エレクトロニクス

フラットパネルディスプレイ用高移動度、高信頼性酸化物半導体スパッタリング
ターゲット

Sputtering Target of Oxide Semiconductor with High Electron Mobility andHigh Stability for Flat Panel Displays

宮永＊美紀

綿谷

Miki Miyanaga

研一

粟田

Kenichi Watatani

英章

Hideaki Awata

フラットパネルディスプレイ（FPD）用薄膜トランジスタ（TFT）に用いるための半導体材料として、酸化物半導体が注目されており、すでに In-Ga-Zn-O（IGZO）が量産されている。酸化物半導体が FPD に用いられる場合、酸化物セラミックス焼結体を原料（スパッタリングターゲット）として薄膜が形成される。当社は、原料である酸化物セラミックス焼結体の販売を目指して、8K-TV を実現できる新規の酸化物半導体材料の開発を行ってきた。その結果、In-W-Zn-O 系において、スパッタリングターゲットとして好適な高密度、低電気抵抗の酸化物セラミックス焼結体を合成でき、その焼結体を用いて成膜した TFT は、IGZO 比3倍以上の高い電子移動度を実現すると共に、実用特性として重要な信頼性も IGZO 並以上を実現できた。

Metal oxide semiconductors are expected to be used for the thin film transistor (TFT) of large high-definition flat panel
displays (FPDs) and In-Ga-Zn-O (IGZO), in particular, is already being mass-produced. For high-definition 8K FPDs, wehave developed a new metal oxide semiconductor with a high electron mobility. Semiconductors used as a film in a TFT aremade of oxide ceramics. We sintered the new metal oxide ceramic, In-W-Zn-O, as the base material of the new metal oxide
semiconductor film and studied the properties of a TFT that used the new metal oxide semiconductor. The electron mobilityof In-W-Zn-O was three times higher than that of IGZO and the stability of a TFT with In-W-Zn-O was superior to that of one
with IGZO. In-W-Zn-O sintered material showed a high density and a low electrical resistivity, indicating that it is suitable as asputtering target. This development will lead to the realization of 8K FPDs.
キーワード：酸化物セラミックス焼結体、薄膜トランジスタ、In-W-Zn-O、電界効果移動度

1.

緒

言

体は、酸素欠陥によって電子が生成するが、TFT として用い

FPD には、緑、青、赤の各画素の明暗を制御するために、るためには酸素欠陥量を最適範囲に制御する必要がある。

が配置されている。FPD は FHD か

Ga より W の方が酸素との結合解離エネルギーが大きいた

ら4K、8K ※2へと高精細化が進んでおり、TFT の半導体層め、微量の W 量で酸素欠陥低減の効果が高い。このため電材料が求められている 。表1に、子伝導パスである In 元素の含有量が相対的に増加でき、移画素内にそれぞれ TFTとして高電子移動度

※1

※3

（1）

学会での情報を基に TFT の半導体層材料についてまとめ。最も広く用いられている a-Si

た（2）
～（4）

※4

動度を高めることが可能である。

は、電子移動度が低く、8K への対応が難しいといわれている。LTPS ※5は、大面積ガラス基板への成膜が難しく、製造コストが高いこ

表1

FPD 向け各種半導体材料とがネックである。これに対して2004年に細野らが提案

半導体材料した（5）酸化物半導体は、現在は G8.5の基板サイズへの適用実績ではあるが、a-Si 並までのサイズアップが可能と言われており、現在量産適用が進んでいる。細野らが提案した酸化物半導体は IGZO と呼ばれる In-Ga-Zn-O 系の材料

TFT特性であるが、電子移動度が10cm2/Vs 程度であることから、8K-TV への対応には更なる高移動度が求められており、量産適用においては、IGZO 並の信頼性と高移動度を両立できる材料が求められている。
当社では物質・材料研究機構が報告した高移動度材料で量産性

a-Si

LTPS

酸化物半導体電子移動度（cm2/Vs）<130-100

10-30

信頼性

Low

High

Med.

リーク電流（A/µm）

10-13

10-1210-16

適用基板サイズ（m）

2.9×3.1（G10<）

1.5×1.9（G6）2.2×2.5（G8.5）

製造マスク枚数（枚）

4-6

5-94-6

TFT特性均一性High

LowHigh（7）に着目し開発を進めてきた。酸化物半導ある In-W-O（6）、38

フラットパネルディスプレイ用高移動度、高信頼性酸化物半導体スパッタリングターゲット

TFT に使用される酸化物半導体層は、スパッタリング膜を使用した。PECVD-SiO2膜は SiH4-N2O 混合ガスを用い法 によって形成されており、その原料は酸化物セラミックて膜厚200nm を成膜し、反応性イオンエッチング（RIE）

ス焼結体である。粉末冶金技術により酸化物セラミックスによりコンタクトホールを形成した。SP-Al2O3膜は、4イ焼結体からなるスパッタリングターゲットを作製し、そのンチ Al 金属ターゲットを用い、酸素分圧25％、圧力1Pa、スパッタリングターゲットを原料として、実際に TFT を作

RF 電力200W にて、膜厚200nm を成膜し、リフトオフに製、評価することで、優れた TFT 特性を発現できるスパッてコンタクトホールを形成した。RIE、リフトオフ後に、サタリングターゲットを実現できた。

ンプルを窒素雰囲気350℃で1時間アニールした。図1に得※6られた TFT の上面写真、断面図を示す。基板の Si ウエハを2.

ゲート電極として用い、チャネル幅 W ＝1000µm、チャネ酸化物焼結体の開発

ル長 L ＝350µm とした。

これまで高移動度が報告されている In-W-O は、高密度半導体パラメーターアナライザー B1500A（キーサイト・の焼結体を得ることが難しかった。In2O3は約1500℃で焼テクノロジーズ製）を用いて、TFT 特性を評価した。信頼結が進行するが、酸化タングステンは約1200℃で分解、性試験（NBS、PBS）※7のストレス条件は、Vds ＝±30V、蒸発してしまうため、焼結が完了する前に飛散してしま室温、暗所、ストレス時間3600s とした。

う。W の蒸発前に焼結を完了させることを目的として、Wとの化合物が低融点となる元素を探索、ZnWO4が融点約1200℃であったため、ZnO を添加することを試みた。結(a)果、1200℃にて ZnWO4相が溶融することで焼結が進行

半導体層S電極し、W の蒸発を抑制した高密度の焼結体が得られた。得ら

D電極
Wれた In-W-Zn-O 焼結体の特性を表2に示す。DC スパッタリングが可能な低電気抵抗の焼結体が得られた。次に、得Lられた焼結体を用いて、TFT を形成、特性を評価した。
コンタクトホール

表2

コンタクトホール

当社開発材の焼結体特性
当社開発材

従来材

In-W-Zn-O

In-Ga-Zn-O

焼結密度（％）

98＜98＜電気抵抗（Ωcm）

≦10-2

＜10-2

構成元素

300µm

(b)
S電極

D電極
半導体層保護膜

ゲート絶縁層 (熱酸化SiO2)ゲート電極(Siウエハ)

3.

図1

開発ターゲットを原料とした TFT の特性

3－1

TFT の構造（a）TFT 上面写真、（b）TFT 断面図

開発ターゲットを用いた TFT の作製

基板は熱酸化 SiO2膜付きの低抵抗 Si ウエハを使用した。
TFT はメタルマスクを利用したステンシル法で作製した。

3－2

開発材料 In-W-Zn-O の TFT 基礎特性

まず、基板の上にメタルマスクをセットして、半導体層表3に得られた PECVD-SiO2を保護膜とした場合の TFT 特として In-W-Zn-O 膜を形成した。半導体層の形成にあたっ性をまとめた。出力特性では Vds ＝0V で、Ids ＝0A に近くては、当社開発の In-W-Zn-O 焼結体をスパッタリングター良好な特性であった（図2（a））。Vds ＝5.1V での伝達特性ゲットとして用いた。ターゲットサイズは ø2インチ、ス（図2（b））も、移動度35cm2/Vs、Vth ※8 ＝0.8V、SS 値 ※9

パッタ電力60W、基板－ターゲット間（ST）距離90mm、0.08V/decade と IGZO（In：Ga：Zn ＝1：1：1）の 移

圧力0.5Pa、全ガス流量30sccm、酸素分圧10、20％とし動度である10cm2/Vs を越えた高移動度を得ることができた。半導体層の膜厚は30nm とした。続いて、メタルマスた。また、IGZO と同様の1V 付近の Vth、低い OFF 電流もクを使って、金属 Mo 層からなるソース（S）電極とドレ達成できた。

イン（D）電極を形成した。スパッタ条件は Ar 雰囲気、圧

図3には、移動度、Vth の成膜時の酸素分圧依存性を示し

力1Pa、RF 電 力200W、ST 距 離90mm、膜 厚100nm とている。成膜時の酸素分圧が変化しても移動度は高いまました。続いて、保護膜を形成した。保護膜は、プラズマ励で、Vth 値も一定であった。このことはスパッタリング成膜起化学的気相堆積（PECVD）法で形成した SiO2（PECVD-装置内に酸素濃度分布があっても TFT 特性が影響を受けに

SiO2）膜とスパッタリング法で形成した Al2O3（SP-Al2O3）

くいことを意味しており、大型ガラス基板面内での TFT 特2017 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 191 号

39

開発ターゲットを用いて作製した TFT の特性（保護膜 PECVD-SiO2膜）
IGZO

当社開発品

移動度（cm2/Vs）

1035

Vth（V）≃1.00.8

PBS

2.00<

0.40

NBS

0.10<

0.07

信頼性：ΔVth（V）

1.0E-03(a)NBS

1.0E-050s

1.0E-07

1200s

Ids (A)

表32400s

1.0E-093600s

1.0E-11
1.0E-13

1.2E-04(a)

1.0E-04

Vgs=10V

4.0E-05

Ids (A)Ids (A)Vgs (V)1020

1.0E-05

Vgs=8VVgs=6V

2.0E-05
0Vgs=4V
Vgs=2V
Vgs=0V105Vds (V)0s

1.0E-07

1200s

ΔVth=0.4V

2400s

1.0E-093600s

1.0E-11
1.0E-13(b)1.0E-05

Vds=5.1V-10

図4

1.0E-07
Ids (A)

0(b)PBS

6.0E-05

1.0E-03-10

1.0E-038.0E-05

0.0E+00

Vds=5.1V0Vgs (V)1020

ストレス試験時の特性変化

1.0E-09

す。ストレス時間が増加しても NBS では Vth はほとんど変化

1.0E-11
1.0E-13
1.0E-15

せず Vth シフト量は0.07V と非常に安定であった。PBS での

Vds=5.1V-10010

Vth シフト量は正側へ0.40V であった。同様の検討を IGZO20Vgs (V)

図2

TFT 特性（a）出力特性、（b）伝達特性にて行ったところ、NBS での Vth シフト量は0.10V、PBSの Vth シフト量は2.00V であり、当社開発の In-W-Zn-O はIGZO 比同等性能以上であることが確認できた。
3－3

開発材料 In-W-Zn-O のアニール耐性

次に、アニールの温度を上昇させ、TFT 特性への影響を
40

1.2(a)(b)1.0

移動度 (cm2/Vs)30
Vth (V)

動度のアニール温度依存性 IGZO と In-W-Zn-O に関して調査した結果を示す。アニールは大気雰囲気にて各温度で0.820調査した。図5には、保護膜を SP-Al2O3膜とした場合の移1時間処理した。アニール温度の上昇に伴い、IGZO は移動0.60.410500.2040

酸素分圧10% 酸素分圧20%

図3移動度 (cm2/Vs)0.0
酸素分圧10% 酸素分圧20%

成膜時酸素分圧の TFT 特性への影響（a）移動度、(b）Vｔｈ

In-W-Zn-O
3020

IGZO10性バラツキ抑制において優位と考えられる。

0

次に TFT の繰り返し駆動時の劣化特性を評価するために

300

信頼性試験である NBS、PBS を実施した。図4に NBS、PBS
中の0s、1200s、2400s、3600s 時点での伝達特性を示

40

図5400
500
Annealing Temperature/℃

600

移動度のアニール温度依存性 （保護膜 SP-Al2O3膜）

フラットパネルディスプレイ用高移動度、高信頼性酸化物半導体スパッタリングターゲット度が低下したのに対して、In-W-Zn-O は移動度の低下がみ

4.

結言

今回開発した In-W-Zn-O スパッタリングターゲットは、られなかった。
次に、In-W-Zn-O に関して PECVD-SiO2膜を保護層とし焼結体として従来材料である IGZO スパッタリングターゲッて用いた場合の移動度のアニール温度依存性を図6に示す。

トと同等の高い焼結密度、低い電気抵抗を実現できた。本アニールは窒素雰囲気にて各温度で1時間処理した。アニー

スパッタリングターゲットを原料として TFT を作製、評価

ル温度を上昇させても移動度の低下はみられなかった。

したところ、IGZO 比3倍以上の高い電子移動度を有し、450℃までの NBS、PBS での Vth シフト量を図7に示す。ア

実用特性として重要な信頼性も IGZO 並以上を実現できた。

ニール温度の上昇に伴い、Vth シフト量が減少しており、信また、In-W-Zn-O は IGZO と比較して、より高温のアニー頼性が向上することがわかった。

ルでも移動度が低下せず、結果として信頼性を向上させることができた。

50

5.

移動度 (cm2/Vs)

授、奈良先端科学技術大学院大学 浦岡行治 教授、藤井茉美

30

助教には多くのご助言を賜りました。また、高知工科大学
古田守 教授には、ご助言と共に、保護膜形成戴きました。

20

記して深く感謝申し上げる。本成果は、国立研究開発法人
新エネルギー・産業技術総合開発機構の助成事業で得られ10た成果を活用したものである。

0300

350400450
Annealing Temperature/℃500

移動度のアニール温度依存性（保護膜 PECVD-SiO2膜）

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1ン電極、ゲート電極の3極から主になる。チャネル層を含めて、膜厚数10～数100nm の薄膜で構成される。

0.8ΔVth (V)薄膜トランジスタ（TFT）

電界効果トランジスタの一種であり、ソース電極、ドレイ

1.00.6

NBS
PBS0.4※2

FHD から4K、8K

FPD の 画 面 解 像 度 の こ と。画 素 数 は FHD（Full HighDefinition）：横1920×縦1080、4K：横3840×縦2160、8K：横7680×縦4320と同サイズの画面で考えると画素サ0.2

イズが微細化する。

0.0300350400450500

Annealing Temperature/℃

図7

辞

本研究の遂行にあたっては、東京工業大学 細野秀雄 教

40

図6

謝

信頼性のアニール温度依存性（保護膜 PECVD-SiO2膜）※3電子移動度

半導体中を移動する電子の速度。本論文中では、Vds を0.1V一定にて、Vgs を変化させたときの Ids の変化から求めた電界効果移動度について議論した。
※4以上のことから、IGZO ではアニール温度の上昇に伴い移動度が低下するのに対して、In-W-Zn-O は移動度の低下

a-Si

非晶質シリコンのことであり、FPD にもっとも広く用いられている。

はなく、温度耐性が高いことがわかった。有機 EL ディスプレイ用途では特に高い信頼性が要求されるが、In-W-Zn-O※5はアニール温度を高めることで高い信頼性を実現でき、高Low Temperature Poly-Silicon は0.3µm 程度の微細なシLTPS移動度も保持できる点で優れている。

リコンの結晶からなる。製造時の結晶化温度が低温である。
結晶化に使うレーザーの均一性が課題となり、G6サイズより大きなガラス基板への適用が難しいと言われている。

2017 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 191 号     41※6

スパッタリング法

減圧下でアルゴンイオンを、負電圧を印加した固体原料に執筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

宮永美 紀＊ ：アドバンストマテリアル研究所

綿谷研一：アドバンストマテリアル研究所

粟田英章：アドバンストマテリアル研究所
グループ長

主幹

衝突させて原料原子をはじき出し、対向した基板に付着させる成膜方法。固体原料に直流を印加する場合を DC スパッタリングという。
※7

信頼性試験（NBS、PBS）

Negative Bias Stress（NBS）試験と Positive Bias Stress（PBS）試験のこと。ソース電極とゲート電極の間に負または正電圧をかけ続けて、ある時間毎に伝達特性を測定し、Vth のシフト量を求める。シフト量が小さい方が、信頼性が高いと判断される。
※8Vth閾値電圧といい、本論文では X 軸：ゲート電圧と Y 軸：ドレイン電流の平方根（（Ids） ）の曲線の接線において、最1/2ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

大傾きを示す接線が X 軸と交わる点とした。a-Si と同じ1V付近が FPD には使用しやすい。
※9SS 値

ゲート電圧を変化させたときにドレイン電流の変化量が最大となるときに、ドレイン電流を1桁上げるために必要なゲート電圧の増加量。小さい程、優れている。

参考文

献（1） M atsueda Y., Required Characteristics of TFTs for Next
generation Flat Panel Display Backplanes, The Proceedings ofthe 6th International Thin-Film Transistor Conference, pp. 314317（January 2010）（2） Chang Ho Oh、Technology of Large Size OLED Display、26th ファ
インテックジャパン専門技術セミナー「次世代ディスプレイの本命！
巨大投資が進む有機 EL の展望」、pp. 1-10（April 2016）（3） 浦 岡 行 治、酸 化 物 半 導 体 TFT の 高 性 能 化 技 術、電 子 ジャー ナ ル
1686th 技術セミナー「酸化協半導体 TFT の高性能化技術徹底解説」、
pp. 10-24（April 2013）（4） 松尾拓哉、IGZO技術、シャープ技報、第104号、pp. 13-17（September2012）（5） Kenji Nomura, Hiromichi Ohta, Akihiro Takagi, Toshio Kamiya,
Masahiro Hirano, and Hideo Hosono, Room-temperature
fabrication of transparent flexible thin-film transistors using
amorphous oxide semiconductors, nature, vol.432, pp. 488-492（November 2004）（6） Shinya Aikawa, Peter Darmawan, Keiichi Yanagisawa, ToshihideNabatame, Yoshiyuki Abe, and Kazuhito Tsukagoshi, Thin-film
transistors fabricated by low-temperature process based on
Ga- and Zn-free amorphous oxide semiconductor, Appl. Phys.
Lett., 102, 102101（March 2013）（7） Shinya Aikawa, Toshihide Nabatame, and Kazuhito Tsukagoshi,
Effects of dopants in InOx-based amorphous oxide
semiconductors for thin-film transistor applications, Appl. Phys.
Lett., 103, 172105（October 2013）42

フラットパネルディスプレイ用高移動度、高信頼性酸化物半導体スパッタリングターゲット