金属氧化物薄膜晶体管的激光退火

宁洪龙， 邓宇熹， 黄健朗， 罗子龙， 胡润东， 刘贤哲， 王一平， 邱 天， 姚日晖*， 彭俊彪

(1. 华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室，高分子光电材料与器件研究所，广东 广州 510641；2. 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016；3. 五邑大学 智能制造学部，广东 江门 529000)

1 引 言

2019年，曲面屏和全面屏席卷了显示市场，成为电子显示行业的最大热点之一。低温、低成本及大尺寸的柔性显示背板制备技术受到了广泛关注。薄膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)作为像素中的开关元器件[1]，是显示产业的基础技术和核心技术。其中，MOTFT具有迁移率较高(10～100 cm2/V·s)、工艺简单、低温制备工艺、低成本、高透明、非晶结构，优异的大面积均匀性等优点，符合于大尺寸、柔性等未来显示制备方向的需求[2-3]。在MOTFT的制备中，一般需要通过后退火工艺对器件进行性能提升和稳定化。激光退火瞬间产生热效应，使薄膜获得与热退火相同的热效应。而区别于传统热退火，激光退火有处理速度快、热积累少和散热快的优点。而激光退火的短热驱动时间还能减少衬底杂质向薄膜的扩散[4]。同时，激光退火是自上而下的工艺，会在薄膜中形成温度梯度[5]，薄膜表面温度高，衬底温度低，有效减少了退火对衬底的损伤。因此，激光退火工艺更适用于大尺寸、柔性显示背板的制备。

本文综述了MOTFT激光退火工艺的关键参数，并从薄膜到器件系统介绍了MOTFT激光退火的研究现状，分析了激光对金属氧化物薄膜及MOTFT的作用机理，最后总结了现在激光退火工艺技术存在的问题并展望了金属氧化物薄膜和MOTFT激光退火的发展前景。

2 激光退火对薄膜的作用

激光照射金属氧化物薄膜后，被激发的载流子会依次发生4个过程：(1)载流子激发；(2)热弛豫；(3)载流子复合；(4)热效应和结构效应[6]。图1为经过激光激发后固体中各种电子和晶格效应的发生时间，每个绿色条代表1017～1022cm-3载流子密度下特征时间的大概范围。这4个效应会在激光退火过程中同时存在，其发生机理取决于退火激光的波长、能量密度、脉冲宽度等参数[7]，下面将具体介绍这些影响因素的作用。

图1 激光激发后固体中各种电子和晶格效应的发生时间[6]

2.1 激光波长

根据比尔-兰伯特定律，激光的辐射强度在薄膜内部衰减[8-9]，其衰减规律如公式(1)：

I(z)=I0e-αz

，

(1)

其中:I0是经过反射损耗后薄膜表面以下的激光强度，I(z)是薄膜表面下深度为z的激光强度，α是薄膜的吸收系数。一定波长的激光对薄膜的穿透深度与吸收系数有关[10]，如公式(2)所示：

，

(2)

其中:δ是穿透厚度，ke是消光系数。激光对金属氧化物薄膜的穿透厚度如图2所示，比较不同波长的激光对金属氧化物膜(≈1～10 μm)的光穿透厚度：λ为激光波长，A为吸收系数，δ是光穿透厚度，T是光透射率。紫外激光对金属氧化物薄膜穿透厚度较浅[7,11-12]，适用于较薄的薄膜(<300 nm)退火。Haribabu Palneedi等人采用560 nm的激光退火4 μm的可见光半透明Pb(Zr,Ti)O3薄膜，发现激光会对薄膜中间层进行直接加热，表面和底层通过热扩散间接加热，不会对衬底造成损伤[13]。C.S.Sandu等人发现，193 nm和248 nm激光对SnO2薄膜穿透厚度不同(分别为66 nm和148 nm)，导致了不同的晶化效果，193 nm激光照射后薄膜有更明显的结晶梯度[14]。

图2 不同波长激光在金属氧化物半导体膜的光穿透深度[7]

2.2 激光能量密度

激光的能量密度是脉冲激光退火的关键参数。一定能量密度的激光能诱导薄膜表面粒子产生热运动，从而修复薄膜表面缺陷，使薄膜表面致密化[15-16]，达到阈值能量密度的激光还能诱导薄膜重结晶和非晶薄膜的晶粒生长[17-18]，修复薄膜晶界缺陷，填补内部孔洞和微裂纹。Chien-Yie Tsay等人发现， 能量密度350 mJ/cm2的激光均能消除IGZO和IZO薄膜中的有机物，使其获得均匀平整的表面[19-20]，同时两种薄膜均保持非晶态。激光退火还能通过对薄膜表面的快速蒸发作用，改善薄膜表面形貌，使薄膜获得更平整的表面[21-23]。Ya-Hui Yang和W. M. Tsang发现，激光退火能诱导薄膜的晶粒生长，能减少薄膜内部缺陷和晶界对光的散射，从而提高薄膜透射率[24-25]。一定能量密度的激光对薄膜产生的热效应能通过模拟仿真进行研究，邵景珍等人利用有限元法模拟了KrF准分子激光辐照ZnO薄膜的热效应，给出了激光辐照后ZnO薄膜的热流密度随时间变化的曲线，并计算了薄膜的熔融阈值和熔融深度[26]。

2.3 激光功率

激光的功率是连续激光退火的关键参数。与激光能量密度相似，激光退火所产生的热效应与激光功率的大小相关。李代林等人利用有限元法研究了连续激光作用下的TiO2薄膜的三维温度场分布，发现TiO2温度场与激光功率有关，结合实验分析了激光功率对TiO2薄膜表面形貌、晶相和颜色状态的影响，研究表明，激光功率为6 W、光斑半径为3 mm的连续激光辐照TiO2薄膜10 s后获得的最优处理效果[27]。

2.4 脉冲宽度

金属氧化物的热传递主要通过声子热运动进行，而电子-声子的耦合放热时间τe-q与激光脉冲宽度τp有关[28-30]。当τp>τe-q时，主要发生热力学过程，激光诱导薄膜宏观温度的升高；当τp<τe-q时，主要发生非热力学过程，光子能量在晶格振动前被电子吸收，从而使固体表面瞬间升温，这种极端非平衡态会产生高温、高压和高密度的等离子体，薄膜表面产生超快非热融解和激光烧蚀等现象，从而影响薄膜表面形貌。

而激光处理薄膜的损伤阈值也与脉冲宽度有关，Wolfe给出了伤阈值与脉宽的关系式：

，

(3)

其中：Dth是损伤阈值，tp是脉宽。因此，损伤阈值是随着脉宽的增大而增大的。但脉冲宽度对薄膜的作用并不都呈现上述关系。根据多光子吸收模型的机理解释，当Eg≪hϖ时，损伤阈值与脉冲宽度无关；当Eg≫hϖ时，损伤阈值与脉冲宽度呈线性关系[31]。

2.5 重复频率

重复频率是脉冲激光退火的时间参数，影响着退火过程中热积累和热传递的过程[32]。重复频率与激光平均功率的关系如公式(4)所示：

PM=EP×fpulse

，

(4)

其中:PM是激光平均功率，EP是脉冲能量，fpulse是脉冲重复频率。当重复退火激光频率过低，会因快速热扩散使退火区的热效应不足[33]。而Buerle D等人发现，高重复频率激光会在辐照区形成颗粒屏蔽效应[34]，从而影响下一次脉冲对薄膜表面的热效应。

2.6 退火气氛

由于空气中的激光退火引入的氧缺陷会增加薄膜带尾态密度，影响TFT性能，这种缺陷往往难以通过钝化技术进行修复，因此激光退火通常采用真空或惰性气氛环境，从而减少空气中水分和氧气等对薄膜性能的影响[35-37]。而气氛的种类和压强等会影响薄膜激光退火后的表面形貌、颗粒大小，从而影响薄膜的光学性能[38]。其中，高热导率气体会因为激光诱导的热碰撞而迅速冷却，减少热效应的产生，从而降低薄膜的表面粗糙度和晶粒大小[39-41]。一般在热导率高的气氛下退火，薄膜的表面更平整，晶粒尺寸更小。

3 激光退火对MOTFT的作用

激光退火对MOTFT沟道层的载流子激发后，所产生的效应会改变薄膜的表面形貌、化学成分和晶格结构等，从而影响其器件性能，主要体现在迁移率、阈值电压(Vth)、亚阈值摆幅(SS)等性能的改善。

3.1 表面形貌改善对TFT性能影响

由于薄膜表面缺陷多、不平整而导致TFT的界面缺陷多、层间接触电阻大等问题会显著影响TFT的性能，因此在TFT制备过程中对沟道层表面形貌的优化尤为重要。由于激光退火是一种由上至下的工艺，热效应的形成一般从薄膜表面开始进行，因此激光退火对薄膜表面的作用是显著的，激光退火对TFT层间界面缺陷的修复与表面形貌优化的过程相似。利用这一点可以通过激光退火提高TFT器件性能。

研究表明，沟道层薄膜表面形貌的改善与层间界面缺陷的修复有利于改善TFT迁移率、亚阈值摆幅等性能[42-44]。图3为经过激光退火改善表面形貌后TFT的性能变化。Hau-Yuan Huang等人发现，在300 mJ/cm2能量密度激光退火后IGZO-TFT的迁移率由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等人发现，通过激光诱导致密化可修复沟道和介电层之间的缺陷，从而优化TFT性能，且性能随激光能量密度上升(41～99 mJ/cm2)而提高，如IZO-TFT的迁移率由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，阈值电压负飘，由1.4 V变为-2.5 V[46-47]。Juan Paolo S. Bermundo等人发现，一定能量密度的激光退火能有效改善沟道表面形貌及修复界面缺陷，从而有效调节IGZO-TFT的阈值电压[48]。

图3 (a)IGZO薄膜的SPM图[20]；(b)不同能量密度激光退火的IGZO-TFT的IDS-VGS特性曲线[44]；(c)KrF激光退火的Mo/Au电极TFT输出特性曲线；(d)激光退火后Au/Mo/IGZO/SiO2/Si叠层的STEM横截面图像[48]。

3.2 化学成分变化对TFT性能影响

对于MOTFT而言，沟道成分中氧空位的含量是研究重点。如图4所示，激光诱导形成的氧空位主要有两个过程：一是通过对化学键的解离从而形成的氧空位[49-51]，因此能实现单光子激发的紫外激光更容易破坏金属氧化物离子键的静电平衡，诱导形成氧空位[52-54],在本课题组的掺硅氧化锡(STO)薄膜激光退火研究中也发现类似规律[55]。二是热效应导致氧原子的热运动形成的氧空位，这种效应产生的氧空位会随退火气氛中氧气的含量而变化。激光诱导产生的光辅助缩合及致密化反应能形成更纯的金属氧化物晶格结构，在金属氧化物晶格中形成的氧空位能更好地促进载流子的传输[46,56-58]。由公式(5)可知[59]：

图4 (a)激光退火前后a-STO薄膜的XPS图谱[55]；(b)和(c)分别是IZO薄膜XPS图谱[65]和ELA前后的IZO-TFT的转移特性曲线[66]； IGZO薄膜XPS图谱；(d)和(e)分别是蓝色激光退火前后a-IGZO-TFT的NBIS图[72]；(f)不同负偏应力对应的失稳机理示意图[70]。

，

(5)

而氧空位浓度太高可能会给TFT性能带来负面影响。激光退火也可以通过减少沟道氧空位来提高TFT性能[64-65]。Cranton W M等人则发现，通过激光退火能同时降低AZO薄膜的氧空位的含量和晶粒处吸附氧的含量，从而优化薄膜晶格结构，使薄膜获得更优的电学性能[66]，进而提高TFT的性能。这是因为，晶界处吸氧缺陷的降低能减少陷阱能级密度及降低晶粒间电子传输的势垒[67-68]。Seonghyun Jin等人发现，电子-空穴对会影响TFT的光照负偏压稳定性(NBIS)，他们通过445 nm激光退火，减少了IGZO中的氧空位，从而减少了沟道处电子-空穴对含量，提高了IGZO-TFT的光照负偏压稳定性[69-72]。此外，氧空位的形成还会降低金属氧化物薄膜的热导率[73-74]，会影响多次脉冲照射对薄膜的热效应。

3.3 晶格结构改善对TFT性能影响

激光退火诱导重结晶能使薄膜形成亚稳缺陷结构，可减小导带底附近的带尾态密度，从而提高TFT迁移率和降低阈值电压[75-76]。激光诱导薄膜重结晶还能减少缺陷能级对载流子的捕获和晶界对载流子的散射，使薄膜电导率升高，电阻率下降[77-78]，从而提高TFT的开态电流，提高TFT的迁移率和开关比[24,79-80]。

但激光退火诱导晶粒生长也可能对TFT性能造成负面影响。Mitsuru Nakata等人发现，激光诱导IGZO薄膜结晶后，载流子浓度过高，导致沟道耗尽层太宽，难以形成夹断，使IGZO-TFT关态电流(Ioff)太高，开关比(Ion/Ioff)降低[81]。另一方面，激光诱导结晶会可能会引起沟道的体积膨胀，造成TFT的漏电流增加，Fuminobu Hamano等人通过激光退火后的附加激光辐照工艺减少了这种膨胀效应，降低了器件的漏电流[82]。因此，需要激光退火合理地调控载流子浓度，才能提高TFT的性能。表1总结了合适的激光退火工艺对金属氧化物TFT性能改善的例子。

表1 激光退火的金属氧化物TFT性能

4 结 论

激光退火的优良特性已经被广泛认识，在过去的研究中，激光退火对金属氧化物薄膜和金属氧化物薄膜晶体管性能的改善表现出优良的前景。针对金属氧化物薄膜及其TFT，现在已经研究出一系列的激光退火工艺优化方案，有效地提高了TFT的性能。但是激光退火技术依然存在一些问题，如：(1)退火工艺参数较复杂，导致退火过程的调控比较困难；(2)激光退火中，大多数讨论对薄膜的热效应，激光光子对金属氧化物半导体薄膜作用的讨论较少，需要进一步研究；(3)由于高能量激光会对薄膜表面造成一定程度损伤，影响其对薄膜表面形貌的改善，具体表现在激光退火对TFT亚阈值摆幅的优化不如热退火。最近的研究中，有通过附加退火步骤、器件老化和制备新型结构TFT等方法来优化TFT的激光退火工艺，丰富了激光退火技术的优化方案。因此，激光退火技术使高性能柔性、大尺寸显示背板的制备拥有更多可能性，对推动柔性、大尺寸显示发展具有重要意义。