Recently, semiconductor technology has been developed in the direction of continuously reducing and processing large amounts of data at a high speed. Complex and various structural defects occur in DRAM devices that are steadily decreasing, among which voids are one of the structural defects. As the device decreases and the aspect ratio increases, voids are generated in the middle before being buried during film deposition. The existing methods performed to remove the voids thus generated are not a perfect solution as the semiconductor device becomes finer. In this study, in order to overcome these technical limitations, evaluation was conducted according to laser energy density conditions using 532 nm wavelengths of laser annealing technology Nd:YAG laser (neodymium-doped yttrium aluminum garnet; Nd:Y3Al5O12). The experimental method confirmed the basic heat treatment effect by checking sheet resistance and dopant profile after laser annealing on the ion implantation wafer used in RTA (rapid thermal annealing) technology to confirm the basic characteristics of laser annealing. After that, through the process of changing from amorphous-silicon film to polysilicon film according to laser annealing energy density conditions, the result of laser annealing effect progressing from the top of the wafer to the bottom was confirmed through transmission electron microscope (TEM). The interface between the film changed from amorphous silicon film to polycrystalline silicon film by laser annealing and the amorphous silicon film unchanged is called the melting depth. In the process of changing to a polycrystalline silicon film, the heat treatment effect due to laser annealing was at a level that could be confirmed, but it was confirmed that the melting depth was not clear as it had a polycrystalline silicon crystal structure. After confirming the characteristics of the amorphous silicon film, the evaluation was subsequently performed using amorphous SiGe and single crystal SiGe epitaxial. The characteristic of SiGe film is that the melting point of germanium (937K) is relatively lower than the melting point of silicon (1412K) due to the difference in melting point between silicon and germanium in laser energy. Due to the difference in melting point, germanium reacts before silicon during laser annealing, so that solid → liquid → solid is phase-changed and recrystallization proceeds, making it possible to simultaneously observe the structural change in the strip shape inside the wafer both horizontally and vertically. The reason why the melting depth of the SiGe film with a single crystal structure can be clearly identified in a linear strip shape is that the difference between the area where the strain structure, which was maintained by laser annealing, is destroyed and the area where it is not is clearly observed by TEM. Based on these experiments, two types of film ULTO (ultra low temperature oxide) 10 nm/35 nm and TEOS (tetraethylorthosilicate) 50 nm/150 nm films were deposited on the top, and the role of the upper film was confirmed through laser annealing through TEM, and finally confirmed in the simulation pattern. In this paper, the results were secured by conducting research necessary to use laser annealing as basic data on the need for various evaluations and evaluation methods that must be confirmed when applied to small and precise structures and films such as semiconductor devices.
제 목 : 반도체 웨이퍼에서 레이저 어닐링 공정을 적용한 다결정 실 리콘의 결정 특성 변화최근 반도체 기술은 지속적인 축소와 더불어 대용량 데이터를 빠른 속도로 처리 하는 방향으로 기술이 발전 진행 중이다. 꾸준히 작아지는 DRAM 소자에서 복잡하 고 다양한 구조적 결함이 발생을 하는데 그중 공극(void)이 구조적 결함 중 하나이 다. 소자가 작아지면서 종횡비(aspect ratio)가 증가하면 필름 증착 시 매립이 되기 전에 중간에 공극이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 공극을 제거하기 위해 진행했던 기존의 방법들은 반도체 소자가 미세화되면서 완벽한 해결책이 되지 않는다. 본 연구에서는 이러한 기술적 제한을 극복하기 위해 평가 중인 레이저 어닐링 기 술 중 Nd:YAG 레이저(neodymium-doped yttrium aluminum garnet; Nd:Y3Al5O12)의 532nm 파장을 이용하여 레이저 에너지 밀도 조건에 따른 평가를 진행하였다. 실험 방법은 레이저 어닐링이 가지고 있는 기본적인 특성을 확인을 위해 RTA(rapid thermal annealing) 기술에서 사용 중인 이온 주입 웨이퍼에 레이저 어닐링 후 면저 항(sheet resistance) 과 도펀트 프로파일을 확인하여 기초적인 열처리 효과를 확인 하였다. 그 이후에 레이저 어닐링 에너지 밀도 조건에 따른 비정질 실리콘 (amorphous-silicon) 필름에서 다결정 실리콘(poly silicon) 필름으로 변화하는 과정을 통해 레이저 어닐링 영향이 웨이퍼 상부에서 하부로 진행되는 결과를 TEM (Transmission electron microscope)을 통해 확인하였다. 레이저 어닐링에 의해 비정질 실리콘 필름에서 다결정 실리콘 필름으로 변화된 필름과 변화되지 않은 비정질 실리콘 필름의 경계면을 melting depth라 한다. 다결 정 실리콘 필름으로 변화하는 과정에서 레이저 어닐링에 따른 열처리 효과는 확인 가능한 수준이나 melting depth가 다결정 실리콘 결정 형태의 구조를 가짐에 따라 명확하지 않은 단점을 확인하였다. 비정질 실리콘 필름의 특징을 확인 후 후속으로 비정질 SiGe 과 단결정 SiGe epitaxial을 이용한 평가를 하였다. SiGe 필름의 특징인 실리콘(Silicon)과 게르마늄(Germanium) 간의 녹는점 차이 즉, 게르마늄의 녹는점(937K) 과 실리콘의 녹는점(1412K)의 차이를 이용했다. 이러게 녹 는점에 차이에 의해 레이저 어닐링 진행 시 게르마늄이 실리콘보다 먼저 반응하여 solid → liquid → solid를 상변화 후 재결정이 진행되면서 웨이퍼 내부에 가로와 세 로에 동시에 띠 형태의 구조 변화를 관찰할 수 있게 된다. SiGe 필름 중 단결정 구 조를 가진 SiGe epitaxial에 melting depth가 명확히 선형의 띠 형태로 확인할 수 있 는 이유는 단결정 구조를 가진 SiGe 필름이 레이저 어닐링의 영향으로 유지되고 있 던 strained 구조가 파괴되는 영역과 그렇지 않은 영역의 차이가 명확하게 TEM으로 관찰된 것이다. 이러한 실험을 기초로 SiGe epitaxial 필름 상부에 두 종류의 필름 ULTO(ultra low temp oxide) 10 nm / 35 nm / 50 nm, TEOS(tetraethylorthosilicate) 50 nm / 100 nm / 150 nm 필름을 증착 후 레이저 어닐링을 진행하였다. 증착된 필름의 종류와 두께에 따른 melting depth 변화를 통해 상부 필름의 역할을 확인했 으며 최종적으로는 모사 패턴(pattern)에서 확인하였다. 본 논문에서는 레이저 어닐링이 반도체 소자와 같이 작고 정밀한 구조와 필름에 적용 시 반드시 확인해야 할 다양한 평가의 필요성과 평가 방법에 대한 기초자료로 사용하기에 필요한 연구를 수행하여 결과를 확보하였다.