TechnicalReportF

高移動度酸化物半導体スパッタリングターゲットの実用化

高移動度酸化物半導体スパッタリングターゲットの実用化

近年、フラットパネルディスプレイ
（Flat Panel Display、以下 FPD）
は飛躍的に性能や機能が向上している。
スマートフォンやタブレットは高精細Technical Report

F

酸化物半導体材料には a-IGZO 以外にも、In-Sn-Zn-O11）、12）

Negative Bias Temperature Illumination Stress 試 験（以 下、や In-Ga-O13）、In-W-Zn-O7）、14）、Zn-O-N15）などの多くの高移動NBTIS）があるが、高移動度材料の場合には NBTIS でのしきい度材料が報告されている。
しかしながら、高移動度をえるために値電圧の変動幅が大きくなる傾向がある。

キャリア密度を過剰にすると、TFT がオフからオン状態に切り替わ

そこで当社は高い移動度と、0V 付近のしきい値電圧、TFT 信るゲート電圧（以下、しきい値電圧）が負電圧側へとシフトするなど頼性を満たす酸化物半導体材料として、In-Ga-Zn-Sn-O（以下、の問題が残る。
さらにはTFT 特性の信頼性を評価する加速試験a-IGZTO）を開発した。次章で高移動度酸化物半導体 a-IGZTOのひとつに、TFTに可視光と熱を与えながらゲート電極に負電圧の特徴と材料設計の考え方、そしてa-IGZTOを半導体層にもちを加え、その時 間 経 過としきい値 電 圧の変 動 幅を数 値 化する

いたTFT 特性について述べる。

かつ低消費電力化が進み、フルハイビジョンの 16 倍もの解像度を持つ8k-TV が製品化されている。
さらに折り曲げや巻き取りの可能なディスプ

F-2 高移動度酸化物半導体 a-IGZTO の材料設計コンセプト

レイも市場に投入され、サイネージやスマートウォッチ、車載用ディスプレ
イといった新たな成長市場への展開も急速に進んでいる。
当社は FPD 向けに特徴的な独自合金や酸化物スパッタリングターゲッ
ト材料の開発と製造・販売をおこなっている。今般、高付加価値の FPD 製

ターゲット事業本部

品向けに、独自の高移動度酸化物半導体スパッタリングターゲットを開発した。
すでに一部の FPDメーカーでは量産製品への適用が始まっている。

ごとう後藤

ひ ろし

株式会社神戸製鋼所
技術開発本部
応用物理研究所
お裕史

ち越智2.1
もとた か元隆

本稿では高移動度酸化物半導体薄膜の特徴と材料設計のアプローチ、そして薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、以下 TFT）に適用したとFPD 用途への酸化物半導体薄膜材料の展開

FPD はアレイ状に配列した画素の点灯をスイッチング素子であLTPSに無い優れた特徴があるため、FPD の高機能化に寄与するるTFTをもちいて制御することによって画像を表示し、この方式を材料として注目されている。
しかしながら、酸化物半導体はTFT のアクティブマトリクスとよぶ 1）。TFT はガラス基板や樹脂フィルム上製造プロセスの影響を受けて薄膜中に欠陥が生じやすく、その欠に半導体薄膜や絶縁膜、配線膜などの機能性薄膜を積層成膜

陥 状 態にTFT 特 性が 支 配されるためし、微細加工プロセスによるパターニングによって形成される。
こTFT 信頼性を確保するために使いこなしの技術が求められる。

、FPDメーカーには

8）、9）の半導体薄膜には従来アモルファスシリコン薄膜 （amorphous

またシリコン半導体薄膜の成膜には化学気相成長法（ChemicalSilicon、以下 a-Si）や低温多結晶シリコン薄膜 3）（Low Temperatureが使われるが、酸化物半導体薄膜
Vapor Deposition、以下 CVD）

Polycrystalline Silicon、以下 LTPS）が使用されてきたが、Nomura

は大面積化が容易で低温成膜が可能なスパッタリング法で成膜

らは酸化物半導体のひとつであるIn-Ga-Zn-O4）（以下 a-IGZO）ができることも利点である。
さらに半導体中の電子の流れやすさをTFT に適用することを提案した。
それぞれの半導体材料の特徴を表す電子移動度（以下、移動度）
は、a-Si が約 0.5〜1cm /Vs

ここに示すように酸化物半導体はa-Si やを第 1 表にまとめる 5）〜7）。

であるのに対して、酸化物半導体薄膜は約 10〜30cm2/Vsと高2）

a-IGZTOを構 成する金 属 元 素はインジウム（In）、ガリウムロセス中で配線パターニングにもちいる酸性のエッチング薬液に対する耐食性を付与する。第 1 図は、TFT 特性から導出したTFT膜に特 徴 的な影 響を与える。
これらの特 性を把 握したうえで、移動度、しきい値電圧、サブスレショルド・スイングの各 TFT 特性

a-IGZTOは高い移動度や TFTに必要な特性を満足するような、に関するSn 添加量への依存性を示す。SnはIn ほどではないものの、添加量に応じてTFT 移動度を増加させる効果が見られるとと酸化物半導体のキャリア輸送機構はパーコレーション伝導といもに、最適な添加量を選択することで高い移動度とTFT 特性の両われ 16）、17）、高いキャリア密度が移動度に寄与していると考えられさらにSn 添加は熱履歴を受けたa-IGZTO立が可能である 18）。

る。
なかでもIn 含有量がもっともキャリア密度の増減に影響を与これら構薄膜からの Zn 脱離抑制への効果も確認されている 18）。

えるため、In 添加量と移動度との相関が高い。
ただし、過剰なIn成元素の効果はトレードオフの関係にあることから、適切な組成添加はTFT のしきい値電圧の負電圧化や導体化を引き起こすた比にすることで最良の TFT 特性が引き出せるように材料設計をめ、添加量を極度に増やすことはできない。一方、Gaは熱的に安行った。第 2 表にa-IGZTO 薄膜のホール特性を示す。In および定なため、Ga 添加量はTFT 信頼性との相関がある。
しかしながSn の添加によってキャリア密度はa-IGZOよりも1 桁以上大きく、ら、Ga の過剰添加はキャリア密度を下げるため、移動度の低下を2 倍近くのホール移動度がえられている。

引き起こす。次にZnは酸化物半導体薄膜のアモルファス構造を維持する働きがあり、薄膜のパターニングを容易にする効果があるが、後述するように熱的に不安定なため、熱履歴を受けて酸化物薄膜トランジスタ（TFT）に用いられる各種半導体薄膜の特徴第1図保することである。酸化物半導体は、薄膜中の酸素の状態や、周辺から酸化物半導体薄膜内部に拡散する水素の影響を受けやすく、TFT の製造プロセスの過程で欠陥が生じる問題がある 8）、9）。
TFT の構造上、酸化物半導体薄膜は水素を含む層間絶縁膜や保護膜と直接接するため、これら絶縁膜中に含まれる過剰な水素

a-Si

LTPS

酸化物半導体60〜10010〜30

CVD

CVD＋レーザーアニール

スパッタリング

レイへの適用が困難である。
そのほか、酸化物半導体薄膜はシリ〇＜ 600＜ 350

電流は小さい。
この特徴をいかして、画素書換えのために必要なリフレッシュレートを大幅に小さくすることによって省電力化が可能

2.9〜3.3となり、とくに電池容量が限られるモバイル機器用途への適用メ

大面積化

〇

プロセス温度 (℃)＜ 350

バンドギャップ (eV） 1.4〜1.8劣TFT 信頼性

1.1〜良好（可視光域で透明）

材料・プロセスに依存

TFT オフリーク電流(A/µm)

1 10 -13

1 10 -12

1 10 -16

プロセスコスト

低高低

21 こべるにくす APR. 2020

No.50部に拡散する。水素拡散は酸化物半導体薄膜内の Zn 脱離や水化物半導体薄膜とくらべると移動度は優れるものの、結晶化のた

0.5〜1

成膜方法

は、TFT 製造プロセス中の熱履歴を受けて酸化物半導体薄膜内となり、ディスプレイの高精細化には優位である。
またLTPS は酸半導体薄膜の種類

素 関 連 欠 陥 形 成を引き起こし、これらの欠 陥 が 伝 導 帯 下 端

めのレーザーアニール装置の設備上の制約によって、大面積かつ（Conduction Band Minimum、以下 CBM）の直下に局在化し均一な膜質をえることが難しい。
そのため、LTPS は大型ディスプたサブギャップを生成し、TFT の信頼性劣化が引き起こされると考えられている 19）。

コン半導体薄膜にくらべて、TFT に適用したときに格段にリーク

第 2 図に昇温脱離ガス分析法（Thermal Desorption Spectroscopy、以下 TDS）
をもちいて、a-IGZTO 薄膜からの Zn 脱離を計測した
第2表結果を示す 20）。Sn 添加がない薄膜（図中の Sn-free a-IGZTO）

a-IGZTO 薄膜のホール特性

さらには、ディスプレイ駆動にもちいる周辺回路リットが大きい 10）。

a-IGZO

a-IGZTO

ディスプレイ（Organic Light Emitting Diode、以下 OLED）のよ

キャリア密度 (cm‐3)

1.4×1015

9.9×1016

うに高度な諧調制御が必要な電流駆動回路が必要なディスプレ

ホール移動度 (cm2/Vs)

10.5

18.6を内部に作り込む技術（Gate on Array、以下 GOA）
や、有機 ELイにも、高移動度の酸化物半導体ニーズがある。

酸化物半導体薄膜への Sn 添加とTFT 信頼性改善効果高い TFT 移動度を維持しながら、実用化に足るTFT 信頼性を確

BCE-TFT 特性の Sn 添加量依存2電子移動度 (cm2/Vs)

2.2

酸化物半導体の FPD 分野での実用化における最大の課題は、い。
このため TFT 面積を小さくしても画素を駆動することが可能
第1表

半導体薄膜からZn が脱離するなどの組成変動を引き起こしやすい。
そしてSnは、添加によって酸化物半導体薄膜にTFT の製造プ（Ga）、亜鉛（Zn）、すず（Sn）からなり、それぞれ酸化物半導体薄組成の最適設計を行った。

きの特性について紹介する。

F-1

酸化物半導体の構成元素とその役割

は 350℃付近から550℃にかけて亜鉛脱離が生じるのに対し、Sn 添加量が増大するにつれて、Zn の脱離温度は高温側にシフトし、脱 離 量も大きく抑 制されていることが 分かる。
この傾 向がa-IGZTO 薄 膜の物 性に与える影 響を、PITS（Photo-Induced
Transient Spectroscopy、以下 PITS）をもちて考察した。

こべるにくす APR. 2020

No.5022

Technical Report

第2図F 高移動度酸化物半導体スパッタリングターゲットの実用化
昇温脱離ガス分析法（TDS）によるa-IGZTO 薄膜のZnスペクトル（M/Z=64）の Sn 添加量依存性

高移動度酸化物半導体スパッタリングターゲットの実用化
第3図

a-IGZTO 薄膜への Sn 添加の有無とPITSスペクトル（b）
トップゲート型 TFT の断面模式図

TFT 特性
ゲート電極
ゲート
絶縁膜

ソース電極

ゲート
絶縁膜

半導体層

ボトムゲート型
TFT

ドレイン電極ゲート電極

TFT

1.0E-02

a-IGZTOを用いたTFT の NBTIS 結果：（a）Sn 添加なし、（b）Sn 添加有り

1.0E-04

1.0E-02(a)

1.0E-04

1.0E-06
1.0E-02(a)

0sec
30100300
100036007200

1.0E-101.0E-12-30Id (A)1.0E-06

1.0E-08

1.0E-14(b)1.0E-04

1.0E-06

Id (A)

a-IGZTOを用いたTFT 初期特性（a）
ボトムゲート型 TFT、（b）
トップゲート型 TFT-20-1001020

写真11.0E-08

1.0E-121.0E-14-30 -20 -10

200.7530Vg (V)

移動度 (cm /Vs)

24.4

しきい値電圧 (V)-0.75

PBTS (V)

0.25

NBTS (V)0.50

a-IGZTOスパッタリングターゲットの外観（製品名：KOS-B03C）

1.0E-101.0E-14-30 -20 -10101.00(b)1.0E-120PBTS (V)NBTIS (V)0102030Vg (V)30100

1.0E-10300
1000

うけてTFT 特性が劣化しやすいが、a-IGZTO はこの点でもTFT

7200

特性への影響は抑えられている（第 6 図（a））。
またトップゲート型

3600

1.0E-1230

1.0E-100 sec

1.0E-08

1.0E-14-30

1.0E-08

0.50

NBTIS 条件 : Vg=-20V, Vd=10V, 60℃, White LED (25,000nit), 7200sec
PBTS 条件 : Vg=20V, Vd=0.1V, 60℃, 7200sec
NBTS 条件 : Vg=-20V, Vd=10V, 60℃, 7200sec

1.0E-06

Id (A)

1.0E-02

1.0E-04

Id (A)

第4図

29.12

トップゲート型

第6図

移動度 (cm /Vs)
しきい値電圧 (V)2ドレイン電極

ソース電極

F

a-IGZTOをもちいた主な TFT 特性第3表

第 5 図 （a）
ボトムゲート型 TFT の断面模式図

Technical Report-20-1001020

TFT では、酸化物半導体を成膜したあとに高温で高品質なゲー

30

ト絶縁膜を積層するため、酸化物半導体の劣化を防ぐ必要があ

Vg (V)Vg (V)

る。
ゲート絶縁膜に含まれる水素元素の拡散影響を抑え、酸化物半導体表面の欠陥形成を抑えるため、酸化物半導体の成膜後にPITSは半導体薄膜の電子状態を評価する測定手法で、これまで

110K 付 近のピークは Zn 関 連 欠 陥を表し、また150K 付 近の加える熱処理やゲート絶縁膜成膜後の熱処理条件を最適化する

本手法を酸化物半導体薄膜に応用してTFT 信頼性に影響をおよさらに最近の ZnO のトピークは水素関連欠陥と推測される 24）。

ことで、良好なTFT 特性を得ることができた（第 6 図（b））。

ぼす欠陥やトラップ密度を評価した結果が報告されている 21）〜23）。

ラップ準位に関する研究では、Zn 関連欠陥によって水素関連欠PITS は TFTと同じ構造の素子で評価が可能なため、TFT 製造陥が誘発されるとの報告もあり 25）、Zn 関連欠陥はさまざまなトプロセスを経た実際の TFT 素子と同じ状態の酸化物半導体薄ラップ準位を引き起こす要因になる可能性がある。

膜の電子状態を評価することが可能である。第 3 図にa-IGZTO

Sn 添加なし（第 4 図（a））とSn 添加あり
（第 4 図（b））のa-IGZTO薄膜と、a-IGZTO からSn のみを除いたIGZO 薄膜の PITS スペ薄膜をもちたTFTのNBTIS 結果からも、両者のTFT 信頼性の差クトルを示す 18）。第 3 図は NBTIS に影響するCBM 直下の浅いはTFT 製造プロセスを経たa-IGZTO 薄膜はZn 関連欠陥が抑制準位の状態密度と相関があると考えられるが、a-IGZTO の方がされていることが理由の一つであろうと推測される。

18）100K 付近のピークが小さいことが分かる。
これまでの報告で

当社は 2018 年度から8k-TV などの次世代高精細大型フラットパネルディスプレイの用途にも適したa-IGZTO スパッタリングター
ゲット材（製品名：KOS-B03C）の量産出荷を開始した（写真 1）。
タブレット、ノートPC、8k-TV などの中大型パネルの差別化・高機能化のため、酸化物半導体の高電子移動度化への要求が高まっている。FPD 分野では主流であるCu 配線プロセスとの組み合わせや、コスト的に優位性のあるBCE 型 TFT の実現、折り曲げ可能なフォルダブルディスプレイの実用化には欠かせない OLED への展開が求められるなど、FPDメーカーからは既存の a-IGZOをさらに進化させたターゲット材の要望がますます強くなっている。最近では酸化物半導体とLTPSをハイブリット化した低温多結晶酸化物（Low Temperature Polycrystalline Oxide）を実用化し、両半導体材料の長所を活かした展開もなされている。
これらFPDメーカーの動きに対応できるよう、
当社では長さが 3.4メートルにもおよぶ最先端

F-3 高移動度酸化物半導体 a-IGZTO 薄膜の TFT 特性
FPD には間接発光型の LCD（Liquid Crystal Display）と自からは有利な構造である。
さらに電流制御が求められるOLEDに発 光 型 の OLED が ある。高 輝 度 化 が 容 易な LCD に比 べて、は、高い電流を流すことができるLTPS や酸化物半導体を半導体

OLED は高いコントラストが得られることが特徴である。
そして、い層に使ったトップゲート型 TFT がもちいられる。第 3 表にはそれぞずれのディスプレイも各画素の点灯制御には、アクティブマトリク

れのTFT 特性をまとめた。a-IGZTOはいずれのTFT 構造においスが使われる。ても高い移動度を示すほか、TFT 信頼性を表す指標であるNBTISTFT の種類には第 5 図に示すように、ボトムゲート型とトップや、正ゲートバイアス温度負荷試験（Positive Bias Temperature

ゲート型があり、さらにボトムゲート型には ESL 型（Etch StopperStress、以下 PBTS）、負ゲートバイアス温度負荷試験（NegativeとBCE 型（Back Channel Etch）がある 26）。主にはLCDLayer）

Bias Temperature Stress、以下 NBTS）
についても良好な数値をにボトムゲート型、OLEDにトップゲート型と使い分けられている。

示す。
ボトムゲート型 TFTは、ソース・ドレイン電極をパターニング

ボトムゲート型は省プロセスであり、トップゲート型は素子面積がする際に酸化物半導体表面がむき出しになるため、電極のパター小さいためボトムゲート型と比較して容量が小さく、応答速度の点ニングのための薬 液による膜 減りや組 成 変 化などの影 響を

23 こべるにくす APR. 2020

No.50の第 11 世代型ターゲット、円筒形ターゲットにも対応できる供給体制も整えた。今後の FPD の高性能化に貢献できるよう、酸化物半導体の材料ニーズに応えていく。

参考文献＊1）B. J. Lechner et al.: J. Tults. Proc. IEEE, 59 (1971) p1566.
＊2）Takechi et al. : J. Appl. Phys, 84（1998）p. 3993.
＊3）Mishima et al. : Appl. Phys. Lett., 66（1995）p. 31.
＊4）Nomura et al. : Nature, 488（2004）p. 432.
＊5）釘宮敏洋：神戸製鋼所 R&D 技報 Vol. 65 No. 2（2015）p. 67.
＊6）松尾拓哉：シャープ技報 第 104 号（2012）p. 13.
＊7）宮永美紀：SEIテクニカルレビュー 第 191 号（2017）p. 38.
＊8）M. Kimura et al.: Appl. Phys. Lett. 92 (2008) p. 133512.
＊9）J. S. Jumg et al. : Appl. Phys. Lett. 96 (2010) p. 193506.
＊10）O. Tal et al. : Phys. Rev. Lett. 95（2005）p. 256405.
＊11）S. Tomai et al. : Jpn. J. Appl. Phys. 51（2012）p. 03CB01.
＊12）C.-S. Fuh et al. : IEEE Electron Device, Lett. 35（2014）p. 1103.
＊13）K. Ebata et al. : Appl. Phys. Express, 5（2012）p. 011102.
＊14）H. W. Park et al. : IEEE Trans. Elec. Dev., 64（2017）p. 159.

＊15）Y. Ye et al. : J. Appl. Phys., 106（2009）p. 074512.
＊16）K. Nomura et al. : Appl. Phys. Lett. 85（2004）p. 1993.
＊17）M. Kimura et. al. : Appl. Phys. Lett. 96（2010）p. 262105.
＊18）M. Ochi et al. : Proc. IDWʼ18 (2018) p. 308.
＊19）K. Nomura et al. : Appl. Phys. Lett. 95（2009）p. 153511.
プロセス技＊20）釘宮敏洋ほか：次世代ディスプレイへの応用に向けた材料、術の開発動向（2020）p. 293、技術情報協会
リアライズ社＊21）上野洋一 : シリコン結晶欠陥の基礎物性とその評価法（1997）＊22）K. Hayashi et al. : Jpn. J Appl. Phys. 56（2017）p. 03BB02.
＊23）田尾博昭 : 神戸製鋼所 R&D 技報 Vol. 64 No. 2（2014）p. 110.
＊24）H. Oh et al. : Appl. Phys. Lett. 97（2010）p. 183502.
＊25）A. Hupfer et al. : Mater. Sci. Semicond. Process, 69（2017）p. 13.
＊26）薄膜材料デバイス研究会編：薄膜トランジスタ（2008）
コロナ社

こべるにくす APR. 2020

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