负偏压HiPIMS制备c轴择优取向IGZO薄膜的结晶演化机制及高温退火分层效应研究

【编辑推荐】本研究通过高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)结合负衬底偏压技术制备c轴择优取向结晶IGZO(CAAC-IGZO)薄膜，揭示1,075°C退火诱导的三层分层结构（ZnO/CAAC-IGZO/ZnO）形成机制。研究人员运用XRD、TEM和AFM等表征手段，从金属诱导结晶和吉布斯自由能角度阐释结晶动力学过程，为高迁移率(>10 cm2/Vs)氧化物半导体TFTs的开发提供新思路。

　　

在显示技术飞速发展的今天，主动矩阵有机发光二极管(AMOLED)和液晶显示器(AMLCD)对高迁移率、高均匀性的氧化物半导体薄膜晶体管(TFTs)需求日益迫切。传统非晶硅(a-Si)的载流子迁移率(<1 cm²/Vs)已难以满足4K/8K超高清显示需求，而多晶硅(poly-Si)又面临晶界导致的漏电流问题。非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)虽具有较高迁移率(>10 cm²/Vs)和优异均匀性，但其非晶态特性仍制约着器件稳定性的提升。近年来，一种新型c轴择优取向结晶IGZO(CAAC-IGZO)因其独特的晶体取向和更低的漏电流特性，成为替代传统通道材料的潜力候选者。

由台湾地区国家科学技术委员会资助的研究团队在《Optical Materials》发表的研究中，创新性地采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术，在负衬底偏压条件下沉积a-IGZO薄膜，并通过高温退火工艺实现CAAC-IGZO的可控制备。研究发现1,075°C退火后形成的三层分层结构——表层ZnO、中间CAAC-IGZO和近衬底ZnO——展现出最优的结晶性能，其XRD衍射峰半高宽(FWHM)显著减小。这一发现不仅为理解IGZO结晶机制提供了新视角，更为开发高性能氧化物半导体器件开辟了新途径。

研究团队主要采用HiPIMS沉积技术结合-75V衬底偏压制备初始薄膜，随后在900-1,075°C温度区间进行退火处理。通过XRD分析晶体结构演变，TEM观察微观形貌分层，AFM量化表面粗糙度，并结合吉布斯自由能理论阐释结晶动力学过程。特别关注了ZnO(0002)晶面在31.7°和34.4°的布拉格衍射角变化，以及IGZO(0009)晶面在30.9°的特征峰演变。

【结晶温度影响】
XRD分析显示，随着退火温度从900°C升至1,075°C，ZnO(0002)衍射强度逐渐减弱，而CAAC-IGZO结晶度显著提升。1,075°C退火样品表现出最窄的FWHM和最高衍射峰强度，表明该条件下可获得最优晶体质量。

【分层结构特征】
TEM揭示退火后形成明确的三层结构：5nm厚表面ZnO层、主体CAAC-IGZO层（约50nm）以及界面ZnO层（约3nm）。这种分层被归因于Zn元素在高温下的扩散偏析，符合金属诱导结晶机制。

【表面形貌演变】
AFM测量表明，随着结晶度提高，薄膜表面均方根粗糙度从初始a-IGZO的0.5nm降至CAAC-IGZO的0.2nm，这种超平滑表面有利于减少TFTs器件中的界面散射。

【结晶机理阐释】
通过吉布斯自由能计算，研究者指出ZnO分层是系统向更低自由能态转变的自发过程。在1,075°C高温下，Zn-O键的断裂重组能垒被克服，导致Zn元素向表面和界面富集，形成能量更稳定的分层结构。

该研究证实HiPIMS结合-75V偏压与1,075°C退火的协同效应可制备出结晶质量优异的CAAC-IGZO薄膜。其创新价值体现在三方面：首先，明确了高温退火诱导的分层动力学机制，为类似氧化物半导体材料的结晶控制提供理论指导；其次，开发出通过工艺参数调控晶体取向的新方法，对实现>10 cm²/Vs的高迁移率TFTs具有重要实践意义；最后，揭示的ZnO分层现象为设计新型多层结构半导体器件提供了材料基础。通讯作者Sheng-Hui Chen强调，这项技术有望应用于下一代高分辨率微显示器和三维NAND存储器的开发，特别是在需要低漏电流和高温度稳定性的场景中展现出独特优势。