confirmed whether or not cracks occurred in the oxide sintered body of the sputter target. When cracking occurred in the oxide sintered body, the experiment was stopped and the sputtering power was set as cracking power (W). Table 2 shows the cracking power of the example and the comparative example. All of the sputter targets of the examples did not crack up to a high sputtering power. This is probably because the oxide sintered body includes a predetermined second crystal phase, and thus the thermal conductivity is increased. In addition, including a crystal phase other than the first crystal phase and the second crystal phase (in particular, a third crystal phase composed of crystal particles having a high aspect ratio) contributes to high thermal conductivity. Conceivable.
比較例2のスパッタターゲットは、割れが激しく、DC電力を使用したスパッタリングによる成膜ができなかった。 The sputter target of Comparative Example 2 was severely cracked and could not be formed by sputtering using DC power.
(2−2)酸化物半導体膜を備える半導体デバイス(TFT)の作製
次の手順で図3に示される半導体デバイス30と類似の構成を有するTFTを作製した。図4(A)を参照して、まず、基板11として50mm×50mm×厚み0.6mmの合成石英ガラス基板を準備し、その基板11上にスパッタリング法によりゲート電極12として厚み100nmのMo電極を形成した。次いで、図4(A)に示されるように、フォトレジストを使ったエッチングによりゲート電極12を所定の形状とした。
(2-2) Production of Semiconductor Device (TFT) Having Oxide Semiconductor Film A TFT having a configuration similar to that of the
図4(B)を参照して、次に、ゲート電極12および基板11上にプラズマCVD法によりゲート絶縁膜13として、アモルファス酸化物層である厚み200nmのSiOx膜を形成した。
Referring to FIG. 4 (B), then, as a
図4(C)を参照して、次に、ゲート絶縁膜13上に、DC(直流)マグネトロンスパッタリング法により、厚み35nmの酸化物半導体膜14を形成した。ターゲットの直径3インチ(76.2mm)の平面がスパッタ面であった。用いたターゲットとして、上記(1)で得られた酸化物焼結体を使用した。
4C, next, an
酸化物半導体膜14の形成についてより具体的に説明すると、スパッタリング装置(図示せず)の成膜室内の水冷されている基板ホルダ上に、上記ゲート電極12およびゲート絶縁膜13が形成された基板11をゲート絶縁膜13が露出されるように配置した。上記ターゲットをゲート絶縁膜13に対向するように60mmの距離で配置した。成膜室内を6×10-5Pa程度の真空度として、ターゲットを次のようにしてスパッタリングした。
The formation of the
まず、ゲート絶縁膜13とターゲットとの間にシャッターを入れた状態で、成膜室内へAr(アルゴン)ガスとO2(酸素)ガスとの混合ガスを0.4Paの圧力まで導入した。混合ガス中のO2ガス含有率は20体積%であった。実施例の場合、ターゲットに前記(2−1)にて求めた割れ電力よりも50W低いDC電力を印加してスパッタリング放電を起こし、これによってターゲット表面のクリーニング(プレスパッタ)を5分間行った。比較例1においては、DC電力を500Wとしてスパッタリング放電を起こし、プレスパッタを5分行った。
First, a mixed gas of Ar (argon) gas and O 2 (oxygen) gas was introduced to a pressure of 0.4 Pa into the film forming chamber with a shutter between the
次いで、同じターゲットに同じ値のDC電力を印加して、成膜室内の雰囲気をそのまま維持した状態で、上記シャッターを外すことにより、ゲート絶縁膜13上に酸化物半導体膜14を成膜した。なお、基板ホルダに対しては、特にバイアス電圧は印加しなかった。また、基板ホルダを水冷または加熱し、成膜時および成膜後の基板11の温度を調整した。実施例および比較例のうち、下記の表3における「成膜時熱処理」の欄に「あり/120℃」などと記載されている例では、成膜時において基板ホルダを加熱して基板温度を120℃などに調整することにより成膜と同時に加熱処理を実施した。この場合において加熱処理の時間は、成膜時間に相当する。成膜と同時に加熱処理を実施した場合においても、成膜後(後述するように、パシベーション層形成後)に基板を加熱して250℃10分、または350℃10分間の加熱処理を行い、後述する半導体デバイス特性を測定した。一方、実施例および比較例のうち、下記の表3における「成膜時熱処理」の欄に「なし」と記載されている場合は、成膜時においては基板ホルダを水冷して基板温度を20℃程度とし、成膜後(後述するように、パシベーション層形成後)に基板を加熱して250℃10分、または350℃10分間の加熱処理を行い、後述する半導体デバイス特性を測定した。
Next, the same value of DC power was applied to the same target, and the
以上のようにして、上記(1)で得られた酸化物焼結体から加工されたターゲットを用いたDC(直流)マグネトロンスパッタリング法により酸化物半導体膜14を形成した。酸化物半導体膜14は、TFTにおいてチャネル層として機能する。各実施例および比較例で形成した酸化物半導体膜14の膜厚は35nmとした。
As described above, the
次に、形成された酸化物半導体膜14の一部をエッチングすることにより、ソース電極形成用部14s、ドレイン電極形成用部14d、およびチャネル部14cを形成した。ソース電極形成用部14sおよびドレイン電極形成用部14dの主面の大きさは50μm×50μm、チャネル長さCL(図1(A)および図1(B)を参照して、チャネル長さCLとは、ソース電極15とドレイン電極16との間のチャネル部14cの距離をいう。)は30μm、チャネル幅CW(図1(A)および図1(B)を参照して、チャネル幅CWとは、チャネル部14cの幅をいう。)は40μmとした。チャネル部14cは、TFTが75mm×75mmの基板主面内に3mm間隔で縦25個×横25個配置されるように、75mm×75mmの基板主面内に3mm間隔で縦25個×横25個配置した。
Next, by etching a part of the formed
酸化物半導体膜14の一部のエッチングは、体積比でシュウ酸:水=5:95であるエッチング水溶液を調製し、ゲート電極12、ゲート絶縁膜13および酸化物半導体膜14がこの順に形成された基板11を、そのエッチング水溶液に40℃で浸漬することにより行った。
For the etching of part of the
図4(D)を参照して、次に、酸化物半導体膜14上にソース電極15およびドレイン電極16を互いに分離して形成した。
Referring to FIG. 4D, next, the
具体的にはまず、酸化物半導体膜14のソース電極形成用部14sおよびドレイン電極形成用部14dの主面のみが露出するように、酸化物半導体膜14上にレジスト(図示せず)を塗布、露光および現像した。次いでスパッタ法により、酸化物半導体膜14のソース電極形成用部14sおよびドレイン電極形成用部14dの主面上に、それぞれソース電極15、ドレイン電極16である厚み100nmのMo電極を形成した。その後、酸化物半導体膜14上のレジストを剥離した。ソース電極15としてのMo電極およびドレイン電極16としてのMo電極はそれぞれ、TFTが75mm×75mmの基板主面内に3mm間隔で縦25個×横25個配置されるように、一つのチャネル部14cに対して1つずつ配置した。
Specifically, first, a resist (not shown) is applied on the
図3を参照して、次に、ゲート絶縁膜13、酸化物半導体膜14、ソース電極15およびドレイン電極16の上にパシベーション膜18を形成した。パシベーション膜18は、アモルファス酸化物層である厚み200nmのSiOx膜をプラズマCVD法により形成した後、その上に厚み200nmのSiNy膜をプラズマCVD法により形成した構成、またはアモルファス酸化物層である厚み120nmのAlmOn膜をスパッタリング法により形成した後、その上に厚み200nmのSiNy膜をプラズマCVD法により形成した構成とした。アモルファス酸化物層がSiOx膜である場合、下記の表3における「PV層」の欄には「SiOx」と記載し、アモルファス酸化物層がAlmOn膜である場合、「PV層」の欄には「AlmOn」と記載している。SiOx膜の原子組成比は、Si:O=1:2により近い酸素含有量であること、AlmOn膜の原子組成比は、Al:O=2:3により近い酸素含有量であることが信頼性向上の観点から望ましい。
Next, with reference to FIG. 3, a
次に、ソース電極15、ドレイン電極16上のパシベーション膜18を反応性イオンエッチングによりエッチングしてコンタクトホールを形成することによってソース電極15、ドレイン電極16の表面の一部を露出させた。
Next, the
最後に、大気圧窒素雰囲気中で加熱処理を実施した。この加熱処理は、すべての実施例および比較例について行い、具体的には、窒素雰囲気中250℃10分間、もしくは窒素雰囲気中350℃10分間の加熱処理を実施した。以上により、酸化物半導体膜14をチャネル層として備えるTFTを得た。
Finally, heat treatment was performed in an atmospheric pressure nitrogen atmosphere. This heat treatment was performed for all the examples and comparative examples. Specifically, the heat treatment was performed at 250 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere or at 350 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. Through the above steps, a TFT including the
(2−3)酸化物半導体膜の結晶性、W含有率、Zn含有率およびZn/W比
作製したTFTが備える酸化物半導体膜14の結晶性を上述の測定方法および定義に従って評価した。表3における「結晶性」の欄には、ナノ結晶である場合には「ナノ結晶」と、アモルファスである場合には、「アモルファス」と記載している。また、酸化物半導体膜14中のIn、WおよびZnの含有量を、RBS(ラザフォード後方散乱分析)により測定した。これらの含有量に基づいて酸化物半導体膜14のW含有率(原子%)、Zn含有率(原子%)、およびZn/W比(原子数比)をそれぞれ求めた。結果を表3に示す。
(2-3) Crystallinity of oxide semiconductor film, W content, Zn content, and Zn / W ratio The crystallinity of the
(2−4)半導体デバイスの特性評価
半導体デバイス10であるTFTの特性を次のようにして評価した。まず、ゲート電極12、ソース電極15およびドレイン電極16に測定針を接触させた。ソース電極15とドレイン電極16との間に0.2Vのソース−ドレイン間電圧Vdsを印加し、ソース電極15とゲート電極12との間に印加するソース−ゲート間電圧Vgsを−10Vから15Vに変化させて、そのときのソース−ドレイン間電流Idsを測定した。そして、ソース−ゲート間電圧Vgsとソース−ドレイン間電流Idsの平方根〔(Ids)1/2〕との関係をグラフ化した(以下、このグラフを「Vgs−(Ids)1/2曲線」ともいう。)。Vgs−(Ids)1/2曲線に接線を引き、その接線の傾きが最大となる点を接点とする接線がx軸(Vgs)と交わる点(x切片)を閾値電圧Vthとした。閾値電圧Vthは、大気圧窒素雰囲気中250℃10分間の加熱処理を実施した後(Vth(250℃))と、大気圧窒素雰囲気中350℃10分間の加熱処理を実施した後(Vth(350℃))のTFTについて測定した。Vthは、0V以上であることが望ましいとされており、さらにはTFTを表示装置に用いる場合、a−Siとの駆動電圧の同一性から1.0Vにより近い方が望ましいとされている。
(2-4) Characteristic Evaluation of Semiconductor Device The characteristics of the TFT which is the
また下記式〔a〕:
gm=dIds/dVgs 〔a〕
に従って、ソース−ドレイン間電流Idsをソース−ゲート間電圧Vgsについて微分することによりgmを導出した。そしてVgs=10.0Vにおけるgmの値を用いて、下記式〔b〕:
μfe=gm・CL/(CW・Ci・Vds) 〔b〕
に基づいて、電界効果移動度μfeを算出した。上記式〔b〕におけるチャネル長さCLは30μmであり、チャネル幅CWは40μmである。また、ゲート絶縁膜13のキャパシタンスCiは3.4×10-8F/cm2とし、ソース−ドレイン間電圧Vdsは0.5Vとした。
The following formula [a]:
g m = dI ds / dV gs [a]
Thus, g m was derived by differentiating the source-drain current I ds with respect to the source-gate voltage V gs . Then, using the value of g m at V gs = 10.0V, the following formula [b]:
μ fe = g m · C L / (C W · C i · V ds ) [b]
Based on the above, the field effect mobility μ fe was calculated. The channel length C L in the above formula [b] is 30 μm, and the channel width C W is 40 μm. The capacitance C i of the
大気圧窒素雰囲気中250℃10分間の加熱処理を実施した後の電界効果移動度μfeを、表3の「移動度(250℃)」の欄に示している。また、大気圧窒素雰囲気中350℃10分間の加熱処理を実施した後の電界効果移動度μfeを、表3の「移動度(350℃)」の欄に示している。表3に示されるように、Zn/W比が大きい方が、移動度(250℃)と移動度(350℃)との差が小さい傾向にある。 The field effect mobility μ fe after the heat treatment at 250 ° C. for 10 minutes in the atmospheric pressure nitrogen atmosphere is shown in the column of “mobility (250 ° C.)” in Table 3. Further, the field effect mobility μ fe after the heat treatment at 350 ° C. for 10 minutes in the atmospheric pressure nitrogen atmosphere is shown in the column of “mobility (350 ° C.)” in Table 3. As shown in Table 3, the larger the Zn / W ratio, the smaller the difference between mobility (250 ° C.) and mobility (350 ° C.).
さらに、次の信頼性評価試験を行った。ソース電極15とゲート電極12との間に印加するソース−ゲート間電圧Vgsを+35Vに固定して、これを1時間印加し続けた。印加開始から1s、10s、100s、300s、3600s後に前述の方法により閾値電圧Vthを求め、その最大閾値電圧Vthと最小閾値電圧Vthとの差ΔVthを求めた。ΔVthが小さい程、信頼性が高いと判断される。大気圧窒素雰囲気中250℃10分間の加熱処理を実施した後のΔVthを、表3の「ΔVth(250℃)」の欄に示している。また、大気圧窒素雰囲気中350℃10分間の加熱処理を実施した後のΔVthを、表3の「ΔVth(350℃)」の欄に示している。
Further, the following reliability evaluation test was performed. The source-gate voltage V gs applied between the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.
10,20,30 半導体デバイス(TFT)
11 基板
12 ゲート電極
13 ゲート絶縁膜
14 酸化物半導体膜
14c チャネル部
14d ドレイン電極形成用部
14s ソース電極形成用部
15 ソース電極
16 ドレイン電極
17 エッチストッパ層
17a コンタクトホール
18 パシベーション膜
10, 20, 30 Semiconductor device (TFT)
11
Claims (18)
前記酸化物焼結体の主成分であり、ビックスバイト型結晶相を含む第1結晶相と、
X線回折における2θの34.74degより大きく34.97degより小さい位置に第1回折ピークを有する第2結晶相と、
を含む、酸化物焼結体。 An oxide sintered body containing indium, tungsten and zinc,
A first crystal phase that is a main component of the oxide sintered body and includes a bixbite type crystal phase;
A second crystal phase having a first diffraction peak at a position larger than 34.74 deg of 2θ in X-ray diffraction and smaller than 34.97 deg;
An oxide sintered body containing
前記第3結晶相を構成する粒子は、平均長軸径が3μm以上50μm以下であり、平均アスペクト比が4以上50以下である、請求項1に記載の酸化物焼結体。 A crystal phase different from the first crystal phase, comprising a third crystal phase containing zinc;
2. The oxide sintered body according to claim 1, wherein the particles constituting the third crystal phase have an average major axis diameter of 3 μm or more and 50 μm or less and an average aspect ratio of 4 or more and 50 or less.
前記酸化物焼結体中のインジウム、タングステンおよび亜鉛の合計に対するタングステンの含有率が0.5原子%より大きく5.0原子%以下であり、
前記酸化物焼結体中のインジウム、タングステンおよび亜鉛の合計に対する亜鉛の含有率が1.2原子%以上40原子%未満であり、
前記酸化物焼結体中のタングステンに対する亜鉛の原子比が1.0より大きく80より小さい、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の酸化物焼結体。 The apparent density of the oxide sintered body is greater than 6.4 g / cm 3 and not more than 7.5 g / cm 3 ;
The content of tungsten with respect to the total of indium, tungsten and zinc in the oxide sintered body is greater than 0.5 atomic% and not greater than 5.0 atomic%;
The zinc content relative to the total of indium, tungsten and zinc in the oxide sintered body is 1.2 atomic percent or more and less than 40 atomic percent,
The oxide sintered body according to any one of claims 1 to 7, wherein an atomic ratio of zinc to tungsten in the oxide sintered body is larger than 1.0 and smaller than 80.
請求項9に記載のスパッタターゲットを用意する工程と、
前記スパッタターゲットを用いてスパッタ法により前記酸化物半導体膜を形成する工程と、
を含む、半導体デバイスの製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including an oxide semiconductor film,
Preparing a sputter target according to claim 9;
Forming the oxide semiconductor film by a sputtering method using the sputter target;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記酸化物半導体膜中のインジウム、タングステンおよび亜鉛の合計に対する亜鉛の含有率が1原子%以上40原子%未満であり、
前記酸化物半導体膜中のタングステンに対する亜鉛の原子比が1.0より大きく80より小さい、請求項10に記載の半導体デバイスの製造方法。 The content of tungsten with respect to the total of indium, tungsten and zinc in the oxide semiconductor film is greater than 0.5 atomic% and not greater than 5.0 atomic%;
The zinc content relative to the total of indium, tungsten and zinc in the oxide semiconductor film is 1 atomic% or more and less than 40 atomic%,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein an atomic ratio of zinc to tungsten in the oxide semiconductor film is larger than 1.0 and smaller than 80.
インジウム酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程と、
前記1次混合物を熱処理することにより仮焼粉末を形成する工程と、
前記仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物を調製する工程と、
前記2次混合物を成形することにより成形体を形成する工程と、
前記成形体を焼結することにより酸化物焼結体を形成する工程と、
を含み、
前記仮焼粉末を形成する工程は、酸素含有雰囲気下、700℃以上1400℃未満の温度で前記1次混合物を熱処理することにより、前記仮焼成粉末としてインジウムとタングステンとを含む複酸化物の粉末を形成することを含む、酸化物焼結体の製造方法。 A method for producing an oxide sintered body according to any one of claims 1 to 8,
Preparing a primary mixture of indium oxide powder and tungsten oxide powder;
Forming a calcined powder by heat-treating the primary mixture;
Preparing a secondary mixture of raw material powders containing the calcined powder;
Forming a molded body by molding the secondary mixture;
Forming an oxide sintered body by sintering the molded body;
Including
The step of forming the calcined powder is performed by heat-treating the primary mixture at a temperature of 700 ° C. or higher and lower than 1400 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, whereby a powder of a complex oxide containing indium and tungsten as the calcined powder. The manufacturing method of oxide sinter including forming.
亜鉛酸化物粉末とタングステン酸化物粉末との1次混合物を調製する工程と、
前記1次混合物を熱処理することにより仮焼粉末を形成する工程と、
前記仮焼粉末を含む原料粉末の2次混合物を調製する工程と、
前記2次混合物を成形することにより成形体を形成する工程と、
前記成形体を焼結することにより酸化物焼結体を形成する工程と、
を含み、
前記仮焼粉末を形成する工程は、酸素含有雰囲気下、550℃以上1200℃未満の温度で前記1次混合物を熱処理することにより、前記仮焼成粉末として亜鉛とタングステンとを含む複酸化物の粉末を形成することを含む、酸化物焼結体の製造方法。 A method for producing an oxide sintered body according to any one of claims 1 to 8,
Preparing a primary mixture of zinc oxide powder and tungsten oxide powder;
Forming a calcined powder by heat-treating the primary mixture;
Preparing a secondary mixture of raw material powders containing the calcined powder;
Forming a molded body by molding the secondary mixture;
Forming an oxide sintered body by sintering the molded body;
Including
The step of forming the calcined powder is a powder of a double oxide containing zinc and tungsten as the calcined powder by heat-treating the primary mixture at a temperature of 550 ° C. or higher and lower than 1200 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. The manufacturing method of oxide sinter including forming.
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