KR950003232B1 - 반도체웨이퍼의 열처리방법 및 장치 - Google Patents

반도체웨이퍼의 열처리방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

반도체웨이퍼의 열처리방법 및 장치
제1도는 종래의 급속열처리기술에 사용되는 열처리장치의 개략도.
제2도는 제1도의 장치의 온도특성을 나타내는 그래프.
제3도는 본 발명에 따른 반도체웨이퍼 열처리장치의 정면도.
제4도는 제3도의 장치의 작용을 설명하는 요부의 사시도.
제5도는 반도체웨이퍼의 온도와 상부히이터에 인가되는 전압사이의 관계를 나타낸 도면.
제6도는 상부히이터의 다양한 온도에 따른 반도체웨이퍼의 면저항의 상태를 나타내는 도면.
제7도는 반도체웨이퍼의 표면으로부터 상부히이터의 아래끝단까지의 간격과 반도체웨이퍼의 온도와의 관계를 나타내는 도면.
제8도는 반도체웨이퍼의 주사속도와 웨이퍼의 면저항사이의 관계를 나타내는 도면.
제9도는 주사속도를 0.1mm/sec로 고정하고 어닐링 온도를 다양하게 변화시킨후의 불순물에 대한 깊이 특성의 결과를 나타낸 도면.
제10도는 주사속도에 대한 면저항의 변화를 나타낸 도면.
제11도는 본 발명의 장치 및 방법을 사용히여 열처리를 행한 반도체웨이퍼에 있어서의 면저항의 분포를 나타낸 도면.
제12도 및 제13도는 반도체웨이퍼에 각각 이온주입된 비소(As) 불순물 및 보론(Boron) 불순물의 분포를 SIMS법에 의하여 측정한 결과를 나타내는 도면.
제14도는 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 열처리한 반도체웨이퍼의 X-레이 토포그래피(X-Ray topography) 사진.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체웨이퍼 2 : 순간방사원
3 : 석영관 4 : 고온계
5 : 석영판 10 : 반도체열처리장치
11 : 상부가열수단(상부히이터) 12 : 하부가열수단(하부히이터)
13 : 웨이퍼수납대 14 : 냉각수단(냉각대)
15 : 온도측정수단(열전쌍) 16 : 상부가열수단 고정전극
17 : 웨이퍼지지대
본 발명은 반도체웨이퍼의 열처리방법 및 열처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 반도체웨이퍼의 열처리 공정에 있어서, 스트립 히이터(Strip Heater)를 사용하여 반도체웨이퍼의 표면을 국부적으로 주사하면서 열처리하는 것을 특징으로 하는 반도체웨이퍼의 열처리방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 전형적인 반도체웨이퍼 열처리기술인 반응로(反應爐)처리기술(Furnace Processing)은, 배치공정으로서 한번에 100 내지 200매 정도의 웨이퍼를 석영보우트에 로딩한후, 약 500 내지 70℃ 정도의 일정한 온도로 유지된 반응로내의 석영관으로 천천히 밀어넣은후, 분당 약 20℃ 이하의 속도로 천천히 온도를 상승시켜["램프엎(ramp-up)"이라 함] 원하는 공정온도(약 900 내지 1,100℃ 범위)를 얻은후, 필요한 공정기체를 반응로내로 흘려주면서 정해진 시간동안 열처리를 행하는 것이다.
정해진 시간의 열처리가 끝나면 다시 온도를 천천히 내리고["램프다운(ramp-down)"이라 함], 웨이퍼를 다시 천천히 꺼낸다.
이와 같은 종래의 반응로에 의한 반도체웨이퍼 열처리 기술은 온도분포의 균일성과 반복성은 양호하나, 램프업 및 램프다운의 시간이 장시간이므로 불필요한 가열시간이 있게 되고, 그에 따라서 불순물의 원하지 않는 열확산 현상이 일어나게 된다.
이와 같은 불순물의 원하지 않는 열확산 현상은, 반도체 소자의 크기를 축소하는데에 커다란 장애요소가 된다.
따라서, 램프엎 및 램프다운의 시간을 줄여야 하나, 종래의 반응로는 열질량(Thermal Mass)이 크므로 시간의 절감은 불가능하다.
한편으로, 불순물을 이온주입방법으로 도핑한 경우에는 이온주입에 의해 생성된 결정 결함을 어닐링하는 단계와 불순물을 전기적으로 활성화시키는 단계를 필요로 하기 때문에 고온의 열처리는 불가피하다.
불순물의 불필요한 열확산을 취소화하기 위하여는, 일정온도에서 허용되는 공정의 총시간에 대한 제약이 있게된다.
예를들면, 0.25μm 기술에서 요구되는 70nm의 p+n 접합을 형성하기 위하여 저에너지 BF2이온주입을 진행하는 경우, 열처리를 1,000℃에서 수행한다면 공정의 시간은 단지 3초만이 허용될 수 있다.
이때, 반응로에서 일반적으로 수행하는 열처리온도보다 높은 온도에서 보다 짧은 시간동안 어닐링을 하게 되면 결함의 회복은 잘 추진되는 반면 확산은 억제할 수 있다는 것이 알려져 있다.
예를들면, 반응로를 이용할 때에 일반적으로 550℃에서 30분간 열처리하던 것을 1,000℃에서 10초간 열처리를 하는 경우 확산은 억제되면서 동일한 어닐링 효과를 얻을 수 있다.
이와 같은 종래의 반도체웨이퍼의 제조공정에 있어서의 여러가지 제약을 감안하여 열량을 줄이면선 반도체웨이퍼를 급속하게 고온으로 열처리하는 급속열처리기술(Repid Thermal Processing)이 개발되어 있다.
제1도는 이러한 종래의 급속열처리를 위한 장치의 한 예를 나타내는 도면이다.
도면에 있어서, 부호(1)는 석영관(3)내의 석영판(5)상에 적재되고, 수은아아크(Arc)램프 또는 텅스텐-할로겐램프 등의 순간방사원(瞬間放射源)(2)에 의하여 열처리되는 반도체웨이퍼를 나타내며, 부호(4)는 처리온도를 측정하기 위한 고온계이다.
상기 장치에 의하면, 단 1장의 반도체웨이퍼가 석영관(1)내의 석영판(5)상에 적재된후, 이 웨이퍼의 전체를 순간방사원(2)에 의하여 균일하게 가열하게 된다. 상기 장치에서는 제2도에서 나타낸 그의 온도특성도에서 보는 바와 같이, 순간방사원(2)에 의하여 처리온도를 급속하게 800℃ 이상으로 상승시켜서 약 15초간 열처리를 행한 다음 다시 급속하게 온도를 하강하는 방식으로 반도체웨이퍼의 열처리가 이루어진다.
이와 같은 종래의 급속열처리기술은 비록 종래의 열확산 기술에 비하여 불필요한 불순물의 확산을 방지할 수 있다는 개선점을 가지는 것이긴 하지만, 순간방사원(2)로부터의 방사열 에너지를 웨이퍼(1)가 흡수하여 웨이퍼(1) 전체의 온도가 상승하는 원리를 이용한 것이기 때문에, 종래의 반응로기술에 있어서의 온도의 균일성이 ±1℃ 정도로 안정된 것임에 비하여 급속열처리기술에 있어서는 약 ±6℃ 정도로서, 반도체웨이퍼의 제조장비로서 요구되는 ±2℃ 정도의 소망하는 균일성을 얻기 어려운 것이었다.
또한, 온도의 반복성도 적정하게 요구되는 것은 약 ±0.3℃ 정도이지만, 종래의 반응로기술이 약 ±1℃ 이하인 정도에 비하여 급속열처리기술은 확실한 반복성이 정하여지지 않을 정도로 취약하다.
더우기, 통상 약 1,050℃ 정도의 어닐링온도에서는 웨이퍼의 중심부분과 주변부사이의 온도차이가 심하기 때문에 슬립(Slip)과 같은 결정결함이 발생한다는 단점이 있었다.
또한, 종래의 반응로기술이 배치식 처리로서 많은 수의 반도체웨이퍼를 처리할 수 있는 것임에 비해 급속열처리기술은 단 1장씩밖에 처리를 하지 못한다는 문제점을 가진다.
따라서, 이러한 단점을 개선하기 위한 노력으로서 균일한 온도분포를 얻기 위해 순간방사원인 램프의 배열방법과 반사경등의 설계를 변경하거나 조절하는 등의 노력을 기울이고 있으나, 뚜렷한 진전이 없어서 현재로서는 양산공정의 장비로서 채택되지는 못하고 있는 실정이다.
본 발명은, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 온도특성에 있어서의 균일성과 반복성이 양호하며, 제조수율이 높고, 슬립과 같은 결함이 발생하지 않는 반도체웨이퍼의 열처리방법 및 열처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 반도체웨이퍼의 열처리공정에 있어서, 스트립형 히이터를 사용하여 반도체웨이퍼의 표면을 국부적으로 주사하면서 열처리하는 열처리방법에 있다.
바람직하게는, 반도체웨이퍼의 열처리공정은, 산화막형성공정, 어닐링공정, 불순물활성공정, 절연층의 리플로우공정, 오믹 콘택 또는 실리사이드형성공정등의 열처리공정이 될 수 있다.
또한, 본 발명은, 열처리할 반도체웨이퍼를 수납하는 웨이퍼수납대와, 상기 웨이퍼수납대에 수납된 반도체웨이퍼의 상부에 위치하며 반도체웨이퍼를 국부적으로 열처리하는 하나이상의 스트립형 상부가열수단과, 상기 웨이퍼수납대의 하부에 위치하며 그를 가열하는 하부가열수단과, 상기 상부가열수단의 온도를 측정하는 온도측정수단 및, 상기 상부가열수단이 반도체웨이퍼를 국부적으로 열처리할 수 있도록 상기 웨이퍼수납대를 구동하는 웨이퍼수납대 구동수단으로 구성되는 반도체웨이퍼의 열처리장치를 특징으로 한다.
바람직하게는, 스트립형 상부가열수단의 갯수는 1 내지 3개로 할 수 있다.
바람직하게는, 스트립형 상부가열수단의 단면의 크기는 가로, 세로의 길이를 1 내지 20mm의 범위로 할 수 있다.
바람직하게는, 스트립형 상부가열수단의 재질은 흑연, 세라믹코팅된 흑연으로 할 수 있다.
반도체웨이퍼와 스트립형 상부가열수단사이의 간격은 0.5 내지 3mm이며, 반도체웨이퍼의 표면주사속도는 0.05 내지 2mm/sec로 할 수 있다.
바람직하게는, 웨이퍼수납대는 소정온도로 예열하여 놓을 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제3도는 본 발명에 다른 반도체 열처리장치의 일실시예의 정면도로서, 상기 장치(10)는 열처리할 반도체웨이퍼(1)를 그의 상부에 수납하는 웨이퍼수납대(13)와, 상기 웨이퍼수납대(13)에 수납된 반도체웨이퍼(1)의 상부에 위치하며 반도체웨이퍼(1)를 국부적으로 가열함으로써 열처리하는 세라믹코팅된 흑연재질의 스트립형 상부히이터(11)와, 상기 웨이퍼수납대(13)의 하부에 위치하며 그를 가열하는 하부히이터(12)와, 상기 스트립형 상부히이터(11)의 온도를 측정하는 열전쌍(15) 및, 상기 스트립형 상부히이터(11)가 반도체웨이퍼(1)를 국부적으로 열처리할 수 있도록 상기 웨이퍼수납대(13)를 일정방향으로 구동하는 도시하지 않은 웨이퍼수납대 구동수단으로 구성된다.
도면중, 미설명부호(14)는 냉각부재를 나타내며, (16)는 상부전극(11)에 전원을 공급하는 상부히이터 고정전극이며, (17)은 반도체웨이퍼(1)를 지지하기 위하여 웨이퍼수납대(13)상에 놓인 석영이나 흑연으로 만들어진 웨이퍼지지대이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명장치의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 반도체 열처리장치는 이온주입후의 어닐링공정, 불순물활성공정, 유전층의 리플로우(reflow)공정, 금속박막증착후의 콘택 또는 실리사이드형성공정 또는 산화막형성공정등의 열처리공정에서 사용할 수 있다.
이와 같은 열처리공정을 위하여 반도체웨이퍼(1)는 웨이퍼수납대(13)의 상부에서 웨이퍼지지대(17)상에 적재되어 열처리장치(10)로 들어간다.
도시하지 않은 전원으로부터 공급된 전압이 상부히이터 고정전극(16)에 인가되고, 스트립형 상부히이터(11)가 열처리를 위한 적정온도로 가열된다.
스트립형 상부히이터(11)의 온도가 적정온도에 이르렀는지의 여부는 열전쌍(15)에 의하여 측정되고, 제4도에서 나타낸 바와 같이 웨이퍼수납대(13)가 도시하지 않은 웨이퍼수납대 구동수단에 의하여 일정방향(도면의 A 방향)으로 구동된다.
웨이퍼수납대(13)가 A 방향으로 구동됨에 따라 웨이퍼수납대(13)상에 적재되어 있는 웨이퍼(1)의 표면을 스트립형 상부히이터(11)가 주사하면서 열처리하게 된다.
따라서, 웨이퍼(1)는 스트립형 상부히이터(11)에 의하여 도시한 바와 같이 일정한 열처리영역(Z)만큼만 국부적으로 열처리가 진행된다.
스트립형 상부히이터(11)의 단면형상은 본 실시예에서는 사각형으로 하였으나, 원형, 삼각형 또는 기타 다각형의 어느 형상이라도 좋다.
또한 스트립형 상부히이터(11)의 갯수는 1 내지 3개로 할 수 있다.
웨이퍼의 열처리 온도는 스트립형 상부히이터(11)의 온도, 하부히이터(12)의 온도, 웨이퍼(1)와 상부히이터(11) 사이의 간격, 주사속도에 따라 달라진다.
그중에서도 열처리 최고 온도는 스트립형 상부히이터(11)의 온도에 가장 크게 좌우되며, 상부히이터(11)의 온도는 전극(16)에 인가되는 전압에 따라 변하게 된다.
제5도는 반도체웨이퍼(1)의 온도와 상부히이터(11)에 인가되는 전압사이의 관계를 나타낸 도면으로서, 본 도면은 하부히이터(12)를 동작시키지 않은 상태의 도면이며 인가된 실효전압치와 웨이퍼의 표면온도가 비교적 선형적인 관계에 있음을 보여준다.
제6도는, 상부히이터(11)의 다양한 온도에 따른 반도체웨이퍼(1)와 면저항의 상태를 나타내는 도면으로서, 본 발명의 장치의 스트립형 상부히이터(11)의 온도가 증가됨에 따라 활성화가 진행되어 웨이퍼의 면저항이 감소됨을 알 수 있다.
이러한 면저항의 감소는 하부히이터(12)의 온도증가와도 비례하지만 온도가 보다 높은 상부히이터(11)의 영향이 더 크다.
하부히이터(12)의 영향은 스트립형 상부히이터(11)의 온도가 낮을수록 크게 나타난다.
따라서, 본 발명의 장치에 의한 반도체웨이퍼의 열처리방법에서는, 하부히이터(12)를 미리 소정온도를 예열해 놓은 후에 열처리함으로써 더욱 양호한 열처리를 행할 수 있다.
또한, 하부히이터(12)와 웨이퍼수납대(13)를 미리 소정온도로 예열해 놓음으로써 공정의 다양화를 기할 수 있다.
제7도는 반도체웨이퍼(1)의 표면으로부터 상부히이터(11)의 아래 끝단까지의 간격과 반도체웨이퍼(1)의 온도와의 관계를 나타내는 도면이며, 상부히이터(11)의 바로 아래의 온도를 1,110℃로 하고 그를 기준으로한 비를 Y축으로 하여 데이타점들을 측정한 결과를 보여준다.
도면으로부터 명백한 바와 같이 상부히이터(11)로부터 웨이퍼의 표면이 멀어질수록 온도가 낮아짐을 알 수 있다.
스트립형 상부히이터(11)와 반도체웨이퍼(1) 사이의 간격은 0.5 내지 3mm의 범위내에서 선택할 수 있으며, 본 실시예에서는 1.5mm로 하였다.
또한, 상부히이터(11)의 단면규격은 가로, 세로의 길이를 1 내지 20mm의 범위로 할 수 있으나, 본 실시예에서는 각각 1mm, 2mm로 하였다.
제8도는 반도체웨이퍼의 주사속도와 웨이퍼의 면저항사이의 관계를 나타내는 도면으로서, 스트립형 상부히이터(11)의 폭이 일정한 경우에 주사속도와 열처리시간과는 반비례의 관계가 있으며, 따라서 불순물의 활성화가 주사속도와도 밀접한 관계에 있음을 알 수 있다.
본 발명에 의한 반도체웨이퍼의 열처리방법 및 장치를 쉘로우(Shallow) 접합형성에 적용한 경우의 결과를 이하에서 설명한다.
먼저, 10 내지 15Ωcm의 비저항을 갖는 (100)4인치 실리콘웨이퍼를 건식산화에 의하여 산화층을 10nm 성장시켰다.
N형 웨이퍼에는 35KeV BF2 +이온을 3×1015/㎠ 또는 5×1015/㎠의 2가지로 주입시키고, P형 웨이퍼에는 80KeV As+이온을 4.5×1015/㎠ 만큼 주입시켜서 p+n과 n+p 접합을 각각 형성시켰다.
급속열처리를 여러가지 어닐링 온도에 따라 진행하였으며, SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy) 방법으로 깊이에 따른 농도특성을 구하였다.
모든 어닐링은 하부히이터(12)는 작동시키지 아니하고 진행시켰다.
주사속도를 0.1mm/sec로 고정하고 어닐링 온도를 다양하게 변화시킨 후의 각 불순물에 대한 깊이특성의 결과를 제9도에 나타내었다.
비소(As)와 보론(Boron)의 어느 경우도 1,000℃ 내지 1,100℃의 온도에서 충분히 할성화가 진행되었음을 알 수 있었다.
제10도는 주사속도에 대한 면저항의 변화를 나타낸 도면으로서, 열처리 시간이 길어질수록 면저항값이 감소됨을 보여준다.
제11도는 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 열처리를 행한 반도체웨이퍼에 있어서의 면저항의 분포를 나타내는 도면으로서, 본 도면으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명 장치 및 방법에 의한 열처리를 거친 반도체웨이퍼의 면저항분포가 매우 일정함을 알 수 있었다.
제12도 및 제13도는 각각 이온주입된 비소(As) 불순물 및 보론(Boron) 불순물의 분포를 SIMS법에 의하여 측정한 결과를 나타내는 도면으로서, 열처리 조건은 1,100℃의 온도에서 0.1mm/sec의 속도로 하였다.
이 도면에서 특기할만한 것은 깊이에 따른 농도특성이 열처리의 전후에 걸쳐서 거의 변화가 없었다는 점이다.
이는, 종래의 급속열처리기술 및 반응로기술이 정온가열방법임에 비하여 본 발명에 의한 열처리기술이 국부순간가열인 것과 관련이 있는 것으로 추측된다.
제14도는 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 열처리된 반도체웨이퍼의 X-레이 토포그래피(X-Ray topography) 사진으로서, 도시된 바와 같이, 1,100℃의 열처리 조건에서도 여러 시료등에서 슬립(Slip)등의 결함이 발견되지 않았다.
본 사진에 나타나는 선모양의 형상은 X-레이의 반사에 의한 것이다.
이상의 결과를 종합해볼때, 본 발명에 의한 반도체웨이퍼의 열처리방법 및 장치는, 종래의 반응로기술 및 급속열처리기술에 의한 반도체웨이퍼의 열처리시에 발생하였던 문제점을 해결하면서도 급속열처리가 가능한 새로운 열처리방법 및 장치임을 알 수 있다.
본 발명의 효과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 스트립형 상부히이터의 온도를 정확히 측정하는 것이 가능하기 때문에 제어가 용이하다.
(2) 스트립형 히이터는 1차원적인 온도분포를 가지는 것이므로 온도의 균일성을 제고할 수 있다.
(3) 스트립형 히이트를 주사하면서 열처리하므로 열처리시간이 짧으면서도 급속한 온도의 상승이 가능하다.
(4) 스트립형 히이터의 구조를 변경하거나 주사속도를 조정함으로써 열처리공정의 시간 및 열처리 온도의 상승 또는 하강을 용이하게 제어할 수 있다.
(5) 하부히이터 및 웨이퍼수납대를 예열해 놓음으로써 보다 높은 온도의 급속열처리를 수행할 수도 있기 때문에 공정의 다양화를 꾀할 수 있다.
(6) 국부가열에 의한 방법이므로 종래의 급속열처리등에서 발생하였던 슬립등의 반도체웨이퍼의 결함을 없앨 수 있다.

Claims (8)

  1. 반도체웨이퍼의 열처리공정에 있어서, 스트립형 히이터를 사용하여 반도체웨이퍼의 표면을 국부적으로 주사하면서 열처리하는 반도체웨이퍼의 열처리방법.
  2. 제1항에 있어서, 반도체웨이퍼의 열처리공정은, 산화막형성공정, 어닐링공정, 불순물활성공정, 절연층의 리플루오공정, 오믹 콘택 또는 실리사이드형성공정등의 열처리공정으로 이루어지는 군중에서 선택되는 공정인 반도체웨이퍼의 열처리방법.
  3. 열처리할 반도체웨이퍼를 수납하는 웨이퍼수납대(13)와, 상기 웨이퍼수납대(13)에 수납된 반도체웨이퍼의 상부에 위치하며 반도체웨이퍼를 국부적으로 열처리하는 한개 이상의 스트립형 상부가열수단(11)과, 상기 웨이퍼수납대(13)의 하부에 위치하며 그를 가열하는 하부가열수단(12)과, 상기 상부가열수단(11)의 온도를 측정하는 온도측정수단(15) 및, 상기 상부가열수단(11)이 반도체웨이퍼를 국부적으로 열처리할 수 있도록 상기 웨이퍼수납대(13)를 구동하는 웨이퍼수납대 구동수단으로 구성되는 반도체웨이퍼의 열처리장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스트립형 상부가열수단(11)의 갯수는 1 내지 3개인 반도체웨이퍼의 열처리장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 스트립형 상부가열수단(11)의 단면의 크기는 가로, 세로의 길이를 1 내지 20mm의 범위인 반도체웨이퍼의 열처리장치.
  6. 제5항에 있어서, 스트립형 상부가열수단(11)의 재질은 흑연 또는 세라믹코팅된 흑연으로 된 반도체웨이퍼의 열처리장치.
  7. 제3항에 있어서, 반도체웨이퍼와 스트립형 상부가열수단(11)사이의 간격은 0.5 내지 3mm이며, 반도체웨이퍼의 표면주사속도는 0.05 내지 2mm/sec인 반도체웨이퍼의 열처리장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 웨이퍼수납대(13)는 300℃ 내지 600℃의 온도로 예열되는 반도체웨이퍼의 열처리장치.
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