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文 / 李文兵,汪于濤,駱公序,王麗 上海市激光技術(shù)研究所,上海市激光束精細(xì)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 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)?；?，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),。 自從1975年前蘇聯(lián)科學(xué)家Gerasi-menko開始研究激光退火以來,，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)，在激光退火的過程中單晶硅從熔化的硅表面重新生長(zhǎng),。同年,，通過光學(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,，在激光退火的過程中,，伴隨著材料的熔化，否則無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。 利用激光退火來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)用于硅太陽能電池,。 從微納米制造工藝方面看,，用來改變硅太陽能電池表面的形貌（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能電池中的缺陷,，提升短路電流。 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。 據(jù)Coherent公司市場(chǎng)部的一個(gè)公開報(bào)道,，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,。圖2為Japan
Steel Works公司用于平板顯示的準(zhǔn)分子激光退火系統(tǒng)。  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,、NEM S等的退火。 功率器件如MOSFET,、IGBT等存在垂直的結(jié)構(gòu),，在工作的過程中有垂直方向的電流，背面電極被用來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層毫無影響,。 3D
NAND器件溝道（Channel)的形成過程中，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,。  近些年來，鈣鈦礦太陽能電池,、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，通過激光斑點(diǎn)對(duì)鈣鈦礦薄膜的掃描來實(shí)現(xiàn)退火,。并通過掃描電鏡觀察到,，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能電池的特性曲線見圖8,。使用激光退火技術(shù)的鈣鈦礦太陽能電池表現(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,。  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,。 封面來源：www.opli.net
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