(57)【要約】【課題】Ｉｎ含有量を増やしても非晶質半導体薄膜を形成できる酸化物焼結体およびスパッタリングターゲットの提供。【解決手段】Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素（HREE：heavy rare earth element：Ｘと記載する）の原子比が下記の式（１）から（４）を満たし、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造を主成分とし、パイロクロア構造を含む酸化物焼結体。  ０．５０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８５        ・・・（１）  ０．１０≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４５        ・・・（２）  ０．０５≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．２５        ・・・（３）  ０．０５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．２５      ・・・（４）  ただし、重希土類元素とは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種以上の元素を意味する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素（HREE：heavy rare earth element：Ｘと記載する）の原子比が下記の式（１）から（４）を満たし、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造と、パイロクロア構造とを含むことを特徴とする酸化物焼結体。
０．５０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８５        ・・・（１）
０．１０≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４５        ・・・（２）
０．０５≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．２５        ・・・（３）
０．０５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．２５      ・・・（４）
ただし、前記重希土類元素は、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種以上の元素である。
【請求項２】
前記ビックスバイト構造、および／または、パイロクロア構造を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の酸化物焼結体。
【請求項３】
前記パイロクロア構造がＸ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造である、請求項１または２に記載の酸化物焼結体。
【請求項４】
Ｚｎ2ＳｎＯ4で表されるスピネル構造を含まないことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の酸化物焼結体。
【請求項５】
Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素を含み、残部が酸素と不可避不純物からなることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の酸化物焼結体。
【請求項６】
バルク抵抗値が１０ｍΩｃｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の酸化物焼結体。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の酸化物焼結体を備えることを特徴とするスパッタリングターゲット。
【請求項８】
Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素（HREE：heavy rare earth element：Ｘと記載する）の原子比が下記式（５）から（８）を満たすことを特徴とする非晶質酸化物半導体薄膜。
０．５０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８５        ・・・（５）
０．１０≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４５        ・・・（６）
０．０５≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．２５        ・・・（７）
０．０５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．２５      ・・・（８）
ただし、前記重希土類元素は、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種以上の元素である。
【請求項９】
Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素を含み、残部が酸素と不可避不純物からなることを特徴とする、請求項８に記載の非晶質酸化物半導体薄膜。
【請求項１０】
請求項９に記載の非晶質酸化物半導体薄膜を備えることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化物焼結体、スパッタリングターゲット、非晶質酸化物半導体薄膜、および薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタに用いられる非晶質酸化物半導体は、汎用の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）に比べて高いキャリヤ移動度を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できる。そのため大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板等への適用が期待されている。
【０００３】
非晶質酸化物半導体薄膜の形成には、スパッタリング法が好適に用いられる。これは、スパッタリング法で形成された薄膜は、イオンプレーティング法、真空蒸着法、または電子ビーム蒸着法で形成された薄膜に比べ、膜面方向（膜面内）の成分組成、膜厚等の均一性に優れるからである。また、スパッタリングターゲットと同じ成分組成の薄膜を形成できるためである。
【０００４】
非晶質酸化物半導体のなかでも、インジウム、スズ、亜鉛、および酸素からなるアモルファス酸化物半導体（Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、以下「ＩＴＺＯ」と略記する）は、酸化物半導体の原料としては安価な亜鉛やスズを用いて、比較的高いキャリヤ移動度と蓚酸等の有機酸でのエッチングレートを実現でき、且つ、金属配線のエッチング液であるリン酸・酢酸・硝酸の混酸に対して溶解しないために金属配線と酸化物半導体膜の選択エッチングが可能なため、注目されている。
【０００５】
特許文献１には、インジウム、スズ、および亜鉛から選ばれる１種以上の金属を成分として含むスパッタリングターゲットであって、第三成分としてハフニウム、タンタル、ビスマス、またはランタノイド系金属からなる群から選ばれる少なくとも１種以上の金属を含むことを特徴とするスパッタリングターゲットが記載されている。このターゲットは、透明導電膜を得るのに好適に使用されることが記載されている。
【０００６】
特許文献２には、インジウム、およびＧｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂから選ばれる元素を含み、実質的にビックスバイト構造からなるスパッタリングターゲットに関する記載がある。このターゲット組成成分として、正２価の金属元素を全金属元素に対し１原子％以上、１０原子％以下含有する記載があり、正四価以上の金属元素を、さらに１００ｐｐｍ以上、２０００ｐｐｍ以下、含有できることが記載されている。
【０００７】
特許文献３には、インジウム（Ｉｎ）およびイッテルビウム（Ｙｂ）を含有する酸化物、特にＩＴＯとＹｂ2Ｏ3のターゲットであって、Ｉｎ2Ｏ3で表される酸化物、Ｙｂ2Ｓｎ2Ｏ7で表される酸化物を含有することを特徴とする酸化物ターゲットが記載され、透光性に優れた酸化物半導体薄膜が得られることが記載されている。
また、特許文献４には、酸化物半導体を光電変換素子と組み合わせた固体撮像装置やイメージセンサーについても開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４-６８０５４号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／１１４５８８号
【特許文献３】特開２００８-７５１２４号公報
【特許文献４】特開２０１７−１３５４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、閾値電圧Ｖthのサイクル安定性等の、非晶質酸化物半導体薄膜の特性は、膜の緻密化により改善できると言われている。
膜を緻密化するためには、成膜時にスパッタ電力を上げた、高パワー成膜が有効である。一方で、高パワー成膜ではターゲットが熱応力で割れやすい。割れを防止するためにはＩｎ含有量を増やすのが効果的である。
しかしながら、特許文献１から３に記載の酸化物焼結体は、Ｉｎ含有量を増やすと、非晶質半導体薄膜を形成できないという問題があった。
具体的には、特許文献１は、スパッタリングにより導電体膜が得られる組成しか開示されておらず、半導体薄膜を形成できなかった。
特許文献２では結晶化半導体薄膜しか得ることができなかった。また、特許文献２は、正４価以上の金属含有量を２０００ｐｐｍレベル以下にする必要があるため、スズを含有させることができず、ＩＴＺＯに適用できないという問題があった。
特許文献３もスパッタリングにより導電体膜が得られる組成しか開示されておらず、半導体薄膜を形成できなかった。また、特許文献３の酸化物焼結体は亜鉛が含まれていないため、ＩＴＺＯに適用できないという問題、およびエッチングがし難いという問題があった。
特許文献４には、ＣＭＯＳイメージセンサーの転送トランジスタやキャンセルトランジスタに酸化物半導体を用いる例が示されており、オフ電流の小さなトランジスタが求められている。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、Ｉｎ含有量を増やしても非晶質半導体薄膜を形成できる酸化物焼結体およびスパッタリングターゲットの提供を目的とする。
薄膜トランジスタに用いたときに優れた特性を有する非晶質酸化物半導体薄膜、および当該薄膜を備える薄膜トランジスタを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、以下の酸化物焼結体が提供される。
［１］Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素（HREE：heavy rare earth element：Ｘと記載する）の原子比が下記の式（１）から（４）を満たし、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造と、パイロクロア構造とを含むことを特徴とする酸化物焼結体。
０．５０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８５        ・・・（１）
０．１０≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４５        ・・・（２）
０．０５≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．２５        ・・・（３）
０．０５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．２５      ・・・（４）
ただし、前記重希土類元素は、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種以上の元素である。
［２］前記ビックスバイト構造、および／または、パイロクロア構造を主成分とすることを特徴とする［１］に記載の酸化物焼結体。
［３］前記パイロクロア構造がＸ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造である、［１］または［２］に記載の酸化物焼結体。
［４］Ｚｎ2ＳｎＯ4で表されるスピネル構造を含まないことを特徴とする［１］から［３］のいずれか一つに記載の酸化物焼結体。
［５］Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素を含み、残部が酸素と不可避不純物からなることを特徴とする、［１］から［４］のいずれか一つに記載の酸化物焼結体。
［６］バルク抵抗値が１０ｍΩｃｍ以下であることを特徴とする［１］から［５］のいずれか１つに記載の酸化物焼結体。
【００１２】
本発明によれば、以下のスパッタリングターゲットが提供される。
［７］［１］から［６］のいずれか１つに記載の酸化物焼結体を備えることを特徴とするスパッタリングターゲット。
【００１３】
本発明によれば、以下の非晶質酸化物半導体薄膜が提供される。
［８］Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素（HREE：heavy rare earth element：Ｘと記載する）の原子比が下記式（５）から（８）を満たすことを特徴とする非晶質酸化物半導体薄膜。
０．５０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８５        ・・・（５）
０．１０≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４５        ・・・（６）
０．０５≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．２５        ・・・（７）
０．０５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．２５      ・・・（８）
ただし、前記重希土類元素は、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種以上の元素である。
[９]Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素を含み、残部が酸素と不可避不純物からなることを特徴とする、［８］に記載の非晶質酸化物半導体薄膜。
【００１４】
本発明によれば、以下の薄膜トランジスタが提供される。
［１０］[９]に記載の非晶質酸化物半導体薄膜を備えることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、Ｉｎ含有量を増やしても非晶質半導体薄膜を形成できる酸化物焼結体およびスパッタリングターゲットを提供できる。
また、薄膜トランジスタに用いたときに優れた特性を有する非晶質酸化物半導体薄膜、および当該薄膜を備える薄膜トランジスタを提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るターゲットの形状を示す斜視図。
【図２】本実施形態に係る薄膜トランジスタを示す縦断面図。
【図３】本実施形態に係る薄膜トランジスタを示す縦断面図。
【図４】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図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はＶＡ型液晶表示装置の画素に適用することができる画素回路を示す図、（Ｃ）は有機ＥＬ素子を用いた表示装置の画素構造を示す図。
【図５】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回路を示す図。
【図６】実施例１の酸化物焼結体のＸＲＤ回折パターンを示す図であって、上段は実測値、下段は、純物質（ＩＣＤＤ、International Centre for Diffraction Dataに収録された標準物質）の値。
【図７】実施例２の酸化物焼結体のＸＲＤ回折パターンを示す図であって、上段は実測値、下段は、純物質（ＩＣＤＤ、International Centre for Diffraction Dataに収録された標準物質）の値。
【図８】実施例３の酸化物焼結体のＸＲＤ回折パターンを示す図であって、上段は実測値、下段は、純物質（ＩＣＤＤ、International Centre for Diffraction Dataに収録された標準物質）の値。
【図９】実施例４の酸化物焼結体のＸＲＤ回折パターンを示す図であって、上段は実測値、下段は、純物質（ＩＣＤＤ、International Centre for Diffraction Dataに収録された標準物質）の値。
【図１０】比較例１の酸化物焼結体のＸＲＤ回折パターンを示す図であって、上段は実測値、下段は、純物質（ＩＣＤＤ、International Centre for Diffraction Dataに収録された標準物質）の値。
【図１１】比較例２の酸化物焼結体のＸＲＤ回折パターンを示す図であって、上段は実測値、下段は、純物質（ＩＣＤＤ、International Centre for Diffraction Dataに収録された標準物質）の値。
【図１２】（Ａ）はガラス基板上に酸化物膜を形成した状態を示す縦断面図、（Ｂ）は、（Ａ）に、さらにＳｉＯ2膜を形成した状態を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜本発明の背景＞
まず、本発明の背景を簡単に説明する。
ＩＴＺＯ非晶質酸化物焼結体において、ターゲットの強度と、半導体特性を両立困難であることは公知である。
例えば、ターゲット強度を上げるためにはＩｎ含有量を増やす必要があるが、Ｉｎ含有量を増やすと、薄膜が導体化する。
導体化を防ぐために、亜鉛の添加量を増やすと、割れの原因になるスピネル構造を生成してしまう。薄膜トランジスタを作製において、保護膜または絶縁膜を化学蒸着法（ＣＶＤ）で形成する際の加熱等で、半導体特性が悪くなりやすい。
スズの含有量を増やすと、膜が蓚酸等の有機酸によるエッチングレートが遅くなり、実用に供さなくなる場合がある。
強度を向上するためには、インジウム、スズ、および亜鉛以外の元素を添加することが考えられる。しかしながら添加元素は、スパッタにより成膜した膜にも含まれるため、単に焼結体の強度が高くなるだけでなく、非晶質半導体薄膜の特性を悪化させないようにする必要がある。
【００１８】
本発明者らは、ＩＴＺＯに添加元素として、重希土類元素を添加することを考えた。
これは、重希土類元素は酸素欠損を抑制する効果があるため、添加しても半導体薄膜の特性に悪影響を与えず、逆に特性を制御できると考えたためである。
また、重希土類元素は、希土類の中では、ランタノイド収縮によりイオン半径が小さく、添加してもＩＴＺＯを構成する結晶構造に固溶するため、固溶強化が期待できること、および特性を悪化させる化合物等を形成し難いとと考えたためである。
そこで、本発明者らはＩＴＺＯに重希土類元素を添加したところ、焼結体の強度が向上した。オフ電流を低減しつつその他の半導体特性は悪化せず、非晶質であることも確認したため、本発明を創出するに至った。
以上が本発明の背景である。
【００１９】
＜酸化物焼結体の構造＞
次に、本実施形態に係る酸化物焼結体の構造について説明する。
本実施形態に係る酸化物焼結体は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素（HREE：heavy rare earth element：Ｘと記載する）を含む。
各元素の原子比が下記の式（１）から（４）を満たす。
０．５０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８５        ・・・（１）
０．１０≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４５        ・・・（２）
０．０５≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．２５        ・・・（３）
０．０５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．２５      ・・・（４）
ただし、重希土類元素Ｘは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種以上の元素である。
【００２０】
式（１）において、Ｉｎが０．５０未満では、焼結体のバルク抵抗が高くなり、異常放電の原因になる場合がある。また、インジウムによる酸化物半導体の高移動度化の効果が得られず、移動度の低い酸化物半導体薄膜しか得られない場合がある。０．８５超では、薄膜が結晶化し、導電体になる場合がある。
式（１）の範囲内では、必要とされるＴＦＴの特性を考慮した各添加元素の添加量からその量を規定すればよい。
Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）で表される原子比は、より好ましくは、０．５０以上、０．８０以下であり、さらに好ましくは０．５０以上、０．７５以下である。
【００２１】
式（２）において、Ｓｎが０．１０未満では、ターゲットの抵抗値が下がらなかったり、焼結密度が上がらず、その後の焼結体の強度が上がらなかったり、線膨張係数や熱伝導性に悪影響を及ぼす場合がある。また、０．１０未満の焼結体から製造されたスパッタリングターゲットを用いて、薄膜トランジスタの半導体層を形成した場合、配線金属のエッチング液であるリン酸・硝酸・酢酸からなる混酸に溶解するようになる。その結果、ＴＦＴの構造であるバックチャンネルＴＦＴを形成しにくくなる場合がある。一方、０．４５超の場合、焼結体から製造されたスパッタリングターゲットを用いて、薄膜トランジスタの半導体層を形成した場合、蓚酸等の有機酸でエッチングできなくなる場合が有り、ＴＦＴを形成しにくくなる場合がある。
Ｓｎは、より好ましくは０．１５以上、０．４０以下であり、さらに好ましくは０．１５以上、０．３５以下である。
【００２２】
式（３）において、Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）で表される原子比が、０．０５未満では、得られた薄膜半導体が結晶化して、導電体となる場合がある。０．２５超では、亜鉛が酸化インジウムやパイロクロア構造に固溶できなくなり、酸化亜鉛として析出したり、Ｚｎ2ＳｎＯ4からなるスピネル構造などが出現し、焼結体の密度が低下したり、強度が低下したりする場合がある。また、０．２５超の場合、焼結体から製造されたスパッタリングターゲットを用いて、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の半導体層を形成した場合、安定性に欠けるＴＦＴしか得られない場合がある。
Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）で表される原子比は、好ましくは０．０５以上、０．２３以下であり、より好ましくは０．５以上、０．２０以下である。
【００２３】
式（４）において、重希土類元素の含有量が０．０５未満では、保護膜を形成する工程であるＣＶＤ処理によるＳｉＯ2膜の形成段階で、キャリヤ濃度が多くなる。その後の熱処理によってもキャリヤ濃度が低減せず、半導体としては作動せず導体となる場合がある。また、０．２５超では、キャリヤ濃度が低減し過ぎ、半導体として作動しなかったり、作動しても移動度が小さい場合がある。重希土類元素の含有量は、酸化インジウムの含有量に合わせて調整すればよい。酸化インジウムの含有量が多い場合は、薄膜中の酸素欠損量が増える傾向にあり、重希土類元素の含有量を増やす必要がある。一方、酸化インジウムの含有量が引く場合は、薄膜中の酸素欠損量が少なく傾向にあり、重希土類元素の含有量を少なくする必要がある。酸化インジウムの含有量に合わせて適宜選択すればよい。Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）は、より好ましくは、０．０６以上、０．２３以下であり、さらに好ましくは、０．０７以上、０．２０以下である。
重希土類元素は、好ましくは、Ｔｂ、Ｙｂ、およびＬｕから選ばれる少なくとも１種である。理由は、重希土類元素の中では天然の存在量も多く、工業的に利用できる量およびコストで確保できるからである。
【００２４】
焼結体中の各金属元素の含有量（原子比）は、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）測定により、各元素の存在量を測定することで求めることができる。
【００２５】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、インジウム元素、スズ元素、亜鉛元素、および重希土類元素を含めばよい。実質的にインジウム元素、スズ元素、亜鉛元素、および重希土類元素からなってもよい。
「実質的」とは、酸化物焼結体中に含まれる金属元素に占めるインジウム元素、スズ元素、亜鉛元素、および重希土類元素の含有割合が、例えば９０ａｔｍ％以上であることを意味する。９５ａｔｍ％以上が好ましく、９８ａｔｍ％以上がより好ましく、９９ａｔｍ％以上がさらに好ましく、１００ａｔｍ％であることが最も好ましい。
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、インジウム元素、スズ元素、亜鉛元素、および重希土類元素以外の金属元素として、ガリウム元素を含んでもよい。
【００２６】
ただし、インジウム元素、スズ元素、亜鉛元素、および重希土類元素を含有し、残部（インジウム元素、スズ元素、亜鉛元素、および重希土類元素以外の元素）が酸素と不可避不純物のみからなる組成が好ましい。残部が酸素と不可避不純物であることにより、インジウム元素、亜鉛元素、スズ元素および重希土類元素以外の元素が酸化物焼結体や、当該酸化物焼結体を用いて製造された半導体薄膜の特性に与える影響を最小限にできる。
不可避不純物とは、意図的に添加しない元素であって、原料や製造工程で混入する元素を意味する。以下の説明でも同様である。
【００２７】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造、および／または、パイロクロア構造を主成分とするのが好ましい。
これにより、酸化物焼結体が高い密度を示し、バルク抵抗が低下し、安定したスパッタ状態が維持できる。
酸化物焼結体がＩｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造、およびパイロクロア構造より構成されることは、Ｘ線回折測定装置（ＸＲＤ）により結晶構造を調べることで確認できる。
ここでいう主成分とは、酸化物焼結体において、ビックスバイト構造、および／または、パイロクロア構造が５０質量％以上であることを意味する。ビックスバイト構造の含有量は、好ましくは、７０％質量以上であり、より好ましくは、８０質量％以上であり、さらに好ましくは９０質量％以上であり、よりさらに好ましくは、９５質量％以上である。
パイロクロア構造はＸ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造が好ましく、例えば、Ｙｂ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造がある。
【００２８】
ビックスバイト構造には、重希土類元素、Ｓｎ元素、およびＺｎ元素のいずれか１以上が固溶置換しているのが好ましい。
Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造に亜鉛元素が侵入型固溶していることは、焼結体中の酸化インジウムのビックスバイト構造の格子定数が、酸化インジウムのみの格子定数より小さくなっていることにより確認できる。また、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造に重希土類元素が置換型固溶していることは、焼結体中の酸化インジウムのビックスバイト構造の格子定数が、酸化インジウムのみの格子定数より大きくなっていることにより確認できる。また、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造にスズ元素が侵入型固溶していることは、焼結体中の酸化インジウムのビックスバイト構造の格子定数が、酸化インジウムのみの格子定数より大きくなっていることにより確認できる。リードベルト解析により、より確実に固溶の状態を把握することができる。一方で、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造は、ＸＲＤ測定により容易に判定することができる。
パイロクロア構造に亜鉛元素が侵入型置換していることは、焼結体中のＸ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造の格子定数が、Ｘ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造の格子定数より、小さくなっていることにより確認できる。また、Ｘ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造に、インジウム元素が侵入型固溶および／または置換型置換していることは、焼結体中のパイロクロア構造の格子定数が、Ｘ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造より小さくなっていることにより確認できる。リードベルト解析により、より確実に固溶の状態を把握することができる。一方で、Ｘ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造は、ＸＲＤ測定により容易に判定することができる。
【００２９】
「格子定数」とは、単位格子の格子軸の長さと定義され、Ｘ線回折法によって決定することができる。純物質における酸化インジウムのビックスバイト構造の格子定数は、１０．１１８×１０-10ｍである。
純物質におけるＸ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造について、例えば、Ｙｂ2Ｓｎ2Ｏ7のパイロクロア構造の格子定数は、１０．３０４６×１０-10ｍである。
【００３０】
酸化物焼結体は、Ｘ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造を含む。パイロクロア構造を含むことにより、熱伝導性が良くなり、割れにくくなる。
【００３１】
酸化物焼結体は、ビックスバイト構造とパイロクロア構造以外の構造を含んでもよい。
例えば、Ｉｎ2Ｏ3（ＺｎＯ）m（ここで、ｍは１以上、２０以下の整数）で表される六方晶層状構造を含んでもよい。
ただし、酸化物焼結体の強度をより向上させるためには、Ｚｎ2ＳｎＯ4で表されるスピネル構造を含まないことが好ましい。
＜酸化物焼結体の物性＞
本実施形態に係る酸化物焼結体は、相対密度が９５％以上であることが好ましい。
相対密度が９５％以上とすることにより、成膜時のクラック発生やノジュール生成を抑制でき、得られる薄膜トランジスタの性能の低下や、歩留の低下、膜密度の低下を防ぐことができる。また、ＣＶＤ装置での成膜温度を上げることができる。相対密度は、好ましくは、９６％以上であり、より好ましくは、９７％以上である。
相対密度は、例えば、酸化物焼結体の実測密度を、酸化物焼結体の理論密度で除した値を、百分率にして、算出することができる。
実測密度の測定方法としてはアルキメデス法で測定する方法(見かけ密度)と、ノギスを用いて酸化物焼結体の体積を測定し、計量計で酸化物焼結体の質量を測定して密度を算出する方法（嵩密度）がある。
酸化物焼結体の理論密度としては、例えば、酸化物焼結体の原料粉末として酸化物Ａ、酸化物Ｂ、酸化物Ｃ、酸化物Ｄを用いた場合において、酸化物Ａ、酸化物Ｂ、酸化物Ｃ、酸化物Ｄの使用量（仕込量）をそれぞれａ（ｇ）、ｂ（ｇ）、ｃ（ｇ）、ｄ（ｇ）とすると、理論密度は、以下のように当てはめることで算出できる。
理論密度＝（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）／（（ａ／酸化物Ａの密度）＋（ｂ／酸化物Ｂの密度）＋（ｃ／酸化物Ｃの密度）＋（ｄ／酸化物Ｄの密度））
なお、各酸化物の密度は、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るとよい。理論密度は、各酸化物の重量比を用いて以下のように算出することもできる。
理論密度＝１／（（酸化物Ａの重量比／酸化物Ａの密度）＋（酸化物Ｂの重量比／酸化物Ｂの密度）＋（酸化物Ｃの重量比／酸化物Ｃの密度）＋（酸化物Ｄの重量比／酸化物Ｄの密度））
【００３２】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、バルク抵抗が１０ｍΩｃｍ以下であると好ましく、５．０ｍΩｃｍ以下であるとより好ましく、４．０ｍΩｃｍ以下であるとさらに好ましく、３．０ｍΩｃｍ以下であると、よりさらに好ましい。バルク抵抗の下限値は特にないが、例えば１ｍΩｃｍ以上である。
バルク抵抗が１０ｍΩｃｍ以下であることにより、大パワーでの成膜時に、ターゲットが帯電し、異常放電を起こしたり、プラズマ状態が安定せず、スパークが発生したりするのを防止できる。
焼結体のバルク抵抗は、ビックスバイト構造の酸化インジウムに対する、亜鉛元素と重希土類元素およびスズ元素の添加量を調整することで制御できる。酸化スズ元素に対する重希土類元素の添加量を少量にすることで、以下の効果が得られると考えられる。まず、スズ元素と重希土類元素が反応してパイロクロア構造を析出する。パイロクロア構造析出に消費されなかった酸化スズ元素が、酸化インジウムのバックスバイト構造に固溶することにより、キャリヤを発生する。これにより焼結体のバルク抵抗を低下させる。
【００３３】
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）に基づき測定できる。測定箇所は５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、中心および四隅と中心の中間点の４点の計５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の中心および正方形の四隅と、中心の中間点の４点の計５箇所とするのが好ましい。
【００３４】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、３点曲げ強度が、１２０ＭＰａ以上であると好ましく、１４０ＭＰａ以上であるとより好ましく、１５０ＭＰａ以上であるとさらに好ましい。
３点曲げ強度が１２０ＭＰａ以上であると、大パワーでスパッタ成膜した場合、ターゲットが割れたり、チッピングを起こして、固体がターゲット上に飛散し、異常放電の原因となる恐れが少なくなる。
３点曲げ強度は、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１「ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験」に準じて評価できる。具体的には、まず一定距離（３０ｍｍ）に配置された２支点上に幅４ｍｍ、厚さ３ｍｍ、長さ４０ｍｍの標準試験片を置く。次に、支点間の中央からクロスヘッド速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ荷重を加え、破壊した時の最大荷重より、曲げ強さを算出する。
【００３５】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、線膨張係数が８．０×１０-6（Ｋ-1）以下であると好ましく、７．５×１０-6（Ｋ-1）以下であるとより好ましく、７．０×１０-6（Ｋ-1）以下であるとさらに好ましい。
線膨張係数が８．０×１０-6（Ｋ-1）以下であると、大パワーでスパッタリング中に加熱され、応力によりターゲットにマイクロクラックが入ったり、割れやチッピングにより、異常放電の原因となるおそれが小さい。
線膨張係数は、例えば幅５ｍｍ、厚さ５ｍｍ、長さ１０ｍｍの標準試験片を用いて、昇温速度を５℃／分にセットし、３００℃に到達した時の熱膨張による変位を位置検出機を用いることにより評価できる。
【００３６】
本実施形態に係る酸化物焼結体は、熱伝導率が５．０（Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1）以上であると好ましく、５．５（Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1）以上であるとより好ましく、６．０（Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1）以上であるとさらに好ましく、６．５（Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1）以上であると最も好ましい。
熱伝導率が５．０（Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1）以上であると、大パワーでスパッタリング成膜した場合に、スパッタ面とボンディングされた面の温度が異なり、内部応力によりターゲットにマイクロクラックや割れ、チッピングが発生するおそれが小さい。
熱伝導率は、例えば直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの標準試験片を用いて、レーザーフラッシュ法により比熱容量と熱拡散率を求め、これに試験片の密度を乗算することにより算出できる。
以上が、本実施形態に係る酸化物焼結体の説明である。
【００３７】
次に、本実施形態に係る酸化物焼結体の製造方法について説明する。
本実施形態に係る酸化物焼結体が製造できるものであれば、製造方法は特に限定しないが、以下の（ａ）から（ｃ）の工程を含む製法を例示できる。
（ａ）原料化合物粉末を混合して混合物を調製する工程。
（ｂ）混合物を成型して成型体を調製する工程。
（ｃ）成型体を焼結する工程。
【００３８】
（１）工程（ａ）：配合工程
配合工程は、酸化物焼結体の原料を混合する工程である。
原料としては、インジウム化合物の粉末、スズ化合物の粉末、亜鉛化合物の粉末、および重希土類化合物の粉末を用いる。インジウム、スズおよび亜鉛の化合物としては、例えば、酸化物または水酸化物が挙げられる。重希土類元素の化合物としては、酸化物が挙げられる。焼結のしやすさ、副生成物の残存のし難さから、酸化物が好ましい。
【００３９】
原料の純度は、通常２Ｎ（９９質量％）以上が好ましい。より好ましくは３Ｎ（９９．９質量％）以上、さらに好ましくは４Ｎ（９９．９９質量％）以上である。純度が２Ｎ以上とすることにより、耐久性が確保でき、液晶ディスプレイに用いた際に液晶側に不純物が入り、焼き付けが起こる可能性を低減できる。
原料粉末の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上、２μｍ以下であり、より好ましくは０．５μｍ以上、１．５μｍ以下である。原料粉末の平均粒径はレーザー回折式粒度分布装置等で測定することができる。
【００４０】
原料の混合、成型方法は特に限定されず、公知の方法を用いて行うことができる。また、混合する際にはバインダーを添加してもよい。
原料の混合は、例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミルまたは超音波装置等の公知の装置を用いて行うことができる。粉砕時間等の条件は、適宜調整すればよいが、６時間以上、１００時間以下が好ましい。
【００４１】
配合した原料は仮焼してもよい。仮焼では、スパッタリングターゲットの原料である化合物の混合物を得た後、この混合物を仮焼する、必要に応じて設けられる工程である。
仮焼により、得られる焼結体の密度を上げることが容易になり好ましいが、コストアップになるおそれがある。そのため、仮焼を行わずに密度を上げることがより好ましい。
【００４２】
仮焼では、原料混合物を５００℃以上、１２００℃以下で、１時間以上、１００時間以下熱処理することが好ましい。５００℃以上で１時間以上、熱処理することにより、インジウム化合物、スズ化合物、亜鉛化合物、および重希土類化合物の熱分解が十分となる。一方、熱処理条件が、１２００℃以下、１００時間以下とすることにより粒子の粗大化を防止できる。
仮焼は、８００℃以上、１２００℃以下の温度範囲で、２時間以上、５０時間以下、実施することが好ましい。
得られた仮焼物は、下記の成型工程および焼成工程の前に粉砕するのが好ましい。
（２）工程（ｂ）：成型工程
成型工程は、原料混合物（上記仮焼工程を設けた場合には仮焼物）を加圧成型して成型体とする工程である。この工程により、ターゲットとして好適な形状に成型する。仮焼工程を設けた場合には、得られた仮焼物の微粉末を造粒した後、プレス成型により所望の形状に成型することができる。
【００４３】
成型体の平均厚みは５．５ｍｍ以上が好ましく、６ｍｍ以上がより好ましく、８ｍｍ以上がさらに好ましく、１２ｍｍ以上がよりさらに好ましい。５．５ｍｍ以上だと、成型体厚さ方向の温度勾配が減少し、表面と深部の結晶型の組合せの変動が生じにくくなることが期待できる。
【００４４】
本工程で用いることができる成型処理としては、例えば、プレス成型（一軸プレス）、金型成型、鋳込み成型、射出成型等も挙げられる。焼結密度の高い焼結体（ターゲット）を得るためには、冷間静水圧（ＣＩＰ）等で成型するのが好ましい。
【００４５】
また、プレス成型（一軸プレス）後に、冷間静水圧（ＣＩＰ）、熱間静水圧（ＨＩＰ）等で成型するように、２段階以上の成型工程を設けてもよい。
冷間静水圧、または静水圧加圧装置を用いる場合、面圧７８．５ＭＰａ（８００ｋｇｆ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）以上、３９２．４ＭＰａ（４０００ｋｇｆ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）で０．５分以上、６０分以下保持することが好ましく、面圧１９６．２ＭＰａ以上、２９４．３ＭＰａ以下で、２分以上、３０分以下保持することがより好ましい。前記範囲内であると、成型体内部の組成むら等が減り、均一化されることが期待される。面圧を７８．５ＭＰａ以上とすることによりで、焼結後の密度が低くなり、抵抗も低くなる。面圧３９２．４ＭＰａ以下とすることにより、装置を大型化せずに成型できる。保持時間が０．５分以上であると、焼結後の密度と抵抗が高くなるのを防止できる。６０分以下であると時間が掛かりすぎ不経済となるのを防げる。
成型処理では、ポリビニルアルコールやメチルセルロース、ポリワックス、オレイン酸等の成型助剤を用いてもよい。
（３）工程（ｃ）：焼結工程
焼結工程は、上記成型工程で得られた成型体を焼成する必須の工程である。
焼結温度は好ましくは１３５０℃以上、１６００℃以下、より好ましくは１４００℃以上、１６００℃以下、さらに好ましくは１４５０℃以上、１６００℃以下である。
焼結時間は好ましくは１０時間以上、５０時間以下、より好ましくは１２時間以上、４０時間以下、さらに好ましくは１３時間以上、３０時間以下である。
焼結温度が１２００℃以上、焼結時間が１０時間以上であると、焼結が十分進行し、ターゲットの電気抵抗が十分下がり、異常放電が生じ難くなる。焼成温度が１６５０℃以下、焼成時間が５０時間以下であると、著しい結晶粒成長により平均結晶粒径の増大や、粗大空孔の発生を防ぐことができ、焼結体強度の低下や異常放電が生じ難くなる。
【００４６】
常圧焼結法では、成型体を大気雰囲気、または酸素ガス雰囲気にて焼結する。酸素ガス雰囲気は、酸素濃度が、例えば１０体積％以上、５０体積％以下の雰囲気であることが好ましい。昇温過程を大気雰囲気下ですることで、焼結体密度を高くすることができる。
【００４７】
さらに、焼結に際しての昇温速度は、８００℃から焼結温度までを０．１℃／分以上、２℃／分以下とすることが好ましい。
本実施形態にかかる焼結体において８００℃から上の温度範囲は、焼結が最も進行する範囲である。この温度範囲での昇温速度が０．１℃／分以上であると、過度な結晶粒成長を抑制でき、高密度化を達成することができる。昇温速度が２℃／分以下であることにより、成型体に温度分布が生じ、焼結体が反ったり割れたりするのを抑制できる。
８００℃から焼結温度における昇温速度は、好ましくは０．５℃／分以上、２．０℃／分以下、より好ましくは１．０℃／分以上、１．８℃／分以下である。
【００４８】
＜スパッタリングターゲット＞
次に、本実施形態に係るスパッタリングターゲットについて、図１を参照して説明する。
本実施形態に係るスパッタリングターゲットは、本実施形態に係る酸化物焼結体を備える。
【００４９】
具体的には、スパッタリングターゲットは、酸化物焼結体と、必要に応じて酸化物焼結体に設けられる、バッキングプレート等の冷却および保持用の部材を備える。
【００５０】
酸化物焼結体は、スパッタリングで成膜する膜原料である。形状は特に限定されないが、図１（Ａ）の符号１に示すような板状でもよく、図１（Ｂ）の符号１Ａに示すように円筒状でもよい。板状の場合、平面形状は、図１（Ａ）の符号１に示すような矩形でもよく、図１（Ｃ）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１（Ｄ）に示すように、複数に分割した酸化物焼結体（符号１Ｂ）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は、酸化物焼結体の保持や冷却用の部材である。材料は銅等の熱伝導性に優れた材料が好ましい。
【００５１】
スパッタリングターゲットは、例えば以下の工程で製造される。
（ｄ）酸化物焼結体の表面を研削する工程。
（ｅ）酸化物焼結体をバッキングプレートにボンディングする工程。
以下、各工程を具体的に説明する。
（４）工程（ｄ）：研削工程
研削（加工）工程は、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工程である。
焼結体表面は、高酸化状態の焼結部が存在したり、面が凸凹であることが多く、また、指定の大きさに切断加工する必要がある。
焼結体の表面は０．３ｍｍ以上研削するのが好ましい。研削する深さは、０．５ｍｍ以上研削するのが好ましく、２ｍｍ以上が特に好ましい。０．３ｍｍ以上研削することにより、表面付近の結晶構造の変動部分を除去できる。
【００５２】
酸化物焼結体を例えば、平面研削盤で研削して平均表面粗さＲａが５μｍ以下の素材とするのが好ましい。さらにスパッタリングターゲットのスパッタ面に鏡面加工を施して、平均表面粗さＲａが１０００×１０-10ｍ以下としてもよい。この鏡面加工（研磨）は機械的な研磨、化学研磨、メカノケミカル研磨（機械的な研磨と化学研磨の併用）等の、公知の研磨技術を用いることができる。例えば、固定砥粒ポリッシャー（ポリッシュ液は水）で＃２０００以上にポリッシングしてもよく、遊離砥粒ラップ（研磨材はＳｉＣペースト等）にてラッピング後、研磨材をダイヤモンドペーストに換えて、ラッピングしてもよい。研磨方法はこれらの方法に限定されない。研磨材は、＃２００番、もしくは＃４００番、さらには＃８００番のものが挙げられる。
【００５３】
研削工程後の酸化物焼結体は、エアーブローや流水洗浄等で清浄するのが好ましい。エアーブローで異物を除去する際には、ノズルの向い側から集塵機で吸気を行なうとより有効に除去できる。なお、エアーブローや流水洗浄では限界があるので、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、周波数が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。例えば周波数が２５ｋＨｚ以上、３００ｋＨｚ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良い。
【００５４】
（５）工程（ｅ）：ボンディング工程
工程（ｅ）は、研削後の焼結体を、金属インジウムなどの低融点金属で、バッキングプレートにボンディングする工程である。
以上がスパッタリングターゲットの説明である。
＜非晶質酸化物半導体薄膜＞
次に、本実施形態に係る非晶質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、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素Ｘと記載する原子比が下記式（５）から（８）を満たす。
０．５０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．８５        ・・・（５）
０．１０≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．４５        ・・・（６）
０．０５≦Ｚｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ）≦０．２５        ・・・（７）
０．０５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｚｎ＋Ｘ）≦０．２５      ・・・（８）
【００５５】
式（５）から式（８）に示す組成範囲外では、薄膜トランジスタを形成する工程で使用されるＣＶＤ成膜装置での処理の際に、薄膜トランジスタの半導体部分のキャリヤ濃度が上昇し、その後のアニール処理によってもキャリヤ濃度が低下しない場合がある。この場合、トランジスタとして作動しない可能性がある。その場合、ＣＶＤ装置の成膜温度を低下させて、キャリヤ濃度の上昇を抑え、ＴＦＴ特性の発現を行っていたが、ＣＶＤ装置の成膜温度を低減させたことにより、耐久性の乏しいＴＦＴ特性しか得られない場合がある。
【００５６】
式（５）から式（８）の上下限の具体的な根拠、および、より好ましい範囲は、式（１）から式（４）の上下限の具体的な根拠、および、より好ましい範囲と同じである。
【００５７】
Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素以外の元素は特に限定しない。
ただし、本実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素を含み、残部が酸素と不可避不純物からなるものが好ましい。残部が酸素と不可避不純物であることにより、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｚｎ元素、および重希土類元素以外の元素が酸化物半導体薄膜の特性に与える影響を最小限にできる。
【００５８】
膜堆積後の加熱処理した酸化物半導体薄膜のキャリヤ密度は、通常１×１０18（ｃｍ-3）以下が好ましく、好ましくは１×１０12（ｃｍ-3）以上、さらに好ましくは１×１０17（ｃｍ-3）以下であり、さらに好ましくは１×１０13（ｃｍ-3）以上である。
【００５９】
膜堆積後の加熱処理した酸化物層のキャリヤ密度が１×１０18（ｃｍ-3）以下であると、薄膜トランジスタ等の素子を構成した際の漏れ電流、ノーマリーオンや、ｏｎ−ｏｆｆ比の低下を防ぐことができ、良好なトランジスタ性能が発揮できる。キャリヤ濃度が１×１０12（ｃｍ-3）以上であると、トランジスタとして問題なく駆動する。
酸化物半導体薄膜のキャリヤ密度は、ホール効果測定方法により測定することができる。
【００６０】
酸化物半導体薄膜の移動度は１．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上、５０．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以下が好ましい。１．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上とすることとができ、オフ電流を１０-12Ａ以下にでき、オンオフ比を１０8以上にできる。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサーの転送トランジスタやキャンセルトランジスタを駆動できる。
移動度はホール効果・比抵抗測定装置で求められる。
酸化物半導体薄膜は非晶質である。非晶質にすることにより、スズを添加する効果が強くなり過ぎるのを防ぐことができ、薄膜が導体化するのを防止できる。非晶質であるか否かは、ＸＲＤのピーク、特に２θで３０〜４０°にピークが現れるか否かで判断できる。
【００６１】
＜非晶質酸化物半導体薄膜の製造方法＞
次に、本実施形態に係る非晶質酸化物半導体薄膜の製造方法について、説明する。
本実施形態に係る非晶質酸化物半導体薄膜が製造できるのであれば、製造方法は、特に限定しない。具体的には以下の製造方法を例示できる。
【００６２】
非晶質酸化物半導体薄膜の形成には、スパッタリング法が好適に用いられる。これは、イオンプレーティング法、真空蒸着法、または電子ビーム蒸着法で形成された薄膜に比べ、組成、膜厚等の均一性に優れるからである。また、スパッタリングターゲットと同じ成分組成の薄膜を形成できるためである。
【００６３】
スパッタリング法のなかでも、大面積の成膜が可能で、成膜速度が速いＤＣスパッタリング法が好ましい。ＲＦスパッタリング法、ＡＣスパッタリング法等の、他のスパッタリング法でもよい。
スパッタリングターゲットとして、本実施形態に係るスパッタリングターゲットを用いることにより、式（５）から式（８）に示す条件を満たす酸化物半導体薄膜が得られる。
【００６４】
スパッタリングの雰囲気は、酸化性雰囲気が好ましい。酸化性雰囲気でスパッタリングすることにより、酸化性ガスが半導体薄膜中の酸素欠損を減少させるため、キャリヤ濃度を調整できるためである。酸化性雰囲気とは酸化性ガスを含む雰囲気である。酸化性ガスとは、Ｏ2、Ｈ2Ｏ、ＣＯ、ＣＯ2などの酸素原子含有ガスを意味する。酸化性ガスの濃度は装置、基板温度、スパッタリング圧力などの使用する条件で、最適化する。
【００６５】
本実施形態に係るスパッタリングターゲットを用いた成膜では、成膜時の酸素分圧は１％程度でもよい。これは、重希土類元素が、酸素欠損の発生を抑える効果が高いため、成膜時に酸素を付加する必要性が低いためである。酸化性ガスの酸素分圧が低いほど、スパッタリング時のノジュール等の発生が抑制されるため、この点でも、本実施形態に係るスパッタリングターゲットは有用である。
【００６６】
スパッタリング時の電力密度（投入電力をターゲットの面の面積で割った値）は、１．０Ｗ／ｃｍ2以上、５．０Ｗ／ｃｍ2以下であることが好ましい。１．０Ｗ／ｃｍ2以上とすることにより、放電が安定し、所望のスパッタレートも得られる。５．０Ｗ／ｃｍ2以下とすることにより、ターゲットが発生した熱で割れるのを防ぐことができる。
気体雰囲気の圧力（スパッタ圧力）は、プラズマが安定して放電できる範囲であれば特に限定されないが、０．０５Ｐａ以上、５Ｐａ以下が好ましい。
【００６７】
成膜される基体としては、シリコンウェハ、ガラス、セラミックス、プラスチックス、金属などが挙げられる。成膜中の基体温度は、特に制約されないが、非晶質膜を得られやすいという点で、３００℃以下であることが好ましい。また、基体温度は、特に意図的な加熱をしない場合は室温程度でもよい。
【００６８】
成膜後、基体を後加熱（熱処理）することもできる。熱処理により、膜が緻密化し、抵抗値が低くなる。
熱処理は、大気中で６０℃以上、４００℃以下で行うことが好ましい。６０℃以上とすることにより、熱処理による効果が発現する。４００℃以下とすることにより、逆に抵抗値が高くなるのを防止できる。
以上が非晶質酸化物半導体薄膜の製造方法の説明である。
【００６９】
＜薄膜トランジスタ＞
次に、本実施形態に係る薄膜トランジスタの構造について説明する。
本実施形態に係る薄膜トランジスタは、本実施形態に係る非晶質酸化物半導体薄膜を備え、トランジスタとして機能するものであれば、特に構造は限定しない。
具体的な薄膜トランジスタの形状としては、バックチャンネルエッチ型トランジスタ、エッチストッパー型トランジスタ、トップゲート型トランジスタ、などが挙げられる。
【００７０】
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、シリコンウェハ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。
【００７１】
シリコンウェハ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、シリコンウェハ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は本実施形態に係る非晶質酸化物半導体薄膜が用いられる。
【００７２】
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。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。チャネル層保護層でもある。
【００７３】
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。
【００７４】
薄膜トランジスタは、以下の特性を有するのが好ましい。
薄膜トランジスタの飽和移動度は１．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上、５０．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以下が好ましい。１．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上とすることにより、ＣＭＯＳイメージセンサーの転送トランジスタやキャンセルトランジスタ、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイを駆動できる。５０．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以下とすることにより、オフ電流を１０-12Ａ以下でき、オンオフ比を１０8以上にできる。
【００７５】
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。
【００７６】
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、−３．０Ｖ以上、＋３.０以下が好ましく、−２．５以上、＋２．５Ｖ以下がより好ましい。−３．０Ｖ以上、＋３.０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でき、バルクのシリコンウェハで構成された回路と組み合わせて駆動することができる。
【００７７】
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。
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、１０11以下がさらに好ましい。１０6以上、液晶ディスプレイの駆動ができる。１０12以下であると、コントラストの大きな有機ＥＬパネルの駆動が可能になり、また、オフ電流を１０-12Ａ以下にでき、ＣＭＯＳイメージセンサーの転送トランジスタやキャンセル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することができる。
【００７８】
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／Ｏｆｆ］を決めた。
Ｏｆｆ電流値は、１０-11Ａ以下が好ましく、１０-12Ａ以下がより好ましい。オフ電流を１０-11Ａ以下であると、コントラストの大きな有機ＥＬパネルの駆動が可能であり、また、ＣＭＯＳイメージセンサーの転送トランジスタやキャンセル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することができる。
薄膜トランジスタの半導体層に用いられる、本実施形態に係る非晶質酸化物半導体薄膜の欠陥密度が、５．０×１０１６ｃｍ−３以下が好ましく、１．０×１０１６ｃｍ−３以下がより好ましい。欠陥密度の減少により、薄膜トランジスタの移動度がさらに高くなり、光照射時の安定性、熱に対する安定性が高くなり、TFTが安定して作動するようになる。
【００７９】
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、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、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、表示装置およ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。
【００８０】
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４を参照して説明する。
図４(Ａ)は、本発明の一態様の表示装置の上面図である。図４（Ｂ）は、本発明の一態様の表示装置の画素に、液晶素子を適用する場合の画素回路を説明するための回路図である。また、図４（Ｃ）は、本発明の一態様の表示装置の画素に、有機ＥＬ素子を適用する場合の画素回路を説明するための回路図である。
【００８１】
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。
【００８２】
アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図４（Ａ）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、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。
【００８３】
図４（Ａ）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。
【００８４】
また、画素の回路構成の一例を図４（Ｂ）に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示装置の画素に適用することができる画素回路を示す。
【００８５】
この画素回路は、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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
画素回路は、図４（Ｂ）に示す構成に限定されない。図４（Ｂ）に示す画素にスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、または論理回路を追加してもよい。
【００９２】
画素の回路構成の他の一例を図４（Ｃ）に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
【００９３】
有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が、他方から正孔が、それぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【００９４】
図４（Ｃ）は、適用可能な画素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。本実施形態の酸化物半導体膜は、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。当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用できる。
【００９５】
適用可能な画素回路の構成、およびデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について、説明する。
【００９６】
画素３２０は、スイッチング用トランジスタ３２１、駆動用トランジスタ３２２、発光素子３２４および容量素子３２３を有している。スイッチング用トランジスタ３２１は、ゲート電極が走査線３２６に接続され、第１の電極（ソース電極およびドレイン電極の一方）が信号線３２５に接続され、第２の電極（ソース電極およびドレイン電極の他方）が駆動用トランジスタ３２２のゲート電極に接続されている。駆動用トランジスタ３２２は、ゲート電極が容量素子３２３を介して電源線３２７に接続され、第１の電極が電源線３２７に接続され、第２の電極が発光素子３２４の第１の電極（画素電極）に接続される。発光素子３２４の第２の電極は、共通電極３２８に相当する。共通電極３２８は、同一基板上に形成される共通電位線と、電気的に接続される。
【００９７】
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。
【００９８】
画素回路の構成は、図４（Ｃ）に示す構成に限定されない。図４（Ｃ）に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、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。
【００９９】
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５を参照して説明する。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
図５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が配置されてセンサを構成する。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。
【０１０３】
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。
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。
【０１０４】
このように、本実施形態の酸化物焼結体は、薄膜トランジスタに用いたときに優れた特性を有する酸化物半導体薄膜を形成でき、かつ成膜時の割れやノジュールの生成を抑制できる。
【実施例】
【０１０５】
以下、本発明を実施例と比較例を用いて、より具体的に説明する。しかしながら、本発明は実施例に限定されない。
【０１０６】
＜焼結体およびターゲットの強度試験＞
まず、本実施形態の条件を満たす酸化物焼結体を製造してターゲットに加工し、スパッタリング成膜の際の割れやノジュール発生の有無を試験した。具体的な手順は以下の通りである。
【０１０７】
まず、実施例１から実施例４として、インジウム、スズ、亜鉛、および重希土類元素としてのイッテルビウムを含む組成の試料を用意した。さらに、比較例１として、インジウム、スズ、亜鉛を含むがイッテルビウムを含まない組成の試料も用意した。比較例２として、インジウム、スズ、亜鉛、および重希土類元素を含むが、亜鉛が式（３）の上限外れの試料も用意した。
【０１０８】
各元素の原料は、以下の組成を有し、純度９９．９９質量％の酸化物粉末を用いた。
インジウム：Ｉｎ2Ｏ3
スズ：ＳｎＯ2
亜鉛：ＺｎＯ
イッテルビウム：Ｙｂ2Ｏ3
各元素の重量比は以下のように求めた。
インジウム重量比      ：Ｉｎ2Ｏ3／（Ｉｎ2Ｏ3＋ＳｎＯ2＋ＺｎＯ＋Ｙｂ2Ｏ3）
スズ重量比            ：ＳｎＯ2／（Ｉｎ2Ｏ3＋ＳｎＯ2＋ＺｎＯ＋Ｙｂ2Ｏ3）
亜鉛重量比            ：ＺｎＯ／（Ｉｎ2Ｏ3＋ＳｎＯ2＋ＺｎＯ＋Ｙｂ2Ｏ3）
イッテルビウム重量比  ：Ｙｂ2Ｏ3／（Ｉｎ2Ｏ3＋ＳｎＯ2＋ＺｎＯ＋Ｙｂ2Ｏ3）
【０１０９】
次に、原料粉末を秤量し、ポリエチレン製のポットに入れて、乾式ボールミルにより７２時間混合粉砕し、混合粉末を作製した。
この混合粉末を金型に入れ、４９ＭＰａ（５００ｋｇ／ｃｍ2を換算）の圧力でプレス成型体とした。この成型体を１９６ＭＰａ（２０００ｋｇ／ｃｍ2を換算）の圧力でＣＩＰにより緻密化を行った。次に、この成型体を常圧焼成炉に設置して、大気雰囲気下で、３５０℃で３時間保持した後に、１００℃／時間にて昇温し、１４００℃以上、１４８０℃以下にて、４２時間焼結した。その後、放置冷却して酸化物焼結体を得た。
【０１１０】
得られた焼結体について、以下の評価を行った。
（１）元素組成比（原子比）
誘導プラズマ発光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ）により、焼結体中の元素組成、具体的には式（１）から式（４）の不等号で挟まれた中段の式を求めた。
【０１１１】
（２）結晶構造
得られた焼結体について、Ｘ線回折測定装置Ｓｍａｒｔｌａｂにより、以下の条件でＸ線回折（ＸＲＤ）を測定した。得られたＸＲＤチャートをＪＡＤＥ６により分析し、焼結体の結晶構造を求めた。さらに、ピーク強度比から、組成を質量％で求めた。
【０１１２】
なお、ＸＲＤの測定条件は以下の通りである。
・装置：Ｓｍａｒｔｌａｂ（株式会社リガク製）
・Ｘ線：Ｃｕ−Ｋα線（波長１．５４１８×１０-10ｍ）
・２θ−θ反射法、連続スキャン（２．０°／分）
・サンプリング間隔：０．０２°
・スリットＤＳ（発散スリット）、ＳＳ（散乱スリット）、ＲＳ（受光スリット）：１ｍｍ
【０１１３】
＜格子定数＞
得られたＸＲＤパターンを、ＪＡＤＥ６を用いて全パターンフィッティング（ＷＰＦ）解析し、ＸＲＤパターンに含まれる各結晶成分を特定し、得られた酸化物焼結体中のＩｎ２Ｏ３結晶構造等の格子定数を算出した。
【０１１４】
（３）相対密度
相対密度は、製造した酸化物焼結体について、ノギスでの測定での体積と質量より実測密度を測定し、当該実測密度を酸化物焼結体の計算密度で除することにより算出した。計算密度は、酸化物焼結体の製造に用いた原料粉末の総質量を、酸化物焼結体の製造に用いた原料粉末の総体積で除することで算出した。
【０１１５】
（４）バルク抵抗
焼結体のバルク抵抗（ｍΩｃｍ）を抵抗率計（三菱化学（株）製、ロレスタＡＸ  ＭＣＰ-Ｔ３７０）を使用して四探針法（ＪＩＳ Ｒ１６３７）に基づき測定した。
測定箇所は酸化物焼結体の中心および酸化物焼結体の四隅と中心との中間点の４点、計５箇所とし、５箇所の平均値をバルク抵抗値とした。
ただし、比較例２は、焼結時に割れてしまったため、相対密度およびバルク抵抗は測定しなかった。
【０１１６】
さらに、得られた焼結体のうち、焼結時に割れてしまった比較例２を除いた試料について、スパッタリングターゲットに加工して、以下の手順で成膜試験を行った。
＜成膜耐久評価＞
まず、酸化物焼結体を、研削研磨して、４インチφ×厚さ５ｍｍのスパッタリングターゲットに加工し、インジウムろうを用いて銅製のバッキングプレートにボンディングした。
次に、バッキングプレートをＤＣマグネトロンスパッタ装置に取り付け、４００ＷのＤＣスパッタリングを連続５時間実施した。ＤＣスパッタリング後のターゲット表面の状態、具体的にはクラックの有無と黒色異物（ノジュール）の有無を目視で確認した。
【０１１７】
以上の結果を表１に示す。得られたＸＲＤチャートを図６から図１１に示す。図６から図１１には、所定のピークに対応する結晶構造の角度も示す。
【０１１８】
【表１】
2019064858.tif 000002
【０１１９】
実施例１から実施例４の焼結体では、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造、およびＹｂ2Ｓｎ2Ｏ7で表されるパイロクロア構造が観察された。
比較例１および比較例２では、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造、Ｉｎ2Ｏ3（ＺｎＯ）3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構造が確認された。
実施例１から実施例４の焼結体では、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造の格子定数は、純物質（標準物質）のビックスバイト構造の格子定数（１０．１１８×１０-10ｍ）より小さかった。そのため、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造に、亜鉛元素が侵入型固溶していることが分かった。
実施例１から実施例４は、成膜後のターゲットにクラックやノジュールは見られなかった。比較例１は、成膜後のターゲットにクラックやノジュールが観察された。比較例２は焼結時に強度不足で割れてしまい、成膜試験が行えなかった。
この結果から、実施例１から実施例４の構成のように、本実施形態の組成範囲のＩＴＺＯは、組成範囲外のＩＴＺＯと比べて、焼結体およびスパッタリングターゲットの強度が高いことが分かった。
【０１２０】
＜薄膜の評価試験＞
次に、実施例１から実施例４、および比較例１のスパッタリングターゲットを用いて、以下の条件で酸化物半導体薄膜を製造し、特性を評価した。具体的な手順は以下の通りである。なお、比較例２は、焼結時に割れてしまったため、酸化物半導体薄膜の評価試験は行わなかった。
なお、半導体薄膜の製造は、スパッタリングターゲットの成膜耐久評価を行う前に実施した。
【０１２１】
（１）成膜工程
実施例１から実施例４、および比較例１で製造した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。作製したスパッタリングターゲットを用いて、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって、図１２（Ａ）に示すように、ガラス基板８１（日本電気硝子株式会社製ＡＢＣ−Ｇ）上に、膜厚５０ｎｍの酸化物半導体薄膜８３のみを成膜したサンプルを製造した。
成膜条件は以下の通りである。
雰囲気ガス：ＡｒおよびＯ2
成膜前の背圧：５×１０-4Ｐａ
成膜時のスパッタ圧：０．５Ｐａ
成膜時の酸素分圧：１０％、ただし、実施例Ｂのみ１％
【０１２２】
（２）熱処理工程
次に、得られたサンプルを大気中にて３５０℃で、昇温速度１０℃／分で３０分間加熱処理した。
【０１２３】
次に、製造した酸化物半導体薄膜について下記評価を行った。
＜ホール効果測定＞
まず、ガラス基板８１および酸化物半導体薄膜８３からなるサンプルから、平面形状が１ｃｍ角の正方形となるように試料を切り出した。次に、切り出した試料の４隅に金（Ａｕ）を、２ｍｍ×２ｍｍ以下の大きさ位になるように、メタルマスクを用いてイオンコーターで成膜した。次にＡｕ金属上にインジウムはんだを乗せて、接触を良くしてホール効果測定用サンプルとした。
【０１２４】
ホール効果測定用サンプルをホール効果−比抵抗測定装置（ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００型、東陽テクニカ社製）にセットし、室温においてホール効果を評価し、キャリヤ密度および移動度を求めた。
また、得られた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焼結体の原子比と同じであることを確認した。また、誘導プラズマ発光分析装置で測定した金属元素の原子比が既知の標準酸化物薄膜の上面に、ソース・ドレイン電極をＴＦＴ素子と同様の材料を、チャネル長で形成したものを標準材料とし、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ（ＩＭＳ ７ｆ−Ａｕｔｏ、ＡＭＥＴＥＫ社製）により、酸化物半導体層の分析により各元素の質量スペクトル強度を得、既知の元素濃度と質量スペクトル強度の検量線を作製した。次に、実TFT素子の酸化物半導体膜部分を、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ分析によるスペクトル強度から、前述の検量線を用いて、原子比を算出した。算出された原子比は、別途薄膜蛍光Ｘ線分析装置ＸＲＦ（ＡＺＸ４００、リガク社製）、または、誘導プラズマ発光分析装置で測定された酸化物半導体膜の原子比の２原子％以内であり、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ分析で薄膜ＸＲＦ、または、誘導プラズマ発光分析と同等の精度で分析できることを確認した。
【０１２５】
上記ホール効果測定用サンプルの酸化物半導体薄膜８３上にさらに、ＣＶＤ装置により基板温度２５０℃で、図１２（Ｂ）に示すようにＳｉＯ2膜８５を成膜したのち、上記と同じホール測定を実施した。また、ＳｉＯ2膜を成膜したサンプルを、基板温度３５０℃で、３０分間、大気雰囲気にて、さらに加熱処理し、得られたサンプルの酸化物半導体薄膜について上記と同じホール測定を行った。この際、ＳｉＯ2膜に測定用針を金の層まで突き刺し、コンタクトを取った。
【０１２６】
＜酸化物半導体薄膜の結晶特性＞
ガラス基板および酸化物半導体層からなるサンプルについて、スパッタ後（膜堆積直後）の加熱していない膜、および表２の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。非晶質であるか否かは、ＸＲＤのピーク（２θが３０°以上、４０°以下のピーク）が現れるか否かで判断した。その結果、加熱前は非晶質であり、加熱後も非晶質であった。
【０１２７】
＜薄膜トランジスタの製造＞
さらに、酸化物半導体薄膜を用いた、図３に示す薄膜トランジスタを以下の手順で製造した。
（１）成膜工程
熱酸化膜（ゲート絶縁膜３０）付きのゲート電極としてのシリコンウェハ２０上に、メタルマスクを介して５０ｎｍの酸化物半導体薄膜４０を形成した。その他の条件は、ガラス基板上に酸化物半導体薄膜を形成した場合と同様とした。
【０１２８】
（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、ソース電極５０およびドレイン電極６０としてチタン電極を成膜した。得られた積層体を大気中にて３５０℃で３０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。
【０１２９】
（３）保護絶縁膜の形成
（２）で得られた、保護絶縁膜形成前の薄膜トランジスタの酸化物半導体薄膜の上に、基板温度３００℃で化学蒸着法（ＣＶＤ）により、ＳｉＯ2膜（保護絶縁膜；層間絶縁膜７０Ｂ）を形成した。ＳｉＯ2膜形成後、大気中にて３５０℃で１時間加熱処理し、保護絶縁膜を備える薄膜トランジスタを製造した。その後、ソース電極５０およびドレイン電極６０に、装置のプローブピンにてコンタクトホールを形成してコンタクトを取り、薄膜トランジスタを製造した。
【０１３０】
＜薄膜トランジスタの評価＞
製造した薄膜トランジスタについて、絶縁保護絶縁膜（ＳｉＯ2膜）形成前の薄膜トランジスタ、および絶縁保護絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成し加熱処理した後の薄膜トランジスタの特性について、ＳｉＯ2膜に測定用針をソース・ドレイン電極の金属チタンの層に突き刺し評価を行った。
【０１３１】
＜飽和移動度＞
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、飽和領域の式により飽和移動度を導いた。なお、Ｇｍは∂（Ｉｄ）／∂（Ｖｇ）によって表され、Ｖｇは−１５Ｖから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。本実施例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。
【０１３２】
＜閾値電圧（Ｖｔｈ）＞
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。
【０１３３】
＜ｏｎ−ｏｆｆ比、Ｏｆｆ電流＞
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／Ｏｆｆ］を決めた。
以上の結果を表２に示す。
【０１３４】
【表２】
2019064858.tif 000003
【０１３５】
表２に示すように、比較例Ａでは半導体薄膜、薄膜トランジスタのいずれも、ＳｉＯ2成膜前に酸化物膜のキャリヤ密度が高くなり過ぎて導電体になってしまい、半導体としての特性が得られなかった。よって、ＳｉＯ2成膜後の評価試験を行えなかった。
一方で、実施例Ａから実施例Ｄでは、半導体薄膜、薄膜トランジスタのいずれも、半導体としての特性が得られ、Ｌ／Ｗ＝５００／１０００μｍのトランジスタにて、ＳｉＯ2成膜前のトランジスタは、移動度が１ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上で、オフ電流が１０-12Ａ以下のトランジスタとして駆動していた。
【０１３６】
以上の結果から、本実施形態に係る組成範囲の酸化物焼結体を用いて成膜した非晶質酸化物半導体薄膜は、従来は導体化するインジウム、スズ、および亜鉛の組成範囲であっても、重希土類元素を添加することにより、半導体化することが分かった。さらに、オフ電流が小さく、ＳｉＯ2成膜後に熱処理を行っても飽和移動度が向上するため、ＣＶＤプロセスで形成する際の加熱等で半導体特性が劣化しないことが分かった。
【符号の説明】
【０１３７】
２０…シリコンウェハ（ゲート電極）、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、８１…ガラス基板、８３…酸化物半導体薄膜、８５…ＳｉＯ2膜、１００…薄膜トランジスタ、１００Ａ…薄膜トランジスタ。
【図１】
2019064858.tif 000004
【図２】
2019064858.tif 000005
【図３】
2019064858.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019064858.tif 000010
【図８】
2019064858.tif 000011
【図９】
2019064858.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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