KR20060042349A - Whisker free polysilicon deposition method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 공정에서 발생할 수 있는 웨이퍼 내부에 존재하는 금속불순물(Ni, Cu, Fe, Al, Ti, Zn, Sn, W)을 고온 열처리에 의해 웨이퍼 표면으로 외방확산(Outdiffusion)시킨 후 산소(O2) 분위기에서 산화처리를 하여 폴리실리콘 증착시의 휘스커의 발생이 제거 되도록 하는 반도체 소자 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명의 반도체 소자 제조 방법은 웨이퍼에 대해 열처리를 진행하여 상기 웨이퍼 내부에 잔류하는 불순물을 표면쪽으로 외방확산시키는 단계; 상기 웨이퍼 표면에 외방확산된 불순물을 산화시켜 산화물을 형성하는 단계; 상기 산화물을 제거하는 단계; 및 상기 산화물이 제거된 웨이퍼 표면 상에 폴리실리콘막을 형성하는 단계를 포함하는 폴리실리콘막의 형성 방법를 포함하여 이루어진다.
According to the present invention, after the metal impurities (Ni, Cu, Fe, Al, Ti, Zn, Sn, W) existing in the wafer, which may occur in the semiconductor process, are subjected to outdiffusion to the surface of the wafer by high temperature heat treatment, oxygen ( O 2 ) to provide a semiconductor device manufacturing method to remove the whiskers during polysilicon deposition by oxidation treatment in the atmosphere, the semiconductor device manufacturing method of the present invention for this purpose by performing a heat treatment for the wafer Outwardly diffusing impurities remaining therein toward the surface; Oxidizing outwardly diffused impurities on the wafer surface to form an oxide; Removing the oxide; And forming a polysilicon film on the surface of the wafer from which the oxide has been removed.

휘스커, 폴리실리콘, 웨이퍼수율, 증착Whiskers, Polysilicon, Wafer Yield, Deposition

Description

휘스커 없는 폴리실리콘 증착을 위한 반도체 소자 제조 방법{WHISKER FREE POLYSILICON DEPOSITION METHOD} Semiconductor device manufacturing method for whisker-free polysilicon deposition {WHISKER FREE POLYSILICON DEPOSITION METHOD}             

도 1은 폴리실리콘 휘스커의 사진,1 is a photo of a polysilicon whisker,

도 2는 본 발명에서 제안한 공정 순서를 나타낸 그래프,Figure 2 is a graph showing the process sequence proposed in the present invention,

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일실시예를 나타낸 공정 단면도.
3A to 3F are cross-sectional views of an embodiment of the present invention.

본 발명은 반도체 소자 제조 기술에 관한 것으로, 특히 폴리실리콘 증착시 발생되는 휘스커(Whisker)를 제거하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor device manufacturing technology, and more particularly, to a method for removing whiskers generated during polysilicon deposition.

폴리실리콘 증착 시 발생하는 휘스커(Whisker)는 소자의 동작을 방해하는 주요 결함(Major Defect)으로 대두되고 있다. 폴리실리콘 휘스커는 금속불순물(Matallic impurities)을 촉매로 하여 비이상적으로 높은 성장속도로 성장하는 결함이다. Whiskers generated during polysilicon deposition have emerged as major defects that hinder device operation. Polysilicon whisker is a defect that grows at an ideally high growth rate by using metallic impurities as a catalyst.

종래 폴리실리콘을 증착하는 방법으로는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; 'CVD'), 물리기상증착(Physical Vapor Deposition; 'PVD'), 원자층증착(Atomic Layer Deposition; 'ALD')이 주로 사용된다. PVD에는 스퍼터링과 evaporation 등이 있고, CVD에는 thermal CVD, 플라즈마화학기상증착(Plasma Enhanced CVD; 'PECVD') 저압화학기상증착(Low Pressure CVD; 'LPCVD')등이 있다. 현재 LPCVD를 많이 사용하고, LPCVD로 적층된 폴리실리콘은 저온공정이 가능하고, 생산성이 좋으면서도 균일도가 좋다. 또한, 웨이퍼의 용량을 증가시킬 수 있고, 사용되는 기체의 양은 줄일 수 있으며, 저압 (200~700mm Torr)의 반응 용기 내에 단순한 열 에너지에 의한 화학반응을 이용 박막을 증착하는 방법이다. 여러 폴리실리콘 증착 시 폴리실리콘 휘스커는 웨이퍼 상의 금속불순물을 촉매로 하여 비이상적으로 높은 성장하는 결함이다. 휘스커가 발생하면 웨이퍼 전체 수율이 10% 이상 감속되는 경향이 있다. Conventional methods of depositing polysilicon include chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), and atomic layer deposition (ALD). do. PVD includes sputtering and evaporation, and CVD includes thermal CVD, plasma enhanced CVD (PECVD) and low pressure CVD (LPCVD). Currently, LPCVD is used a lot, and polysilicon deposited by LPCVD can be processed at low temperature, and productivity is good and uniformity is good. In addition, the capacity of the wafer can be increased, the amount of gas used can be reduced, and a method of depositing a thin film using a chemical reaction by simple thermal energy in a low pressure (200-700 mm Torr) reaction vessel. Polysilicon whiskers in various polysilicon depositions are non-ideally high growing defects catalyzed by metal impurities on the wafer. Whiskers tend to reduce the overall wafer yield by more than 10%.

도 1은 폴리실리콘 휘스커를 나타낸 것이다. 현재까지 폴리실리콘 휘스커(Poly-Si Whiskers)의 발생기구(Mechanism)에 대해서 명확히 규명되어 있지는 않지만, 금속불순물(Metal impurities)와 기판 응력(Substrate stress)이 상승작용을 일으켜 발생되는 것으로 이해되고 있다. Ni, Cu, Fe, Al, Ti, Zn, Sn, W 등과 같은 금속불순물이 폴리실리콘 휘스커를 발생시키는 것으로 보고되고 있다. 이러한 금속 불순물은 박막증착 장비, 식각 장비, 이온주입(Ion implantation) 장비 등 모든 장비의 가스 주입 라인(Gas feeding line)과 반응로(Reactor)로부터 웨이퍼(Wafer) 내로 유입될 수 있으며, 반복되는 공정들에 의해 생성된 기판응력이 상승작용을 일으켜 비이상적인 높은 성장속도록 폴리실리콘이 자라게 한다.1 shows a polysilicon whisker. To date, although the mechanism of generating poly-Si Whiskers has not been clearly defined, it is understood that metal impurities and substrate stress are caused by synergy. Metal impurities such as Ni, Cu, Fe, Al, Ti, Zn, Sn, W and the like have been reported to generate polysilicon whiskers. Such metal impurities may be introduced into the wafer from gas feeding lines and reactors of all devices, such as thin film deposition equipment, etching equipment, and ion implantation equipment. Substrate stresses generated by the synergies cause synergy, causing the polysilicon to grow to a non-ideal high growth rate.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 반도체 공정에서 발생할 수 있는 웨이퍼 내부에 존재하는 금속불순물(Ni, Cu, Fe, Al, Ti, Zn, Sn, W)을 고온 열처리에 의해 웨이퍼 표면으로 외방확산(Outdiffusion)시킨 후 산소(O2) 분위기에서 산화처리를 하여 폴리실리콘 증착시의 휘스커의 발생이 제거 되도록 하는 반도체 소자 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, the high temperature heat treatment of the metal impurities (Ni, Cu, Fe, Al, Ti, Zn, Sn, W) present in the wafer that may occur in the semiconductor process It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device to remove the whiskers during polysilicon deposition by performing an oxidation treatment in the oxygen (O 2 ) atmosphere after the outdiffusion to the wafer surface.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 웨이퍼에 대해 열처리를 진행하여 상기 웨이퍼 내부에 잔류하는 불순물을 표면쪽으로 외방확산시키는 단계; 상기 웨이퍼 표면에 외방확산된 불순물을 산화시켜 산화물을 형성하는 단계; 상기 산화물을 제거하는 단계; 및 상기 산화물이 제거된 웨이퍼 표면 상에 폴리실리콘막을 형성하는 단계를 포함하는 폴리실리콘막의 형성 방법를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
The present invention for achieving the above object, the step of performing a heat treatment on the wafer to diffuse the impurities remaining inside the wafer to the surface outward; Oxidizing outwardly diffused impurities on the wafer surface to form an oxide; Removing the oxide; And forming a polysilicon film on the surface of the wafer from which the oxide is removed.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. .

도 2의 그래프는 본 발명에서 제안한 공정의 순서를 나타낸 그래프이다. 2 is a graph showing the procedure of the process proposed in the present invention.                     

X 축은 공정 시간을 나타내며, Y축은 반응로로 주입되는 가스를 나타낸다.The X axis represents the process time and the Y axis represents the gas injected into the reactor.

t0∼t1은 웨이퍼 상에 Ar 가스를 주입하면서 1Torr, 525℃에서 1시간 동안 유지시켜 기판의 금속불순물들이 기판 표면으로 외방확산 되는 단계이다. t0 to t1 is a step in which metal impurities of the substrate are diffused outward to the surface of the substrate by holding Ar gas on the wafer for 1 hour at 1 Torr and 525 ° C.

t1∼t2는 O2 가스를 반응로 내로 주입하여 표면으로 외방 확산된 금속불순물을 산화시키는 단계이다. 이 때, O2 가스 외에도 O, O3, NO, N2O 에서 선택된 어느 하나 이용할 수 있다.t1 to t2 are steps of injecting O 2 gas into the reactor to oxidize the metallic impurities diffused outward to the surface. In this case, in addition to the O 2 gas, any one selected from O, O 3 , NO, and N 2 O may be used.

t2∼t3은 플라즈마를 이용하여 Ar 스퍼터링(sputtering)으로 금속산화물 및 실리콘 산화막을 제거하는 단계로서, Ar 플라즈마 처리시 직류 또는 교류를 이용하기도 한다. t2 to t3 is a step of removing the metal oxide and the silicon oxide film by Ar sputtering using plasma, and may also use direct current or alternating current during the Ar plasma treatment.

t3∼t4는 반응로 내에 존재하는 잔류물을 제거하기 위해 반응로 내를 최저압으로 펌핑(pumping)하는 단계이다. 이 때, 잔류물은 금속산화물 내지 실리콘 산화막 잔류물이고, 잔류물 제거하기 위해 반응로 내의 최저압은 10-3Torr 이다.t3 to t4 are the steps of pumping the reactor to the lowest pressure in order to remove residues present in the reactor. At this time, the residue is a metal oxide to silicon oxide residue, and the minimum pressure in the reactor is 10 -3 Torr to remove the residue. to be.

t4∼t5는 상기 처리가 완료된 웨이퍼 상에 폴리실리콘을 증착하기 전에 Ar 가스를 주입하면서 온도를 안정화시키는 단계이다. 이 때, 안정화의 적정 온도는 525℃ 이다. t4 to t5 are steps of stabilizing the temperature while injecting Ar gas before depositing polysilicon on the processed wafer. At this time, the appropriate temperature of stabilization is 525 degreeC.

t5∼t6은 SiH4 가스를 주입하면서 폴리실리콘을 증착하는 단계이다. 이 때, 실리콘 반응 물질로 SiH2Cl2 또는 Si2H6 를 이용하기도 한다. t5 to t6 is a step of depositing polysilicon while injecting SiH 4 gas. In this case, SiH 2 Cl 2 or Si 2 H 6 may be used as the silicon reactant.

t6∼t7은 Ar 가스를 주입하면서 폴리실리콘 증착 후에 반응로 내에 존재하는 잔류물을 제거하는 단계이다. 이 때, Ar 이외에 N2 를 사용하기도 한다. t6 to t7 are steps of removing residues in the reactor after polysilicon deposition while injecting Ar gas. In this case, N 2 may be used in addition to Ar.

활성화된 부분은 반응로로 가스가 주입되는 시기를 나타낸다. 기존의 폴리실리콘 증착은 t4∼t7 만큼만 진행되고, 기존의 폴리실리콘 증착 방법으로만 증착을 하게 되면 t4∼t5 동안에 표면으로 이동한 금속불순물은 후속 증착공정인 SiH4 주입시 휘스커의 촉매로 작용하여 실리콘 워자를 아래 방향으로 이동시키며 자신은 휘스커의 끝단으로 이동하는 연속적인 방법으로 휘스커가 성장하게 된다. The activated part indicates when gas is injected into the reactor. Existing polysilicon deposition proceeds as much as t4 ~ t7, and if only deposition using the conventional polysilicon deposition method, metal impurities moved to the surface during t4 ~ t5 acts as a catalyst of whisker during the subsequent deposition process SiH 4 The whisker grows in a continuous manner, moving the silicon warp downwards and moving itself to the tip of the whisker.

그러나, 본 발명에서는 t0∼t3의 구간 동안에 금속 불순물 외방확산 및 희생산화 공정을 추가하므로써, 금속 불순물을 제거하여, 후속 폴리실리콘 증착시 휘스커 발생을 제거하는 것이다.However, in the present invention, by adding the metal impurity outward diffusion and sacrificial oxidation processes during the period t0 to t3, the metal impurities are removed to remove whiskers during subsequent polysilicon deposition.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 제조 방법을 나타낸 도면이다.3A to 3F are diagrams illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

도 3a에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(31) 상에 금속불순물(A)이 불규칙하게 분포되어있다.As shown in FIG. 3A, metal impurities A are irregularly distributed on the wafer 31.

도 3b에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(31) 상에 금속불순물(A)을 표면으로 외방확산시키기 위해 500℃ 이상으로 열처리를 하게되면 웨이퍼(31) 곳곳에 존재하는 금속불순물(A)은 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)를 낮추기 위해 표면으로 이동하게 된다. As shown in FIG. 3B, when the heat treatment is performed at 500 ° C. or higher to out-diffuse the metal impurity (A) onto the surface of the wafer 31, the metal impurity (A) present in various parts of the wafer 31 is cast free. It moves to the surface to lower Gibbs free energy.

도 3c에 도시된 바와 같이, 외방확산된 금속불순물(A)을 산화시키기 위해 O2 기체 500~1000sccm을 반응로 내로 주입한다. As shown in FIG. 3C, 500-1000 sccm of O 2 gas is injected into the reactor to oxidize the out-diffused metal impurity (A).

금속불순물(A)이 O2와 결합하여 금속산화물(33)을 형성하게 되며, 웨이퍼(31) 상에 실리콘산화막(32)을 형성하게 된다. 금속불순물(A)이 금속산화물(33)로 변하게 된다.The metal impurity (A) is combined with O 2 to form the metal oxide 33, and the silicon oxide film 32 is formed on the wafer 31. Metal impurity (A) is turned into a metal oxide (33).

도 3d에 도시된 바와 같이, Ar 스퍼터링을 이용하여 웨이퍼(31) 상의 금속불순물(A), 실리콘산화막(32), 금속산화물(33)을 제거한다. As shown in FIG. 3D, the metal impurity A, the silicon oxide film 32, and the metal oxide 33 on the wafer 31 are removed using Ar sputtering.

도 3e에 도시된 바와 같이, 금속불순물(A), 실리콘산화막(32), 금속산화물(33)이 모두 제거된다.As shown in FIG. 3E, the metal impurity A, the silicon oxide film 32, and the metal oxide 33 are all removed.

도 3f에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(31) 상에 SiH4를 주입하면서 폴리실리콘(34)을 증착한다. 웨이퍼(31b)에 존재하는 잔류물(residual product)을 제거하기 위해 반응로 내를 최저압으로 펌핑(pumping)하는데, 폴리실리콘 증착 공정의 경우 베이스 압력(Base Pressure)로 진공화하기 위한 펌프로는 Mechanical Pump Booster Pump가 사용되고, 이 때의 일반적인 최저압은 10-3 Torr이다.As shown in FIG. 3F, polysilicon 34 is deposited while injecting SiH 4 onto the wafer 31. In order to remove residual product present in the wafer 31b, the inside of the reactor is pumped to the lowest pressure. In the case of polysilicon deposition process, a mechanical pump booster pump is used as a pump for evacuating to a base pressure, and a general minimum pressure at this time is 10 -3 Torr.

펌핑 후, Ar 가스를 주입하여 온도안정화 시킨다. 온도를 안정화한다는 것은 증착온도와 동일하게 온도를 유지한다는 것을 말하는 것이므로, 온도안정화 온도는 525℃이다. 폴리실리콘(34) 증착 후 Ar 주입하여 반응로 내에 존재하는 최종 잔류물을 제거한다. After pumping, temperature is stabilized by injecting Ar gas. Stabilizing the temperature means keeping the temperature equal to the deposition temperature, so the temperature stabilization temperature is 525 ° C. Ar deposition after polysilicon 34 deposition removes the final residues present in the reactor.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

상술한 본 발명은 촉매 작용을 하는 금속산화물과 잔류물들을 제거하고 폴리실리콘을 증착하므로써, 금속불순물과 웨이퍼 응력의 상승 작용을 억제하고, 비이상적인 속도로 자라는 폴리실리콘의 성장을 방지할 수 있다.The present invention described above can suppress the synergy of metal impurities and wafer stress by removing metal oxides and residues that catalyze and depositing polysilicon, and prevent the growth of polysilicon growing at an ideal rate.

또한, 휘스커가 제거되면 소자의 수율이 10% 향상되는 효과가 있다.In addition, when the whiskers are removed, the yield of the device is improved by 10%.

Claims (6)

소정 공정이 완료된 웨이퍼에 대해 열처리를 진행하여 상기 웨이퍼 내부에 잔류하는 금속불순물을 표면쪽으로 외방확산시키는 단계;Performing a heat treatment on the wafer on which the predetermined process is completed and outwardly diffusing metal impurities remaining in the wafer toward the surface; 상기 웨이퍼 표면에 외방확산된 금속불순물을 산화시켜 산화물을 형성하는 단계; Oxidizing outwardly diffused metal impurities on the wafer surface to form an oxide; 상기 산화물을 제거하는 단계; 및Removing the oxide; And 상기 산화물이 제거된 웨이퍼 상에 폴리실리콘막을 증착하는 단계Depositing a polysilicon film on the oxide-free wafer 를 포함하는 반도체 소자 제조 방법.Semiconductor device manufacturing method comprising a. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산화물을 제거하는 단계는 플라즈마를 이용하여 Ar 스퍼터링에 의해 이루어지는 반도체 소자 제조 방법.Removing the oxide is a semiconductor device manufacturing method made by Ar sputtering using a plasma. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 불순물을 산화시켜 산화물을 형성하는 단계로 O, O2, O3, NO 또는 N2O 에서 선택된 어느 한 가스를 이용하는 반도체 소자 제조 방법.Forming an oxide by oxidizing the impurity, and using any one gas selected from O, O 2 , O 3 , NO or N 2 O. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산화물을 형성하는 단계는 반응로 내로 O2 가스를 500~1000sccm 주입하여 산화시키는 반도체 소자 제조 방법.Forming the oxide is a semiconductor device manufacturing method for oxidizing by injecting 500 ~ 1000sccm O 2 gas into the reactor. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속불순물을 외방확산시키는 단계에서 상기 웨이퍼 위에 Ar 가스를 주입하면서 1Torr, 525℃ 에서 1시간 동안 진행하는 반도체 소자 제조 방법.In the step of out-diffusion the metal impurity injecting Ar gas on the wafer while proceeding for 1 hour at 1 Torr, 525 ℃. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산화막 제거 후 반응로 내의 잔류물을 제거하는 단계;Removing the residue in the reactor after removing the oxide film; 상기 반응로 내를 최저압으로 펌핑하는 단계;Pumping the inside of the reactor to the lowest pressure; Ar 기체를 주입하면서 온도 안정화시키는 단계;Temperature stabilization while injecting Ar gas; SiH4 기체를 주입하면서 상기 폴리실리콘막을 형성하는 단계;Forming the polysilicon film while injecting SiH 4 gas; 상기 폴리실리콘막 형성 후 상기 Ar 기체를 주입하면서 상기 반응로 내에 존재하는 상기 잔류물을 제거하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조 방법.And removing the residue present in the reactor while injecting the Ar gas after the polysilicon film is formed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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