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KR100379359B1 - 급속 열 공정 시스템을 사용한 물체의 급속 열 공정 방법 - Google Patents

급속 열 공정 시스템을 사용한 물체의 급속 열 공정 방법 Download PDF

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KR100379359B1
KR100379359B1 KR10-2000-7001960A KR20007001960A KR100379359B1 KR 100379359 B1 KR100379359 B1 KR 100379359B1 KR 20007001960 A KR20007001960 A KR 20007001960A KR 100379359 B1 KR100379359 B1 KR 100379359B1
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KR
South Korea
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rapid thermal
reflectance
wafer
thermal processing
measured
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KR10-2000-7001960A
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Inventor
토마스 크나르
츠졸트 네니아이
미하엘 마우러
하인리히 발크
Original Assignee
스티그 알티피 시스템즈 게엠베하
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Publication date
Application filed by 스티그 알티피 시스템즈 게엠베하 filed Critical 스티그 알티피 시스템즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 급속 열 공정(RTP)에 관한 것으로서, 물체의 광대역 반사율을 측정하고, 물체를 처리할 때 사용되는 급속 열 공정 시스템의 파라메터를 조절하기 위해 상기한 측정값을 급속 열 공정 시스템에서 사용하는 방법에 관한 것이다.

Description

급속 열 공정 시스템을 사용한 물체의 급속 열 공정 방법{METHOD OF RAPID THERMAL PROCESSING (RTP) OF AN OBJECT USING AN RAPID THERMAL PROCESSING SYSTEM}
급속 열 공정 분야는 주로 반도체 웨이퍼를 공지된 온도로 균일하게 가열하고, 다양한 어닐링, 화학 반응, 및 다양한 공정에 의해 요구되는 박막 성장 기술 동안에 웨이퍼의 온도 시간 프로파일을 측정하고 제어하는 것에 관한 것이다. 균일한 가열을 달성하기 위해, 가열 시스템의 개별적인 램프는 제어 시스템에 의해 개별적으로 제어되며, 반사계 시스템은 공지된 패턴으로 웨이퍼를 방사하도록 신중하게 구성된다.
급속 열 공정 시스템에서의 광학식 고온 측정은 광학 대역폭 측정 및 파장의 선택을 요구한다. 이러한 선택은 웨이퍼의 재료 파라메터, 반응 챔버, 반사기, 및 방사선원에 기초하여 이루어진다(미국 특허 제 5,188,458호, 및 독일 특허 제 4012615C2호 참조). 소위 "리플 기술(Ripple Technique)"(미국 특허 제 5,154,512호)은 광학 고온계 측정의 특별한 경우이다. 가열 램프 전력 공급은 5 내지 120 Hz의 주파수를 사용하여 변조되며, 웨이퍼로부터의 적외선 방사는 제 1광섬유를 통해 좁은 대역에서 측정되는 반면, 램프로부터의 광방사는 제 2광섬유를 통해 동일한 좁은 대역의 적외선 영역에서 측정된다. 웨이퍼 온도는 통상적으로 방출된 방사선이 변조 주파수를 따르기에 충분하도록 빠르게 변화될 수 없는 반면, 램프 필라멘트 및 램프 방사선은 변조 주파수에서 변조될 수 있다. 방사선의 변화가 램프로부터 반사된 광에 기인한 것이기 때문에, 제 1광섬유에 의해 측정된 방사선은 웨이퍼로부터 반사된 방사선을 결정하는데 사용될 수 있다. 반사광의 변화가 측정되며, 웨이퍼에 대한 반사계수가 추론된다. 특별한 파장에 대해 웨이퍼에 대한 반사계수를 알게 되면, 그 파장에서의 웨이퍼의 방사율을 알 수 있으며, 웨이퍼로부터 방출된 방사선에 기인한 제 1광섬유에 의해 수집된 방사선의 불변하는 부분은 온도를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 그렇지만, 이러한 기술은 온도에 매우 민감하며, 광섬유의 필요한 기계적 조절을 위한 장치는 매우 고가이다.
광을 수집하기 위한 광섬유 및 도광관의 사용은 상기한 측정 원리를 변화시키지 않는다.
모노크로매틱 또는 좁은 대역의 고온 측정 기술을 사용하여 달성될 수 있는 종래 기술에 따른 최상의 신호 대 백그라운드의 비는 약 1000 : 1(독일 특허 제 401265C2호)이며, 이는 양호한 온도 측정의 재현성을 제공한다. 그렇지만, 이러한 모노크로매틱 또는 좁은 대역의 고온 측정 기술은 측정될 물체의 표면 상의 상이한 굴절율을 갖는 재료층에 의해 강하게 영향을 받으며, 이러한 방법은 측정되는 웨이퍼 표면이 두께가 변하는 얇은 층을 갖는다면 실용적으로 사용할 수 없다. 소정의 파장에서의 반사계수 및 표면의 방사율(1-반사율)은 다양한 층두께에서 현저하게 변화한다. 예컨대, 이산화실리콘의 일층이 실리콘 웨이퍼 상에서 0.25미크론 두께로부터 성장할 때, 1.5미크론 광에 대한 반사율은 최소 6%로부터 최대 42%까지 변한다. 이러한 경우에, 측정되는 방사선의 대역이 측정 대역 내에서의 적극적 및 파괴적 방해 요소(constructive and destructive interferences)를 서로 보상하기에 충분히 넓을 때만 고온계가 사용될 수 있다. 상기한 경우에, 1.5미크론의 파장이 최소 반사율을 가지는 반면, 3미크론의 광파장은 최대 반사율을 가진다. 방사율의 변화를 보상하기 위해 1.5 내지 3미크론의 측정 밴드(또는 2.25±0.75미크론의 측정 파장)가 바람직하다. 이러한 경우, 광대역 파장 필터는 백그라운드로부터의 방사선을 여과할 수 없으며, 신호 대 백그라운드 비율이 매우 작게됨을 알 수 있다(에너지 보존 시에).
급속 열 공정에 대한 방사율 변화에 대한 설명서는 종종 파장 또는 파장 범위를 한정하지 않고 방사율 팩터의 범위(예, 0.3 내지 0.9)만을 언급한다. 이러한 설명서는 적외선 파장의 좁은 대역에 대해서만 민감한 제어 고온계의 파장을 함축적으로 포함한다. 그렇지만, 온도 측정 고온계가 측정하는 좁은 대역에서 측정된 방사율은 웨이퍼에 대한 방사선의 에너지 커플링에 대한 양호한 고려를 제공하지 못한다. 커플링은 급속 열 공정 시스템 램프로부터 전송된 방사 에너지의 전체 파장 범위에서의 흡수율에 대한 방사율의 적분에 의존한다. 웨이퍼 상으로 입사하는 램프 광은 고온계 민감도 보다 훨씬 더 넓은 스펙트럼 폭을 가진다. 코팅된 웨이퍼의 커플링은 코팅되지 않은 웨이퍼의 커플링과 매우 상이하다. 코팅되지 않은 웨이퍼는 첫 번째 범위에서(to first order) "회색체(gray body)"이다. 광학에서, 회색체는 방사율 또는 흡수율이 변하지 않는 방사 또는 흡수 스펙트럼을 갖는다. "흑체(black body)"는 방사율이 1인 반면, 회색체의 방사율은 1 미만이다. 방사 계수 또는 흡수 계수는 큰 파장 범위에 대해 일정하기 때문에, 단일 방사 또는 흡수 계수는 회색체 또는 흑체의 광흡수 및 광방사 성질을 한정한다. 상이한 층 구성은 비회색체를 야기하고, 방사 및 흡수 계수는 램프 방사의 스펙트럼 영역에 걸쳐서 폭넓게 변할 수도 있다. 그렇지만, 방사율 또는 반사율의 광대역 측정은 웨이퍼에서의 방사선의 커플링을 예상하고, 급열 처리 장치의 시스템 파라메터를 설정하여, 원하는 온도로 균일하게 가열되도록 하기 위해 사용될 수 있다.
제조된 웨이퍼의 전방측부와 후방측부의 커플링은 매우 상이하다. 전방측부는 "스폿(spot)" 형태로 패턴된 많은 층을 가질 수도 있으며, 각각의 스폿은 스펙트럼식으로 적분된 상이한 반사율 및 방사율을 가질 수도 있다. 웨이퍼의 후방측부는 일반적으로 공간적으로 균일하며, 스펙트럼식으로 적분된 후방측부의 방사율은 일반적으로 웨이퍼의 전방측부의 공간적 및 스펙트럼식으로 평균된 방사율과 현저하게 상이하다. 스펙트럼식으로 변화하는 "비회색체(Non-gray-body)"의 방사율의 경우에, 모노크로매틱(또는 좁은 스펙트럼 대역폭) 고온계 신호는 거의 온도에 영향을 받지 않는다. 한편, 소정의 온도에서 상이한 웨이퍼는 상이한 고온계 신호를 나타낸다. 반면, 가열 전력 레벨이 고정된 경우에는, 상이한 커플링은 웨이퍼 온도를 상이하게 한다.
관련 분야
급속 열 공정 원리를 기초로 한 반응기는 종종 웨이퍼 처리 공정 동안 반응기 챔버의 일단부의 전체 단면이 개방된다. 이는 현저하게 큰 직경을 가지며 웨이퍼 보다 두꺼울수도 있는 다양한 웨이퍼 홀더, 가아드 링, 및 가스 분배판이 챔버 내로 도입되어야 하며, 공정이 변하거나 예컨대 상이한 크기의 웨이퍼가 사용될 때 용이하고 신속하게 변화되어야 하기 때문에, 이러한 구성이 사용되어 왔다. 반응 챔버는 이러한 부수적인 부품들로 구성된다. 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제 5,580,830호에는 가스 흐름의 중요성과 가스 흐름을 조절하고 공정 챔버 내의 불순물을 제어하기 위해 도어 내에 개구를 사용하는 것이 개시되어 있다.
매우 넓은 범위에서 스펙트럼 반응을 하는 고온계를 사용한 웨이퍼의 온도 측정의 중요성이 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제 5,628,564호에 개시되어 있다. 종래의 급속 열 공정 시스템에서 가열될 웨이퍼는 일반적으로 웨이퍼를 시스템의 반사벽과 정교하게 평행하도록 유지시키는 다수의 석영핀 상에 놓여진다. 종래 기술에 따른 시스템은 일반적으로 균일한 실리콘 웨이퍼를 서셉터 상에 위치시킨다. 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제 5,861,609호에는 웨이퍼로부터 분리된 서셉터 판의 중요성에 대해 개시되어 있다. III-IV 반도체의 급속 열 공정은 실리콘의 급속 열 공정 만큼 유용하지 못하였다. 이러한 이유 중 하나는 표면이 예컨대 갈륨 비소(GaAs)의 경우에 비소(As)의 비교적 높은 증기압을 가지기 때문이다. 표면 영역은 비소가 고갈되어 가고, 재료의 재질은 악화된다. 본 출원인에게 양도되고 본원에 참조된 미국 특허 제 5,837,555호는 이러한 문제점을 극복하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제 5,727,017호에는 광의 펄스로 웨이퍼를 국부적으로 가열함으로써 가볍게 도핑된(lightly doped) 비교적 저온의 웨이퍼의 방사율을 증가시키는 방법이 개시되어 있다. 상기한 미국 특허들 및 미국 특허 출원들은 본 발명에서 참조하였다.
본 발명은 급속 열 공정 시스템(Rapid Thermal Processing (RTP) system)에서 가열된 물체의 온도를 측정하고 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 방해 요소(interference effects)가 종래의 고온식 온도 측정 방법을 방해하는 경우에 물체의 온도를 측정하고 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 재료층이 웨이퍼의 후방측부 상에 증착된 반도체 웨이퍼의 경우와, 급열 화학 기상 증착(RT-CVD)에 특히 유용하다. 본 발명은 웨이퍼의 일련의 인-시츄(in situ) 또는 엑스-시츄(ex situ) 광대역 반사계 측정이 장치 및 공정 흐름에 통합되는 것으로 개시된다. 반사계 측정 결과에 근거하여, 급속 열 공정 시스템은 통상적인 고온계를 포함하는 종래 기술에 따른 웨이퍼 온도 측정 장치에 대한 대응하는 캘리브레이션 파일을 선택하거나, 또는 공정에서 웨이퍼가 필요로 하는 램프 전력 대 시간을 결정하기 위한 대응하는 개방형 루프 가열 파일을 선택한다. 본 발명은 종래 기술의 "방사율 독립(emissivity indenpendent)" 가열 제어 방법의 반복성을 개선시킨다. 웨이퍼 방사율의 차이가 큰 경우, 이들 방법들은 온도 제어시에 약 ±10℃ 에러를 가진다. 본 발명은 산업상에서 요구되는 조건인 최대 ±2℃ 에러로 개선시킨다.
도 1은 본 발명의 가장 바람직한 방법의 플루우챠트이다.
도 2는 폐쇄형 루프 공정 흐름에 대한 플루우챠트이다.
도 3은 개방형 루프 공정 흐름에 대한 플루우챠트이다.
도 4는 본 발명의 인-시츄 수행에 대한 급속 열 공정 시스템의 다이아그램이다.
도 5는 본 발명을 수행하기 위한 장치의 평면도이다.
도 6은 인-시츄 측정 방법의 확대도이다.
도 7은 여러 배치의 웨이퍼에 대해 측정된 광대역 반사율을 도시한 그래프이다.
도 8은 종래 기술에 따른 공정 및 본 발명의 공정에 따라 처리된 도 7의 웨이퍼에 대한 산화물 두께에 대한 그래프이다.
본 발명에 따르면, 오프 라인(off line) 또는 일련의 인-시츄 또는 엑스-시츄 광대역 반사율 측정은 급속 열 공정 시스템에서 다른 에너지 전송 또는 가열 제어 방법과 조합된다. 이러한 급속 열 공정 시스템은, 상이한 캘리브레이션 파일들을 형성하고 저장하기 위한 수단 또는 상이한 "개방형 루프(open loop)" 파일들을 형성하고 저장하기 위한 수단, 또는 이들 두 수단을 모두 갖추고 있는데, 이들 파일은 시간의 함수로서 램프로 공급될 전력을 결정한다. 이들 캘리브레이션 파일과 "개방형 루프" 파일들은 "룩-업(look-up)" 테이블의 형태를 가지지만, 하나 이상의 변수의 함수 형태를 가질 수도 있다. 측정된 반사율의 미리 선택된 범위에 따라, 장치는 공정에서 주어진 웨이퍼에 대한 대응하는 캘리브레이션 파일 또는 개방형 루프 가열 파일을 자동적으로 선택하며, 온도 측정 장치의 캘리브레이션에 대한 저장된 시간 히스토리 또는 저장값을 사용하여 공정을 수행한다.
도 1은 일련의 광대역 반사율의 엑스-시츄 측정을 나타내는 본 발명의 가장 바람직한 실시예의 플루우차트를 도시하고 있다. 처리될 웨이퍼의 카세트는 장치 내로 장전되며, 로봇 아암은 장치로부터 웨이퍼를 소정 시기에 빼내어 웨이퍼 정렬 기구로 웨이퍼를 이송하고, 웨이퍼 정렬 기구에서 웨이퍼는 단계(12)에서 정렬된다. 웨이퍼의 편평한 부분이 정방향에 놓이고 웨이퍼의 중심이 정확하게 정렬되도록 웨이퍼가 정렬된 후, 로봇 아암은 웨이퍼를 다시 픽업하여 광대역 반사율 측정 기구로 이송하는데, 여기서 광대역 반사율이 단계(14)에서 측정된다. 스펙트럼식으로 적분된 반사율은 단계(14)에서 측정될 수 있으며, 또는 선택적으로는 스펙트럼식으로 분해된 반사율이 분광계 또는 종래에 공지된 다른 장치를 사용하여 측정될 수도 있다. 단계(16)에서, 로봇 아암은 반사율 측정 기구로부터 웨이퍼를 제거하고, 급속 열 공정 시스템의 챔버 내로 웨이퍼를 도입한다. 단계(16)와 독립적으로, 시스템 컴퓨터는 단계(14)에서의 측정값을 수용하며, 단계(17)에서 시스템 파라메터를 조절하여 시스템이 단계(18)에서 웨이퍼를 처리할 수 있도록 한다. 단계(19)에서, 처리된 웨이퍼는 급속 열 공정 챔버로부터 제거되고, 처리된 웨이퍼를 수용하는 카세트로 이동된다.
도 2는 "폐쇄형 루프" 공정 흐름의 플루우챠트를 도시하고 있다. 이러한 폐쇄된 루프 공정은 고온계가 측정될 물체의 온도에 대한 재현가능하고 신뢰성있는 측정을 제공하도록 신용될 수 있을 때 사용되며, 일반적인 공정이다. 그렇지만, 물체의 온도가 매우 낮은 경우 또는 고온계가 측정하는 파장에서 물체가 부분적으로 투명한 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같은 개방형 루프 공정이 사용되어야 한다.
웨이퍼의 광대역 반사율은 단계(22)에서 측정되며, 측정값은 시스템의 파라메터를 조절하기 위해 시스템을 제어하는 컴퓨터에 사용된다. 도 2에 도시된 경우에, 컴퓨터는 고온계 표시값(pyrometer reading)의 함수로서 웨이퍼 온도를 제공하는 8개의 파일 중 하나를 단계(24)에서 선택한다. 이후, 이러한 웨이퍼는 단계(26)에서 정상적인 방식으로 처리되는데, 여기서는 단계(24)에서 선택된 "룩-업" 파일로부터 웨이퍼 온도를 제공하기 위해 고온계 표시값이 사용된다. 이후, 이러한 시스템은 공정에 의해 요구되는 온도와 웨이퍼 온도를 비교하고, 웨이퍼 온도가 정상적인 피이드백 루프 공정에서 요구된 온도가 되도록 램프 전력의 업 또는 다운을 조절한다.
광대역 반사율은 도 1에 상세하게 기술된 엑스-시츄 셋업에서와 같이 단지 한차례 측정될 수도 있고, 또는 웨이퍼 반사율이 여러 차례 측정될 수도 있는 인-시츄 측정에서 반복적인 셋업이 사용될 수도 있으며, 시스템 파라메터는 측정값의 결과에 따라 변화한다. 결정 단계(28)는 웨이퍼 처리가 완료되었는지의 여부를 결정하며, 만일 그렇다면 공정은 단계(29)에서 종료된다. 만일 웨이퍼 처리가 완료되지 않는다면, 시스템은 단계(22)로 되돌아가서 광대역 반사율을 재측정한다.
가열 램프로부터 스트레이형 광이 반사율을 측정하기 위해 사용된 광학 시스템에 의해 차단되는 경우에는 인-시츄 반사율 측정이 수행되기가 매우 난해하다. 이러한 경우, 광대역 반사율을 측정하기 위해 필요한 수 밀리초 동안 램프 전력이 감소될 수도 있다.
종래 기술에 따른 전력 제어된 개방형 루프 공정은 고온계 파장에서의 모노크로매틱 방사율의 변화의 영향을 제거하는데, 이는 고온계가 가열 램프를 제어하기 위해 필수적으로 사용되지 않기 때문이다. 그렇지만, 개방형 루프 모드에서의 시스템의 가동은 웨이퍼들 사이의 커플링 변화에 기인하여 웨이퍼 온도를 현저하게 변화시킬 것이다. 도 3의 공정 단계(32)에서 도시된 바와 같이 웨이퍼의 광대역 반사 계수의 측정은 이러한 변화를 현저하게 감소시킬 수 있다. 다시 한번, 시스템은 파라메터를 조절하고, 이러한 경우에, 시스템은 단계(36)에서 설정된 급속 열 공정을 수행하기 위해 램프 전력 대 시간의 파일을 단계(34)에서 선택한다. 다시 한번, 웨이퍼 처리가 완료되었는지의 여부를 단계(38)에서 결정하기 위해 인-시츄 측정이 사용될 수 있고, 완료되지 않은 경우에는 반사율을 재측정하기 위해 단계(32)로 되돌아간다. 이러한 경우에, 시스템은 선택적으로 반사율에 따라 개방형 루프 제어 시스템을 폐쇄형 루프 제어 시스템으로 전환시킬 것인지의 여부를 결정할 수도 있다.
미국 특허 제 5,861,609호에 개시된 핫라이너(HotLiner, TM) 기술은 웨이퍼 아래에 열적 및 광학적으로 안정한 광흡수판을 사용한다. 판의 온도는 정확하게 측정될 수 있으며, 시스템은 웨이퍼 상의 소량 내지 중간 정도의 커플링 변화를 허용할 수 있다. 커플링 차이가 보다 큰 경우에는, 판의 측정 온도가 커플링 또는 광대역 반사율 측정에 따른 웨이퍼의 온도차를 의미하기 때문에 적절한 캘리브레이션 파일이 선택되어야 한다. 핫라이너(TM) 기술에서, 이러한 판의 온도는 종래의(모노크로매틱) 고온계에 의해 측정된다. 이후, 측정 온도는 램프 전력이 설정된 시스템으로 피이드백되어서, 요구되는 핫라이너 판의 온도 대 시간 프로파일을 형성한다. 적절한 캘리브레이션 파일은 웨이퍼와 판 사이의 상호 에너지 커플링을 제어하기 위해 독립적인 상부 및 바닥 히터 뱅크 제어 모드에서 온도 또는 이중 측부 가열, 또는 이들 모두를 결정하며, 이에 의해 측정된 핫라이너 온도는 제조되는 웨이퍼의 온도를 정확하게 제어한다.
"고온계 파장에서의 전체 반사율" 측정 방법은 고온계 파장에서의 웨이퍼 방사율을 인위적으로 흑체 방사 곡선을 향해 상방으로 이동시킨다. 웨이퍼 아래의 가열 챔버의 바닥부 상에 고반사성 밀봉 금코팅을 사용함으로써, 웨이퍼의 유효 방사율은 적외선 범위에서 1.0 부근까지 강화될 수 있다. 추가적인 개선으로써, 코팅은 고온계 파장에서 전체 반사에 대해 구성될 수도 있다. 이러한 방법은 모노크로매틱 방사율 변화가 작은 경우 내지 중간 정도의 경우에 정확하다. 급열 및 집적 공정학회(Rapid Thermal and Integrated Processing Conference)가 개최한 미국 캘리포니아 샌프란시스코 엠알에스 스프링 회의(MRS Spring Meeting)에서 터런스 에프. 릴레이(Terrence F. Riley), 아룬 케이. 난다(Arun K. Nanda), 지. 마이너(G. Miner) 등에 의해 발표된 논문 "0.25㎛ 열기술 분야에 대해 세마테크 방법론을 사용한 어플라이드 머티어리얼스의 급열 처리기에 대한 평가(Evaluation of Applied Materials Rapid Thermal Processor Using SEMATECH Methodologies for 0.25㎛ Technology Thermal Application)"의 제 1편에 개시된 바와 같이, 보다 낮은 모노크로매틱 방사율값의 경우(0.9㎛에서 0.3으로 낮아지는 경우)에는, 유효 방사율은 "1(one)"의 값으로 접근할 수 없으며, 에러가 많아지게 된다.
이러한 방법은 보다 작은 방사율을 가지게 되는 원인이 부분 투명성이 아닌 경우에만 보다 큰 커플링 변화를 허용할 수 있다. 이는 벌크 실리콘 재료 및 밴드 갭 에너지 아래의 고온계 파장(즉, 실리콘에 대해 0.9㎛)에 대한 경우이다. 이는 또한 급열 및 집적 공정학회(Rapid Thermal and Integrated Processing Conference)가 개최한 미국 캘리포니아 샌프란시스코 MRS 스프링 회의(MRS Spring Meeting)에서 아룬 케이. 난다(Arun K. Nanda), 터런스 에프. 릴레이(Terrence F. Riley), 지. 마이너(G. Miner) 등에 의해 발표된 논문 "0.25㎛ 열기술 분야에 대해 세마테크 방법론을 사용한 어플라이드 머티어리얼스의 급열 처리기(Evaluation of Applied Materials Rapid Thermal Processor Using SEMATECH Methodologies for 0.25㎛ Technology Thermal Application)"의 제 2편에 개시되어 있는데, 이러한 방법의 주요 단점은 2개의 완전한 반사성 표면의 가정에서의 작은 에러가 유효 방사율을 현저하게 감소시킬 것이며, 이는 보다 큰 온도 에러를 발생시킨다는 점이다. 반사기가 냉각되고 웨이퍼의 후방측부 부근에 놓이는 경우, 웨이퍼로부터 배출된 가스의 증착이 용이하게 발생될 수도 있다. 본 발명에 따르면, 일련의 광대역 반사율 측정을 사용하여 "방사율 독립" 측정 방법을 완성하고, 소프트웨어에 의해 공정시 웨이퍼에 대한 적절한 캘리브레이션 파일 또는 개방형 루프 가열 파일을 선택한다. 광대역 반사계와 전력이 제어된 개방형 루프 공정이 바람직하게 조합된다. 또다른 바람직한 조합으로는 핫라이너 기술 또는 웨이브벡터 선택성 고온계(wavevector selective pyrometer)와 광대역 반사계의 조합이다. 핫라이너 기술의 경우에, 핫라이너의 온도 제어는 모노크로매틱 또는 좁은 대역 고온계에 의해 수행될 수 있다.
도 4는 종래 기술에 따른 급속 열 공정 시스템에 일련의 인-시츄 광대역 반사 측정 시스템이 부가된 것을 도시하고 있다. 웨이퍼(42)를 측정 시스템에 의해 볼 수 있도록 급속 열 공정 시스템 반사벽(41) 내로 구멍(49)이 형성되어 있다. 측정에 필요한 광을 제공하기 위해 석영 엔벨로프 내의 텅스텐 램프와 같은 광대역 광원(43)이 사용된다. 웨이퍼(42)로 입사되고 웨이퍼(42)로부터 반사되는 광을 조준하고 집중시키기 위해 렌즈(44)가 사용된다. 광대역 광원(43)로부터 광의 일부를 반사시키는 미러(410)는 웨이퍼(42)로부터 반사된 광을 광대역 검출기(45)로 편향시키기 위해 사용된다. 광대역 광원(43)은 컴퓨터(46)에 의해 제어될 수도 있으며, 광대역 검출기(45)에 의한 반사광의 측정은 급속 열 공정에서 파라메터를 조절하기 위해 컴퓨터에 의해 사용될 수 있다. 다수의 광학 고온계(47)는 폐쇄형 루프 공정에서 사용되기 위해 도시되어 있다. 컴퓨터(46)는 개방형 루프 공정을 위한 램프(411)의 전력을 제어한다.
도 5는 급속 열 공정 시스템의 하부 평면도이다. 처리될 웨이퍼를 구비한 카세트는 카세트 홀더(51) 내로 장전된다. 로봇 아암(52)과 같은 가위의 단부 상의 진공 팬(도시되지 않음)은 카세트로부터 웨이퍼(42)를 상승시키고, 카세트 홀더(51)로부터 웨이퍼(42)를 후퇴시킨다. 로봇 아암(52)은 축선(53) 둘레를 선회하고, 정렬 기구(54) 내로 웨이퍼(42)를 도입한다. 웨이퍼(42)가 편평하게 정렬될 때까지 정렬 기구(54)는 웨이퍼(42)를 회전시키며, 웨이퍼(42)를 중심맞춤한다. 로봇 아암(52)은 정렬 기구(54)로부터 웨이퍼(42)를 픽업하여 광대역 반사율 측정 기구(55)로 이동시킨다. 웨이퍼(42)는 로봇 아암(52)에 대해 정교하게 정렬된다. 광대역 반사율이 측정된 후, 로봇 아암(52)은 광대역 반사율 측정 기구(55)로부터 웨이퍼(42)를 제거한 후, 급속 열 공정 시스템의 공정 챔버(56) 내로 웨이퍼(42)를 장전한다. 처리 후에, 로봇 아암(52)은 공정 챔버(56)로부터 웨이퍼(42)를 픽업하여 수용기(58) 내에 포함된 카세트 내로 이동시킨다. 정렬 기구(54)와 광대역 반사 측정 기구(55)가 바닥 공간을 절약하기 위해 하나의 기구로 조합될 수도 있음을 이해할 것이다.
도 6은 웨이퍼(42)가 급속 열 공정 시스템의 챔버(도시되지 않음) 내에서 보조판(61) 위에 유지되어 있는 인-시츄 광대역 반사 측정 기구를 상세하게 도시하고 있다. 가아드 링(62)이 또한 도시되어 있다. 광대역 광원(43)으로부터 방출된 방사선은 렌즈(63)에 의해 광대역 반사 미러(64) 상에 충돌하는 평행한 방사 비임으로 조준된다. 이러한 미러는 광원(43)으로부터의 방사선의 50%를 광대역 검출기(65)로 반사시킬 수도 있다. 광대역 검출기(65)로부터의 신호는 광원(43)으로부터 방출된 광의 세기를 제공한다. 광원(43)과 렌즈(63)로부터 조준된 비임의 1/2은 계속 직진하여, 웨이퍼(42)로부터 반사된다. 반사된 광은 미러(64)에 도달하고, 그의 일부는 검출기(66)로 반사된다. 바람직한 실시예에서, 상기 검출기(66)는 볼로미터(bolometer)이다. 다른 바람직한 실시예에서, 상기 검출기(66)는 분광계와 볼로미터의 조합체와 같은 스펙트럼 분해능을 갖는 검출기이다.
통상의 급속 열 공정 시스템은 주로 0.4 내지 4㎛ 범위의 파장에서 반도체 웨이퍼를 가열한다. 광대역 반사계는 가능한 한 넓게 이러한 범위와 조화되어야 한다. 바람직한 실시예에서, 스펙트럼 범위에 걸쳐 그리고 웨이퍼의 표면적에 걸쳐 적분된 웨이퍼 반사율은 적절한 캘리브레이션 또는 개방형 루프 파일을 선택하기 위한 입력 파라메터로서 사용된다.
본 발명에서 민감도는 약 0.4 내지 3㎛ 의 범위를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 반사계는 열전 센서(볼로미터)를 갖추고 있다. 이러한 볼로미터는 관련 스펙트럼 영역에 걸친 방사에 대해 완전히 편평한 스펙트럼 응답을 갖는다. 반사계에서의 광원은 텅스텐 할로겐 램프이다. 이러한 센서는 석영 필터를 통해 직접 및 간접적으로 반사된 광을 수용한다. 바람직한 반사계는 본 발명의 일련의 엑스-시츄 실시예에서 구형 미러에 의해 직접 및 간접적으로 반사된 광을 수집한다. 이러한 배열은 웨이퍼의 일측부 상에서의 반사율을 측정하는데 적절하다. 상기한 광학 소자는 0.4 내지 3㎛ 범위의 민감도를 갖는다. 가볍게 도핑된 실리콘 웨이퍼는 약 1.1 내지 1.3㎛ 위에서 반투명하다. 이는 측정 에러를 유발하는 원인이 된다. 이러한 에러를 감소시키거나 제거하기 위해, 웨이퍼의 광원 반대 측부 상에서 미러가 사용될 수 있다. 이러한 미러도 또한 구형일 수도 있다. 이러한 경우, 절대 반사율이 측정될 수 있다. 다른 개선점으로는 측정 스폿에서 국부적으로 캐리어 발생이 없다는 점이다. 이는 측정 광신호를 강하게 집중시키거나, 또는 추가로 국부 레이저를 도입함으로써 달성될 수 있다. 전체 웨이퍼의 방사 예열이 또한 수행될 수 있다.
실험 결과
본 출원인은 150mm[100]의 길이와 5 내지 10오옴-cm의 저항을 갖는 4개의 그룹의 N형 실리콘 웨이퍼를 준비하였다. 한 그룹은 코팅을 하지 않았다. 다른 세 그룹은 배면을 다음의 층 조합물로 코팅하였다.
a) 19nm SiO2+ 100nm Si3N4
b) 200nm SiO2+ 110nm 폴리-Si(도핑되지 않음)
c) 580nm SiO2+ 160nm 폴리-Si(도핑되지 않음)
웨이퍼의 전면은 산화를 위해 에칭 처리된다. 배면의 층 조합물은 급속 열 공정 시스템에서 현저하게 상이한 적분 방사율을 가지는 것으로 알려져 있다. 급속 열 공정 시스템은 텅스텐 할로겐 램프를 갖추고 있으며, 가열 챔버는 금으로 코팅된다. 양 측부 모두를 가열하였다.
각각의 배치의 웨이퍼로부터 측정된 전형적인 광대역 반사율값은 도 7에 도시되어 있다.
본 출원인은 상이한 처리 모드에서 1130℃에서 45초 동안 급열 산화를 수행하였다. 핫라이너는 모든 실험에 대해 사용되었다. 단지 하나의 캘리브레이션 또는 단지 하나의 개방형 루프 가열 파일을 사용하는 경우, 산화의 반복성은 10 내지 11.2nm 였다. 이 범위는 15℃의 전체 온도 변화에 대응한다.
반사율 측정값을 사용하고 대응하는 캘리브레이션 파일을 자동으로 선택할 때, 산화의 반복성은 0.2nm 이내였다. 이는 3℃의 온도 변화에 대응한다. 상이한 가열 방법을 사용하는 경우의 산화 결과는 도 8에 비교 도시되어 있다.
광대역 반사율의 측정에 기초하여 본 발명에서 계산된 파라메터 이외에 또다른 시스템 파라메터를 제어하는 본 발명의 확장이 예상된다.

Claims (13)

  1. 급속 열 공정 시스템을 사용한 반사율을 갖는 표면을 갖춘 물체의 급속 열 처리 방법으로서, 상기 물체 표면의 반사율을 측정하는 단계, 및 상기 측정된 반사율에 응답하여 상기 급속 열 공정 시스템의 시스템 파라메터를 조절하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
    상기 반사율이, 상기 급속 열 공정 시스템의 가열 파장 범위와 가능한 넓게 조화하는 광대역 파장에서 스펙트럼식으로 적분되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 급속 열 공정 시스템은 상기 물체와 상기 시스템의 하나 이상의 가열 램프 사이에 보조판을 더 포함하며, 상기 시스템 파라메터는 상기 보조판의 온도의 함수로서 상기 물체의 온도 파일을 포함하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 시스템 파라메터가 광학 고온계에 의한 상기 물체의 온도 측정에 대한 방사율 보정인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 시스템 파라메터가 광학 고온계에 의한 상기 물체의 온도 측정을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션 파일인 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 시스템 파라메터가 "개방형 루프" 가열 싸이클에 대한 램프 전력 대 시간 세팅의 파일인 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 측정된 반사율이 상기 광대역 파장에 걸쳐 스펙트럼식으로 분해된 반사율인 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 반사율이 공정 라인에서 엑스-시츄 공정으로서 측정되는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 반사율이 공정 라인에서 인-시츄 공정으로서 측정되는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 급속 열 공정 시스템의 램프 전력이 상기 반사율을 측정하도록 감소되는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 급속 열 공정 시스템이 상기 반사율에 근거하여 개방형 루프 제어 시스템으로부터 폐쇄형 루프 제어 시스템으로 전환되는 방법.
  11. 급속 열 공정 시스템을 사용한 반사율을 갖는 표면을 갖춘 물체의 급속 열 처리 방법으로서,
    a) 상기 물체를 상기 급속 열 공정 시스템의 반응 챔버 내로 도입하는 단계와,
    b) 상기 급속 열 공정 시스템의 방사선원으로부터 방출된 방사선으로 상기 물체를 방사하는 단계와,
    c) 상기 물체의 표면의 반사율을 측정하는 단계와, 그리고
    d) 상기 측정 반사율에 응답하여 상기 급속 열 공정 시스템의 시스템 파라메터를 조절하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
    상기 반사율이, 상기 방사선원으로부터 방출된 방사선의 파장 범위와 조화하는 광대역 파장에서 스펙트럼식으로 적분되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, e) 상기 급속 열 공정 시스템의 방사선원으로부터 방출된 방사선으로 상기 물체를 추가로 방사하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 방사선원으로부터 방출된 방사선이 상기 단계 c) 동안에 감소되는 방법.
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