KR900004267B1 - 단결정 실리콘막의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 종래의 브리징 에피택시법을 설명하기 위한 모식도.
제 2 도 및 제 3 도는 각각 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 모식도이다.
본 발명은 단결정(單結晶)실리콘(silicon)막의 제조방법에 관하여, 상세하게 설명하면, 3차원구조(三次元構造)의 반도체(半導體)장치의 형성에 특히 호적한 단결정 실리콘막의 제조방법에 관한 것이다.
주지하는 바와같이, 종래의 반도체장치는 반도체기판의 주표면(主表面)의 표면 영역안에 2차원적으로 형성되었다. 그러나, 반도체장치의 접적밀도(集積密度)를 극도로 증대할려고 하면, 종래의 상기 2차원적으로 각 소자(素子)를 배치하여 형성된 반도체장치로서는, 단위 면적당에 형성되는 소자의 수가 적어서 충분한 고집적 밀도를 얻기에는 매우 곤란하다.
그래서, 각 반도체 소자를 기판 표면에 2차원적으로 배치하여, 반도체장치를 형성하는 것이 아니고, 반도체기판 표면상에 절연막(絶緣膜)과 단결정 반도체막을 번갈아가며 적층(積層)하여 형성하고, 각 단결정 반도체 막안에 각각 트랜지스터등의 반도체 소자를 형성하면, 반도체 칩(chip) 혹은 웨이퍼(wafer)의 단위 면적당에 형성되는 반도체 소자의 수는 현저하게 증가하여 집적밀도의 향상에 매우 유효하다.
이와같은 3차원 구조를 갖는 반도체장치를 실현하기 위해서는, 양호한 특성이 있는 단결정 반도체막을 절연막위에 형성하는 것이 필요하며, 절연막 위에 단결정막을 형성하는 방법이 제안되고 있다.
그의 하나는 "브리징 에피택시(bridging epitaxy)법"이라고 하는 방법이며, 제 1 도에 도시하는 것과 같이 반도체기판1의 표면 근처에 개구부(開口部)2가 있는 절연막3을 형성하고, 또다시 다결정 혹은 비정질(非晶質)실리콘막 4를 전면에 피착(被着)한 후, 레이서(laser)광 혹은 전자비임(電子 beam) 5를 조사(照射)하는 것이다(일본국 특허공개 소화 56-73697호 참조 M.Tamura et al, Jpn.J.Appl.Physics, 19, L23,1980).
이 방법은 연속 발진(CW)레이저 혹은 전자비임 혹은, 펄스 레이저(pulse laser)를 사용할 수가 있으나, CW레이저 혹은 전자비임을 사용하였을때를 예로하여 설명하면, 제 1 도에 도시한 것과 같이, 우선 상기 절연막 3의 개구부 2위에 피착되어 있는 부분에 레이저 광 혹은 전자비임 5를 조사한다. 이와같이 하면, 개구부 2의 부분에 있어서는 다결정 혹은 비정질 실리콘막 4는 단결정 실리콘 기판 1위에 직접 형성되어져 있음으로, 우선 이 부분의 다결정 혹은 비정질 실리콘막 4가 상향(上向)의 에피택셜 성장(成長)에 의하여 단결정이 된다.
다음에 레이저 광 혹은 전자비임 5를 지면에 거의 수직방향으로 주사(走査)하면서, 화살표 6의 방향으로 이동시키면, 횡(橫)방향의 에피택셜이 일어나서 절연막 3위에 피착되어 있는 다결정 혹은 비정질 실리콘막 4가 순차로 다결정화 한다.
상기의 브리징 에피택시법을 이용하면, 반도체 기판 표면위로부터 절연막으로 연결되는 단결정 실리콘막을 얻을 수가 있다. 그러나, 이 방법은 레이저 광 혹은 전자비임의 1회의 조사에 의하여 단결정 Si막이 1층밖에 할 수가 없다. 따라서, 예를 들면, 단결정 Si막/절연막/단결정 Si막/절연막/Si기판이라는 3층구조를 만들려면, 제 1 도에 도시한 구조의 것에 한번 레이저광 또는 전자비임광을 조사하여, 1층의 단결정막을 형성한 후, 단결정막의 표면을 산화하고, 그 위에 다시 다결정 또는 비정질 Si막을 퇴적(堆積)해서 제 2 회의 레이저 광 또는 전자비임광 조사를 하여야 할 필요가 있다.
이와같은 방법으로는 성장시킬 단결정 Si 층의 층수와 동일한 수만큼의 레이저 광 또는 진자비임광의 조사를 반복하여야 하기 때문에 공정이 매우 복잡하다.
이것이 첫째의 결점이며, 둘째의 결점은 레이저 광 또는 전자비임, 조사후에 일어나는 표면형상의 변화이다. 즉, 레이저 광 또는 전자비임을 주사·조사하면, Si표면층이 한번 융해(融解)한 후에 강온(降溫)하여 고화(孤化)하기 때문에 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 표면에 凹凸이 생긴다.
따라서, 이와같은 凹凸이 생긴 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 표면을 산화하여, 제 2 의 다결정 또는 비정질 Si막을 그 위에 퇴적한 후에 레이저 광 또는 전자비임을 조사하면, 또다시 표면에 凹凸이 일어난다. 즉, 표면에 생성되는 凹凸이 레이저 광 또는 전자비임의 조사 회수의 증가에 따라서 증가되게 되는 것이다. 이와같은 크나큰 凹凸을 표면에 갖고있는 단결정 실리콘막이 고집적 밀도가 있는 반도체장치의 형성에 부적당하다는 것을 말할 필요도 없으며, 표면이 평탄하며, 凹凸이 적은 단결정 반도체막을 절연막위에 형성할 수가 있는 방법이 매우 요망되어졌었다.
본 발명의 목적은 상기 종래의 문제를 해결하며, 표면이 평탄하고, 凹凸이 적은 단결정 반도체막을 절연막위에 형성할 수가 있는 단결정막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 다른 목적은 표면이 평탄하며, 凹凸이 적은 다수개의 단결정 반도체막을 절연막과 번갈아가며, 적층하여 형성할 수가 있는 단결정 반도체막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 레이저 광 혹은 전자비임에 의한 조사를 여러번할 필요없이 단 1회의 조사에 의해서 다수개의 단결정 반도체막과 절연막을 번갈아가며, 적 층된 부분을 함유한 구조체를 형성할 수가 있는 단결정 반도체막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기 종래의 문제를 해결하며, 1회의 레이저 광 또는 전자비임광의 주사·조사만으로 단결정 Si와 절연막에 의하여 구성되는 다층구조의 실현을 가능하게 하는 단결정 실리콘의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 단결정 Si기판위에 다수개의 다결정 실리콘막 또는 비정질 실리콘막과, 개구부가 있는 다수개의 절연막을 번갈아가며 싸올려서, 그 다음에 레이저 광 또는 전자비임광을 주사·조사하는 것에 의해서 상기 다수개의 다결정 혹은 비정질 실리콘막을 단결정화 하는 것이다.
본 발명에 있어서, 단결정의 성장은 다음의 2가지 공정에 의하여 구성된다. 제 1의 공정은 단결정 실리콘 기판위에 개구부가 있는 절연막을 형성하고, 그 위에 다결정 또는 비정질 실리콘막을 전체면에 퇴적하는 공정을 여러번 반복하고, 다결정 또는 비정질 실리콘막과 절연막이 번갈아 적층된 다층구조를 단결정 실리콘 기판위에 형성하는 공정이다. 제 2 도에 그 예를 도시하지만, 절연막 3, 3'의 개공부(開孔部) 2, 2'의 크기는 제 1 의 절연막(하층) 3과 제 2 의 절연막(상층) 3'에 의해서 다르다. 제 2 도의 경우는 좁은쪽의 개공부, 즉 제 1 의 절연막 3의 개공부 2가 제 1 및 제 2 의 절연막 3, 3'에 공통된 개공부가 된다.
제 2 의 공정은 상기 제 1 의 공정 다음에 레이저 광 또는 전자선 비임을 주사하여 조사하고, 다결정 또는 비정질 실리콘막을 단결정화 하는 공정이다.
이때에, 상기 제 1 의 공정에서 퇴적된 다결정 또는 비정질 실리콘막 4, 4'는 우선 공통의 개공부 2에 있어서 용융된 후, 고화하여 단결정이 된다. 이 단결정 성장은 레이저 광 또는 전자비임의 주사와 함께 절연막 3, 3'위로 진행한다. 그 결과, 상기 상층 및 하층의 다결정 또는 비정질 실리콘막 4, 4'는 모두가 단결정이되며, 제 2 도에서 명확한 바와같이, 다수개의 단결정막과 절연막이 번갈아서 적층된 구조가 형성된다.
실시예를 이용해서 재차 상세하게 설명한다.
제 2 도에 도시한 것과 같이 단결정 실리콘 기판 1의 주표면 근방에 주지의 방법에 의하여 SiO2막 3, 3' 및 다결정 실리콘막 4, 4'를 형성하였다. 상기 SiO2막 3, 3' 및 다결정 Si막 4, 4'의 막의 두께는 모두가 1000Å이다. 다음에 레이저 광 5로 하여 12W의 출력으로 발진하고 있는 Ar 레이저 광을 직경 20μm로 졸려서 20cm/초의 속도로 주사·조사하였다.
만들어진 것을 전자현미경을 가지고 조사한 바, 상층의 다결정 실리콘막 4'가 SiO2막 3'끝부분 보다 SiO2막 3'위로 약 80μm 절정이 성장하고 있는것을 알 수가 있었다. 한편, 하층의 다결정 실리콘막 4는 결정화하고 있으나, 그 결정성(結晶性)은 아주 양호한 것은 아니며, 또한 결정성장에 의하여 단결정화된 거리도 절연막 3의 끝부분 보다도 40μm정도 상층인 때보다 짧았다.
이 원인의 하나로서는 Ar레이저의 파장역(波長域)(0.51μm)에 있어서 실리콘 광 흡수계수(吸收係數)는 극히 크기때문에 레이저 광은 하층의 다결정 실리콘층 4에는 도달하지 못하며, 한편 SiO2막의 열전도율은 매우 작기때문에 레이저 조사에 의하여 더워진 상층의 다결정 실리콘막 4'의 열이 충분하게 하층의 다결정 실리콘막 4까지는 도달하지 않았기 때문에 하층의 다결정 실리콘막 4의 가열이 불충분하게 되었다고 추정된다.
그래서 Si의 흡수계수가 작은 YAG레이저 광(파장 1.06μm)를 사용하여 상층 및 하층의 다결정 실리콘막 4, 4'를 동시에 가열하였다. 즉, 30W의 출력으로 발진하는 YAG 레이저 광을 직경 20μm로 졸려서 20cm/초의 속도로 화살표 6의 방향으로 주사하여 조사하였다. 이와같이 처리한 것을 전자현미경을 가지고 관찰하였더니 상층 및 하층의 다결정 실리콘층 4, 4' 모두가 SiO2막 3, 3'의 끝에서 SiO2막의 윗쪽 80μm의 영역에 걸쳐서 결정화되고 있는것이 확인되었다. 또한 Ar레이저나 YAG레이저 어느것을 사용하여 주사와 조사를 하여도 표면의 凹凸는 매우 적었다. 그 이유로서는 레이저 조사중에 있어서도 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 사이에 개재(介在)하는 SiO2막을 용유하지 않으며, 이로 인하여 SiO2막에 의해서 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 변형이 방지된 것이라고 생각된다. 또한 SiO2는 YAG레이저에 대해서 거의 투명하기 때문에 YAG레이저는 다결정 혹은 비정질 실리콘막 4, 4'사이에 개재하는 SiO2막 3'를 용이하게 통과하여 하층의 다결정 혹은 비정질 실리콘막 4에 도달하여 가열할 수가 있다.
본 실시예에 의하여 만들어진 단결정 실리콘막의 치수는 그 아래에 존재하는 SiO2막의 끝부분으로부터 SiO2막의 상방으로 대략 80μm이었다. 실재로 반도체장치를 형성하기 위해서는 이 치수가 가능한한 큰것이 바람직하다.
이것은 제 3 도에 도시한 다른 실시예와 같이 SiO2막 3, 3'가 각각 여러개의 개공부 2,2'를 갖도록 하고, 더욱이 레이저 광 5를 번갈아가며 역의 방향 6, 7로 주사하는 것에 의하여 달성된다. 이와같이 하면, 각 SiO2막 3, 3'의 양단부에서 각 SiO2막 3, 3'의 상방으로 향해서 단결정화가 진행됨으로 매우 큰 단결정막이 형성된다.
제 2 도는 각 개공부 2, 2'가 공통된 때를 도시하였으나, 제 3 도에 도시하는 바와같이 상층의 개공부 2'와 하층의 개공부 2는 꼭 공통된 위치에 존재하고 있지 않아도 된다. 그러나, 공통된 개공부가 존재하는 것은 실용상 매우 바람직한 것이다.
제 3 도에 도시한 실시예에 있어서 다결정 실리콘막 4, 4' 및 SiO2막 3, 3'의 두께는 각각 1000Å로 하고, SiO2막 3, 3'의 폭은 모두 160μm 이하로 하였다. 이와같이 형성한 것에 12W의 출력으로 발진하는 YAG레이저 광을 직경 20μm로 조려서, 20cm/초의 속도로 주사하여 조사한 후, 현미경에 의한 관찰을 하여 결정성을 평가한 바 다결정 실리콘막 4, 4'는 모두가 전부 단결정화하여진 것이 확인되었다.
본 발명은 상기와 같이 다수개의 다결정 혹은 비정질 실리콘막과 개공부가 있는 다수개의 절연막은 번갈아가며 적층하여 형성하고, 상방에서 레이저 광 혹은 전자비임을 조사해서, 상기 다수개의 다결정 실리콘을 단결정화 하는 것이다.
그러나, 본 발명은 레이저 광이나, 전자비임에 의해서, 주사하는 것 뿐만 아니라 주지의 선상(線狀)의 스트립 히이터를 사용하여 이것을 화살표 6, 7로 표시한 방향으로 순차 이동시켜도 단결정화를 하는것이 가능하며, 본 발명에 있어서도 사용할 수가 있다.
레이저로서는 상기와 같이 YAG레이저가 바람직하여 이것을 사용하였을때에 가장 양호한 결과를 얻을 수가 있었다. 그러나, 펄스 레이저를 사용하였을때에는 절연막 단부에서 절연막 위로의 단결정화되는 거리가 작기때문에 CW레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 전자비임은 진공에서 조사를 할 필요가 있으나, 전자비임의 친입거리가 길기 때문에 본 발명에 있어서 사용할 수가 있다.
상기 절연막으로 상기 실시예에 있어서는 SiO2막을 사용하였으나, Si3N4및 인 실리케이트 유리도 레이저광의 흡수계수 및 전자비임의 조지능(阻止能)이 SiO2막과 동등하며, 이러한 막도 SiO2막과 같이 본 발명에 있어서 사용할 수가 있다.
또한, 상기와 같이 본 발명에 있어서는 단결정화에 있어서 표면의 凹凸의 발생을 그 표면상에 형성된 절연막에 의해서 방지하는 것임으로 凹凸의 발행을 유효하게 방지하기 위해서는 절연막의 막의 두께가 어느정도 큰것이 필요하며, 대략 500Å 이상이어야 할 것이 바람직하다. 그러나, 너무나 두꺼우면, 다결정 혹은 비정질 실리콘막에 심한 단차(段差)가 생길 우려가 있기 때문에 실용상의 견지에서 대략 3000Å 이하로 선택된다.
그리고, 제 2 도 및 제 3 도에는 상층의 다결정 실리콘막 4'를 노출한 상태로 레이저 광 5를 조사한 실시예를 도시하였으나, 상층의 다결정 혹은 비정질 실리콘막 4'의 표면은 절연막으로 덮어서 레이저 광 5를 조사하여도 된다. 이와같이 하면, 상층의 다결정 혹은 비정질 실리콘막 4'의 표면의 凹凸의 발생은 유효하게 방지된다.
레이저 광 조사에 의하여 단결정화 되는 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 최대막의 두께는 대략 10μm이다.
두께가 대략 10μm 이상의 다결정 혹은 비정질 실리콘막을 CW 레이저 광이나, 전자비임의 조사에 의하여 단결정화 할려고 하면, 상기 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 가장 아래의 부분을 단결정화 하는데 매우 강도가 큰 레이저 광 또는 전자비임의 조사가 필요하지만, 이와같은 강도가 큰 조사를 하면, 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 표면 근처의 융해와 이로인한 변형이 아주 심하게 된다.
따라서, 본 발명에 있어서의 다수개의 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 막의 두께의 합친것은 최상층의 과도의 융해와 변형을 방지하고, 또한 최하층의 단결정화를 확실하게 하기 위해서는 대략 10μm 이하로 하는 것이 바람직하다.
각 다결정 혹은 비정질 실리콘막은 단결정화 된후, 각각 각막안에 트랜지스터등 각 소자가 형성되어 최종적으로는 전체로서 3차원 구조를 갖는 반도체 집적회로가 형성되지만 각 다결정 혹은 비정질 실리콘막안에 각각 트랜지스터등을 형성하기 위해서는 각막의 막의 두께가 적어도 1000Å 이상이어야 바람직하다. 그러나, 막의 두께가 과도하게 크게 되는것은 낭비일 뿐만 아니라 단결정화 되는 각 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 막의 두께는 각각 대략 1000Å∼1μm의 범위에서 선정된다.
본 발명에 있어서 단결정화 되는 다결정 혹은 비정질막의 최대막후는 상기와 같이 대략 10μm임으로 절연막과 번갈아가며 적층되는 각 다결정 혹은 비정질 실리콘막의 막후를 각각 1μm로 하면, 최대 10층의 다결정 혹은 비정질 실리콘막을 단결정화 할 수가 있다. 또한 레이저 광이나, 전자비임의 강도가 과도하게 크면 최상층의 융해와 이로인한 변형이 커지며, 강도가 작으면, 하층의 단결정 화가 불충분하게 된다. 이러한이유에서 조사되는 레이저 광이나, 전자비임의 강도는 대략 10W 내지 50W의 범위에서 선정된다.
상기 설명에서 명확하게 되는 바와같이 본 발명은 반도체 기판위에 다수개의 다결정 혹은 비정질 실리콘막을 조사된 에너지비임(레이저 광 혹은 전자비임)에 대하여 거의 투명하고, 또한 각각 개공부가 있는 다수개의 절연막과 번갈아가며 적층하여 형성한 후, 에너지 비임을 조사하여 상기 다결정 혹은 비정질 실리콘막을 단결정화 하는 것이다.
이로 인하여 다수개의 다결정 혹은 비정질 실리콘막을 1회의 에너지 비임조사 또는 스트립 히이터에 의한 가열에 의해서 단결정화 할 수가 있다. 더욱이 각 다결정 혹은 비정질 실리콘의 융해와 고화로 인한 표면의 凹凸의 발생은 절연막에 의해서 효과적으로 방지된다.
따라서, 다수개의 단결정 실리콘막과 절연막을 실리콘 기판위에 번갈아서 적층된 3차원 구조의 반도체장치를 형성하는 것이 가능하게 되어, 반도체장치의 집적 밀도의 향상에 매우 유용하다.
Claims (11)
- 다음 공정을 포함한 단결정 실리콘막의 제조방법. (a). 단결정 기판의 하나의 표면위 근처에 개공부가 각각 있는 다수개의 절연막과 다수개의 다결정 또는 비정질 실리콘막을 번갈아 겹쳐서 형성하는 공정. (b) 레이저 광 또는 전자비임을 조사하여, 상기 다결정 또는 비정질 실리콘막을 단결정화 하는 공정.
- 특허청구의 범위 제 1 항에 있어서, 상기 절연막은 상기 레이저 광 또는 전자비임에 대하여 투명한 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 특허청구의 범위 제 2 항에 있어서, 상기 절연막은 SiO2막, Si3N4막 및 인, 실리케이트 유리막으로된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 특허청구의 범위 제 3 항에 있어서, 상기 레이저 광은 YAG레이저 광인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 특허청구의 범위 제 4 항에 있어서, 상기 YAG레이저 광은 연속 발진 레이저 광인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 특허청구의 범위 제 1 항에 있어서, 상기 절연막의 막의 두께는 1000Å∼1μm인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 특허청구의 범위 제 1 항에 있어서, 상기 여러개의 다결정 또는 비정질 실리콘막의 막의 두께의 합의 최대는 10μm인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 특허청구의 범위 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 다결정 또는 비정질 실리콘막의 막의 두께는 각각 1000Å∼1μm인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 특허청구의 범위 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 광 또는 전자비임에 의한 조사량은 10W∼50W인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 특허청구의 범위 제 1 항에 있어서, 최상층의 상기 다결정 또는 비정질 실리콘막 위에는 상기 절연막이 형성되어져 있는것을 특징으로 하는 제조방법.
- 특허청구의 범위 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 광 또는 전자비임에 의한 조사 대신에 스트립 히이터에 의한 가열이 사용되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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