レアメタルフリーGa-Sn-O材料の薄膜トランジスタへの応用

(1)

レアメタルフリー

Ga-Sn-O

材料の薄膜トランジスタへの応用

松田

時宜

†a)

_梅田

_鉄馬

††

_加藤

_雄太

††

_西本

_大貴

††

杉崎

澄生

††

古田

守

†††

木村

睦

††

Application of Rare Metal Free Ga-Sn-O to Thin Film Transistor

Tokiyoshi MATSUDA

†a)

, Kenta UMEDA

††

, Yuta KATO

††

, Daiki NISHIMOTO

††

,

Sumio SUGISAKI

††

, Mamoru FURUTA

†††

, and Mutsumi KIMURA

††

あらましレアメタルフリー酸化物半導体である，Ga-Sn-O（GTO）を薄膜トランジスタ（TFT）に応用する．GTO TFT は他の酸化物半導体 TFT と比較してバックチャンネル側の保護膜がなくても各種バイアスストレス条件に対する安定性に優れており，電界効果移動度も25.6 cm2_{/Vs と非常に良好なものが得られた．} キーワード酸化物半導体，薄膜トランジスタ，RF マグネトロンスパッタリング，NBIS

1. まえがき

酸化物材料を半導体として用いることは

ZnO

や

In-Ga-Zn-O

（

IGZO

）を用いた薄膜トランジスタ

(TFT)

動作の成功を契機に多くの研究者より注目されてき

た

[1]

∼

[7]

．

IGZO

は非晶質の酸化物であるにもかかわ

らず

TFT

の活性層として電界効果移動度が

10 cm

2

_/Vs

を越えるため，アモルファスシリコンでは技術的に困

難さを伴う高精細，高い書き換え周波数のディスプレ

イの駆動が容易に実現できる点で注目されている

[8]

∼

[12]

．また，酸化物半導体

TFT

の構造は従来技術と

類似したボトムゲート・トップコンタクト型の構造で，

前述したデバイスを駆動するために充分な特性が得ら

れる．チャネル層となる酸化物半導体の薄膜は比較的

技術的なハードルが低く，従来の

TFT

作製プロセス

と互換性の高いスパッタリング法によって成膜でき，

パターン形成も従来のフォトリソグラフィ・エッチン

†_{龍谷大学革新的材料・プロセス研究センター，大津市}

Innovative Materials and Processing Research Center, Ryukoku University, HRC205, 1–5 Yokotani, Seta Oe-cho, Otsu-shi, 520–2194 Japan

††_{龍谷大学理工学部電子情報学科，大津市}

Department of Electronics and Informatics, Faculty of Sci-ence and Technology, Ryukoku University, 1–5 Yokotani, Seta Oe-cho, Otsu-shi, 520–2194 Japan

†††_{高知工科大学環境理工学群，香美市}

Department of Environmental Research, Kochi University of Technology, 185 Miyanokuchi, Tosayamada, Kami-shi, 782– 8502 Japan a) E-mail: [email protected]

グ技術を適用することによって行えることも産業応用

上非常に魅力的である．

IGZO TFT

の電気的特性の

特長としては多結晶シリコン

TFT

などと比較して負

のゲート電圧領域であるオフ領域において極めて漏れ

電流が低いこと，しきい値電圧付近での立ち上がりが

急しゅんであること，高いドレイン電圧領域でドレイ

ン電流が安定していること

[9], [13]

，耐圧も比較的高い

ことが明らかになってきている

[14], [15]

．そのため大

面積液晶ディスプレイ，高精細の中小型ディスプレイ

や有機

EL

ディスプレイの画素駆動素子として実用化

されたのをはじめ，さまざまなデバイスも提案されて

いる

[16]

∼

[19]

．また酸化物半導体

TFT

は成膜時の基

板温度が室温付近でも動作するため，樹脂などの曲げ

られる低耐熱性基板に形成することによってフレキシ

ブルなデバイスを形成することができる

[2], [20], [21]

．

IGZO TFT

の課題としては以下の二点があげら

れる．

1. IGZO

はインジウムを使用していること．

インジウムはレアメタルの代表格であり，産出国が

極めて限られている

[22]

．そのため材料の量的，経済

的な安定供給に課題がある．また数年前に化合物が労

働安全衛生法・特定化学物質障害予防規則等において

特定化学物質に指定されたように，取り扱いに際する

安全性について一定の配慮を要する．

2. 光照射下における負バイアス試験

(NBIS)

に対す

る特性の不安定性

IGZO TFT

は光照射下においてゲート電圧に負の

(2)

電圧をかけると特性がシフトするという課題が存在す

る

[23]

∼

[25]

．

これらの課題を解決し，更に高性能な

TFT

を開発

するため，様々な技術・材料が提案されている．

低いオフ電流と現行のしきい値電圧

(V

th

)

を維

持しながら更なる高移動度を目指すために半導

体層として

In-Sn-Zn-O

（

ITZO

）

[26], [27]

，

In-Ga-O

（

IGO

）

[27], [28]

，

In-W-Zn-O

（

IWZO

）

[29]

などのイ

ンジウムを含む材料が提案されている．また

ZnON

，

AlZnO [30]

∼

[32]

のように高移動度なものも見つけら

れている．

NBIS

に対する特性シフトについてはバックチャネ

ル側の保護膜として利用される

SiO

2

の成膜時に工夫

をしたり，フッ素を添加したりすることにより抑制す

図 1 GTO薄膜の a) 可視光透過率と b) XRD パターン [37] 図 2 GTO TFTの a) 伝達特性と b) 出力特性 [37]

る方法が提案されている

[33]

∼

[36]

．

しかし，これらの課題を解決することには至ってい

ないと考えられる．

本論文では，これらの課題を解決するため，インジ

ウムを含まないにもかかわらず高移動度であり，更に

NBIS

安定性にもすぐれた

GTO TFT

を提案する

[37]

．

2. 実

験

低抵抗

Si

ウェハに対して

150 nm

のゲート絶縁膜と

して熱酸化膜が形成されている．これに対して

GTO

薄膜を

RF

マグネトロンスパッタリング法によって成

膜した．スパッタリングターゲットは，焼結セラミッ

クターゲット

(99.99%, Ga:Sn = 1:3 (

原子比

))

であ

り，雰囲気ガスとして

Ar/O

₂

= 20/1 sccm

，成膜時

(3)

図 3 GTO TFTの各ストレス試験に対する特性変化 [37]

圧力

0.66 Pa

，投入

RF

電力

60 W

，基板温度を

150

◦

C

とした．その後

Ti

及び

Au

を熱蒸着により成膜しソー

ス・ドレイン電極を形成し，ポストアニールを

350

◦

C

で

1 時間行った．

GTO

材料そのものの評価を行うため，デバイス作

製プロセスにはフォトレジストやプラズマを用いなく

てもパターン形成できるメタルマスクを用いた．また

同様の目的のため保護膜を形成せずにデバイスの電気

的特性の測定を行った．

3. 結

果

図

1 a)

に示されるように，本研究において得られた

GTO

薄膜は

IGZO

と同様に可視光において透明であ

り，図

1 b)

に示されるように，

XRD

パターンもピー

クをもたないため，非晶質である．

図

2 a)

にドレイン電流のゲート電圧依存性を示

す．

TFT

特性としては

−30 V

のゲート電圧において

1 × 10

−10

_A

_程度の

_{W = 500 µm}

_{のデバイスとしては}

低いオフ電流，急しゅんなしきい値領域，

30 V

のゲー

ト電圧においては

10

−4

A

程度の高いオン電流が実現

できた．

TFT

特性は式

I

ds

= µ

FE

c

i

(W/L)(V

gs

− V

th

)V

ds

，

より求めることができる．ここで，

c

_i

は単位面積あた

りの静電容量

(F/cm

2

)

であり，

W/L

はチャネルの幅

及び長さの比，

V

gs

はゲート・ソース間電圧，

V

ds

はド

レイン・ソース電圧，

V

th

はしきい値電圧を示す．これ

らにより，電界効果移動度は

25.6 cm

2

/Vs

を記録した．

したがって

GTO TFT

はインジウムを含まないにもか

かわらず良好な特性を示すことが明らかになった

[37]

．

図 4 GTOTFT特性の NBIS 依存性 [37]

図

3 にストレス試験結果を示す．ストレス試験の条

件は表に示されているように，

±20 V

の電圧負荷試験

(PBS

，

NBS)

，

60 度の温度での

±20 V

の電圧負荷試

験

(PBTS

，

NBTS)

，光照射下での

±20 V

の電圧負

荷試験を行った

(PBIS

，

NBIS)

．図

3 に示すように，

GTO TFT

は正の電圧負荷試験において特性シフト

量は

2 V

以下と非常に安定性が高いことが明らかに

なった．また負のゲート電圧負荷をかけた場合の特性

シフト量は電圧のみの場合は

−1 V

，高温では

−3 V

，

NBIS

による特性シフトは

−4.5 V

であった．

図

4 に示すように，

NBIS

試験における

GTO TFT

の特性シフトはは，ゲート電圧に対してほぼ平行な

シフトであり，しきい値下特性の劣化はほとんど認め

(4)

図 5 GTO TFTの a) 各構成元素の地殻含有率及び b) In 及び Sn イオンの電子軌道モデル [37] 図 6 200◦Cで形成した GTO TFT 特性の a) 伝達特性と b) 出力特性

られなかった．したがって，

NBIS

によって立ち上が

り特性が大幅に劣化するということはなく，限定的で

あった．

以上の結果より，

GTO TFT

は高い電界効果移動度

であり，酸化物半導体

TFT

の課題である，

NBIS

安

定性において保護膜を形成しない状態でも充分に期待

できるものであることが明らかになった．

図

5 a)

に示すように

GTO TFT

は地殻含有率が

In

より高い

Ga

及び

Sn

により形成されている．

GTO

TFT

が高い電解効果移動度を示すのは，図

5 b)

に示

すように

In

3+

と同じ電子構造を持つ

Sn

4+

が電子の

移動する軌道を形成しているためだと考えられる．一

方，

GTO

が

NBIS

による特性シフトを抑制すること

に関しては，

Ga

の酸素との強い結合及び

Sn

の二価

と四価の両方の価数をとる性質によるものであると考

えられる．すなわち二価のアモルファス

SnO

は

p

型

伝導を示し，四価の

SnO

2

は

n

型伝導を示すため，特

性シフトの原因となるような余剰電子あるいはホール

を局所的な構造を乱すことなく，価数の変化を行うこ

とによって補償する働きすることにより安定性を向上

(5)

させることに寄与していると考えられる．

4. GTO TFT

の低温形成

これらの結果を受けて，

GTO TFT

の低温形成を試

みた．図

6 に，最高プロセス温度

200

◦

C

において形

成した

GTO TFT

の

a)

伝達特性及び

b)

出力特性を

示す．

TFT

作製条件は，

Ga-Sn-O

薄膜を形成する条

件を

60 W, 0.66 Pa, Ar/O

₂

= 20/1 sccm

，基板温度

150

◦

_C

_{とし，金電極を形成した後，熱処理を大気中で}

200

◦

_C

_{にて行った．}

低温にて形成された

GTO TFT

のオフ電流はドレ

イン電圧

0.1 ∼

30 V

，ゲート電圧

−10 V

付近におい

て

1 × 10

−11

A

程度，オン電流はドレイン電圧

30 V

，

ゲート電圧

30 V

において

1 × 10

−4

A

以上となりオン

オフ比は

7 桁と充分な値となった．また電界効果移動

度は

13.8 cm

2

/Vs

であった．ゆえに，昨今開発が盛ん

に行われているポリイミドなどの低耐熱温度の基板に

GTO TFT

を形成することができる．

これらの結果より，

GTO

薄膜は新しい酸化物半導

体であり，可視光で透明，非晶質，

RF

マグネトロン

スパッタリング法により形成できること，プロセス温

度が

200

◦

C

と低温でも高移動度な

TFT

が作製できる

ことなどの，従来提案されてきた酸化物半導体の特長

をもち，更に，レアメタルであるインジウムを含まな

い，

NBIS

安定性に優れているという新たな特長をも

つことが明らかになった．

GTO

薄膜は更なる高移動度化，保護膜の形成など

による

TFT

自体の高性能化に加えて，新しい応用先

としては熱電デバイス

[38]

，抵抗変化型メモリー，メ

モリスタなどへの応用が図られており

[39]

，今後の応

用展開が期待できるものである．

5. むすび

GTO TFT

は，インジウムを含まないにもかかわ

らず電界効果移動度が高く，オフ電流は低く，オン電

流は高いという非常に良好な特性を示す．またドレイ

ン電流の飽和特性は非常に安定していることが明らか

になった．

GTO TFT

のストレス耐性はバックチャネ

ル側の保護膜がない状態でも良好であり，他の酸化物

半導体

TFT

でも課題となる

NBIS

耐性も良好であっ

た．

GTO TFT

は最高プロセス温度

200

◦

C

でも形成

できる．

GTO

薄膜は，

TFT

のチャネル層として有望なだけ

ではなく熱電デバイス，抵抗変化型メモリー，メモリ

スタなどの新たなデバイス用材料としての応用展開も

期待できるものである．

謝辞本研究は

JSPS

科研費基盤研究

(C)16K06733

，

文部科学省私立大学戦略的研究基盤形成支援事業

S1311040

，東京工業大学科学技術創成研究院フロン

ティア材料研究所共同利用研究，三菱財団，テレコム

先端技術研究支援センター

(SCAT)

，電気通信普及財

団研究調査の助成を受けたものです．

文

献

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(6)

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（2019 年 1 月 5 日受付，5 月 9 日再受付， 10月 15 日公開）

松田時宜

2004年高知工科大学総合研究所助手． 2007年高知工科大学総合研究所助教．2008 年高知工科大学ナノデバイス研究所助教． 2011年龍谷大学理工学部電子情報学科助教，2016 年龍谷大学革新的材料・プロセス研究センター客員研究員，酸化物半導体材料の薄膜トランジスタ，電子デバイス応用に関する研究・開発に従事している．博士（理学）．

梅田鉄馬

2017年龍谷大学理工学部電子情報学科修了，2019 年奈良先端科学技術大学院大学修了．酸化物材料のデバイス応用に関する研究・開発に従事している．修士 (工学)．

加藤雄太

2015年龍谷大学理工学部電子情報学科修了．酸化物材料のデバイス応用に関する研究・開発に従事している．

西本大樹

2014年龍谷大学理工学部電子情報学科修了，酸化物材料のデバイス応用に関する研究・開発に従事している．

杉崎澄生

2017年龍谷大学理工学部電子情報学科修了，2019 年龍谷大学大学院理工学研究科修了．酸化物材料のデバイス応用に関する研究・開発に従事している．修士 (工学)．

古田

守

1988年電気通信大学大学院通信工学専攻修了．1988 年松下電器産業 (株) 中央研究所，2005 年高知工科大学総合研究所助教授，2011 年高知工科大学ナノデバイス研究所教授，2012 年高知工科大学環境理工学群教授，可視光透明な酸化物半導体材料とそれを用いた透明エレクトロニクス，次世代超高精細ディスプレイ用薄膜トランジスタに関する研究，フレキシブルデバイス，大気圧形成プロセスに関する研究，太陽電池に関する研究を専門としている．博士（工学）．

木村

睦（正員）

1991年京都大学大学院工学研究科物理工学専攻修士課程修了．同年松下電器産業株式会社入社．1995 年セイコーエプソン株式会社入社．2003 年龍谷大学理工学部講師．2005 年同助教授．2008 年同教授．薄膜トランジスタの電気特性解析，シミュレータ開発，新規応用提案，ニューロモーフィックシステム研究などに従事している．博士（工学）・博士（理学）．

レアメタルフリーGa-Sn-O材料の薄膜トランジスタへの応用