次世代デバイス向け
高移動度酸化物半導体材料の開発
半那拓 ・上野充 ・小林大士
＊1

＊1

＊1

Development of High Mobility Oxide Semiconductors
for Next-Generation Electronics Device
Taku HANNA , Mitsuru UENO
＊1

＊1and Motoshi KOBAYASHI＊1

Institute of Advanced Technology, ULVAC, Inc.,10-2 Misawa, Tomisato, Chiba, 286-0225, Japan

Transparent Amorphous Oxide Semiconductor（TAOS）typified by amorphous IGZO（In-Ga-Zn-O）
is promising materials for next-generation electronics devices.
It can provide homogeneous and large area thin film inexpensively by sputtering equipment for massproduction. The special properties of TAOS based devices such as amorphous structure, highmobility and low leak current may have potential to replace conventional Si based technology.
Development of new TAOS material which has high mobility and high reliability is essential forthe popularization of oxide based technology.
In this paper we developed “Target H” as a high mobility oxide semiconductor sputtering target.
The thin film deposited by DC（Direct Current）magnetron sputtering shows high Hall mobility
2
above 25 cm /Vs and amorphous structure regardless of partial pressure of oxygen during film
deposition. The BCE-type TFT（Thin Film Transistor）by using Target H and IGZO were
2demonstrated. The estimated mobility of H was 34.8 cm /Vs, which is 3 times larger than that of IGZO.

1.

このような背景の中，大面積化，高精細化，フレキ

はじめにシブル化，狭額縁化，低消費電，高周波数駆動や自発透明酸化物半導体（TAOS: Transparent Amorphous

光（高輝度・高コントラスト）といった様々な付加価

Oxide Semiconductor）材料の電子デバイスへの応用値を付つける事によるディスプレイ製品の差別化がメは2004年に酸化物半導体材料IGZO（In-Ga-Zn-O）をーカー各社で検討されている。

チ ャ ネ ル 層 に 用 い たTFT素 子（TFT: Thin Film

数十年のSi代替材料の空白を超えて，次世代ディスTransistor）が既存の産業適用技術である非晶質Siプレイに求められる様々な付加価値を実現するための（a-Si: Amorphous Si）TFTの約十倍程度の電界効果

新しい材料系として，Siの牙城の一角を崩し始めたの移動度を達成した東京工業大学の細野教授らのが酸化物半導体材料である。実際，最初の学術誌の報Nature誌 への報告によって幕を開けた。

告から数年でFPD向け製品の生産が行われるなど，材1）

これまで，電子デバイス技術の歴史はSi TFTテクノロ料としてのポテンシャルの高さを証明している。

ジーの歴史であり，a-Si や LTPS （Low Temperature

当社では，材料の報告当初からIGZOの高いポテンpoly Silicon）の開発といった歴史的なターニングポイシャルに着眼し，大面積での産業展開を見据えたスパントを経ながら進化を続け，半導体材料の王者としてッタリングターゲットの開発に先駆的に着手，世界での地位をおよそ50年にわたり維持し続けている。特に，初めての産業向け8.5世代の一体型ターゲットの開発

FPD（Flat Panel Display）の分野では1971年に報告さに成功，成膜装置・材料・プロセスの総合的な研究開れたアクティブマトリクスによるLCD（Liquid Crystal

発を一貫して続けてきた

2，3）

Display）の駆動方式の概念

4）。

6, 7 ）

をきっかけとして，大その結果，FPD産業用IGZOスパッタリングターゲッ型テレビやモバイル機器を中心にSi TFT生産技術がト市場のトップシェアを現在に至るまで維持し続けてい広く普及し，熾烈な価格競争が生じている。

る。また，近年に至るまで酸化物半導体を用いた電子

5）デバイスの産業技術は発展を続けており，身近な電子（株）アルバック 先進技術研究所（〒286-0225 千葉県富里市三沢10-2）

＊1	

20

機器においても酸化物半導体材料を適応した製品が見られるようになってきている。当社では 酸化物半導体

の市場規模はその製品の普及と共に増加し，2024年まス・ドレイン間に電圧がかかっても電流が流れないでにはおよそ 2 倍程度に成長すると予測している。酸OFF状態を取る。ゲート電極に電圧をかける事でチ化物半導体の普及はまだ始まったばかりであり，Siテクャネルとゲート絶縁膜界面に電荷が集まり電流を流すノロジーの代替え技術として，市場規模を急速に拡大事が可能となるON状態を得る。TFT素子はこのONしていくと考えられる。また，FPD産業での普及に加え，状態とOFF状態を制御することでスイッチング特性，近年では半導体メモリーの分又はその過程を制御することで電流の制御特性を得る

野でも酸化物半導体を用いた素子の研究開発が盛んにことができ，デバイス上では表示部の切り替えスイッ行われており，更なる市場拡大も期待されている。

チや輝度の調整などの役割を果たす。

やセンサーデバイス

8）

9, 10）

ここで，チャネル材料の移動度は素子に流すことが2.

可能な電流値を決める材料固有のパラメーターであり，酸化物半導体材料製品のスペックを直接的に決める重要な指標となる。

2.1 TFT素子
前述のように，酸化物半導体材料の産業応用技術の最前線はFPD産業であり，ディスプレイの表示部を制2.2 酸化物半導体の特徴
Table 1に既存のシリコン技術（a-Si，LTPS）と酸化御するバックプレーン上に配置されるTFT素子のチ物半導体材料との特性の比較を行うャネル層材料として用いられる。ここでTFT素子のの最大の特徴はその産業技術への適応性の高さである。

動作原理と役割について簡単に述べる。

スパッタリングによる大面積化，低温成膜・プロセス。酸化物半導体

11, 12）

Fig.1に代表的なBCE-type（Back Channel Etch）のや非晶質である事は，ディスプレイの大型化に加え，TFTの素子の模式図を記載する。TFT素子は電流のフレキシブル・フォルダブルデバイスに代表される次通り道であるチャネル層を挟んでソース電極，ドレイ世代ディスプレイの形状の変化へ対応を可能にする。

ン電極が配置され，チャネル層に接するゲート絶縁膜

移動度や信頼性で一線を画すLTPSは，結晶構造を（誘電体）と絶縁膜直下のゲート電極から構成される。

有するため材料に柔軟性がなく，均一な結晶化に必要

通常，チャネル部分には流れるべき電荷がなくソーなレーザープロセス・高温プロセスによって大型化や低コスト化が困難であるため，用途はモバイル等の小型端末に限定的され一長一短がある。
大面積用途で広く産業適応されているa-Siは酸化物半導体と比較して電気特性に劣る事がわかる。
また，酸化物半導体特有の物性としては，TFT素子のOFF時の抵抗が高いことが上げられる，これらの特性は小消費電力化やセンサー用途として非常に優位である。
特に小消費電力化については携帯デバイスの小型

Fig.1

Schematic view of BCE-type TFT structure

Table 1化・軽量化が進む現代においては非常に有用な付加価値と言える。

Semiconductor Materials for Flat panel Display

21
April/2021 No.84

上記のように，酸化物半導体材料はa-Si同様に高い3.2 LCD ディスプレイ

汎用性を持ちつつ比較的に優れた電気特性を（LTPS65 inch以上のサイズが標準化され，大型化が進むには劣る）有する材料と言える。今後の材料開発及びLCDの分野では，特に，高精細化や高周波数駆動を付デバイス技術の進展によって，LTPSに匹敵する電気加価値として差別化が進められている。また，電子競特性が得られれば，既存のテクノロジーを凌駕する新技（eSports）等の普及で240 Hzの高い応答性を有するたな材料の選択肢となると考えられる。

ディスプレイの新たな需要が生まれつつある。
アクティブマトリクスによる液晶分子の制御では，3.

高移動度材料

各画素で液晶分子配列を変えるために必要な電位を各画素が選択され，割り当てられる時間内にキャパシタ

本項では高移動度酸化物半導体材料の用途と要求さに蓄える必要がある。駆動周波数の増加と高精細化にれる特性をディスプレイ産業での応用例を基に紹介する。

よる走査線数の増加によって各画素の選択時間が短くなる問題が生じるため，短時間での充電に必要な特性

3.1 画素回路

としてTFTチャネル材料の高移動度化（TFTのONFig.2に最も基本的なLCD ディスプレイとAMOLED状態の抵抗を下げる）が求められている。TFT素子（Active-Matrix Organic Light Emitting Diode）ディの性能が製品のスペックを直接決定する要素となるのスプレイの画素回路を記載する。LCDは電圧駆動であで半導体材料の高移動度化は重要な課題である。

るため各画素にスイッチの役割を果たすスイッチング
TFTと蓄積容量（キャパシタ）を 1 個ずつ配置した1T1Cの回路で表される。TFT素子をスイッチとして，OLEDやμLEDに代表される自発光ディスプレイで信号電圧をキャパシタに書き込むことで画素回路としは，液晶分子による光の遮蔽によって黒色を表現するての役割を果たす。

LCDと比較して高いコントラストが得られる事が知ら一方のAMOLEDは自発光ディスプレイであり，発れている。自発光であるため広い視野角，高い応答速光 素 子 が 電 流 で駆動するため，上記スイッチ ン グ度が実現可能で軽量化にも優位である。OLED特有のTFTに加え発光素子に流れる電流を調整するドライ

特徴としては，発光部に有機材料を用いる塗布やインビングTFTが必要となり，2T1Cの構造で表される。

クジェットによる生産方式，フレキシブル化可能とい

このように対象製品やTFT素子の果たす役割によっったメリットがある。て要求される特性が異なる事がわかる。

Fig.2

223.3 自発光ディスプレイ

μLEDでは発光層が無機材料で構成されるため，

Schematic view of LCD and AMOLED with simplified 1T1C circuit and 2T1C circuit respectively高輝度，高寿命・高応答速度で優位であり，デバイスの形状に対する適応性も高い。自発光式のディスプレ
イは生産コストや大型化に問題を抱えているものの，LCDに代わる次世代ディスプレイとして小型端末を中心に普及が進められている。
これらの画素回路は電流駆動であるためスイッチン
グTFTに加えドライビングTFTを有する。ドライビ
ングTFTには発光に必要な電流の供給のために十分な移動度に加え輝度の調整やバラつきの改善のための信頼性が重要になる。そのため，移動度と安定性のバ

Fig.3 Schematic view of Double Gate-type TFT

ランスを重視した材料が必要となる。

structure

3.4 LTPO（Low Temperature Polycrystalline Oxide）
携帯小型端末においては軽量化・小型化が進みバッ

30 cm /Vs程度であるため。移動度30 cm /Vsで安定

テリーサイズの制限から消費電力の削減が重要な課題に使用できる材料が開発されてもゲートドライバーでとなっている。デバイスの消費電力を増大させる要因利用するための移動度の半分程度しか実現できない。

として，スイッチングTFTを介したキャパシタからこの問題を解決するため，近年ではFig.3に示すようの電流リークがある。この電流のリークはTFT素子なダブルゲート構造のTFT素子が用いられる 。こののOFF電流が大きいことに起因して生じ，リークに構造では通常，TFTのチャネル構造上に一組配置さより放電された電圧を元に戻す工程が必要となる，それるゲート絶縁膜・ゲート電極をチャネルの上下を挟の周期をリフレッシュレートと呼ぶ。

む形で 2 組配置し，電流のパスを 2 倍にすることで疑2213）

酸化物半導体ではOFF電流がSi系材料と比較して似的に 2 倍の移動度を達成できる。高移動度材料を組1/100～1/10000と小さい事で，このリフレッシュレーみ合わせる事でLTPS TFTを代用する研究開発が盛トを大きく低減できる。デジタルウォッチや携帯電話んに行われている。など決まった画面を表示し続けるデバイスでは消費電力の低減に特に有効である。そこで，LTPSの優れた電気特性と酸化物半導体のOFF電流の低さを利用したハイブリット回路LTPOの開発が進んでおり，既に実用化されている。

4.

ULVACの酸化物材料開発

4.1 材料開発コンセプト
当社では優れた電気特性を有するLTPS（移動度60 cm /Vs以上）と同等の電気特性を産業応用で優れ23.5 ゲート駆動回路（ゲートドライバー）

る酸化物半導体材料において実現するため、TFT素ディスプレイを駆動するためには画素回路の他に各子における移動度30 cm /Vs（ダブルゲート構造TFT画素に信号を送るためのゲート駆動回路が必要となる。

において60 cm /Vs）以上を産業的に安定に実現可能

これらは走査線上に並ぶすべての画素回路の制御を一な高移動度酸化物半導体スパッタリングターゲット材括して行う。ゲートドライバー TFTでは抵抗値の上料の開発を行った。

22昇によって遅延が生じるため高い移動度が必要となる。

LTPSに代表される結晶系（原子の配列に長距離のLTPSのP型TFTは移動度60 Vs/cm 程度でゲート周期性を持つ）の半導体材料では，電流が流れる際にドライバーとして運用可能であるため，酸化物半導体結晶内に整列された電子の軌道（電子の道）を通っての高移動度化の一つの指標となっている。また，この電子が動くことで高い移動度を実現している。多くのゲート駆動回路は基板外周部に位置する必要があり，半導体材料では原子間をつなぐ電子の軌道が空間的に現行では外付けの物が主流となっている。酸化物半導等方的でないため原子配列の長距離秩序持たないアモ体で代用できれば，画素回路・ゲート駆動回路を一括ルファス構造になると著しい移動度の低下が生じる。

してガラス面内に成膜・形成できるため，大幅なコス一方でIGZOをはじめとする酸化物半導体では，等方トダウンと外付けゲート駆動回路の除去による狭額縁的で広がった球状の電子軌道（ 5 s軌道）を有するIn化が可能となる。

を主成分とすることで原子配列の乱れたアモルファス

2

現在，高移動度向けに開発された酸化物半導体材料の構造でも高い移動度を示す事ができると考えられての 大 気 ア ニ ー ル で の 一 般 的 な ホ ー ル 移 動 度 は15～いる 。その為，InやSnといった 5 s軌道材料の含有
1）

April/2021 No.8423量が移動度に大きく影響する。一方で，Inは含有量のの成膜においても高いエッチング特性を示すことから，増加によって結晶化しやすくなるだけでなく，酸素と既存の酸化物半導体IGZOと比較してもTarget Hが遜の結合力が弱い事に起因する酸素の乖離（酸素欠損）色ない加工性を有する材料である事を示している。

または，大気中の水や水素と反応によってTFT素子

次に単膜の電気特性の評価として，Fig.6にIGZOとの電気特性が不安定となる。また，Snの酸化物は化学比較した400℃ 1 時間アニール処理後のホール測定か耐性が強くエッチングが困難となる。

ら見積もられたホール移動度とキャリア濃度の酸素分

当社ではIGZO-TFT（組成比In-Ga-Zn 1 : 1 : 1）の報

圧依存性を示す。この結果からTarget HがIGZOと比告以来，組成比の異なるIGZO材料の開発を始め，独較して2.5倍以上の高いホール移動度を有する事が分自の産業向け酸化物半導体スパッタリングターゲットかる。これは，TFT作製時に後工程による還元によとしてTarget D（IGZO代替用途:移動度≒15 cm /Vs），って移動度が上昇する影響を除いてもTarget Hが半Target F（Driving TFT向け移動度≒20 cm /Vs）の製導体材料として本質的に高い移動度を有していること品のリリースを行ってきた。これらの経験を基に，酸を示している。加えて，成膜時の酸素分圧に依存せず，化物の結合エネルギーと添加物による移動度の低下割25 cm /Vs以上の高い移動度を達成している事もこの合に着目し，多元素を組み合わせる事で加工性・安定材料特徴でありメリットと言える。

22

2性を確保したまま高い移動度（≒30 cm /Vs）を示す産

アモルファス半導体材料ではパーコレーション伝導

業的にも安定に使用可能な酸化物半導体材料Targetと呼ばれる伝導モデル が提唱されており，このモデHの開発に成功したのでここに報告する。

ルにおいては，キャリア濃度は材料の高移動度化に伴214）い上昇する傾向が知られているが，Target Hでもそ4.2 Target H

ンセプトにおいて高移動度・高キャリア濃度でも安定で得られた薄膜の結晶性の評価として基板温度100℃にTFT駆動可能な材料を開発指針としているためコ

50 nmにおける成膜時の酸素分圧依存性の結果をFig.4

ンセプトに沿った性能と言える。に示す。XRD（X-Ray Diffraction）測定の結果，32～

Target Hは成膜時の酸素分圧に結晶性および移動度34°付近に見えるガラスのアモルファス構造に由来すの変化がない事から，TFT作製時の工程においても広るブロードな回折パターンを除いて明確なピークが見いプロセスマージンを有していることを示している。

られないことが分かる。これは本材料が成膜時の酸素最後にTarget H薄膜をチャネル層に用いたBCE-type

分圧PO2 が60 ％以上までの広い領域で材料の加工性のTFT素子の試作を行った。BCE-typeのTFT構造はに優位なアモルファス構造を維持している事を示して作製工程が少なくコストが安くできるため，LCD分野いる。Fig.5にシュウ酸系エッチング液の一つであるにおいて広く産業利用されていることから今回の評価

ITO06N（Kanto Chem.）を用いたエッチング特性評に採用した。

価の結果を示す。結晶特性を反映して高酸素条件化でFig.4 P O 2 dependence of x-ray diffraction

pattern: Target H（blue open circle）IGZO（black solid circle）

24の傾向は見えている。しかし。当社では材料開発のコ

Target Hを用いたDC マグネトロンスパッタリング

BCE-typeのTFT作製のプロセス・フローと完成しFig.5

Etching properties of As-deposited 50nm

sample by using ITO06N （Kanto chem.

@40℃ : Target H（blue open circle）IGZO（black solid circle）

Fig.6 P O2 dependence of mobility（a）and Carrier concentration（b）estimated by Hall measurement: Target H（blue open circle）IGZO（black solid circle）

Fig.7 Fabrication of BCE-type TFT:（a）Process
flow of BCE-type TFT（b）Schematic viewof BCE-type TFT （c） Photo image offabricated TFT device

Fig.8 I-V characteristics of BCE-type TFT: IGZO
（black Line）Target H（blue Line）

たTEG（Test Element Group）チップの写真をFig.7に 示 す。 今 回 作 製 さ れ たTFTに お い て は チ ャ ネ ル

来の移動度を反映した高い移動度がデバイス特性にお幅・長さ共に 6 μmを採用した。チャネルのサイズはいても確認された。また，実際の製品を制御するうえ流れる電流値に大きく影響するため，リファレンスとで重要なパラメーターである立ち上がり電圧 Vonして採用したIGZO TFTにも同様の構造を採用した。

（ソース/ドレイン間の電流値が10 Aを超える際のFig.7の 作 製 フ ロ ー に 沿 っ て 作 成 さ れ たTarget H

Gate電圧）についてもIGZO TFTと比較して大きくマTFTの伝達測定の結果をリファレンスであるIGZO TFT

イナスシフトすることなく高い移動度を実現しているの結果と共にFig.8に示す。図の示すようにTarget H薄ことが分かる。素子温度60℃でゲート電極に±30Vの膜を用いた TFTのON状態の電流値がIGZO TFTと比ストレスを 0 ～60分加えた際の伝達特性の初期値から較して大きいことが分かる。の シ フ ト 量 を 示 す 信 頼性評価PBTS（Positive Bias－9

同じ構造のTFT素子においてON電流値の大きさはTemperature Stress），NBTS （Negative Bias

移動度の大きさをそのまま反映している。実際，作製

Temperature Stress）の結果をTable 2に示す。高移された素子から見積もられた電界誘起移動度はIGZO

動度酸化物材料はその移動度の上昇（キャリア濃度のが10.9 cm /Vsに対してTarget Hは34.8 cm /Vsであり，増大）に伴い信頼性が低下する傾向があるが，PBTS,単膜評価（ホール測定）において見積もられた材料本

NBTS共にIGZOと同等程度のバイアスストレス耐性

22April/2021 No.84

25

Table 2

BCE-type TFT characteristics of Target H andIGZO

文 献1） K.Nomura, H.Ohta, A.Takgi, T. Kamiya, M.
Hirano, and H. Hosono: Nature 432, 488（2004）
2） P. G. LeComber, W.E. Spearand, A. Ghaith: Elect.
Lett. 15, 79（1979）
3） A. J. Snell, K.D. Mackenzie, W.E.Spear, P. G.
LeComber, A. J. Hughes: Appl. Phys., 24, 357（1981）
4） T. Sameshima, S. Usui and M. Sekiya: IEEE
Electron Device Lett., EDL-7, 276（1986）を有する事が明らかになった。これはTarget Hがデバイス応用においても高い移動度と高い信頼性を発現する材料である事を示している。
この結果によって材料開発における目標値としていた移動度30 cm /Vsを達成しつつ十分な信頼性と加工2性を有する新材料の開発が達成された事が確認できた。

5） B. J. Lechner, F. J. Marlowe, E. O. Nester, J.
Tults: Proc. IEEE, 59, 1566（1971）
6） Motoshi Kobayashi, et al.: ULVAC TechnicalJournal, 73, 8（2010）
7） Yasuo Ookubo, et al.: ULVAC Technical Journal,79, 1（2015）8） Hirokazu Fujiwara, Yuta Sato, Nobuyoshi Saito,

5.

まとめ

Tomomasa Ueda, and Keiji Ikeda: IEEE
Transactions on Electron Devices 67, 12（2020）

当社では酸化物半導体材料の開発初期から高移動度

9） Di Geng, Yuan Feng Chen, M. Mativenga and Jin化に向けた開発を継続しており，この経験と様々な元

Jang: IEEE Electron Devices Lett., 38, 3（2017）

素の特性を利用する事によって，優れた特性を有する

10）Joseph T. Smith, Sahil S. Shah, Michael Goryll,

酸化物半導体材料Target Hの産業向けスパッタリン

John R. Stowell and David R. Allee: IEEE

グターゲットの開発に成功した。酸化物半導体は材料

Sensors Journal, 14, 4（2014）

としてまだ新しく，その産業技術はまだまだ発展の余

11）松尾 拓哉, シャープ技報, 104, 13（2012）

地がある。今後，FPD分野にとどまらず半導体メモリ

12）鵜飼 育弘, The Chemical Time, 226, 2（2012）

ーやセンサーといった多岐にわたる分野でシリコン技

13）Kazuatsu Ito, Aman Mehadi, Masahito Sano,

術を置き換えていく可能性を秘めている。材料の高移Shogo Murashige, Izumi Ishida, Yujiro Takeda

動度化のみに捕らわれず様々な特性を改良する事で酸Hiroshi Matsukizono, Naoki Makita: SID

化物半導体は次世代材料としての普及が進んでいくとInternational Symposium Digest of Technical

考えられる。

Papers, 51, 343-346（2020）14）S. Lee, K. Ghaffarzadeh, A. Nathan, J. Robertson,
S. Jeon, C. Kim, I. H. Song, U. I. Chung and K.
Kim: IEDM 11, 343（2011）26