JP2003515927A - シリコン・バイポーラ・トランジスタの製造方法 - Google Patents

シリコン・バイポーラ・トランジスタの製造方法

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JP2003515927A JP2001540834A JP2001540834A JP2003515927A JP 2003515927 A JP2003515927 A JP 2003515927A JP 2001540834 A JP2001540834 A JP 2001540834A JP 2001540834 A JP2001540834 A JP 2001540834A JP 2003515927 A JP2003515927 A JP 2003515927A
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Abstract

(57)【要約】 シリコン・バイポーラ・トランジスタの製造において、ベース領域及びエミッタ窓開口部を形成する方法であって、以下のステップ:デバイス分離(3)を有するシリコン基板(1)を用意し;上記基板の内部又は上部に第一ベース領域(5)を形成し;上記第一ベース領域の上に酸化物の薄層(7)を形成し;上記酸化物薄層の最上部にシリコン層(9)を形成し、前記シリコン層を第二ベース領域とし;上記シリコン層にイオン注入し;上記シリコン層の最上部に誘電体層(11)を形成して、前記誘電体により上記トランジスタのベース及びエミッタ領域を分離し;その結果得られた構造体にパターニングを行ってエミッタ窓(15)を規定し;上記で規定したエミッタ窓域の内部の構造体を、誘電体及びシリコン層を貫通してエッチングし、ここで、酸化物薄層をエッチング停止層として使用し、この様にしてエミッタ窓を形成し;そして、引き続いて、構造体を熱処理し、それにより酸化物を破壊して第一及び第二ベース領域を互いに接触させる;を含む方法が開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明が属する技術分野) 本発明はシリコンバイポーラトランジスタ、特に移動体電気通信に使用される
低電圧、高周波数のトランジスタに関し、とりわけ、そのようなトランジスタの
製造方法に関する。
【0002】 (背景技術)課題とする領域 バイポーラ集積回路は最新の電気通信システムにおいて主要な役割を演じてい
る。その回路は主にアナログ機能、例えば、電流及び電圧のスィッチング、及び
高周波無線通信機能(ミキサー、増幅器、検波器等)に使用される。
【0003】 トランジスタの良好な高周波特性を達成するために、ベース(base)は非
常に狭く作成されなければならない。いくつかの問題点が物理学及び実用的な見
地から発生する。ベースのドーピングは、理にかなったベータ(beta)を得
るために注意深く調整されなければならない。即ち、エミッタ−ベース接合にお
けるドーピングは高過ぎないこと(さもないと、低BVeboを伴う)、−パンチ
スルー(punch−through)−破壊にならないように、ベースに印加
される電圧に耐えるのに充分なドーピングであること、初期電圧は高くなければ
ならないこと、ベース抵抗は低くなければならないこと、等である。
【0004】 高周波数、高性能バイポーラトランジスタの重要な特徴は、エミッタ−ベース
領域にある。ポリシリコンエミッタは電流利得(current gain)を
向上させ、エミッタ電荷蓄積時間を減少させ、そして狭いベースはベース通過時
間(base transit time)を減少させ、これらによって、デバ
イスの高周波特性が向上する。ベースは通常ホウ素のイオン注入によって形成さ
れる。薄いベースドーピングの好ましい形態は箱型であるが、通常、イオン注入
により、平滑で、殆ど半三角形の形状が得られる。この問題の解決法は、in−
situにドーピングされたベース層をエピタキシャルにデポジット(epit
axially deposit)することであり、このようにして、箱形断面
構造(box profile structure)が得られる。この延長が
エピタキシャル成長のSiGe−トランジスタであり、この場合10〜30%の
Geがベースの中に加えられてヘテロ接合デバイスを形成し、それによりデバイ
スの高周波特性と電流利得が改善されうる。
【0005】 例えば、電気通信への応用によく適したトランジスタを得るには、短い通過時
間(高いfT)が必要であるばかりでなく、高い最大振動数(fmax)も要求され
る。これを得るためには、トランジスタは、又、低いコレクタ−ベース静電容量
及び低いベース抵抗を有する必要がある。ベース抵抗は内部及び外部(intr
insic and extrinsic)ベース抵抗、並びに接触抵抗から成
る。
【0006】 バイポーラ高周波トランジスタは、通常、T.H.Ningらの「自己整合N
PNバイポーラトランジスタ(Self−aligned NPN bipol
ar transistors)」、IEDM Tech.Dig.,pp.8
23−824、1980、に記載されているセルフレジスター(self−re
gistered)ベース−エミッタ構造を利用しており、この場合、トランジ
スタセルは他の技術よりもより小さく作ることが可能である。更に、低減したベ
ース−コレクタ静電容量と低減したベース抵抗が、外部ベースがエミッタに近い
内部ベースに接触したときに得られる。この概念を変形したものがいくつか知ら
れている。
【0007】 Blouseらによる米国特許第5,266,504号には、自己整合バイポ
ーラトランジスタを製造するための方法が記載されており、その方法では、ベー
スをエピタキシャルに成長させ、外部ベース用にポリシリコン層をデポジットす
るが、内部ベースの上からは除去し、(エッチングの選択性がいかに得られたか
についての詳細は記載されていない)、そして、非晶質シリコン層のデポジショ
ンと、それに続くパターニング及びエッチングによって、エミッタが形成される
。非晶質シリコンは固相エピタキシ(SPE)で再結晶され、そのようにして、
鋭敏でよく制御されたエミッタ−ベース接合が完成される。再結晶は長時間の加
熱(4乃至8時間)によって行われる。
【0008】 Johnson及びTaylorによる米国特許第5,593,905号には
、自己整合バイポーラトランジスタを製造するための方法が記載されている。そ
れによれば、内部ベースと外部ベースの間に、ドープした酸化物および窒化物の
二重層からなる結合層を形成し、そして、内部ベース域だけが覆われるようにパ
ターニングする。次に、外部ベース用のポリシリコンをデポジットし、そして、
二重層をエッチング停止層として使用して、エミッタの窓(emitter w
indow)をポリシリコン中にあける。次いで、シリコンに対して高い選択性
を有するエッチング法を使用してその層をドライエッチングにより取り除き、基
板(ベース)で停止する。このエッチング法により、ポリシリコンを直接シリコ
ンの上でエッチングした場合に見られるような能動域(active area
)に対する損傷が低減される。しかしながら、この方法は従来の加工法と比較し
て、追加のマスク層を必要とする。
【0009】 NorstromによるWO第9719465号特許は、非晶質シリコン及び
シリコン基板の異なった性質を利用して、制御された方法で外部ベースにドーピ
ングを加え、そして、従来の加工法で得られるよりも優れた性質を有するエミッ
タの窓をあけている。
【0010】公知の解決法の課題 薄いベースを使用して自己整合二重ポリシリコン・バイポーラ・トランジスタ
を製造する場合の共通の問題は、いかに外部ベース領域(厚い、濃厚にドーピン
グされた材料)と内部ベース領域(薄い、精密なドーピングプロファイル)を形
成するかであり、そして、いかにこれをエミッタの形成に組み込むかである。
【0011】 主要な課題は、エミッタ窓があけられるときに生じる。これは通常シリコン基
板上の多結晶層のエッチングを包含する。問題は、基板中までエッチングするこ
となしに、多結晶層を完全に取り除くために、いかにエッチング処理を停止する
かである。この問題は、もし薄いベース領域がポリシリコンのデポジションとエ
ミッタ窓のエッチングに先立って、例えばエピタキシにより形成される場合は、
更に強調される。多結晶層は異なった結晶配向と粒界(grain bound
ary)に沿って優先的にエッチングされ、その結果エッチング残渣(ピラー(
pillar))、不均一性(ファセット(facet))及びエッチング領域
の端部の不揃いを与える。特に、エミッタ窓のエッチングの場合、基板(内部ベ
ース)の中までエッチングした場合には、ベースは損傷を受け、又は、内部と外
部のベース間の結合領域が薄くなり過ぎ、その結果高いベース抵抗を生じ又は外
部ベースと内部ベースとの結合不良を起こす可能性があるので、エッチング特性
は主要な関心事である。又、エッチング残渣(ピラー)のためにエミッタパイプ
(emitter pipe)が発生し、それがエミッタ漏洩電流の原因となり
得る。
【0012】 もし良好なドーピングプロファイル制御が必要とされる場合は、多結晶材料へ
のイオン注入は最善の選択ではない。多結晶材料の注入種のチャネリングのため
にドーピングプロファイルを精密に制御することは困難であろう。この問題は、
類似の非晶質層への注入によって解決される。
【0013】 下にあるベース層に影響を与えないで、外部ベース接触用のシリコンをエミッ
タ窓において取り除く方法が、それゆえに必要となる。
【0014】 (発明の概要) 本発明の目的は、自己整合シリコン・バイポーラ・トランジスタにエミッタ窓
をあける場合に、エッチング停止層として薄い酸化物を利用することによって、
上記した問題を回避する半導体構造を製造する方法を提供することである。
【0015】 とりわけ、この目的は、本発明の一つの態様に従えば、以下のステップ: ・好適なデバイス分離(device isolation)を有するシリコン
基板を用意するステップ; ・上記基板の内部又は上部に第一ベース領域(base region)を形成
するステップ; ・上記第一ベース領域の上に酸化物薄層を形成するステップ; ・上記酸化物薄層の最上部にシリコン層を形成し、前記シリコン層を第二ベース
領域とするステップ; ・上記シリコン層にイオン注入を行うステップ; ・上記シリコン層の最上部に誘電体層を形成して、前記誘電体により上記トラン
ジスタのベース及びエミッタ領域を分離するステップ; ・その結果得られた構造体にパターニング(patterning)を行ってエ
ミッタ窓を規定するステップ; ・上記で規定したエミッタ窓領域の内部の構造体を、誘電体及びシリコン層を貫
通してエッチングし、ここで、酸化物薄層をエッチング停止層(etch st
op)として使用し、このようにしてエミッタ窓を形成するステップ;及び ・引き続いて、構造体を熱処理し、それにより酸化物を破壊して第一及び第二ベ
ース領域を互いに接触させるステップ; を含む、ベース領域の形成及びエミッタ窓をあけるための方法によって達成され
る。
【0016】 トランジスタの完成には、従来の加工ステップが用いられてよい。
【0017】 (好ましい実施形態の説明) 以下の記載の中で、限定するためではなく説明の目的で、本発明の完全な理解
を提供するために、具体的な詳細記述、例えば、特別の技法及び応用を述べてい
る。しかしながら、本発明がこれらの詳細な記述から外れた他の実施態様で実施
されてもよいことは、当業者には明らかであろう。他の例においては、周知の方
法及び装置の詳細な記載は、本発明の記述を不必要な説明で不明瞭にしないよう
に省かれている。
【0018】 この項では、エピタキシャルベース(epitaxial base)、外部
ベース(extrinsic base)及びエミッタ窓の形成を含む工程の流
れを記載する。
【0019】 1.図1はシリコン基板1を示し、好ましくは単結晶である。基板は均質であっ
てもよいが、通常は、種々の定められた領域を有する。図1において、能動域は
(a)で図示し、分離領域(isolation region)は(b)で図
示する。能動域の基板はデバイスのコレクタを形成し、As、P、又はSbを使
用して、NPNデバイス用にn−ドーピング(n−dope)される。図示され
ているデバイス分離はSiO2の4500オングストロームの厚さの浅い溝分離
(shallow trench isolation/STI)3であるが、
LOCOSの様な他の標準方法も使用してよい。又、分離は付加的な深い溝分離
から成ってもよい。この際、基板は、露出域での清浄なシリコン表面を確保する
ために、HFによって清浄化されてもよい。
【0020】 2.基板の上にエピタキシャルベース5をデポジットする(図2を参照)。それ
は高度にドーピングされたシリコン(NPNトランジスタ用にはp型ホウ素ドー
ピング)から構成されてよいが、異なったドーパントが加えられたSi/SiG
e/Siのような多構造体層で構成されてもよい。又、エピタキシャルベース5
は、ドーピングしないで(内部、i)、その後でイオン注入し、ベースプロファ
イルを形成してもよい。露出した単結晶基板域の上に、デポジットしたシリコン
は、基板の結晶構造を保ちながらエピタキシャルに成長する。他の域では、結晶
構造は、下の基板と成長パラメータに依存して、非晶質か又は多結晶であってよ
い。(酸化物上に核ポリシリコン層(seed polysilicon la
yer)が必要になるかもしれない)。厚さは数百、例えば、200乃至100
0オングストロームの範囲である(通常約800オングストロームである)。そ
れは、好ましくは500〜700℃の化学蒸着(CVD)エピタキシでデポジッ
トするが、分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy
/MBE)等のような他の方法でデポジットしてもよい。
【0021】 3.デポジットシリコン層5の上に、薄い(好ましくは10〜50オングストロ
ーム(最も好ましくは25オングストローム))二酸化シリコン7を、好ましく
は熱酸化法で形成する。これは、急速加熱酸化法(Rapid Thermal
Oxidation/RTO)又は低温での炉酸化法を使用して行なうことが
できる(図3参照)。この層の目的は、以下に説明するフローの中でエッチング
停止層として作用することである。
【0022】 4.次に、400〜800オングストローム(通常600オングストローム)の
非晶質シリコン(α―Si)9をCVD法でデポジットする(図4参照)。しか
しながら、例えば、PECVD又はスパッタリングのような他のデポジション技
術を使用してもよい。デポジション温度を575℃以下に選ぶことにより非晶質
層を形成する。非晶質シリコンを使用する利点は(背景技術)において、既に考
察済みである。
【0023】 5.次いで、α−Siをイオン注入によってドープする(NPNトランジスタ用
には、好ましくはB又はBF2)。図5の中で、イオン注入は矢印によって摸式
的に示されている。全てのホウ素イオンがα―Siの中に含有されるようにエネ
ルギーの量を選択する。従来のプロセスフローにおいて、続いて行なわれる熱処
理(ポイント9参照)は、ドーパントを活性化する(例えば、エミッタドライブ
(emitter drive))ために必要とされるが、この熱処理により酸
化物は破壊し、二つのシリコン層はお互いに接触して、外部ベースのための厚い
、高度にドープされたシリコン層を形成する。
【0024】 6.次いで、構造体を、α―Siが再結晶しない程度に充分低い温度でデポジッ
トされた、デポジション低温酸化物(PETEOS)の層11(500〜200
0オングストローム(通常1000オングストローム)の厚さ)によって被覆す
る(図6参照)。この層の目的は、ベースポリシリコンからエミッタポリシリコ
ンを分離することである。
【0025】 7.フォトマスク13を一般的な方法で適用してパターニングを行い、構造体の
中心部の上にエミッタ窓の開口部(emitter window openi
ng)15を形成する(図7参照)。
【0026】 8.次いで、PETEOS及びα−Siを異方性的にエッチングする(図8参照
)。酸化物薄層7は、今度は終了点の検出(end−point detect
ion)及びエッチング停止層として作用し、その点に到達したときにエッチン
グを中断する。フォトレジストを取り除く。薄い酸化物の残部を次のいかなる工
程にも先立って取り除くことができる。しかしながら、従来の加工では、酸化物
層及び窒化物層の形成を続け側壁スペーサ(sidewall spacer)
を形成してよい。そのような場合には、薄い酸化物を取り除く必要はない。
【0027】 9.次に、得られた構造体を従来の工程フローの中で完成させる(図9参照)。
即ち、SiO216のデポジション・成長、内部スペーサ(inside sp
acer)17(SiNの側壁スペーサ)の形成、エミッタポリシリコン19の
デポジション・ドーピング・パターニング、外部ベースへの追加的な注入、熱的
活性化、及びケイ化物21と金属プラグ23の形成(金属化)である。
【0028】本発明の利点 ・バイポーラトランジスタの外部/内部ベース構造体が、既存ベース層に影響を
与えるリスクを低くしつつ形成される。 ・厚いそして高度にドーピングされたポリシリコン層を、外部ベース領域上に創
製する。 ・非晶質シリコンを利用して、外部ベース層のドーピングプロファイル及びエッ
チング制御を改善する。 ・追加のマスクは一切使用しない。
【0029】 要約すると、本発明は、自己整合シリコン・バイポーラ・トランジスタにおい
てエミッタ窓をあける際、エッチング停止層として薄い酸化物を利用する、半導
体構造物の製造方法を提供する。
【0030】 デバイス分離と内部ベースのデポジションの形成後、外部ベース用の非晶質シ
リコンをデポジットする前に、薄い酸化物層を内部ベースに使用されるシリコン
上にデポジットする。構造体に、全投与量が非晶質シリコン内部に存在するよう
に選択された投与量パラメータで、B又はBF2を注入する。薄い酸化物は続く
熱処理で破壊する。PETEOSデポジションの後、薄い酸化物をエッチング停
止層として使用し、酸化物/非晶質シリコンをエッチングしてエミッタ開口部を
形成する。従来の加工を行ってデバイスを完成させる。
【0031】 本発明が複数の方法で変形されてもよいことは明らかである。そのような変形
は本発明の範囲から逸脱したものとして見なすべきではない。当業者にとっては
明白な全てのそのような変更は、添付の特許請求の範囲内に含まれるように意図
される。
【図面の簡単な説明】
本発明は、以下に続く本発明の実施態様の詳細な記述、及び例示のみの目的で
示された添付の図1〜9から、より十分に理解されるであろう。それゆえに、図
1〜9は本発明を限定するものではない。 図1〜9は、本発明によるさまざまな加工ステップにおける半導体構造体の断
面を模式的に表示する図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,B Z,CA,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK ,DM,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE, GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,J P,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK, MN,MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,R O,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG,UZ,VN, YU,ZA,ZW

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン・バイポーラ・トランジスタの製造において、ベー
    ス領域を形成し、及びエミッタ窓を開口するための方法であって、以下のステッ
    プ: ・デバイス分離(3)を有するシリコン基板(1)を用意するステップ; ・上記基板の内部又は上部に第一ベース領域(5)を形成するステップ; ・上記第一ベース領域の上に酸化物の薄層(7)を形成するステップ; ・上記酸化物薄層の最上部にシリコン層(9)を形成し、前記シリコン層を第二
    ベース領域とするステップ; ・上記シリコン層の最上部に誘電体層(11)を形成して、前記誘電体により上
    記トランジスタのベース及びエミッタ領域を分離するステップ; ・その結果得られた構造体にパターニングを行ってエミッタ窓(15)を規定す
    るステップ; ・上記で規定したエミッタ窓域の内部の構造体を、誘電体及びシリコン層を貫通
    してエッチングし、ここで、酸化物薄層をエッチング停止層として使用し、この
    様にしてエミッタ窓を形成するステップ;及び ・引き続いて、構造体を熱処理し、それにより酸化物を破壊して第一及び第二ベ
    ース領域を互いに接触させるステップ; を特徴とする、上記ベース領域を形成し、及びエミッタ窓を開口するための方法
  2. 【請求項2】 上記シリコン層が上記誘電体層の形成に先立ってイオン注入
    される、請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 上記基板が単結晶である、請求項1又は2記載の方法。
  4. 【請求項4】 上記好適なデバイス分離が浅い溝分離(STI)である、請
    求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 【請求項5】 上記好適なデバイス分離がLOCOS分離である、請求項1
    〜3のいずれか1項に記載の方法。
  6. 【請求項6】 上記第一ベース領域が好適なドーピング、例えばイオン注入
    によって上記基板の中に形成される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法
  7. 【請求項7】 上記第一ベース領域が、上記基板上に、シリコン層によって
    好ましくはエピタキシャルに形成される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の
    方法。
  8. 【請求項8】 上記第一ベース領域が、上記基板上に、好適にドーピングさ
    れた多層構造、例えばSi/SiGe/Si構造によって形成される、請求項1
    〜5のいずれか1項に記載の方法。
  9. 【請求項9】 基板が、第一ベース領域の形成に先立ちHFによって清浄化
    される、請求項7又は8に記載の方法。
  10. 【請求項10】 上記第一ベース領域が、CVDエピタキシ又はMBEを用
    いたデポジションによって形成される、請求項7〜9のいずれか1項に記載の方
    法。
  11. 【請求項11】 第一ベース領域が200〜1000オングストロームの厚
    みに形成される、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 【請求項12】 酸化物薄層が、シリコンの熱的酸化により、好ましくはR
    TO又は低温炉酸化を用いることにより形成される、請求項1〜11のいずれか
    1項に記載の方法。
  13. 【請求項13】 酸化物薄層が、10〜50オングストロームの厚みに形成
    される、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 【請求項14】 酸化物層の最上部のシリコン層が非晶質シリコン(α−S
    i)層として形成される、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 【請求項15】 酸化物層の最上部のシリコン層がCVD、PECVD又は
    スパッタリングによって形成される、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方
    法。
  16. 【請求項16】 酸化物層の最上部のシリコン層が400〜800オングス
    トロームの厚みに形成される、請求項1〜15のいずれか1項に記載の方法。
  17. 【請求項17】 酸化物層の最上部のシリコン層が、前記シリコン層内に全
    てのイオンが含まれるようなエネルギー量を用いてイオン注入される、請求項1
    〜16のいずれか1項に記載の方法。
  18. 【請求項18】 製造するトランジスタがnpn型であり、イオンがB又は
    BF2である、請求項17記載の方法。
  19. 【請求項19】 誘電体層が、非晶質シリコン(α−Si)層を再結晶させ
    ない程度に十分低い温度で形成される、請求項14記載の方法。
  20. 【請求項20】 誘電体層が、デポジットされた低温酸化物、PETEOS
    である、請求項1〜19のいずれか1項に記載の方法。
  21. 【請求項21】 誘電体層が500〜2000オングストロームの厚みに形
    成される、請求項1〜20のいずれか1項に記載の方法。
  22. 【請求項22】 上記規定されたエミッタ窓域内の構造体が異方性エッチン
    グによりエッチングされる、請求項1〜21のいずれか1項に記載の方法。
  23. 【請求項23】 上記規定されたエミッタ窓域内の構造体が、酸化物薄層を
    終点検出として用いることによってエッチングされる、請求項1〜22のいずれ
    か1項に記載の方法。
  24. 【請求項24】 エッチングに引き続き上記規定されたエミッタ窓域内の酸
    化物薄層が取り除かれる、請求項1〜23のいずれか1項に記載の方法。
  25. 【請求項25】 トランジスタの製造を完了するために、以下の従来の加工
    ステップ:内部スペーサー形成;デポジション;エミッタポリシリコンのドーピ
    ング及びパターニング;第二ベース領域の追加の注入;熱的活性化;及び金属化
    ;が含まれる、請求項1〜24のいずれか1項に記載の方法。
  26. 【請求項26】 請求項1〜25のいずれか1項に記載の方法を用いること
    により製造される、シリコン・バイポーラ・トランジスタ。
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