KR20130087418A - 온도 성능이 개선된 2빔 레이저 어닐링 방법 및 시스템 - Google Patents

온도 성능이 개선된 2빔 레이저 어닐링 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

레이저 어닐링 프로세스 동안에 웨이퍼 표면 온도 변화가 감소된 레이저 어닐링을 수행하는 시스템 및 방법이 개시된다. 시스템 및 방법은 제1 및 제2 강도를 각각 갖는 각각의 예열 및 어닐링 레이저 빔을 나타내는 제1 및 제2 레이저 빔으로 웨이퍼 표면을 어닐링 하는 것을 포함한다. 예열 레이저 빔은 웨이퍼 표면 온도를 어닐링 온도 근처까지 상승시키고 어닐링 레이저 빔은 웨이퍼 표면 온도를 어닐링 온도까지 상승시킨다. 우수한 어닐링 온도 균일성을 보장하기 위해 예열 및 어닐링 파장에서 웨이퍼 표면의 반사도 맵을 사용하는 것이 고려될 수 있다.

Description

온도 성능이 개선된 2빔 레이저 어닐링 방법 및 시스템{TWO-BEAM LASER ANNEALING WITH IMPROVED TEMPERATURE PERFORMANCE}
본 발명은 일반적으로 집적회로(IC)를 조립하기 위해 반도체 제조에서 사용되는 어닐링(annealing)에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 어닐링 프로세스의 온도 성능을 향상시키기 위해 상이한 파장을 갖는 2개의 레이저 빔을 사용하는 반도체 웨이퍼의 레이저 어닐링에 관한 것이다.
레이저 스파이크 어닐링(LSA: laser spike annealing)과 같은 밀리 초 어닐링은 극히 낮은 서멀 버짓(thermal budget), 높은 도펀트(dopant) 활성화 및 계단 접합(super-abrupt junctions)을 제공하기 때문에 최신 반도체 조립에서 널리 채용되고 있다. 패턴 형성된 웨이퍼에 이런 타입의 어닐링을 구현하는 데 있어서 핵심적인 문제는 IC 칩의 피처(features)에 의해 야기된 웨이퍼 표면의 광학 및 열적 특성에서 공간적 변동으로부터 일어날 수 있는 칩 내의 큰 온도 불균일의 가능성이다. 이들 부정적 효과는 당해 기술분야에서 "패턴 밀도 효과(pattern density effects)" 또는 단지 "패턴 효과(pattern effects)"라고 지칭된다.
LSA의 일 예로서, 적외선 레이저는, 반사를 최소화하고 그에 의해 패턴 밀도 효과로 인한 칩 내 온도 불균일을 최소화하기 위해 P-편광(polarization)으로 브루스터 입사각(Brewster angle of incidence)에서 또는 근처에서 웨이퍼 표면에 단일 레이저 빔을 조향한다. 적외선 파장은 필름 두께(예컨대, 1 ㎛ 이하)에 비해 상대적으로 긴 파장(예컨대, 10.6 ㎛) 때문에 패턴들로부터의 광 간섭 효과를 감소시킨다. 브루스터 입사각은 표면에 대한 최대 흡수 각도라고 알려져 있고 IC 칩 조립에서 사용된 다양한 얇은 적층 필름들을 포함하는 IC 칩 피처로 인한 광 흡수의 차이를 최소화하는 작용을 한다.
이 단일-빔 접근은 다수의 IC 칩 피처 및 회로 레이아웃에 대해 아주 잘 적용된다. 그러나 어떤 IC 칩 피처와 큰 피처를 포함하는 레이아웃에 있어서, 상이한 광학 특성을 갖는 2개의 인접한 영역들 사이의 경계에서 광 회절로 인해 온도 오버슈트(overshoot)가 관측되었다. 이것은 인접한 영역들 내에서 도펀트를 활성화시키기 위해 사용될 수 있는 최대 어닐링 온도를 감소시킨다.
도 1은 웨이퍼 바디(9)와 웨이퍼 표면(12)을 갖는 종래 실리콘 웨이퍼(10)의 확대 단면도이다. 도 1의 웨이퍼(10)는 웨이퍼 표면(12)에 인접하여 웨이퍼 바디(9) 내에 형성된 산화물 영역(예컨대, 산화물 분리 패드)(16)의 형태의 피처를 포함한다. 산화물 영역 피처(16)은 웨이퍼 바디(9) 내 산화물-실리콘 인터페이스(17)를 형성하고 실시예 웨이퍼 구조체 또는 피처를 구성한다. 도 2는 인터페이스(17)로부터의 거리 x(㎛) 대 정규화된 강도의 관계를 도시한다. 도 2는 종래 기술에 따라 수행된 단일-빔 레이저 어닐링 동안에 도 1에 도시된 웨이퍼(10)의 단면에서 광 강도 분포의 시뮬레이션을 도시한다. 상기 시뮬레이션은 10.6 ㎛파장의 P-편광 CO2 레이저 빔(LB)(도 1 참조)을 사용하여 실리콘 기판에 대해 브루스터 각도(θB) 근처의 입사 각도(θ)로 웨이퍼 표면(12)에 입사하여 수행되었다(즉, θ
Figure pat00001
θB
Figure pat00002
75°). 도 2의 도면은 웨이퍼 바디(9) 내의 인터페이스(17)에 인접해서 상대적으로 강한 강도 발진을 도시한다. 상기 발진의 주기는 레이저 빔(LB)의 입사 각도(θ)에 종속하며, 통상 파장의 일부이다.
웨이퍼 단면에서 대응하는 온도 분포는 열적 확산으로 인한 강도 분포보다 더욱 완만하며, 밀리 초(ms) 레이저 어닐링에 대한 전형적인 열 확산 길이는 약 100 ㎛이다. 그러나 인터페이스(17)에서의 온도는 웨이퍼 바디(9)의 나머지의 온도보다 여전히 높다. 이 온도 변화는 에지 온도 오버슈트(△Tedge)라고 지칭된다.
이 온도 오버슈트에 의해 웨이퍼(10) 내에 형성된 피처(16) 근처에 에지 손상이 발생할 수 있다.
본 발명의 측면들은 상이한 파장을 갖는 2개의 빔을 사용하여 레이저 어닐링을 수행하는 시스템 및 방법을 포함하는 반면, 본 발명의 다른 측면들은 동일한 파장과 상이한 구성, 즉 상이한 편광(polarization), 상이한 입사각 및 상이한 입사 평면 중 적어도 하나를 갖는 2개의 레이저 빔을 사용한다. 상기 시스템 및 방법은 어닐링 프로세스 동안에 웨이퍼 표면의 온도 균일성을 개선한다. 어닐링 온도가 슬립(slip) 생성에 의해 제한되는 웨이퍼에 대해, 여기서 개시된 2-빔 어닐링 시스템 및 방법은 슬립을 생성하지 않고 적용될 수 있는 최대 어닐링 온도를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
웨이퍼 표면에서 수행된 측정은 웨이퍼 표면 반사도가 레이저 파장, 편광, 입사각 및 웨이퍼 표면 위에 형성된 피처들에 관한 입사 평면 방향과 웨이퍼 표면 위치의 함수로서 크게 변할 수 있다는 것을 지시한다. 여기서 설명되는 2-파장 어닐링 접근은 반사도 변동을 감소하고 어떤 경우에는 실질적으로 보상할 수 있으며 그에 의해 개별 IC 칩 내에서도 어닐링 온도 균일성을 개선할 수 있다.
(종래의 단일-빔 어닐링 접근과 비교하여) 칩 내 온도 균일성을 개선하기 위해 여기서 개시된 시스템 및 방법의 사용은 적외선 파장에서 높은 표면 반사도를 초래하는 재료로 형성된 디바이스를 갖는 웨이퍼를 어닐링 할 때 특히 유용하다. 이 경우에, 상기 두 레이저 빔들의 강도의 비율은 최소 광 흡수 콘트라스트를 달성하기 위해 최적화되거나 웨이퍼 표면 위치의 함수로서 변할 수 있으며, 그에 의해 어닐링 온도 균일성이 개선된다.
따라서, 본 발명의 측면들은 제1 및 제2 레이저 빔을 결합시킴으로써 집적회로(IC) 칩 제조 시 반도체 웨이퍼의 레이저 어닐링을 수행하는 시스템 및 방법을 포함한다. 제1 레이저 빔은 대략 실리콘의 브루스터 각도(θB)(즉, 약 75°)로 웨이퍼 표면에 입사하는 적외선 P-편광 레이저 빔이다. 제1 레이저 빔은 통상 대략 섭씨 수백도의 목표 피크 어닐링 온도 내에 있는 중간 온도까지 웨이퍼 표면을 가열하는 예열 레이저 빔이다. 제2 레이저 빔은 적외선, 가시광선, 또는 UV 레이저 빔이 될 수 있다. 제2 레이저 빔은 제1 레이저 빔과 같은 적외선 파장을 가질 수 있지만 상이한 구성, 즉 상이한 편광, 상이한 입사각 및 상이한 입사 평면 중 적어도 하나를 가져야 한다. 만일 제2 레이저 빔이 제1 레이저 빔과 실질적으로 상이한 파장을 갖는다면, 동일한 빔 구성을 가질 수 있다. 즉, 동일한 입사 평면에 놓이고 동일하거나 거의 동일한 입사각을 가질 수 있다. 제2 레이저 빔은 거의-수직 인 입사각으로부터 큰 각도까지, 예컨대 브루스터 각도(θB) 이상까지 임의의 각도로 웨이퍼 표면에 입사될 수 있다. 제2 레이저 빔은 웨이퍼 표면을 어닐링 온도(TA) - 일 실시예에서 웨이퍼 용융 온도 이하임 - 까지 가열하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 제2 레이저 빔은 웨이퍼 표면 온도를 200℃ ~ 800℃ 만큼 상승시킨다. 제1 및 제2 레이저 빔은 웨이퍼 표면 위에 각각의 제1 및 제2 라인 이미지를 형성한다. 일 실시예에서, 제1 라인 이미지는 제2 라인 이미지를 포함한다. 즉, 제2 라인 이미지는 제1 라인 이미지 내에 속한다. 제1 및 제2 라인 이미지는 웨이퍼 표면을 동조하여 가로질러 이동한다. 그와 같은 이동은 웨이퍼를 이동시키거나, 라인 이미지들을 이동시키거나, 또는 상기 두 이동을 결합하여 달성될 수 있다.
본 발명의 제2 측면은 전술한 바와 같이 어닐링 온도 균일성을 개선하기 위해 2개의 빔 레이저를 결합하는 방법이며, 예열 및 어닐링 파장에서 반사도를 기초로 웨이퍼 표면의 어닐링 될 부분에 대해 어닐링을 수행하는 것을 포함한다. 따라서, 상기 방법은 제1 및 제2 반사도 맵(reflectivity map)을 얻기 위해 각각의 예열 및 어닐링 파장(λ1, λ2)에 대해 웨이퍼 표면의 적어도 일부의 반사도를 측정하는 것을 포함한다. 그 다음, 제1 및 제2 반사도 맵을 사용하여, 상기 방법은 또한 어닐링을 위해 단일 레이저 빔을 사용하는 것에 비해 웨이퍼 표면에서 온도 변화를 감소시키는 제1 및 제2 레이저 빔 강도(I1, I2)를 사용하여 웨이퍼를 어닐링 하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 레이저 빔 강도(I1, I2) 중 적어도 하나는 단일 레이저 빔으로 웨이퍼 표면을 어닐링 하는 것에 비해 웨이퍼 표면 온도의 변화를 감소시키거나 최소화시키는 방식으로 웨이퍼 표면 위치의 함수로서 변경된다.
본 발명의 제3 측면은 웨이퍼 표면에 형성된 큰 피처들 또는 슬립 생성들 근처에서 에지 손상을 감소시키거나 경감시키기 위해 2개의 레이저 빔의 강도(I1, I2)를 정의하는 방법이다. 일 실시예에서, 제2 레이저 빔의 강도(I2)는 제2 강도의 범위에 대하여 테스트 웨이퍼에서 실험을 수행하고 에지 손상의 감소된 또는 최소의 양 또는 슬립 생성 문턱 온도와 관련된 제2 강도를 설정함으로써 선택된다. 테스트 웨이퍼의 에지 손상 또는 슬립 생성의 양은 검사에 의해, 예를 들면 광학 현미경 검사에 의해 결정된다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 다음 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 다음의 상세한 설명, 청구범위, 첨부된 도면을 포함하여 본 명세서에 설명된 바와 같은 발명을 실행하는 것에 의해 인식되거나 또는 설명으로부터 당업자에게 용이하게 인식될 것이다. 첨부된 청구항들은 본 명세서의 일부를 구성하고, 참조에 의해 상세한 설명에 포함된다.
전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 본 발명의 실시예를 제시하고 청구되는 바와 같은 본 발명의 성질과 특성을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하기 위한 것이다. 첨부 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 여러 실시예를 도시하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 동작과 원리를 설명하는 역할을 한다.
아래에 제시된 청구항들은 본 명세서의 일부를 구성하고, 특히 이하에 제시된 상세한 설명에 포함된다.
도 1은 웨이퍼 바디 내 웨이퍼 표면에 인접하여 형성된 산화물 영역을 포함하는 종래 기술 실리콘 웨이퍼의 한 섹션의 확대 단면도로서, 웨이퍼 표면에 대하여 통과하는 주사된 어닐링 레이저 빔을 도시하며,
도 2는 도1의 산화물-실리콘 계면으로부터 웨이퍼 바디 내로 거리 x(㎛) 대 정규화된 강도의 그래프로서, 종래 기술에 따라 수행된 레이저 어닐링 동안 웨이퍼 바디의 실리콘 섹션 내 레이저 광 강도 분포의 시뮬레이션을 도시하고, 산화물 영역의 에지에서 웨이퍼에 에지 손상을 초래할 수 있는 에지 오버슈트 온도(△Tedge)를 도시하며,
도 3은 본 발명에 의한 레이저 어닐링 시스템의 실시예를 개략적으로 도시하고,
도 4a는 예열 레이저 빔(제1 광 빔 소스 시스템) 및 어닐링 레이저 빔(제1 광 빔 소스 시스템)을 위한 상이한 구성을 도시하는, 실시예 레이저 어닐링 시스템 또는 실시예 웨이퍼 반사 측정 시스템의 개략적인 사시도이고,
도 4b는 도 4a에 기초한 개략도로서 X-Z 평면과 Y-Z 평면 각각에 의해 규정된 예열 및 어닐링 레이저 빔들을 위한 제1 및 제2 입사 평면들을 도시하고,
도 5a는 웨이퍼 표면 위에 형성된 이상화된 예열 및 어닐링 라인 이미지들의 실시예의 개략 평면도이고,
도 5b 및 도 5c는 Y-방향(도 5b)과 X-방향(도 5c)에서 취한 예열 및 어닐링 라인 이미지들에 대한 실시예 강도 프로파일의 개략적인 플롯(plot)이고,
도 5d는 웨이퍼 온도 Ts(℃) - 시간(ms)의 관계 그래프로서 예열 및 어닐링 레이저 빔들에 의해 생성된 전형적인 웨이퍼 표면 온도 프로파일을 도시하며,
도 5e는 IC 칩들을 포함하는 웨이퍼 표면의 실시예 영역(RW)를 도시하는 확대된 인셋(inset)과, 상기 IC 칩 내 실시예 웨이퍼 피처(산화물 영역)를 도시하는 제2 확대된 인셋을 포함하는 실시예 웨이퍼의 평면도이고,
도 6a 및 도 6b는 예열 파장(λ1)(도 6a)과 어닐링 파장(λ2)(도 6b)에서 측정된 실시예 웨이퍼 표면의 일부의 2차원(x,y) 그레이-스케일(gray-scale) 반사도 맵이고,
도 7a 및 도 7b는 흰색 파선(A-A')를 따라 취해진, 각각 반사도 맵(도 6a 및 도 6b)에 기초한 반사도 맵(R)-위치(x)(mm)의 플롯(즉, 1차원 반사도 맵)이고,
도 8a 및 도 8b는 도 6a 및 도 7a와 유사한 도면으로서, 10.6 ㎛의 IR 예열 파장과 0.85 ㎛(850 nm)의 어닐링 파장의 조합에 기초하여 중심선에서 취해진 2차원(x,y) 반사도 맵과 반사-위치 플롯(즉, 1차원 반사도 맵)을 도시하고,
도 9는 종래의 단일-빔 어닐링(흰색 막대)을 사용하여 및 여기서 개시된 2-빔 어닐링 시스템 및 방법을 사용하여(검은색 막대) 3개의 상이한 레이아웃 영역들에서 관측된 에지 손상 문턱 온도(TDT)(℃)를 비교하는 막대 그래프이고; 및
도 10은 종래의 단일-빔 어닐링 및 여기서 개시된 2-빔 레이저 어닐링 시스템 및 방법을 사용하여 측정된 슬립(slip) 문턱 온도의 플롯이다.
이제 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 참조할 것이며, 실시예들은 첨부된 도면에 도시되어 있다. 가능한 한, 전체 도면에 걸쳐 유사하거나 동일한 부분들에 대해서는 동일한 도면번호 및 부호들이 사용된다. 도면은 축척으로 그릴 필요는 없으며, 당업자는 본 발명의 핵심 측면들을 도시하기 위해 도면에서 간략화된 곳을 식별할 것이다. 어떤 도면에서는, 기준을 제시하기 위해 직교 좌표가 제공되며 이것은 여기서 설명되는 시스템 및 방법의 특정 방향 및 방위를 제한하려는 의도는 아니다. 첨부된 청구항들은 여기 상세한 설명에 포함되어 그 일부를 구성한다.
이하에서, 용어 "반도체 기판"과 "웨이퍼"는 동의어이고 상호 교환적으로 사용된다. 또한, 용어 "반도체 웨이퍼 표면"과 "웨이퍼 표면"은 동의어이고 상호 교환적으로 사용되며, "웨이퍼 표면"은 "반도체 웨이퍼 표면"의 단축형이다. 용어 "웨이퍼"는 집적회로의 조립에서 사용되는 바와 같이 "반도체 웨이퍼"의 단축형이다.
도 3은 본 발명에 의한 레이저 어닐링 시스템(100)(이하, 시스템이라고 함)의 실시예를 개략적 구성도를 도시한다. 도 4a는 시스템(100)의 개략적 사시도이다. 도 4a의 시스템(100)은 전술한 바와 같이 웨이퍼 반사도 맵 측정 시스템(100RM)일 수 있다.
도 3을 참조하면, 시스템(100)은 상부면(132)을 갖는 척(chuck)(130)을 조작 가능하게 지지하는 웨이퍼 스테이지(120)를 포함한다. 웨이퍼 스테이지(120)는 X-Y 평면에서 그리고 선택적으로 Z-방향에서 이동하도록 구성된다. 척 상부면(132)은 패턴 형성된 웨이퍼 표면(12)을 조작 가능하게 지지하는 평평한 표면(11)과 웨이퍼 바디(9)를 갖는 웨이퍼(10)를 조작 가능하게 지지하도록 구성된다. 웨이퍼 표면(12)은 IC 칩과 IC 칩 피처(예컨대, 이하에서 설명되는 도 5e의 실시예 웨이퍼 피처(16)를 참조)를 조립하는 다양한 스테이지들과 관련되는 임의의 패턴을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 척(130)은 웨이퍼(10)가 예열될 수 있도록 가열된다. 웨이퍼 스테이지(120)는 스테이지 컨트롤러(124)에 조작 가능하게 접속되고, 척(130)은 척 컨트롤러(134)에 조작 가능하게 접속된다.
도 3과 도 4a를 참조하면, 시스템(100)은 또한, 일 실시예에서 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 광 빔(168)을 생성하도록 구성되는 제1 광 빔-소스 시스템(150)을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 광 빔(168)은 강도(I1)를 갖는 레이저 빔으로, 이것은 웨이퍼 표면 온도(TS)를 일 실시예에서 약 1,300 ℃인 웨이퍼 어닐링 온도(TA) 이하인 약 500 ℃ ~ 1,100 ℃ 범위가 되도록 상승시킴으로써 웨이퍼 표면(12)을 예열하기 위해 사용된다.
또 다른 실시예에서, 시스템(100)은 반사도 맵 측정 시스템(100RM)을 구성하거나 반사도 맵 측정 시스템(100RM)으로서 사용되며, 제1 광 빔(168)은 어닐링을 위한 IR 가공 파장에 중심을 둔 협대역 광이고 후술하는 바와 같이 제1 파장(λ1)에서 웨이퍼 표면(12)의 제1 반사도 R1(x,y)을 측정하기 위해 사용된다. 이하에서는 먼저 레이저 어닐링에 대해 설명되고 나중에 반사도 맵 측정을 설명되며, 편의상 제1 광 빔-소스 시스템(150)은 이후에는 예열 레이저 시스템(150)으로 지칭되고 제1 광 빔(168) 역시 예열 레이저 빔(168)으로 지칭된다.
실시예 예열 레이저 시스템(150)은 예열 레이저(160)와 제1 광축(A1)을 규정하는 예열 광학 시스템(166)을 포함한다. 예열 레이저(160)는 연속 파형(CW: continuous-wave), P-편광 10.6 ㎛ CO2 레이저와 같은 CO2 레이저 또는 다이오드 레이저를 포함할 수 있다. 광축(A1)은 예열 레이저 빔(168)이 웨이퍼 표면(12)에 거의 수직(즉, 거의 0도)으로부터 큰 경사 입사각, 예컨대 실리콘에 대한 브루스터 각도, 또는 더 큰 범위에 있는 입사 각도(θ1)로 입사하도록 방향이 설정된다. 일 실시예에서, 제1 광축(A1)은 실리콘에 대한 브루스터 각도와 실질적으로 동일한 각도(θ1)를 갖고, 따라서 균일하지 않은 광 흡수로부터의 전술한 패턴 밀도 효과가 감소되거나 최소화된다.
예열 광학 시스템(166)은 초기 예열 레이저 빔(162)을 수신하고 그것으로부터 예열 레이저 빔(168)을 형성하도록 구성된다. 예열 레이저 빔(168)은 대체로 제1 (예열) 광축(A1)을 따라 진행하고 웨이퍼 표면(12)에서 제1 (예열) 라인 이미지(170)를 형성한다.
도 5a는 웨이퍼 표면(12)에 형성된 이상화된 예열 라인 이미지(170)의 실시예의 개략적 평면도이다. 도 5b 및 도 5c는 Y-방향(도 5b)과 X-방향(도 5c)에서 취한 예열 라인 이미지에 대한 실시예 강도 프로파일(170P)의 개략적인 플롯(plot)이다. 강도 프로파일(170P)은 웨이퍼 표면(12)에서 예열 레이저 빔(168)의 강도에 대응하고 예를 들면, 어떤 문턱 강도(ITH)보다 높은 강도에 의해서 예열 라인 이미지(170)를 정의한다. 예열 라인 이미지(170)는 길이(즉, Y) 방향으로 중심선 또는 축(C1)을 갖는 것으로 도시되어 있으며, 이는 주사 방향(즉, X)에 수직이다. 예열 라인 이미지(170)는 도 5a의 큰 화살표로 표시된 것과 같이 속도 VS에서 X 방향으로 주사된다.
예열 레이저 빔(168)은 통상 주사 방향에서 가우시안 강도 프로파일을 갖고 세로(교차-주사) 방향에서 상대적으로 상부가 평평한 프로파일을 갖는다. 예열 레이저 빔(168)에 대한 (따라서 예열 라인 이미지(170)에 대한) (가우시안 프로파일의 반값 전폭(FWHM: full width half maximum)으로 정의된) 실시예 빔 폭(W1)은 약 0.05 mm ~ 약 2 mm 범위에 있다. 예열 레이저 빔(168)에 대한 (따라서 예열 라인 이미지(170)에 대한) 실시예 빔 길이(L1)는 통상 약 5 mm ~ 약 20 mm 범위에 있다. 일 실시예에서, 예열 레이저 빔(168)과 그것의 대응하는 예열 라인 이미지(170)의 주사는 웨이퍼(10) 내에서 약 30 ㎛ ~ 약 500 ㎛ 범위의 관련된 열 확산 길이(깊이)를 갖는다.
도 3과 도 4a를 참조하면, 시스템(100)은 또한 제2 광 빔(268)을 생성하는 제2 광 빔-소스 시스템(250)을 포함한다. 일 실시예에서, 제2 광 빔(268)은 강도(I2)의 제2 레이저 빔으로서, 웨이퍼 표면 온도(TS)가 국지적으로 상승하고 어닐링 온도(TA)에서 급등(spike)하도록, 예열 레이저 빔(168)(및 선택적으로 가열된 척(130))을 가지고 조사에 의해 초래된 웨이퍼 표면(12)의 예열된 부분에 열을 추가하기 위해 사용되며, 일 실시예에서 어닐링 온도(TA)는 웨이퍼 용융 온도(TMELT)보다 낮다. 제2 광 빔(268)은 또한 이하에서 어닐링 레이저 빔(268)으로 지칭된다.
도 5d는 웨이퍼 표면(12) 위의 주어진 위치에서 웨이퍼 표면 온도 Ts(℃) - 시간(ms)의 관계 그래프로서, 빔이 상기 위치를 통과할 때 예열 레이저 빔(168)과 어닐링 레이저 빔(268)에 의해 생성된 전형적인 웨이퍼 표면 온도 프로파일을 도시한다. 온도 T0는 웨이퍼 표면(12)에 예열 레이저 빔(168) 또는 어닐링 레이저 빔(268)을 인가하기 전에 기본 웨이퍼 표면 온도이다. 온도 TPH는 예열 레이저 빔(168)에 의해 생성된 예열 웨이퍼 표면 온도이고, △TS는 예열 웨이퍼 온도(TPH)로부터 어닐링 레이저 빔(268)에 의해 생성된 어닐링 온도(TA)까지의 표면 온도 증가이다. 도 5d의 플롯에서 데이터는 어닐링 레이저 빔(268)보다 주사 방향에서 더 넓은 예열 레이저 빔(168)에 기초한다. 이것은 어닐링 레이저 빔이 웨이퍼 표면을 어닐링 온도(TA)까지 추가로 가열하기 전에 웨이퍼를 중간 (예열) 온도(TPH)까지 예열하는 역할을 한다.
또 다른 실시예에서, 제2 광 빔(268)은 제2 광 빔(268)의 (제2) 가공 파장(λ2)에 중심을 둔 협대역 광이고, 후술하는 바와 같이 제2 파장(λ2)에서 웨이퍼 표면(12)의 제2 반사도 맵 R2(x,y)을 측정하기 위해 사용된다. 이하에서는 먼저 레이저 어닐링에 대해 설명되고, 제2 광 빔-소스 시스템(250)은 이후에는 어닐링 레이저 시스템(250)으로 지칭되고 적어도 하나의 제2 광 빔(168)은 별도로 언급되지 않으면 어닐링 레이저 빔(268)으로 지칭된다.
일 실시예에서, 어닐링 레이저 시스템(250)은 초기 어닐링 레이저 빔(262)을 생성하는 어닐링 레이저(260)를 포함한다. 제2 광 빔(268)의 제2 파장(λ2)은 어닐링 파장으로 지칭되고, 웨이퍼 표면(12)이 예열된 후에 웨이퍼 표면(12)을 가열할 수 있는 어떤 파장이라고 가능하다. 실시예 어닐링 파장은 IR, 가시광 또는 자외광(UV) 파장을 포함한다.
어닐링 레이저 시스템(250)은 또한 제2 (어닐링) 광축(A2)을 따라 어닐링 레이저(260)에 관하여 조작 가능하게 정렬된 어닐링 광학 시스템(266)을 포함한다. 실시예 어닐링 광학 시스템(266)은 빔-성형 광학계(266A), 폴더-미러(folder-mirror)(FM1), 가변 애퍼처(adjustable aperture)(267), 투사 광학계(266B) 및 선택적으로 추가의 폴더-미러(FM2)를 포함한다. 어닐링 광학 시스템(266)은 어닐링 레이저(260)로부터 초기 어닐링 레이저 빔(262)을 수신하고 그것으로부터 어닐링 레이저 빔(268)을 형성하도록 구성된다. 어닐링 레이저 빔(268)은 웨이퍼 표면(12)에서 예열 라인 이미지(170)에 관련하여 제2 (어닐링) 라인 이미지(270)을 형성하여 전술한 어닐링이 발생하도록 한다. 일 실시예에서, 제2 (어닐링) 광축(A2)은 웨이퍼 표면(12)에 대해서 실리콘에 대한 대략 브루스터 각의 입사각(θ1)을 갖지만, 제2 광축(A2)에 대한 어떤 합리적인 입사각이라도 채용될 수 있다.
일 실시예에서, 어닐링 레이저 빔(268)의 강도(I2)는 예열 온도(TPH)에 종속하여 웨이퍼 표면(12)의 온도를 200℃ ~ 800℃ 사이만큼 상승시키도록 선택된다. 일 실시예에서, 강도(I2)는 웨이퍼 표면 온도를 예열 웨이퍼 표면 온도(TPH)로부터 어닐링 온도(TA)까지 상승시키며, 일 실시예에서 어닐링 온도(TA)는 실리콘의 용융 온도이하이다.
도 5a는 또한 예열 라인 이미지(170)에 관하여 웨이퍼 표면(12) 위에 형성된 이상화된 실시예 어닐링 라인 이미지(270)의 개략적인 평면도를 포함한다. 도 5b 및 도 5c는 또한 어닐링 레이저 빔(268)에 대한 실시예 강도 프로파일(270P)의 X-방향 및 Y-방향 횡단적 플롯을 포함한다. 강도 프로파일(270P)은 예를 들면 문턱 강도(ITH)보다 높은 강도에 의해서 어닐링 라인 이미지(270)를 정의한다. 어닐링 라인 이미지(270)는 Y-방향의 길이(L2)와 X-방향의 폭(W2)을 갖는다.
도 5e는 IC 칩들을 포함하는 웨이퍼 표면(12)의 실시예 영역(RW)을 도시하는 확대된 인셋(inset)을 포함하는 실시예 웨이퍼(10)의 평면도이다. 상기 영역(RW)은, 예를 들면 커프(kerf) 영역 또는 IC 칩(15)들을 다이싱(dicing) 하기 위한 스크라이브 라인(scribe line)을 형성하기 위해 사용되는 영역인 갭(13)들에 의해 분리되는 다수의 IC 칩(15)을 포함한다. 실시예 웨이퍼 피처(16)는 IC 칩(15) 내에 금속화 라인(metallization line)으로서 예를 들어 도시되어 있으며, 금속화 라인은 Y-방향으로 방향 설정되어 있다.
주사 방향을 따라 취해진 강도 프로파일(270P)은 통상 가우시안 형태를 갖는다. 일 실시예에서, 어닐링 라인 이미지(270)의 폭(W2)은 강도 프로파일(270)의 가우시안 Y-방향 횡단의 FWHM에 의해 정해진다. 전형적인 폭(W2)은 50 ㎛ ~ 500 ㎛의 범위에 있다. 일 실시예에서, 어닐링 라인 이미지(270)의 길이(L2)는 예열 라인 이미지(170)의 길이(L1)와 실질적으로 같다.
다시 도 3과 도 4a를 참조하면, 시스템(100)은 웨이퍼 표면으로부터 반사하는 정반사된 레이저 빔(168R)을 검출하기 위해 웨이퍼 표면(12)에 관하여 정렬된 제1 광검출기(280)를 포함한다. 제1 광 검출기(280)는 검출된 반사 레이저 빔(168R)의 강도를 나타내는 전기 신호(SD1)를 생성한다. 일 실시예에서 광검출기(280)는 냉각된(예컨대, 열적-전기 냉각 또는 액체-질소 냉각) 적외선 검출기를 포함한다.
시스템(100)은 또한 웨이퍼 표면(12)으로부터 반사되거나 산란된 광 빔(268RS)을 검출하도록 정렬된 제2 광검출기(290)를 포함한다. 일 실시예에서, 제2 광검출기(290)는 통합 구체(292) 및 통합 구체(292)에 조작 가능하게 부착되어 통합 구체(292)의 내부와 광 통신하는 포토다이오드(294)를 포함한다. 제2 광검출기(290)는 검출된 반사 및 산란 광 빔(268RS)의 강도를 나타내는 전기 신호(SD2)를생성한다. 만일 짧은 파장 어닐링 레이저(260)이 어닐링 레이저 빔(268)을 생성하기 위해 사용된다면, 패턴 형성된 웨이퍼 표면(12)으로부터 산란하는 어닐링 레이저 빔(268)의 양은 중요할 수 있다. 그러므로, 일 실시예에서, 통합 구체(292)는 정반사 및 산란된 레이저 광 빔(268RS) 모두를 수집하기 위해 채용된다.
시스템(100)은 또한 스테이지 컨트롤러(124), 척 컨트롤러(134), 예열 레이저(160), 어닐링 레이저(260), 가변 애퍼처(267), 및 제1 및 제2 광검출기(280, 290)에 전기적으로 접속된 시스템 컨트롤러(300)를 포함한다. 일 실시예에서, 시스템 컨트롤러(300)는 시스템(100)의 다양한 구성요소들의 동작을 컨트롤러로 하여금 제어하도록 (컴퓨터로 판독 가능한 또는 기계로 판독 가능한 매체에 저장된 소프트웨어와 같은 명령들을 통해) 적응되는 컴퓨터 또는 유사한 기계를 포함한다. 시스템 컨트롤러(300)는 프로세서 유닛(302)(이하, "프로세서"라고 함) 및 메모리 유닛(304)(이하, "메모리"라고 함)를 포함한다. 실시예 컨트롤러(300)는 프로세서를 구비한 컴퓨터이거나 그러한 컴퓨터를 포함하고 마이크로소프트 WINDOWS 또는 LINUX와 같은 운영체제를 포함한다.
일 실시예에서, 프로세서(302)는 일련의 소프트웨어 명령들을 실행하는 임의의 프로세서 또는 장치이거나 그와 같은 것을 포함하며, 제한 없이, 범용 또는 전용 마이크로프로세서, 유한 상태 기계, 컨트롤러, 컴퓨터, 중앙처리장치(CPU), FPGA(field-programmable gate array), 또는 디지털 신호 처리기를 포함한다. 일 실시에에서, 프로세서는 Intel XEON 또는 PENTIUM 프로세서, 또는 AMD TURION, 또는 AMD사, Intel사, 또는 다른 반도체 프로세서 제조사에 의해 제조된 그와 같은 프로세서 분야의 다른 것이다.
메모리(304)는 프로세서(302)에 조작 가능하게 접속된다. 본 명세서에서 용어 "메모리"는 프로세서(302)에 의해 실행 가능한 일련의 명령들이 저장되는 RAM, ROM, EPROM, PROM, EEPROM, 디스크, 플로피디스크, 하드디스크, CD-ROM, DVD 등을 포함하는 임의의 프로세서로 판독 가능한 매체를 지칭하며, 상기 언급된 것에 한정되지 않는다. 일 실시에에서, 시스템 컨트롤러(300)는 CD-ROM, DVE, 메모리 스틱 또는 유사한 저장 매체와 같은 착탈 가능한 프로세서로 판독 가능한 매체(308)를 수용하도록 적응된 디스크 드라이브(306)를 포함한다.
여기서 언급된 레이저 어닐링 방법들은 시스템(100)의 동작을 제어함으로써 여기서 언급된 어닐링 방법들을 시스템 컨트롤러(300)로 하여금 수행하도록 하기 위한 기계로 판독 가능한 명령들(예컨대, 컴퓨터 프로그램 및/또는 소프트웨어 모듈)을 포함하는 다양한 형태로 기계 판독 가능한 매체 내에 구현될 수 있다.
컴퓨터 프로그램 및/또는 소프트웨어 모듈은 본 발명의 다양한 방법들을 수행하기 위해서 및 시스템(100)과 반사도 맵 측정 시스템(100RM)의 다양한 구성요소들의 동작 및 기능을 제어하기 위해서 다수의 모듈 또는 오브젝트를 포함할 수 있다. 코딩을 위해 사용되는 컴퓨터 프로그래밍 언어의 유형의 범위는 절차적 코드-타입 언어에서부터 객체-지향 언어에까지 이른다. 파일들 또는 오브젝트들은 언급된 모듈들 또는 방법 단계들에 일대일 대응을 가질 필요는 없다. 또한, 상기 방법 및 시스템은 소프트웨어, 하드웨어 및 펌웨어의 조합들을 포함할 수 있다. 펌웨어는 여기서 개시된 다양한 실시예들을 구현하기 위해 프로세서(302)에 다운로드 될 수 있다.
개선된 표면 온도 균일성
여기서 개시된 2-빔 레이저 어닐링 시스템 및 방법을 사용하는 편익은 웨이퍼 표면(12)의 개선된 온도 균일성이며, 이것은 무엇보다도 웨이퍼 표면에 대하여 변동 반사도를 생성하는 전술한 불리한 패턴 밀도 효과를 완화시킴으로써 달성된다. 전술한 바와 같이, 메모리 칩과 같은 어떤 디바이스들을 위해, 웨이퍼 표면(12)은 예열 레이저 빔(168)과 관련된 긴 파장에서 높은 반사도를 수반하고 어닐링 레이저 빔(268)과 관련된 짧은 파장에서 더 낮은 반사도를 수반하는 재료 및 피처(16)들을 포함할 수 있다. 결과적으로, 예열 레이저 빔(168) 및 어닐링 레이저 빔(268)은 광 흡수 콘트라스트(contrast)를 감소시키고, 그리하여 어닐링 프로세스 동안에 더욱 균일한 온도 분포를 제공하기 위해 채용될 수 있다.
여기서 개시된 어닐링 방법들의 실시예들은 웨이퍼(10)에 대하여 어닐링 온도이 개선된 균일성을 달성하기 위해 웨이퍼 표면(12)의 적어도 일부의 반사도 맵 특성에 기초하여 예열 레이저 빔(168)과 어닐링 레이저 빔(268)의 강도(I1, I2)를 각각 선택하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 강도(I1, I2)의 선택은 어닐링 프로세스 동안에 웨이퍼 표면(12)에서 온도 변화를 최대한 감소시키는 방법으로 행해진다.
일 실시예에서, RI = I1/I2 비율은 어닐링 프로세스 동안에 웨이퍼 표면(12)에서 감소된 또는 최소화된 온도 변화를 달성하기 위해 어닐링 프로세스를 최적화시키기 위한 파라미터로서 사용된다. 일 실시예에서, 강도(I1, I2)는 웨이퍼 표면(12)의 적어도 일부에 대한 제1 및 제2 반사도 맵들에 기초한 주사 동안에 변화된다. 일 실시예에서, 상기 변화는, 어닐링 라인 이미지의 강도가 그 길이에 대하여 변하지 않기 때문에, 적어도 어닐링 라인 이미지(268P)의 크기인 스케일에 대하여 수행된다. 일반적으로, 강도 I1 및/또는 I2의 강도의 임의의 변화의 빈도(frequency)는 예열 및 어닐링 파장(λ1, λ2)에서 웨이퍼 표면 반사도 맵의 공간적 빈도에 비하여 천천히 변한다.
또 다른 실시예에서, 강도(I1, I2)는 일정하게 유지되고 어닐링 프로세스 동안에 웨이퍼 표면 온도의 변화를 감소시키거나 최소화시키는 면에서 특정한 반사도 맵들에 대한 최적선택의 강도를 나타낸다. 이 최적선택 방법의 실시예는 도 8a 및 도 8b에 도시되어 있다.
웨이퍼 표면(12)의 적어도 일부의 반사도는 예열 레이저 빔(168)과 어닐링 레이저 빔(268)을 사용하여 전술한 바와 같이 시스템(100)을 사용하여 측정될 수 있다. 더욱 일반적으로, 웨이퍼 표면(12)의 적어도 일부의 반사도는, 웨이퍼(10)를 어닐링하기 위해 사용되는 예열 및 어닐링 파장(λ1, λ2)으로서 동일한 파장을 갖는 레이저 빔 또는 비-레이저 (예컨대, 램프-생성된) 빔 중 어느 하나로서 제1 및 제2 광 빔(168, 268)을 이용하는 반사도 맵 측정 시스템(100RM)(또는 유사하게 구성된 시스템)을 사용하여 측정될 수 있다. 이하에서는 예열 및 어닐링 레이저 빔(168, 268)을 사용하여 웨이퍼 표면(12)의 반사도를 측정하는 것을 예를 들어 설명할 것이다. 예열 및 어닐링 파장(λ1, λ2)에서 웨이퍼 표면(12)의 적어도 일부에 대하여 제1 및 제2 반사도 맵을 형성하기 위해 사용된 전형적인 레이저 파워는 어닐링 파워만큼 높을 필요는 없으며, 밀리와트 범위 내에 있을 수 있다.
도 4b를 참조하면, 일 실시예에서, 예열 레이저 빔(168)과 어닐링 레이저 빔(268)은 서로 수직인 제1 및 제2 입사 평면(IP1, IP2) 각각에 위치한다. 구체적으로, 제1 입사 평면(IP1)은 X-Y 평면에 의해 규정되고 제2 입사 평면(IP2)은 Y-Z 평면에 의해 규정된다. 반사된 제1 광 빔(168R)은 정반사 경로를 따라 제1 광검출기(280)에 의해 검출된다. 반사되고 산란된 레이저 광 빔(268RS)은 제2 광검출기(290)에 의해 모아진다. 시스템 컨트롤러(300)는 일 실시예에서 정수 개의 IC 칩(15)들을 포함하는 웨이퍼 표면(12)의 구획된 영역에서 X-Y 주사를 수행하기 위해 웨이퍼 스테이지(120)를 제어한다. 광검출기(280, 290) 각각으로부터의 검출기 신호(SD1, SD2)는 (x,y) 웨이퍼 좌표의 함수로서 생성되고 시스템 컨트롤러(300)에 제공된다. 제1 광 빔(168)과 제2 광 빔(268)의 각각의 강도(I1, I2)를 알고, 반사된 제1 광 빔(168R)과 반사되고 산란된 레이저 광 빔(268RS)의 각각의 반사된 강도(I1', I2')를 측정함으로써, 웨이퍼 표면(12) 위의 주어진 x-y 위치의 반사도가 예컨대 프로세서(302)에 의해 결정될 수 있다.
이와 같이, 웨이퍼 표면(12)의 적어도 일부의 반사도 맵 R1(x,y) 및 R2(x,y)를 생성하기 위해 웨이퍼 표면(12)으로부터 반사도 맵 데이터가 수집된다. 일 실시예에서, 금속-코팅 실리콘 웨이퍼와 같이, 제1 및 제2 광 빔(168, 268)과 관련된 파장들에 대해 높은 반사도를 갖는 교정된(calibrated) 웨이퍼는 반사도 맵 측정을 교정하기 위해 사용된다. 전술한 바와 같이, 웨이퍼 표면(12)의 반사도 맵 매핑은 실제 LSA 어닐링 시스템에서 또는 측정 시스템(100RM)과 같은 별도의 계측 시스템에서 수행될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 예열 파장(λ1)에서(도 6a) 및 어닐링 파장(λ2)에서(도 6b) 측정된 실시예 웨이퍼 표면(12)의 반사도 맵들을 나타내는 반사도 맵의 등고선도(contour plot)이다. 도 7a 및 도 7b는 도 6a 및 도 6b의 등고선도의 A-A' 선을 따라서 취해진 위치의 함수로서 반사도를 도시하는 그래프이다. 예열 파장(λ1)에서 낮은 반사도 맵 영역은 어닐링 파장(λ2)에서 높은 반사도를 보이며, 이는 두 파장의 조합이 웨이퍼 표면(12)의 반사도 맵에서 변동을 부분적으로 보상할 수 있음을 지시한다.
도 8a 및 도 8b는 도 6a 및 도 7a와 유사하고 제1 및 제2 광 빔(168, 268)이 사용되는 경우에 반사도 맵과 컷라인(cutline)을 보여준다. 두 레이저 빔 강도(I1, I2)의 비율(RI)은 가장 균일한 흡수를 제공하도록 선택된다. 이 응용을 위해서, 제1 및 제2 광 빔(168, 268)은 각 레이저로부터의 어닐링 시간이 크게 상이하지 않도록 웨이퍼 표면(12)에서 유사한 크기를 갖는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 최적 강도 비율 RI = I1/I2은 어닐링 동안에 칩 내 온도 분포를 최소화시킴으로써 결정된다. 이것은 다음 식을 기초로 웨이퍼 표면 온도에 대해 추정될 수 있다:
TS(x,y) = s1·A1(x,y)·I1 + s2·A2(x,y)·I2
변수 s1 및 s2는 흡수된 강도에 대한 웨이퍼 온도의 민감도를 나타내는 계수들이다. 이 계수들은 패턴 형성되지 않은 실리콘 웨이퍼를 어닐링함으로써 및 흡수된 레이저 강도의 함수로써 온도를 감시함으로써 결정될 수 있다.
파라미터 A1 및 A2는 측정된 반사도 맵(R1, R2)으로부터 다음 관계식을 통해 계산된 흡수 분포이고:
A1(x,y) = 1 - R1(x,y)
A2(x,y) = 1 - R2(x,y),
여기서 R1과 R2는 전술한 방법들에 따라 측정된 반사도 맵들이다. 통합 구체(292)가 사용되는 경우, 측정된 반사도 맵은 또한 산란 기여를 포함한다.
상기 실시예에서, 제1 광 빔(168)과 상이한 파장을 갖는 제2 광 빔(268)이 제1 광 빔과 관련된 흡수 변동을 부분적으로 보상하는 흡수 분포를 생성하기 위해 사용되었다. 광 흡수는 또한 입사각, 웨이퍼 표면(12) 위의 피처(16)(예컨대, IC 칩 레이아웃)에 관하여 입사 평면의 편의 및 방향에 따라 변하기 때문에, a) 상이한 입사각, 편의 및 입사 평면 방향 중 하나 이상과 동일한 파장을 갖거나, b) 상이한 파장과 동일한 파장 중 어느 하나와 상이한 파장을 갖는 제2 광 빔(268)이, 흡수 균일성과 그에 따른 어닐링 온도 균일성을 개선하기 위해 채용될 수 있다.
예를 들면, 웨이퍼 표면(12)이, x 및 y 방향으로 진행하는 금속 회절 라인들을 갖는 피처(16)를 갖는 레이아웃의 IC 칩(15)을 갖는 경우을 고려하자. 광 입사 평면에 평행한 회절 라인들을 갖는(p-편광을 가정함) 피처(16)는 입사 평면에 수직인 것들에 비해 더 높은 반사도를 가질 것이다. 이 경우에, 제2 광 빔(268)은 제1 광 빔(268)과 같은 파장, 입사각 및 편의를 갖지만, 제1 광 빔의 입사 평면과 직교하는 입사 평면을 갖는다.
제1 및 제2 광 빔(168, 268)의 각각의 강도(I1, I2)는 또한 에지 온도 오버슈트를 감소시키고 그리하여 에지 손상 문턱을 개선하도록 최적화될 수 있다. 도 9는 종래의 단일-빔 어닐링을 사용하여(흰색 막대) 및 전술한 2-빔 어닐링 시스템 및 방법들을 사용하여(검은색 막대) 테스트 웨이퍼의 3개의 상이한 레이아웃 영역(A, B, C)에서 관측된 에지 손상 문턱 온도(TDT(℃))를 비교하는 막대 그래프이다. 2-빔 어닐링 시스템 및 방법은 종래 단일-빔 어닐링 방법에 대하여 손상 문턱 온도(TDT)에서 약 40℃의 개선을 제공한다(즉, 그래프에서와 같이 △TDT
Figure pat00003
40℃).
웨이퍼 표면(12)을 가열하기 위해 여기서 개시된 2-빔 어닐링 시스템 및 방법을 사용하는 추가의 이점은 온도 변동 속도(ramping rate)의 감소와 열적 경사(thermal gradient)의 감소이며, 이것은 실리콘 기판(10) 내 슬립(slip) 생성을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 도 10은 예열 레이저 빔(168)의 상대 온도(TPH) 대비 슬립 문턱 온도(Tslip)(℃)의 그래프이며, 예열 레이저 빔이 채용되지 않은 경우 "없음(none)"을 포함한다. 레이저 어닐링 실험은 붕소가 주입된(주입량: 2x1015cm-2; 에너지: 5keV) 나(bare) 실리콘 웨이퍼에서 수행되었다. 슬립 문턱은 광학 현미경 검사에 의해 결정되었다. 예열 온도(TPH)를 상승시키는 동안 "없음"의 경우(즉, 종래의 단일-빔 어닐링)에 비하여 슬립 문턱 온도(Tslip)에서 상당한 개선이 관측된다.
어닐링 방법
일단 웨이퍼(10)의 제1 및 제2 웨이퍼 표면 반사도 맵 R1(x,y) 및 R2(x,y)가 전술한 바와 같이 형성되면, 여기서 개시된 방법들은 어닐링 프로세스의 온도 비균일이 종래의 단일-빔 어닐링에 비해 감소되도록 제1 및 제2 반사도 맵에 기초하여 예열 및 어닐링 레이저 빔 강도(I1, I2)를 선택함으로써 시스템(100)을 사용하여 웨이퍼를 어닐링 하는 것을 포함한다.
이와 같이, 시스템(100)과 도 3을 다시 참조하면, 일 실시예에서 시스템 컨트롤러(300)은 예열 레이저(160)에 제1 제어 신호(S1)를 보내고, 예열 레이저(160)는 신호에 응답하여 최초 예열 레이저 빔(162)을 생성한다. 이 최초 예열 레이저 빔(162)은 예열 광학 시스템(166)에 의해 수신되며, 예열 광학 시스템(166)은 그것으로부터 강도(I1)의 예열 레이저 빔(168)을 형성한다. 예열 레이저 빔(168)은 대체로 광축(A1)을 따라 진행하고 웨이퍼 표면(12)에서 예열 라인 이미지(170)를 형성한다.
시스템 컨트롤러(300)는 또한 어닐링 레이저(160)에 제2 제어 신호(S1)를 보내고, 어닐링 레이저(260)는 신호에 응답하여 최초 어닐링 레이저 빔(262)을 생성한다. 이 최초 어닐링 레이저 빔(262)은 어닐링 광학 시스템(266)에 의해 수신되며, 어닐링 광학 시스템(266)은 그것으로부터 강도(I2)의 어닐링 레이저 빔(268)을 형성한다. 어닐링 레이저 빔(268)은 전술한 로컬 웨이퍼 표면 어닐링이 발생하도록 예열 라인 이미지(170)에 관하여 어닐링 라인 이미지(270)를 형성한다.
시스템 컨트롤러(300)는 또한 예열 및 어닐링 라인 이미지(170, 270)에 관하여 웨이퍼(10)를 이동시키기 위해 스테이지 컨트롤러(124)에 제3 제어 신호(S3)를 보낸다. 척(130)이 웨이퍼 예열을 제공하는 일 실시예에서, 시스템 컨트롤러(300)는 또한 웨이퍼 예열 프로세스를 개시하기 위해 척 컨트롤러(134)에 제4 제어 신호(S4)를 보낸다. 시스템 컨트롤러(300)는 어닐링 라인 이미지(270)의 길이(L2) 및 폭(W2)을 선택적으로 설정하기 위해 가변 애퍼처(267)에 제5 제어 신호(S5)를 선택적으로 보낸다. 전술한 바와 같이, 예열 및 어닐링 강도(I1, I2)는 웨이퍼 표면(12)이 어닐링 될 때 일정하게 유지된다. 또 다른 실시예에서, 예열 및 어닐링 강도(I1, I2)의 적어도 하나는 시스템 컨트롤러(300)에 저장된 제1 및 제2 반사도 맵 R1(x,y) 및 R2(x,y)에 기초하여 예열 및 어닐링 레이저 빔(168, 268)의 주사 동안에 변동된다. 일 실시예에서, 예열 및 어닐링 강도(I1, I2) 중 적어도 하나의 조절은 반사도 맵 R1(x,y) 및 R2(x,y)의 각각의 반사도 맵 측정치의 평균에 기초한다.
예열 라인 이미지(170)의 체류시간(tD)은 주사 속도(Vs)에 대한 라인-이미지 폭(W1)의 비율에 의해 주어진다. 일 실시예에서, 체류시간(tD)은 100 ㎲ ≤ tD ≤ 20 ms의 범위에 있다.
상기 설명에서, 제1 레이저 빔(168)은 긴 파장을 갖고, 실질적으로 브루스터 입사각으로 방향이 설정되고 예열 빔으로서 사용되는 반면, 제2 레이저 빔은 짧은 파장을 갖거나 유사한 파장을 갖지만 구성이 상이하며, 어닐링 레이저 빔으로서 사용된다. 본 발명의 다른 실시예들은 긴 파장 레이저 빔을 어닐링 레이저 빔으로서 사용하고 짧은 파장 레이저 빔을 예열 빔으로서 사용하는 것을 포함한다.
본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않으면서 본 발명에 대해 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구항과 그 균등물의 범위 안에 있는 한 본 발명에 대한 변경과 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 웨이퍼 12: 웨이퍼 표면
16: 웨이퍼 피처(features) 100: 레이저 어닐링 시스템
120: 웨이퍼 스테이지 130: 척(chuck)
150: 예열 레이저 시스템 160: 예열 레이저
170: 예열 라인 이미지 166: 예열 광학 시스템
168: 예열 레이저 빔 250: 어닐링 레이저 시스템
260: 어닐링 레이저 266: 어닐링 광학 시스템(266)
266A: 빔-성형 광학계 266B: 투사 광학계
FM1, FM2: 폴더-미러(folder-mirror)
267: 가변 애퍼처(adjustable aperture)
270: 어닐링 라인 이미지

Claims (26)

  1. 패턴 형성된 표면과 용융 온도를 갖는 반도체 기판을 어닐링 하는 방법에 있어서,
    상기 패턴 형성된 웨이퍼 표면의 일부에 대해 제1 및 제2 파장 각각에서 제1 및 제2 반사도 맵을 측정하는 단계;
    상기 제1 및 제2 반사도 맵을 사용하여, 제1 및 제2 레이저 빔 중 하나만을 사용하여 상기 패턴 형성된 웨이퍼 표면의 일부를 어닐링 하는 경우와 비교하여 상기 제1 및 제2 레이저 빔이 상기 반도체 기판의 어닐링 동안 상기 패턴 형성된 표면의 일부를 조사할 때 표면의 온도 변화량을 감소시키는, 각각 제1 및 제2 파장을 갖는 상기 제1 및 제2 레이저 빔의 제1 및 제2 강도를 정의하는 단계; 및
    상기 반도체 기판을 용융하지 않고 상기 반도체 기판을 어닐링 하기 위해 각각 상기 제1 및 제2 강도를 갖는 상기 제1 및 제2 레이저 빔을 사용하여 상기 패턴 형성된 표면의 일부를 조사하는 단계를 포함하는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    대응하는 제1 및 제2 입사 평면 내에 상기 제1 및 제2 레이저 빔을 각각 구성하는 단계를 추가로 포함하는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴 형성된 표면의 일부에 관하여 상기 제1 및 제2 레이저 빔을 주사하는 단계를 추가로 포함하는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 강도는 상기 패턴 형성된 웨이퍼 표면의 일부를 예열 온도까지 예열하기에 충분하고,
    상기 제2 강도는 상기 패턴 형성된 표면을 상기 예열 온도로부터 어닐링 온도까지 가열하기에 충분하고,
    상기 예열 온도는 상기 용융 온도 미만이고 상기 용융 온도 미만인 상기 어닐링 온도보다 낮은, 반도체 기판 어닐링 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 파장은 적외선이고 상기 제2 파장은 상기 제1 파장과 상이한, 반도체 기판 어닐링 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔은 상기 패턴 형성된 표면에서 예열 라인 이미지를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 레이저 빔은 상기 패턴 형성된 표면에서 어닐링 라인 이미지를 형성하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 어닐링 라인 이미지는 상기 예열 라인 이미지 내에 완전히 속하는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 패턴 형성된 표면의 영역의 크기에 대응하는 길이를 갖도록 적어도 하나의 상기 어닐링 라인 이미지와 상기 예열 라인 이미지 중 하나를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 형성된 표면의 일부의 상기 조사 동안에 상기 제1 및 제2 강도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 추가로 포함하는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 형성된 표면의 일부는 웨이퍼 피처를 포함하고, 상기 제1 및 제2 강도는 i) 상기 웨이퍼 피처와 관련된 에지 손상과 ⅱ) 웨이퍼 슬립 중 적어도 하나를 최소화시키기 위해 추가로 정의되는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔은 상기 웨이퍼 표면의 온도를 어닐링 온도까지 상승시키고, 웨이퍼 표면의 온도 증가량은 200℃ 내지 800℃ 범위에 있는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 어닐링 온도는 약 1,300℃인, 반도체 기판 어닐링 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔은 상기 표면 온도를 약 500℃부터 약 1,100℃까지의 범위에 있도록 상승시키는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  13. 패턴 형성된 표면과 용융 온도를 갖는 반도체 기판을 비 용융(non-melt) 어닐링 하는 방법에 있어서,
    상기 패턴 형성된 표면 위에 하나 이상의 제1 레이저 빔을 주사하는 단계;
    상기 패턴 형성된 표면 위에 상기 제1 레이저 빔과 관련하여 하나 이상의 제2 레이저 빔을 주사하는 단계; 및
    에지 손상과 슬립 생성 중 적어도 하나를 최소화하면서 어닐링 온도를 달성하기 위해 제1 및 제2 강도를 선택하는 단계를 포함하고,
    상기 하나 이상의 제1 레이저 빔은 제1 입사 평면 내에 구성되고, 예열 온도까지 상기 패턴 형성된 표면을 가열하는 제1 강도와 제1 파장을 갖고, 상기 예열 온도는 용융 온도 미만이고 상기 어닐링 온도보다 낮고,
    상기 하나 이상의 제2 레이저 빔은 제2 입사 평면 내에 구성되고, 상기 예열 온도로부터 상기 어닐링 온도까지 상기 패턴 형성된 표면을 가열하는 제2 강도와 제2 파장을 갖는, 반도체 기판의 비용융 어닐링 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 파장은 적외선이고 상기 제2 파장은 상기 제1 파장과 상이한, 반도체 기판의 비용융 어닐링 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔은 상기 패턴 형성된 표면에서 예열 라인 이미지를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 레이저 빔은 상기 패턴 형성된 표면에서 어닐링 라인 이미지를 형성하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 어닐링 라인 이미지는 상기 예열 라인 이미지 내에 완전히 속하는, 반도체 기판의 비용융 어닐링 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 패턴 형성된 표면의 영역의 크기에 대응하는 길이를 갖도록 상기 적어도 하나의 어닐링 라인 이미지와 상기 예열 라인 이미지 중 하나를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 반도체 기판의 비용융 어닐링 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레이저 빔의 주사 동안에 제1 및 제2 레이저 빔의 상기 제1 강도 및 제2 강도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 추가로 포함하는, 반도체 기판의 비용융 어닐링 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔은 상기 패턴 형성된 표면 온도를 상기 어닐링 온도까지 상승시키고, 상기 패턴 형성된 표면의 온도 증가량은 200℃ 내지 800℃ 범위에 있는, 반도체 기판의 비용융 어닐링 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 어닐링 온도는 약 1,300℃인, 반도체 기판의 비용융 어닐링 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔은 상기 패턴 형성된 표면 온도를 약 500℃로부터 약 1,100℃까지의 범위에 있도록 상승시키는, 반도체 기판의 비용융 어닐링 방법.
  21. 패턴 형성된 표면과 용융 온도를 갖는 반도체 기판을 어닐링 하는 방법에 있어서,
    상기 패턴 형성된 웨이퍼 표면의 일부에 대해 제1 및 제2 파장 각각에서 제1 및 제2 반사도 맵을 측정하는 단계;
    상기 제1 및 제2 반사도 맵을 사용하여, 표면의 온도 변화량을 최소화시키는, 제1 및 제2 파장을 갖는 제1 및 제2 레이저 빔의 제1 및 제2 강도를 각각 정의하는 단계; 및
    상기 반도체 기판을 용융하지 않고 상기 반도체 기판을 어닐링 하기 위해 상기 제1 및 제2 강도를 갖는 상기 제1 및 제2 레이저 빔을 사용하여 상기 패턴 형성된 표면의 일부를 각각 조사하는 단계를 포함하는, 반도체 기판 어닐링 방법.
  22. 패턴 형성된 표면을 갖는 반도체 웨이퍼를 각각의 제1 및 제2 파장에서 제1 및 제2 반사도 맵과 상기 웨이퍼의 용융 온도 미만인 어닐링 온도로 레이저 어닐링 하는 시스템에 있어서,
    상기 제1 파장과 제1 강도를 갖는 제1 레이저 빔을 생성하고, 상기 제1 레이저 빔을 제1 입사 평면 내 상기 패턴 형성된 표면 위에 주사하여 상기 패턴 형성된 표면을 예열 온도까지 가열하는 제1 레이저 시스템; 및
    상기 제2 파장과 제2 강도를 갖는 제2 레이저 빔을 생성하고, 상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 레이저 빔의 제1 입사 평면에 대하여 제2 입사 평면 내 상기 패턴 형성된 표면 위에 주사하여 상기 패턴 형성된 표면을 상기 예열 온도로부터 상기 어닐링 온도까지 가열하는 제2 레이저 시스템을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 강도는 상기 제2 레이저 빔만으로 상기 웨이퍼 표면을 어닐링 하는 것과 비교하여 상기 제1 및 제2 레이저 빔을 주사하는 동안 표면 온도 변화량을 감소시키기 위해 상기 제1 및 제2 반사도 맵에 기초하여 선택되는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔은 상기 패턴 형성된 표면에서 예열 라인 이미지를 형성하고;
    상기 제2 레이저 빔은 상기 패턴 형성된 표면에서 어닐링 라인 이미지를 형성하며;
    상기 제1 및 제2 레이저 시스템은 상기 어닐링 라인 이미지가 상기 예열 라인 이미지 내에 완전히 속하도록 구성되는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레이저 빔이 주사될 때 상기 제1 및 제2 강도 중 적어도 하나를 변경하기 위해 조작 가능하게 구성된 컨트롤러를 추가로 포함하는, 반도체 웨이퍼 어닐링 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 파장은 적외선이고 상기 제2 파장은 상기 제1 파장과 상이한, 반도체 기판 어닐링 시스템.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 제2 강도는 상기 패턴 형성된 표면의 온도를 상기 어닐링 온도까지 상승시키기 위해 충분하고,
    상기 패턴 형성된 표면의 온도 증가량은 200℃ 내지 800℃ 범위에 있는, 반도체 기판 어닐링 시스템.
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