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铟镓锌氧化物薄膜晶体管(InGaZnO-TFT)因其成膜温度低、迁移率高、透明性好和制备成本低等优点,引起了国内外广泛的关注,并可能取代传统的硅基TFT成为下一代显示背板技术的主流。目前,制备非晶IGZO-TFT采用的IGZO靶材中原子比通常为In:Ga:Zn=2:2:1或者1:1:1,In、Ga的比例甚至更高。但In、Ga属于稀有元素,近几年In、Ga矿资源出现严重紧缺、价格不断攀升的情况。夏普公司采用In:Ga:Zn=1:1:1靶材研制的结晶型IGZO-TFT具有极低的关态电流(10-24A),综合性能优越,但其成膜工艺苛刻。若降低In、Ga的掺杂量,就更易得到结晶型的IGZO-TFT,并且有助于缓解In、Ga矿资源缺乏问题。因此,本实验将采取In、Ga低掺杂的靶材(In:Ga:Zn=0.42:0.25:1)制备IGZO-TFT器件有源层,并优化其制备工艺参数,提高器件性能。本论文采用底栅顶接触的TFT器件结构,在SiO2/p+-Si衬底上利用磁控溅射法制备ZnO薄膜作为器件的有源层,以重掺杂p型硅和Al膜分别作为器件栅极和源漏电极,以SiO2作为绝缘层。采用金属掩膜板工艺制备大尺寸的ZnO-TFT器件,虽然工艺简单,但由于源漏电极与有源层面积较大,造成器件成功率较低,泄漏电流较大。采用光刻工艺对源漏电极和有源层进行微型化,制备出小尺寸的IGZO-TFT器件,提高了器件成功率,降低了泄漏电流。后续实验将采用后一种微型化工艺制备小尺寸TFT器件。缺氧制备的IGZO-TFT有源层中VO、Zni等施主缺陷较多,载流子浓度过高,结晶质量不好,有源层表面粗糙度较大,导电沟道处表面缺陷态密度较大,因此IGZO-TFT器件的综合性能较差。在溅射气体中通入少量的氧,施主缺陷减少,载流子浓度减小到一个相对合理的范围,增强了栅压对源漏电流的调控作用;有源层薄膜的结晶质量提高,表面粗糙度减小,沟道处表面缺陷态密度减小,载流子受到的俘获和散射作用减弱,其载流子输运特性得到提高。1.0sccm氧气流量的器件性能最佳,迁移率、阈值电压、开关比、亚阈值摆幅分别为4.49cm2/Vs、13.01V、2.08×10~7、2.126V/Dec。当氧气流量过大时,吸附氧和Oi等受主类缺陷过多,薄膜结晶质量变差,沟道处表面缺陷态密度增大,载流子受到的俘获和散射作用增强,导致TFT器件的综合性能下降。为进一步提高IGZO-TFT器件性能,我们对1.0sccm氧气流量条件下制备的有源层进行空气退火处理,然后再制得TFT器件。随退火温度的增加,TFT器件的性能先变好再变差,其中400℃空气退火的器件性能最佳,迁移率、阈值电压、开关比、亚阈值摆幅分别为8.96cm2/Vs、0.98V、1.23×108、1.460V/Dec。在400℃以下,随退火温度的升高,空气中的氧被有源层吸收,并逐渐扩散到薄膜内部,与金属元素结合,减少化学计量比失配,即减少了VO、Zni等施主缺陷,同时IGZO薄膜表面粗糙度降低,导电沟道处表面缺陷态密度减小,沟道载流子输运特性增强,因此器件性能得到改善。当退火温度大于400℃时,IGZO有源层的吸附氧和Oi等受主类缺陷过多,有源层表面粗糙度增大,导电沟道中载流子受到的散射和俘获作用增强,因此TFT器件的综合性能下降。在60min的+20V栅极偏压下,未退火前的IGZO-TFT器件阈值电压漂移13.03V,而400℃退火的IGZO-TFT器件阈值电压漂移减小到8.46V。说明经过400℃空气退火后,器件偏压稳定性增强。这是因为400℃退火后导电沟道处表面缺陷态密度减少,表面缺陷态对有源层内自由电荷的俘获作用减弱。为了进一步降低IGZO-TFT器件的亚阈值摆幅,我们研究了有源层厚度对TFT器件性能的影响。随着有源层的增大,阈值电压减小,迁移率先增大后减小,亚阈值摆幅的大小逐渐增大。有源层厚度为30nm的IGZO-TFT器件性能最佳,迁移率、阈值电压、开关比、亚阈值摆幅分别为10.05cm2/Vs、0.38V、9.53×10~7、0.672V/Dec。有源层厚度越大,填满缺陷态后,剩余的自由电荷数目就越多,更容易形成导电沟道,所以阈值电压减小。有源层厚度过薄,载流子输运特性容易受到有源层背表面的散射影响,迁移率较低。有源层厚度过大,缺陷态数目较多,载流子在输运过程中受到散射的几率增大,迁移率减小。随有源层厚度的增大,导电沟道处表面缺陷态密度增大,载流子受到的俘获和散射作用增强,从而导致亚阈值摆幅恶化。