KR19990059057A - 반도체 소자의 폴리실리콘층 형성 방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 반도체 소자의 폴리실리콘층 형성 방법에 관한 것으로, 특히 TFT형 소자의 채널용으로 사용되는 폴리실리콘층 형성 방법에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

TFT형 소자의 채널용으로 사용되는 폴리실리콘층 형성 방법은, 비정질 실리콘층을 증착한 후 열처리하여 결정화된 폴리실리콘 막으로 변형시키는데, 이러한 방법에 의한 결정 성장은 비정질 실리콘 막 자체의 특성 불량으로 인하여 결정 성장 억제 효과를 방지할 수 없는 문제점이 발생함.

3. 발명의 해결 방법의 요지

TFT형 소자의 채널용으로 사용되는 폴리실리콘층을 형성하기 위하여 비정질 실리콘층의 증착시 산화성 이온을 최소화 시켜, 고 품질의 비정질 실리콘이 증착되도록 하고 결정화 공정에서 큰 결정 입자 성장이 이루어지도록 함.

4. 발명의 중요한 용도

반도체 소자의 폴리실리콘층 형성 공정.

Description

반도체 소자의 폴리실리콘층 형성 방법

본 발명은 반도체 소자의 폴리실리콘(poly silicon)층 형성 방법에 관한 것으로, 특히 TFT(thin film transistor)형 소자의 채널(channel)용으로 사용되는 폴리실리콘층 형성 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자에서 사용되는 트랜지스터를 제조하는 방법에는 실리콘 기판을 트랜지스터의 채널로 이용하는 방법과 폴리 실리콘층을 트랜지스터의 채널로 이용하는 방법이 있는데 이 채널의 용도 특성상 실리콘 기판을 이용하는 것이 가장 좋은 특성을 나타낸다. 그러나 TFT형 SRAM 소자처럼 구조적 특성으로 인해 실리콘 기판을 채널로 이용하지 못하는 경우가 있는데, 이러한 소자에 있어서는 부득이 폴리실리콘층을 채널용으로 사용하고 있다.

SRAM 소자의 TFT 채널은 소자 구동시 전하들의 이동 통로 역할을 하므로, TFT의 특성을 판단하는 기본 요소 즉, on/off 전류비가 클 수록 좋다. 그러므로 채널을 폴리실리콘층으로 제조할 경우 가능한 한 내부의 결정계면(grain boundary)의 밀도가 적어야 하고 결정 내부의 결함 밀도(defect density)가 적어야만 한다.

종래 반도체 소자의 채널용 폴리실리콘층 형성 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1(a) 및 도 1(b)는 종래의 기술에 의한 반도체 소자의 폴리실리콘층 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도로써, bottom 게이트(gate)형 TFT 소자의 단면도이다.

도 1(a)에 도시된 것과 같이, TFT 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 기판(11) 상부에 게이트 전극(12) 및 게이트 유전막(13)을 형성한 후 저압화학기상증착 장비(LPCVD furnace) 내에서 550℃ 이하의 온도에서 비정질 실리콘층(14A)을 증착한다.

이 후의 공정은, 도 1(b)에 도시된 것과 같이, 600℃ 이상의 온도에서 열처리를 하여 비정질 실리콘층(14A)을 결정화된 폴리실리콘층(14B)으로 변형시킨다. 도면부호 A는 결정 계면을 보이고 있다.

이 공정 방법에서의 요점은 결정화 중 실리콘 입자의 표면 이동 능력(surface migration ability)을 최소화시켜 표면 거칠기를 최소화시키고 벌크 이동 능력(bulk migration ability)을 최대화시키므로써 핵(seed) 입자를 중심으로한 결정 성장을 최대화하는 것이다. 이러한 방법에 의한 결정 성장은 어느 정도 결정립을 크게 성장 시키는데는 효과가 있으나, 비정질 실리콘층(14A) 자체의 특성 불량으로 인한 결정 성장 억제 효과는 방지할 수가 없다.

본 발명은 실리콘 입자의 벌크 이동 능력이 향상되어 결정 크기가 증대되고 결정 내부에 존재할 수 있는 미세 격자 결함이 줄어든 고 품질의 채널용 폴리실리콘층을 형성하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 폴리실리콘층 형성 방법은, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 기판 상에 저압의 수소 성분 가스를 공급한 후, 플라즈마에 의해 여기시켜 상기 기판상에 잔존하는 산화성 이온과 반응시키고 배기시키는 단계와, 상기 기판 상부에 비정질 실리콘층을 증착하고 보호막을 형성한 후, 열처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1(a) 및 도 1(b)는 종래의 기술에 의한 반도체 소자의 폴리실리콘층 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도.

도 2(a) 내지 도 2(c)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 폴리실리콘층 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

11 및 21 : 반도체 기판 12 및 22 : 게이트 전극

13 및 23 : 게이트 유전막 14A 및 24A : 비정질 실리콘층

14B 및 24B : 결정화된 폴리실리콘층

25 : 보호막

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2(a) 내지 도 2(c)는 본 발명에 따른 반도체 소자의 폴리실리콘층 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도로써, bottom 게이트형 TFT 소자의 채널용 폴리실리콘 형성 방법을 그 실시 예로 설명하고자 한다.

도 2(a)에 도시된 것과 같이, TFT 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 기판(21) 상부에 게이트 전극(22) 및 게이트 유전막(23)을 형성하는 공정은 기존 공정과 동일하고 채널용 폴리실리콘층을 제조하는 공정의 상세한 설명은 다음과 같다. 채널용 폴리실리콘층을 형성하기 위하여 비정질 실리콘막을 증착함에 있어서, 도 1(a)와 같이 형성된 기판을 저압 화학기상증착 장비의 챔버(chamber)에 탑재한 후, 진공 펌프를 이용하여 챔버 내부의 가스를 배기시켜 10^-3Torr 이하 수준까지 압력을 낮춘다. 압력이 적정 수준에 도달하게 되면 수소(H₂) 또는 인산(PH₃) 가스를 챔버 내에 주입시켜 챔버 내부의 압력을 10^-1Torr ∼ 10^-7Torr로 유지시키면서 미량으로 잔존해 있는 산화성 이온(oxydants)과 반응시켜 외부로 배기시킨다. 즉, H⁺와 O^-를 반응시켜 H₂O의 형태로 배기시킨다. 이 때 수소(hydrogen) 이온과 산화성 이온의 반응은 950℃ 이상이 되어야만 적절하게 이루어지는데, 이 정도의 온도에서 진행할 경우 소자 구동 특성상 열적 손상(thermal damage)을 입게되어 소자의 특성 저하(degradation)가 예상된다. 따라서 플라즈마(plasma)를 이용하여 챔버 내부의 가스들을 여기시켜 500 ℃ 내지 850 ℃의 온도에서 상기와 같은 반응이 일어나도록 한다. 이 후 챔버 내로 연속적으로 주입시킨 H₂또는 PH₃가스의 주입을 중단시키고, 10^-3Torr 이하의 압력으로 챔버 내 잔존물을 모두 배기시킨다.

도 2(b)는 도 2(a)의 구조 상부에 기대하는 채널용 폴리실리콘층의 두께 만큼 비정질 실리콘층(24A)을 증착시킨 단면도이다. 비정질 실리콘층(24A)의 증착은 사일렌(SiH₄) 또는 다이 사일렌(Si₂H₆)가스를 이용하여 550℃ 이하 또는 500℃ 이하의 온도에서 실시한다.

위와 같은 공정이 완료되면 후속 공정인 비정질 실리콘층(24A)의 결정화 공정 중 표면에서의 실리콘 입자 이동이 최소화 되도록, 도 2(c)에 도시된 것과 같이, 산소 보호막(O₂passivation ; 25) 처리를 한다. 그리고 600℃ 이상의 온도에서 열처리를 하여 비정질 실리콘층(24A)을 결정화시켜 폴리실리콘층(24B)을 형성시킨다. 도면부호 A는 결정 계면을 나타내는 것으로, 본 발명에 따라 제조된 폴리실리콘층(24B)은 내부의 결정 계면(grain boundary)의 밀도가 적음을 보여주고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 채널용 비정질 실리콘층 증착용 챔버 내의 산화성 성분을 완전히 제거할 수 있으므로, 이 후 챔버 내부로 주입되는 사일렌 또는 다이 사일렌 가스와 산화성 물질의 반응을 사전에 예방하여 채널용 비정질 실리콘층 내부에 이물질이 존재하지 않게 된다. 따라서 결정화 공정에서 벌크 실리콘 이동을 극대화시켜 상대적으로 큰 결정 입자 성장을 이룰 수 있고 결정립 내부의 결함 밀도가 감소하게 되므로 TFT 디바이스 구동시 on/off 전류비가 향상되어 TFT 디바이스의 특성 자체가 좋아지게 된다.

Claims (5)

1. 하부 구조가 형성된 반도체 기판 상에 저압의 수소 성분 가스를 공급한 후, 플라즈마에 의해 여기시켜 상기 기판상에 잔존하는 산화성 이온과 반응시키고 배기시키는 단계와,

   상기 기판 상부에 비정질 실리콘층을 증착하고 보호막을 형성한 후, 열처리하여 결정화 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리 실리콘층 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수소 성분 가스는 수소(H₂) 및 인산(Ph₃) 가스 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리 실리콘층 형성 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 수소 성분 가스와 상기 산화성 이온 반응은 500 ℃ 내지 850 ℃의 온도와 10^-1Torr 내지 10^-7Torr의 압력으로 제어되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리 실리콘층 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 열처리는 600 ℃ 이상의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리 실리콘층 형성 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호막은 산화막인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리 실리콘층 형성 방법.