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神戸製鋼など、酸エッチング液耐性を備えたフラットパネルディスプレイ用酸化物半導体材料

 神戸製鋼所と同社子会社のコベルコ科研はこのほど、フラットパネルディスプレイ(以下FPD)のソース・ドレイン電極(以下S/D)のリワーク工程に対応した酸化物半導体材料とそのスパッタリングターゲット材を開発した。

 今回開発した酸化物半導体材料は、独自の材料設計によって酸エッチング液に対する耐性を高めることに成功している。この特徴によって、IGZOでは適用が困難であった高い生産性が得られるバックチャネル型薄膜トランジスタ(以下BCE-TFT)に対して適用することができる。また、リワーク工程で用いられる酸エッチング液に耐えることができ、酸化物半導体として先行して国内でFPD量産が開始されたIGZO(In-Ga-Zn-O)と同等の薄膜トランジスタ特性が得られることを特徴とする。

 またこの酸化物半導体薄膜形成に用いられる酸化物スパッタリングターゲット材は、コベルコ科研が製造し、すでに評価用サンプル出荷を積極的に展開している。

 FPDは高精細化が進み、特に携帯・タブレット端末では高輝度化、低消費電力化、狭額縁化が求められている。FPDで用いられる半導体材料には従来、化学気相成長法(以下CVD:Chemical Vapor Deposition)で形成したアモルファスシリコン(以下a-Si)薄膜が用いられていたが、半導体としてのポテンシャルを示すキャリア移動度が1cm2/Vs以下と小さく、FPDの高性能化が進むにつれて半導体材料の高移動度要求が高まっている。この要求に対して、低温多結晶シリコン(以下LTPS)を用いた薄膜トランジスタ(以下TFT)がすでに量産されているが、LTPSの工程は複雑で製造コストが高く、生産設備の限界で基板(マザーガラス)の大型化への対応が困難、といった課題があったという。

 酸化物半導体材料は、東京工業大学細野秀雄教授が開発したIGZOに代表される酸化物材料で、スパッタリング法で成膜が可能。酸化物でありながら、成膜条件を適切に制御することでシリコンのような半導体特性を得ることができ、キャリア移動度は10cm2/Vsと高い値を示す。スパッタリング法で成膜できるため、LTPSと比較して製造コストの問題や大型化の問題がないという。

 IGZOは酸エッチング液耐性が弱く、Mo(モリブデン)やAl(アルミ)系を用いて形成された金属薄膜をS/D電極の形状にエッチングする際に用いるリン硝酢酸(リン酸・硝酸・酢酸の混合酸)に溶解してしまう。今回開発に成功した酸化物半導体材料は、独自の酸化物組成設計によって、リン硝酢酸系の酸エッチング液に対する耐性を高めることに成功し、保護膜の省略が可能となった。さらに本材料のTFT特性は先行量産されているIGZO-TFTと同等の移動度、信頼性を得ることができる。

酸エッチング液耐性比較:左がIGZO、右が新酸化物半導体ターゲット材料酸エッチング液耐性比較:左がIGZO、右が新酸化物半導体ターゲット材料

 このため神戸製鋼の酸化物半導体材料は、TFTの生産工程が省略できる最新のBCE-TFTにも対応が可能だという。BCE-TFTの製造工程において、S/D電極が酸化物半導体表面と同時にリン硝酢酸系エッチング液にさらされるため、BCE-TFTへ酸化物材料を適用するためには、エッチング液に対する耐性が必須だった。本材料を用いることにより、BCE-TFTの製造が可能となり、生産コストの削減、FPDメーカのコスト競争力に大きく寄与するという。

 また一般に電極形成は工程不良のために一定の割合がリワーク(電極をエッチングして取り除き、再び電極を形成すること)されるが、IGZOはエッチング液に溶解するためにリワークが困難という課題があった。本材料を用いることによってS/D電極の複数回のリワークに対応することが可能となり、TFTの歩留まり向上に寄与することができるという。