金屬氧化物薄膜晶體管的激光退火

寧洪龍， 鄧宇熹， 黃健朗， 羅子龍， 胡潤東， 劉賢哲， 王一平， 邱 天， 姚日暉*， 彭俊彪

(1. 華南理工大學 發光材料與器件國家重點實驗室，高分子光電材料與器件研究所，廣東 廣州 510641；2. 南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016；3. 五邑大學 智能制造學部，廣東 江門 529000)

1 引 言

2019年，曲面屏和全面屏席卷了顯示市場，成為電子顯示行業的最大熱點之一。低溫、低成本及大尺寸的柔性顯示背板制備技術受到了廣泛關注。薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)作為像素中的開關元器件[1]，是顯示產業的基礎技術和核心技術。其中，MOTFT具有遷移率較高(10～100 cm2/V·s)、工藝簡單、低溫制備工藝、低成本、高透明、非晶結構，優異的大面積均勻性等優點，符合于大尺寸、柔性等未來顯示制備方向的需求[2-3]。在MOTFT的制備中，一般需要通過后退火工藝對器件進行性能提升和穩定化。激光退火瞬間產生熱效應，使薄膜獲得與熱退火相同的熱效應。而區別于傳統熱退火，激光退火有處理速度快、熱積累少和散熱快的優點。而激光退火的短熱驅動時間還能減少襯底雜質向薄膜的擴散[4]。同時，激光退火是自上而下的工藝，會在薄膜中形成溫度梯度[5]，薄膜表面溫度高，襯底溫度低，有效減少了退火對襯底的損傷。因此，激光退火工藝更適用于大尺寸、柔性顯示背板的制備。

本文綜述了MOTFT激光退火工藝的關鍵參數，并從薄膜到器件系統介紹了MOTFT激光退火的研究現狀，分析了激光對金屬氧化物薄膜及MOTFT的作用機理，最后總結了現在激光退火工藝技術存在的問題并展望了金屬氧化物薄膜和MOTFT激光退火的發展前景。

2 激光退火對薄膜的作用

激光照射金屬氧化物薄膜后，被激發的載流子會依次發生4個過程：(1)載流子激發；(2)熱弛豫；(3)載流子復合；(4)熱效應和結構效應[6]。圖1為經過激光激發后固體中各種電子和晶格效應的發生時間，每個綠色條代表1017～1022cm-3載流子密度下特征時間的大概范圍。這4個效應會在激光退火過程中同時存在，其發生機理取決于退火激光的波長、能量密度、脈沖寬度等參數[7]，下面將具體介紹這些影響因素的作用。

圖1 激光激發后固體中各種電子和晶格效應的發生時間[6]

2.1 激光波長

根據比爾-蘭伯特定律，激光的輻射強度在薄膜內部衰減[8-9]，其衰減規律如公式(1)：

I(z)=I0e-αz

，

(1)

其中:I0是經過反射損耗后薄膜表面以下的激光強度，I(z)是薄膜表面下深度為z的激光強度，α是薄膜的吸收系數。一定波長的激光對薄膜的穿透深度與吸收系數有關[10]，如公式(2)所示：

，

(2)

其中:δ是穿透厚度，ke是消光系數。激光對金屬氧化物薄膜的穿透厚度如圖2所示，比較不同波長的激光對金屬氧化物膜(≈1～10 μm)的光穿透厚度：λ為激光波長，A為吸收系數，δ是光穿透厚度，T是光透射率。紫外激光對金屬氧化物薄膜穿透厚度較淺[7,11-12]，適用于較薄的薄膜(<300 nm)退火。Haribabu Palneedi等人采用560 nm的激光退火4 μm的可見光半透明Pb(Zr,Ti)O3薄膜，發現激光會對薄膜中間層進行直接加熱，表面和底層通過熱擴散間接加熱，不會對襯底造成損傷[13]。C.S.Sandu等人發現，193 nm和248 nm激光對SnO2薄膜穿透厚度不同(分別為66 nm和148 nm)，導致了不同的晶化效果，193 nm激光照射后薄膜有更明顯的結晶梯度[14]。

圖2 不同波長激光在金屬氧化物半導體膜的光穿透深度[7]

2.2 激光能量密度

激光的能量密度是脈沖激光退火的關鍵參數。一定能量密度的激光能誘導薄膜表面粒子產生熱運動，從而修復薄膜表面缺陷，使薄膜表面致密化[15-16]，達到閾值能量密度的激光還能誘導薄膜重結晶和非晶薄膜的晶粒生長[17-18]，修復薄膜晶界缺陷，填補內部孔洞和微裂紋。Chien-Yie Tsay等人發現， 能量密度350 mJ/cm2的激光均能消除IGZO和IZO薄膜中的有機物，使其獲得均勻平整的表面[19-20]，同時兩種薄膜均保持非晶態。激光退火還能通過對薄膜表面的快速蒸發作用，改善薄膜表面形貌，使薄膜獲得更平整的表面[21-23]。Ya-Hui Yang和W. M. Tsang發現，激光退火能誘導薄膜的晶粒生長，能減少薄膜內部缺陷和晶界對光的散射，從而提高薄膜透射率[24-25]。一定能量密度的激光對薄膜產生的熱效應能通過模擬仿真進行研究，邵景珍等人利用有限元法模擬了KrF準分子激光輻照ZnO薄膜的熱效應，給出了激光輻照后ZnO薄膜的熱流密度隨時間變化的曲線，并計算了薄膜的熔融閾值和熔融深度[26]。

2.3 激光功率

激光的功率是連續激光退火的關鍵參數。與激光能量密度相似，激光退火所產生的熱效應與激光功率的大小相關。李代林等人利用有限元法研究了連續激光作用下的TiO2薄膜的三維溫度場分布，發現TiO2溫度場與激光功率有關，結合實驗分析了激光功率對TiO2薄膜表面形貌、晶相和顏色狀態的影響，研究表明，激光功率為6 W、光斑半徑為3 mm的連續激光輻照TiO2薄膜10 s后獲得的最優處理效果[27]。

2.4 脈沖寬度

金屬氧化物的熱傳遞主要通過聲子熱運動進行，而電子-聲子的耦合放熱時間τe-q與激光脈沖寬度τp有關[28-30]。當τp>τe-q時，主要發生熱力學過程，激光誘導薄膜宏觀溫度的升高；當τp<τe-q時，主要發生非熱力學過程，光子能量在晶格振動前被電子吸收，從而使固體表面瞬間升溫，這種極端非平衡態會產生高溫、高壓和高密度的等離子體，薄膜表面產生超快非熱融解和激光燒蝕等現象，從而影響薄膜表面形貌。

而激光處理薄膜的損傷閾值也與脈沖寬度有關，Wolfe給出了傷閾值與脈寬的關系式：

，

(3)

其中：Dth是損傷閾值，tp是脈寬。因此，損傷閾值是隨著脈寬的增大而增大的。但脈沖寬度對薄膜的作用并不都呈現上述關系。根據多光子吸收模型的機理解釋，當Eg?h?時，損傷閾值與脈沖寬度無關；當Eg?h?時，損傷閾值與脈沖寬度呈線性關系[31]。

2.5 重復頻率

重復頻率是脈沖激光退火的時間參數，影響著退火過程中熱積累和熱傳遞的過程[32]。重復頻率與激光平均功率的關系如公式(4)所示：

PM=EP×fpulse

，

(4)

其中:PM是激光平均功率，EP是脈沖能量，fpulse是脈沖重復頻率。當重復退火激光頻率過低，會因快速熱擴散使退火區的熱效應不足[33]。而Buerle D等人發現，高重復頻率激光會在輻照區形成顆粒屏蔽效應[34]，從而影響下一次脈沖對薄膜表面的熱效應。

2.6 退火氣氛

由于空氣中的激光退火引入的氧缺陷會增加薄膜帶尾態密度，影響TFT性能，這種缺陷往往難以通過鈍化技術進行修復，因此激光退火通常采用真空或惰性氣氛環境，從而減少空氣中水分和氧氣等對薄膜性能的影響[35-37]。而氣氛的種類和壓強等會影響薄膜激光退火后的表面形貌、顆粒大小，從而影響薄膜的光學性能[38]。其中，高熱導率氣體會因為激光誘導的熱碰撞而迅速冷卻，減少熱效應的產生，從而降低薄膜的表面粗糙度和晶粒大小[39-41]。一般在熱導率高的氣氛下退火，薄膜的表面更平整，晶粒尺寸更小。

3 激光退火對MOTFT的作用

激光退火對MOTFT溝道層的載流子激發后，所產生的效應會改變薄膜的表面形貌、化學成分和晶格結構等，從而影響其器件性能，主要體現在遷移率、閾值電壓(Vth)、亞閾值擺幅(SS)等性能的改善。

3.1 表面形貌改善對TFT性能影響

由于薄膜表面缺陷多、不平整而導致TFT的界面缺陷多、層間接觸電阻大等問題會顯著影響TFT的性能，因此在TFT制備過程中對溝道層表面形貌的優化尤為重要。由于激光退火是一種由上至下的工藝，熱效應的形成一般從薄膜表面開始進行，因此激光退火對薄膜表面的作用是顯著的，激光退火對TFT層間界面缺陷的修復與表面形貌優化的過程相似。利用這一點可以通過激光退火提高TFT器件性能。

研究表明，溝道層薄膜表面形貌的改善與層間界面缺陷的修復有利于改善TFT遷移率、亞閾值擺幅等性能[42-44]。圖3為經過激光退火改善表面形貌后TFT的性能變化。Hau-Yuan Huang等人發現，在300 mJ/cm2能量密度激光退火后IGZO-TFT的遷移率由4.7 cm2/V·s上升到17.8 cm2/V·s，SS由0.1 V/dec下降到0.075 V/dec[45]。Cihai Chen等人發現，通過激光誘導致密化可修復溝道和介電層之間的缺陷，從而優化TFT性能，且性能隨激光能量密度上升(41～99 mJ/cm2)而提高，如IZO-TFT的遷移率由2.8 cm2/V·s上升到9.0 cm2/V·s，SS由0.9 V/dec下降到0.62 V/dec，閾值電壓負飄，由1.4 V變為-2.5 V[46-47]。Juan Paolo S. Bermundo等人發現，一定能量密度的激光退火能有效改善溝道表面形貌及修復界面缺陷，從而有效調節IGZO-TFT的閾值電壓[48]。

圖3 (a)IGZO薄膜的SPM圖[20]；(b)不同能量密度激光退火的IGZO-TFT的IDS-VGS特性曲線[44]；(c)KrF激光退火的Mo/Au電極TFT輸出特性曲線；(d)激光退火后Au/Mo/IGZO/SiO2/Si疊層的STEM橫截面圖像[48]。

3.2 化學成分變化對TFT性能影響

對于MOTFT而言，溝道成分中氧空位的含量是研究重點。如圖4所示，激光誘導形成的氧空位主要有兩個過程：一是通過對化學鍵的解離從而形成的氧空位[49-51]，因此能實現單光子激發的紫外激光更容易破壞金屬氧化物離子鍵的靜電平衡，誘導形成氧空位[52-54],在本課題組的摻硅氧化錫(STO)薄膜激光退火研究中也發現類似規律[55]。二是熱效應導致氧原子的熱運動形成的氧空位，這種效應產生的氧空位會隨退火氣氛中氧氣的含量而變化。激光誘導產生的光輔助縮合及致密化反應能形成更純的金屬氧化物晶格結構，在金屬氧化物晶格中形成的氧空位能更好地促進載流子的傳輸[46,56-58]。由公式(5)可知[59]：

圖4 (a)激光退火前后a-STO薄膜的XPS圖譜[55]；(b)和(c)分別是IZO薄膜XPS圖譜[65]和ELA前后的IZO-TFT的轉移特性曲線[66]； IGZO薄膜XPS圖譜；(d)和(e)分別是藍色激光退火前后a-IGZO-TFT的NBIS圖[72]；(f)不同負偏應力對應的失穩機理示意圖[70]。

，

(5)

而氧空位濃度太高可能會給TFT性能帶來負面影響。激光退火也可以通過減少溝道氧空位來提高TFT性能[64-65]。Cranton W M等人則發現，通過激光退火能同時降低AZO薄膜的氧空位的含量和晶粒處吸附氧的含量，從而優化薄膜晶格結構，使薄膜獲得更優的電學性能[66]，進而提高TFT的性能。這是因為，晶界處吸氧缺陷的降低能減少陷阱能級密度及降低晶粒間電子傳輸的勢壘[67-68]。Seonghyun Jin等人發現，電子-空穴對會影響TFT的光照負偏壓穩定性(NBIS)，他們通過445 nm激光退火，減少了IGZO中的氧空位，從而減少了溝道處電子-空穴對含量，提高了IGZO-TFT的光照負偏壓穩定性[69-72]。此外，氧空位的形成還會降低金屬氧化物薄膜的熱導率[73-74]，會影響多次脈沖照射對薄膜的熱效應。

3.3 晶格結構改善對TFT性能影響

激光退火誘導重結晶能使薄膜形成亞穩缺陷結構，可減小導帶底附近的帶尾態密度，從而提高TFT遷移率和降低閾值電壓[75-76]。激光誘導薄膜重結晶還能減少缺陷能級對載流子的捕獲和晶界對載流子的散射，使薄膜電導率升高，電阻率下降[77-78]，從而提高TFT的開態電流，提高TFT的遷移率和開關比[24,79-80]。

但激光退火誘導晶粒生長也可能對TFT性能造成負面影響。Mitsuru Nakata等人發現，激光誘導IGZO薄膜結晶后，載流子濃度過高，導致溝道耗盡層太寬，難以形成夾斷，使IGZO-TFT關態電流(Ioff)太高，開關比(Ion/Ioff)降低[81]。另一方面，激光誘導結晶會可能會引起溝道的體積膨脹，造成TFT的漏電流增加，Fuminobu Hamano等人通過激光退火后的附加激光輻照工藝減少了這種膨脹效應，降低了器件的漏電流[82]。因此，需要激光退火合理地調控載流子濃度，才能提高TFT的性能。表1總結了合適的激光退火工藝對金屬氧化物TFT性能改善的例子。

表1 激光退火的金屬氧化物TFT性能

4 結 論

激光退火的優良特性已經被廣泛認識，在過去的研究中，激光退火對金屬氧化物薄膜和金屬氧化物薄膜晶體管性能的改善表現出優良的前景。針對金屬氧化物薄膜及其TFT，現在已經研究出一系列的激光退火工藝優化方案，有效地提高了TFT的性能。但是激光退火技術依然存在一些問題，如：(1)退火工藝參數較復雜，導致退火過程的調控比較困難；(2)激光退火中，大多數討論對薄膜的熱效應，激光光子對金屬氧化物半導體薄膜作用的討論較少，需要進一步研究；(3)由于高能量激光會對薄膜表面造成一定程度損傷，影響其對薄膜表面形貌的改善，具體表現在激光退火對TFT亞閾值擺幅的優化不如熱退火。最近的研究中，有通過附加退火步驟、器件老化和制備新型結構TFT等方法來優化TFT的激光退火工藝，豐富了激光退火技術的優化方案。因此，激光退火技術使高性能柔性、大尺寸顯示背板的制備擁有更多可能性，對推動柔性、大尺寸顯示發展具有重要意義。