金属氧化物（Metal Oxide,MO）薄膜晶体管（Thin Film Transistor,TFT）因具有以下优势:1)载流子迁移率适中;2)大面积均匀性好;3)工艺制备温度低;4)可见光透过率高,被认为是下一代显示领域和新兴柔性应用中最有前景的新技术之一。然而,随着新型显示技术朝着大尺寸、超高清、高帧率和柔性应用等方向发展,TFT作为显示面板的构成要素,要求其必须往缩小尺寸和减小沟道长度的方向发展,以保证小尺寸的同时能够提供足够的电学驱动能力。同时,由于目前已被提出的高迁移率MO材料如In Ga ZnO、In Sn ZnO和In ZnO等均含有In元素,而In是昂贵的稀有金属,且有毒对环境有害。因此有必要对不含In元素的高性能MO材料展开研究。针对以上关键性问题,论文围绕研制低成本、小尺寸、高性能的MO TFT为目标,着眼于改进TFT器件结构及有源层材料,重点研究和分析讨论了垂直型TFT（Vertical TFT,V-TFT）的器件优化与结构设计以及原位F掺杂Zn SnO（ZTO:F）有源层材料及其TFTs的制备优化与特性,其主要研究内容和成果如下:针对显示领域中传统横向沟道TFT的小尺寸瓶颈问题,提出并成功制作了采用复合晶型铟锡锌氧化物作为有源层材料,使用叠层结构TEOS-Si O2+Si H4-Si O2作为栅介质层的V-TFTs器件,解决了V-TFT普遍存在的栅泄漏电流和关态电流偏大的关键性难题,所制备的沟道长度为300 nm的V-TFT器件表现出低的栅泄漏电流和关态电流,数值均控制在10-13～10-14 A数量级。其主要原因是较少陷阱态密度的TEOS-Si O2+Si H4-Si O2叠层结构有助于提高V-TFT栅介质层质量,降低栅泄漏电流;优化间隔层刻蚀工艺以及采用低缺陷态密度和高电学性能的沟道材料有利于改善V-TFT背沟道效应,降低关态电流。采用低频C-V特性法提取了器件沟道缺陷态分布,进一步验证了采用的材料和工艺优化方法有利于V-TFT沟道的性能改善。为了探索V-TFT结构设计对器件性能的影响,通过制备不同结构的器件,结合Silvaco TCAD分析手段,开展了对V-TFT的条栅数、源漏极接触、源漏交叠与沟道长度设计的研究讨论。结果表明,增大有源层与源漏区域的接触面积可减小源漏接触电阻,从而影响过阈值区漏极电流的大小;沟道长度缩短至深亚微米尺寸,源漏间静电耦合将导致源端势垒降低,会引发V-TFT出现漏致势垒降低效应;无论是在直流还是交流模式下,减小V-TFT的源漏交叠面积可削弱S/D电场对沟道电势的影响,增强栅极对沟道的控制能力,有利于提高器件开关速度。针对含In元素的MO材料成本高且不环保的问题,提出采用SnO2:F（FTO）靶材与ZnO靶材共溅射的方法,成功实现了无In薄膜材料ZTO的原位F掺杂。该F掺杂方法具有简单、低损伤且有效等特点。采用该共溅射法制备的ZTO:F材料为有源层制作了电学性能良好的ZTO:F TFT,研究了退火温度、FTO沉积功率、氧分压以及溅射压强对ZTO:F薄膜的微观特性及其TFT器件电性能的影响。研究结果表明,相对常用的等离子体F掺杂法,本文提出的F掺杂法能避免等离子体损伤并对沟道体区域进行原位掺杂,从而有效地改进材料及器件特性。提高退火温度,选择适当的FTO沉积功率和溅射压强以及降低氧分压可有效地控制ZTO:F薄膜中的缺陷态以及F在薄膜中的相关形态与组合,改善薄膜界面和体内缺陷态密度,有助于提高器件性能。通过对以上工艺条件的优化,所制备的ZTO:F TFT其饱和迁移率高至14.2 cm~2V-1s-1,亚阈值摆幅低至0.09 V/dec,开关电流比高至6.20×10~9。研究和分析了ZTO:F TFTs的噪声特性和工作稳定性。通过1/f噪声ΔN-Δμ优化模型提取获得各工艺条件下ZTO:F TFTs的噪声参数及沟道/介质层界面的缺陷态密度变化。基于噪声特性分析确定的最优工艺条件与电特性得出的结论基本一致。同时噪声Hooge参数提取结果表明,所制备的ZTO:F TFTs具有与多晶硅、In ZnO和IGZO TFTs相当的噪声性能。ZTO:F TFTs的环境、温度和偏压稳定性测试结果表明,即使器件未钝化,在相对湿度为80%的大气环境下放置4周后器件转移特性基本不变,40 oC～80 oC热应力下ΔVth仅为0.3 V,同时正栅偏压下ΔVth为2.8 V,负栅偏压下Vth位移量不超过0.1 V。其机理主要是F掺杂对薄膜体内缺陷态的补偿以及界面态的钝化作用,有效抑制了沟道/介质层界面附近发生的电荷随机捕获,对提高器件噪声特性及稳定性发挥了重要作用。