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發(fā)布時(shí)間：2021-06-02 來(lái)源：元祿光電
隨著超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、新型薄膜晶體管顯示技術(shù)和大面積OLED顯示技術(shù)的日益成熟和規(guī)模化，激光退火技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)的爐管退火、快速熱退火、尖峰退火、快閃退火，成為新一代主流退火技術(shù)。
激光退火技術(shù)機(jī)理研究歷史
自從1975年前蘇聯(lián)科學(xué)家Gerasi-menko開始研究激光退火以來(lái)，此后若干年里，研究者對(duì)激光退火機(jī)理的研究產(chǎn)生和保持了濃厚的興趣。
激光退火一個(gè)顯著的特征是，在超短的時(shí)間內(nèi)（數(shù)十到數(shù)百納秒量級(jí)）將高能量密度的激光輻照（若干J/cm2）投射在退火樣品一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，使得樣品表面的材料熔化并在隨后的降溫過(guò)程中自然地在熔化層液相外延生長(zhǎng)出晶體薄膜，重構(gòu)熔化層的晶體結(jié)構(gòu)。在重構(gòu)晶體的過(guò)程中，離子注人導(dǎo)致的晶格損傷被消除，摻雜雜質(zhì)在高溫下擴(kuò)散并重新分布，雜質(zhì)原子溶解于晶體，被激活釋放出空穴或者電子。
1978年，研究人員通過(guò)對(duì)硅晶體表面時(shí)變的反射率測(cè)試證實(shí)，在激光退火的過(guò)程中單晶硅從熔化的硅表面重新生長(zhǎng)。同年，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀測(cè)到了激光退火后的摻雜硅表面形成了周期排列的波紋，且波紋的方向與激光的偏振方向相關(guān)。
與此同時(shí)，對(duì)激光退火所導(dǎo)致的硅材料表面熔化的熱力學(xué)模型與數(shù)學(xué)方法的研究，也幾乎在同步進(jìn)行。在上世紀(jì)70年代末80年代初，White、B.C. Larson、Porter、Young等先后對(duì)激光退火的機(jī)理進(jìn)行了一系列的研究，并得到了如下幾點(diǎn)結(jié)論:
激光退火可以顯著的去除晶格損傷。使用TEM和盧瑟福背散射對(duì)激光退火后樣品晶格損傷的研究，表明激光退火可以更加有效的消除位錯(cuò)和晶格損傷，并保持晶格的排列。
激光退火可以改變摻雜形貌。使用二次離子散射對(duì)激光退火后樣品的研究，則表明退火前后雜質(zhì)離子的分布發(fā)生了明顯的變化。并進(jìn)一步證明，在激光退火的過(guò)程中，伴隨著材料的熔化，否則無(wú)法解釋退火前后雜質(zhì)離子的分布。
激光退火之后，離子注人的區(qū)域晶格發(fā)生了顯著的改變。布拉格反射對(duì)退火前后樣品晶格的研究表明，退火之后離子注人區(qū)域的晶格在一維方向存在收縮或者膨脹。
離子背散射的研究表明，注人晶格的離子可以填充晶格空位，并且在晶格中的濃度可以遠(yuǎn)超固體溶解度的極限。這是由于在激光退火的過(guò)程中，材料發(fā)生了相變，在瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)的固液界面發(fā)生了晶體的液相外延生長(zhǎng)。
激光退火可以提升硅太陽(yáng)能電池的電學(xué)特性。相比傳統(tǒng)退火，激光退火后雜質(zhì)濃度可以遠(yuǎn)超平衡固體溶解度極限。硅太陽(yáng)能電池的量子效率有顯著的提升。
激光誘導(dǎo)熔化在材料加工中的應(yīng)用。激光輻射可以通過(guò)激光誘導(dǎo)擴(kuò)散在硅材料中形成大面積的pn節(jié)。它的一個(gè)重要的應(yīng)用是太陽(yáng)能。激光誘導(dǎo)熔化的另一個(gè)應(yīng)用是用于清潔材料表面，比如在硅材料中的金屬銅，它的濃度會(huì)在表面以下有一個(gè)分布，并在材料中形成復(fù)合中心，降低少數(shù)載流子的壽命。激光處理表面之后，金屬銅離子會(huì)聚集于硅材料的表面，便于腐蝕清除。
激光退火技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)界的應(yīng)用
1.在硅太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應(yīng)用
利用激光退火來(lái)使得注人硅材料的雜質(zhì)離子重新分布并激活雜質(zhì)以改善對(duì)應(yīng)的電學(xué)特性，在早期人們已經(jīng)應(yīng)用于硅太陽(yáng)能電池。
從微納米制造工藝方面看，用來(lái)改變硅太陽(yáng)能電池表面的形貌（或者稱之為激光誘導(dǎo)表面粗化技術(shù)），也可以給太陽(yáng)能電池做超飽和化學(xué)摻雜，或者激光誘導(dǎo)表面粗化技術(shù)與超飽和化學(xué)摻雜同時(shí)進(jìn)行。激光輻照之后，在硅表面可以產(chǎn)生納米級(jí)的波紋或者微米級(jí)的錐形結(jié)構(gòu)。激光脈沖通過(guò)在硅表面的掃描，可以實(shí)現(xiàn)大面積的激光誘導(dǎo)粗化，非常適用于工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。
激光誘導(dǎo)粗化處理后的硅樣品，它的低反射率是不受人射光的極化方向和人射方向影響的，如圖1。使用激光誘導(dǎo)粗化處理后的硅制備的太陽(yáng)能電池，最高的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到14.2%，外量子效率在400 nm到1μm的光照下保持在60%到90%之間。而且，硅表面的粗化使用超快激光處理，制造工藝具備高度的可重復(fù)性，硅表面的微納米結(jié)構(gòu)具有高度的一致性，適合于工業(yè)應(yīng)用。
在含有摻雜雜質(zhì)元素的氣氛之下，使用超快激光照射硅襯底表面，在激光誘導(dǎo)熔化硅表面的情形之下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硅襯底表面超劑量的摻雜，被稱之為超摻雜。超摻雜可以在硅材料里邊實(shí)現(xiàn)高濃度的摻雜，濃度可以達(dá)到平衡溶解極限的幾個(gè)數(shù)量級(jí)。除此之外，激光退火亦可以消除太陽(yáng)能電池中的缺陷，提升短路電流。
2.在平板顯示領(lǐng)域的應(yīng)用
晶體硅薄膜晶體管液晶顯示器一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，可以將電路集成于玻璃襯底，而不另外需要硅驅(qū)動(dòng)芯片。
準(zhǔn)分子激光器大規(guī)模應(yīng)用于低溫晶體硅面板的制備工藝已經(jīng)有超過(guò)15年的歷史。隨著LTPS產(chǎn)品市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，LTPS制造技術(shù)的不斷成熟，激光退火技術(shù)在平板顯示領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的作用。
基于非晶硅材料的液晶顯示面板，一般是通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積（Low Pressure Chemical Vapour Deposition，LPCVD）或者是離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical VapourDeposi-tion，PECVD）在玻璃襯底上邊沉積一層薄薄的非晶硅薄膜。鑒于晶體硅相較于非晶硅更加好的電學(xué)特性，更高的電子遷移率和更加穩(wěn)定的化學(xué)特性，激光退火在平板顯示領(lǐng)域被作為一個(gè)重要的基礎(chǔ)方法，用來(lái)將沉積于玻璃襯底之上的非晶硅薄膜轉(zhuǎn)化為晶體硅薄膜，從而制備低溫晶體硅面板。
通常地，非晶硅轉(zhuǎn)化為多晶或者單晶硅，所需溫度需要超過(guò)1200 ℃，遠(yuǎn)高于玻璃襯底所能承受的范圍。面對(duì)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，常規(guī)的退火方式，難以滿足產(chǎn)品的制造需求。而激光退火可以在面板垂直方向保持一個(gè)較大的溫度梯度。給非晶硅薄膜加熱的同時(shí)，不會(huì)影響到玻璃襯底。
3.在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用
依據(jù)摩爾定理，隨著大規(guī)模集成電路集成度不斷的提升，節(jié)、柵極、源漏極等制造工藝所需的退火熱預(yù)算不斷的減少，精細(xì)的退火技術(shù)需要在離子激活、可控離子擴(kuò)散、結(jié)晶質(zhì)量和缺陷修復(fù)等方面不斷的優(yōu)化。
激光退火技術(shù)在集成電路里邊的應(yīng)用，主要在如下三個(gè)方面：
（1)給半導(dǎo)體器件的電極（源、漏、柵極)退火，金屬化形成歐姆接觸；
（2)給集成電路內(nèi)部的連接退火；
（3)給3D的結(jié)構(gòu)做退火，如存儲(chǔ)器、NEMS等的退火。
功率器件如MOSFET、IGBT等存在垂直的結(jié)構(gòu)，在工作的過(guò)程中有垂直方向的電流，背面電極被用來(lái)作為歐姆接觸或者發(fā)射極。這個(gè)背面電極可以方便使用激光退火技術(shù)獲得。IGBT集電極結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)摻雜區(qū)域：P型的表面集電極、掩埋 N 型場(chǎng)截止層，如圖3所示。
另外一種實(shí)現(xiàn)的方式，在背面注人P型的B雜質(zhì)和沉積Ti金屬層后，使用激光退火來(lái)做金屬化，如圖3（底部)所示。Ti金屬層厚度的合理選擇，可以使之成為一層抗反膜和熱吸收層，從而提升激光退火的效率，使得更多的雜質(zhì)激活，獲得更高的摻雜濃度。如圖4所示，同等條件下相比傳統(tǒng)退火方式，LTA退火后B雜質(zhì)的濃度有超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升，從1e16/cm3 到1e18/cm3的級(jí)別，而當(dāng)背面沉積有Ti金屬電極的時(shí)候，B雜質(zhì)的濃度可以達(dá)到1e19/cm3的量級(jí)。
隨著電極和導(dǎo)線尺寸的減小以及芯片內(nèi)互聯(lián)密度的增大，背端線成為激光退火另外一個(gè)重要的應(yīng)用點(diǎn)。激光退火對(duì)材料的改性，可以提升器件的性能，如圖5。
在3D結(jié)構(gòu)中，激光退火用來(lái)給晶體硅做結(jié)晶化。在3D順序集成器件中（圖6)，柵極圖形化之前，激光退火用來(lái)使得非晶層結(jié)晶并激活摻雜雜質(zhì)。優(yōu)化的激光退火參數(shù)，可以達(dá)到較高的激活速率和重結(jié)晶非晶層形成數(shù)百納米范圍的大尺寸晶粒，而對(duì)BEOL層毫無(wú)影響。
3D NAND器件溝道（Channel)的形成過(guò)程中，晶粒尺寸的增大和界面缺陷的減少，可以有效的提升存儲(chǔ)器的特性。隨著溝道尺寸的減小，傳統(tǒng)方法將很難達(dá)到此目的，在電極處沉積的晶體硅不可避免的存在空洞和缺陷。空洞與缺陷的出現(xiàn)，將會(huì)影響接觸電阻以及DRAM的整體性能。退火的時(shí)候，需要避免雜質(zhì)擴(kuò)散到晶體管區(qū)域或者是影響到金屬電極。除此之外，在硅NEMS器件，以及化合物半導(dǎo)體器件如SiC、GaN材料器件里邊，激光退火技術(shù)也有它的用武之地。
4.激光退火技術(shù)在學(xué)術(shù)界的應(yīng)用
近些年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、微納光學(xué)、微納制造等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，在學(xué)術(shù)界引起了廣泛的關(guān)注。
a. 可以將波長(zhǎng)為405 nm、450 nm以及660 nm的激光引入鈣鈦礦電池的制作工藝中，通過(guò)激光斑點(diǎn)對(duì)鈣鈦礦薄膜的掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)退火。并通過(guò)掃描電鏡觀察到，如圖7，激射波長(zhǎng)為450 nm的光，可以在鈣鈦礦薄膜的晶界產(chǎn)生最大的溫度梯度，從而提供最大的生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力。
相同工藝條件下，不同退火方法制備完成的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的特性曲線見(jiàn)圖8。使用激光退火技術(shù)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出更加高的功率轉(zhuǎn)化效率(Power Conversion Ef- ficiency，PCE>20%)和更高外量子效率(External Quantum Efficiency，EQE)。而使用傳統(tǒng)的熱退火方式制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，它的最大功率轉(zhuǎn)化效率要低2個(gè)百分點(diǎn)(～18 %)。
b.激光退火技術(shù)還可應(yīng)用于微納米光子學(xué)領(lǐng)域，改變納米多孔金(Nanopo- rous Gold，NPG)的表面形貌，從而調(diào)諧NPG的消光光譜，并應(yīng)用于表面增強(qiáng)型拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)。如圖9，隨著激光強(qiáng)度的增加，NPG的直徑逐漸減小，納米空隙的尺寸逐漸增大。激光退火技術(shù)可用來(lái)給TiO2退火，并應(yīng)用于新型的納米器件，避免了高溫的產(chǎn)生并縮短了退火時(shí)間。
小 結(jié)
在微納光學(xué)和微納制造領(lǐng)域，激光退火可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品微小區(qū)域的精準(zhǔn)退火，對(duì)熱量進(jìn)行精確的控制，從而實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)的制備。在鈣鈦礦電池、學(xué)屬微納結(jié)構(gòu)、氧化鈦納米材料、二維材料等等眾多需要微納加工的方向，都是激光退火的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在成熟的半導(dǎo)體工業(yè)界，激光退火設(shè)備將更加廣泛的應(yīng)用于各類半導(dǎo)體器件的工藝制作。
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