KR100321170B1 - 폴리실리콘막증착용수소이온발생장치및그를이용한증착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응 튜브내에 TFT-SRAM 혹은 TFT-LCD 반도체소자를 내장하여 기판에 비정질실리콘필림을 적층한 후 정질화된 폴리실리콘필림으로 그레인을 형성하는 장치에서, 상기 반응튜브에 수소가스를 공급하고, 가스의 이동을 제어하는 제3밸브가 설치된 수소가스공급관과; 상기 반응튜브내에 반응가스를 공급하고, 가스의 이동을 제어하는 제1밸브가 설치된 반응가스공급관과; 상기 반응튜브내에 캐리어가스를 공급하고, 가스의 이동을 제어하는 제2밸브가 설치된 캐리어가스공급관과; 상기 수소가스공급관으로 공급되는 수소가스에 에너지를 가하여 수소이온을 변환시키는 수소이온발생수단과; 상기 반응튜브내의 잔류가스를 외부로 배출하고, 제4밸브가 설치된 잔류가스배출관으로 구성된 폴리실리콘막증착용 수소이온발생장치 및 그를 이용한 증착방법인 바, 반응튜브내의 반응가스의 열분해를 촉진하므로 낮은 온도에서도 비정질실리콘을 폴리실리콘막으로 증착시키므로 트랜지스터의 그레인사이즈를 늘려 그레인바운더리 덴서티(Grain Boundary Density)를 줄이도록 하는 매우 유용하고 효과적인 발명이다.

Description

폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치 및 그를 이용한 증착방법
본 발명은 반도체소자에 관한 것으로서, 특히, 수소가스공급관에 수소가스를 이온화시킬 수 있는 수소이온발생수단을 설치시킨 후에 수소가스에 유브이램프 및 아이알램프에서 조사되는 광원을 이용하여 수소가스를 수소이농으로 변환하여 반응튜브로 공급하므로 폴리실리콘막을 저온에서 용이하게 증착하도록 하는 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치 및 그를 이용한 증착방법에 관한 것이다.
일반적으로, 크리스탈라인 필림(Poly-Crystalline Film)은 반도체장치에 있어 가장 널리 사용되는 필림중에 하나로서, 특히, TFT-LCD 반도체소자 제조 공정과 TFT(Thin Film Transitor)-SRAM 반도체소자의 풀업 트랜지스터(Pull-Up Transitor)의 채널(Channel)로 많이 이용된다.
폴리실리콘막은 구성요소인 Grain(혹은 Crystallite)으로 이루어져 있는 데 이러한 그레인의 경계인 그레인 바운더리들은 불규칙한 원자(Atom) 또는 불완전한 결합에 기인한 결함(Defect)으로 구성되어 있으며, 일정한 규칙성을 갖는 격자구조를 지닌다. 따라서, 확산계수, 열팽창계수, 팽창률등의 물성측면에서 단일 크리스탈 실리콘과 아주 유사한 성질을 가짐으로서 반도체소자의 풀업 트랜지스터의 채널로 이용되지만 전기적인 특성면에서는 그레인 바운더리 지역에 열적 스트레스에 의한 Dopant Atom들의 분리에 의해 캐리어(Carrier)들이 생성되지 못하거나 또는 그레인 바운더리에 존재하는 불완전한 결합에 캐리어들이 트랩(Trap)되면서 국부적인 포텐셜을 야기하므로 캐리어동작성능 감소시키고 저항을 증가시켜 Ion/Loff Ratio를 감소시켜 소자의 특성을 저하시키게 된다.
이와 같이, TFT소자에서 그레인바운더리(Grain Boundary)를 최소화시키기 위한 여러 가지 방법중에 SPG(Solid Phase Growth)방법을 설명하도록 한다.
이 방법은 비정질상태의 폴리실리콘막을 증착한 후에 600℃ 이상의 온도에서 어닐링 공정을 거침으로서 폴리크리스탈라인 실리콘막을 형성하는 방법이다, 이때, 비정질상태의 실리콘필림의 그레인 사이즈를 증가시키기 위하여 Furnace 어니링을 하며 이 어닐링동안에 증착된 비정질필림내에 있는 폴리실리콘 클러스터(Cluster)로 부터 핵이 형성되며, 필림내의 그레인들은 생성된 핵의 중심으로 부터 횡방향으로 성장한다.
그레인성장은 각각의 그레인사이즈가 증가하여 바로 옆의 그레인과 접촉할 때 까지 계속하여 성장한다. 폴리실리콘필림의 최종 그레인사이즈는 필림내의 핵의 농도에 의해 결정된다. SPG공정동안 필림내의 핵의 농도를 줄이기 위하여 비정질실리콘필림의 온도를 되도록 낮추어야 한다.
즉, 비정질 실리콘필림의 온도를 낮추기 위하여 SiH4소오스가스 대신에 Si2H6소오스 가스를 사용하는 데, 이는 SiH4소오스가스의 열분해를 위하여서는 500℃ 이상의 증착온도를 필요로 하기 때문이다.
그런데, 종래의 방법은 LP-CVD(저압화학기상증착법)를 이용하여 Si2H6소오스 가스와 캐리어가스인 질소가스를 이용하여 480℃에서 비정질실리콘을 증착한 후에 650℃에서 수시간동안 어닐링하는 방법인 것으로서, 비정질실리콘필림을 480℃이하의 증착온도에서는 낮은 증착율로 인하여 소자의 불량 발생을 증가시키는 문제점을 지니고 있었다.
본 발명의 목적은 비정질실리콘필림을 증착하고자 하는 반도체소자를 반응튜브에 내설하고서 반응튜브로 공급되는 수소가스공급관에 수소가스를 이온화시킬 수 있는 수소이온발생수단을 설치시킨 후에 수소가스에 유브이램프 및 아이알램프에서 조사되는 광원을 이용하여 수소가스를 수소이온으로 변환하여 반응튜브로 공급하므로 폴리실리콘막을 저온에서 용이하게 증착하는 것이 목적이다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리실리콘막증착용 수소이온발생장치의 구성을 보인 도면이고,
도 2는 본 발명의 폴리실리콘막증착용 수소이온발생장치의 요부를 보인 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 반응가스공급관 15 : 제1밸브
20 : 캐리어가스공급관 25 : 제2밸브
30 : 수소가스공급관 35 : 제3밸브
40 : 고정부재 42 : 유브이램프
44 : 아이알램프 46 : 캐리어가스공급관
48 : 전류가스배출관 50 : 잔류가스배출관
55 : 제4밸브 60 : 반응튜브
A : 수소이온발생수단
이러한 목적은 반응 튜브내에 반도체소자를 내장하여 기판에 비정질실리콘필림을 적층한 후 정질화된 폴리실리콘필림으로 그레인을 형성하는 장치에서, 상기 반응튜브에 수소가스를 공급하고, 가스의 이동을 제어하는 제3밸브가 설치된 수소가스공급관과; 상기 반응튜브내에 반응가스를 공급하고, 가스의 이동을 제어하는 제1밸브가 설치된 반응가스공급관과; 상기 반응튜브내에 캐리어가스를 공급하고, 가스의 이동을 제어하는 제2밸브가 설치된 캐리어가스공급관과; 상기 수소가스공급관으로 공급되는 수소가스에 에너지를 가하여 수소이온을 변환시키는 수소이온발생수단과; 상기 반응튜브내의 잔류가스를 외부로 배출하여 주고, 제4밸브가 설치된 잔류가스배출관으로 구성된 폴리실리콘막증착용 수소이온발생장치를 제공함으로써 달성된다.
그리고, 상기 반응가스공급관으로 공급되는 반응가스는 SiH4혹은 Si2H6가스중에 어느 하나의 가스를 선택하여 사용하고, 캐리어가스공급관으로 공급되는 캐리어가스는 질소가스를 사용하도록 한다.
또한, 상기 수소이온발생수단은 수소가스공급관의 외측면에 설치되는 고정부재와; 상기 고정부재에 고정 설치되고, 자외선을 발생시키는 유비이램프와; 상기 유브이램프에 인접하여 고정부재에 고정 설치된 아이알램프와; 상기 수소가스공급관에 연결되어 수소가스공급관내에 캐리어가스를 공급하는 캐리어가스공급관과; 상기 캐리어가스공급관으로 공급된 캐리어가스를 외부로 배출하는 잔류가스배출관으로 구성된 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치를 제공함으로써 달성된다.
그리고, 상기 유브이램프는 제논(Xenon)램프 혹은 머큐리(Mercury)램프 중에 어느 하나를 선택하여 사용하도록 하고, 상기 아이알램프를 사용하여 수소가스의 온도를 200℃로 유지시키며, 수소가스는 500SCCM ∼3000SCCM으로 공급하도록 한다.
또한, 이러한 목적은 반도체소자에 폴리실리콘막을 증착하는 공정에 있어, 수소가스를 공급하는 수소가스공급관의 중간부분에 유브이램프를 설치하여 이동하는 수소가스에 에너지를 가하여 이온화시키는 단계와; 상기 단계 후에 이온화된 수소가스를 반응가스 및 캐리어가스가 공급된 반응튜브 내부로 공급하여 소정 온도에서 비정질상태의 폴리실리콘막을 증착하는 단계와; 상기 단계 후에 증착된 폴리실리콘막을 어닐링하는 단계로 이루어진 폴리실리콘막 증착방법을 제공함으로써 달성된다.
이때, 상기 반응가스의 반응압력은 100mTorr∼500mTorr의 범위이고, 사용온도는 400∼480℃의 범위에서 이루어지며, 상기 캐리어가스를 공급하여 반응튜브내에서 어닐링공정을 수행함에 있어 온도는 600∼700℃ 범위이며, 적용시간은 2시간내지 6시간동안 적용하는 증착방법을 제공하도록 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리실리콘막증착용 수소이온발생장치의 구성을 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 폴리실리콘막증착용 수소이온발생장치의 요부를 보인 도면이다.
본 발명의 구성은 반응 튜브(60)내에 반도체소자, 특히, TFT-SRAM반도체소자 혹은 TFT-LCD 반도체소자를 내설하여 기판에 비정질실리콘필림을 증착한 후 폴리실리콘필림으로 그레인을 형성하는 장치에서, 상기 반응튜브(60)에 수소가스를 공급하고, 가스의 이동을 제어하는 제3밸브(35)가 설치된 수소가스공급관(30)과; 상기 반응튜브(60)내에 반응가스를 공급하고, 가스의 이동을 제어하는 제1밸브(15)가 설치된 반응가스공급관(20)과; 상기 반응튜브(60)내에 캐리어가스를 공급하고, 가스의 이동을 제어하는 제2밸브(25)가 설치된 캐리어가스공급관(20)과; 상기 수소가스공급관(30)으로 공급되는 수소가스에 에너지를 가하여 수소이온을 변환시키는 수소이온발생수단(A)과; 상기 반응튜브(60)내의 잔류가스를 외부로 배출하여 주고, 제4밸브(55)가 설치된 잔류가스배출관(50)으로 구성된다.
그리고, 상기 반응가스공급관(10)으로 공급되는 반응가스는 SiH4혹은 Si2H6가스중에 어느 하나의 가스를 선택하여 사용하도록 하고, 상기 캐리어가스공급관(20)으로 공급되는 캐리어가스(Carrier Gas)는 질소(N2)가스를 사용하도록 구성한다.
그리고, 상기 수소이온발생수단(A)은 수소가스공급관(30)의 외측면에 설치되는 고정부재(40)와; 상기 고정부재(40)에 고정 설치되고, 자외선을 발생시키는 유브이램프(42)와; 상기 유브이램프(42)에 인접하여 고정부재(40)에 고정 설치된 아이알램프(40)와; 상기 수소가스공급관(30)에 연결되어 수소가스공급관(30)내에 캐리어가스를 공급하는 캐리어가스공급관(46)과; 상기 캐리어가스공급관(46)으로 공급된 캐리어가스를 외부로 배출하는 잔류가스배출관(48)으로 구성된다.
또한, 상기 유브이램프(42)는 Xenon램프 혹은 Mercury램프중에 어느 하나를 선택하여 사용하도록 하거나, 상기 유브이램프(42) 대신에 X-RAY를 사용하도록 구성할 수 있다.
그리고, 상기 아이알램프(44)를 사용하여 수소가스의 온도를 200℃로 유지시키며, 수소가스는 500SCCM ∼3000SCCM으로 바람직하게는 2000SCCM으로 공급되도록 하고, 상기 반응가스의 반응압력은 100mTorr ∼500mTorr의 범위이고, 사용온도는 400∼480℃의 범위내에서, 바람직하게는 450℃에서 이루어지도록 구성한다.
그리고, 상기 캐리어가스를 공급하여 반응튜브(60)내에서 어닐링공정을 수행함에 있어 온도는 600∼700℃ 범위이며, 적용시간은 2시간 내지 6시간 동안, 바람직하게는 4시간 동안 수행하도록 구성된다.
이하, 본 발명의 작용을 첨부도면에 의거하여 상세하게 살펴보도록 한다.
본 장치를 이용하여 폴리실리콘막을 증착하는 방법을 살펴 보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 반응튜브(60)내에 실리콘필림을 증착하고자 하는 반도체소자의 기판을 내장시키도록 하고, 제1,제2,제3밸브(15)(25)(35)를 각각 개방시키고서 SiH4혹은 Si2H6반응가스, 캐리어 질소가스, 수소가스를 반응가스공급관(10), 캐리어가스공급관(20) 및 수소가스공급관(30)으로 공급하도록 한다.
이때, 상기 수소가스공급관(30)에 설치된 수소이온발생수단(A)이 작동하여서 유브이램프(42) 및 아이알램프(44)등이 작동하여 열에너지를 수소가스에 가하게 된다.
이와 같이, 수소가스는 유브이램프(42) 및 아이알램프(44)에 의하여 열에너지를 받음으로서,
H2⇒ 2H+,
으로 분해되어지므로 분해된 수소이온 일부와 분해되지 않은 나머지의 Si2H6반응가스가 수소가스공급관(30)으로 이동하여 반응튜브(60)내로 유입되어진다.
그리고, 상기한 수소이온 및 Si2H6반응가스가 반응튜브(60)내에서 고온의 열을 재차 받음으로서 결합력이 약해진 Si2H6의 Si-H 결합과 H+이온이 결합하여 H2를 생성함으로써,
종래에는
Si2H6⇒ 2Si + 3H2,
으로 반응식이 이루어지고, Si2H6반응가스의 열분해가 480℃이하에서 제대로 이루어지지 않은 반면에,
본 발명에 따른 반응식은
Si2H6+ 2H+⇒ 2Si + 4H2,
으로 표시되는 반응식에 의하여 Si2H6의 열분해가 480℃ 보다 낮은 온도에서 가능하게 되어 480℃보다 낮은 온도에서 비정질상태의 폴리실리콘막을 증착할 수 있다.
상기한 방법으로 증착한 비정질실리콘필림(Amorphous Silicon Film)은 저온증착에 의하여 핵생성속도가 현저하게 낮아지므로 후속공정인 어닐링(Annealing)공정을 통하여 그레인사이즈(Grain Size)가 큰 폴리실리콘막을 형성할 수 있다.
이때, 상기 어닐링공정은 600∼700℃의 온도 범위에서, 2시간 내지 6시간동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치 및 그를 이용한 증착방법을 이용하게 되면, TFT-SRAM 혹은 TFT-LCD 반도체소자를 제조함에 있어, 비정질실리콘필림을 증착하고자 하는 소자를 반도체소자응 반응튜브에 내설하고서 반응튜브로 공급되는 수소가스공급관에 수소가스를 이온화시킬 수 있는 수소이온발생수단을 설치시킨 후에 수소가스에 유브이램프 및 아이알램프에서 조사되는 광원을 이용하여 수소가스를 수소이온으로 변환하여 반응튜브로 공급하여 Si2H6반응가스의 열분해를 촉진하므로 낮은 온도에서도 비정질실리콘필림을 폴리실리콘막으로 증착시키므로 트랜지스터의 그레인사이즈를 늘려 그레인바운 더리 덴서티를 줄이도록 한다.
따라서, 그레인사이즈를 늘려서 그레인바운더리 덴서티(Ground Boundray Density)를 줄임으로써 그레인 바운더리에서의 댕글링본드(Dangling Bond)에 의한 트랩사이트(Trap Site) 및 전자이동을 저해하는 요소(Electron Movement Barrier)를 줄임으로써 스탠바이 커런트(Stanby Current)의 주요인자인 OFF CURRENT를 줄여 데이터를 유지하는 Data Retention특성을 향상시킴으로 보다 낮은 전력소모의 SRAM Cell을 제조할 수 있고, 반도체소자의 속도향상과 안정성을 도모하도록 하는 매우 유용하고 효과적인 발명이다.

Claims (7)

  1. 반응 튜브내에 반도체소자를 내장하여 기판에 비정질실리콘필림을 적층한 후 정질화된 폴리실리콘막을 형성하는 장치에 있어서,
    상기 반응튜브내에 수소가스를 공급하고, 수소가스의 이동을 제어하는 제3밸브가 설치된 수소가스공급관과;
    상기 반응튜브내에 반응가스를 공급하고, 반응가스의 이동을 제어하는 제1밸브가 설치된 반응가스공급관과;
    상기 반응튜브내에 캐리어가스를 공급하고, 캐리어가스의 이동을 제어하는 제2밸브가 설치된 캐리어가스공급관과;
    상기 수소가스공급관으로 공급되는 수소가스에 에너지를 가하여 수소이온을 변환시키는 수소이온발생수단과;
    상기 반응튜브내의 잔류가스를 외부로 배출하여 주고, 제4밸브가 설치된 잔류가스배출관으로 구성된 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응가스공급관으로 공급되는 반응가스는 SiH4혹은 Si2H6가스중에 어느 하나의 가스를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 캐리어가스공급관으로 공급되는 캐리어가스는 질소가스인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 수소이온발생수단은 수소가스공급관의 외측면에 설치되는 고정부재와; 상기 고정부재에 고정 설치되고, 자외선을 발생시키는 유브이램프와; 상기 유브이램프에 인접하여 고정부재에 고정 설치된 아이알램프와; 상기 수소가스공급관에 연결되어 수소가스공급관 내에 캐리어가스를 공급하는 캐리어가스공급관과; 상기 캐리어가스공급관으로 공급된 캐리어가스를 외부로 배출하는 잔류가스배출관으로 구성된 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유브이램프는 Xenon램프 혹은 Mercury램프 중에 어느 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유브이램프 대신에 X-RAY를 사용하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 아이알램프를 사용하여 수소가스를 200℃의 온도로유지시키며, 500SCCM ∼3000SCCM의 공급량으로 공급하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘막 증착용 수소이온발생장치.
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JPH0319321A (ja) * 1989-06-16 1991-01-28 Fujitsu Ltd 半導体結晶形成方法

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