高迁移率氧化物半导体溅射靶材的实用化

FPD通过利用作为开关元件的薄膜晶体管（TFT）来控制排列成阵列的像素点的点亮，从而实现图像显示，这种方式被称为有源矩阵（Active Matrix）方式^1）。TFT是在玻璃基板或树脂薄膜上，通过叠加沉积半导体薄膜、绝缘膜以及配线膜等功能薄膜，并结合微细加工工艺进行图形化处理而形成的。

不过，氧化物半导体容易受到TFT制造工艺的影响，在薄膜中产生缺陷，而TFT的特性往往受这些缺陷状态支配^{8）- 9）}。因此，FPD厂商需要掌握相应的应用与工艺控制技术，以确保TFT的可靠性。

此外，硅半导体薄膜通常采用化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）进行制备，而氧化物半导体薄膜则可通过易于实现大面积化且可在低温条件下沉积的溅射法制备，这也是其一大优势。

从表示半导体中电子流动难度程度的电子迁移率（以下简称"迁移率"）来看，a Si的迁移率约为0.5～1 cm²/V·s，而氧化物半导体薄膜则高达约10～30 cm²/V·s。因此，即使减小TFT尺寸也能够驱动像素，这对实现显示器的高分辨率具有明显优势。

虽然LTPS相较于氧化物半导体薄膜具有更高的迁移率，但由于其结晶化需要激光退火设备，在设备条件的限制下难以实现大面积且膜质均匀的制备，因此难以应用于大型显示器。

此外，与硅半导体薄膜相比，氧化物半导体薄膜在TFT应用中具有显著更低的漏电流。利用这一特性，可以大幅降低像素刷新所需的刷新率，从而实现低功耗化，这一点对于电池容量受限的移动设备尤为有利^10）。

进一步而言，在将用于显示驱动的外围电路集成于面板内部的技术（Gate on Array，简称GOA），以及像有机EL显示器这样需要进行高精度灰阶控制的电流驱动型显示器（Organic Light Emitting Diode，简称OLED）中，也对高迁移率氧化物半导体存在强烈需求。

除a IGZO之外，氧化物半导体材料中还报告了许多具有高迁移率的体系，例如In Sn Zn O^11）12）、In Ga O^13）、In W Zn O^7）14）以及Zn O N^15）等。然而，在为了获得高迁移率而使载流子浓度过高时，会出现一些问题，例如TFT由关态切换到开态所需的栅极电压（以下简称阈值电压）会向负电压方向偏移。

此外，在用于评估TFT特性可靠性的加速试验之一中，有一种称为负偏压温度光照应力试验（Negative Bias Temperature Illumination Stress，以下简称NBTIS）的方法，即在对TFT施加可见光与热的同时，在栅电极上施加负电压，并以时间变化来量化阈值电压的偏移幅度。对于高迁移率材料而言，在NBTIS测试中阈值电压的变化幅度往往会增大。

基于上述问题，本公司开发了In Ga Zn Sn O（以下简称a IGZTO）作为一种兼具高迁移率、接近0V的阈值电压以及优良TFT可靠性的氧化物半导体材料。下一章节将介绍高迁移率氧化物半导体a IGZTO的特点及其材料设计思路，以及以a IGZTO作为半导体层时的TFT特性。

构成a IGZTO的金属元素包括铟（In）、镓（Ga）、锌（Zn）和锡（Sn），它们分别对氧化物半导体薄膜产生各具特色的影响。在充分理解这些特性的基础上，对a IGZTO进行了组成上的最优化设计，以同时满足高迁移率以及TFT所需的各项性能。

氧化物半导体的载流子传输机制被认为是所谓的"逾渗传导"（percolation conduction）^16）17），一般认为较高的载流子密度有助于提高迁移率。其中，In含量对载流子密度的变化影响最大，因此In添加量与迁移率之间具有较强的相关性。然而，过量添加In会导致TFT阈值电压向负方向偏移，甚至引发导体化，因此其添加量不能无限增加。

另一方面，Ga具有良好的热稳定性，其添加量与TFT的可靠性相关。但Ga过量添加会降低载流子密度，从而引起迁移率下降。接着，Zn在氧化物半导体薄膜中起到维持非晶结构的作用，有助于薄膜的图形化；但如后文所述，由于其热稳定性较差，在经历热处理后容易从薄膜中脱离，导致组成发生变化。

此外，Sn的添加可以赋予氧化物半导体薄膜在TFT制造过程中对酸性蚀刻液（用于布线图形化）的耐腐蚀性。图1展示了从TFT特性中导出的迁移率、阈值电压以及亚阈值摆幅对Sn添加量的依赖关系。虽然Sn对迁移率的提升作用不及In显著，但随着添加量的增加，同样能够提高TFT迁移率；并且通过选择适当的添加量，可以实现高迁移率与良好TFT特性的兼顾^18）。

此外，还确认Sn的添加能够抑制a IGZTO薄膜在经历热处理后Zn的脱离^18）。由于这些构成元素之间存在权衡关系（trade-off），通过对各元素进行合理的组成比例设计，可以最大程度地发挥TFT的最佳性能。

表2给出了a IGZTO薄膜的霍尔特性。通过添加In和Sn，其载流子密度比a IGZO提高了一个数量级以上，同时也获得了约两倍的霍尔迁移率。

PITS是一种用于评估半导体薄膜电子状态的测量方法。迄今为止，已有研究将该方法应用于氧化物半导体薄膜，对影响TFT可靠性的缺陷及陷阱密度进行了评估^{21）～23）}。由于PITS可在与TFT相同结构的器件上进行测量，因此能够对经历了TFT制造工艺后的实际器件状态下的氧化物半导体薄膜电子状态进行评价。

图3展示了a IGZTO薄膜以及从a IGZTO中去除Sn后的IGZO薄膜的PITS光谱^18）。一般认为，图3所示结果与影响NBTIS的导带底（CBM）下方浅能级的状态密度相关。从图中可以看出，a IGZTO在约100 K附近的峰值明显较小。已有研究表明，约110 K附近的峰与Zn相关缺陷有关，而约150 K附近的峰则被推测为与氢相关的缺陷^24）。此外，近年来关于ZnO陷阱能级的研究指出，Zn相关缺陷可能会诱发氢相关缺陷^25），因此Zn相关缺陷有可能成为引起多种陷阱能级的主要因素。

从未添加Sn（图4(a)）和添加Sn（图4(b)）的a IGZTO薄膜所制备的TFT在NBTIS测试结果来看，两者在TFT可靠性方面的差异，也可以推测是由于经过TFT制造工艺后的a IGZTO薄膜中，Zn相关缺陷被有效抑制所致^18）。

FPD主要包括间接发光型的液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）以及自发光型的OLED。与易于实现高亮度的LCD相比，OLED的特点是能够获得更高的对比度。同时，这两类显示器在各像素的点亮控制上，均采用有源矩阵方式。

如图5所示，TFT的结构类型分为底栅型（Bottom Gate）和顶栅型（Top Gate），其中底栅型又包括ESL型（Etch Stopper Layer）和BCE型（Back Channel Etch）^26）。一般而言，LCD主要采用底栅型结构，而OLED则多采用顶栅型结构。

底栅型结构具有工艺流程较简化的优点，而顶栅型结构由于器件面积较小，与底栅型相比电容更低，因此在响应速度方面具有优势。此外，对于需要进行电流控制的OLED显示器，通常采用能够提供较大电流的LTPS或氧化物半导体作为半导体层的顶栅型TFT。表3总结了各类TFT的特性。

a IGZTO在各种TFT结构中均表现出较高的迁移率，同时，在表征TFT可靠性的指标----如NBTIS、正栅偏压温度应力试验（Positive Bias Temperature Stress，PBTS）以及负栅偏压温度应力试验（Negative Bias Temperature Stress，NBTS）中，也都表现出良好的性能。

对于底栅型TFT，在对源极和漏极电极进行图形化时，氧化物半导体表面会暴露，因此容易受到用于电极图形形成的化学药液影响，导致薄膜厚度减少或组成变化，从而引起TFT特性劣化。然而，a IGZTO在这方面能够有效抑制对TFT性能的影响（见图6(a)）。

另一方面，在顶栅型TFT中，由于在氧化物半导体沉积之后需要在高温条件下叠加形成高质量的栅绝缘膜，因此必须防止氧化物半导体的劣化。通过优化氧化物半导体沉积后的热处理以及栅绝缘膜沉积后的热处理条件，可以有效抑制栅绝缘膜中氢元素的扩散影响，并减少氧化物半导体表面的缺陷形成，从而获得优良的TFT特性（见图6(b)）。