JP5387248B2

JP5387248B2 - 半導体酸化物薄膜

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Publication number: JP5387248B2
Application number: JP2009205401A
Authority: JP
Inventors: 美紀宮永; 雅司吉村; 浩岡田; 浩一曽我部
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-09-07
Also published as: JP2011058012A

Description

本発明は、半導体酸化物薄膜に関する。

液晶表示装置や薄膜エレクトロルミネッセンスおよび有機ＥＬ表示装置等において、薄膜トランジスタ（TFT：Thin Film Transistor）のチャンネル層や透明電極用の透明薄膜として、従来、主として、アモルファスシリコン膜が使用されてきた。

しかし、近年、この透明薄膜として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系複合酸化物（ＩＧＺＯ）を主成分とする非晶質（アモルファス）半導体膜（ＩＧＺＯ膜）が、アモルファスシリコン膜よりもキャリアの移動度が大きいという利点から注目されている（たとえば、特許文献１）。

特開２００８−１９９００５号公報

上記特許文献１に開示のＩＧＺＯ膜などの半導体酸化物において、ターゲット表面に発生するノジュールを抑制するとともに、半導体酸化物の特性を向上することが望まれている。

したがって、本発明は、ノジュールの発生を抑制し、かつ特性を向上する半導体酸化物薄膜を提供することである。

本発明の半導体酸化物薄膜は、非結晶質の半導体酸化物であって、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）を含み、Ｎの濃度は、１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下であり、Ｉｎの濃度とＧａの濃度とＺｎの濃度との合計の濃度に対するＩｎの濃度の比が０．３０以上０．６６以下であり、スパッタリング法により製造される。

本発明者は、ターゲット表面に発生するノジュールを抑制するために鋭意研究した結果、上記比が０．３以上となるようにＩｎの濃度を高くすることでノジュールの発生を抑制できることを見い出した。しかし、Ｉｎの濃度が高くなると、ノジュールの抑制には効果があるが、キャリア濃度が高くなり、所望のオンオフ比を達成できない場合がある。そこで、本発明者はＩｎによるキャリア濃度の増加を抑制するために鋭意研究した結果、Ｎでキャリア電子をトラップすることで、Ｉｎによるキャリア濃度の増加をさらに抑制できることもさらに見い出した。上記比を０．６６以下とすることによりＩｎのキャリア濃度が高くなりすぎず、かつＮの濃度を１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下とすることにより、Ｎでキャリア電子をトラップすることでＩｎによるキャリア濃度の増加を抑制できる。したがって、オンオフ比などの特性を向上することができる。以上より、ノジュールの発生を抑制し、かつ特性を向上する半導体酸化物薄膜を実現することができる。

以上説明したように、本発明の半導体酸化物薄膜によれば、ノジュールの発生を抑制でき、かつ特性を向上することができる。

以下、発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態における半導体酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、ＯおよびＮを含む。半導体酸化物は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、ＯおよびＮを主成分とし、残部が不可避的不純物であることが好ましい。

半導体酸化物において、Ｉｎの濃度とＧａの濃度とＺｎの濃度との合計の濃度に対するＩｎの濃度の比（Ｉｎの濃度／（Ｉｎの濃度＋Ｇａの濃度＋Ｚｎの濃度））が０．３０以上０．６６以下であることが好ましく、０．３６以上０．５５以下であることがより好ましい。比が０．３０以上の場合、ノジュールを抑制できる。比が０．３６以上の場合、ノジュールをより抑制できる。比が０．６６以下の場合、キャリア濃度が高くなりすぎないので、ＴＦＴなどに用いる場合には、オンオフ比を向上できる。つまり、ゲート電圧が低くてもオフにすることができるのでＴＦＴに好適に用いることができる。比が０．５５以下の場合、オンオフ比をより向上できる。

ここで、上記Ｉｎの濃度、Ｇａの濃度、およびＺｎの濃度は、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱分光法）により測定される値（単位：ａｔｏｍ％）である。上記比は、測定されたそれぞれの濃度の値から算出される値である。

半導体酸化物のＮ濃度は、１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下である。１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上の場合、キャリア電子をトラップできるのでＩｎによるキャリア濃度が高くなりすぎることを抑制できる。また、本発明者は、Ｎを含むことによりノジュールをさらに抑制でき、特にＮ濃度が１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上であれば、効果的にノジュールを抑制できることも見い出した。このため、Ｉｎによるキャリア濃度が高くなりすぎることを抑制するとともに、Ｎによりノジュール発生をさらに抑制できる。キャリア濃度が高くなりすぎることを抑制できると、オンオフ比などの低下を抑制できるので、ＴＦＴとしての特性の劣化を抑制することができる。一方、Ｎの濃度が１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下の場合、ノジュールを抑制できるとともに、Ｎによるキャリア電子をトラップしすぎることを抑制できるので、キャリア濃度が低くなりすぎること、または絶縁になることを抑制できる。キャリア濃度が低くなりすぎること、および絶縁になることを抑制できると、電子移動度などの低下を抑制できるので、ＴＦＴとしての特性の劣化を抑制することができる。

ここで、上記Ｎの濃度は、ＳＩＭＳで測定される値であり、単位体積当たりの原子の数を意味する。

また、半導体酸化物は非結晶質である。さらに上記特性を有しているので、半導体酸化物は、ＴＦＴのチャンネル層や、透明電極用の透明薄膜などに用いることが好ましい。

続いて、本実施の形態における半導体酸化物の製造方法について説明する。本実施の形態では、結晶質の半導体酸化物であって、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、ＯおよびＮを含み、たとえば１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上１×１０²³ａｔｏｍ／ｃｃの濃度のＮを有し、かつＩｎの濃度とＧａの濃度とＺｎの濃度との合計の濃度に対するＩｎの濃度の比がたとえば０．２８以上０．６０以下であるターゲットを用いたスパッタリング法により半導体酸化物を製造している。

まず、上記ターゲットを準備する。準備するターゲットのＮの濃度は、たとえば１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上１×１０²³ａｔｏｍ／ｃｃであり、好ましくは３×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上８×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下である。また、準備するターゲットのＩｎの濃度とＧａの濃度とＺｎの濃度との合計の濃度に対するＩｎの濃度の比は、たとえば０．２０以上０．６５以下であり、好ましくは０．２８以上０．６０以下である。このようなターゲットは、たとえば以下のようにして製造することにより得られる。

具体的には、始めにターゲットの原料を準備する。原料粉末には酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などを用いることができる。原料粉末の純度は、９９．９９％以上の高純度であることが好ましい。

次に、原料粉末を混合する。原料粉末の混合には乾式、湿式の何れの混合方式を用いてもよい。具体的には、通常のボールミルや遊星ボールミルを用いて混合される。また、湿式の混合方式により混合を行なった場合の乾燥には自然乾燥やスプレードライヤ等の乾燥方怯が好ましく用いられる。

次に、混合した原料粉末を焼成（仮焼）する。焼成温度は、原料粉末にＧａＮまたはＩｎＮを含んでいる場合には、たとえば５００℃以上７００℃以下であり、ＧａＮまたはＩｎＮを含んでいない場合にはたとえば１０００℃以上１２００℃以下である。

次に、焼成した仮焼粉体を焼結する。焼結の雰囲気については、大気雰囲気、窒素を含む雰囲気、アンモニア（ＮＨ₃）および／またはアルゴン（Ａｒ）を含む雰囲気などが好ましく用いられる。焼結温度は、たとえば１５００℃以上１７００℃以下である。また、焼結時のＺｎＯの蒸発を抑制するため加圧ガス中の焼結、ホットプレス焼結、ＨＩＰ（熱間静水圧処理）焼結、ＣＩＰ（冷間静水圧処理）焼結などを用いてもよい。なお、過剰な酸素（Ｏ）を含む雰囲気中で焼結するとターゲットに充分な導電性が得られない恐れがある。

以上の工程を実施することにより、上述したようなＮ濃度およびＩｎの比を有する導電性酸化物であるターゲットを製造することができる。このようなターゲットの製造方法においてＮを導入する方法としては、原料粉末のＧａＮ量を増加すること、焼結雰囲気圧力を増加すること、雰囲気ガスにＮ₂、または、ＮＨ₃および／またはＡｒの雰囲気とすることなどが挙げられる。特に、半導体酸化物の窒素量を多く導入して製造する場合、ＮＨ₃およびＡｒ雰囲気ガスにすることが有効である。

次に、成膜を行なう。成膜工程では、準備したターゲットを用いて、たとえばスパッタリング法により半導体酸化物を形成する。具体的には、まず、冷却材を有する基板ホルダーに基板を配置する。この基板に対向するように準備したターゲットを配置する。

その後、真空引きをして、プレスパッタを行なう。プレスパッタは、基板とターゲットとの間にシャッターを入れた状態で、スパッタリング放電を起こし、ターゲット表面のクリーニングを行なう。

次に、たとえば０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下の圧力まで、Ａｒガスおよび／またはＮ₂ガスを導入する。この状態でスパッタリングを行ない、基板上に半導体酸化物を形成する。

以上の工程を実施することにより、本実施の形態における半導体酸化物を製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態における半導体酸化物は、非結晶質の半導体酸化物であって、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、ＯおよびＮを含み、Ｎの濃度は、１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下であり、Ｉｎの濃度とＧａの濃度とＺｎの濃度との合計の濃度に対するＩｎの濃度の比が０．３０以上０．６６以下であることを特徴とする。

本発明者は、ターゲット表面に発生するノジュールを抑制するために鋭意研究した結果、上記比が０．３０以上となるようにＩｎの濃度を高くすることでノジュールの発生を抑制できることを見い出した。ノジュールは異常放電の原因となり、異常放電が発生すると、半導体酸化物内に粗大粒子が混入してしまい、電子移動度が悪化してしまう。また、ターゲットを用いたＤＣスパッタで半導体酸化物が成膜される場合には、成膜中において電気が流れにくく、半導体酸化物をそもそも実現することができない。しかし、本実施の形態の半導体酸化物は、Ｉｎを上記比になるように高濃度含んでいるので、ノジュールを抑制することができる。このため、異常放電を抑制できるので、電子移動度を向上できるなど、半導体酸化物の特性を向上することができる。

Ｉｎの濃度が高くなると、ノジュールの抑制には効果があるが、キャリア濃度が高くなり、所望のオンオフ比を達成できない場合がある。そこで、本発明者はＩｎによるキャリア濃度の増加を抑制するために鋭意研究した結果、Ｎでキャリア電子をトラップすることで、Ｉｎによるキャリア濃度の増加をさらに抑制できることもさらに見い出した。上記比を０．６６以下とすることによりＩｎのキャリア濃度が高くなりすぎず、かつＮの濃度を１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下とすることにより、Ｎでキャリア電子をトラップすることでＩｎによるキャリア濃度の増加を抑制できる。したがって、オンオフ比などの特性を向上することができる。さらに、Ｎの濃度を１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下とすることにより、キャリア濃度が低くなりすぎることを抑制でき、半導体を維持できる。以上より、ノジュールの発生を抑制し、かつ特性を向上する半導体酸化物を実現することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態における半導体酸化物は、実施の形態１の半導体酸化物と同様であるので、その説明は繰り返さない。

本実施の形態における半導体酸化物の製造方法は、基本的には実施の形態１における半導体酸化物の製造方法と同様の構成を備えているが、Ｎを含まないターゲットを用い、半導体酸化物の形成時（成膜時）に所定圧力の窒素ガスを導入した点において異なる。

具体的には、ターゲットを準備する工程では、たとえば、Ｎを含まない原料粉末を準備し、雰囲気ガスにＮを取り込みにくいガス（たとえば大気など酸素を含むガス）を用いる。

半導体酸化物の形成（成膜）工程については、プレスパッタ工程まで、実施の形態１と同様である。それ以降の工程について、以下に説明する。プレスパッタ後に、Ｎを含むガスを導入する。このガスは、Ｎ₂のみでもよく、Ａｒなどをさらに含んでいてもよい。Ｎ₂とＡｒとを含んでいる場合には、窒素量（つまり、Ｎ₂流量/（Ａｒ流量＋Ｎ₂流量））はたとえば５％以上１５％以下とし、圧力を０．０５Ｐａ以上１０Ｐａ以下、好ましくは０．０８Ｐａ以上８Ｐａ以下にする。このような条件で、所定の厚みになるように、半導体酸化物を成膜する。

以上の工程を実施することにより、本実施の形態における半導体酸化物を製造することができる。本実施の形態における半導体酸化物の製造方法においてＮを導入する方法としては、成膜圧力を変化させることで調整できる。特に、半導体酸化物が窒素量を多く含有する場合には、成膜圧力をたとえば３Ｐａ以上に高くすることが有効である。

なお、本実施の形態では、Ｎを含まないターゲットを用いて製造する方法を説明したが、Ｎを含むターゲットを用いて製造してもよい。

また、実施の形態１および２における半導体酸化物の製造方法では、ターゲットを製造することを説明したが、入手可能なターゲットを用いて、成膜工程において成膜条件を調整することにより半導体酸化物を製造してもよい。

また、実施の形態１および２では、半導体酸化物をスパッタリング法により製造したが、特にこれに限定されず、他の方法で製造してもよい。

本実施例では、半導体酸化物としてのＩＧＺＯ膜を種々作製し、ＩＺＧＯ膜の特性を調べた。

（実施例１）
１．材料粉末の粉砕混合
Ｉｎ₂Ｏ₃（純度９９．９９％、ＢＥＴ比表面積５ｍ²／g）、Ｇａ₂Ｏ₃（純度９９．９９％、ＢＥＴ比表面積１１ｍ²／g）、およびＺｎＯ（純度９９．９９％、ＢＥＴ比表面積４ｍ²／g）の各粉末を、ボールミル装置を用いて３時間粉砕混合した。なお、分散媒には水を用いた。粉砕混合後スプレードライヤで乾燥した。

２．焼成（仮焼）
次に、得られた混合粉末をアルミナ製ルツボに入れ、大気雰囲気中、１１００℃で５時間仮焼を行ない、仮焼粉体を得た。

３．成形および焼結
次に、得られた仮焼粉体をＣＩＰにより加圧成形し、直径１００ｍｍ、厚さ約９ｍｍの円板状の成形体を得た。得られた成形体を１気圧のＮ₂雰囲気中、１５５０℃で１２時間焼結して焼結体を得た。得られた焼結体は、直径が８０ｍｍに収縮（厚さは約７ｍｍ）していた。

４．ターゲットの作製
次に、得られた焼結体を直径７６．２ｍｍ、厚さ５．０ｍｍに加工して実施例１のターゲットとした。

５．ＩＧＺＯ膜の成膜
次に、実施例１のターゲットを用いて、以下のように膜を形成した。成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いた。スパッタ電源はＤＣを用いた。ターゲットサイズは、直径７６．２ｍｍ、厚み５ｍｍであり、直径３インチの平面がスパッタ面であった。

まず、水冷してある基板ホルダーに２５ｍｍ×２５ｍｍ×０．６ｍｍの合成石英ガラスをセットした。実施例１のターゲットを、基板に対向する形でセットした。基板とターゲットとの距離は、４０ｍｍであった。セット完了後、１×１０^-4Ｐａ程度まで真空引きを行なった。次に、ターゲットのプレスパッタを行なった。基板とターゲットとの間にシャッターを入れた状態で、Ａｒガスを１Ｐａまで導入し、３０Ｗの直流電力を印加することで、スパッタリング放電を起こし、１０分間ターゲット表面のクリーニング（プレスパッタ）を行なった。

次に、スパッタ圧力として０．４ＰａまでＡｒガスを導入した。スパッタ電力を５０Ｗとし、ＩＧＺＯの膜厚が２００ｎｍになるまで成膜を続けた。基板ホルダーには、特にバイアス電圧は印加しておらず、水冷されているのみであった。このようにして、実施例１のＩＧＺＯ膜を製造した。

（実施例２）
実施例２のＩＧＺＯ膜は、基本的には実施例１のＩＧＺＯ膜と同様に製造したが、準備したターゲットにおいて異なっていた。ターゲットの材料粉末については、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した。また、ターゲットの焼結については、得られた成形体を２気圧のＮＨ₃およびＡｒ雰囲気中で焼結した。

（実施例３）
実施例３のＩＧＺＯ膜は、基本的には実施例１のＩＧＺＯ膜と同様に製造したが、準備したターゲットにおいて異なっていた。ターゲットの材料粉末については、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した。

（実施例４）
実施例４のＩＧＺＯ膜は、基本的には実施例１のＩＧＺＯ膜と同様に製造したが、準備したターゲットにおいて異なっていた。ターゲットの材料粉末については、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した。また、ターゲットの焼結については、得られた成形体を２気圧の雰囲気中で焼結した。

（実施例５）
実施例５のＩＧＺＯ膜は、基本的には実施例１のＩＧＺＯ膜と同様に製造したが、準備したターゲットおよびＩＧＺＯ膜の成膜について異なっていた。具体的には、以下の通りである。

実施例５のターゲットは、基本的には実施例１と同様に製造したが、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した点、および成形体を１気圧の大気中で焼結した点において異なっていた。実施例５のターゲットの製造において、Ｎを含む材料粉末を用いず、かつ焼結時にＮを取り込めるガスを供給しなかったので、実施例５のターゲットにはＮが含まれていなかった。

実施例５の成膜方法は、プレスパッタ工程まで、実施例１と同様であった。それ以降の工程について、以下に説明する。プレスパッタ後に、Ｎ₂およびＡｒを導入した。窒素量（＝Ｎ₂流量/（Ａｒ流量＋Ｎ₂流量））は１０％とし、圧力を０．０８Ｐａにした。その後、スパッタ電力を５０ＷとしてＩＧＺＯ膜の膜厚が２００ｎｍになるまで成膜を続けた。基板ホルダーは、特にバイアス電圧は印加しておらず、水冷されているのみであった。

（実施例６）
実施例６のＩＧＺＯ膜は、基本的には実施例５のＩＧＺＯ膜と同様に製造したが、準備したターゲットおよびＩＧＺＯ膜の成膜について異なっていた。ターゲットの材料粉末については、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した。また、成膜については、スパッタ圧力を０．４Ｐａとした。

（実施例７）
実施例７のＩＧＺＯ膜は、基本的には実施例５のＩＧＺＯ膜と同様に製造したが、準備したターゲットおよびＩＧＺＯ膜の成膜について異なっていた。ターゲットの材料粉末については、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した。また、成膜については、スパッタ圧力を３Ｐａとした。

（実施例８）
実施例８のＩＧＺＯ膜は、基本的には実施例５のＩＧＺＯ膜と同様に製造したが、準備したターゲットおよびＩＧＺＯ膜の成膜について異なっていた。ターゲットの材料粉末については、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した。また、成膜については、スパッタ圧力を８Ｐａとした。

（比較例１）
比較例１のＩＧＺＯ膜は、基本的には実施例１と同様に製造したが、成形体を１気圧の大気中で焼結したターゲットを用いた点において異なっていた。比較例１では、Ｎを含まないターゲットを用いて、Ｎを取り込むことのできない雰囲気でＩＧＺＯ膜を形成したので、比較例１のＩＧＺＯ膜にはＮは含まれていなかった。

（比較例２）
比較例２のＩＧＺＯ膜は、基本的には実施例１と同様に製造したが、準備したターゲットにおいて異なっていた。具体的には、以下の通りである。

１．材料粉末の粉砕混合
Ｉｎ₂Ｏ₃（純度９９．９９％、ＢＥＴ比表面積５ｍ²／g）、Ｇａ₂Ｏ₃（純度９９．９９％、ＢＥＴ比表面積１１ｍ²／g）、ＺｎＯ（純度９９．９９％、ＢＥＴ比表面積４ｍ²／g）、およびＧａＮ（純度９９．９９％、ＢＥＴ比表面積２ｍ²／g）の各粉末を、ボールミル装置を用いて３時間粉砕混合した。なお、分散媒には水を用いた。粉砕混合後スプレードライヤで乾燥した。

２．焼成（仮焼）
次に、得られた混合粉末をアルミナ製ルツボに入れ、大気雰囲気中、６００℃で５時間仮焼を行ない、仮焼粉体を得た。

３．成形および焼結
次に、得られた仮焼粉体を一軸加圧成形により加圧成形し、直径１００ｍｍ、厚さ約９ｍｍの円板状の成形体を得た。得られた成形体を１気圧のＡｒ雰囲気中、１５５０℃で１２時間焼結して焼結体を得た。得られた焼結体は、直径が８０ｍｍに収縮（厚さは約７ｍｍ）していた。

４．ターゲットの作製
次に、得られた焼結体を直径７６．２ｍｍ、厚さ５．０ｍｍに加工して比較例２のターゲットとした。

（比較例３）
比較例３のＩＧＺＯ膜は、基本的には比較例２と同様に製造したが、準備したターゲットにおいて異なっていた。ターゲットの材料粉末については、ＩｎＮをさらに混合するために、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した。また、焼結については、得られた成形体を６気圧のＮ₂雰囲気中で焼結した。

（比較例４）
比較例４のＩＧＺＯ膜は、基本的には比較例２と同様に製造したが、準備したターゲットにおいて異なっていた。ターゲットの材料粉末については、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した。また、焼結については、得られた成形体を１気圧のＮ₂雰囲気中で焼結した。

（比較例５）
比較例５のＩＧＺＯ膜は、基本的には比較例２のＩＧＺＯ膜と同様に製造したが、準備したターゲットにおいて異なっていた。ターゲットの材料粉末については、準備した材料粉末のモル比を変更して、ターゲットの組成が下記の表１の記載になるように各材料粉末を準備した。また、焼結については、得られた成形体を１気圧のＮＨ₃およびＡｒ雰囲気中で焼結した。

（測定方法）
実施例１〜８および比較例１〜５のターゲットの焼結体およびＩＧＺＯ膜について、Ｘ線回折測定、以下の条件でのＲＢＳによるＩｎ、Ｇａ、およびＺｎの組成分析、およびＳＩＭＳによるＮの定量測定を実施した。その結果を下記の表１に示す。

ＲＢＳの条件は、ＭＣＡ分解能２．４ｋｅｖ／ｃｈ、エネルギー分解能２３ｋｅＶ、入射イオン４Ｈｅ⁺⁺、入射エネルギー２．３ＭｅＶ、入射角度０°、試料電流２ｎＡ、入射ビーム径２ｍｍ、試料回転０°、照射量６０μ／Ｃ、チャンバー真空炉６．７×１０^-5、検出器の散乱角１６０ｄｅｇ、アパチャ径８ｍｍで測定した。ＳＩＭＳは、ＺｎＯにＮをイオン注入した標準片を用いてＮを定量した。

また、実施例１〜８および比較例１〜５のＩＧＺＯ膜について、ノジュール数を以下の方法により測定した。６０時間の成膜後、実施例１〜８および比較例１〜５のターゲット表面を５倍のルーペを使って目視にて観察した。そして、５ｃｍ×５ｃｍ範囲のノジュール量を計測し、単位面積あたりの個数を換算した。その結果を下記の表１に示す。

また、実施例１〜８および比較例１〜５のＩＧＺＯ膜のキャリア濃度および電子移動度をＨａｌｌ効果測定機を用いてヴァンデルパウ法により測定した。温度は室温下、磁場強度は０．５Ｔ、印加電圧は２０ｍＶとした。その結果を表１に示す。

なお、上記表１におけるターゲットの原料とは、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、およびＺｎＯ以外に追加した原料を記載している。つまり、実施例１〜８および比較例１〜５のターゲットの原料は、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、およびＺｎＯを含んでいた。

（測定結果）
Ｘ線回折測定の結果、実施例１〜８および比較例１〜５のＩＧＺＯ膜は、非結晶質であることがわかった。このため、ＴＦＴのチャンネル層や、透明電極用の透明薄膜などに用いることができることがわかった。また、実施例１〜８および比較例１〜５のターゲットの焼結体は、結晶質であることがわかった。

表１に示すように、実施例１〜８のＩＧＺＯ膜において、ノジュール発生量は４個／ｃｍ²以下であり、ノジュール発生量を低減できるとともに、キャリア濃度は７×１０¹⁵個／ｃｍ²以上８×１０¹⁸個／ｃｍ²以下であった。このため、絶縁性にならず、かつ電子移動度を向上できた。

一方、Ｉｎ濃度が低く、かつＮを含まなかった比較例１は、ノジュール発生量が多く、電子移動度が低かった。

Ｎ濃度が１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ未満の比較例２は、ノジュール発生量を抑制できたものの、Ｎによるキャリア電子のトラップが少なかったため、キャリア濃度が高くなりすぎた。本発明者はキャリア濃度が８×１０¹⁹ａｔｏｍ／ｃｍ²以上の場合、オンオフ比が低下するという知見を得ている。このため、比較例２では、ＩＧＺＯ膜の特性が劣化する。

Ｎ濃度が１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃを超えた比較例３は、ノジュール発生量を抑制できたものの、Ｎによるキャリア電子のトラップが多すぎたため、キャリア濃度が極めて低く、電子移動度も極めて低く、絶縁体と判断した。

Ｉｎ濃度が低い（比が０．３０未満の）比較例４は、ノジュール発生量が多く、キャリア濃度が低かった。このため、電子移動度が低かった。

Ｉｎ濃度が高い（比が０．６６を超えた）比較例５は、ノジュール発生量を抑制できたものの、Ｎによるキャリアのトラップが不足して、キャリア濃度が高くなった。このため、比較例２と同様、比較例５のＩＧＺＯ膜の特性は劣化する。

以上より、本実施例によれば、Ｎの濃度が１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下であり、Ｉｎの濃度とＧａの濃度とＺｎの濃度との合計の濃度に対するＩｎの濃度の比が０．３０以上０．６６以下であることにより、半導体酸化物のノジュールを効果的に低減でき、かつ特性を向上することが確認できた。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例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て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。

Claims

非結晶質の半導体酸化物であって、
インジウム、ガリウム、亜鉛、酸素および窒素を含み、
前記窒素の濃度は、１×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｃ以上１×１０²²ａｔｏｍ／ｃｃ以下であり、
前記インジウムの濃度と前記ガリウムの濃度と前記亜鉛の濃度との合計の濃度に対する前記インジウムの濃度の比が０．３０以上０．６６以下であり、
スパッタリング法により製造される、半導体酸化物薄膜。