KR20120135511A - 레이저 에너지를 반도체 재료 표면에 조사하는 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 에너지를 반도체 재료 표면에 조사하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 제1 레이저 빔을 생성하는 레이저; 광학 시스템; 및 제1 레이저 빔을 복수의 제2 레이저 빔으로 형상화하기 위한 복수의 개구부를 포함하는, 제1 레이저 빔 형상화 수단을 포함하며, 개별적인 개구부들의 형상 및/또는 크기는 조사될 반도체 재료층의 공통 영역의 형상 및/또는 크기에 상응하고, 광학 시스템은 제2 레이저 빔을 중첩시켜 상기 공통 영역에 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 반도체 소자 제조 시 이러한 장치의 용도에 관한 것이다.

Description

레이저 에너지를 반도체 재료 표면에 조사하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR IRRADIATING A SEMICONDUCTOR MATERIAL SURFACE BY LASER ENERGY}
본 발명은 반도체 재료 표면에 레이저를 조사하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 반도체 재료 표면에 레이저를 조사하기 위한 장치에 관한 것이다.
재결정화 및 도펀트 활성화를 얻기 위한 비정질 실리콘의 열 어닐링과 같은 응용에 대해서 반도체 재료 표면의 레이저 조사가 잘 알려져 있다. 이러한 기법은 매우 빠른 열 처리 및 가열된 영역의 낮은 깊이를 가능하게 함으로써 종래의 가열 공정에 비해 상당한 이점을 제공한다.
일반적으로 레이저 빔 스팟의 형상 및/또는 크기가 조사 대상 영역의 형상 및/또는 크기에 맞지 않기 때문에, 최신 기술은 특정 크기와 형상을 가진 반도체 재료층의 영역 및 이러한 분리된 영역들의 패턴에 조사될 수 있도록 다수의 레이저 형상화 수단을 제공한다. 예를 들어, US 2003199176에 예시된 바와 같이 일반적으로 알려진 기법은 레이저 빔 스팟을 형상화하기 위한 섀도우 마크를 사용하고 있다. 이러한 섀도우 마스크는 복수의 개구부(aperture)를 구비할 수 있다.
조사 공정에 요구되는 높은 에너지 밀도 및 전통적으로 이용 가능한 레이저 소스의 낮은 출력 에너지로 인해 레이저 스팟 크기는 다이("칩" 또는"소자(device)"라고도 불림)의 크기보다 훨씬 더 작으므로, 종래의 섀도우 마스크 기법을 이용하는 것의 첫 번째 단점은, 다이 전체 또는 하나의 다이 내부의 큰 패턴에 조사되어야 하는 경우에 다이 또는 패턴에 완전히 조사하기 위해서 레이저 스팟은 이를 가로지르거나(step) 스캔해야 한다. 그 결과 처리 속도가 감소하고 생산비가 증가할 수 있다.
두 번째 단점은, 레이저 스팟이 패턴을 가로지르거나 스캔하는 경우, 레이저 에너지 밀도의 변동으로 인해 도펀트 활성화 속도 또는 깊이 및 표면 품질에 불균일성이 발생할 수 있다.
세 번째 단점은, 조사 대상인 연속 패턴, 즉 분리되지 않은 영역들의 패턴의 크기가 레이저 빔 스팟보다 더 큰 경우, 연속적인 레이저 스팟들이 패턴의 일부 부분들에서 오버랩어서, 도펀트 활성화 속도 또는 깊이 및 표면 품질에 불균일성을 야기한다.
상기 레이저 조사 공정의 단점들을 고려하면, 첫 번째 목적으로서, 패턴 또는 다이에 완전히 조사하기 위해 이를 가로지르거나 스캔(이는 처리 속도 증가 및 생산비 감소로 이어질 수 있음)하지 않고 반도체 재료층을 처리하는 능력을 제공할 수 있는, 본 발명에 따른 레이저 조사 장치에 대한 필요성이 분명히 존재한다.
두 번째 목적으로서, 본 발명은 레이저 에너지 밀도의 변동에 대한 공정 성능의 의존도가 작고 그 결과 도펀트 활성화 속도 또는 깊이 및 표면 품질에 있어서 다이 균일성이 증가하는 장치를 제공할 수 있다.
세 번째 목적으로서, 본 발명은 사용자가 레이저 빔 스팟의 형상 및/또는 크기를 조사 대상 영역의 기하형상에 맞게 제어 및 조절함으로써 생산율 및 생산 유연성을 증가시킬 수 있도록 하는 장치를 제공할 수 있다.
네 번째 목적으로서, 본 발명은 오버랩을 감소시키거나 또는 심지어 억제하고 그 결과 도펀트 활성화 속도 또는 깊이 및 표면 품질에 있어서 균일성을 증가시키도록 하는 장치를 제공할 수 있다.
다섯 번째 목적으로서, 본 발명은 빔 스팟의 형상 및/또는 크기를 조사 대상 영역에 일치시키기 위해 요구되는 광학 요소의 개수를 상당히 제한함에 따라 상기 장치의 크기 및 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명은, 형상 및/또는 크기가 조사될 반도체 재료층의 공통 영역의 형상 및/또는 크기에 대응되는 복수의 개구부를 포함하는 형상화 수단을 통해 복수의 제2 레이저 빔으로 형상화되는 제1 레이저 빔을 이용함으로써, 그리고 제2 레이저 빔을 중첩시켜 상기 공통 영역에 조사하도록 구성된 광학 시스템을 이용함으로써 상기 목적들을 충족시킨다.
본 발명은, 제1 레이저 빔을 생성하는 레이저; 광학 시스템; 및 제1 레이저 빔을 복수의 제2 레이저 빔으로 형상화하기 위한 복수의 개구부를 포함하는, 제1 레이저 빔 형상화 수단을 포함하는 반도체 재료 조사 장치에 관한 것으로, 개별적인 개구부들의 형상 및/또는 크기는 조사될 반도체 재료층의 공통 영역의 형상 및/또는 크기에 상응하고, 광학 시스템은 제2 레이저 빔을 중첩시켜 상기 공통 영역에 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 반도체 소자 제조에 있어서 이러한 장치의 용도에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 구현예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 구현예를 도시한다
도 3은 본 발명에 따른 소위 "미니 줌(mini-zoom)"을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 "미니 줌"을 통한 정확한 초점의 가능성을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 장치의 대안적인 구현예를 도시한다
도 6은 복수의 개구부의 변형을 도시한다.
당업자라면, 하기에 기술되는 구현예들이 본 발명에 따라 단지 예시적인 것이며, 본 발명이 의도로 하는 범주를 제한하지 않음을 이해할 것이다. 다른 구현예들 또한 고려될 수 있다.
본 발명의 제1 구현예에 따르면, 제1 레이저 빔을 생성하는 레이저; 광학 시스템; 및 제1 레이저 빔을 복수의 제2 레이저 빔으로 형상화하기 위한 복수의 개구부를 포함하는, 제1 레이저 빔 형상화 수단을 포함하는 반도체 재료 조사 장치가 제공되며, 개별적인 개구부들의 형상 및/또는 크기는 조사될 반도체 재료층의 공통 영역의 형상 및/또는 크기에 상응하고, 광학 시스템은 제2 레이저 빔을 중첩시켜 상기 공통 영역에 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
형상 및/또는 크기가 조사될 반도체 재료층의 공통 영역의 형상 및/또는 크기에 대응되는 복수의 개구부를 포함하는 형상화 수단을 통해 복수의 제2 레이저 빔으로 형상화되는 제1 레이저 빔을 이용함으로써, 그리고 제2 레이저 빔을 중첩시켜 상기 공통 영역에 조사하도록 구성된 광학 시스템을 이용함으로써, 상기 장치는 패턴 또는 다이에 완전히 조사하기 위해 이를 가로지르거나 스캔(이는 처리 속도 증가 및 생산비 감소로 이어질 수 있음)하지 않고 반도체 재료층을 처리할 수 있는 능력을 제공한다.
또 다른 이점은, 이러한 장치는 한 번에 완전한 패턴 또는 다이로 조사할 수 있으므로, 레이저 에너지 밀도의 변동에 대한 공정 성능의 의존도가 작다는 것일 수 있다. 더욱이, 제2 빔을 중첩시키기 위한 광학 시스템을 사용함으로써, 조사 대상 영역에 입사되는 에너지 밀도의 균일성이 향상될 수 있다. 결과적으로 도펀트 활성화 속도 또는 깊이 및 표면 품질에 관한 다이 균일성의 증가가 달성된다.
본 발명에 따른 장치의 또 다른 이점은, 개구부의 크기 및/또는 형상이 조사 대상 영역에 상응하므로 연속적인 레이저 스팟이 더 이상 필요하지 않고, 그 결과 오버랩이 감소되며, 결과적으로 도펀트 활성화 속도 또는 깊이 및 표면 품질에 관한 다이 균일성이 증가된다는 것일 수 있다.
또한 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는, 종래의 시스템에 비해서 빔 스팟의 형상 및/또는 크기를 조사 대상 영역에 일치시키기 위해 요구되는 광학 요소의 개수를 상당히 제한하고, 따라서 장치의 크기 및 비용이 감소된다.
복수의 개구부("마스크"라고도 불림)는 복수의 개구부가 형성된 고형 플레이트일 수 있고, 또는 임의의 형태의 프레임에, 바람직하게는 어레이 형태로 장착된 개구부 어셈블리일 수 있다. 본질적으로, 이러한 하나의 개구부는 홀 또는 개구이며, 제1 레이저 빔의 일부가 이를 통과하고, 이는 제2 레이저 빔 스팟의 형상 및 크기를 정의한다.
복수의 개구부의 개구부 개수는 적어도 두 개 내지 M×N일 수 있고, 이 때 M과 N은 2 내지 30, 5 내지 20, 바람직하게는 10일 수 있다.
대안적으로, 복수의 개구부는 복수의 고투과율 영역즉, 저투과율 영역으로 둘러싸인 개구부를 가진 부분 반사 코팅을 포함하는 미러 또는 렌즈일 수 있다. 추가적으로, 고투과율 영역의 투과도를 조절함으로써, 조사 대상 영역의 조사 강도를 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 구현예에 있어서, 반도체 재료 조사 장치가 제공되며, 이 때 복수의 개구부 각각의 형상 및 크기는, 제2 레이저 빔의 스팟 형상 및 스팟 크기가 조사 대상 영역의 형상 및 크기에 일치하도록 이루어진다. 본 발명에 따른 장치는, 복수의 개구부를 다른 형상 또는 크기의 또 다른 복수의 개구부로 대체하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 개구부 형상 및 크기를 변형함으로써, 제2 빔 스팟의 크기 및 형상은 선택된 영역의 크기 및 형상에 상당히 정확히 일치될 수 있다. 이러한 대체 수단은, 다수의 마스크를 저장할 수 있고 저장된 마스크 중 임의의 마스크를 제1 레이저 빔의 경로에 자동적으로 정확하게 위치시킬 수 있는 어셈블리를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 구현예에 있어서, 조사 대상 영역은 적어도 하나의 다이 전체에 상응할 수 있다. 다이 전체는 하나의 레이저 펄스로 처리될 수 있다. 또한, 다이는 다이 전체를 커버하는 복수의 레이저 펄스를 수용할 수도 있다. 더욱이, 조사 대상 영역은 다수의 다이에 상응할 수 있다. 하나 이상의 다이 전체에 조사함으로써 다이에 걸쳐 균일한 조사 에너지 분산을 증가시키고 오버랩 효과를 감소시켜 그 결과 공정 균일성이 증가되는 데에 상당히 기여할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 구현예에 있어서, 광학 시스템은 마이크로렌즈 어레이(ML2) 및 구면 렌즈(FL)를 포함할 수 있다. 제1 레이저 빔은 복수의 개구부를 통해, 차후에 마이크로렌즈 어레이(ML2) 및 구면 렌즈에 의해 중첩될 제2 레이저 빔으로 형상화된다. 구면 렌즈는 조사 대상 영역 상의 이미지의 배율을 한정한다. 바람직하게 복수의 개구부(M)의 각각의 개구부는 마이크로렌즈 어레이(ML2) 중 하나의 마이크로렌즈에 상당히 정확히 대응될 수 있으며, 이 때 각각의 마이크로렌즈는 무한 평면에 상응하는 개구부의 이미지(IM)를 형성한다. 오직 하나의 마이크로렌즈 어레이 및 구면 렌즈가 필요하므로, 종래의 시스템에 비해서 광학 요소의 개수가 훨씬 더 적다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 구현예에 있어서, 광학 시스템은 추가적으로 제2 마이크로렌즈 어레이(ML1)를 포함할 수 있다. 따라서 이러한 경우 광학 시스템은 두 개의 마이크로렌즈 어레이(ML1, ML2) 및 구면 렌즈(FL)를 포함한다. 제1 레이저 빔은 마이크로렌즈 어레이(ML1)와 함께 복수의 개구부에 의해 제2 레이저 빔들로 형상화되고, 제2 레이저 빔들은 차후에 마이크로렌즈 어레이(ML2) 및 구면 렌즈(FL)에 의해 중첩된다. 바람직하게 복수의 개구부(M)의 각각의 개구부는 마이크로렌즈 어레이(ML1) 중 하나의 마이크로렌즈에 상당히 정확히 대응될 수 있고, 이 때 각각의 마이크로렌즈는 무한 평면에 상응하는 개구부의 이미지를 형성한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 후자의 구현예에는, 마이크로렌즈 어레이(ML2)를 마이크로렌즈 어레이(ML1)에 대해 이동 가능하도록 함으로써(소위 "미니 줌"), 조사 대상 영역에 맞게 이미지 크기를 미세하게 일치시키고 조절할 수 있다는 추가적인 이점이 있다. 도 4는 이러한 방식으로 달성될 수 있는 배율 범위의 예를 보여준다.
본 발명에 따른 장치의 광학 시스템은 사실상 빔 균질기로서 기능한다. 광학 시스템 앞쪽에 복수의 개구부를 제공함으로써, 레이저 빔이 형상화된 후 균질화된다. 이는 마스크가 웨이퍼에 가깝게 위치되는 섀도우 마스크 접근법에 비해 이미지의 선명도 면에서 상당한 이점을 제공한다. 더욱이, 위치가 매우 가까우면 반도체 재료 기판이 오염될 수 있는 우려가 있다.
대안적으로 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 개구부(M)는 레이저(L)의 출력 미러의 내측면에 위치될 수 있다. 이러한 경우, 복수의 개구부는 출력 미러의 내측면에 가능한 한 가깝게 장착된 개구부 어셈블리일 수 있다. 더욱 용이하고 바람직한 구성 방식은, 복수의 고반사율 영역을 가지는 출력 미러의 내측면 상의 부분 반사 코팅을 제공하는 것, 즉 출력 미러의 내측면 상에 저반사율 영역으로 둘러싸인 개구부들을 제공하는 것이다. 후자는, 레이저 내측에서 형상화가 발생하므로 에너지의 손실 없이 제1 레이저 빔을 형상화하는 수단을 제공한다.
본 발명에 따른 바람직한 구현예에 있어서, 복수의 개구부는 M×N 개구부 어레이일 수 있다. 이러한 M×N 개구부 어레이는 바람직하게 빔 균질기의 하나 이상의 M×N 마이크로렌즈 어레이에 대응된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 개구부들 자체는 패턴을 나타낼 수 있다. 모든 개별적인 개구부들의 형상 및/또는 크기가 조사될 반도체 재료층의 공통 영역의 형상 및/또는 크기에 대응된다는 사실 외에도, 이들 개구부 중 적어도 하나는 저투과율 영역 및 고투과율 영역의 패턴을 나타낼 수 있다. 이러한 개구부의 고투과율 영역은 제2 개구부들의 패턴에 의해서도 형성될 수 있다.
일부 응용에서 요구되는 바와 같이, 이러한 저투과율 영역 및 고투과율 영역의 패턴을 나타내는 개구부들을 적용함으로써, 제어된 불균일 조사가 가능하여, 하나의 조사 펄스로 상이한 조사 요건들, 예컨대 상이한 도펀트 활성화 비율들에 대한 상이한 열적 버짓(thermal budget)의 하위영역들을 가진 영역을 처리하도록 할 수 있다. 이러한 제어된 불균일 조사는 이전의 공정 단계들에 의해 발생된 불균일성을 보상하기 위해서 사용될 수도 있다.
레이저는 파장, 에너지 및 펄스 폭이 공정에 맞게 구성되는 모든 레이저일 수 있다. 바람직하게 레이저는 엑시머 레이저일 수 있으며, 더 바람직하게는 염화 크세논 엑시머 레이저일 수 있다.
레이저의 파장은 600 nm 미만의 범위, 190 nm 내지 480 nm의 범위(이러한 파장에서 실리콘의 에너지 흡수율이 높기 때문), 바람직하게는 308 nm일 수 있다.
레이저 에너지는 5 J 내지 25 J의 범위에 속할 수 있다. 이러한 에너지를 달성하기 위해, 레이저 방출 부피는 전형적으로 10 cm(전극간 공간) × 7 내지 10 cm(방출 폭) × 100 내지 200 cm(방출 길이)로 최적화된다.
펄스 폭은 도펀트 확산을 감소시키기 위한 빠른 가열과 결함 형성을 감소시키기 위한 비교적 느린 냉각 사이의 최적화에 상응하며, 100 ns 내지 1000 ns, 바람직하게는 100 ns 내지 300 ns의 범위에 속할 수 있다.
본 발명의 구현예에 있어서, 레이저는 0.5 내지 10 J/cm2의 에너지 밀도를 가지는 투사된 레이저 빔을 생성하도록 구성될 수 있다.
바람직한 구현예에 있어서, 레이저는, 전형적으로 에너지 밀도가 0.5 내지 10 J/cm2인 1 내지 10 cm2의 투사된 빔 스팟을 가지는 60 cm2 초과, 80 cm2 초과, 바람직하게는 100 cm2의 대면적 출력 빔을 생성하도록 구성된 엑시머 레이저일 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 제2 빔 스팟을 XYZ 방향으로 복수의 영역으로 정렬하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.
카메라를 사용하여 반도체 재료층 상의 빔 스팟을 가시화하고, 그 크기를 측정하여 배율을 조절함으로써 추가적인 조절을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 패턴 인식 시스템을 더 포함할 수 있다. 이러한 패턴 인식 시스템은, 반도체 재료를 고정하기 위한 스테이지에 기계적으로 연결되고 재료층 표면 상부에 위치된 카메라를 포함할 수 있다. 특정 구현예에 있어서, 카메라로부터의 이미지는 반도체 재료 상에 에칭된 몇 개(전형적으로 3개)의 정렬 마크를 위치시키도록 처리될 수 있다. 정렬 마크는 장치의 좌표계에 반도체 재료를 정밀하게 위치시킨다.
반도체 재료층은 반도체 응용에 적합한 임의의 물질, 예를 들어 도핑되지 않은 실리콘, 도핑된 실리콘, 주입된 실리콘, 결정 실리콘, 비정질 실리콘, 실리콘 게르마늄, 게르마늄 질화물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 예컨대 갈륨 질화물, 실리콘 탄화물 등으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 장치는, 반도체 재료 또는 소자, 예컨대 CMOS 이미지 센서, 3D 메모리, CMOS 논리 소자 및 광전지(이에 한정되지 않음)를 제조하는 데에 이용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 제1 레이저 빔을 생성하는 레이저;
    광학 시스템; 및
    제1 레이저 빔을 복수의 제2 레이저 빔으로 형상화하기 위한 복수의 개구부를 포함하는, 제1 레이저 빔 형상화 수단을 포함하는 반도체 재료 조사 장치에 있어서,
    개별적인 개구부들의 형상 및/또는 크기는 조사될 반도체 재료층의 공통 영역의 형상 및/또는 크기에 상응하고, 광학 시스템은 제2 레이저 빔을 중첩시켜 상기 공통 영역에 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    개구부들의 형상 및 크기는, 제2 레이저 빔의 스팟 형상 및 스팟 크기가 상기 조사 대상 영역의 형상 및 크기와 일치하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    광학 시스템은 마이크로렌즈들 각각이 복수의 개구부 중 하나에 대응되는 마이크로렌즈 어레이(ML2), 및 구면 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    광학 시스템은 마이크로렌즈들 각각이 복수의 개구부 중 하나에 대응되는 제2 마이크로렌즈 어레이(ML1)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저는 출력 미러를 포함하고, 이 때 복수의 개구부는 출력 미러의 내측면에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    복수의 개구부는 저투과율 영역으로 둘러싸인 복수의 고투과율 영역을 구비한 부분 반사 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 개구부는 M×N 개구부 어레이인 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    개구부들 중 적어도 하나는 패턴을 나타내는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저는 에너지 밀도가 0.5 내지 10 J/cm2인 투사된 레이저 빔을 생성하도록 구성된 엑시머 레이저인 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    조사 대상 영역은 적어도 하나의 다이 전체에 대응되는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 빔 스팟을 XYZ 방향으로 조사 대상 영역에 정렬시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 재료 조사 장치.
  12. 반도체 소자 제조 시 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
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