隨著超大規模集成電路(lu)制造技術(shu)、新型薄膜晶體管(guan)顯示(shi)技術(shu)和大面積OLED顯示技(ji)(ji)術的(de)日益成(cheng)熟和規模化(hua)，激光退(tui)(tui)火技(ji)(ji)術逐漸取代(dai)傳統的(de)爐管退(tui)(tui)火、快速熱退(tui)(tui)火、尖峰(feng)退(tui)(tui)火、快閃(shan)退(tui)(tui)火，成(cheng)為(wei)新一代(dai)主流(liu)退(tui)(tui)火技(ji)(ji)術。
激光(guang)退火技術機理研究歷史
自從1975年前蘇聯科學(xue)家Gerasi-menko開始研(yan)(yan)究激(ji)(ji)光(guang)退火以來，此后若干年里，研(yan)(yan)究者對激(ji)(ji)光(guang)退火機理的研(yan)(yan)究產生(sheng)和保(bao)持了濃厚的興趣。
激光(guang)退火一個顯著的特征是(shi)，在超短(duan)的時間(jian)內（數(shu)十(shi)到數(shu)百納秒量級）將高能量密(mi)度的激光(guang)輻照（若干J/cm2）投射(she)在(zai)退火(huo)樣(yang)(yang)品一(yi)個(ge)小區域內，使得樣(yang)(yang)品表面的(de)材(cai)料熔(rong)化并(bing)在(zai)隨(sui)后(hou)的(de)降(jiang)溫過(guo)程中自(zi)然地在(zai)熔(rong)化層(ceng)液相外延(yan)生長出晶體薄(bo)膜，重構熔(rong)化層(ceng)的(de)晶體結(jie)構。在(zai)重構晶體的(de)過(guo)程中，離子注人(ren)導致的(de)晶格損傷被消(xiao)除，摻雜(za)雜(za)質在(zai)高溫下擴散并(bing)重新分布，雜(za)質原(yuan)子溶(rong)解于晶體，被激活釋放出空穴或者電(dian)子。
1978年，研究人員通過(guo)對硅(gui)晶體表面(mian)時變的(de)(de)反射率測試證(zheng)實，在激(ji)光退火的(de)(de)過(guo)程中單晶硅(gui)從熔化的(de)(de)硅(gui)表面(mian)重(zhong)新生長(chang)。同年，通過(guo)光學顯(xian)微鏡(jing)觀(guan)測到了激(ji)光退火后的(de)(de)摻雜硅(gui)表面(mian)形成了周期(qi)排列的(de)(de)波紋，且(qie)波紋的(de)(de)方(fang)向(xiang)與激(ji)光的(de)(de)偏振(zhen)方(fang)向(xiang)相關。
與此同時(shi)，對(dui)激光退火所導(dao)致的(de)硅材料表(biao)面(mian)熔(rong)化的(de)熱力學模型與數學方法的(de)研究，也幾乎在(zai)同步進行。在(zai)上世紀70年(nian)代末80年代初，White、B.C. Larson、Porter、Young等先后對激光退火(huo)的機理進(jin)行了一系(xi)列的研究，并得到了如(ru)下(xia)幾點結論:
激光(guang)退火可以顯著的去除晶(jing)格損傷。使用(yong)TEM和盧瑟福背(bei)散射對激光(guang)退(tui)火(huo)后樣品晶格(ge)損(sun)傷(shang)的研(yan)究(jiu)，表明激光(guang)退(tui)火(huo)可以更加(jia)有效的消(xiao)除位(wei)錯和晶格(ge)損(sun)傷(shang)，并保持晶格(ge)的排列。
激(ji)光(guang)退(tui)火可以改變摻雜形貌(mao)。使用二(er)次(ci)離子(zi)散(san)射(she)對(dui)激(ji)光(guang)退(tui)火后(hou)樣品的(de)研究，則表明退(tui)火前后(hou)雜質離子(zi)的(de)分布(bu)發生了(le)明顯的(de)變化。并進一步證明，在激(ji)光(guang)退(tui)火的(de)過程中(zhong)，伴隨著材料的(de)熔(rong)化，否則無法解釋(shi)退(tui)火前后(hou)雜質離子(zi)的(de)分布(bu)。
激光退(tui)火之后(hou)，離子注(zhu)人的區(qu)(qu)域晶(jing)(jing)格發(fa)生了顯著的改變。布拉格反(fan)射對退(tui)火前后(hou)樣(yang)品晶(jing)(jing)格的研究表明(ming)，退(tui)火之后(hou)離子注(zhu)人區(qu)(qu)域的晶(jing)(jing)格在(zai)一維(wei)方向存在(zai)收縮或者膨脹。
離(li)子背(bei)散(san)射(she)的(de)研(yan)究表明，注人晶(jing)格的(de)離(li)子可(ke)以填充晶(jing)格空位，并且在晶(jing)格中的(de)濃度(du)可(ke)以遠超固體溶解(jie)度(du)的(de)極(ji)限。這是由于(yu)在激光退火的(de)過程(cheng)中，材料發生(sheng)了相變，在瞬(shun)態運動的(de)固液(ye)界面發生(sheng)了晶(jing)體的(de)液(ye)相外延生(sheng)長。
激光退(tui)火(huo)可(ke)以提(ti)升硅(gui)太陽(yang)能電池(chi)的(de)電學(xue)特性。相(xiang)比傳統退(tui)火(huo)，激光退(tui)火(huo)后雜質濃(nong)度可(ke)以遠超平衡固體溶(rong)解度極(ji)限(xian)。硅(gui)太陽(yang)能電池(chi)的(de)量子效率有(you)顯著的(de)提(ti)升。
激(ji)光誘導熔化(hua)在材(cai)料加工(gong)中(zhong)的(de)應用(yong)。激(ji)光輻射(she)可以(yi)通(tong)過激(ji)光誘導擴散(san)在硅(gui)材(cai)料中(zhong)形(xing)成大面積的(de)pn節(jie)。它的一(yi)(yi)個重要的應(ying)用(yong)是(shi)太陽能。激光(guang)誘導熔化(hua)的另一(yi)(yi)個應(ying)用(yong)是(shi)用(yong)于(yu)清潔材(cai)料(liao)表面(mian)(mian)，比如在(zai)硅(gui)材(cai)料(liao)中(zhong)(zhong)的金屬銅(tong)，它的濃度會在(zai)表面(mian)(mian)以(yi)下有一(yi)(yi)個分布(bu)，并(bing)在(zai)材(cai)料(liao)中(zhong)(zhong)形成復合中(zhong)(zhong)心，降低(di)少(shao)數(shu)載(zai)流子的壽(shou)命。激光(guang)處理表面(mian)(mian)之后，金屬銅(tong)離子會聚集于(yu)硅(gui)材(cai)料(liao)的表面(mian)(mian)，便于(yu)腐蝕清除。
激光(guang)退火(huo)技術在半導體(ti)工業界的應(ying)用
1.在硅太陽能電池領域的應用
利用(yong)激光退火來(lai)使得注人硅(gui)材料的(de)雜質離子重(zhong)新分(fen)布并激活雜質以(yi)改(gai)善(shan)對(dui)應的(de)電學特性，在早期人們已經應用(yong)于(yu)硅(gui)太陽(yang)能(neng)電池。
從微納(na)米(mi)制造工(gong)藝方(fang)面看，用來改變硅(gui)(gui)太(tai)陽(yang)能電池表面的(de)(de)形貌（或者稱(cheng)之為激(ji)(ji)光(guang)誘(you)導(dao)表面粗(cu)化(hua)(hua)技(ji)術），也可以給太(tai)陽(yang)能電池做超飽和(he)化(hua)(hua)學摻雜，或者激(ji)(ji)光(guang)誘(you)導(dao)表面粗(cu)化(hua)(hua)技(ji)術與超飽和(he)化(hua)(hua)學摻雜同時進(jin)行。激(ji)(ji)光(guang)輻(fu)照(zhao)之后(hou)，在(zai)硅(gui)(gui)表面可以產生納(na)米(mi)級(ji)的(de)(de)波紋或者微米(mi)級(ji)的(de)(de)錐(zhui)形結構。激(ji)(ji)光(guang)脈沖(chong)通(tong)過在(zai)硅(gui)(gui)表面的(de)(de)掃描(miao)，可以實現大(da)面積的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)誘(you)導(dao)粗(cu)化(hua)(hua)，非(fei)常適(shi)用于(yu)工(gong)業(ye)大(da)規模應用。
激光誘導粗化處理后(hou)的硅樣品(pin)，它的低(di)反射(she)(she)率是(shi)不受人(ren)射(she)(she)光的極化方向(xiang)和人(ren)射(she)(she)方向(xiang)影響的，如圖1。使用激光誘(you)導粗化(hua)處理后的(de)硅(gui)制備的(de)太陽能電池，最高的(de)能量轉化(hua)效(xiao)率達到14.2%，外(wai)量(liang)子(zi)效率(lv)在400 nm到1μm的光照下保(bao)持在(zai)60%到90%之間(jian)。而且，硅(gui)表面的粗化使(shi)用超快激(ji)光處(chu)理，制造工(gong)藝(yi)具備高度(du)(du)的可重(zhong)復性(xing)，硅(gui)表面的微納(na)米結構具有高度(du)(du)的一致(zhi)性(xing)，適合于工(gong)業應用。
在含有摻(chan)(chan)雜(za)(za)雜(za)(za)質元素的(de)氣氛之(zhi)下(xia)，使用(yong)超快激光(guang)(guang)照射硅(gui)(gui)(gui)襯底表(biao)面(mian)，在激光(guang)(guang)誘導熔化硅(gui)(gui)(gui)表(biao)面(mian)的(de)情形之(zhi)下(xia)可(ke)以(yi)(yi)實(shi)現對(dui)硅(gui)(gui)(gui)襯底表(biao)面(mian)超劑量的(de)摻(chan)(chan)雜(za)(za)，被稱(cheng)之(zhi)為超摻(chan)(chan)雜(za)(za)。超摻(chan)(chan)雜(za)(za)可(ke)以(yi)(yi)在硅(gui)(gui)(gui)材料里(li)邊實(shi)現高濃度的(de)摻(chan)(chan)雜(za)(za)，濃度可(ke)以(yi)(yi)達到平衡溶(rong)解極限的(de)幾個數量級。除(chu)此之(zhi)外，激光(guang)(guang)退火亦可(ke)以(yi)(yi)消(xiao)除(chu)太陽能電池中(zhong)的(de)缺陷，提升短路電流。
2.在平板顯示領域的應用(yong)
晶體(ti)硅薄膜晶體(ti)管(guan)液晶顯示(shi)器一個顯著的優點是，可以將(jiang)電路集成于玻璃襯底，而不(bu)另(ling)外需要(yao)硅驅動芯(xin)片。
準分子激(ji)光(guang)器(qi)大規模應用于(yu)低溫(wen)晶體硅面板(ban)的制備工(gong)藝已經有(you)超(chao)過(guo)15年的(de)歷(li)史。隨著(zhu)LTPS產品市場需求的不斷增長，LTPS制造技術的不(bu)斷成熟，激光退火技術在平板(ban)顯示領(ling)域扮(ban)演著越來越重要的作用。
基于非(fei)晶(jing)硅材料(liao)的液晶(jing)顯示面板(ban)，一般是通過低壓化學氣(qi)相沉積（Low Pressure Chemical Vapour Deposition，LPCVD）或者是(shi)離子增強型化學氣相沉(chen)積（Plasma Enhanced Chemical VapourDeposi-tion，PECVD）在玻璃襯(chen)底上邊沉(chen)積(ji)一層薄(bo)薄(bo)的非(fei)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)。鑒于(yu)晶(jing)(jing)(jing)體硅(gui)(gui)相較于(yu)非(fei)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)更加好的電學(xue)特(te)(te)性，更高(gao)的電子遷移率和更加穩定的化(hua)學(xue)特(te)(te)性，激光退火(huo)在平(ping)板(ban)顯(xian)示領域被作為(wei)(wei)一個重要的基礎方(fang)法，用來(lai)將沉(chen)積(ji)于(yu)玻璃襯(chen)底之上的非(fei)晶(jing)(jing)(jing)硅(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)轉化(hua)為(wei)(wei)晶(jing)(jing)(jing)體硅(gui)(gui)薄(bo)膜(mo)，從而制(zhi)備低溫(wen)晶(jing)(jing)(jing)體硅(gui)(gui)面板(ban)。
通常(chang)地，非(fei)晶硅轉化為多晶或者單晶硅，所需(xu)溫度需(xu)要超過(guo)1200 ℃，遠高于(yu)玻(bo)璃(li)襯底(di)所能承受的(de)范圍。面(mian)對大(da)規模的(de)工(gong)業生產，常規的(de)退火方式，難以滿足產品(pin)的(de)制造(zao)需求(qiu)。而激光退火可(ke)以在(zai)面(mian)板垂直方向保(bao)持(chi)一個較(jiao)大(da)的(de)溫度梯度。給非晶(jing)硅薄膜加熱的(de)同時，不會(hui)影響到玻(bo)璃(li)襯底(di)。
3.在集成電(dian)路領域的應用
依據摩爾定(ding)理(li)，隨著大規(gui)模集成電路集成度(du)不(bu)斷的(de)提(ti)升，節、柵極、源漏極等制造工(gong)藝(yi)所(suo)需(xu)的(de)退(tui)火(huo)熱(re)預算不(bu)斷的(de)減少，精細(xi)的(de)退(tui)火(huo)技(ji)術需(xu)要在離子(zi)激活、可(ke)控離子(zi)擴散、結晶質量(liang)和缺陷修(xiu)復等方面不(bu)斷的(de)優化。
激光(guang)退火技術在集成電路(lu)里邊(bian)的應用，主(zhu)要在如下三(san)個方面：
（1)給半導體器(qi)件的電極（源、漏、柵極)退火(huo)，金屬化形(xing)成(cheng)歐姆接(jie)觸；
（2)給集成電路內部的連接退火；
（3)給3D的結構做(zuo)退火，如(ru)存(cun)儲(chu)器、NEMS等(deng)的退火。
功率(lv)器件(jian)如MOSFET、IGBT等存在(zai)垂(chui)直的(de)結構(gou)，在(zai)工作的(de)過程中有垂(chui)直方向的(de)電(dian)流(liu)，背面電(dian)極(ji)被用(yong)來作為歐姆接觸或者(zhe)發(fa)射極(ji)。這(zhe)個背面電(dian)極(ji)可以方便使用(yong)激(ji)光退火技術獲(huo)得。IGBT集電極結構包(bao)括(kuo)兩個摻(chan)雜區域：P型的表(biao)面集(ji)電極、掩埋 N 型場截止層，如圖(tu)3所示。
另(ling)外(wai)一種實現的方(fang)式，在背(bei)面(mian)注人(ren)P型的B雜(za)質和沉(chen)積(ji)Ti金屬層后，使用激光退火來做(zuo)金屬化，如圖3（底部)所(suo)示。Ti金屬層(ceng)厚度(du)的(de)合理選擇，可以使(shi)之成為一(yi)層(ceng)抗反膜和熱吸(xi)收層(ceng)，從而提升激光退火(huo)的(de)效率，使(shi)得(de)更多(duo)的(de)雜質激活(huo)，獲得(de)更高的(de)摻雜濃度(du)。如(ru)圖4所示(shi)，同等條件(jian)下相比傳統退火方(fang)式，LTA退火后B雜質的(de)濃度(du)有超過一(yi)個數(shu)量級的(de)提升，從1e16/cm3 到1e18/cm3的級別，而當背(bei)面沉(chen)積有(you)Ti金屬(shu)電極(ji)的時候，B雜質的濃度可以達到1e19/cm3的量級。
隨著電(dian)極和導線尺寸(cun)的(de)減小(xiao)以及芯(xin)片內(nei)互(hu)聯密度的(de)增大，背端線成為激(ji)光退火另外(wai)一個(ge)重要(yao)的(de)應用點。激(ji)光退火對材料(liao)的(de)改(gai)性，可(ke)以提升(sheng)器件的(de)性能，如圖(tu)5。
在3D結構中(zhong)，激(ji)光退火用來給晶(jing)體(ti)硅做結晶(jing)化。在3D順序集成器件中（圖6)，柵極圖形化之(zhi)前，激光(guang)退(tui)火用來使得非晶層結晶并激活摻雜(za)(za)雜(za)(za)質(zhi)。優化的(de)激光(guang)退(tui)火參數，可以達到(dao)較高(gao)的(de)激活速(su)率(lv)和重(zhong)結晶非晶層形成數百納米(mi)范(fan)圍的(de)大(da)尺寸晶粒(li)，而對BEOL層毫無影響。
3D NAND器件溝道（Channel)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成過(guo)程中(zhong)，晶(jing)粒尺寸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)大和界面缺(que)(que)陷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)減少，可以有效的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提升存儲(chu)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)特性。隨著溝道尺寸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)減小，傳統方法將很(hen)難達到此目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，在電極(ji)處沉(chen)積的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)體硅不可避免的(de)(de)(de)(de)(de)(de)存在空洞和缺(que)(que)陷。空洞與缺(que)(que)陷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)出(chu)現，將會影響接(jie)觸電阻(zu)以及(ji)DRAM的整體(ti)性能。退火的時候(hou)，需要避免雜質擴(kuo)散到晶體(ti)管(guan)區域或者(zhe)是影響到金屬電極。除此之(zhi)外，在(zai)硅NEMS器(qi)(qi)件，以及化(hua)合物(wu)半導(dao)體器(qi)(qi)件如SiC、GaN材料器(qi)件(jian)里邊，激光退火(huo)技術(shu)也(ye)有它的用武之地。
4.激光退(tui)火技術在學術界的應用
近些年來，鈣鈦(tai)礦太陽(yang)能電池、微(wei)納光學、微(wei)納制造(zao)等熱點研究領域(yu)，在(zai)學術界(jie)引(yin)起(qi)了(le)廣(guang)泛的關注(zhu)。
a. 可以將(jiang)波長為405 nm、450 nm以及660 nm的(de)激光引入鈣(gai)鈦礦電池的(de)制作(zuo)工藝中，通過激光斑(ban)點(dian)對鈣(gai)鈦礦薄膜的(de)掃描來實現退(tui)火。并(bing)通過掃描電鏡觀察到，如圖7，激射(she)波長為450 nm的(de)光，可以在鈣鈦礦薄(bo)膜的(de)晶界產生最(zui)大(da)的(de)溫度梯度，從而提供最(zui)大(da)的(de)生長驅動力(li)。
相同(tong)工藝(yi)條件(jian)下，不同(tong)退火方法制備(bei)完(wan)成的鈣鈦礦太陽能電池(chi)的特性曲線見圖8。使用激光(guang)退火(huo)技術的(de)鈣(gai)鈦礦太陽能(neng)電池(chi)表現出更加高(gao)的(de)功率(lv)轉(zhuan)化(hua)效(xiao)率(lv)(Power Conversion Ef- ficiency，PCE>20%)和更高外量子效率(External Quantum Efficiency，EQE)。而使(shi)用(yong)傳(chuan)統(tong)的(de)熱退火方式制備(bei)的(de)鈣鈦礦太(tai)陽能(neng)電池，它的(de)最大功率(lv)轉化效率(lv)要(yao)低(di)2個百(bai)分點(～18 %)。
b.激光退火技術還(huan)可(ke)應用于微納米光子(zi)學(xue)領(ling)域，改(gai)變納米多孔金(Nanopo- rous Gold，NPG)的表(biao)面形貌(mao)，從而調(diao)諧NPG的消光光譜，并(bing)應(ying)用于表面增強型拉曼散射(she)(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)。如(ru)圖9，隨著(zhu)激(ji)光強度的(de)增加，NPG的直徑逐(zhu)(zhu)漸(jian)減小，納米空隙的尺寸逐(zhu)(zhu)漸(jian)增大。激光退(tui)火技術(shu)可(ke)用來給TiO2退火，并應用(yong)于新型(xing)的納米器(qi)件，避免了高(gao)溫的產生并縮短(duan)了退火時間(jian)。
小 結
在微(wei)納光學和微(wei)納制(zhi)造領域，激(ji)光退火(huo)可(ke)以(yi)實現對(dui)樣品微(wei)小(xiao)區域的(de)(de)精(jing)準退火(huo)，對(dui)熱量進行(xing)精(jing)確的(de)(de)控制(zhi)，從而實現更加(jia)精(jing)細的(de)(de)結構(gou)的(de)(de)制(zhi)備。在鈣鈦(tai)礦電池(chi)、學屬微(wei)納結構(gou)、氧化鈦(tai)納米材(cai)料、二(er)維材(cai)料等(deng)(deng)等(deng)(deng)眾(zhong)多(duo)需(xu)要(yao)微(wei)納加(jia)工(gong)的(de)(de)方向，都(dou)是激(ji)光退火(huo)的(de)(de)重要(yao)應(ying)用領域。在成熟的(de)(de)半導體工(gong)業界，激(ji)光退火(huo)設備將更加(jia)廣泛的(de)(de)應(ying)用于各(ge)類半導體器件的(de)(de)工(gong)藝制(zhi)作。
