Amorphous Oxide Semiconductor Thin Films

Abstract

1 ．はじめに 本稿では，2012 年から量産の始まったアモルファス酸化 物半導体 （AOS） 薄膜トランジスタ （TFT） について，大面積ス パッタリング技術と，製膜条件と膜構造・特性の関係につい て紹介する。2012 年以前までに平面ディスプレイ （FPD） の 画素制御に使われてきた TFT としては，もっとも広く使わ れているアモルファスシリコン （a-Si） と，小型～中型の高精 細液晶ディスプレイ （LCD） や有機 EL ディスプレイ （OLED） に使われている多結晶シリコン （poly-Si） がほとんどであった。 他には，ロシアに限定されているが，2012 年 5 月に販売を 開始した Plastic Logic 社の電子書籍に有機半導体が使われて いる だけである。a-Si の製膜には RF プラズマを用いたプ ラズマ化学堆積 （PECVD） 法が使われており，現在では 2,880 ×3,130 mm の 大 き さ の マ ザ ー ガ ラ ス を 用 い る 第 10 世 代 （G10） プロセスで生産されている。poly-Si は a-Si をレーザー 結晶化させるエキシマレーザーアニール低温多結晶シリコン （ELA LTPS） が主流であり，今までは三星電子の G5.5 が主で あったが，現在は G6，近い将来は G8 へと大型化していく 予定である。AOS TFT としては，スパッタターゲットが結 晶 InGaZnO である，いわゆる 1:1:1 組成のアモルファス In-Ga-Zn-O（a-IGZO） が実用化されている。 これまでに AOS TFT を使って発表されたディスプレイは 主にシャープが生産しており，昨年 3 月に発売された new iPad の 一 部 の Retina（2,048×1,536 RGB 画 素 ）LCD， 今 年 6 月から販売を開始した 5.9 型 FHD （1,920×1,080） LCD スマー トフォン，7 月発売予定の 7 型 1,920×1,200 LCD タブレット， 2 月から販売している 32 型 4K2K（3,840×2,160）LCD ディ スプレイなどがある。LG 電子が今年 2 月から発売を始めて いる 55 型 FHD OLED TV がこれらに続いている 。試作品 としては，CES2013 でソニー，パナソニック，AUO が発表 し た 56 型 4K2K OLED，SID2013 で AUO が 発 表 し た 65 型 FHD OLED ，FPDI2010 で三星電子が発表した 70 型 4K2K LCD，などがサイズや解像度で最先端を行く。 以下ではまず，大型生産設備としてのスパッタ装置の紹介 をし，そのあと，当グループのデータを中心に，堆積条件， 熱処理条件と膜特性・TFT 特性の関係をまとめる。個々の全 ての事例に参考文献を挙げることはできないので，文献 をご覧いただきたい。 2 ．大型スパッタリング装置 我々が最初に AOS TFT を発表した時 には，製膜方法と してパルスレーザ堆積法を用いていたが，その後，共同研究 を し て い た キ ヤ ノ ン で RF マ グ ネ ト ロ ン ス パ ッ タ リ ン グ （RFMS） 法でもほとんど同じ特性の TFT が作製できることが 確認され ，現在は RFMS あるいは ACMS が主流となり， DCMS も試されている。いずれも室温～ 100 ℃程度の低温 で製膜し，その後熱処理をすることで，均一性・安定性の向 上と特性制御が行われている。 量産の観点から a-IGZO TFT が使いやすい点は，現在主流 の a-Si TFT と同じ Inverted Staggered 構造が使え，基本的に は半導体層の製膜装置だけを a-Si の PECVD から a-IGZO の MS に変えるだけで良いことが挙げられる。 FPD にはスズドープ酸化インジウム （ITO） が透明電極とし て用いられており，DCMS によって作製されている。その ため，ITO 用の量産装置を AOS 製膜に用いることもできな くはないが，両者では要求仕様が大きく異なることに注意が 必要である。いずれの場合にも膜厚の均一性が要求されるの は当然として，特性としては，透明電極として用いられる ITO の場合は一定値以上の高い電気伝導度と可視光透過率が 満足されれば十分である。一方で，半導体層の場合，TFT の 閾値電圧，電界効果移動度，閾値下電圧勾配などの動作特性 が電子移動度，自由電子密度，欠陥密度などにより決まるた め，これらを高い均一性・安定性で製造する必要がある。つ まり，半導体の場合には要求仕様が狭い範囲内に限られるた め，電極材料よりもはるかに厳しい条件を満たす必要があり， 製造装置にも一段の工夫が必要になる。また，IGZO のター ゲットは作製条件により電気伝導度を高くすることができる アモルファス酸化物半導体薄膜 神谷 利夫 a ，雲見 日出也 a ，細野 秀雄 a a