(57)【要約】  インジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素、および酸素を含有し、各元素の原子比が下記式（１）を満たし、さらにＺｎ2ＳｎＯ4で表されるスピネル構造化合物を含む、酸化物焼結体を備える、スパッタリングターゲット。  ０．００１≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．０５  ・・・（１）  （式（１）中、Ｉｎ、Ｚｎ、ＳｎおよびＸは、それぞれ酸化物焼結体中のインジウム元素、亜鉛元素、スズ元素およびＸ元素の含有量を表す。Ｘ元素は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｙｂ、およびＧａから少なくとも１種以上が選択される。）【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素、および酸素を含有し、各元素の原子比が下記式（１）を満たし、さらにＺｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル構造化合物を含む、酸化物焼結体を備える、
スパッタリングターゲット。
０．００１≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．０５  ・・・（１）
（式（１）中、Ｉｎ、Ｚｎ、ＳｎおよびＸは、それぞれ酸化物焼結体中のインジウム元素、亜鉛元素、スズ元素およびＸ元素の含有量を表す。Ｘ元素は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｙｂ、およびＧａから少なくとも１種以上が選択される。）
【請求項２】
前記酸化物焼結体は、式（１）で示す原子比が０．００３以上、０．０３以下である、
請求項１記載のスパッタリングターゲット。
【請求項３】
さらに、前記酸化物焼結体が、下記式（２）を満たす、
請求項１または２に記載のスパッタリングターゲット。
０．４０≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８０    ・・・（２）
【請求項４】
さらに、前記酸化物焼結体が、下記式（３）を満たす、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
０．１５≦Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４０    ・・・（３）
【請求項５】
さらに、前記酸化物焼結体が、下記式（４）を満たす、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
０．１０  ≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．３５  ・・・（４）
【請求項６】
前記酸化物焼結体は、Ｉｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは２〜７である）で表わされる六方晶層状化合物を含む、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項７】
前記酸化物焼結体は、平均抗折力が１５０ＭＰａ以上である、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項８】
前記酸化物焼結体は、平均抗折力のワイブル係数が７以上である、
請求項１〜７のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項９】
前記酸化物焼結体は、平均結晶粒径が１０μｍ以下であり、六方晶層状化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径の差が１μｍ以下である、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１０】
前記酸化物焼結体は、平均結晶粒径が１０μｍ以下であり、ビックスバイト構造化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径の差が１μｍ以下である、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。
【請求項１１】
インジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素、および酸素を含有し、各元素の原子比が下記式（１Ａ）を満たす、
酸化物半導体薄膜。
０．００１≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．０５  ・・・（１Ａ）
（式（１Ａ）中、Ｉｎ、Ｚｎ、ＳｎおよびＸは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のインジウム元素、亜鉛元素、スズ元素およびＸ元素の含有量を表す。Ｘ元素は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｙｂ、およびＧａから少なくとも１種以上が選択される。）
【請求項１２】
請求項１１に記載の酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の薄膜トランジスタを用いた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリングターゲット、酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタおよび電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」という。）で駆動する方式の液晶ディスプレイまたは有機ＥＬディスプレイなどの表示装置では、ＴＦＴのチャネル層に非晶質シリコン膜または結晶質シリコン膜を採用したものが主流であった。
一方で、近年では、ディスプレイの高精細化の要求に伴い、ＴＦＴのチャネル層に使用される材料として酸化物半導体が注目されている。【０００３】
酸化物半導体のなかでも特に、特許文献１に開示されるインジウム、ガリウム、亜鉛、および酸素からなるアモルファス酸化物半導体（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、以下「ＩＧＺＯ」と略記する。）は、高いキャリア移動度を有するため、好ましく用いられている。しかしながら、ＩＧＺＯは、原料としてＩｎおよびＧａを使用するため原料コストが高いといった欠点がある。【０００４】
原料コストを安くする観点から、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ（以下「ＺＴＯ」と略記する）（特許文献２）または、ＩＧＺＯのＧａの代わりにＳｎを添加したＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ（以下「ＩＴＺＯ」と略記する）（特許文献３）が提案されている。なかでもＩＴＺＯは、ＩＧＺＯに比べ移動度も非常に高いことからＩＧＺＯに次ぐ材料として注目を集めている。【０００５】
しかしながら、ＩＴＺＯは、酸化物半導体に用いる材料のなかでも熱膨張係数が大きく、熱伝導率が低い。そのため、ＩＴＺＯからなるスパッタリングターゲットは、ＣｕまたはＴｉ製のバッキングプレートへのボンディング時および、スパッタリング時に熱応力によりクラックを発生しやすかった。【０００６】
そこで特許文献３では、酸化物焼結体中にＩｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）ｍで表される六方晶層状化合物とＺｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル構造化合物を含み、かつＩｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）ｍで表される六方晶層状化合物のアスペクト比を３以上とすることで、酸化物焼結体の強度を向上させるという提案がなされている。【０００７】
一方、特許文献４には、六方晶層状化合物とスピネル構造化合物の他に、発明の効果を損なわない限り、アルミニウムを含むことができることが開示されている。【０００８】
特許文献５には、インジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）およびアルミニウム元素（Ａｌ）を含有する酸化物からなり、Ｉｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）ｎ（ｎは２〜２０である）で表わされるホモロガス構造化合物およびＺｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル構造化合物を含むスパタッリングターゲットが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０６７０３６号
【特許文献２】特開２０１７−３６４９７号公報
【特許文献３】国際公開第２０１３／１７９６７６号
【特許文献４】国際公開第２００７／０３７１９１号
【特許文献５】特開２０１４−９８２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献３〜５のＩＴＺＯスパッタリングターゲットには以下の問題があった。
特許文献３に記載のスパッタリングターゲットはＩｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）ｍで表される六方晶層状化合物のアスペクト比を３以上にするために、原料粉末を混合粉砕する際に積算動力を２００Ｗｈ以上にする必要がある。また、量産等、原料粉末量が多くなると、混合粉砕時に原料粉末全体に均一に動力が伝達されず、アスペクト比が３以上の六方晶層状化合物が焼結体中に均一に析出せず、スパッタリングターゲットの強度にムラが生じるといった欠点があった。【００１１】
特許文献４、５は、高密度かつ低抵抗のターゲットの提供を目的としており、スパッタリングターゲットの強度については、示唆しない。そのため、特許文献４および５に記載のスパッタリングターゲットは、スパッタリング時にクラックの発生を抑制できる構造ではなかった。【００１２】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、バッキングプレートへのボンディング時およびスパッタリング時にクラックの発生を抑制できる高強度のスパッタリングターゲットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、以下のスパッタリングターゲット、酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタおよび電子機器が提供される。【００１４】
［１］．インジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素、および酸素を含有し、各元素の原子比が下記式（１）を満たし、さらにＺｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル構造化合物を含む、酸化物焼結体を備える、スパッタリングターゲット。
０．００１≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．０５  ・・・（１）
（式（１）中、Ｉｎ、Ｚｎ、ＳｎおよびＸは、それぞれ酸化物焼結体中のインジウム元素、亜鉛元素、スズ元素およびＸ元素の含有量を表す。Ｘ元素は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｙｂ、およびＧａから少なくとも１種以上が選択される。）【００１５】
［２］．前記酸化物焼結体は、式（１）で示す原子比が０．００３以上、０．０３以下である、［１］に記載のスパッタリングターゲット。【００１６】
［３］．さらに、前記酸化物焼結体が、下記式（２）を満たす、［１］または［２］に記載のスパッタリングターゲット。
０．４０≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８０                ・・・（２）【００１７】
［４］．さらに、前記酸化物焼結体が、下記式（３）を満たす、［１］〜［３］のいずれか一つに記載のスパッタリングターゲット。
０．１５≦Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４０                      ・・・（３）【００１８】
［５］．さらに、前記酸化物焼結体が、下記式（４）を満たす、［１］〜［４］のいずれか一つに記載のスパッタリングターゲット。
０．１０  ≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．３５            ・・・（４）【００１９】
［６］．前記酸化物焼結体は、Ｉｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは２〜７である）で表わされる六方晶層状化合物を含む、［１］〜［５］のいずれか一つに記載のスパッタリングターゲット。【００２０】
［７］．前記酸化物焼結体は、平均抗折力が１５０ＭＰａ以上である、［１］〜［６］のいずれか一つに記載のスパッタリングターゲット。【００２１】
［８］．前記酸化物焼結体は、平均抗折力のワイブル係数が７以上である、［１］〜［７］のいずれか一つに記載のスパッタリングターゲット。【００２２】
［９］．前記酸化物焼結体は、平均結晶粒径が１０μｍ以下であり、六方晶層状化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径の差が１μｍ以下である、［１］〜［８］のいずれか一つに記載のスパッタリングターゲット。【００２３】
［１０］．前記酸化物焼結体は、平均結晶粒径が１０μｍ以下であり、ビックスバイト構造化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径の差が１μｍ以下である、
［１］〜［８］のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲット。【００２４】
［１１］．インジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素、および酸素を含有し、各元素の原子比が下記式（１Ａ）を満たす、酸化物半導体薄膜。
０．００１≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．０５  ・・・（１Ａ）
（式（１Ａ）中、Ｉｎ、Ｚｎ、ＳｎおよびＸは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のインジウム元素、亜鉛元素、スズ元素およびＸ元素の含有量を表す。Ｘ元素は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｙｂ、およびＧａから少なくとも１種以上が選択される。）【００２５】
［１２］．［１１］に記載の酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタ。【００２６】
［１３］．［１２］に記載の薄膜トランジスタを用いた電子機器。【００２７】
本発明によれば、バッキングプレートへのボンディング時および、スパッタリング時にクラックの発生を抑制できる高強度のスパッタリングターゲットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係るターゲットの形状を示す斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に係るターゲットの形状を示す斜視図である。
【図１Ｃ】本発明の一実施形態に係るターゲットの形状を示す斜視図である。
【図１Ｄ】本発明の一実施形態に係るターゲットの形状を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタを示す縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタを示す縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る量子トンネル電界効果トランジスタを示す縦断面図である。
【図５】量子トンネル電界効果トランジスタの他の実施形態を示す縦断面図である。
【図６】図５において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に酸化シリコン層が形成された部分のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真である。
【図７Ａ】量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図である。
【図７Ｂ】量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図である。
【図７Ｃ】量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図である。
【図７Ｄ】量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図である。
【図７Ｅ】量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタを用いた表示装置を示す上面図である。
【図８Ｂ】ＶＡ型液晶表示装置の画素に適用することができる画素部の回路を示す図である。
【図８Ｃ】有機ＥＬ素子を用いた表示装置の画素部の回路を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る薄膜トランジスタを用いた固体撮像素子の画素部の回路を示す図である。
【図１０】実施例において、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝３０：１５：５５の場合の酸化物焼結体のＸ元素含有量と平均抗折力の関係を示す図である。
【図１１】実施例において、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝３０：１５：５５の場合の酸化物焼結体のＸ元素含有量と相対密度の関係を示す図である。
【図１２】実施例において、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝３０：１５：５５の場合の酸化物焼結体のＸ元素含有量とバルク抵抗の関係を示す図である。
【図１３】実施例において、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝３０：１５：５５の場合の酸化物焼結体のＸ元素含有量とワイブル係数の関係を示す図である。
【図１４】実施例において、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝３０：１５：５５の場合の酸化物焼結体のＸ元素含有量と平均結晶粒径の関係を示す図である。
【図１５】実施例において、酸化物焼結体にＸ元素としてＧｅＯ２、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、またはＹｂ２Ｏを０．１原子％含有させた場合、およびＸ元素を含有させなかった場合の平均抗折力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、実施の形態について図面等を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されない。
【００３０】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
【００３１】
また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極、配線、スイッチング素子（トランジスタなど）、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、およびその他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【００３２】
また、本明細書等において、「膜」または「薄膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によっては、互いに入れ替えることが可能である。
また、本明細書等において、トランジスタが有するソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合又は回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができる。
【００３３】
（スパッタリングターゲット）
本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲット（以下、単に本実施形態に係るスパッタリングターゲットと称する場合がある。）は、酸化物焼結体を含む。
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、例えば、酸化物焼結体のバルクを、スパッタリングターゲットとして好適な形状に切削、および研磨して得られる。また、酸化物焼結体のバルクを研削および研磨して得たスパッタリングターゲット素材を、バッキングプレートへボンディングすることによっても、スパッタリングターゲットを得ることができる。また、別の態様に係る本実施形態のスパッタリングターゲットとしては、酸化物焼結体のみからなるターゲットも挙げられる。
【００３４】
酸化物焼結体の形状は特に限定されないが、図１Ａの符号１に示すような板状でもよく、図１Ｂの符号１Ａに示すような円筒状でもよい。板状の場合、平面形状は、図１Ａの符号１に示すような矩形でもよく、図１Ｃの符号１Ｂに示すように円形でもよい。酸化物焼結体は、一体成型でもよく、図１Ｄに示すように、複数に分割した酸化物焼結体（符号１Ｃ）をバッキングプレート３に各々固定した多分割式でもよい。
バッキングプレート３は、酸化物焼結体の保持および冷却用の部材である。バッキングプレート３の材料は特に限定されないが、Ｃｕ，Ｔｉ，またはＳＵＳ等の材料が使用される。
【００３５】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、インジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素、および酸素を含有する。前記酸化物焼結体は、本発明の効果を損なわない範囲において、上述したインジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素以外の他の金属元素を含有していてもよいし、実質的にインジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素のみ、又はインジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素のみからなっていてもよい。
ここで、「実質的」とは、酸化物焼結体の金属元素の９５質量％以上１００質量％以下（好ましくは９８質量％以上１００質量％以下）がインジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、およびＸ元素であることを意味する。本実施形態に係る酸化物焼結体は、本発明の効果を損なわない範囲でＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＡｌの他に不可避不純物を含んでいてもよい。ここでいう不可避不純物とは、意図的に添加しない元素であって、原料又は製造工程で混入する元素を意味する。
Ｘ元素は、ゲルマニウム元素（Ｇｅ）、シリコン元素（Ｓｉ）、イットリウム元素（Ｙ）、ジルコニウム元素（Ｚｒ）、アルミニウム元素（Ａｌ）、マグネシウム元素（Ｍｇ）、イッテルビウム元素（Ｙｂ）、およびガリウム元素（Ｇａ）から少なくとも１種以上選択される。
【００３６】
不可避不純物の例としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等など）、水素（Ｈ）元素、ホウ素（Ｂ）元素、炭素（Ｃ）元素、窒素（Ｎ）元素，フッ素（Ｆ）元素、および塩素（Ｃｌ）元素である。
【００３７】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、各元素の原子比が下記式（１）を満たす。
０．００１≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．０５  ・・・（１）
（式（１）中、Ｉｎ、Ｚｎ、ＳｎおよびＸは、それぞれ酸化物焼結体中のインジウム元素、亜鉛元素、スズ元素およびＸ元素の含有量を表す。Ｘ元素は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、ＹｂおよびＧａから少なくとも１種以上選択される。）
【００３８】
本実施形態では、酸化物焼結体におけるＸ元素の含有割合を上記式（１）の範囲内とすることによって、酸化物焼結体の平均抗折力を充分に高くできる。
Ｘ元素としては、好ましくは、シリコン元素（Ｓｉ）、アルミニウム元素（Ａｌ）、マグネシウム元素（Ｍｇ）、イッテルビウム元素（Ｙｂ）、およびガリウム元素（Ｇａ）であり、より好ましくは、シリコン元素（Ｓｉ）、アルミニウム元素（Ａｌ）、およびガリウム元素（Ｇａ）である。特にアルミニウム元素（Ａｌ）およびガリウム元素（Ｇａ）は、原料としての酸化物の組成が安定しており、平均抗折力の向上効果が高いので、好ましい。
【００３９】
Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）が０．００１以上であることにより、スパッタリングターゲットの強度低下を抑制できる。Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）が０．０５以下であることにより、その酸化物焼結体を含むスパッタリングターゲットを用いて成膜された酸化物半導体薄膜は、シュウ酸等の弱酸によるエッチング加工を行うことが容易になる。さらには、ＴＦＴ特性、特に移動度の低下を抑制できる。Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）は、好ましくは０．００１以上、０．０５以下であり、より好ましくは０．００３以上、０．０３以下であり、さらに好ましくは０．００５以上、０．０１以下であり、特に好ましくは０．００５以上、０．０１未満である。
本実施形態に係る酸化物焼結体は、Ｘ元素を１種のみ含有してもよいし、２種以上を含有してもよい。Ｘ元素を２種以上含むときは、式（１）におけるＸは、Ｘ元素の原子比の合計とする。
酸化物焼結体中のＸ元素の存在形態は、特に規定されない。酸化物焼結体中のＸ元素の存在形態としては、例えば、酸化物として存在している形態、固溶している形態、および粒界に偏析している形態が挙げられる。
【００４０】
本実施形態に係る酸化物焼結体において、Ｘ元素の含有割合を上記式（１）の範囲内とすることによって、スパッタリングターゲットのバルク抵抗を充分に低くすることもできる。本発明のスパッタリングターゲットのバルク抵抗は、好ましくは５０ｍΩｃｍ以下であり、より好ましくは２５ｍΩｃｍ以下であり、さらに好ましくは１０ｍΩｃｍ以下であり、よりさらに好ましくは、５ｍΩｃｍ以下であり、特に好ましくは３ｍΩｃｍ以下である。バルク抵抗が５０ｍΩｃｍ以下であることにより、直流スパッタで安定した成膜を行うことができる。
バルク抵抗値は、公知の抵抗率計を使用して四探針法（ＪＩＳ  Ｒ  １６３７：１９９８）に基づき測定できる。測定箇所は９箇所程度であり、平均値をバルク抵抗値とするのが好ましい。
測定箇所は、酸化物焼結体の平面形状が四角形の場合には、面を等面積に９分割し、それぞれの四角形の中心点９箇所とするのが好ましい。
なお、酸化物焼結体の平面形状が円形の場合は、円に内接する正方形を等面積に９分割し、それぞれの正方形の中心点９箇所とするのが好ましい。
【００４１】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、各元素の原子比が以下の式（２）〜（４）の少なくとも１つを満たすのが、より好ましい。
０．４０≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８０            ・・・（２）
０．１５≦Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４０                    ・・・（３）
０．１０  ≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．３５            ・・・（４）
【００４２】
式（２）〜（４）中、Ｉｎ、Ｚｎ、およびＳｎは、それぞれ酸化物焼結体中のインジウム元素、亜鉛元素、およびスズ元素の含有量を表す。
【００４３】
Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．４以上であると、酸化物焼結体中にスピネル相が生じやすくなり、半導体としての特性を容易に得られる。Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．８０以下であることにより、酸化物焼結体においてスピネル相の異常粒成長による強度の低下を抑制できる。また、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．８０以下であることにより、酸化物半導体薄膜の移動度の低下を抑制できる。Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）は、０．５０以上０．７０以下であることがより好ましい。
【００４４】
Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）が、０．１５以上であると、酸化物焼結体においてスピネル相の異常粒成長による強度の低下を抑制できる。Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．４０以下であることにより、酸化物焼結体中において、スパッタ時の異常放電の原因となる酸化錫の凝集を抑制できる。また、Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）が、０．４０以下であることにより、スパッタリングターゲットを用いて成膜された酸化物半導体薄膜は、シュウ酸等の弱酸によるエッチング加工を容易に行うことができる。Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．１５以上であることにより、エッチング速度が速くなり過ぎるのを抑制できエッチングの制御が容易になる。Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）は、０．１５以上０．３５以下であることがより好ましい。
【００４５】
Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が、０．１以上であることにより、得られるスパッタリングターゲットのバルク抵抗を低くできる。また、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が、０．１以上であることにより、酸化物半導体薄膜の移動度が極端に低くなるのを抑制できる。Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．３５以下であることにより、スパッタリング成膜した際に、膜が導電体になるのを抑制でき、半導体としての特性を得ることが容易になる。Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）は、０．１０以上０．３０以下であることがより好ましい。
【００４６】
酸化物焼結体の各金属元素の原子比は、原料の配合量により制御できる。また、各元素の原子比は、誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ）により含有元素を定量分析して求めることができる。
【００４７】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、Ｚｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル構造化合物を含有することが好ましく、Ｚｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル構造化合物、およびＩｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ〔式中、ｍは２〜７の整数である。〕で表される六方晶層状化合物を含有することがさらに好ましい。式中のｍは、２〜７、好ましくは３〜５の整数である。なお、本明細書において、スピネル構造化合物をスピネル化合物と称する場合がある。
なお、ｍが２以上であることにより、化合物が六方晶層状構造をとる。ｍが７以下であることにより、酸化物焼結体のバルク抵抗が低くなる。
【００４８】
酸化インジウムと酸化亜鉛からなる六方晶層状化合物は、Ｘ線回折法による測定において、六方晶層状化合物に帰属されるＸ線回折パターンを示す化合物である。酸化物焼結体に含有される六方晶層状化合物は、Ｉｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）ｍで表される化合物である。
本実施形態に係る酸化物焼結体は、Ｚｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル構造化合物、およびＩｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト構造化合物を含有しても良い。
【００４９】
・（平均結晶粒径）
本実施形態に係る酸化物焼結体の平均結晶粒径は、異常放電の防止および製造容易性の観点から、好ましくは１０μｍ以下であり、より好ましくは８μｍ以下である。平均結晶粒径が１０μｍ以下であることにより、粒界に起因する異常放電を防止できる。酸化物焼結体の平均結晶粒径の下限は、特に規定されないが、製造容易性の観点から１μｍ以上であることが好ましい。
平均結晶粒径は、原料の選択および製造条件の変更により調整できる。具体的には、平均粒径が小さい原料、好ましくは平均粒径が１μｍ以下の原料を用いる。さらに、焼結の際、焼結温度が高い程、または焼結時間が長い程、平均結晶粒径が大きくなる傾向がある。
【００５０】
平均結晶粒径は以下のようにして測定できる。
酸化物焼結体の表面を研磨し、平面形状が四角形の場合には、面を等面積に１６分割し、それぞれの四角形の中心点１６箇所において、倍率１０００倍（８０μｍ×１２５μｍ）の枠内で観察される粒子径を測定し、１６箇所の枠内の粒子の粒径の平均値をそれぞれ求め、最後に１６カ所の測定値の平均値を平均結晶粒径とする。
酸化物焼結体の表面を研磨し、平面形状が円形の場合、円に内接する正方形を等面積に１６分割し、それぞれの正方形の中心点１６箇所において、倍率１０００倍（８０μｍ×１２５μｍ）の枠内で観察される粒子の粒径を測定し、１６箇所の枠内の粒子の粒径の平均値を求める。
粒径は、アスペクト比が２未満の粒子については、ＪＩＳ  Ｒ  １６７０：２００６に基づき、結晶粒の粒径を円相当径として測定する。円相当径の測定手順としては、具体的には、微構造写真の測定対象グレインに円定規を当て対象グレインの面積に相当する直径を読み取る。アスペクト比が２以上の粒子については、最長径と最短径の平均値をその粒子の粒径とする。結晶粒は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察できる。六方晶層状化合物、スピネル化合物、およびビックスバイト構造化合物は、後述する実施例に記載の方法により確認できる。
【００５１】
本実施形態に係る酸化物焼結体が、六方晶層状化合物とスピネル化合物とを含む場合、六方晶層状化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径との差は、１μｍ以下であることが好ましい。平均結晶粒径をこのような範囲とすることにより、酸化物焼結体の強度を向上させることができる。
本実施形態に係る酸化物焼結体の平均結晶粒径が１０μｍ以下であり、六方晶層状化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径の差が１μｍ以下であることがより好ましい。
【００５２】
また、本実施形態に係る酸化物焼結体が、ビックスバイト構造化合物とスピネル化合物とを含む場合、ビックスバイト構造化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径との差は、１μｍ以下であることが好ましい。平均結晶粒径をこのような範囲とすることにより、酸化物焼結体の強度を向上させることができる。
本実施形態に係る酸化物焼結体の平均結晶粒径が１０μｍ以下であり、ビックスバイト構造化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径の差が１μｍ以下であることがより好ましい。
【００５３】
本実施形態に係る酸化物焼結体の相対密度は、好ましくは９５％以上、より好ましくは９６％以上である。酸化物焼結体の相対密度が９５％以上であることにより、スパッタリングターゲットの機械的強度が高く、かつ導電性に優れることから、このスパッタリングターゲットをＲＦマグネトロンスパッタリング装置またはＤＣマグネトロンスパッタリング装置に装着してスパッタリングを行う際の、プラズマ放電の安定性をより高めることができる。酸化物焼結体の相対密度は、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫およびＸ元素の酸化物それぞれの固有の密度、およびこれらの組成比から算出される、理論密度に対する酸化物焼結体の実際に測定した密度を、百分率で示したものである。
【００５４】
本実施形態に係る酸化物焼結体の平均抗折力が１５０ＭＰａ以上であることで、バッキングプレートへのボンディング時およびスパッタリング時のような、高温の負荷による割れの発生を抑制できる。本明細書において、平均抗折力は、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１：２００８に基づき、３０ｍｍの間隔で設置された２つの支えに角柱の試験片を載せ、中央部に押し金を当てた状態で、押し金に荷重を加え、試験片が破断したときの荷重（３点曲げ強さ）の試験片３０本の平均値である。
本実施形態に係る酸化物焼結体の平均抗折力は、好ましくは１８０ＭＰａ以上であり、より好ましくは２１０ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは２３０ＭＰａ以上であり、特に好ましくは２５０ＭＰａ以上である。
【００５５】
本実施形態に係る酸化物焼結体の平均抗折力のワイブル係数は、７以上であることが好ましく、より好ましくは１０以上であり、さらに好ましくは１５以上である。酸化物焼結体の平均抗折力のワイブル係数が７以上であることが好ましいのは、ワイブル係数が大きくなるほど強度のバラツキが小さくなるためである。ワイブル係数は、ＪＩＳ  Ｒ  １６２５：２０１０に規定されたワイブル統計解析法により、ワイブル確率軸上に抗折力をプロット（以下「ワイブルプロット」という）し、ワイブルプロットの傾きから求める。
【００５６】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、インジウム原料、亜鉛原料、錫原料およびＸ元素原料を混合する混合工程、原料混合物を成形する成形工程、成形物を焼結する焼結工程、および必要に応じて焼結体をアニーリングする、アニーリング工程を経て製造できる。以下、各工程について具体的に説明する。
【００５７】
（１）混合工程
混合工程では、まず原料を用意する。
Ｉｎ原料は、Ｉｎを含む化合物または金属であれば特に限定されない。
Ｚｎ原料も、Ｚｎを含む化合物または金属であれば特に限定されない。
Ｓｎ原料も、Ｚｎを含む化合物または金属であれば特に限定されない。
Ｘ元素の原料も、Ｘ元素を含む化合物または金属であれば、特に限定されない。
Ｉｎ原料、Ｚｎ原料、Ｓｎ原料、およびＸ元素の原料は、好ましくは酸化物である。
酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫、およびＸ元素酸化物等の原料は、高純度の原料を用いるのが望ましく、その純度が９９質量％以上、好ましくは９９．９質量％以上、さらに好ましくは９９．９９質量％以上の原料が好適に用いられる。高純度の原料を用いると緻密な組織の焼結体が得られ、その焼結体からなるスパッタリングターゲットの体積抵抗率が低くなるためである。
【００５８】
また、原料としての金属酸化物の１次粒子の平均粒径は、好ましくは０．０１μｍ以上１０μｍ以下であり、より好ましくは０．０５μｍ以上５μｍ以下であり、さらに好ましくは０．１μｍ以上５μｍ以下である。平均粒径が０．０１μｍ以上であると凝集し難くなり、平均粒径が１０μｍ以下であると混合性が充分になり、緻密な組織の焼結体が得られる。平均粒径は、ＢＥＴ法により測定する。
【００５９】
原料には、ポリビニルアルコール、または酢酸ビニル等のバインダーを添加することができる。
原料の混合は、ボールミル、ジェットミル、およびビーズミル等の通常の混合機を用いて行うことができる。
【００６０】
混合工程で得られた混合物は、直ちに成形してもよいが、成形前に仮焼処理を施してもよい。仮焼処理は、通常、７００℃以上９００℃以下で、１時間以上５時間以下、混合物を焼成する。
【００６１】
仮焼処理をしない原料粉末の混合物、または仮焼処理済の混合物は、造粒処理することによって、その後の成形工程での流動性および充填性が改善される。造粒処理はスプレードライヤー等を用いて行うことができる。造粒処理によって形成される２次粒子の平均粒径は、好ましくは１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上１００μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下である。なお、仮焼処理済の混合物は粒子同士が結合しているため、造粒処理を行う場合は、処理前に粉砕処理を行う。
【００６２】
（２）成形工程
原料の粉末または造粒物は、成形工程において金型プレス成形、鋳込み成形、または射出成形等の方法により成形する。スパッタリングターゲットとして、焼結密度の高い焼結体を得る場合には、成形工程において金型プレス成形等により予備成形した後に、冷間静水圧プレス成形等によりさらに圧密化することが好ましい。
【００６３】
（３）焼結工程
焼結工程においては、常圧焼結、ホットプレス焼結、または熱間静水圧プレス焼結等の通常行われている焼結方法を用いることができる。焼結温度は、好ましくは１２００℃以上１６００℃以下であり、より好ましくは１２５０℃以上１５５０℃以下であり、さらに好ましくは１３００℃以上１５００℃以下である。焼結温度を１２００℃以上とすることにより、充分な焼結密度が得られ、スパッタリングターゲットのバルク抵抗も低くできる。焼結温度を１６００℃以下とすることにより、焼結時の酸化亜鉛の昇華を抑制できる。焼結に際しての昇温速度は、室温から焼結温度までを０．１℃／分以上３℃／分以下とすることが好ましい。また、昇温の過程において、７００℃以上８００℃以下で一旦温度を１時間以上１０時間以下保持し、再度焼結温度まで昇温してもよい。
【００６４】
焼結時間は、焼結温度によって異なるが、好ましくは１時間以上５０時間以下、より好ましくは２時間以上３０時間以下、さらに好ましくは３時間以上２０時間以下である。焼結時の雰囲気は、空気または酸素ガスでもよいし、これらに、水素ガス、メタンガス、または一酸化炭素ガス等の還元性ガス、あるいは、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを含んでいてもよい。
【００６５】
（４）アニーリング工程
アニーリング工程は必須でないが、行う場合は、通常、７００℃以上１１００℃以下で１時間以上５時間以下、温度を保持する。本工程は、一旦焼結体を冷却後、再度昇温しアニーリングしてもよいし、焼結温度から降温する際にアニーリングしてもよい。アニーリング時の雰囲気は、空気または酸素ガスでもよいし、これらに、水素ガス、メタンガス、または一酸化炭素ガス等の還元性ガス、あるいは、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスを含んでいてもよい。
【００６６】
上記（１）〜（４）の工程で得られた焼結体を、適当な形状に切削加工し、必要に応じて表面を研磨することによりスパッタリングターゲットが完成する。
具体的には、焼結体をスパッタリング装置への装着に適した形状に切削加工することで、スパッタリングターゲット素材（ターゲット素材と称する場合もある。）とし、該ターゲット素材をバッキングプレートに接着することで、スパッタリングターゲットが得られる。
【００６７】
焼結体をターゲット素材として用いる場合には、焼結体の表面粗さＲａは、０．５μｍ以下であることが好ましい。焼結体の表面粗さＲａを調整する方法としては、例えば、焼結体を平面研削盤で研削する方法が挙げられる。
【００６８】
スパッタリングターゲット素材の表面は２００番〜１，０００番のダイヤモンド砥石により、仕上げを行うことが好ましく、４００番〜８００番のダイヤモンド砥石により仕上げを行うことが特に好ましい。２００番以上、又は１，０００番以下のダイヤモンド砥石を使用することにより、スパッタリングターゲット素材の割れを防ぐことができる。
スパッタリングターゲット素材の表面粗さＲａが０．５μｍ以下であり、方向性のない研削面を備えていることが好ましい。スパッタリングターゲット素材の表面粗さＲａが０．５μｍ以下であり、方向性のない研磨面を備えていれば、異常放電およびパーティクルの発生を防ぐことができる。
【００６９】
最後に、得られたスパッタリングターゲット素材を清浄処理する。清浄処理にはエアーブロー又は流水洗浄等を使用できる。エアーブローで異物を除去する際には、エアーブローのノズルの向い側から集塵機で吸気を行なうことで、より有効に異物を除去できる。
尚、以上のエアーブローおよび流水洗浄では清浄処理の効果に限界があるので、さらに超音波洗浄等を行なうこともできる。超音波洗浄は、周波数２５ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下の間で多重発振させて行なう方法が有効である。例えば周波数２５ｋＨｚ以上３００ｋＨｚ以下の間で、２５ｋＨｚ刻みに１２種類の周波数を多重発振させて超音波洗浄を行なうのが好ましい。
【００７０】
スパッタリングターゲット素材の厚みは、通常２ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、好ましくは３ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、より好ましくは４ｍｍ以上９ｍｍ以下であり、特に好ましくは４ｍｍ以上６ｍｍ以下である。
【００７１】
上記の工程および処理を経て得られたスパッタリングターゲット素材を、バッキングプレートへボンディングすることによって、スパッタリングターゲットを得ることができる。また、複数のスパッタリングターゲット素材を１つのバッキングプレートに取り付け、実質１つのスパッタリングターゲットとしてもよい。
【００７２】
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、上記の製造方法により、相対密度が９８％以上かつバルク抵抗が５ｍΩｃｍ以下とすることができ、スパッタリングする際には、異常放電の発生を抑制することができる。また、本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、高品質の酸化物半導体薄膜を、効率的に、安価に、且つ省エネルギーで成膜することができる。
【００７３】
このように、本実施形態によれば、スパッタリングターゲットが、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｘ、および酸素を含有し、残部が不可避不純物からなり、各元素の原子比が式（１）を満たす酸化物焼結体を備える。
そのため、スパッタリングターゲットは、バッキングプレートへのボンディング時およびスパッタリング時にクラックの発生を抑制できる。
【００７４】
（酸化物半導体薄膜）
次に、本実施形態に係る酸化物半導体薄膜について、説明する。
本実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、インジウム元素（Ｉｎ）、スズ元素（Ｓｎ）、亜鉛元素（Ｚｎ）、Ｘ元素、および酸素を含有し、各元素の原子比が下記式（１Ａ）を満たす。
０．００１≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．０５  ・・・（１Ａ）
（式（１Ａ）中、Ｉｎ、Ｚｎ、ＳｎおよびＸは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のインジウム元素、亜鉛元素、スズ元素およびＸ元素の含有量を表す。Ｘ元素は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｙｂ、およびＧａから少なくとも１種以上が選択される。）
【００７５】
本実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、本実施形態に係るスパッタリングターゲットを用いて、スパッタ法により製造できる。スパッタ法によって得られる酸化物半導体薄膜の原子比組成は、スパッタリングターゲットにおける酸化物焼結体の原子比組成を反映する。
【００７６】
本実施形態に係るスパッタリングターゲットを用いて成膜すれば、ターゲット強度が向上しているので、安定して酸化物半導体薄膜を製造でき、さらには、本実施形態に係る酸化物半導体薄膜が前記式（１Ａ）を満たすことにより、ＴＦＴ特性へ及ぶ影響を少なくすることができる。具体的には、Ｘ元素の量が増えることによりスパッタリングターゲットの強度が向上するが、増えすぎるとＴＦＴ特性の低下を招くおそれがあり、本実施形態に係る酸化物半導体薄膜において、前記式（１Ａ）の範囲を満たすようにスパッタリングターゲットを用いて酸化物半導体薄膜を成膜することで、ターゲット強度の向上とＴＦＴ特性の低下の抑制という効果をバランスよく得ることができる。
【００７７】
本実施形態に係る酸化物半導体薄膜のＸ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）が０．０５以下であることにより、酸化物半導体薄膜は、シュウ酸等の弱酸によるエッチング加工を行うことが容易になる。さらには、ＴＦＴ特性、特に移動度の低下を抑制できる。本実施形態に係る酸化物半導体薄膜のＸ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）は、好ましくは０．００１以上、０．０５以下であり、より好ましくは０．００３以上、０．０３以下であり、さらに好ましくは０．００５以上、０．０１以下であり、特に好ましくは０．００５以上、０．０１未満である。
【００７８】
本実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、各元素の原子比が以下の式（２Ａ）〜（４Ａ）の少なくとも１つを満たすのが、より好ましい。
０．４０≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８０            ・・・（２Ａ）
０．１５≦Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４０                    ・・・（３Ａ）
０．１０  ≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．３５            ・・・（４Ａ）
【００７９】
Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．４以上であると、酸化物半導体薄膜中にスピネル相が生じやすくなり、半導体としての特性を容易に得られる。Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．８０以下であることにより、酸化物半導体薄膜においてスピネル相の異常粒成長による強度の低下を抑制できる。また、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．８０以下であることにより、酸化物半導体薄膜の移動度の低下を抑制できる。Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）は、０．５０以上０．７０以下であることがより好ましい。
【００８０】
Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）が、０．１５以上であると、酸化物半導体薄膜においてスピネル相の異常粒成長による強度の低下を抑制できる。Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）が、０．４０以下であることにより、スパッタリングターゲットを用いて成膜された酸化物半導体薄膜は、シュウ酸等の弱酸によるエッチング加工を容易に行うことができる。Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．１５以上であることにより、エッチング速度が速くなり過ぎるのを抑制できエッチングの制御が容易になる。Ｓｎ／（Ｓｎ＋Ｚｎ）は、０．１５以上０．３５以下であることがより好ましい。
【００８１】
Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が、０．１以上であることにより、酸化物半導体薄膜の移動度が極端に低くなるのを抑制できる。Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）が０．３５以下であることにより、スパッタリング成膜した際に、膜が導電体になるのを抑制でき、半導体としての特性を得ることが容易になる。Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）は、０．１０以上０．３０以下であることがより好ましい。
【００８２】
本実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、スパッタリングによって成膜されたときにアモルファスの状態であり、加熱処理（アニール処理）後もアモルファス状態の薄膜であることが好ましい。
【００８３】
（薄膜トランジスタ）
本実施形態に係る薄膜トランジスタとしては、本実施形態に係る酸化物半導体薄膜を含む薄膜トランジスタが挙げられる。
【００８４】
薄膜トランジスタのチャネル層として、本実施形態に係る酸化物半導体薄膜を用いることが好ましい。
【００８５】
本実施形態に係る薄膜トランジスタが、本実施形態に係る酸化物半導体薄膜をチャネル層として有している場合、薄膜トランジスタにおける他の素子構成は特に限定されず、公知の素子構成を採用することができる。
【００８６】
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、電子機器に好適に用いることができる。
具体的には、本実施形態に係る薄膜トランジスタは、液晶ディスプレイ及び有機ＥＬディスプレイ等の表示装置に好適に用いることができる。
【００８７】
本実施形態に係る薄膜トランジスタにおけるチャネル層の膜厚は、通常１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下である。
【００８８】
本実施形態に係る薄膜トランジスタにおけるチャネル層は、通常、Ｎ型領域で用いられるが、Ｐ型Ｓｉ系半導体、Ｐ型酸化物半導体、Ｐ型有機半導体等の種々のＰ型半導体と組合せてＰＮ接合型トランジスタ等の各種の半導体デバイスに利用することができる。
【００８９】
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、電界効果型トランジスタ、論理回路、メモリ回路、および差動増幅回路等各種の集積回路にも適用できる。さらに、電界効果型トランジスタ以外にも静電誘起型トランジスタ、ショットキー障壁型トランジスタ、ショットキーダイオード、および抵抗素子にも適応できる。
【００９０】
本実施形態に係る薄膜トランジスタの構成は、ボトムゲート、ボトムコンタクト、およびトップコンタクト等公知の構成から選ばれる構成を制限なく採用することができる。
特にボトムゲート構成が、アモルファスシリコン又はＺｎＯの薄膜トランジスタに比べ高い性能が得られるので有利である。ボトムゲート構成は、製造時のマスク枚数を削減しやすく、大型ディスプレイ等の用途の製造コストを低減しやすいため好ましい。
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、表示装置に好適に用いることができる。
【００９１】
大面積のディスプレイ用の薄膜トランジスタとしては、チャンネルエッチ型のボトムゲート構成の薄膜トランジスタが特に好ましい。チャンネルエッチ型のボトムゲート構成の薄膜トランジスタは、フォトリソ工程時のフォトマスクの数が少なく低コストでディスプレイ用パネルを製造できる。中でも、チャンネルエッチ型のボトムゲート構成及びトップコンタクト構成の薄膜トランジスタが移動度等の特性が良好で工業化しやすいため特に好ましい。
【００９２】
具体的な薄膜トランジスタの例を図２および図３に示す。
図２に示すように、薄膜トランジスタ１００は、シリコンウエハ２０、ゲート絶縁膜３０、酸化物半導体薄膜４０、ソース電極５０、ドレイン電極６０、および層間絶縁膜７０、７０Ａを備える。
【００９３】
シリコンウエハ２０はゲート電極である。ゲート絶縁膜３０はゲート電極と酸化物半導体薄膜４０の導通を遮断する絶縁膜であり、シリコンウエハ２０上に設けられる。
酸化物半導体薄膜４０はチャネル層であり、ゲート絶縁膜３０上に設けられる。酸化物半導体薄膜４０には本実施形態に係る酸化物半導体薄膜が用いられる。
【００９４】
ソース電極５０およびドレイン電極６０は、ソース電流およびドレイン電流を酸化物半導体薄膜４０に流すための導電端子であり、酸化物半導体薄膜４０の両端近傍に接触するように、各々設けられる。
層間絶縁膜７０は、ソース電極５０およびドレイン電極６０と、酸化物半導体薄膜４０の間の接触部分以外の導通を遮断する絶縁膜である。
層間絶縁膜７０Ａは、ソース電極５０およびドレイン電極６０と、酸化物半導体薄膜４０の間の接触部分以外の導通を遮断する絶縁膜である。層間絶縁膜７０Ａは、ソース電極５０とドレイン電極６０の間の導通を遮断する絶縁膜でもある。層間絶縁膜７０Ａは、チャネル層保護層でもある。
【００９５】
図３に示すように、薄膜トランジスタ１００Ａの構造は、薄膜トランジスタ１００と同様であるが、ソース電極５０およびドレイン電極６０を、ゲート絶縁膜３０と酸化物半導体薄膜４０の両方に接触するように設けている点が異なる。ゲート絶縁膜３０、酸化物半導体薄膜４０、ソース電極５０、およびドレイン電極６０を覆うように、層間絶縁膜７０Ｂが一体に設けられている点も異なる。
【００９６】
ドレイン電極６０、ソース電極５０およびゲート電極を形成する材料に特に制限はなく、一般に用いられている材料を任意に選択することができる。図２および図３で挙げた例では、シリコンウエハを基板として用いており、シリコンウエハが電極としても作用するが、電極材料はシリコンに限定されない。
例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、ＺｎＯ、およびＳｎＯ２等の透明電極や、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｔｉ、およびＴａ等の金属電極、またはこれらを含む合金の金属電極や積層電極を用いることができる。
また、図２および図３において、ガラス等の基板上にゲート電極を形成してもよい。
【００９７】
層間絶縁膜７０、７０Ａ、７０Ｂを形成する材料にも特に制限はなく、一般に用いられている材料を任意に選択できる。層間絶縁膜７０、７０Ａ、７０Ｂを形成する材料として、具体的には、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＣａＨｆＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＢａＴａ２Ｏ６、ＳｒＴｉＯ３、Ｓｍ２Ｏ３、およびＡｌＮ等の化合物を用いることができる。
【００９８】
本実施形態に係る薄膜トランジスタがバックチャネルエッチ型(ボトムゲート型)の場合、ドレイン電極、ソース電極およびチャネル層上に保護膜を設けることが好ましい。保護膜を設けることにより、ＴＦＴを長時間駆動した場合でも耐久性が向上しやすくなる。なお、トップゲート型のＴＦＴの場合、例えばチャネル層上にゲート絶縁膜を形成した構造となる。
【００９９】
保護膜または絶縁膜は、例えばＣＶＤにより形成することができるが、その際に高温度によるプロセスになる場合がある。また、保護膜または絶縁膜は、成膜直後は不純物ガスを含有していることが多く、加熱処理（アニール処理）を行うことが好ましい。加熱処理で不純物ガスを取り除くことにより、安定した保護膜または絶縁膜となり、耐久性の高いＴＦＴ素子を形成しやすくなる。
【０１００】
本実施形態に係る酸化物半導体薄膜を用いることにより、ＣＶＤプロセスにおける温度の影響、およびその後の加熱処理による影響を受けにくくなるため、保護膜または絶縁膜を形成した場合であっても、ＴＦＴ特性の安定性を向上させることができる。
【０１０１】
トランジスタ特性において、Ｏｎ／Ｏｆｆ特性はディスプレイの表示性能を決める要素である。液晶のスイッチングとして薄膜トランジスタを使用する場合は、Ｏｎ／Ｏｆｆ比は６ケタ以上であることが好ましい。ＯＬＥＤの場合は電流駆動のためＯｎ電流が重要だが、Ｏｎ／Ｏｆｆ比に関しては同様に６ケタ以上であることが好ましい。
【０１０２】
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、Ｏｎ／Ｏｆｆ比が１×１０６以上であることが好ましい。
Ｏｎ／Ｏｆｆ比は、Ｖｇ＝−１０ＶのＩｄの値をＯｆｆ電流値とし、Ｖｇ＝２０ＶのＩｄの値をＯｎ電流値として、比［Ｏｎ電流値／Ｏｆｆ電流値］を決めることにより、求められる。
また、本実施形態に係るＴＦＴの移動度は、５ｃｍ２／Ｖｓ以上であることが好ましく、１０ｃｍ２／Ｖｓ以上であることが好ましい。
飽和移動度は、ドレイン電圧を２０Ｖ印加した場合の伝達特性から求められる。具体的に、伝達特性Ｉｄ−Ｖｇのグラフを作成し、各Ｖｇのトランスコンダクタンス（Ｇｍ）を算出し、飽和領域の式により飽和移動度を求めることにより、算出できる。Ｉｄはソース・ドレイン電極間の電流、Ｖｇはソース・ドレイン電極間に電圧Ｖｄを印加したときのゲート電圧である。
【０１０３】
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、−３．０Ｖ以上、３．０Ｖ以下が好ましく、−２．０Ｖ以上、２．０Ｖ以下がより好ましく、−１．０Ｖ以上、１．０Ｖ以下がさらに好ましい。閾値電圧（Ｖｔｈ）が−３．０Ｖ以上であると、高移動度の薄膜トランジスタが得られる。閾値電圧（Ｖｔｈ）が３．０Ｖ以下であると、オフ電流が小さく、オンオフ比の大きな薄膜トランジスタが得られる。
【０１０４】
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、伝達特性のグラフよりＩｄ＝１０−９ＡでのＶｇで定義できる。
Ｏｎ／Ｏｆｆ比は１０６以上、１０１２以下が好ましく、１０７以上、１０１１以下がより好ましく、１０８以上、１０１０以下がさらに好ましい。Ｏｎ／Ｏｆｆ比が１０６以上であると、液晶ディスプレイの駆動ができる。Ｏｎ／Ｏｆｆ比が１０１２以下であると、コントラストの大きな有機ＥＬの駆動ができる。また、Ｏｎ／Ｏｆｆ比が１０１２以下であると、オフ電流を１０−１１Ａ以下にでき、薄膜トランジスタをＣＭＯＳイメージセンサーの転送トランジスタまたはリセットトランジスタに用いた場合、画像の保持時間を長くしたり、感度を向上させたりできる。
【０１０５】
＜量子トンネル電界効果トランジスタ＞
本実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に用いることもできる。
【０１０６】
図４に、一実施形態に係る、量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の模式図（縦断面図）を示す。
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１は、ｐ型半導体層５０３、ｎ型半導体層５０７、ゲート絶縁膜５０９、ゲート電極５１１、ソース電極５１３、およびドレイン電極５１５を備える。
【０１０７】
ｐ型半導体層５０３、ｎ型半導体層５０７、ゲート絶縁膜５０９、およびゲート電極５１１は、この順番に積層されている。
ソース電極５１３は、ｐ型半導体層５０３上に設けられる。ドレイン電極５１５はｎ型半導体層５０７上に設けられる。
ｐ型半導体層５０３は、ｐ型のＩＶ族半導体層であり、ここではｐ型シリコン層である。
ｎ型半導体層５０７は、ここでは上記実施形態に係るｎ型の酸化物半導体薄膜である。ソース電極５１３およびドレイン電極５１５は導電膜である。
【０１０８】
図４では図示していないが、ｐ型半導体層５０３上には絶縁層が形成されてもよい。この場合、ｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７は、絶縁層を部分的に開口した領域であるコンタクトホールを介して接続されている。図４では図示していないが、量子トンネル電界効果トランジスタ５０１は、その上面を覆う層間絶縁膜を備えてもよい。
【０１０９】
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１は、ｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７により形成されたエネルギー障壁をトンネリングする電流を、ゲート電極５１１の電圧により制御する、電流のスイッチングを行う量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。この構造では、ｎ型半導体層５０７を構成する酸化物半導体のバンドギャップが大きくなり、オフ電流を小さくすることができる。
【０１１０】
図５に、他の実施形態に係る量子トンネル電界効果トランジスタ５０１Ａの模式図（縦断面図）を示す。
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１Ａの構成は、量子トンネル電界効果トランジスタ５０１と同様であるが、ｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７の間に酸化シリコン層５０５が形成されている点が異なる。酸化シリコン層が有ることにより、オフ電流を小さくすることが出来る。
酸化シリコン層５０５の厚みは、１０ｎｍ以下であるのが好ましい。１０ｎｍ以下とすることにより、トンネル電流が流れなかったり、形成されるエネルギー障壁が形成しにくかったり障壁高さが変化したりするのを防止でき、トンネリング電流が低下したり、変化したりするのを防げる。酸化シリコン層５０５の厚みは、好ましくは、８ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下、更に好ましくは３ｎｍ以下、更により好ましくは１ｎｍ以下である。
図６にｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７の間に酸化シリコン層５０５が形成された部分のＴＥＭ写真を示す。
【０１１１】
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１及び５０１Ａにおいても、ｎ型半導体層５０７はｎ型酸化物半導体である。
【０１１２】
ｎ型半導体層５０７を構成する酸化物半導体は、非晶質でもよい。ｎ型半導体層５０７を構成する酸化物半導体が非晶質であることにより、蓚酸などの有機酸でエッチング可能となり、他の層とのエッチング速度の差が大きくなり、配線などの金属層への影響もなく、良好にエッチングできる。
【０１１３】
ｎ型半導体層５０７を構成する酸化物半導体は、結晶質でもよい。結晶質であることにより、非晶質の場合よりもバンドギャップが大きくなり、オフ電流を小さくできる。仕事関数も大きくできることから、ｐ型のＩＶ族半導体材料とｎ型半導体層５０７により形成されるエネルギー障壁をトンネリングする電流を制御しやすくなる。
【０１１４】
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１の製造方法は、特に限定しないが、以下の方法を例示できる。
まず、図７Ａに示すように、ｐ型半導体層５０３上に絶縁膜５０５Ａを形成し、絶縁膜５０５Ａの一部をエッチング等で開口してコンタクトホール５０５Ｂを形成する。
次に、図７Ｂに示すように、ｐ型半導体層５０３および絶縁膜５０５Ａ上にｎ型半導体層５０７を形成する。この際、コンタクトホール５０５Ｂを介してｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７を接続する。
【０１１５】
次に、図７Ｃに示すように、ｎ型半導体層５０７上に、ゲート絶縁膜５０９およびゲート電極５１１をこの順番に形成する。
次に、図７Ｄに示すように、絶縁膜５０５Ａ、ｎ型半導体層５０７、ゲート絶縁膜５０９およびゲート電極５１１を覆うように、層間絶縁膜５１９を設ける。
【０１１６】
次に、図７Ｅに示すように、ｐ型半導体層５０３上の絶縁膜５０５Ａおよび層間絶縁膜５１９の一部を開口してコンタクトホール５１９Ａを形成し、コンタクトホール５１９Ａにソース電極５１３を設ける。
さらに、図７Ｅに示すように、ｎ型半導体層５０７上のゲート絶縁膜５０９および層間絶縁膜５１９の一部を開口してコンタクトホール５１９Ｂを形成し、コンタクトホール５１９Ｂにドレイン電極５１５を形成する。
以上の手順で量子トンネル電界効果トランジスタ５０１を製造できる。
【０１１７】
なお、ｐ型半導体層５０３上にｎ型半導体層５０７を形成した後で、１５０℃以上、６００℃以下の温度で熱処理を行うことで、ｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７の間に酸化シリコン層５０５を形成できる。この工程を追加することにより、量子トンネル電界効果トランジスタ５０１Ａを製造できる。
【０１１８】
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、チャネルドープ型薄膜トランジスタであることが好ましい。チャネルドープ型トランジスタとは、チャネルのキャリヤーを、雰囲気および温度等外界の刺激に対して変動しやすい酸素欠損ではなく、ｎ型ドーピングにより適切に制御したトランジスタであり、高移動度と高信頼性を両立する効果が得られる。
【０１１９】
＜薄膜トランジスタの用途＞
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、電界効果型トランジスタ、論理回路、メモリ回路、および差動増幅回路等の各種の集積回路にも適用でき、それらを電子機器等に適用することができる。さらに、本実施形態に係る薄膜トランジスタは、電界効果型トランジスタ以外にも静電誘起型トランジスタ、ショットキー障壁型トランジスタ、ショットキーダイオード、および抵抗素子にも適応できる。
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、表示装置及び固体撮像素子等に好適に用いることができる。
以下、本実施形態に係る薄膜トランジスタを表示装置および固体撮像素子に用いる場合について、説明する。
【０１２０】
まず、本実施形態に係る薄膜トランジスタを表示装置に用いる場合について、図８を参照して説明する。
図８Ａは、本実施形態に係る表示装置の上面図である。図８Ｂは、本実施形態に係る表示装置の画素部に、液晶素子を適用する場合の画素部の回路を説明するための回路図である。また、図８Ｂは、本実施形態に係る表示装置の画素部に、有機ＥＬ素子を適用する場合の画素部の回路を説明するための回路図である。
【０１２１】
画素部に配置するトランジスタは、本実施形態に係る薄膜トランジスタを用いることができる。本実施形態に係る薄膜トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、ｎチャネル型トランジスタで構成できる駆動回路の一部を、画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。画素部や駆動回路に本実施の形態に示す薄膜トランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供できる。
【０１２２】
アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図８Ａに示す。表示装置の基板３００上には、画素部３０１、第１の走査線駆動回路３０２、第２の走査線駆動回路３０３、および信号線駆動回路３０４が形成される。画素部３０１には、複数の信号線が信号線駆動回路３０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路３０２、および第２の走査線駆動回路３０３から延伸して配置される。走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられる。表示装置の基板３００は、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続される。
【０１２３】
図８Ａでは、第１の走査線駆動回路３０２、第２の走査線駆動回路３０３、信号線駆動回路３０４は、画素部３０１と同じ基板３００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板３００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板３００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。
【０１２４】
また、画素の回路構成の一例を図８Ｂに示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示装置の画素部に適用することができる画素部の回路を示す。
【０１２５】
この画素部の回路は、一つの画素に複数の画素電極を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極に印加する信号を、独立して制御できる。
【０１２６】
トランジスタ３１６のゲート配線３１２と、トランジスタ３１７のゲート配線３１３には、異なるゲート信号を与えられるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極またはドレイン電極３１４は、トランジスタ３１６とトランジスタ３１７で共通に用いられる。トランジスタ３１６とトランジスタ３１７は、本実施形態に係るトランジスタを用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示装置を提供できる。
【０１２７】
トランジスタ３１６には、第１の画素電極が電気的に接続され、トランジスタ３１７には、第２の画素電極が電気的に接続される。第１の画素電極と第２の画素電極とは分離されている。第１の画素電極と第２の画素電極の形状は、特に限定しない。例えば、第１の画素電極は、Ｖ字状とすればよい。
【０１２８】
トランジスタ３１６のゲート電極はゲート配線３１２と接続され、トランジスタ３１７のゲート電極はゲート配線３１３と接続されている。ゲート配線３１２とゲート配線３１３に異なるゲート信号を与えて、トランジスタ３１６とトランジスタ３１７の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。
【０１２９】
また、容量配線３１０と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第１の画素電極または第２の画素電極と電気的に接続する容量電極とで、保持容量を形成してもよい。
【０１３０】
マルチドメイン構造は、一画素に第１の液晶素子３１８と第２の液晶素子３１９を備える。第１の液晶素子３１８は第１の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成され、第２の液晶素子３１９は第２の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成される。
【０１３１】
画素部は、図８Ｂに示す構成に限定されない。図８Ｂに示す画素部にスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサー、または論理回路を追加してもよい。
【０１３２】
画素の回路構成の他の一例を図８Ｃに示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示装置の画素部の構造を示す。
【０１３３】
図８Ｃは、適用可能な画素部３２０の回路の一例を示す図である。ここではｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。本実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、ｎチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。当該画素部の回路は、デジタル時間階調駆動を適用できる。
【０１３４】
スイッチング用トランジスタ３２１および駆動用トランジスタ３２２には、本実施形態に係る薄膜トランジスタを用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ表示装置を提供することができる。
【０１３５】
画素部の回路の構成は、図８Ｃに示す構成に限定されない。図８Ｃに示す画素部の回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサー、トランジスタまたは論理回路を追加してもよい。
以上が本実施形態に係る薄膜トランジスタを表示装置に用いる場合の説明である。
【０１３６】
次に、本実施形態に係る薄膜トランジスタを固体撮像素子に用いる場合について、図９を参照して説明する。
【０１３７】
ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサーは、信号電荷蓄積部に電位を保持し、その電位を、増幅トランジスタを介して、垂直出力線に出力する固体撮像素子である。ＣＭＯＳイメージセンサーに含まれるリセットトランジスタ、および／または転送トランジスタにリーク電流があると、そのリーク電流によって充電または放電が起こり、信号電荷蓄積部の電位が変化する。信号電荷蓄積部の電位が変化すると、増幅トランジスタの電位も変わってしまい、本来の電位からずれた値となり、撮像された映像が劣化してしまう。
【０１３８】
本実施形態に係る薄膜トランジスタをＣＭＯＳイメージセンサーのリセットトランジスタ、および転送トランジスタに適用した場合の動作の効果を説明する。増幅トランジスタは、薄膜トランジスタまたはバルクトランジスタのどちらを適用しても良い。
【０１３９】
図９は、ＣＭＯＳイメージセンサーの画素構成の一例を示す図である。画素は光電変換素子であるフォトダイオード３００２、転送トランジスタ３００４、リセットトランジスタ３００６、増幅トランジスタ３００８および各種配線で構成されており、マトリクス状に複数の画素が配置されてセンサーを構成する。増幅トランジスタ３００８と電気的に接続される選択トランジスタを設けても良い。トランジスタ記号に記してある「ＯＳ」は酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を、「Ｓｉ」はシリコンを示しており、それぞれのトランジスタに適用すると好ましい材料を表している。以降の図面についても同様である。
【０１４０】
フォトダイオード３００２は、転送トランジスタ３００４のソース側に接続されており、転送トランジスタ３００４のドレイン側には信号電荷蓄積部３０１０（ＦＤ：フローティングディフュージョンとも呼ぶ）が形成される。信号電荷蓄積部３０１０にはリセットトランジスタ３００６のソース、および増幅トランジスタ３００８のゲートが接続されている。別の構成として、リセット電源線３１１０を削除することもできる。例えば、リセットトランジスタ３００６のドレインをリセット電源線３１１０ではなく、電源線３１００または垂直出力線３１２０につなぐ方法がある。
なお、また、フォトダイオード３００２に本実施形態に係る酸化物半導体薄膜を用いても良く、転送トランジスタ３００４、リセットトランジスタ３００６に用いられる酸化物半導体薄膜と同じ材料を用いてよい。
以上が、本実施形態に係る薄膜トランジスタを固体撮像素子に用いる場合の説明である。
【実施例】
【０１４１】
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されない。
Ｘ元素を含有させたＩＴＺＯ系酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを作製した。Ｘ元素を含有させたＩＴＺＯ系酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットの特性と、Ｘ元素を含有させないＩＴＺＯ系酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットの特性と、を比較した。具体的な手順は以下の通りである。【０１４２】
まず、原料として表１に示す原子比となるように、以下の粉末を秤量した。
・Ｉｎ原料：純度９９．９９質量％の酸化インジウム粉末
・Ｓｎ原料：純度９９．９９質量％の酸化錫粉末
・Ｚｎ原料：純度９９．９９質量％の酸化亜鉛粉末
・Ｘ元素  ：純度９９．９質量％の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、純度９９．９質量％の酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）、純度９９．９質量％の酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、純度９９．９質量％の酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、純度９９．９質量％の酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、純度９９．９質量％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、純度９９．９質量％の酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ）【０１４３】
【表１】
2019026954.tif 000002
【０１４４】
次に、これらの原料に成形用バインダーとしてポリビニルアルコールを加えて、湿式ボールミルにて７２時間、混合および造粒した。【０１４５】
次に、この造粒物を内径１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×７ｍｍの金型へ均一に充填し、コールドプレス機にて加圧成形した後、冷間等方圧加圧装置（ＣＩＰ）で１９６ＭＰａの圧力で成形した。このようにして得た成形体を、焼結炉にて酸素雰囲気下で７８０℃まで昇温後、７８０℃で５時間保持、さらに１４００℃まで昇温し、この温度（１４００℃）で２０時間保持し、その後、炉冷して酸化物焼結体を得た。なお、昇温速度は２℃／分で行った。【０１４６】
得られた酸化物焼結体を切削加工し、表面研磨し、Ｘ線回折測定装置（ＸＲＤ）により結晶構造を調べた。その結果、試料番号１〜１７、１９、２０、２２、２３、２４、２７については、Ｉｎ２Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ（式中、ｍ＝２〜７の整数）で表される六方晶層状化合物および、Ｚｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル化合物が存在することを確認した。試料番号１８、２１については、Ｚｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル化合物の単一相であった。試料番号２５、２６については、ビックスバイト構造化合物、およびＺｎ２ＳｎＯ４で表されるスピネル化合物が存在することを確認した。ＸＲＤの測定条件は以下の通りである。
・装置：（株）リガク製Ｓｍａｒｔｌａｂ
・Ｘ線：Ｃｕ−Ｋα線（波長１．５４１８×１０−１０ｍ）
・平行ビーム、２θ−θ反射法、連続スキャン（２．０°／分）
・サンプリング間隔：０．０２°
・発散スリット（Ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ  Ｓｌｉｔ、ＤＳ）：１．０ｍｍ
・散乱スリット（Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｌｉｔ、ＳＳ）：１．０ｍｍ
・受光スリット（Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ  Ｓｌｉｔ、ＲＳ）：１．０ｍｍ【０１４７】
さらに、得られた酸化物焼結体について以下の特性を測定した。
（１）平均抗折力
得られた酸化物焼結体から、厚さ３ｍｍ×幅４ｍｍ×全長３６ｍｍ、断面が長方形の角柱の試験片を３０本切り出し、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１：２００８に基づき、材料試験機（島津製作所製ＥＺ  Ｇｒａｐｈ）にて３点曲げ強さを測定し、試験片３０本の３点曲げ強さ測定値の平均値を平均抗折力とした。【０１４８】
（２）相対密度
酸化物焼結体の相対密度をアルキメデス法に基づき測定した。具体的には、酸化物焼結体の空中重量を、体積（＝焼結体の水中重量／計測温度における水比重）で除し、下記式（５）に基づく理論密度ρ（ｇ／ｃｍ3）に対する百分率の値を相対密度（単位：％）とした。
相対密度＝｛（酸化物焼結体の空中重量／体積）／理論密度ρ｝×１００【０１４９】
ρ＝（Ｃ１／１００／ρ１＋Ｃ２／１００／ρ２・・・＋Ｃｎ／１００／ρｎ）−１  …（５）
なお、式（５）中で、Ｃ１〜Ｃｎはそれぞれ酸化物焼結体または酸化物焼結体の構成物質の含有量（質量％）を示し、ρ１〜ρｎはＣ１〜Ｃｎに対応する各構成物質の密度（ｇ／ｃｍ３）を示す。
尚、各構成物質の密度は、密度と比重はほぼ同等であることから、化学便覧  基礎編Ｉ日本化学編  改定２版（丸善株式会社）に記載されている酸化物の比重の値を用いた。【０１５０】
（３）バルク抵抗値（ｍΩｃｍ）
スパッタリングターゲットの導電性を示す指標として、バルク抵抗値を抵抗率計（三菱化学（株）製、製品名ロレスタＧＰ  ＭＣＰ−Ｔ６１０）を使用して四探針法（ＪＩＳ  Ｒ  １６３７：１９９８）に基づき測定した。試料の厚みを５ｍｍとし、測定箇所は９箇所とし、９箇所の測定値の平均値をバルク抵抗値とした。
酸化物焼結体の平面形状が四角形であったため、測定箇所は、面を等面積に９分割し、それぞれの四角形の中心点９箇所とした。【０１５１】
（４）ワイブル係数
平均抗折力のワイブル係数は、ＪＩＳ  Ｒ  １６２５：２０１０に規定されたワイブル統計解析法により、ワイブル確率軸上に、抗折力をプロット（以下「ワイブルプロット」という）し、ワイブルプロットの傾きから求めた。【０１５２】
（５）平均結晶粒径
六方晶層状化合物の平均結晶粒径、スピネル化合物の平均結晶粒径、ビックスバイト構造化合物の平均結晶粒径をそれぞれ求め、平均結晶粒径の差の絶対値を求めた。平均結晶粒径は、前述の実施形態中に記載した方法と同様にして測定した。【０１５３】
（６）六方晶層状化合物粒子の確認
酸化物焼結体が六方晶層状化合物の粒子を含むことは、ＳＥＭ−ＥＰＭＡにより、結晶粒子がＩｎ元素とＺｎ元素を含んでいることから判断した。【０１５４】
（７）スピネル化合物粒子の確認
酸化物焼結体がスピネル化合物の粒子を含むことは、ＳＥＭ−ＥＰＭＡにより、結晶粒子がＺｎ元素とＳｎ元素を含んでいることから判断した。【０１５５】
（８）ビックスバイト構造の確認
酸化物焼結体がビックスバイト構造化合物の粒子を含むことは、ＳＥＭ−ＥＰＭＡにより、結晶粒子が、Ｉｎ元素および酸素原子のみを含むか、またはＩｎ元素、Ｓｎ元素および酸素原子を含むがＩｎ元素およびＳｎ元素の原子％比（Ｉｎ元素：Ｓｎ元素）で、Ｉｎ元素が９０原子％以上であることから判断した。【０１５６】
以上の結果を表２に示す。表２において、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ=３０：１５：５５（原子％）における、平均抗折力、相対密度、バルク抵抗、ワイブル係数、および平均結晶粒径と、Ａｌ含有量、またはＳｉ含有量との関係（試料番号１〜５、８〜１２、１９）を図１０〜図１４に示す。Ｘ元素として、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇ、Ｓｉ、Ｙ、Ｍｇ、およびＹｂのいずれか一種を０．１原子％含有させた場合（試料番号１、８、１３〜１７）、およびＸ元素を含有させなかった場合（試料番号１９）の比較を図１５に示す。【０１５７】
【表２】
2019026954.tif 000003
【０１５８】
表２に示すように、Ｘ元素を含有する試料（試料番号１〜１８、２２〜２７）は、含有しない試料（試料番号１９、２０、２１）と比べて、平均抗折力、およびワイブル係数が大きく、平均結晶粒径が小さかった。
バルク抵抗は、Ｘ元素を含有する試料（試料番号１〜１８、２２〜２７）と、含有しない試料（試料番号１９、２０、２１）とで同程度であったか、Ｘ元素を含有する試料（試料番号１〜１８、２２〜２７）の方がやや小さかった。
相対密度は、Ｘ元素を含有する試料（試料番号１〜１８、２２〜２７）と、含有しない試料（試料番号１９、２０、２１）とで同程度であった。
具体的には、Ｘ元素を含有する試料（試料番号１〜１８、２２〜２７）は、平均抗折力が１５０ＭＰａ以上、バルク抵抗が２．６９ｍΩｃｍ以下、ワイブル係数が７以上、平均結晶粒径が１０μｍ以下であった。
Ｘ元素を含有する試料（試料番号１〜１７、２２〜２４）においては、六方晶層状化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径との差が１μｍ以下であった。また、Ｘ元素を含有する試料（試料番号２５、２６）においては、ビックスバイト構造化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径との差が１μｍ以下であった。Ｘ元素を含有しない試料（試料番号１９、２０）においては、六方晶層状化合物の平均結晶粒径と、スピネル化合物の平均結晶粒径との差が１μｍ超であった。この結果から、Ｘ元素を含有させることにより、平均抗折力、およびワイブル係数が大きく、バルク抵抗、相対密度、および平均結晶粒径が好ましい範囲にある酸化物焼結体が得られることが分かった。【０１５９】
図１０に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＡｌ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ａｌ含有量が増えると平均抗折力も大きくなったが、含有量が０．５原子％を超えると平均抗折力の上昇が緩やかになった。
また、図１０に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＳｉ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ｓｉ含有量が増えると平均抗折力も大きくなった。Ｘ元素の含有量が同じ試料で比べると、Ａｌを含有させた試料の方が、Ｓｉを含有させた試料よりも、平均抗折力は大きくなった。【０１６０】
図１１に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＡｌ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ａｌ含有量が増えると相対密度も大きくなったが、０．５原子％を超えると密度の上昇効果が飽和した。
また、図１１に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＳｉ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ｓｉ含有量が増えると相対密度も大きくなったが、０．１原子％を超えると密度の上昇効果が飽和した。【０１６１】
図１２に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＡｌ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ａｌ含有量が増えると、バルク抵抗が小さくなった。
また、図１２に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＳｉ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ｓｉ含有量が増えると、１原子％まではバルク抵抗が小さくなったが、３原子％を超えると僅かに大きくなった。【０１６２】
図１３に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＡｌ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ａｌ含有量が増えるとワイブル係数は上昇したが、Ａｌ含有量が３原子％を超えると、上昇効果が飽和した。
また、図１３に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＳｉ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ｓｉ含有量が増えるとワイブル係数は上昇したが、Ｓｉ含有量が３原子％を超えると、上昇効果が飽和した。【０１６３】
図１４に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＡｌ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ａｌ含有量が増えると平均結晶粒径は小さくなった。
また、図１４に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＺｎ含有量が一定であって、Ｘ元素としてのＳｉ元素の含有量が異なる複数の試料で比較すると、Ｓｉ含有量が増えると平均結晶粒径は小さくなった。
Ａｌ含有させた試料およびＳｉを含有させた試料は、平均結晶粒径が同程度であった。【０１６４】
図１５に示すように、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、およびＸ元素の含有量が一定であって、Ｘ元素の種類が異なる複数の試料およびＸ元素を含有しない試料で比較すると、Ｘ元素を含有させなかった試料に比べて、Ｘ元素を含有させた試料の方がは、平均抗折力が大きくなった。【０１６５】
［薄膜トランジスタの製造］
以下の工程で薄膜トランジスタを製造した。
（１）成膜工程
各試料番号に係る酸化物焼結体を研削研磨して、４インチφ×５ｍｍｔのスパッタリングターゲットを製造した。具体的には、切削研磨した焼結体をバッキングプレートにボンディングすることによって作製した。すべてのターゲットにおいて、ボンディング率は、９８％以上であった。酸化物焼結体のバッキングプレートへのボンディング時に酸化物焼結体にクラックは発生せず、スパッタリングターゲットを良好に製造することができた。ボンディング率（接合率）は、Ｘ線ＣＴにより確認した。
作製したスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリングによって、表３に示す成膜条件で熱酸化膜（ゲート絶縁膜）付きのシリコンウエハ２０（ゲート電極）上に、メタルマスクを介して５０ｎｍの薄膜（酸化物半導体層）を形成した。この際、スパッタガスとして高純度アルゴン及び高純度酸素２０％の混合ガスを用いてスパッタリングを行った。この際、スパッタリングターゲットにクラックは発生しなかった。【０１６６】
（２）ソース・ドレイン電極の形成
次に、ソース・ドレインのコンタクトホール形状のメタルマスクを用いてチタン金属をスパッタリングし、ソース・ドレイン電極としてチタン電極を成膜した。チャネル部のＬ／Ｗは、２００μｍ／１０００μｍとした。得られた積層体を大気中にて３５０℃で６０分間加熱処理し、保護絶縁膜形成前の薄膜トランジスタを製造した。【０１６７】
【表３】
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【０１６８】
製造した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ番号：Ａ１〜Ａ２７）について下記評価を行った。結果を表４に示す。【０１６９】
（半導体膜の結晶特性）
シリコンウエハー上に成膜した酸化物半導体膜について、スパッタ後（膜堆積直後）の加熱していない膜及び成膜後の加熱処理をした後の膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）測定によって評価したところ、加熱前はアモルファスであり、加熱後もアモルファスであった。【０１７０】
＜ＴＦＴの特性評価＞
飽和移動度、Ｓ値及び閾値電圧の評価を行った。結果を表４の「加熱処理後ＳｉＯ2膜形成前のＴＦＴの特性」に示す。
飽和移動度は、ドレイン電圧に２０Ｖ印加した場合の伝達特性から求めた。具体的に、伝達特性Ｉｄ−Ｖｇのグラフを作成し、各Ｖｇのトランスコンダクタンス（Ｇｍ）を算出し、線形領域の式により飽和移動度を導いた。尚、Ｇｍは∂（Ｉｄ）／∂（Ｖｇ）によって表され、Ｖｇは−１５Ｖ〜２５Ｖまで印加し、その範囲での最大移動度を飽和移動度と定義した。本発明において特に断らない限り、飽和移動度はこの方法で評価した。上記Ｉｄはソース・ドレイン電極間の電流、Ｖｇはソース・ドレイン電極間に電圧Ｖｄを印加したときのゲート電圧である。
Ｓ値は、ドレイン電流が１０ｐＡから１００ｐＡになるときのゲート電圧差である。
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、伝達特性のグラフよりＩｄ＝１０−９ＡでのＶｇと定義した。
また、得られたＴＦＴサンプルの酸化物半導体層について誘導プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ、島津製作所社製）で分析した結果、得られた酸化物半導体薄膜の原子比が酸化物半導体薄膜の製造に用いた酸化物焼結体の原子比と同じであることを確認した。【０１７１】
【表４】
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【０１７２】
表４より、インジウムに対するＸ元素の添加量が増加するにつれ移動度が低下し、また、Ｖｔｈがプラス側にシフトすることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【０１７３】
本発明のスパッタリングターゲットは、液晶ディスプレイまたは有機ＥＬディスプレイなどの表示装置を駆動する、薄膜トランジスタの酸化物半導体層を形成するために使用できる。また、本発明のスパッタリングターゲットを用いて、受光素子、表示素子、タッチパネルにおける電極、または防曇用透明発熱体等に使用される透明導電膜を製造できる。
【符号の説明】
【０１７４】
１  ：酸化物焼結体
３  ：バッキングプレート
２０  ：シリコンウエハ
３０  ：ゲート絶縁膜
４０  ：酸化物半導体薄膜
５０  ：ソース電極
６０  ：ドレイン電極
７０  ：層間絶縁膜
７０Ａ  ：層間絶縁膜
７０Ｂ  ：層間絶縁膜
１００  ：薄膜トランジスタ
１００Ａ  ：薄膜トランジスタ
３００  ：基板
３０１  ：画素部
３０２  ：第１の走査線駆動回路
３０３  ：第２の走査線駆動回路
３０４  ：信号線駆動回路
３１０  ：容量配線
３１２  ：ゲート配線
３１３  ：ゲート配線
３１４  ：ドレイン電極
３１６  ：トランジスタ
３１７  ：トランジスタ
３１８  ：第１の液晶素子
３１９  ：第２の液晶素子
３２０  ：画素部
３２１  ：スイッチング用トランジスタ
３２２  ：駆動用トランジスタ
３００２  ：フォトダイオード
３００４  ：転送トランジスタ
３００６  ：リセットトランジスタ
３００８  ：増幅トランジスタ
３０１０  ：信号電荷蓄積部
３１００  ：電源線
３１１０  ：リセット電源線
３１２０  ：垂直出力線
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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