KR100322878B1 - Crystallization and Grain Growth Monitoring Method of Amorphous Polysilicon Layer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SRAM의 TFT소자에 관련되어 TFT의 채널 폴리로 비정질 폴리실리콘을 증착한 후 결정화 및 그레인을 성장시키기 위해 SPG 열처리방법을 사용한 후 결정화 및 그레인 성장을 확인하기 위해 필름 두께 측정을 위한 He 또는 Ne의 단색파장의 빛을 TFT 채널 폴리실리콘 필름에 입사하여 비정질 폴리실리콘 증착후 SPG에 따라 결정화된 필름의 굴절률 변화에 따른 에러값을 수치화하여 측정함으로써 결정화 및 그레인 성장을 간편하게 확인할 수 있도록 하는 비정질 폴리실리콘층의 결정화 및 그레인 성장 모니터링 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a TFT device of an SRAM, and after depositing amorphous polysilicon into the channel poly of the TFT, using the SPG heat treatment method to grow the crystallization and grains, and then to measure the film thickness to determine the crystallization and grain growth He or Amorphous poly that makes it easy to check the crystallization and grain growth by measuring the error value according to the refractive index change of the film crystallized in accordance with SPG after injecting the monochromatic light of Ne into a TFT channel polysilicon film after amorphous polysilicon deposition A method for monitoring crystallization and grain growth of a silicon layer.
Description
본 발명은 비정질 폴리실리콘층의 결정화 및 그레인 성장 모니터링 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 SRAM의 TFT소자에 관련되어 TFT의 채널 폴리로 비정질 폴리실리콘을 증착한 후 결정화 및 그레인을 성장시키기 위해 SPG 열처리방법을 사용한 후 결정화 및 그레인 성장을 확인하기 위해 필름 두께 측정을 위한 He 또는 Ne의 단색파장의 빛을 TFT 채널 폴리실리콘 필름에 입사하여 비정질 폴리실리콘 증착후 SPG에 따라 결정화된 필름의 굴절률 굴절율 변화에 따른 에러값을 수치화하여 측정함으로써 결정화 및 그레인 성장을 간편하게 확인할 수 있도록 하는 비정질 폴리실리콘층의 결정화 및 그레인 성장 모니터링 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for monitoring the crystallization and grain growth of an amorphous polysilicon layer, and more particularly, SPG heat treatment to grow crystallization and grains after depositing amorphous polysilicon into channel poly of TFT in relation to TFT device of SRAM. After using the method, a monochromatic wavelength light of He or Ne for measuring film thickness was incident on a TFT channel polysilicon film to determine crystallization and grain growth, and then to the refractive index refractive index change of the film crystallized according to SPG after amorphous polysilicon deposition. The present invention relates to a method for monitoring the crystallization and grain growth of an amorphous polysilicon layer, which makes it easy to check the crystallization and grain growth by numerically measuring and measuring the error value.
SRAM(Static Random Access Memory) 반도체 소자는 DRAM(Dynamic Random Access Memory)과는 달리 일정한 전류가 가해지는 조건하에서 데이터를 보유할 수 있는 반도체소자로서 PMOS 및 NMOS에 형성하는 트랜지스터를 실리콘 기판 에 형성시키는 구조를 하고 있으나, SRAM 반도체소자의 집적도 증가 및 다이수 증가를 위해 PMOS트랜지스터를 NMOS트랜지스터위에 형성시키는 TFT(Thin Film Transistor)구조가 사용되고 있다.SRAM (Static Random Access Memory) semiconductor devices, unlike DRAM (Dynamic Random Access Memory), are semiconductor devices that can hold data under a condition in which a constant current is applied. A structure in which transistors formed in PMOS and NMOS are formed on a silicon substrate. However, in order to increase the density of SRAM semiconductor devices and increase the number of dies, a thin film transistor (TFT) structure in which a PMOS transistor is formed on an NMOS transistor is used.
TFT구조에 사용되는 채널 폴리실리콘은 단결정인 기판에 형성시킨 트랜지스터와 같은 동작을 해야하기 때문에 채널 폴리실리콘의 특성이 매우 중요한 요소로 작용한다. 이에 따라 비정질 폴리실리콘을 증착하고 SPG(Solid Phase Grain growth) 열처리방법을 사용하여 채널 폴리실리콘의 그레인을 성장시켜 기판 구조의 단결정 실리콘에 가장 가까운 채널특성을 달성하도록 하고 있다.Since the channel polysilicon used in the TFT structure must operate like a transistor formed on a single crystal substrate, the characteristics of the channel polysilicon are very important factors. Accordingly, amorphous polysilicon is deposited and grains of channel polysilicon are grown by using a solid phase grain growth (SPG) heat treatment method to achieve channel characteristics closest to single crystal silicon in a substrate structure.
이러한 결정화 및 그레인 성장을 확인하기 위해서는 도1의 (가)에 도시된 바와 같이 AFM(Atomic Force Microscope)에 의해 촬영한 사진을 확인하거나 (나)에 도시된 바와 같이 TEM(Transmission Electron Microscope)에 의해 촬영한 사진을 확인하거나 또는 SEM(Scanning Electron Microscope) 등을 이용하여 촬영하여 SPG열처리에 의한 결정화 및 그레인 성장을 확인하거나, 반도체 제조공정이 모두 끝난후 전기적인 측정 등에 의하여 확인하여야 한다.In order to confirm such crystallization and grain growth, as shown in (a) of FIG. 1, the photograph taken by the AFM (Atomic Force Microscope) is confirmed or (B) as shown in (B) Transmission Electron Microscope (TEM). Check the photographs taken or use SEM (Scanning Electron Microscope) to check the crystallization and grain growth by SPG heat treatment, or after the semiconductor manufacturing process is completed by electrical measurements, etc.
그러나, 이러한 경우 측정 및 모니터링에 많은 시간이 소요될 뿐만아니라 웨이퍼가 소실되어야 하며, 빠른 피드백이 이루어지지 않기 때문에 반도체 제조공정에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있어서 양산을 물론 공정 개발 단계에서도 많은 문제점을 가지고 있다.However, in this case, not only does it take a lot of time to measure and monitor, but also a wafer is lost, and since a rapid feedback is not performed, there is a problem that a lot of time is required in the semiconductor manufacturing process. have.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 시간지연에 따른 손실 및 웨이퍼 소실을 없애고 빠른 피드백으로 반도체 제조공정의 원활한 진행을 위하여 현장에서 직접 필름 두께 측정에 사용되는 He 또는 Ne의 단생파장을 이용하여 TFT 채널 폴리실리콘 필름을 증착한 패턴이 형성되지 않은 웨이퍼에서 마치 필름 두께를 측정하듯이 그레인의 성장에 따른 필름의 굴절률 변화를 에러값으로 측정하여 수치화함으로써 TFT 채널 폴리실리콘의 SPG열처리에 의한 결정화 및 그레인 성장을 모니터링하도록 하는 비정질 폴리실리콘층의 결정화 및 그레인 성장 모니터링 방법을 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to use the film thickness measurement directly in the field for the smooth progress of the semiconductor manufacturing process with a rapid feedback to eliminate the loss of time delay and wafer loss TFT channel by measuring the refractive index change of the film according to the growth of grain as an error value as if the film thickness is measured on the wafer where the pattern of TFT channel polysilicon film deposited using He or Ne single wavelength is not formed. The present invention provides a method for monitoring crystallization and grain growth of an amorphous polysilicon layer for monitoring crystallization and grain growth by SPG heat treatment of polysilicon.
도1은 AFM과 TEM에 의해 폴리실리콘층의 결정화 및 그레인 성장을 나타낸 사진이다.1 is a photograph showing crystallization and grain growth of a polysilicon layer by AFM and TEM.
도2는 엘립소메트리 방법에 의해 두께를 측정하는 상태를 나타낸 도면이다.2 is a view showing a state in which the thickness is measured by the ellipsometry method.
도3은 비정질 폴리실리콘 증착후 비정질 폴리실리콘 필름의 두께를 제1 측정조건으로 측정한 결과이다.3 is a result of measuring the thickness of the amorphous polysilicon film after the deposition of amorphous polysilicon under the first measurement conditions.
도4는 열처리에 의하여 그레인을 성장시킨 노말 폴리실리콘에 대하여 제2 측정조건으로 비정질 폴리실리콘 필름에 대한 측정결과이다.4 is a measurement result of an amorphous polysilicon film under a second measurement condition for normal polysilicon grown grains by heat treatment.
도5는 SPG 열처리한 폴리실리콘 필름을 비정질 폴리실리콘을 제1 측정조건으로 두께를 측정한 결과이다.5 is a result of measuring the thickness of the polysilicon film subjected to the SPG heat treatment using amorphous polysilicon under the first measurement conditions.
도6은 SPG 열처리한 폴리실리콘 필름을 노말 폴리실리콘을 제2 측정조건으로 두께를 측정한 결과이다.6 is a result of measuring thickness of a polysilicon film subjected to SPG heat treatment with normal polysilicon under a second measurement condition.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawings-
10 : 파장분극 아암 20 : 분석아암10: wavelength polarization arm 20: analysis arm
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 비정질 폴리실리콘 증착후 SPG열처리 전과 후에 단색파장을 TFT 채널 폴리실리콘 필름에 조사하여 필름의 굴절률 변화에 따른 핏에러값을 측정함으로써 비정질 폴리실리콘층의 결정화 및 그레인 성장을 모니터링하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is to crystallize the amorphous polysilicon layer by measuring the fit error value according to the refractive index change of the film by irradiating a monochromatic wavelength to the TFT channel polysilicon film before and after SPG heat treatment after amorphous polysilicon deposition It is characterized by monitoring grain growth.
이때, 비정질 폴리실리콘층의 결정화 및 그레인 성장을 확인할 때 패턴이 정의되지 않은 웨이퍼를 이용하며 필름 두께 측정시 단색파장의 전기적인 파장의 분극상태를 변화시켜 필름의 표면에 조사한다.At this time, when checking the crystallization and grain growth of the amorphous polysilicon layer, using a wafer whose pattern is not defined and changing the polarization state of the electric wavelength of the monochromatic wavelength in the film thickness measurement is irradiated on the surface of the film.
그리고, 폴리실리콘 필름에 조사하는 단색파장은 632.8nm의 He과 783nm의 Ne을 이용하여 12×24㎛2의 조사크기에 40°∼70°의 조사각도로 조사하여 측정한다.The monochromatic wavelength irradiated to the polysilicon film is measured by irradiation at an irradiation angle of 40 ° to 70 ° with a irradiation size of 12 × 24 μm 2 using He of 632.8 nm and Ne of 783 nm.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this embodiment is not intended to limit the scope of the present invention, but is presented by way of example only.
도2는 엘립소메트리 방법에 의해 두께를 측정하는 상태를 나타낸 도면이다.2 is a view showing a state in which the thickness is measured by the ellipsometry method.
여기에 도시된 바와 같이 엘립소메트리(ellipsometry) 두께 측정 장비로서 He 도는 Ne의 단색파장을 전기적인 파장분극상태를 변화시켜 파장분극 아암(10)에서 웨이퍼(30)로 단색파장을 조사하고 반사되는 신호를 분석아암(20)에서 받아들어 반사되는 신호의 변화를 측정하여 두께를 측정하게 된다.As shown here, as an ellipsometry thickness measurement device, He or Ne is used to irradiate monochromatic wavelengths from the wavelength polarization arm 10 to the wafer 30 by reflecting the monochromatic wavelength of Ne by changing the electric wavelength polarization state. The thickness of the signal is measured by measuring the change in the signal reflected from the analysis arm 20.
엘립소메트리 두께 측정 장비에 의한 두께 측정방법은 편광(polarized light)이 박막(thin film)의 표면에서 반사될 때, 빛의 분극이 변하게 된다. 이러한 분극의 변화는 반사계수(reflection coefficient)인 rp와 rs의 비(ratio)로 표현할 수 있다.In the thickness measuring method using the ellipsometry thickness measuring equipment, the polarization of light is changed when polarized light is reflected from the surface of a thin film. This change in polarization can be expressed by the ratio of the reflection coefficient r p and r s .
rp는 입사면(plane of incidence)에 평행한 전자적 벡터(electric vector)를 갖는 편광의 반사계수이며, rs는 입사면(plane of incidence)에 수직한 전자적 벡터(electric vector)를 갖는 편광의 반사계수이다.r p is the reflection coefficient of polarized light with an electrical vector parallel to the plane of incidence, and r s is the polarization of an polarized light with an electrical vector perpendicular to the plane of incidence. Reflection coefficient.
이러한 반사계수는 일반적으로 복소수로 나타내며, 이러한 숫자들은 진폭(amplitude)와 상(phase)의 변화를 함께 나타내고 있다. 이 숫자들을 프레넬 계수(Fresnel coefficient)라고 한다.These reflection coefficients are usually represented by complex numbers, and these numbers represent the amplitude and phase changes together. These numbers are called Fresnel coefficients.
표면으로부터 반사된 빛의 분극(편광) 변화는 간편하게 엘립소미터(ellipsometer)로 측정할 수 있다.The change in polarization (polarization) of light reflected from the surface can be easily measured with an ellipsometer.
엘립소미터에 의해서 측정된 량은 반사계수의 비인 ρ로 나타내며, ρ는 다음과 같다.The amount measured by the ellipsometer is represented by ρ, which is the ratio of the reflection coefficient, and ρ is as follows.
여기서, rp=pRpi이며, rp=sRsi 로 나타낸다. (Ep, Es는 전기장 E의 전기장(electric field) 성분이다.)Here, rp = pRpi and rp = sRsi. (E p , E s are the electric field components of electric field E.)
Ψ와 Δ는 엘립소메트릭 각(ellipsometric angles)으로서 Δ는 서로 수직한 전기장(Ep, Es) 성분간의 위상천이(Phase shift) 차이 즉, 입사면(plane of incidence)과 이에 수직한 전기적 벡터(electric vector)간의 성분간의 위상천이 차이를 나타내며, tanΨ = ｜rp｜/｜rs｜으로 나타낼 수 있다.Ψ and Δ are ellipsometric angles, and Δ is the phase shift difference between the components of the electric fields E p and E s that are perpendicular to each other, that is, the plane of incidence and the electrical vector perpendicular to them. The phase shift difference between the components of the (electric vector) is shown, and can be expressed as tanΨ = | r p | / | r s |.
기판과 필름의 굴절율(refractive index)은 ρ로 부터 계산될 수 있다.The refractive index of the substrate and the film can be calculated from ρ.
여기서, 굴절율을 구하는 공식은 필름의 갯수에 따라 달라지기 때문에 이미 계산된 굴절율과 입사각으로부터 두께는 다음과 같은 공식에 의해 계산된다.Here, since the formula for obtaining the refractive index depends on the number of films, the thickness from the already calculated refractive index and the incident angle is calculated by the following formula.
D=λ22&phgr;D = λ 22 &phgr;
따라서, 전체 필름의 두께(d)는 다음과 같은 공식에 의해 계산된다.Therefore, the thickness d of the entire film is calculated by the following formula.
d = d0 + LD ( L = 1. 2. 3 …… )d = d0 + LD (L = 1. 2. 3 ……)
이때 단색파를 조사하는 방식은 단일파와 이중파 방식이 있으며 단일파의 파장은 He의 단색파만을 조사하는 방식으로 파장은 632.8nm 이고, 이중파는 He 과 Ne의 단색파를 함께 조사하는 방식으로 이때의 Ne 단색파장은 783nm이다.The monochromatic wave is irradiated with single wave and double wave. The wavelength of single wave is irradiated with monochromatic wave of He. The wavelength is 632.8 nm, and the double wave is irradiated with monochromatic wave of He and Ne. Ne monochromatic wavelength of is 783nm.
또한, 단색파의 조사각도는 40°∼70°의 범위이며, 단색파의 조사크기는 12×24㎛2이다.The irradiation angle of the monochromatic wave is in the range of 40 ° to 70 °, and the irradiation size of the monochromatic wave is 12 × 24 μm 2 .
그리고, 그레인 성장에 따른 에러값을 수치화하여 측정하기 위해서는 비정질 폴리실리콘 필름을 증착한 상태에서 필름의 두께 측정을 위하여 엘립소메트리 방식에 의한 제1 측정조건을 설정하고, 비정질 폴리실리콘 필름을 SPG열처리하여 결정화 및 그레인을 성장시킨 폴리실리콘 필름을 위와 같은 방식에 의해 두께를 측정하는 제2 측정조건으로 두께를 측정한다.In order to quantify and measure the error value according to the grain growth, the first measurement condition by the ellipsometry method is set for measuring the thickness of the film in the state of depositing the amorphous polysilicon film, and the SPG heat treatment of the amorphous polysilicon film. The thickness of the polysilicon film in which the crystallization and grains were grown is measured under the second measurement condition for measuring the thickness by the above method.
이러한 제1, 2 측정조건으로 모니터링한 결과의 예를 도3 내지 도6에 도시하였다.Examples of the results of monitoring with the first and second measurement conditions are shown in FIGS. 3 to 6.
도3 과 도4는 비정질 폴리실리콘 필름을 320Å 증착한 웨이퍼를 제1 측정조건과 제2 측정조건으로 측정한 것을 재현성을 보기 위하여 동일 조건에서 증착한 웨이퍼 3장에 대하여 개별적으로 측정한 결과를 나타낸 데이터다.3 and 4 show the results of individual measurements on three wafers deposited under the same conditions for reproducibility of the wafers on which 320 nm of amorphous polysilicon films were deposited using the first and second measurement conditions. Data.
도3은 비정질 폴리실리콘 증착후 비정질 폴리실리콘 필름의 두께를 제1 측정조건으로 측정한 것으로서 핏에러값은 다음과 같은 공식에 의해 구해진다.3 is a thickness of the amorphous polysilicon film after the amorphous polysilicon deposition is measured by the first measurement conditions, the fit error value is obtained by the following formula.
- N은 측정 data point 갯수N is the number of measurement data points
- Mesi는 측정된 data 값Mes i is the measured data
- Thi는 이론적으로 계산된 값Th i is the theoretically calculated value
- δi는 표준편차δ i is the standard deviation
위와같은 공식에 의해 구해진 핏에러(fit error)값이 약 0.03∼0.08로서 3∼8%의 에러값으로 신뢰성이 매우 높은 양호한 결과라는 것을 알 수 있다. 이때의 두께는 3장의 웨이퍼 모두 약 320Å정도이다.The fit error value obtained by the above formula is about 0.03 to 0.08, which is a good result with very high reliability with an error value of 3 to 8%. At this time, the thickness of all three wafers is about 320 mm 3.
도4는 열처리에 의하여 그레인을 성장시킨 노말 폴리실리콘에 대하여 제2 측정조건으로 비정질 폴리실리콘 필름에 대한 측정결과이다.4 is a measurement result of an amorphous polysilicon film under a second measurement condition for normal polysilicon grown grains by heat treatment.
여기에서 보는 바와 같이 핏에러값은 약 0.7정도로 신뢰성에서 매우 취약한 데이터로 이때의 두께는 웨이퍼 3장 모두 약 365Å으로 측정되었다.As shown here, the fit error value is about 0.7, which is very weak in reliability. At this time, the thickness of all three wafers was measured to be about 365 GPa.
도5와 도6은 비정질 폴리실리콘 필름 320Å을 SPG 열처리하여 결정화 및 그레인을 성장시킨 폴리실리콘 필름 웨이퍼에 대해서 제1 측정조건과 제2 측정조건에서 측정한 것으로 도3의 경우와 마찬가지로 신뢰성을 확보하기 위하여 웨이퍼 3장에 대한 개별적인 측정을 하였다.5 and 6 are measured in the first and second measurement conditions for the polysilicon film wafers grown with crystallization and grains by SPG heat treatment of the amorphous polysilicon film 320 Å to ensure reliability as in the case of FIG. For each of the three wafers were measured separately.
도5는 SPG 열처리한 폴리실리콘 필름을 비정질 폴리실리콘을 제1 측정조건으로 두께를 측정한 값으로서 핏에러값이 약 0.15에서 0.3정도로 신뢰도가 떨어질 뿐만 아니라 두께도 250Å정도로 매우 낮게 측정되었다.5 is a thickness of the polysilicon film subjected to the SPG heat treatment in which the amorphous polysilicon was measured under the first measurement conditions, and the fit error value was about 0.15 to 0.3.
도6은 SPG 열처리한 폴리실리콘 필름을 노말 폴리실리콘을 제2 측정조건으로 두께를 측정한 것으로서 핏에러값이 약 0.07정도로 신뢰성이 높은 데이터를 얻을 수 있었으며, 이때 측정된 두께는 약 300Å정도로 이는 열처리에 의한 필름 밀도 및 결정화로 두께가 감소한 것이다.6 shows that the polysilicon film subjected to the SPG heat treatment was measured for thickness of normal polysilicon under a second measurement condition, and a reliable data with a fit error value of about 0.07 was obtained. In this case, the measured thickness was about 300Å. The film density and crystallization resulted in a decrease in thickness.
상기한 바와 같이 본 발명은 기존의 두께 측정 장비를 이용하여 SRAM 반도체 소자제조시의 필수공정인 TFT 채널 폴리실리콘의 SPG 열처리에 따른 결정화 및 그레인 성장을 현장에서 마치 필름 두께를 모니터링 하듯이 측정하여, 단순히 핏에러값만을 확인함으로서 간단하고 빠르게 모니터링할 수 있다는 이점이 있다.As described above, the present invention measures the crystallization and grain growth according to the SPG heat treatment of TFT channel polysilicon, which is an essential process in manufacturing SRAM semiconductor devices, using the existing thickness measuring equipment as if the film thickness is monitored in the field, Simply checking the fit error value has the advantage of simple and fast monitoring.
또한, 기존에 널리 사용되고 있는 He 또는 Ne의 단색파장을 이용한 두께 측정 장비를 이용함으로서 별도의 장비 구입이 필요없고 웨이퍼 소실을 줄이 수 있으며 양산시 빠른 데이터 피드백으로 지연시간에 따른 경제적 낭비를 줄여 제조원가절감에 크게 기여할 수 있다는 이점이 있다.In addition, by using the thickness measuring equipment using the monochromatic wavelength of He or Ne, which is widely used, there is no need to purchase additional equipment, and wafer loss can be reduced, and manufacturing cost can be reduced by reducing the economic waste due to delay time through fast data feedback during mass production. There is an advantage in that it can contribute greatly.
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