KR20190091925A - 레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열하는 가열 장치 및 레이저를 이용한 간접 가열 방법 - Google Patents

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Abstract

레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열하는 가열 장치는 상기 대상 물질이 재치되는 스테이지, 레이저 빔을 발생하여 출력하는 레이저 모듈, 상기 레이저 빔의 경로를 제어하는 광학 모듈, 회전축을 중심으로 회전하며 상기 레이저 빔을 반사하는 복수의 반사면을 가지는 폴리곤 미러 및 상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 레이저 빔이 상기 대상 물질에 입사되는 입사 범위를 제어하는 빔 가이드 모듈을 포함한다.

Description

레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열하는 가열 장치 및 레이저를 이용한 간접 가열 방법{HEATING APPARATUS FOR HEATING TARGET MATERIAL USING LASER BEAM AND METHOD OF INDIRECT HEATING USING LASER BEAM}
본 발명은 레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열하는 가열 장치 및 레이저를 이용한 간접 가열 방법에 관한 것이다.
대상 물질에 레이저를 조사함으로써, 대상 물질을 가열 처리할 수 있다. 도 1은 종래의 레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열하는 가열 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 종래의 가열 장치를 통해 형성된 레이저 빔을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 가열 장치는 레이저 모듈(100), 옵틱(110; optic), 반사 미러(120), 대상 물질(140)을 재치하는 스테이지(130)를 포함할 수 있다.
레이저 모듈(100)에서 출력된 레이저는 옵틱(110)을 통과하여 막대 모양의 빔(200)으로 형성된다. 이 때, 막대 모양의 빔(200)에서 긴방향을 빔 길이(Beam Length)라고 하며, 짧은 방향을 빔 폭(Beam Width)이라고 한다.
한편, 대상 물질(140)이 레이저에 장시간 노출될 경우, 대상 물질(140)의 특정 상에서의 그레인 사이즈가 커지게 되고, 이에 따라 저항이 감소하여, 누설 전류가 높아진다. 이 특성으로 인해 저항이 커야 할 필요성이 있는 산업 용도로 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.
이와 관련하여, 대상 물질(140)의 노출 시간(Dwell Time)은 수학식 1과 같이 정의된다(Dwell time 공식).
Dwell Time (DT) = BW/VStage (수학식 1)
종래의 가열 장치를 이용하여 대상 물질을 가열하는 방법에 있어서 노출 시간을 줄이기 위해서는 빔 폭을 줄이는 방법과 스테이지(130)의 속도를 높이는 방법이 존재한다.
하지만, 일반적으로 레이저의 최소 선폭을 정교한 옵틱을 사용하더라도 70~80 um 이하로 제어하기는 어려우며, 스테이지(130)의 속도를 일정 수준 이상으로 높이기도 어렵다. 스테이지(130)의 무게로 인해 현재 상용되는 모터의 성능으로는 그 속도를 0.5m/s 이상 높이는데 한계를 가지고 있다. 실제 가감속구간(take-off time)을 높여주면 그 이상으로 높일 수 있지만, 이 또한 스캔마다 처리 시간을 증가시키기 때문에 실제 공정에 적용하기는 용이하지 않다.
이러한 이유로, 종래의 가열 장치에 따르면 수학식 2와 같이 140us 의 최소 노출 시간이 도출된다.
70um/(0.5m/s)=140us (수학식 2)
따라서, 종래의 가열 장치는 140us 수준의 노출 시간으로 인해 비교적 큰 그레인 사이즈가 요구되는 대상 물질에만 이용될 수 있다. 즉, 종래의 가열 장치를 이용하여 비교적 작은 그레인 사이즈가 요구되는 대상 물질을 가열할 경우, 대상 물질의 그레인 사이즈가 커지게 되어 누설 전류가 발생하는 문제점이 있다.
선행 기술 문헌: 특허 공개 공보 제10-2017-0000385호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열함에 있어서, 노출 시간을 줄임으로써 대상 물질의 그레인 사이즈를 줄이고 이에 따라 누설 전류를 줄이는 가열 장치 및 간접 가열 방법을 제공하고자 한다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는 상기 대상 물질이 재치되는 스테이지, 레이저 빔을 발생하여 출력하는 레이저 모듈, 상기 레이저 빔의 경로를 제어하는 광학 모듈, 회전축을 중심으로 회전하며 상기 레이저 빔을 반사하는 복수의 반사면을 가지는 폴리곤 미러 및 상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 레이저 빔이 상기 대상 물질에 입사되는 입사 범위를 제어하는 빔 가이드 모듈을 포함하는 레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열하는 가열 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 대상 물질이 재치되는 스테이지, 레이저 빔을 발생하여 출력하는 레이저 모듈, 상기 레이저 빔의 경로를 제어하는 광학 모듈, 회전축을 중심으로 회전하며 상기 레이저 빔을 반사하는 복수의 반사면을 가지는 폴리곤 미러 및 상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 레이저 빔이 상기 대상 물질에 입사되는 입사 범위를 제어하는 빔 가이드 모듈을 포함하는 가열 장치에서 수행되는 레이저를 이용한 간접 가열 방법에 있어서, 상기 대상 물질로서 금속을 함유하는 제 1 물질 및 무기질을 함유하는 제 2 물질을 인접하여 배치하는 단계 및 상기 레이저 빔을 상기 제 1 물질에 조사하여 상기 제 1 물질을 직접 가열함으로써 상기 제 1 물질에 인접한 상기 제 2 물질을 간접 가열하는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 간접 가열 방법을 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열함에 있어서, 노출 시간을 줄임으로써 대상 물질의 그레인 사이즈를 줄이고 이에 따라 누설 전류를 줄이는 가열 장치 및 간접 가열 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열하는 가열 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 가열 장치를 통해 형성된 레이저 빔을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝티브 시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 가이드 모듈을 도시한 도면이다.
도 6은 레이저 빔이 복수의 반사면 중 인접하는 두 반사면이 만나는 경계면에 의해서 산란되는 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 간접 가열 방법을 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 장치를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 가열 장치는 스테이지(10), 레이저 모듈(20), 폴리곤 미러(30), 광학 모듈(40), 빔 가이드 모듈(50) 및 프로젝티브 시스템(60)을 포함할 수 있다.
스테이지(10)에는 대상 물질(70)이 재치되어 있다. 대상 물질(70)은 금속을 함유하는 제 1 물질 및 제 1 물질과 인접하여 배치된 무기질을 함유하는 제 2 물질을 포함할 수 있다.
제 1 물질은 예를 들어, 티타늄(Ti), 질화티타늄(TiN), 규화티타늄(TiSi), 탄탈륨(Ta), 질화탄탈륨(TaN), 코발트(Co), 규화코발트(CoSi), 니켈(Ni), 규화니켈(NiSi), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 규화텅스텐(WSi), 구리(Cu), 레늄(Re), 몰리브데넘(Mo), 나이오븀(Nb), 크롬(Cr)중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제 2 물질은 예를 들어, 산화하프늄(HfO2), 하프늄실리콘옥사이드(HfSiO4), 산화지르코늄(ZrO2), 지르코늄실리콘옥사이드(ZrSiO4), 산화란타넘(La2O3), 란타늄알루미네이트(LaAlO3), 산화알루미늄(Al2O3), 산화탄탈륨(Ta2O5), 산화이트늄(Y2O3), 이산화티타늄(TiO2), 스트론튬타이타늄(SrTiO3), 산화루테늄(RuO2), 스트론튬루테네이트(SrRuO3), 이산화티타늄(TiO2), 티탄산바륨(BaTiO3) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
스테이지(10)는 대상 물질(70)의 전체가 레이저 빔에 의해 스캔되도록 적어도 한 방향으로 움직인다.
레이저 모듈(20)은 레이저 빔을 발생하여 출력한다. 레이저 모듈(20)은 예를 들어, CO2 레이저, YAG 레이저, 다이오드 레이저, 파이버(fiber)레이저 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
레이저 빔은 예를 들어, 1 um 내지 11um, 바람직하게는 10 um 내지 11 um 영역의 파장을 가질 수 있다.
레이저 빔은 예를 들어 제 1 물질에 조사될 수 있다. 이에 따라 제 1 물질에 인접하여 배치된 제 2 물질이 간접 가열될 수 있다.
일반적으로 금속은 자유전자가 상대적으로 많아 레이저에 의해 매우 높은 온도(예를 들어, 1200도 내지 3000도)로 가열될 수 있다. 이에 반하여, 레이저를 통해 무기질(예를 들어, SiO2, Si, Si3N4)을 함유하는 물질을 가열시키는 것은 상대적으로 어렵다.
본 발명은 이러한 특성을 이용하여, 금속을 함유하는 제 1 물질과 무기질을 함유하는 제 2 물질을 인접하여 배치(예컨대, 서로 접촉하여 배치)한 후에, 레이저 빔을 제 1 물질에 직접 조사하여 제 2 물질을 간접 가열함으로써 제 2 물질을 효과적으로 가열할 수 있다.
폴리곤 미러(30)는 회전축을 중심으로 회전하며 레이저 빔을 반사하는 복수의 반사면을 가진다.
폴리곤 미러(30)는 대상 물질(70)에 입사되는 입사각을 대상 물질(70)의 브루스터 각(Brewster Angle)에 기초하여 제어할 수도 있다. 예를 들어, 폴리곤 미러(30)는 제 1 물질과 제 2 물질의 브루스터 각의 차이에 따라 제 1 물질과 제 2 물질의 경계면에서 발생하는 반사가 최소화되는 각도로 제어할 수 있다.
대상 물질(70)에 입사되는 입사각을 자유롭게 제어함으로써 특정 막질 혹은 여러 막질의 복합막으로 조성된 막에 적용되는 브루스터각(Brewster angle)의 사용뿐만 아니라, 반도체에서 사용되는 통상적인 구조 혹은 그러한 구조가 여러 배열로 적층되어 있는 공정에서 최적의 공정을 만들 수 있는 수단을 제공할 수 있다. 그 예로 입사각의 개념을 브루스터각과는 다르게 적용되어야 하는 깊은 깊이의 트렌치 구조에서도 최적의 입사각을 설정함으로써 다양한 공정에서 적용될 수 있다.
예를 들어, 이 발명의 일 실시예인 DRAM의 capacitor의 경우 원통(cylinder) 모양의 capacitor node가 금속으로 수um 형성되어 있다. 이때 입사파의 Brewster angle의 기준점은 Si의 표면이 아닌 수um로 이루어진 구조체의 표면이 되어야 할 것이다.
또 다른 일실시예인 Vertical NAND flash의 channel 혹은 고유전막(high-k)의 열처리에도 동일한 이유가 적용될 수 있다.
이와는 별도로 금속을 가열함으로서 간접 heating을 하는 본래의 목적상, 적용하는 공정에서 어스펙트 레이시오(A/R)가 클 경우, 레이저 빔이 먼저 도달하는 대상체의 표면부터 가열되고, 표면으로 멀리 떨어질수록 레이저로 인한 직접 가열이 아닌, 금속막간 열전도(thermal conduction)의에 의한 가열이 될 것이다. 이렇게 열전도에 의한 가열은 대상물질의 상부와 하부간의 온도 불균일을 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 어스펙트 레이시오(A/R)를 고려하여, 구조체의 상부부터 하단까지 레이저 파워가 거의 동시에 도달할 수 있는 범위의 입사각을 사용하여야 할 필요가 있을 수 있다. 이때 입사각을 목적 및 결과에 따라 자유롭게 조절할 수 있다.
폴리곤 미러(30)의 회전으로 인해 레이저 빔은 수 m/s에서 수백 m/s(예컨대 2m/s 내지 180m/s)의 속도를 가질 수 있다. 이 때, 노출 시간(Dwell Time)은 빔 폭과 레이저 빔의 속도를 통해 정의될 수 있다.
즉, 수학식 1에서 스테이지의 속도 대신 레이저 빔의 속도를 대입할 경우(빔 폭은 동일하다고 가정함), 수백 ns 내지 수 us(예컨대, 0.39 us 내지 35 us (레이저 빔의 속도는 2m/s 내지 180m/s의 노출 시간이 도출된다.
이와 같이, 본 발명의 가열 장치에 따르면, 종래의 가열 장치에 비해 최소 4배에서 최대 200배의 적은 노출 시간을 갖게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 가열 장치는 비교적 작은 그레인 사이즈가 요구되는 대상 물질(70)을 가열할 수 있으며, 그레인 사이즈가 커짐에 따라 발생하는 누설 전류를 줄일 수 있다.
광학 모듈(40)은 레이저 모듈(20)에 의해 발생된 레이저 빔의 경로를 제어한다.
광학 모듈(40)은 예를 들어, 제 1 미러(41), 집광 렌즈(42), 빔 쉐이퍼(43) 및 제 2 미러(44)를 포함할 수 있다.
제 1 미러(41)는 레이저 모듈(20)에서 발생되는 레이저 빔을 반사시킨다. 집광 렌즈(42)는 제 1 미러(41)에 의해 반사된 반사된 레이저 빔을 집광한다.
빔 쉐이퍼(43)는 집광 렌즈(42)에 의해 집광된 레이저 빔의 형태를 기설정된 상태로 변형한다. 빔 쉐이퍼(43)는 빔의 형태를 변형함으로써 광 효율을 높일 수 있다.
빔 쉐이퍼(43)는 예를 들어, 플라이아이 렌즈 또는 라이트 파이프일 수 있다.
제 2 미러(44)는 변형된 레이저 빔이 폴리곤 미러(30)로 향하도록 변형된 레이저 빔을 반사시킨다.
프로젝티브 시스템(60)은 폴리곤 미러(30)와 대상 물질(70)의 사이에 배치된다. 프로젝티브 시스템(60)은 폴리곤 미러(30)에 의해 반사된 레이저 빔의 에너지 밀도를 보정한다. 프로젝티브 시스템(60)은 레이저 빔의 궤적의 길이에 따른 레이저 빔의 균일성(uniformity)을 최적화시킬 수 있다. 도 4는 프로젝티브 시스템(60)을 확대하여 나타내고 있다.
도 5를 함께 참조하면, 빔 가이드 모듈(50)은 폴리곤 미러(30)와 대상 물질(70)의 사이에 배치되며, 레이저 빔이 대상 물질(70)에 입사되는 입사 범위를 제어할 수 있다.
잠시 도 6을 참조하면, 폴리곤 미러의 복수의 반사면 중 인접하는 두 반사면이 만나는 경계면에 의해서 레이저 빔이 산란되고, 산란된 레이저 빔이 대상 물질의 특정 위치에 도달하여 대상 물질을 변화시킬 수 있다.
따라서, 산란된 레이저 빔이 대상 물질에 도달하지 못하게 할 필요가 있다.
도 6은 폴리곤 미러의 복수의 반사면에 반사되는 레이저 빔을 도시하고 있다. 특히, 도 6의 (c)는 복수의 반사면 중 인접하는 두 반사면이 만나는 경계면에 의해서 산란된 레이저 빔이 대상 물질의 특정 위치에 도달하는 것을 나타내고 있다.
다시 도 5로 돌아오면, 빔 가이드 모듈은 소정의 거리만큼 떨어져 레이저 빔의 입사 범위를 결정하는 복수의 빔 덤프(51,52)를 포함한다.
복수의 빔 덤프(51,52)는 복수의 반사면 중 인접하는 두 반사면이 만나는 경계면에 의해 산란된 레이저 빔(53)을 차단한다.
이에 따라, 복수의 반사면 중 인접하는 두 반사면이 만나는 경계면에 의해서 산란된 레이저 빔이 대상 물질의 특정 위치에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 가열 장치는 수직형 낸드(VNAND) 구조체에서 채널막을 가열하는 공정에서 사용될 수 있다.
예를 들어, 예를 들어, 수직형 낸드 구조체는 소자 구조체에 구현된 트렌치 내에 절연막을 형성한 후 트렌치 내의 절연막 상에 상기 제 2 물질 구조체로서 제 2 물질로 이루어진 채널막을 형성하는 단계; 채널막을 형성한 후에 상기 제 1 물질 구조체로서 트렌치 내의 나머지 빈 공간을 충전하는 제 1 물질로 이루어진 심부 및 상기 소자 구조체 상면에 심부와 연결되도록 제 1 물질로 이루어진 레이저 수용패드를 형성하는 단계에 의해 형성될 수 있다. 이때 고온가열에 따른 제 1 물질과 2 물질간의 반응 혹은 상호확산(interdiffusion)이 발생할 수 있는데, 이를 방지할 수 있는 하나 이상의 제 3 물질을 제 1 물질과 제 2 물질 사이에 포함시킬 수도 있다. 왜냐하면, 반응 혹은 상호확산이 발생하게 되면, 후속의 제 1 물질을 제거하는 단계에서 제 1 물질의 제거가 용이하지 않을 수 있기 때문이다. 제 3 물질은 예를 들어, SiO2 막, Si3N4, 폴리실리콘(Polysilicon) 및 비정질실리콘(Amorphous Si)중 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 채널막의 저항을 낮추기 위하여 레이저 수용패드 상에 상기 레이저를 조사하여 상기 제2 물질을 가열(heating) 또는 용융(melting)시킬 수 있다.
소자 구조체는 수직형 낸드(VNAND) 구조체를 포함하고, 상기 제 2 물질은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 절연막은 실리콘질화물로 이루어진 트랩층(12), 산화알루미늄으로 이루어진 블로킹 산화물층, 산화실리콘으로 이루어진 HQ 산화물층으로 구성될 수 있다.
기존의 레이저를 통해서는, 수직형 낸드(VNAND) 구조체의 채널층인 폴리실리콘 전체(4 내지 5 마이크로미터 깊이)를 가열(heating) 또는 용융(melting)시키는데 한계가 있었으나, 제 1 물질로 갭필(Gap-fill) 혹은 마카로니필(macaroni fill)을 한 후, CO2 레이저, YAG 레이저, 다이오드 레이저, 파이버(fiber)레이저를 이용하여 어닐(anneal)을 진행하면 제 1 물질을 가열시키고 이와 접촉하고 있는 제 2 물질인 폴리실리콘으로 이루어진 채널층을 가열(heating) 또는 용융(melting)시켜 저항을 낮춤으로서 채널의 전류를 높일 수 있다. 이후 제공된 제 1 물질의 갭필(Gap-fill) 혹은 마카로니필(macaroni fill)은 적당한 방법으로 제거된다. 수직형 낸드(VNAND) 구조체의 스택(stack) 수가 많아질수록 채널막의 저항을 줄여 전류를 높이는 것이 매우 중요한 관건인데, 본 실시예에서는 상술한 제 1 물질 구조체를 채널막 주변에 형성한 후에 CO2 레이저, YAG 레이저, 다이오드 레이저, 파이버(fiber)레이저를 통해 어닐을 통해 구현할 수 있다.
한편, 채널막(19)을 간접 가열하기 위하여 좁은 단면적을 가지는 심부에 CO2 레이저 YAG 레이저, 다이오드 레이저, 파이버(fiber)레이저를 직접 조사하는 것은 용이하지 않기 때문에 심부와 연결되면서 상대적으로 넓은 단면적을 가지는 레이저 수용패드를 형성하고 레이저 수용패드에 CO2 레이저, YAG 레이저, 다이오드 레이저, 파이버(fiber)레이저를 조사하는 것이 효과적이다.
또한, 본 발명의 가열 장치는 제 2 물질로 이루어진 유전체막 및 제 1 물질로 이루어진 상부전극을 포함하는 디램 커패시터 구조체에서 상부전극을 가열하여 유전체막을 간접 가열하는 공정에서 사용될 수 있다.
예를 들어, 디램 커패시터 구조체는 소자 구조체에 구현된 트렌치 내에 하부전극을 형성하는 단계, 상기 트렌치 내의 상기 하부전극 상에 상기 제 2 물질 구조체로서 제 2 물질로 이루어진 유전체막을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 물질 구조체로서 상기 트렌치 내의 상기 유전체막 상에 제 1 물질로 이루어진 상부전극 및상기 소자 구조체 상면에 상기 상부전극과 연결되도록 제 1 물질로 이루어진 레이저 수용패드를 형성하는 단계에 의해 형성될 수 있다.
여기서, 상기 유전체막의 유전상수를 높이기 위하여 상기 레이저 수용패드 상에 상기 레이저를 조사하여 상기 제 2 물질을 가열(heating) 또는 용융(melting)시킬 수 있다.
상기 소자 구조체는 디램(DRAM)의 커패시터 구조체를 포함하고, 상기 제 1 물질은 질화티타늄(TiN)또는 루테늄(Ru)을 포함하고, 상기 제 2 물질은 HfO2, HfSiO4, ZrO2, ZrSiO4, La2O3, LaAlO3, Al2O3, Ta2O5, Y2O3, TiO2, SrTiO3 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 유전체막은 비정질(amorphous) 구조, 모노클리닉(monoclinic) 구조, 테트라고날(tetragonal) 구조, 큐빅(cubic)구조로 순차적으로 상변태되며, 이로써, 충분히 높은 유전율을 가지는 유전체막을 구현할 수 있다. 즉, CO2 레이저, YAG 레이저, 다이오드 레이저, 파이버(fiber)레이저를 이용하여 상대적으로 높은 온도에서 상이 변하는 HfO2, HfSiO4, ZrO2, ZrSiO4, La2O3, LaAlO3, Al2O3, Ta2O5, Y2O3, TiO2, SrTiO3 중 어느 하나에서 높은 유전율(permittivity)이 보장되는 테트라고날(tetragonal) 상, 오소로믹(orthoromic)상 또는 큐빅(cubic) 상을 얻어냄으써 더 높은 유전특성을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 가열 장치는 금속 및 폴리실리콘을 포함하는 메모리 소자의 트랜지스터 구조에서 금속을 가열하여 폴리실리콘을 간접 가열하는 공정에서 사용될 수 있다.
예를 들어, 메모리 소자는 메모리 소자의 트랜지스터 구조체를 형성하는 단계로서 게이트 산화막을 형성하는 단계; 상기 게이트 산화막 상에 상기 제 2 물질 구조체로서 폴리실리콘막을 형성하는 단계; 상기 폴리실리콘막 상에 상기 제 1 물질 구조체로서 질화티타늄(TiN)막, 질화텅스텐(WN)막, 실리콘텅스텐(WSi)막 또는 질화탄탈륨(TaN)막을 먼저 형성하고 텅스텐(W)막을 순차적으로 형성하는 단계에 의해 형성될 수 있다. 이때 고온가열에 따른 제 1 물질과 제 2 물질간 반응 혹은 상호확산(interdiffusion)이 발생할 수 있는데, 이를 방지할 수 있는 하나 이상의 제 3 물질을 제 1 물질과 제 2 물질 사이에 포함시킬 수도 있다. 왜냐하면, 반응 혹은 상호확산이 발생하게 되면, 후속의 제 1 물질을 제거하는 단계에서 제 1 물질의 제거가 용이하지 않을 수 있기 때문이다. 제 3 물질은 예를 들어, SiO2 막, Si3N4, 폴리실리콘(Polysilicon) 및 비정질실리콘(Amorphous Si)중 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 트랜지스터의 등가산화막두께(EOT)를 낮추기 위하여 상기 텅스텐막 상에 상기 레이저를 조사하여 상기 폴리실리콘막의 적어도 일부를 가열(heating) 또는 용융(melting)시킬 수 있다.
즉, DRAM(또는 FLASH)의 트랜지스터 구조는 Gate oxide / Polysilicon / Metal(TiN/W)으로 이루어져 있다. 이때, Metal의 가열이 용이하기 때문에, 그와 접촉이 되어 있는 Polysilicon의 국부적인 가열(heating) 또는 용융(melt)을 유도하여, B 혹은 P의 activation을 강화함으로써, polysilicon depletion을 감소시켜 EOT를 줄일 수 있다. 즉, Metal gate에서의 polysilicon depletion을 Metal assisted heating으로 고온에 짧은 시간동안 polysilicon depletion을 없앨 정도의 activation이 가능하다.
또한, 본 발명의 가열 장치는 제 1 물질로서 TiN(or TaN)/W 및 제 2 물질로서 High-k 물질을 포함하는 로직 소자의 트랜지스터 구조체에서 제 1 물질을 직접 가열함으로써 제 2 물질을 간접 가열하는 공정에서 사용될 수 있다.
예를 들어, 로직 소자의 트랜지스터 구조체는 상기 제 2 물질 구조체로서 비정질 폴리실리콘막을 형성하는 단계; 및 상기 비정질 폴리실리콘막 상에 상기 제 1 물질 구조체를 형성하는 단계에 의해 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 물질 구조체 상에 상기 레이저를 조사하여 상기 비정질 폴리실리콘막의 적어도 일부를 가열(heating) 또는 용융(melting)시킴으로써 상기 제 2 물질 구조체의 저항을 낮출 수 있다.
폴리실리콘(또는 비정질실리콘)의 저항을 낮추는 방법 중 일반적인 그레인 크기를 키우는 쉬운 방법으로 poly melt 방법이 있다. 폴리실리콘(또는 비정질실리콘)과 metal을 접속시키고 CO2 레이저, YAG 레이저, 다이오드 레이저, 파이버(fiber)레이저를 사용함으로서 metal의 heating에 의한 폴리실리콘(또는 비정질실리콘)의 melting을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 가열 장치는 포토리소피 공정 진행 시, 메탈막을 포토레지스트 아래에 코팅함으로서, 코팅 후 베이크 혹은 노광 후 베이크 시 포토레지스트 간 광원에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분간의 산호 확산(interdiffusion)되는 것을 방지함으로써 LER(Line Edge Roughness)나 WER(Width Edge Roughness) 등이 개선되도록 할 수 있다. 이때 고온가열에 따른 포토레지스트와 메탈막간의 반응 혹은 상호확산(interdiffusion)이 발생할 수 있는데, 이를 방지할 수 있는 하나 이상의 제 3 물질을 제 1 물질과 제 2 물질 사이에 포함시킬 수도 있다. 왜냐하면, 반응 혹은 상호확산이 발생하게 되면, 후속의 포토레지스트를 제거하는 단계에서 포토레지스트의 제거가 용이하지 않을 수 있기 때문이다. 제 3 물질은 예를 들어, SiO2 막, Si3N4, 폴리실리콘(Polysilicon) 및 비정질실리콘(Amorphous Si)중 하나를 포함할 수 있다.
이 밖에서, 본 발명의 가열 장치는 다양한 공정에서 적용이 가능하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 간접 가열 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 단계 S900에서 대상 물질로서 금속을 함유하는 제 1 물질 및 무기질을 함유하는 제 2 물질을 인접하여 배치할 수 있다. 이때 고온가열에 따른 제 1 물질과 제 2 물질간의 반응 혹은 상호확산(interdiffusion)이 발생할 수 있는데, 이를 방지할 수 있는 하나 이상의 제 3 물질을 제 1 물질과 제 2 물질 사이에 포함시킬 수 있다. 제 3 물질은 예를 들어, SiO2 막, Si3N4, 폴리실리콘(Polysilicon) 및 비정질실리콘(Amorphous Si)중 하나를 포함할 수 있다.
단계 S910에서 레이저 빔을 제 1 물질에 조사하여 제 1 물질을 직접 가열함으로써 제 1 물질에 인접한 제 2 물질을 간접 가열할 수 있다.
도시하지 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 간접 가열 방법은 대상 물질에 입사되는 입사각을 대상 물질의 브루스터 각(Brewster Angle)에 기초하여 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 스테이지
20: 레이저 모듈
30: 폴리곤 미러
40: 광학 모듈
41: 제 1 미러
42: 집광 렌즈
43: 빔 쉐이퍼
44: 제 2 미러
50: 빔 가이드 모듈
51, 52: 빔 덤프
60: 프로젝티브 시스템
70: 대상 물질

Claims (13)

  1. 레이저 빔을 이용하여 대상 물질을 가열하는 가열 장치에 있어서,
    상기 대상 물질이 재치되는 스테이지;
    레이저 빔을 발생하여 출력하는 레이저 모듈;
    상기 레이저 빔의 경로를 제어하는 광학 모듈;
    회전축을 중심으로 회전하며 상기 레이저 빔을 반사하는 복수의 반사면을 가지는 폴리곤 미러; 및
    상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 레이저 빔이 상기 대상 물질에 입사되는 입사 범위를 제어하는 빔 가이드 모듈
    을 포함하는 것인, 가열 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 모듈은 상기 레이저 모듈에서 발생되는 레이저 빔을 반사시키는 제 1 미러;
    상기 제 1 미러에 의해 반사된 반사된 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈;
    상기 집광된 레이저 빔의 형태를 기설정된 상태로 변형하는 빔 쉐이퍼; 및
    상기 변형된 레이저 빔이 상기 폴리곤 미러로 향하도록 상기 변형된 레이저 빔을 반사시키는 제 2 미러
    를 포함하는 것인, 가열 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 레이저 빔의 에너지 밀도를 보정하는 프로젝티브 시스템
    을 더 포함하는 것인, 가열 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 가이드 모듈은, 소정의 거리만큼 떨어져 상기 입사 범위를 결정하고, 상기 복수의 반사면 중 인접하는 두 반사면이 만나는 경계면에 의해 산란된 레이저 빔을 차단하는 복수의 빔 덤프를 포함하는 것인, 가열 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 대상 물질은 금속을 함유하는 제 1 물질 및 상기 제 1 물질과 인접하여 배치된 무기질을 함유하는 제 2 물질을 포함하고,
    상기 레이저 빔이 상기 제 1 물질에 조사되어 상기 제 1 물질이 직접 가열됨으로써 상기 제 1 물질과 인접한 상기 제 2 물질이 간접 가열되는 것인, 가열 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 대상 물질은 상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질 사이에 배치된 하나 이상의 제 3 물질을 더 포함하는 것인, 가열 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 모듈은 CO2 레이저, YAG 레이저, 다이오드 레이저, 파이버(fiber)레이저 중 하나인 것인, 가열 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 1 um 내지 11 um 영역의 파장을 갖는 것인, 가열 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 반사면에 반사된 레이저 빔은 2m/s 내지 180m/s의 속도를 가지는 것인, 가열 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 대상 물질의 상기 레이저 빔에의 노출 시간은 0.39 us 내지 35 us 인 것인, 가열 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사각 제어 모듈은 상기 대상 물질에 입사되는 입사각을 상기 대상 물질의 브루스터 각(Brewster Angle)에 기초하여 제어하는 것인, 가열 장치.
  12. 대상 물질이 재치되는 스테이지;
    레이저 빔을 발생하여 출력하는 레이저 모듈;
    상기 레이저 빔의 경로를 제어하는 광학 모듈;
    회전축을 중심으로 회전하며 상기 레이저 빔을 반사하는 복수의 반사면을 가지는 폴리곤 미러; 및
    상기 폴리곤 미러에 의해 반사된 레이저 빔이 상기 대상 물질에 입사되는 입사 범위를 제어하는 빔 가이드 모듈
    을 포함하는 가열 장치에서 수행되는 레이저를 이용한 간접 가열 방법에 있어서,
    상기 대상 물질로서 금속을 함유하는 제 1 물질 및 무기질을 함유하는 제 2 물질을 인접하여 배치하는 단계; 및
    상기 레이저 빔을 상기 제 1 물질에 조사하여 상기 제 1 물질을 직접 가열함으로써 상기 제 1 물질에 인접한 상기 제 2 물질을 간접 가열하는 단계
    를 포함하는 것인, 레이저를 이용한 간접 가열 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 대상 물질로서 금속을 함유하는 제 1 물질 및 무기질을 함유하는 제 2 물질을 인접하여 배치하는 단계는
    상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질 사이에 하나 이상의 제 2 물질을 배치하는 단계
    를 포함하는 것인, 레이저를 이용한 간접 가열 방법.
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