KR20080015149A - 반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 장치 - Google Patents

반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 제1 레이저 광(50)과, 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광(52)을 기판(46)에 조사하고, 기판의 열처리를 하는 공정을 구비하는 반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 장치에 있어서, 열처리를 하는 공정은, 제1 레이저의 조사 강도와 제2 레이저의 각각의 조사 강도 또는 조사 시간의 적어도 한쪽을 제어함으로써, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 깊이 방향의 온도 분포를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 장치이다.
레이저 광, 기판, 조사, 열처리, 반도체 장치, 방향, 온도 분포, 제조 장치

Description

반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING METHOD AND SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은 반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 장치에 관한 것으로, 특히 다른 파장을 가지는 레이저 광을 조사하고, 열처리를 하는 반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 공정에 있어서는, 반도체 기판의 소망의 깊이까지를 열처리하는 경우가 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에 있어서는 절연 게이트형 바이폴러(bipolar) 트랜지스터(IGBT)의 제조 방법이 개시되어 있다. 이하, 그 제조 방법에 대해 간단하게 설명한다. 도전성의 실리콘 기판 표면에 베이스 영역이나 이미터(emitter) 영역 등의 확산 영역, 이미터 전극이나 게이트 전극 등의 전극, 게이트(gate) 절연막이나 층간 절연막 등의 절연막을 형성한다. 기판의 이면을, 예를 들면 150㎛까지 연마한다. 기판의 이면에 필드 스톱층(stop layer)이나 콜렉터층(collector layer) 등의 확산 영역을 이온 주입 및 열처리에 의해 형성한다. 콜렉터 전극 등의 전극을 형성한다.
한편, 특허 문헌 2, 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4에는 예를 들면 실리콘 기판 또는 실리콘 막에 파장이 다른 2개의 레이저 광을 조사하는 반도체 장치의 제조 방 법 또는 레이저 어닐(anneal) 장치가 개시되어 있다.
특허 문헌 2에는, 약 500㎚의 파장을 가지는 가시광 대역의 펄스 레이저 광과 약 250㎚의 파장을 가지는 자외선 대역의 펄스 레이저 광을, 예를 들면 비정질(amorphous) 실리콘 막에 조사하는 반도체 장치의 제조 방법 및 레이저 어닐 장치가 개시되어 있다. 이에 의해 비정질 실리콘 막이 일정 온도로 보유되는 시간을 증가시킬 수가 있다.
또, 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4에는 약 1㎛의 파장을 가지는 연속 발진(CW) 레이저 광과 약 500㎚의 파장을 가지는 CW레이저 광을, 예를 들면 비정질 실리콘 막에 조사하는 반도체 장치의 제조 방법 및 레이저 조사 장치가 개시되어 있다. 이에 의해 조사 비균일을 해소하고, 균일한 레이저 처리를 하거나 또는 반도체막 상에 형성되는 결정성 불량 영역을 작게 할 수가 있다.
　　<특허 문헌 1> 일본국 특허공개 2003-59856호 공보
　　<특허 문헌 2> 일본국 특허공개 2000-12484호 공보
　　<특허 문헌 3> 일본국 특허공개 2004-128421호 공보
　　<특허 문헌 4> 일본국 특허공개 2004-282060호 공보
<발명이 해결하고자 하는 과제>
예를 들면, 특허 문헌 1 기재의 IGBT의 제조 방법에 있어서는, 기판의 이면에 이온 주입된 영역은 이온을 활성화할 수 있는 온도 이상으로 온도 상승할 필요가 있다. 그러나, 기판의 표면에는 확산 영역, 전극 또는 절연막 등이 형성되어 있다. 그래서, 기판의 표면이 고온이 되면, 확산 영역의 불순물의 확산, 전극을 구성하는 금속의 반응 또는 열응력 혹은 유기계 절연막의 반응 또는 경화 등이 발생한다. 이와 같이 반도체 장치의 제조 공정에 있어서는, 소망의 깊이까지를 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
본 발명은, 제1 레이저 광과, 이 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광을 기판에 조사하고, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 열처리를 하는 공정을 구비하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 열처리를 하는 공정은, 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저의 각각의 조사 강도 또는 조사 시간의 적어도 한쪽을 제어함으로써, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 깊이 방향의 온도 분포를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법이다. 본 발명에 의하면, 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 방법을 제공할 수가 있다.
본 발명은, 제1 레이저 광과, 이 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광을 기판에 조사하고, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 열처리를 하는 공정을 구비하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 상기 제1 레이저 광의 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막으로의 침입 길이는, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이하이고, 상기 제2 레이저 광의 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막으로의 침입 길이는, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 상기 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법이다. 본 발명에 의하면, 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 방법을 제공할 수가 있다.
본 발명은, 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광이 일정 시간만 적어도 상기 기판의 일부에 조사되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법으로 할 수가 있다. 본 발명에 의하면, 열평형 상태에 이르기 전의 온도 분포로 열처리를 할 수가 있다.
본 발명은, 상기 제1 레이저 광은 펄스 레이저 광 또는 연속 발진 레이저 광이고, 상기 제2 레이저 광은 펄스 레이저 광 또는 연속 발진 레이저 광이고, 상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광이 펄스 레이저 광인 경우는, 그 펄스 폭에 의해 상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광의 상기 조사 시간을 제어하고, 상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광이 연속 발진 레이저 광인 경우는, 그 레이저 광의 상기 기판 상의 이동 속도에 의해 상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광의 상기 조사 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법으로 할 수가 있다. 본 발명에 의하면, 열평형 상태에 이르기 전의 온도 분포로 열처리를 할 수가 있다.
본 발명은, 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광은, 각각 엑시머(excimer) 레이저, CO2 레이저, YAG 레이저(기본파 또는 고조파), YVO4 레이저(기본파 또는 고조파), YLF 레이저(기본파 또는 고조파), YAlO3 레이저(기본파 또는 고조파), 유리(glass) 레이저(기본파 또는 고조파), 루비 레이저, 알렉산드라이트(alexandrite) 레이저(기본파 또는 고조파), Ti:사파이어 레이저(기본파 또는 고조파), 헬륨 카드뮴 레이저, 동증기(Cu vaper) 레이저, 금증기(Au vaper) 레이저 및 반도체 레이저로부터 선택되는 레이저 광인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법으로 할 수가 있다.
본 발명은, 제1 레이저 광을 조사하는 제1 레이저와, 이 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광을 조사하는 제2 레이저를 구비하고, 상기 제1 레이저 광과 상기 제2 레이저 광을 기판에 조사하고 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막을 열처리하는 반도체 장치의 제조 장치에 있어서, 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저의 각각의 조사 강도 또는 조사 시간의 적어도 한쪽을 제어함으로써, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 깊이 방향의 온도 분포를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치이다. 본 발명에 의하면, 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 장치를 제공할 수가 있다.
본 발명은, 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광의 적어도 한쪽은 연속 발진 레이저 광이고, 상기 연속 발진 레이저 광의 상기 기판 상의 이동 속도와 이동 방향의 빔 스폿 크기를 각각 조정함으로써 상기 연속 발진 레이저 광의 상기 조사 시간을 제어하는 구성으로 할 수가 있다. 본 발명에 의하면, 2개의 레이저 광의 조사 시간을 독립적으로 폭넓게 선택할 수가 있다. 따라서, 기판 또는 기판 상의 막의 온도 상승 가능한 깊이 및 온도를 폭넓게 선택할 수가 있다.
본 발명은, 제1 레이저 광을 조사하는 제1 레이저와, 이 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광을 조사하는 제2 레이저를 구비하고, 상기 제1 레이저 광과 상기 제2 레이저 광을 기판에 조사하고 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막을 열처리하는 반도체 장치의 제조 장치에 있어서, 상기 제1 레이저 광의 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막으로의 침입 길이는, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이하이고, 상기 제2 레이저 광의 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막으로의 침입 길이는, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 상기 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치이다. 본 발명에 의하면, 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 장치를 제공할 수가 있다.
본 발명은, 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광은 일정 시간만 적어도 상기 기판의 일부에 조사되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치로 할 수가 있다. 본 발명에 의하면, 열평형 상태에 이르기 전의 온도 분포로 열처리를 할 수가 있다.
본 발명은, 상기 제1 레이저는 펄스 레이저 또는 연속 발진 레이저이고, 상기 제2 레이저는 펄스 레이저 또는 연속 발진 레이저이고, 상기 제1 레이저 또는 상기 제2 레이저가 펄스 레이저의 경우는, 그 펄스 폭에 의해 상기 제1 레이저 또는 상기 제2 레이저의 상기 조사 시간을 제어하고, 상기 제1 레이저 또는 상기 제2 레이저가 연속 발진 레이저의 경우는, 그 레이저 광의 상기 기판 상의 이동 속도에 의해 상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광의 각각의 상기 조사 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치로 할 수가 있다. 본 발명에 의하면, 열평형 상태에 이르기 전의 온도 분포로 열처리를 할 수가 있다.
본 발명은, 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광은, 각각 엑시머 레이저, CO2 레이저, YAG 레이저(기본파 또는 고조파), YVO4 레이저(기본파 또는 고조파), YLF 레이저(기본파 또는 고조파), YAlO3 레이저(기본파 또는 고조파), 유리(glass) 레이저(기본파 또는 고조파), 루비 레이저, 알렉산드라이트(alexandrite) 레이저(기본파 또는 고조파), Ti:사파이어 레이저(기본파 또는 고조파), 헬륨 카드뮴 레이저, 동증기 레이저, 금증기 레이저 및 반도체 레이저로부터 선택되는 레이저의 레이저 광인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치로 할 수가 있다.
본 발명은, 상기 제1 레이저 및 상기 제2 레이저의 적어도 한쪽은 연속 발진 레이저이고, 상기 연속 발진 레이저의 레이저 광의 상기 기판 상의 이동 속도와 이동 방향의 빔 스폿 크기를 각각 조정함으로써 상기 연속 발진 레이저의 상기 조사 시간을 제어하는 구성으로 할 수가 있다. 본 발명에 의하면, 2개의 레이저 광의 조사 시간을 독립적으로 폭넓게 선택할 수가 있다. 따라서, 기판 또는 기판 상의 막의 온도 상승 가능한 깊이 및 온도를 폭넓게 선택할 수가 있다.
<발명의 효과>
본 발명에 의하면, 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 장치를 제공할 수가 있다.
도 1은 실리콘에 대한 광의 침입 길이의 파장 의존성을 나타내는 도이다.
도 2는 실리콘의 열전도율의 온도 의존성을 나타내는 도이다.
도 3(a) 및 도 3(b)은 실리콘 기판에 다른 침입 길이를 가지는 레이저 광을 조사하는 경우의 가열 범위를 나타낸 도이다.
도 4는 실시예 1과 관련되는 레이저 어닐 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 5(a) 내지 도 5(d)는 실시예 2와 관련되는 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 단면도(이의 1)이다.
도 6(a) 내지 도 6(d)은 실시예 2와 관련되는 반도체 장치의 제조 방법을 나타내는 단면도(이의 2)이다.
도 7(a) 및 도 7(b)은 실시예 2에 있어서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 조사했을 때의 실리콘 기판의 깊이 방향의 온도를 나타낸 도(이의 1)이다.
도 8(a) 및 도 8(b)은 실시예 2에 있어서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 조사했을 때의 실리콘 기판의 깊이 방향의 온도를 나타낸 도(이의 2)이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 실시예 2에 있어서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 조사했을 때의 실리콘 기판의 깊이 방향의 온도를 나타낸 도(이의 3)이다.
도 10은 실리콘의 각 전자 농도에서의 파장에 대한 흡수 계수를 나타낸 도이고, Spitser 등 Phys. Rev. 108, p.268(1957)에 기재의 도이다.
도 11은 실리콘의 각 홀 농도에서의 파장에 대한 흡수 계수를 나타낸 도이고, Hara 등 J. Phys. Soc. Japan 21, p.1222(1966)에 기재의 도이다.
도 12(a) 내지 도 12(c)는 실시예 3에 있어서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 조사했을 때의 실리콘 기판의 깊이 방향의 온도를 나타낸 도이다.
도 13(a) 및 도 13(b)은 실시예 4에 있어서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 조사했을 때의 실리콘 기판의 깊이 방향의 온도를 나타낸 도(이의 1)이다.
도 14(a) 및 도 14(b)는 실시예 4에 있어서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 조사했을 때의 실리콘 기판의 깊이 방향의 온도를 나타낸 도(이의 2)이다.
도 15(a) 및 도 14(b)는 실시예 4에 있어서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 조사했을 때의 실리콘 기판의 깊이 방향의 온도를 나타낸 도(이의 3)이다.
도 16(a) 및 도 16(b)은 실시예 4에 있어서 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 조사했을 때의 실리콘 기판의 깊이 방향의 온도를 나타낸 도(이의 4)이다.
도 17은 TiN에 대한 광의 침입 길이의 파장 의존성을 나타내는 도이다.
도 18은 각 레이저의 파장과 파장에 대한 실리콘의 침입 길이를 나타내는 도이다.
우선, 본 발명의 원리를 설명한다. 도 1은 실리콘의 광의 파장에 대한 광의 침입 길이를 나타낸 도이다. 침입 길이는 광 강도가 1/e로 되는 거리이다. 도 1에 서 파장이 100㎚~350㎚에서는 침입 길이는 10㎚ 이하이다. 파장이 370㎚를 넘어가면 침입 길이는 파장에 수반하여 단조롭게 증가하고, 파장이 900㎚에서 침입 길이는 약 100㎛로 된다. 예를 들면, 248㎚의 파장을 가지는 KrF 엑시머 레이저의 광의 침입 길이는 10㎚ 이하이다. 532㎚의 파장을 가지는 YAG 레이저의 2차 고조광의 침입 길이는 약 2㎛이고, 808㎚의 파장을 가지는 반도체 레이저의 광의 침입 길이는 약 20㎚이다.
한편, 도 2는 실리콘의 온도에 대한 열전도율을 나타낸 도이다. 온도가 높아지면 열전도율은 작아진다. 이것은 고온에서는 열이 전해지기 어렵다는 것을 나타내고 있다.
도 3은 실리콘 기판(10)에 레이저 광을 조사했을 때의 모식도를 나타낸다. 도 3(a), (b)는 각각 침입 길이가 긴 레이저 광(20a), 짧은 레이저 광(20b)을 조사했을 때를 나타내고 있다. 도 중에서 아래가 실리콘 기판(10)의 기판 표면이고, 표면에는 전극(12), 확산 영역(14) 등의 동작층(16)이 형성되어 있다. 도 3(a)과 같이 침입 길이가 긴 레이저 광(예를 들면, 반도체 레이저)을 조사하는 경우, 광은 광범위에서 흡수된다. 따라서, 실리콘 기판(10)의 가열 범위(18a)는 커진다. 한편, 도 3(b)과 같이 침입 길이가 짧은 레이저 광(예를 들면, YAG 레이저의 2차 고조광)을 조사하는 경우, 광은 표면(실리콘 기판의 이면) 부근에서 흡수되어 가열 범위(18b)는 작아진다.
실리콘 기판(10)이 가열되면, 도 2와 같이 열전도율이 작아지기 때문에, 광이 흡수된 범위 부근을 효율적으로 가열할 수가 있다.
그렇지만, 광의 흡수는 표면 부근에서 크고, 기판의 깊이 방향으로 지수 함수적으로 감쇠해 간다. 기판의 이면으로부터 (18a)와 (18b)의 사이의 깊이까지 가열하고 싶은 경우, 레이저 광(20a)을 이용하면, (18a)의 깊이의 부분의 온도를 저온으로 유지하기 위해서는 레이저의 조사 강도를 낮게 한다, 혹은 조사 시간을 짧게 하는 것이 필요하게 된다. 그러나, 그러한 조건을 설정할 경우에는 이면 부분을 충분한 온도로 가열할 수가 없게 된다. 또, 레이저 광(20b)을 이용하는 경우에는, (18b)보다 깊은 부분을 온도 상승하기 위해서 레이저 조사 강도를 높게 하거나 조사 시간을 길게 할 필요가 있다. 이 경우에는 이면 부분이 필요 이상으로 온도 상승되고 이면 부분에 융해를 발생시켜 그 부분에 거침이 남는다고 하는 문제가 있다. 이와 같이 소망의 깊이를 소망의 온도로 가열하는 것은 어렵다.
<실시예 1>
실시예 1에 있어서는, 제1 레이저 광과, 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광을 기판에 조사하고, 예를 들면 반도체 기판의 열처리를 한다.
도 4는 2개의 레이저 광을 기판에 조사하기 위한 레이저 어닐 장치의 개념도이다. 제1 레이저 광(50)을 조사하는 제1 레이저(30)와, 제1 레이저 광(50)과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광(52)을 조사하는 제2 레이저(32)를 구비하고, 제1 레이저 광(50)과 제2 레이저 광(52)을 기판(46)에 조사하고 기판(46)을 열처리하는 레이저 어닐 장치이다.
제1 레이저(30)로부터 발사된 제1 레이저 광(50)은 정형 광학계 1(34)로 정형된다. 그 후, 제1 레이저 광(50)은 다이클로익(dichroic 미러(dichroic mirror)(40)로 반사되고, 결상 집광 광학계(42)로 집광되고, 스테이지(44) 상의 어닐 대상물인 기판(46)에 조사된다. 한편, 제2 레이저(32)로부터 발사된 제2 레이저 광(52)은 정형 광학계 2(36)로 정형되고, 전반사 미러(38)로 반사되고, 다이클로익 미러(40)를 통과하고, 결상 집광 광학계(42)로 집광되고, 기판(46)에 조사된다.
정형 광학계(34, 36)는 레이저 광의 빔 직경을 확대하거나 혹은 빔의 분포를 개선하여 광 강도를 균일화하기 위한 광학계이다. 다이클로익 미러(40)는 제1 레이저 광(50)을 반사하고, 제2 레이저 광(52)을 통과시키고, 이들 레이저 광(50, 52)의 광축을 맞추는 기능을 가지고 있다. 결상 집광 광학계(42)는 렌즈이고, 레이저 광(50, 52)을 기판(46)의 소정의 위치에 조사하는 기능을 가진다. 제1 레이저 광(50)과 제2 레이저 광(52)은 기판(46) 상에서 동일한 위치에 조사되도록 광축이 조정되어 있다.
제1 레이저(30)는 제어 회로 1(54), 제2 레이저(32)는 제어 회로 2(56)에 의해 레이저 광의 조사 타이밍, 조사 시간 및 조사 강도가 제어되어 있다. 스테이지(44)는 구동계(47)에 의해 구동되고, 구동계 제어 회로(48)는 구동계(47)를 제어한다. 이에 의해 제1 레이저 광(50) 및 제2 레이저 광(52)을 기판 상의 임의의 위치에 조사할 수가 있다. 또, 기판(46)을 일정한 이동 속도로 이동시킴으로써 제1 레이저 광(50) 및 제2 레이저 광(52)의 기판 상의 조사 위치를 일정 속도로 이동시킬 수가 있다. 구동계(47)는 받침대(49) 상에 배치되어 있다.
이 레이저 어닐 장치를 이용하여 제1 레이저 광(50)과 제2 레이저 광(52)이 기판의 동일 장소에 동시에 조사된다. 그리고, 기판(46)으로의 침입 길이가 다른 제1 레이저 광(50)의 조사 강도와 제2 레이저 광(52)의 조사 강도를 제어할 수가 있다. 또, 제1 레이저 광(50)의 조사 시간과 제2 레이저 광(52)의 조사 시간을 제어할 수가 있다. 이에 의해 기판(46)의 깊이 방향의 흡수되는 광의 양을 제어할 수가 있다. 이에 의해 레이저 광이 조사되는 기판(46)의 깊이 방향의 온도 분포를 제어할 수가 있다. 따라서, 기판(46)의 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해 열처리하는 깊이마다 대응하는 침입 길이를 가지는 레이저를 마련할 필요가 없고, 동일 레이저 어닐 장치로 다양한 깊이가 열처리에 대응하는 것이 가능하게 된다.
<실시예 2>
실시예 2는 실시예 1과 관련되는 레이저 어닐 장치를 이용하여 IGBT등의 반도체 장치를 제조하는 방법의 예이다. 도 5, 도 6은 실시예 1과 관련되는 IGBT의 제조 방법을 나타내는 단면 모식도이다. 도 5는 기판 표면을 상으로 기재하고, 도 6은 기판 이면을 상으로 기재하고 있다.
도 5(a)를 참조하면, 도전성 실리콘 기판(60) 상의 게이트 절연막(62) 및 게이트 전극(64)을 통상의 노광 기술 및 에칭을 이용하여 형성한다. 도 5(b)를 참조하면, 게이트 전극(64)을 마스크에, 붕소(B)를 이온 주입하고, 그 후 열처리함으로써 p형의 채널 확산 영역(66)을 형성한다. 도 5(c)를 참조하면, 포토레지스트(photoresist)(68)를 형성하고, 비소(As)를 이온 주입하고, 그 후 열처리함으로써 n형태의 이미터 확산 영역(70)을 형성한다. 도 5(d)를 참조하면, 절연막(72)을 통상의 CVD법 및 노광 기술에 의해 형성한다. 또한, 이미터(emitter) 전극(74)를 형성한다. 이상으로, 실리콘 기판(60)의 표면에 동작층(82)이 형성된다.
그 다음에, 도 6(a)을 참조하면, 실리콘 기판(60)의 이면을 연마하고, 기판 두께를 100㎛로 한다. 기판의 이면으로부터 필드 스톱층(field stop layer)(76)으로 되는 깊이에 인(P)을 이온 주입한다. 도 6(b)을 참조하면, 콜렉터(collector) 확산 영역(78)으로 되는 깊이에 붕소(B)를 이온 주입한다. 이온 주입된 필드 스톱층(76)의 깊이는 약 3㎛이다. 이온 주입 조건은, 예를 들면, 필드 스톱층(76)의 목표로 하는 깊이가 이온 주입의 평균 투영 비정(飛定) Rp와 투영 표준 편차 ΔRp의 합 정도로 되도록 결정할 수 있다.
도 6(c)을 참조하면, 실리콘 기판(60)의 이면으로부터 제1 레이저 광(50) 및 제2 레이저 광(52)을 동시에 동일한 영역에 조사하고 열처리를 함으로써 콜렉터층 등의 확산 영역을 형성한다. 제1 레이저 광(50)으로서는 YAG 레이저의 2차 고조광(파장 532㎚), 제2 레이저 광(52)은 반도체 레이저(파장 808㎚)를 이용한다. 이 경우 도 4의 제1 레이저(30)에는 2차 고조광 발생 광학계가 설치된다. 열처리는 필드 스톱층(76) 및 콜렉터 확산 영역(78)의 불순물 이온을 활성화시키기 때문에 적어도 필드 스톱층(76)의 깊이까지 하는 것이 바람직하다. 도 6(d)을 참조하면, 기판(60)의 이면에 콜렉터 전극(80)을 형성하고, IGBT를 완성한다.
도 6(c)에서 설명한 열처리는 이온 주입한 불순물을 활성화시키기 때문에 필드 스톱층(76) 및 콜렉터 확산 영역(78)의 깊이 방향 전체에 걸쳐 1000℃(1273K) 이상으로 되는 것이 요구된다. 또, 실리콘 기판(60)의 깊이 방향 전체에 걸쳐 실리콘의 융점인 1420℃(1693K) 이하인 것이 요구된다. 또한, 실리콘 기판(60) 표면은 표면에 형성된 동작층(82)이 예를 들면 열응력에 의해 열화하지 않기 때문에 200℃(473K) 이하인 것이 요구된다.
그래서, 이 열처리 공정의 실리콘 기판(60) 내의 온도 분포를 계산하였다. 계산은 1차원 혹은 2차원 열전도 방정식의 수치해를 구함으로써 행하였다. 이용한 열전도 방정식은 이하의 수식 1이다
Figure 112008004209614-PCT00001
여기서, c : 실리콘의 비열, ρ : 실리콘의 밀도, T : 온도, κ : 실리콘의 열전도율, α1 : 제1 레이저 광의 파장에서의 실리콘의 흡수 계수, α2 : 제2 레이저 광의 파장에서의 실리콘의 흡수 계수, λ1 : 제1 레이저 광의 실리콘에 대한 침입 길이, λ2 : 제1 레이저 광의 실리콘에 대한 침입 길이, R1 : 제1 레이저 광의 파장에서의 실리콘의 반사 계수, R2 : 제2 레이저 광의 파장에서의 실리콘의 반사 계수, I1 : 제1 레이저 광의 레이저 파워 밀도, I2 : 제2 레이저 광의 레이저 파워 밀도이다. 각 수치는 표 1의 수치를 이용하였다.
Figure 112008004209614-PCT00002
도 7, 도 8 및 도 9는 제1 레이저 광(50), 제2 레이저 광(52)을 각각 파장 532㎚, 펄스 폭 240㎱, 라이징(rising) 시간 48㎱의 삼각파, 및 파장 808㎚, 펄스 폭 240㎱, 라이징(rising) 시간 48㎱의 삼각파로 한 경우의 계산 결과를 나타내는 도이고, 레이저를 조사한 시점으로부터의 시간에 대한 온도를 실리콘 기판(60) 이면으로부터의 깊이, 표면(실리콘 기판(60)의 이면), 1㎛, 3㎛, 10㎛ 및 100㎛에 대해서 나타내고 있다.
도 7(a)은 제1 레이저 광(50)의 조사 강도(에너지 밀도) 및 제2 레이저 광(52)의 조사 강도(에너지 밀도)가 각각 1100mJ/㎝2, 0mJ/㎝2이고, 도 7(b)은 각각 800mJ/㎝2, 1400mJ/㎝2이다. 마찬가지로 도 8(a)은 각각 600mJ/㎝2, 2800mJ/㎝2이고, 도 8(b)은 각각 400mJ/㎝2, 3800mJ/㎝2이고, 도 9(a)는 각각 200mJ/㎝2, 4800mJ/㎝2이고, 도 9(b)는 각각 0mJ/㎝2, 6800mJ/㎝2이다. 각 레이저의 조사 강도는 실리콘 기판(60)의 이면이 실리콘의 융점 1693K를 넘어가지 않게 1600K 정도로 되도록 하였다.
제1 레이저 광(50)의 기판(60)에 대한 침입 길이를 침입 길이 1, 제2 레이저 광(52)의 기판(60)에 대한 침입 길이를 침입 길이 2로 한다.
각각의 도에서도 깊이 10㎛까지의 온도는 100㎱~10㎲에서 피크에 이르고, 그 후 열확산하여 온도가 내려간다. 한편, 깊이 100㎛에서는 레이저 광의 조사 직후는 온도는 상승하지 않지만 10㎲~100㎲에서 열확산에 의해 상승하고 1㎳에서 거의 평형 상태로 된다.
제1 레이저 광(50)만을 조사한 도 7(a)에 있어서 깊이 1㎛의 영역의 최고 온도는 1300K 이상에 이르고 있는데 대해, 깊이 3㎛의 영역의 최고 온도는 760K이다. 깊이 1㎛의 영역에서는, 그 최고 온도는 불순물의 활성화에 필요한 1273K(1000℃)까지 도달하고 있지 않다. 이것은 제1 레이저 광(50)의 실리콘에 대한 침입 길이가 약 1㎛로 짧고, 효율적으로 가열하기 쉬운 영역은 침입 길이의 2배의 깊이 이하, 보다 효율적으로 가열하기 쉬운 영역은 침입 길이의 깊이 이하이기 때문이다. 따라서, 제1 레이저 광(50)만의 조사에서는 3㎛의 필드 스톱층(76)에 주입된 불순물을 깊이 방향 전체에 걸쳐서 활성화하는 것은 어렵다.
한편, 제2 레이저 광(52)만을 조사한 도 9(b)에서는, 깊이 3㎛의 영역의 최고 온도가 1500K 이상에 이르고 있기 때문에 3㎛의 필드 스톱층(76)에 주입된 불순물을 깊이 방향 전체에 걸쳐서 활성화할 수가 있다. 그렇지만, 깊이 100㎛의 부분 즉 실리콘 기판 표면의 최고 온도가 520K로 되고, 실리콘 기판(60) 표면의 동작층(82)이 열화하는 온도인 473K(200℃)를 넘어 버린다. 따라서, 이 경우도 실리콘 기판(60) 표면의 동작층(82)을 열화시키는 일 없이 필드 스톱층(76)에 주입된 불순물을 깊이 방향 전체에 걸쳐서 활성화하는 것은 어렵다.
이와 같이 제1 레이저 광 혹은 제2 레이저 광만의 조사에서는 전술의 실시예 1과 관련되는 IGBT의 제조 방법에 요구되는 열처리의 조건을 만족할 수가 없다.
도 7(a), 도 7(b), 도 8(a), 도 8(b), 도 9(a) 및 도 9(b)의 순으로 제2 레이저 광(52)의 조사 강도를 크게 함에 따라 각 깊이가 온도는 이하와 같이 변화한다. 깊이 1㎛의 온도는 각각 1350K, 1380K, 1490K, 1500K, 1530K 및 1580K로 거의 바뀌지 않는다. 깊이 3㎛의 온도는 각각 760K, 930K, 1120K, 1210K, 1320K 및 1490K로 높아진다. 깊이 10㎛의 온도는 각각 450K, 560K, 690K, 800K, 900K 및 1060K로 높아진다. 또, 깊이 100㎛의 온도는 각각 340K, 370K, 430K, 440K, 470K 및 520K로 완만하게 상승한다.
실시예 2에 있어서는, 도 9(a)의 조건(제1 레이저 광(50)의 조사 강도가 200mJ/㎝2, 제2 레이저 광(52)의 조사 강도가 3800mJ/㎝2)으로 함으로써 3㎛의 깊이를 가지는 필드 스톱층(76)의 깊이 방향 전체에 걸쳐 1273K 이상으로 하고, 깊이 100㎛의 온도를 473K 이하로 할 수가 있다. 따라서, 기판 표면에 형성된 동작층을 열화시키는 일 없이 기판의 배면에 이온 주입된 불순물을 활성화할 수 있는 온도 이상으로 열처리 할 수가 있다.
이와 같이 도 4에 기재한 레이저 어닐 장치를 이용하여 열처리를 할 때, 제1 레이저 광(50)의 조사 강도와 제2 레이저 광(52)의 조사 강도를 제어함으로써 기판(60)의 깊이 방향의 온도 분포를 제어한다. 이에 의해 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 방법을 제공할 수가 있다. 또, 제1 레이저 광(50)의 조사 강도와 제2 레이저 광(52)의 조사 강도를 제어함으로써 기판(60)의 깊이 방향의 온도 분포를 제어하는 레이저 어닐 장치를 이용함으로써 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 장치를 제공할 수가 있다.
도 7(a)에 의하면 전술과 같이 효율적으로 가열하기 쉬운 영역은 침입 길이의 2배의 깊이인 2㎛ 이하, 보다 효율적으로는 침입 길이의 깊이 이하이다. 따라서, 제1 레이저 광(50)의 침입 길이 1의 2배인 2㎛까지의 깊이의 영역(보다 바람직하지는 침입 길이 1인 1㎛까지의 깊이)은 제1 레이저 광(50)만의 조사로 충분한 온도 상승이 가능하다. 그러나, 2㎛를 넘은 깊이의 영역은 제1 레이저 광(50)만의 조사로는 충분한 온도 상승이 어렵다. 도 7(b) 내지 도 9(a)에 의하면 2㎛를 넘은 깊이의 영역의 충분한 온도 상승을 위해서는 보다 침입 길이가 긴 제2 레이저 광(52)이 필요하다. 바꾸어 말하면, 2㎛를 넘은 깊이의 영역은 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광(52)의 조사에 의해 온도 분포를 제어할 수 있는 영역으로 된다. 따라서, 열처리해야 할 깊이는 침입 길이 1의 1/2 이상인 것이 바람직하다. 즉, 침입 길이 1은 열처리해야 할 깊이의 2배 이하인 것이 바람직하다. 또, 보다 효율적으로 가열하기 쉬운 영역은 침입 길이의 깊이 이하이기 때문에 침입 길이 1은 열처리해야 할 깊이가 이하인 것이 한층 바람직하다.
또한, 도 7(a)에 의하면, 제1 레이저 광(50)만을 조사하였을 때, 깊이가 제1 레이저 광(50)의 침입 길이 1의 3배인 3㎛를 넘는 영역에서의 최고 온도는 제1 레이저 광(50)만 조사하는 경우의 1㎛ 정도까지의 깊이가 최고 온도와 비교하여 보다 낮아진다. 이는 3㎛를 넘는 영역을 제1 레이저 광(50)만의 조사에 의해 열처리하는 것은 바람직하지 않는 것을 나타내고 있다. 이에 대해 제1 레이저 광(50)에 더하여 제2 레이저 광(52)을 동시에 조사하는 경우는, 도 7(b) 내지 도 9(a)와 같이 제2 레이저 광(52)을 조사하는 것에 의한 온도 상승은 1㎛ 정도까지의 깊이의 영역보다 3㎛를 넘는 깊이의 영역에서 커지고 있는 것을 알 수 있다 바꾸어 말하면, 3㎛를 넘는 깊이의 영역은, 1㎛ 정도까지의 깊이의 영역과 비교하여 제2 레이저 광(52)을 조사함으로써 온도 분포의 제어를 용이하게 할 수 있는 영역이다. 따라서, 열처리해야 할 깊이는 침입 길이 1의 3배 이상인 것이 보다 한층 바람직하다. 즉, 침입 길이 1은 열처리해야 할 깊이가 1/3배 이하인 것이 보다 한층 바람직하다.
도 9(b)에 의하면 제2 레이저 광(52)만의 조사에서는 침입 길이 2의 1/2인 깊이 10㎛의 최고 온도는 1000K 정도이다. 이는 불순물의 활성화에 필요한 충분한 온도(1273K)에 이르고 있지 않다. 또한, 도 7(b) 내지 도 9(a)와 같이 제1 레이저 광(50)의 에너지 밀도를 높게 함에 따라 10㎛를 넘는 깊이의 영역의 최고 온도는 낮아진다. 이와 같이 열처리해야 할 깊이는 침입 길이 2의 1/2 이하인 것이 바람직하다. 즉, 침입 길이 2는 열처리해야 할 깊이의 2배 이상인 것이 바람직하다.
또한, 도 9(b)에 의하면 침입 길이 2의 1/6인 3㎛의 깊이에서는 제2 레이저 광(52)만을 조사하는 경우에도, 효과적으로 온도 상승할 수가 있다. 따라서, 열처리해야 할 깊이는 침입 길이 2의 1/6 이하인 것이 한층 바람직하다. 즉, 침입 길이 2는, 열처리를 해야 할 깊이가 6배 이상인 것이 한층 바람직하다.
한편, 제2 레이저 광(52)의 침입 길이 2가 실리콘 기판의 두께를 넘으면, 제2 레이저 광(52)을 조사했을 때에 실리콘 기판(60)의 표면까지 가열되게 되어, 실리콘 기판(60) 표면의 동작층(82)이 열화한다. 따라서, 제2 레이저 광(52)의 침입 길이 2는 실리콘 기판(60)의 두께를 이하인 것이 한층 바람직하다.
이상과 같이 도 4로 기재한 레이저 어닐 장치를 이용하여 열처리를 할 때, 제1 레이저 광(50)의 기판(60)으로의 침입 길이 1은 기판(60)의 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이하이고, 제2 레이저 광(52)의 기판(60)으로의 침입 길이 2는 기판(60)의 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 방법을 제공할 수가 있다. 또한, 제1 레이저 광(50)의 기판(60)으로의 침입 길이 1은 기판(60)의 열처리를 해야 할 깊이 이하이고, 제2 레이저 광(52)의 기판(60)으로의 침입 길이 2는 기판(60)의 열처리를 해야 할 깊이가 6배 이상, 기판의 두께를 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.
또, 기판의 열처리해야 할 깊이는, 예를 들면 필드 스톱층(76) 및 콜렉터 확산 영역(78)을 전체에 걸쳐 활성화시키기 때문에 필드 스톱층(76)의 깊이(이온 주입의 깊이)로 하는 것이 바람직하다. 또, 필드 스톱층(76)의 이온 주입의 평균 투영 비정 Rp와 투영 표준 편차 ΔRp의 합으로 하는 것이 바람직하다. 이온 주입의 평균 투영 비정 Rp와 투영 표준 편차 ΔRp의 합의 깊이의 영역에는 이온 주입한 불순물이 거의 분포하고 있다. 그래서, 이 영역을 열처리함으로써 필드 스톱층(76) 및 콜렉터 확산 영역(78)의 전체에 걸쳐 이온 주입한 불순물을 활성화시킬 수가 있다.
또, 제1 레이저 광(50)의 기판(60)으로의 침입 길이 1은 기판(60)의 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이하이고, 제2 레이저 광(52)의 기판(60)으로의 침입 길이 2는 기판(60)의 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이상의 레이저 어닐 장치로 함으로써, 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 장치를 제공할 수가 있다.
다음에, 실리콘 기판의 표면으로부터 3㎛ 정도의 영역을 가열하기 위해서 제1 레이저 광(50) 및 제2 레이저 광(52)을 조사하는 경우를 검토한다.
도 1을 참조하면, 이 파장 영역에서는 제1 레이저 광(50)의 파장이 370㎚ 이하에서는 실리콘에 대한 침입 길이가 급격하게 작아져 1㎛ 정도 이상의 깊이를 어닐 하는 데는 실용적이지 않다. 따라서, 제1 레이저 광(50)의 파장은 370㎚ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 침입 길이가 1㎛ 이상으로 되는 450㎚ 이상이 보다 바람직하다.
또, 실리콘 기판은 통상 100㎛ 내지 수 100㎛의 막 두께로 사용한다. 이 때문에 침입 길이 2가 100㎛ 이상으로 되면 기판에 흡수되는 광이 적게 되어 효율적으로 가열할 수가 없게 된다. 이것을 피하기 위해서 침입 길이 2를 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 때문에 제2 레이저 광(52)의 파장은 900㎚ 이하가 바람직하다. 또한, 침입 길이 2가 50㎛ 이하로 되는 850㎚ 이하가 보다 바람직하다. 또, 도 10, 도 11을 참조하면, 실리콘은 파장 10㎛ 정도의 적외선에 대해서도 흡수를 나타내고, 여기에 나타난 흡수 계수(α)의 역수를 취함으로써 얻어지는 침입 길이는 캐리어 농도가 1019㎝-3 정도 때 10㎛ 정도, 캐리어 농도가 1018㎝-3 때 50㎛ 정도로 된다. 따라서, 이 영역에 발진 파장을 가지는 레이저를 제2 레이저로서 사용하는 것도 가능하다. 이와 같이 제1 레이저 및 제2 레이저는 그 발진 파장으로부터가 아니고 각각의 발진 파장의 광의 실리콘에 대한 침입 길이로부터 선택하는 것이 바람직하다.
침입 길이가 짧은 레이저 광을 제1 레이저 광, 침입 길이가 긴 광을 제2 레이저 광으로 정의하고 있지만, 각각의 레이저 광의 침입 길이가 동일한 정도이면, 실질적으로 하나의 레이저 광을 이용하여 열처리함으로 차이가 없어져 버린다. 그래서, 침입 길이 2는 침입 길이 1의 2배 이상인 것이 바람직하고, 5배 이상인 것이 한층 바람직하다.
실시예 2에 있어서는, 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광으로서 펄스 광을 이용하였다. 이는 열평형 상태에 이르기 전의 온도 분포로 열처리를 할 수가 있기 때문이다. 이와 같이 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광은 일정 시간만 적어도 기판의 일부에 조사되는 것이 바람직하다.
<실시예 3>
실시예 3은 연속 발진 레이저 광을 기판 상을 이동시킴으로써 펄스 광과 마찬가지의 열처리를 하는 예이다. 도 10은, 실시예 2로 이용한 계산 방법을 이용하여 실리콘 기판 상의 조사 위치를 이동시키는 경우의 실리콘 기판 내의 온도 분포이다.
도 12(a), 도 12(b) 및 도 12(c)는, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 조사 위치를 1500㎜/초로 이동시켰을 때의 실리콘 기판(60) 내의 온도 분포를 나타내고 있다. 도 상부의 빔 이동의 화살표에 따라 레이저 광을 이동시키고 있다. 제1 레이저 광(50) 및 제2 레이저 광(52)의 파워 밀도는 도 12(a), 도 12(b), 도 12(c)에 따라 제2 레이저 광(52)의 파워 밀도를 크게 하고, 기판의 최고 온도가 1600℃ 정도로 되도록 파워 밀도를 결정하고 있다.
레이저 광이 조사된 위치에서는 기판의 온도가 상승하고, 조사 후는 급격하게 온도가 내려가고 있는 것을 알 수 있다 또, 제2 레이저 광의 파워 밀도를 크게 하면. 온도가 1280K(약 1000℃)를 넘어가는 깊이가 깊어지고 있다. 이와 같이 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 기판 상의 조사 위치를 이동시킴으로써 펄스 폭의 짧은 펄스 레이저 광을 이용한 것과 마찬가지로 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 각각의 조사 시간을 제어할 수가 있다. 이에 의해 펄스 폭의 짧은 펄스 레이저를 이용하지 않고 펄스 광과 동등의 열처리를 할 수가 있다.
이상으로부터 제1 레이저 광 또는 제2 레이저 광을 펄스 레이저 광 또는 연속 발진 레이저 광으로 하고, 제1 레이저 광 또는 제2 레이저 광이 펄스 레이저 광인 경우는, 그 펄스 폭에 의해 제1 레이저 광 또는 제2 레이저 광의 상기 조사 시간을 제어하고, 제1 레이저 광 또는 제2 레이저 광이 연속 발진 레이저 광인 경우는, 그 레이저 광의 기판 상의 이동 속도에 의해 제1 레이저 광 또는 제2 레이저 광의 상기 조사 시간을 제어할 수가 있다. 또한, 연속 발진 레이저 광은 이동 방향의 빔 스폿 크기(기판 표면의 레이저 광의 크기)를 조정하는 것에 따라도 조사 시간을 제어할 수가 있다. 예를 들면, 이동 방향의 빔 스폿 크기가 큰 경우, 이동 속도가 동일하더라도 조사 시간이 길어진다.
실시예 3과 같이 연속 발진 레이저 광의 기판 상의 이동 속도에 의해 연속 발진 레이저 광의 조사 시간을 제어함으로써 이하와 같은 효과를 나타낼 수가 있다. 제1로 레이저를 펄스 발진시키는 경우는 레이저 고유의 펄스 폭에 제한된다. 예를 들면, YAG 레이저의 경우, Nd:YAG의 레이저 발진 준위에서의 완화 시간이 수십 ㎱로 짧기 때문에 긴 펄스 폭을 만들어 내는 것은 곤란하다. 또, 예를 들면, 반도체 레이저는 전류 구동에 의해 발진을 한다. 이 때문에 대전류의 짭은 펄스를 만들어 내는 것은 전원적으로 한계가 있고, 큰 출력의 짧은 펄스 폭의 레이저 발진은 곤란하다. 2개의 레이저 광을 이용하여 각각의 조사 시간을 제어하는 경우, 펄스 광을 이용하면 상기와 같은 레이저 고유의 제한에 의해 조사 시간의 선택의 폭이 제한되어 버린다. 예를 들면, YAG 레이저와 반도체 레이저의 각각의 조사 시간을 펄스 폭으로 제어하는 경우, YAG 레이저의 펄스 폭을 길게, 반도체 레이저의 펄스 폭을 짧게 하는 것은 곤란하다. 그래서, 연속 발진 레이저 광의 기판 상의 이동 속도와 이동 방향의 빔 스폿 크기를 각각 조정하고, 조사 시간을 개별적으로 제어함으로써 2개의 레이저 광의 조사 시간을 독립적으로 폭넓게 선택할 수가 있다. 따라서, 기판 또는 기판 상의 막의 온도 상승 가능한 깊이 및 온도를 폭넓게 선택할 수가 있다.
제2로 2개의 레이저의 펄스 발진을 정확하게 동기시키고 발진시키는 데는 고도의 기술을 필요로 하여 장치가 복잡하게 된다. 연속 발진 레이저를 이용하는 경우는 이러한 복잡한 장치는 불필요하게 된다.
제3으로 펄스 광으로 기판 전체면을 열처리하는 경우, 기판 내의 펄스 광의 빔 스폿과 다음의 펄스 광의 간격이 너무 넓으면 빔 스폿 사이에서 온도가 낮아지는 영역이 발생한다. 균일한 온도로 열처리하기 위해서는 펄스 발진의 간격, 빔 스폿의 중첩율을 고려할 필요가 있다. 이 때문에 스루풋(throughput)이 저하해 버린다. 또, 간격, 빔 스폿을 고려하였다고 하여도 빔 스폿의 경계를 완전하게 없애는 것은 어려워 온도의 불균일이 생겨 버린다. 연속 발진 레이저를 이용하는 경우, 레이저의 이동 방향으로 균일하게 레이저 광이 조사되기 때문에 상기 제약은 없고, 높은 스루풋이 가능하게 된다. 또한, 온도의 균일성을 높일 수가 있다.
연속 발진 레이저는 제1 레이저 및 제2 레이저의 적어도 한쪽에 이용하면 상기 효과를 나타낸다. 온도의 균일성의 관점으로부터는 연속 발진 레이저를 양쪽 모두에 이용하는 것이 바람직하다. 양쪽 모두를 연속 발진 레이저로 하는 경우는, 2개의 레이저 광의 이동 속도는 동일하게 하고, 각각의 레이저 광의 빔 스폿 크기를 각각 조정함으로써 각각의 레이저 광의 조사 시간을 개별적으로 제어할 수가 있다. 또, 레이저 광의 기판에 대한 주사는 기판을 고정하고 레이저 광을 주사하여도 좋고, 레이저 광을 고정하여 레이저 광을 주사하여도 좋다. 레이저 광의 기판 상의 주사는 기판 상을 왕복시키면서 왕복 방향과 수직인 방향으로 이동시킴으로써 기판 전체면에 레이저 광을 조사할 수가 있다. 또한, 기판의 중심 또는 주위로부터 나선형으로 레이저 광을 조사함으로써 기판 전체면을 열처리하는 것도 할 수 있다. 스루풋의 관점으로부터는 가감 속도가 적은 나선형으로 조사하는 방법이 바람직하다.
<실시예 4>
실시예 4는 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광으로서 펄스 광을 이용하고, 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 조사 시간을 바꾼 예이다. 도 11내지 14는 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 기판 내의 온도를 계산한 결과를 나타내는 도이다. 제1 레이저 광(50)의 조사 시간 및 에너지 밀도는 일정하게 하고 제2 레이저 광(52)의 조사 시간을 변화시키고 있다. 제2 레이저 광(52)의 조사 강도는 실리콘 기판 내의 최고 온도가 1600K 정도로 되도록 결정하였다. 레이저를 조사한 시점으로부터의 시간에 대한 온도를 실리콘 기판(60) 이면으로부터의 깊이, 표면(실리콘 기판(60)의 이면), 3㎛, 10㎛ 및 100㎛에 대해서 나타내고 있다.
제1 레이저 광(50)의 조사 시간 및 에너지 밀도는 각각 120㎱, 800mJ/㎝2이다. 도 13(a)의 제2 레이저 광(52)의 조사 시간 및 에너지 밀도는 각각 60㎱, 500mJ/㎝2이고, 도 13(b)은 각각 120㎱, 600mJ/㎝2이다. 마찬가지로 도 14(a)는 각각 180㎱, 800mJ/㎝2이고, 도 14(b)는 각각 240㎱, 1000mJ/㎝2이다. 도 15(a)는 각각 300㎱, 1450mJ/㎝2이고, 도 15(b)는 각각 400㎱, 2300mJ/㎝2이다. 도 16(a)은 각각 500㎱, 3200mJ/㎝2이고, 도 16(b)은 각각 600㎱, 4000mJ/㎝2이다.
제2 레이저 광(52)의 조사 시간을 길게 함으로써 깊이 3㎛ 및 깊이 10㎛의 온도를 높게 할 수가 있다. 도 13(a), 도 13(b) 도 14(a), 도 14(b), 도 15(a), 도 15(b), 도 16(a) 및 도 16(b)의 순으로 제2 레이저 광(52)의 조사 시간을 크게 함에 따라 깊이 3㎛의 최고 온도는 각각 740K, 750K, 820K, 860K, 930K, 1100K, 1280K 및 1400K로 변화한다. 도 13(b)과 같이 제1 레이저 광(50)과 제2 레이저 광(52)의 조사 시간이 거의 같은 경우, 깊이 3㎛의 최고 온도는 750K로 목표의 1273K에는 이르고 있지 않다. 도 16(a)과 같이 제2 레이저 광의 조사 시간을 500㎚와 제1 레이저 광의 조사 시간의 약 4배로 하면, 깊이 3㎛의 최고 온도는 1280K로 되고, 목표의 1273K 이상으로 된다.
이와 같이 제1 레이저 광의 조사 시간과 제2 레이저 광의 조사 시간을 제어함으로써 실시예 2와 마찬가지로 기판(60)의 깊이 방향의 온도 분포를 제어할 수가 있다.
이와 같이 도 4에 기재한 레이저 어닐 장치를 이용하여 열처리를 하는 공정은 제1 레이저 광(50)과 제2 레이저 광(52)의 각각의 조사 강도 또는 조사 시간의 적어도 한쪽을 제어함으로써, 기판의 막의 깊이 방향의 온도 분포를 제어한다. 이에 의해 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 방법을 제공할 수가 있다. 또, 제1 레이저 광(50)의 조사 강도와 제2 레이저 광(52)의 각각의 조사 강도 또는 조사 시간의 적어도 한쪽을 제어함으로써, 기판(60)의 깊이 방향의 온도 분포를 제어하는 제어부(제어 회로 1(54), 제어 회로 2(56) 및 구동계 제어 회로(48))를 가지는 레이저 어닐 장치를 이용함으로써 기판 또는 기판 상의 막을 소망의 깊이까지 소망의 온도로 온도 상승하는 것이 가능한 반도체 장치의 제조 장치를 제공할 수가 있다.
실시예 2 내지 실시예 4와 같이 실리콘 기판의 수 ㎛ 내지 수십 ㎛의 깊이를 열처리하기 위해서는 제1 레이저 광은 침입 길이 1이 1㎛ 정도인 것이 바람직하다. 따라서, 파장이 500㎚ 정도의 레이저 광을 이용하는 것이 바람직하고, YAG 레이저 이외에도 YLF 레이저 또는 YVO4 레이저의 2차 고조광를 이용할 수가 있다. 제2 레이저 광(52)은 침입 길이가 20㎛ 정도인 것이 바람직하고, 파장이 800㎚ 정도의 반도체 레이저나 CO2 레이저 등을 이용할 수가 있다.
본 발명은 실리콘 기판 이외에도 실리콘 막의 열처리에도 적용할 수가 있다. 또, 이하에 나타내듯이 실리콘 이외의 재료의 열처리에도 적용할 수가 있다. 도 17은 TiN의 광의 파장에 대한 광의 침입 길이를 나타낸다. 파장에 의해 침입 길이가 변화하고 있다. 파장이 400㎚에서는 침입 길이는 약 7㎛이고, 파장이 800㎚에서는 침입 길이는 약 3㎛이다. 따라서, 파장이 400㎛와 800㎛의 레이저를 이용하면, 예를 들면, 기판 상에 형성한 TiW막의 열처리에 대해서도 본 발명을 적용하고 그 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 본 발명은, 기판 상의 막의 열처리에도 적용할 수가 있고 실리콘 기판 이외의 기판 및 기판 상의 막에 대해서도 적용할 수가 있다.
또한, 제1 레이저 광(50) 및 제2 레이저 광(52)으로서는 그 외의 레이저를 이용할 수가 있다. 예를 들면, 도 18은 각 레이저의 파장, 실리콘의 파장에 대한 침입 길이를 나타내는 도이다. 제1 레이저 광(50) 및 제2 레이저 광(52)은 엑시머 레이저(XeCl　Excimer, KrF　Excimer 및 ArF　Excimer), YAG 레이저의 기본파(도시하지 않음), 2차 고조파(Nd:YAG(2ω)), 3차 고조파(Nd:YAG(3ω)), 4차 고조파(Nd:YAG(4ω)) 및 5차 고조파(Nd:YAG(5ω)), YVO4 레이저 기본파(도시하지 않음), 2차 고조파(Nd:YVO4(2ω)), 3차 고조파(Nd:YVO4(3ω), 4차 고조파(Nd:YVO4(4ω)) 및 5차 고조파(Nd:YVO4(5ω)), YLF 레이저의 기본파(도시하지 않음), 2차 고조파(Nd:YLF(2ω)), 3차 고조파 Nd:YLF(3ω), 4차 고조파(Nd:YLF(4ω)) 및 5차 고조파(Nd:YLF(5ω)), 유리 레이저의 기본파(도시하지 않음), 2차 고조파(Nd:Glass(2ω)), 3차 고조파(Nd:Glass(3ω)), 루비 레이저(Ruby), 알렉산드라이트(alexandrite) 레이저, 사파이어 레이저의 기본파(Ti:Sapphire), 2차 고조파(Ti:Sapphire(2ω)) 및 3차 고조파(Ti:Sapphire(3ω)), 헬륨 카드뮴 레이저(He-Cd), 동증기(Cu vaper) 레이저, 금증기(Au vaper) 레이저로부터 선택되는 레이저의 레이저 광으로 할 수가 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해서 상술하였지만 본 발명은 관계되는 특정의 실시예에 한정되는 것은 아니고, 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서 여러 가지의 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (13)

  1. 제1 레이저 광과, 이 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광을 기판에 조사하고, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 열처리를 하는 공정을 구비하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 열처리를 하는 공정은, 상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저의 각각의 조사 강도 또는 조사 시간의 적어도 한쪽을 제어함으로써, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 깊이 방향의 온도 분포를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제1 레이저 광과, 이 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광을 기판에 조사하고, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 열처리를 하는 공정을 구비하는 반도체 장치의 제조 방법에 있어서,
    상기 제1 레이저 광의 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막으로의 침입 길이는, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이하이고,
    상기 제2 레이저 광의 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막으로의 침입 길이는, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 상기 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광이 일정 시간만 적어도 상기 기판의 일부에 조사되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광은 펄스 레이저 광 또는 연속 발진 레이저 광이고,
    상기 제2 레이저 광은 펄스 레이저 광 또는 연속 발진 레이저 광이고,
    상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광이 펄스 레이저 광인 경우는, 그 펄스 폭에 의해 상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광의 각각의 상기 조사 시간을 제어하고,
    상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광이 연속 발진 레이저 광인 경우는, 그 레이저 광의 상기 기판 상의 이동 속도에 의해 상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광의 각각의 상기 조사 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광은, 각각 엑시머 레이저, CO2 레이저, YAG 레이저(기본파 또는 고조파), YVO4 레이저(기본파 또는 고조파), YLF 레이저(기본파 또는 고조파), YAlO3 레이저(기본파 또는 고조파), 유리 레이저(기본파 또는 고조파), 루비 레이저, 알렉산드라이트(alexandrite) 레이저(기본파 또는 고 조파), Ti:사파이어 레이저(기본파 또는 고조파), 헬륨 카드뮴 레이저, 동증기 레이저, 금증기 레이저 및 반도체 레이저로부터 선택되는 레이저의 레이저 광인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 표면에 동작층을 형성하는 공정을 구비하고,
    상기 열처리를 하는 공정은, 상기 기판의 이면으로부터 상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광의 적어도 한쪽은 연속 발진 레이저 광이고,
    상기 연속 발진 레이저 광의 상기 기판 상의 이동 속도와 이동 방향의 빔 스폿 크기를 각각 조정함으로써 상기 연속 발진 레이저 광의 상기 조사 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제1 레이저 광을 조사하는 제1 레이저와, 이 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광을 조사하는 제2 레이저를 구비하고, 상기 제1 레이저 광과 상기 제2 레이저 광을 기판에 조사하고 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막을 열처리하는 반도체 장치의 제조 장치에 있어서,
    상기 제1 레이저와 상기 제2 레이저의 각각의 조사 강도 또는 조사 시간의 적어도 한쪽을 제어함으로써, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 깊이 방향의 온도 분포를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치.
  9. 제1 레이저 광을 조사하는 제1 레이저와, 이 제1 레이저 광과는 다른 파장을 가지는 제2 레이저 광을 조사하는 제2 레이저를 구비하고, 상기 제1 레이저 광과 상기 제2 레이저 광을 기판에 조사하고 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막을 열처리하는 반도체 장치의 제조 장치에 있어서,
    상기 제1 레이저 광의 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막으로의 침입 길이는, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이하이고,
    상기 제2 레이저 광의 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막으로의 침입 길이는, 상기 기판 또는 상기 기판 상의 막의 상기 열처리를 해야 할 깊이의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광은 일정 시간만 적어도 상기 기판의 일부에 조사되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 레이저는 펄스 레이저 또는 연속 발진 레이저이고,
    상기 제2 레이저는 펄스 레이저 또는 연속 발진 레이저이고,
    상기 제1 레이저 또는 상기 제2 레이저가 펄스 레이저의 경우는, 그 펄스 폭에 의해 상기 제1 레이저 또는 상기 제2 레이저의 각각의 상기 조사 시간을 제어하고,
    상기 제1 레이저 또는 상기 제2 레이저가 연속 발진 레이저의 경우는, 그 레이저 광의 상기 기판 상의 이동 속도에 의해 상기 제1 레이저 광 또는 상기 제2 레이저 광의 각각의 상기 조사 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광 및 상기 제2 레이저 광은, 각각 엑시머 레이저, CO2 레이저, YAG 레이저(기본파 또는 고조파), YVO4 레이저(기본파 또는 고조파), YLF 레이저(기본파 또는 고조파), YAlO3 레이저(기본파 또는 고조파), 유리 레이저(기본파 또는 고조파), 루비 레이저, 알렉산드라이트(alexandrite) 레이저(기본파 또는 고조파), Ti:사파이어 레이저(기본파 또는 고조파), 헬륨 카드뮴 레이저, 동증기 레이저, 금증기 레이저 및 반도체 레이저로부터 선택되는 레이저의 레이저 광인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1 레이저 및 상기 제2 레이저의 적어도 한쪽은 연속 발진 레이저이고,
    상기 연속 발진 레이저의 레이저 광의 상기 기판 상의 이동 속도와 이동 방향의 빔 스폿 크기를 각각 조정함으로써 상기 연속 발진 레이저의 상기 조사 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
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