JP2004311971A - Bipolar transistor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイポーラトランジスタおよびその製造方法に関し、特に、Si/SiGe,Si/SiGeCなどのヘテロ接合を有した高性能バイポーラトランジスタの構造およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a bipolar transistor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a structure of a high-performance bipolar transistor having a heterojunction such as Si / SiGe or Si / SiGeC and a method of manufacturing the same.
従来より、ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、Siホモ接合バイポーラトランジスタに比べて優れた高速動作性・高電流駆動能力を持つことから、高速・高集積を必要とする移動体通信等の通信用デバイスとして利用されている。特に、近年は、バイポーラトランジスタにSi/SiGe,Si/SiGeC等のヘテロ接合構造を組み込んで、100GHzを越える遮断周波数をもつヘテロ接合バイポーラトランジスタ(以下、HBTと称す)が実現されている。 Conventionally, heterojunction bipolar transistors have superior high-speed operability and high current driving capability compared to Si homojunction bipolar transistors, so they are used as communication devices such as mobile communication that require high speed and high integration. Have been. In particular, in recent years, a heterojunction structure such as Si / SiGe or Si / SiGeC has been incorporated into a bipolar transistor to realize a heterojunction bipolar transistor (hereinafter, referred to as an HBT) having a cutoff frequency exceeding 100 GHz.
このようなヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法に関する従来例として、特許文献1に開示されている方法が知られている。
As a conventional example of a method of manufacturing such a heterojunction bipolar transistor, a method disclosed in
この従来例のHBTの製造方法の特徴は、外部ベース層(多結晶SiGe膜)にイオン注入を行なうことと、ポリシリコンエミッタ電極(エミッタコンタクト層)にイオン注入された不純物の横広がりの影響をスペーサーによって低減することである。このときのポリシリコンエミッタ電極のポリシリコン膜厚は約140nmで、外部ベース層への追加注入の条件は、ボロン(B)の場合は、加速エネルギー60keV,ドーズ量2×1015cm-2程度であり、フッ化ボロン(BF2 )の場合は、加速エネルギー30keV,ドーズ量1×1015cm-2程度である。
しかしながら、上記従来のHBT構造では、エミッタ電極を注入マスクとして外部ベース層にボロンを追加注入する際に、エミッタ電極内にもエミッタ内とは逆導電型の不純物であるボロンが注入される。これを回避しようとすると、外部ベース層へのボロンのドープ量を低減せざるを得ず、外部ベース層の電気抵抗が大きくなるという不具合があった。また、エミッタ電極の形状を決定する要因としてコンタクトホール等のアライメントマージンなど加工上の制約と前述の電気特性からの制約があり、基本的にはそれらの両立は困難である。そのため、従来のHBTでは、高速動作性・高電流駆動能力の向上を併せて実現することは困難であった。 However, in the above-described conventional HBT structure, when boron is additionally implanted into the external base layer using the emitter electrode as an implantation mask, boron, which is an impurity of the opposite conductivity type to that in the emitter, is also implanted into the emitter electrode. In order to avoid this, the amount of boron doped into the external base layer must be reduced, and the electric resistance of the external base layer increases. In addition, factors that determine the shape of the emitter electrode include processing limitations such as an alignment margin for a contact hole and the above-described electrical characteristics, and it is basically difficult to achieve both. Therefore, it has been difficult for conventional HBTs to achieve both high-speed operation and high-current driving capability.
本発明の目的は、エミッタ電極の構造や外部ベース層の構造を改善することにより、高速動作性・高電流駆動能力の向上を併せて実現しうるバイポーラトランジスタおよびその製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a bipolar transistor and a method of manufacturing the bipolar transistor, which can achieve both high-speed operation and high current driving capability by improving the structure of an emitter electrode and the structure of an external base layer. .
本発明のバイポーラトランジスタは、エミッタ−真性ベース接合部がヘテロ接合であるバイポーラトランジスタにおいて、エミッタ電極が、その内部に注入された外部ベース形成用不純物の下部における濃度が低濃度になるように拡散させる膜厚を有している。 According to the bipolar transistor of the present invention, in the bipolar transistor in which the emitter-intrinsic base junction is a heterojunction, the emitter electrode is diffused such that the concentration of the external base-forming impurity implanted therein is lower at the lower portion. It has a film thickness.
これにより、エミッタ−真性ベース接合部に外部ベースからの不純物が拡散することに起因するバイポーラトランジスタの電流駆動力の低下を防止しつつ、外部ベース層の不純物濃度を高めて、ベース抵抗を小さくすることができるので、高速動作性・高電流駆動力という特性を実現することが可能となる。 Thereby, the impurity concentration of the external base layer is increased and the base resistance is reduced while preventing the current driving force of the bipolar transistor from being reduced due to the diffusion of the impurity from the external base into the emitter-intrinsic base junction. Therefore, characteristics such as high-speed operability and high current driving force can be realized.
エミッタ電極の厚みが、200nm以上で500nm以下の範囲にあることにより、エミッタ電極の上面においてエミッタ開口部の上方に位置する部分に生じる凹みをできるだけ小さくすることができ、エミッタ電極のシリサイド層の抵抗の増大を抑制することができる。 When the thickness of the emitter electrode is in the range of 200 nm or more and 500 nm or less, a dent generated in a portion located above the emitter opening on the upper surface of the emitter electrode can be minimized, and the resistance of the silicide layer of the emitter electrode can be reduced. Increase can be suppressed.
そして、エミッタ電極の上面における凹みはアスペクト比が1/5以下であることが好ましい。 The aspect ratio of the recess on the upper surface of the emitter electrode is preferably 1/5 or less.
外部ベース層のうちエミッタ電極の側端部下方の位置からエミッタ層−真性ベース層間の境界部よりも230nm離れた位置までの領域に、第2導電型不純物が注入されていることにより、バイポーラトランジスタの特性に悪影響を与えることなく、ベース抵抗の低減をはかることができる。 Since the second conductivity type impurity is implanted into a region of the external base layer from a position below the side end of the emitter electrode to a position 230 nm away from the boundary between the emitter layer and the intrinsic base layer, the bipolar transistor is formed. The base resistance can be reduced without adversely affecting the characteristics of the device.
層間絶縁膜を貫通して形成される導体プラグが、外部ベース層のうち分離層の上にコンタクトしていることにより、第1の半導体層に導体プラグが突き抜けて形成されるのを防止することができる。 Preventing the conductive plug formed through the interlayer insulating film from penetrating through the first semiconductor layer by being in contact with the separation layer of the external base layer Can be.
本発明のバイポーラトランジスタの製造方法は、分離層に囲まれた第1導電型の第1の半導体層の上に、第2導電型不純物を含む第2の半導体層と、第3の半導体層と、エミッタ開口部を有する絶縁膜と、第1導電型不純物を含むエミッタ電極とを順次形成とともに、エミッタ電極及び絶縁膜をマスクにして、基板表面に垂直な方向に対して傾いた方向から、第2導電型の不純物を第2及び第3の半導体層に注入する方法である。 According to the method of manufacturing a bipolar transistor of the present invention, a second semiconductor layer containing a second conductivity type impurity and a third semiconductor layer are formed on a first conductivity type first semiconductor layer surrounded by an isolation layer. An insulating film having an emitter opening and an emitter electrode containing a first conductivity type impurity are sequentially formed, and the emitter electrode and the insulating film are used as masks to form a second electrode from a direction inclined with respect to a direction perpendicular to the substrate surface. This is a method of injecting two conductivity type impurities into the second and third semiconductor layers.
この方法により、第2,第3の半導体層のうち真性ベース層となるエミッタ開口部直下法の領域に近い部分にまで第2導電型不純物を注入することができるので、ベース抵抗の低減を図ることができる。また、電気特性とエミッタ電極のレイアウトとの最適化を独立して行うことができる。 According to this method, the second conductivity-type impurity can be implanted into a portion of the second and third semiconductor layers close to the region directly below the emitter opening serving as the intrinsic base layer, so that the base resistance is reduced. be able to. Further, it is possible to independently optimize the electric characteristics and the layout of the emitter electrode.
第2,第3の半導体層に第2導電型不純物を注入する際には、第2導電型不純物がエミッタ層と第2の半導体層との境界から230nmよりもエミッタ層側に達しない条件で、第2導電型不純物の注入を行うことにより、バイポーラトランジスタの特性への悪影響を回避することができる。 When the second conductivity type impurity is implanted into the second and third semiconductor layers, the second conductivity type impurity is not allowed to reach the emitter layer side more than 230 nm from the boundary between the emitter layer and the second semiconductor layer. By implanting impurities of the second conductivity type, adverse effects on the characteristics of the bipolar transistor can be avoided.
エミッタ電極となる多結晶層は、200nm以上で500nm以下の範囲にある厚みを有していることが好ましい。 The polycrystalline layer serving as the emitter electrode preferably has a thickness in a range from 200 nm to 500 nm.
以上説明したように、本発明のバイポーラトランジスタ又はその製造方法により、高速動作性・高電流駆動力という特性を実現することが可能となる。 As described above, the characteristics of high-speed operability and high current driving capability can be realized by the bipolar transistor of the present invention or the method of manufacturing the same.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明の第1の実施形態について詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係るバイポーラトランジスタの断面図である。
(1st Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of the bipolar transistor according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態のバイポーラトランジスタ(HBT)は、基板内に、P型Si基板1と、Si基板1の表面部に形成されたサブコレクタ層2と、サブコレクタ層2の上にエピタキシャル成長によって形成され、コレクタとして機能するSi単結晶層3と、シリコン酸化膜からなるシャロートレンチ4と、シャロートレンチ4の下方に形成され、シリコン酸化膜7及びポリシリコン膜6からなるディープトレンチ5と、サブコレクタ層2とはシャロートレンチ4を挟んだ離間した部位に形成されたN+型コレクタ引き出し層8とを備えている。
As shown in FIG. 1, a bipolar transistor (HBT) according to the present embodiment includes a P-
さらに、バイポーラトランジスタは、Si単結晶層3の上に形成された単結晶のSi/SiGeC層30a及び多結晶のSi/SiGeC層30bと、単結晶のSi/SiGeC層30aの上に形成され、エミッタ開口部を有する酸化膜31と、酸化膜31の上に形成され、エミッタ開口部を有するポリシリコン膜32と、エミッタ開口部を埋めて単結晶のSi/SiGeC層30aに接触するエミッタ電極50と、単結晶のSi/SiGeC層30aの上部に形成されたエミッタ層35と、エミッタ電極50,ポリシリコン膜32及び酸化膜31の側面上に形成されたシリコン酸化膜からなるサイドウォール36と、エミッタ電極50,Si/SiGeC層30a,30b,及びN+型コレクタ引き出し層8の上部に形成されたシリサイド層37a,37b,37cとを備えている。ここで、単結晶のSi/SiGeC層30aのうちエミッタ層35とSi単結晶層3(コレクタ層)とに挟まれた部分が真性ベース層52である。また、Si/SiGeC層30aのうち真性ベース層52を除く部分と、多結晶のSi/SiGeC層30bと、Coシリサイド層37bとにより、外部ベース層51が構成されている。なお、本実施形態のSiGeC膜は、エミッタ側からコレクタ側に向かってバンドギャップが徐々に小さくなるように、傾斜組成を有しており、正確にはSi1-x-yGexCyで表されるものである。
Further, the bipolar transistor is formed on a single-crystal Si /
また、基板上には、エミッタ電極50や外部ベース層51を覆うシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜38と、層間絶縁膜38を貫通してHBTのエミッタ電極50,外部ベース層51及びN+型コレクタ引き出し層8の各Coシリサイド層37に到達する接続孔を埋めるWプラグ39と、層間絶縁膜38の上に形成され、各Wプラグ39に接続されるアルミニウム合金膜からなる金属配線40とが設けられている。
Further, on the substrate, an interlayer
次に、本発明の第1の実施形態における半導体装置の製造方法について説明する。図2〜図12は、本発明の第1の実施形態に係るバイポーラトランジスタの製造工程を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. 2 to 12 are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing the bipolar transistor according to the first embodiment of the present invention.
まず、図2に示すように、(001)面を主面とするP型Si基板1の上部の表面に、フォトリソグラフィーを用いて、N型のサブコレクタ層を形成しようとする領域を開口したレジスト膜(図示せず)を形成する。次に、レジスト膜を注入マスクとして用いて、Si基板1にヒ素(As)イオンを注入して、HBT形成領域に深さ約1μmのN型のサブコレクタ層2を形成する。このとき、サブコレクタ層2内におけるAsの濃度は、約6×1019cm-3である。続いて、Si基板1の上に、N型不純物をin-situ ドープしながらSi単結晶層3(第1の半導体層)をエピタキシャル成長させる。このとき、Si単結晶3内におけるN型不純物の濃度は、約1×1015cm-3である。
First, as shown in FIG. 2, a region where an N-type subcollector layer is to be formed was opened in the upper surface of a P-
次に、図3に示す工程で、分離層として、シリコン酸化膜が埋め込まれたシャロートレンチ4と、アンドープポリシリコン膜6およびこれを取り囲むシリコン酸化膜7により構成されるディープトレンチ5とを形成する。各トレンチ4、5の深さは、それぞれ約0.3μm、約3μmである。
Next, in the step shown in FIG. 3, a
次に、図4に示す工程で、N+型コレクタ引き出し層形成領域を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、レジスト膜を注入マスクとして用いて、加速エネルギー約60KeV,ドーズ量3×1015cm-2の条件で、リン(P)イオンをSi単結晶層3内に選択的に注入した後、酸素プラズマアッシングを用いてレジスト膜を除去する。続いて、温度が850℃程度で30分程度の熱処理を行なって、シャロートレンチ5,5間にN+型コレクタ引き出し層8を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 4, a resist film (not shown) having an opening in the region for forming the N + type collector lead-out layer is formed, and using the resist film as an implantation mask, acceleration energy of about 60 KeV and a dose of 3 × 10 5 After selectively implanting phosphorus (P) ions into the Si
次に、フォトリソグラフィーとイオン注入とを用いて、加速エネルギー約50KeV,ドーズ量3×1015cm-2の条件で、N+型コレクタ引き出し層8の上部にヒ素を注入し、続いて例えば温度が1000℃程度、時間が10〜15秒程度の熱処理をして不純物を活性化させる。
Next, using photolithography and ion implantation, arsenic is implanted into the upper portion of the N + -type collector lead-out
次に、図5に示す工程で、減圧CVD法により、基板上に厚さ約50nmの酸化膜28を堆積させ、続いて、減圧CVD法により、酸化膜28の上に約100nmのポリシリコン膜29を堆積させる。
Next, in a step shown in FIG. 5, an
次に、図6に示す工程で、フォトリソグラフィーを用いてHBT形成領域を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、レジスト膜をエッチングマスクとして用いて、エッチングにより、ポリシリコン膜29をパターニングして、外部ベース層形成領域を開口する。その後、コレクタのリンプロファイルを形成するために、レジスト膜及びポリシリコン膜29を注入マスクとして用いて、加速エネルギー280keV,ドーズ量約5×1013cm-3の条件で、リンを酸化膜28を通過させてSi単結晶層3内に注入する。これにより、Si単結晶層3内に所望のコレクタ用リンプロファイルが形成される。次に、酸素プラズマアッシングを用いてレジスト膜を除去し、続いて、ポリシリコン膜29の開口部に露出している酸化膜28をフッ酸により除去し、リンが注入されたSi単結晶層3の表面を露出させる。
Next, in the step shown in FIG. 6, a resist film (not shown) having an HBT formation region opened is formed by photolithography, and the
次に、図7に示す工程で、UHV−CVD法により、基板上に約60nmのSiバッファ層をエピした後に、SiGeC膜(第2の半導体層)とその直上にSi膜(第3の半導体層)をエピタキシャル成長させて、Si/SiGeC層を形成する。このとき、Si単結晶層3の上には、厚さ約70nmのSiGeC膜と厚さ約30nmのSi膜とからなる厚さ約100nmのSi/SiGeC層30aが成長され、シャロートレンチ4(酸化膜)及びポリシリコン膜29の上には、厚さ約30nmの多結晶Siと厚さ35nmの多結晶SiGeC膜と厚さ約15nmの多結晶Si膜とからなる厚さ約80nmの多結晶のSi/SiGeC層30bが成長される。また、in-situ ドープにより、SiGeC膜にはボロン(B)が導入されて、SiGeC膜はP型になっている。
Next, in the step shown in FIG. 7, after a Si buffer layer of about 60 nm is epitaxially formed on the substrate by UHV-CVD, a SiGeC film (second semiconductor layer) and a Si film (third semiconductor layer) Layer) is epitaxially grown to form a Si / SiGeC layer. At this time, an Si /
ここで、高真空状態でSiGeC膜をエピタキシャル成長させるUHV−CVD法では、成長反応が表面のみで起きるために、成長レートの面方位依存性が強い成長方法である。この現象を用いると、Si単結晶層の表面(例えば(100)面)とポリシリコン層や酸化膜の表面とでは、結晶成長速度が異なる。つまり、多くの結晶方位が存在するポリシリコン膜や非晶質層である絶縁膜の表面での成長レートが遅くなる。実験によれば、ポリシリコン層および酸化膜の上では、Si単結晶層の(100)面上に比べて約半分の成長レートであった。SiGeC膜に続いて高真空状態で成長されるSi膜についても同様である。したがって、Si/SiGeC層30bの膜厚は約50nmである。このように、UHV−CVD法を用いれば、外部ベース層の主要部となる多結晶のSi/SiGeC層30bを低成長レートで成長させることが可能となり、外部ベース層のうちで電気抵抗の高い多結晶のSiGeC膜は、真性ベース層となる単結晶のSiGeC膜の膜厚よりも薄くなる。この結果、真性ベース層と、後に形成される外部ベース層の一部となるシリサイド膜とは連続的に接続され、さらにその間の距離が短縮され、低ベース抵抗によるバイポーラトランジスタの高性能化が図れることになる。
Here, the UHV-CVD method in which a SiGeC film is epitaxially grown in a high vacuum state is a growth method in which the growth rate is strongly dependent on the plane orientation because the growth reaction occurs only on the surface. Using this phenomenon, the crystal growth rate differs between the surface of the Si single crystal layer (for example, the (100) plane) and the surface of the polysilicon layer or the oxide film. In other words, the growth rate on the surface of the polysilicon film having many crystal orientations or the insulating film which is an amorphous layer becomes slow. According to the experiment, the growth rate on the polysilicon layer and the oxide film was about half of that on the (100) plane of the Si single crystal layer. The same applies to a Si film grown in a high vacuum state following the SiGeC film. Therefore, the thickness of the Si /
次に、図8に示す工程で、減圧CVD法により、基板上に、膜厚が約30nmの酸化膜31および膜厚が約50nmで濃度約3×1015cm-3のリンを含むポリシリコン膜32を連続して堆積する。その後、フォトリソグラフィーを用いて、エミッタ形成領域を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、レジスト膜をエッチングマスクとして用いて、ドライエッチングにより、ポリシリコン膜32をパターニングして、エミッタ開口部45を形成する。その後、ウエットエッチングにより、エミッタ開口部45内の酸化膜31を除去する。
Next, in a step shown in FIG. 8, an
次に、図9に示す工程で、基板上に、in-situ ドープを伴う減圧CVDにより、膜厚が400nm程度で濃度が1〜5×1020cm-3程度のN型不純物(リン)を含むN+型ポリシリコン33を堆積する。続いて、フォトリソグラフィーにより、N+型ポリシリコン膜33の上に、エミッタ電極部分を覆うレジスト膜46を形成する。そして、レジスト膜46をエッチングマスクとして用いて、異方性エッチングにより、ポリシリコン膜33,32をパターニングしてエミッタ電極50を形成する。続いて、レジスト膜46及びエミッタ電極50をエッチングマスクとして用いて、ウエットエッチングにより、酸化膜31のうちエミッタ電極50によって覆われていない部分を除去する。ポリシリコン膜33の厚さは、200nm以上500nm以下の範囲にあることが好ましく、この範囲内で300nm以上であることがより好ましい。
Next, in a step shown in FIG. 9, an N-type impurity (phosphorus) having a thickness of about 400 nm and a concentration of about 1 to 5 × 10 20 cm −3 is deposited on the substrate by low-pressure CVD with in-situ doping. N + -
次に、外部ベースの抵抗を低減するために、Si/SiGeC層30a,30bに、基板表面に実質的に垂直な方向(チャネリングを生じない程度の傾きしかない方向)から、加速エネルギー約5KeV,ドーズ量2×1015cm-3の条件でボロンの追加注入を行なう。 Next, in order to reduce the resistance of the external base, the Si / SiGeC layers 30a and 30b are provided with an acceleration energy of about 5 KeV, in a direction substantially perpendicular to the substrate surface (a direction having only an inclination that does not cause channeling). Additional implantation of boron is performed under the condition of a dose amount of 2 × 10 15 cm −3 .
次に、図10に示す工程で、酸素プラズマアッシングにより、レジスト膜46を除去する。その後、フォトリソグラフィーにより、エミッタ電極50及び多結晶のSi/SiGeC層30bのうち外部ベース層となる領域を覆うレジスト膜47を形成し、レジスト膜47をエッチングマスクとして用いて、多結晶のSi/SiGeC層30bのうち外部ベース層よりも外側に位置する部分を除去する。
Next, in the step shown in FIG. 10, the resist
次に、図11に示す工程で、減圧CVD法により、基板上に、厚さが約30〜100nm程度の酸化膜を堆積した後、温度が900℃程度で、時間が10〜15秒程度の熱処理を行なって、エミッタ電極50からSi/SiGeC層30a中のSi膜内にヒ素を拡散させてエミッタ層35を形成する。続いて、基板上に、酸化膜堆積した後、酸化膜を異方性エッチングして、エミッタ電極50の側面上にサイドウォール36を形成する。この時、HBTのエミッタ電極50の上面、Si/SiGeC層30a,30bの上面、及びN+型コレクタ引き出し層8の上面には、シリコン層が露出している状態である。
Next, in a step shown in FIG. 11, after depositing an oxide film having a thickness of about 30 to 100 nm on the substrate by a low pressure CVD method, the temperature is about 900 ° C. and the time is about 10 to 15 seconds. By performing a heat treatment, arsenic is diffused from the
次に、図12に示す工程で、スパッタリングにより、基板上にCo膜を形成した後、加熱してCoとSiとを反応させて、HBTのエミッタ電極50の上部、Si/SiGeC層30a,30bの上部、及びN+型コレクタ引き出し層8の上部にCoシリサイド層37a,37b,37cを形成する。その後、CoとSiとの未反応層を除去し、続いて、Coシリサイド層37a,37b,37cのアニールを行なうことにより、Coシリサイド層37a,37b,37cを低抵抗化する。これにより、Si/SiGeC層30aの一部と、Si/SiGeC層30と、Coシリサイド層37bとによって構成される外部ベース層51とを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 12, after forming a Co film on the substrate by sputtering, Co and Si are reacted by heating to form an upper portion of the
これ以降の工程では、標準的な多層配線工程プロセスを用いる。すなわち、基板上に酸化膜からなる層間絶縁膜38を堆積した後に、層間絶縁膜38を貫通してHBTのエミッタ電極50,外部ベース層51及びN+型コレクタ引き出し層8の各Coシリサイド層37a,37b,37cに到達する接続孔を形成する。
In the subsequent steps, a standard multilayer wiring process is used. That is, after depositing an
その後に、各接続孔内にW膜を埋め込んでWプラグ39を形成した後に、スパッタリングにより、基板上にアルミニウム合金膜を形成し、所定の領域を開口したレジスト膜をマスクとして用いて、アルミニウム合金膜をパターニングすることにより、各Wプラグ39に接続され、層間絶縁膜38の上に延びる金属配線40を形成する。
Thereafter, a W film is buried in each connection hole to form a
なお、本実施形態では、ベース層の直下からサブコレクタ層にいたるまでのSi単結晶における不純物濃度プロファイルを一度のリン注入で形成したが、不純物濃度プロファイルを最適化するにあたり多段注入を実施したり、エミッタ開口用マスク(図8に示すポリシリコン膜32)を用いたセルフアラインの注入を用いたりしても構わない。
In the present embodiment, the impurity concentration profile in the Si single crystal from immediately below the base layer to the subcollector layer is formed by a single phosphorus implantation, but in order to optimize the impurity concentration profile, multi-stage implantation is performed. Alternatively, self-aligned implantation using an emitter opening mask (
本実施形態によると、以下の効果を発揮することができる。 According to the present embodiment, the following effects can be obtained.
まず、エミッタ電極50は、厚さが約400nmのポリシリコン膜によって構成されている。特許文献1に記載されている従来のバイポーラトランジスタでは、エミッタ電極を構成するポリシリコン膜の膜厚は140nmであるのに対し、本実施形態においては、エミッタ電極50を構成するポリシリコン膜33の膜厚は400nmであり、極めて厚くなっている。
First, the
エミッタ電極50(ポリシリコン膜33)の厚さは、図9に示す工程で、エミッタ電極50に注入されたボロンがエミッタ電極50内を拡散して、エミッタ−ベース接合部まで達しないように設定されている。
The thickness of the emitter electrode 50 (polysilicon film 33) is set so that the boron implanted into the
また、エミッタ電極を構成するポリシリコン膜が厚いことにより、本実施形態におけるエミッタ電極50の上面には、エミッタ開口部に対応する凹部がほとんどなくなる。
Further, since the polysilicon film constituting the emitter electrode is thick, the upper surface of the
図15は、エミッタ電極用ポリシリコン膜の膜厚に対するエミッタ電極上面の凹み量を示す図である。同図に示すように、ポリシリコン膜の膜厚が150nm程度の場合には、エミッタ電極の上面の凹み量が大きい。エミッタ電極50の上面に深い凹部があると、シリサイド層37cの形成の際に、シリサイド層37cの薄膜化を引き起こし、コンタクト抵抗が増大するおそれがある。それに対し、本実施形態のエミッタ電極50では、コンタクト抵抗を確実に低く維持することができる。ここで、図15に示されるように、エミッタ電極50に対するコンタクト抵抗を確実に低く維持するためには、エミッタ電極50上面の凹みのアスペクト比が1/5以下、できれば1/10以下であることが好ましい。本実施形態においては、エミッタ電極50の幅が約0.7μmであることから、ポリシリコン膜33の厚さは、200nm以上であることが好ましく、300nm以上であることがより好ましい。一方、層間絶縁膜38の厚さは約1μmであるので、絶縁性や加工性を考慮すると、ポリシリコン膜の厚さは500nm以下であることが好ましい。
FIG. 15 is a diagram showing the amount of depression on the upper surface of the emitter electrode with respect to the thickness of the emitter electrode polysilicon film. As shown in the figure, when the thickness of the polysilicon film is about 150 nm, the amount of depression on the upper surface of the emitter electrode is large. If there is a deep recess on the upper surface of the
また、本実施形態の製造方法においては、UHV−CVD法を用いて、外部ベースとなる多結晶SiGe膜を低成長レートで作成することが可能となり、外部ベース層51における高抵抗の多結晶のSi/SiGeC層30bの膜厚が、真性ベース層52における単結晶のSi/SiGeC層30aの膜厚よりも薄くなる。この結果、真性ベース層52と外部ベース層51のシリサイド層37bとの間の距離が短縮され、低ベース抵抗によるバイポーラトランジスタの高性能化が図れることになる。
Further, in the manufacturing method of the present embodiment, it is possible to form a polycrystalline SiGe film serving as an external base at a low growth rate by using the UHV-CVD method. The thickness of the Si /
(第2の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明の第2の実施形態について説明する。図13,図14は、本発明の第2の実施形態に係るバイポーラトランジスタの製造工程を示す断面図である。
(Second embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 13 and FIG. 14 are cross-sectional views showing a manufacturing process of the bipolar transistor according to the second embodiment of the present invention.
本実施形態においても、第1の実施形態における図1に示す工程(P型Si基板1にサブコレクタ層2を形成する工程)から図8に示す工程(エミッタ開口を形成する工程)までを行なう。
Also in this embodiment, the steps from the step shown in FIG. 1 (the step of forming the
次に、本実施形態では、第1の実施形態における図9に示す工程に代えて、図13に示す工程を行なう。すなわち、ポリシリコン膜33のパターニングによるエミッタ電極50の形成に続いて、レジスト膜46を残した状態で、ウエットエッチングにより酸化膜31をパターニングする。その後、ボロンを基板に垂直な方向に対して約25°傾いた方向からSi/SiGeC層30a,30b内に注入する斜め注入ステップを、基板を90°ずつ回転させながら4回に分けて行なう(4ステップ注入)。これにより、Si/SiGeC層30aのうち酸化膜31の下方に位置する領域、つまり、エミッタ電極50の端部よりも真性ベース層52に近い領域にまでボロンを導入する。その際、注入エネルギーは10KeVであり、4回トータルのドーズ量は約1.5×1014cm-3である。
Next, in the present embodiment, a step shown in FIG. 13 is performed instead of the step shown in FIG. 9 in the first embodiment. That is, following formation of the
さらに、レジスト膜46をつけたままで、外部ベース層の抵抗を低減するために、実質的に垂直な方向(チャネリングを生じない程度の傾きしかない方向)から加速エネルギー約5KeV、ドーズ量2×1015cm-3の条件で、ボロンの追加注入を行なう。
Further, in order to reduce the resistance of the external base layer with the resist
次に、図14に示す工程で、酸素プラズマアッシングにより、レジスト膜46を除去する。その後、フォトリソグラフィーにより、エミッタ電極50及び多結晶のSi/SiGeC層30bのうち外部ベース層となる領域を覆うレジスト膜47を形成し、レジスト膜47をエッチングマスクとして用いて、多結晶のSi/SiGeC層30bのうち外部ベース層よりも外側に位置する部分及びその下方の酸化膜29を除去する。これにより、第1の実施形態と同様に、外部ベース層51が形成される。その後、第1の実施形態の図10〜図12に示す工程と同じ工程を行なう。
Next, in the step shown in FIG. 14, the resist
本実施形態の製造方法によると、外部ベース部へのボロン注入として、基板主面に垂直な方向に対して傾いた方向からSi/SiGeC層30a,30b内に注入する斜め注入を行なっているので、外部ベース層51の高抵抗部であるSi/SiGeC層30aのうち酸化膜31の下方に位置する領域、つまり、エミッタ電極50の端部よりも真性ベース層52に近い領域にまでボロンを導入することができる。よって、ベース抵抗を低減することができる。また、生産的には斜め注入の傾き角を適正に(例えば25°に)調整すれば、電気特性に影響を与える外部ベース層51からエミッタ−ベース接合部(エミッタ層35と真性ベース層52との境界領域)への高濃度ボロンの横広がりを気にすることなく、加工的な観点からエミッタ電極の形状を決めることが可能となる。これにより、歩留まりの改善や大規模な集積回路への応用が容易となる。よって、バイポーラトランジスタの高速動作・高電流駆動力を実現することができる。
According to the manufacturing method of the present embodiment, as the boron implantation into the external base portion, the oblique implantation is performed in which the Si / SiGeC layers 30a and 30b are implanted from the direction inclined with respect to the direction perpendicular to the main surface of the substrate. Then, boron is introduced into a region of the Si /
一方、不純物イオンの斜め注入を行なうことにより、N型不純物を含むエミッタ電極50にもP型不純物であるボロンが導入されることになる。したがって、エミッタ電極を構成するポリシリコン膜の膜厚が薄いとボロンの突き抜けやエミッタ電極の抵抗の増加などデバイス特性への悪影響が懸念される。それに対し、本発明ではエミッタ電極を構成するポリシリコン膜の膜厚を約400nmと通常よりは厚く設定しているために、N型不純物の総量が多く、ボロンの突き抜けや抵抗増加の影響を比較的受けにくくすることが可能である。つまり、本実施形態においても、エミッタ電極50(ポリシリコン膜33)の厚さは、図13に示す工程で、エミッタ電極50に注入されたボロンがエミッタ電極50内を拡散して、エミッタ−ベース接合部まで達しないように設定されている。
On the other hand, by obliquely implanting impurity ions, boron as a P-type impurity is also introduced into the
図16は、本実施形態の条件で、ベース形成時に25°の傾き角による斜め注入を行なったときの注入エネルギーに対するバイポーラトランジスタのピーク遮断周波数fTとの関係を示すデータである。 FIG. 16 is data showing the relationship between the implantation energy and the peak cutoff frequency f T of the bipolar transistor when oblique implantation is performed at an inclination angle of 25 ° during base formation under the conditions of the present embodiment.
同図に示すように、注入エネルギーが20keVを超えるとピーク遮断周波数fTが低下し始める。この原因は、エミッタ層付近におけるボロン濃度が上昇することにあると思われる。反面、注入エネルギーが6keVに満たない場合にも、ピーク遮断周波数fTが低下する。 As shown in the figure, the implantation energy is higher than 20keV when the peak cut-off frequency f T starts to decrease. This is considered to be due to an increase in boron concentration near the emitter layer. On the other hand, even when the implantation energy is less than 6 keV, the peak cutoff frequency f T is reduced.
ここで、斜め注入の傾き角25°,加速エネルギー20keVという条件でボロン注入を行なうと、ボロンが70nmの深さまで注入されるので、横方向への広がりは約30nmになる。したがって、エミッタ電極50の端部から約30nm以下の広がりをもつような注入条件であると、本実施形態の効果が得られることになる。一方、斜め注入の傾き角25°,加速エネルギー6keVという条件でボロン注入を行なうと、ボロンが40nmの深さまで注入されるので、横方向への広がりは約17nmになる。したがって、エミッタ電極50の端部から約30nm以下の広がりをもつような注入条件であると、本実施形態の効果が得られることになる。なお、本実施例でのエミッタ端からエミッタ電極外端までは加工上0.25umで設計されている。 また、斜め注入のボロンがベース−エミッタ接合部の動作に影響しない安全な距離を、「ボロンの飛程+6×標準偏差」分の距離と考えると、注入エネルギーが20keVの場合には、この安全な距離は230nmになる。したがって、性能ばらつきを考慮すると、エミッタ電極の横方向寸法は、エミッタ−ベース接合部から230nm以上の距離を有するように設計されていることが好ましい。ボロンの横方向への侵入深さは、イオン注入の差異の注入エネルギーやドーズ量によって変化し、エミッタ電極やエミッタ層の横方向の寸法は設計によって変化するが、斜め注入の際の加速エネルギー及び傾き角の条件を、エミッタ−ベース接合部から230nm以上の距離を有するように、各部の寸法やプロセス条件を設定することが好ましい。
Here, when boron is implanted under the conditions of an oblique implantation angle of 25 ° and an acceleration energy of 20 keV, boron is implanted to a depth of 70 nm, so that the lateral spread is about 30 nm. Therefore, the effects of the present embodiment can be obtained if the implantation conditions are such that the width extends about 30 nm or less from the end of the
また、本実施形態の製造方法においては、UHV−CVD法を用いて、外部ベースとなる多結晶SiGe膜を低成長レートで作成することが可能となり、外部ベース層51における高抵抗の多結晶のSi/SiGeC層30bの膜厚が、真性ベース層52における単結晶のSi/SiGeC層30aの膜厚よりも薄くなる。この結果、真性ベース層52と外部ベース層51のシリサイド層37bとの間の距離が短縮され、低ベース抵抗によるバイポーラトランジスタの高性能化が図れることになる。
Further, in the manufacturing method of the present embodiment, it is possible to form a polycrystalline SiGe film serving as an external base at a low growth rate by using the UHV-CVD method. The thickness of the Si /
なお、本実施形態におけるエミッタ電極を構成するポリシリコン膜の膜厚や、エミッタ電極の横方向寸法は第1の実施形態と同様であり、従来のバイポーラトランジスタ比べると極めて厚い。したがって、第1の実施形態と同様に、エミッタ電極50へのコンタクト抵抗を確実に低く維持するなどの効果を発揮することができる。
Note that the thickness of the polysilicon film constituting the emitter electrode and the lateral dimension of the emitter electrode in this embodiment are the same as those in the first embodiment, and are much larger than those of the conventional bipolar transistor. Therefore, similarly to the first embodiment, it is possible to exhibit effects such as reliably maintaining the contact resistance to the
上記各実施形態においては、Si/SiGeCヘテロ接合を有するバイポーラトランジスタについて説明したが、SiGeC膜に代えて、Cを含まないSi1-xGex膜、あるいは、微量(組成比で0.1〜3.0%)のCを含むSi1-yCy膜を設けても、各実施形態の基本的な効果を発揮することはできる。 In the above embodiments has described a bipolar transistor having a Si / SiGeC heterojunction, instead of the SiGeC layer, Si 1-x Ge x film containing no C or, 0.1 in trace amounts (composition ratio (3.0%), the basic effect of each embodiment can be exhibited even if a Si 1-y C y film containing C is provided.
また、上記各実施形態においては、エミッタ開口部を有する酸化膜31の上に、エミッタ開口部を有する,リンを含むポリシリコン膜32を設けたが、ポリシリコン膜32は、必ずしも必要ではない。しかし、エミッタ電極と同じ導電型不純物を含むポリシリコン膜32を設けることにより、エミッタ電極に注入されたボロンが下方及び内方に拡散する(突き抜ける)のをできるだけ阻止することができる利点がある。
Further, in each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態においては、ポリシリコン膜からなるエミッタ電極を設けたが、エミッタ電極を多結晶SiGe膜によって構成することも可能である。 In each of the above embodiments, the emitter electrode made of a polysilicon film is provided. However, the emitter electrode may be made of a polycrystalline SiGe film.
また、ポリシリコン膜32に代えて、多結晶SiGe膜または多結晶SiGeC膜を設けてもよい。
Further, instead of the
本発明のバイポーラトランジスタは、移動体通信等の通信用デバイスに搭載される高周波信号増幅用トランジスタや、パワートランジスタとして利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The bipolar transistor of the present invention can be used as a transistor for amplifying a high-frequency signal or a power transistor mounted on a device for communication such as mobile communication.
1 P型Si基板
2 サブコレクタ
3 Si単結晶層
4 シャロートレンチ
5 ディープトレンチ
6 アンドープポリシリコン膜
7 シリコン酸化膜
8 N+型コレクタ引き出し層
9 P型ウェル
10 N型ウェル
11 酸化膜
28 酸化膜
29 ポリシリコン膜
30 (単結晶の)Si/SiGeC層
30 (多結晶の)Si/SiGeC層
31 酸化膜
32 ポリシリコン膜
33 ポリシリコン膜
35 エミッタ層
36 サイドウォール
37 Coシリサイド層
38 層間絶縁膜
39 Wプラグ
40 アルミニウム金属配線
45 エミッタ開口部
50 エミッタ電極
51 外部ベース層
52 真性ベース層
Reference Signs List 1 P-
Claims (11)
上記第1の半導体層の上面領域に形成され、第1導電型不純物を含むコレクタ層と、
上記コレクタ層を挟んで互いに離間して形成され、絶縁膜からなる2つの分離層と、
上記第1の半導体層及び上記分離層の上に成長され、上記第1の半導体層とはバンドギャップが異なる,第2導電型不純物を含む第2の半導体層と、
上記第2の半導体層の上に成長され、上記第2の半導体層とはバンドギャップが異なる第3の半導体層と、
上記第3の半導体層の上に形成され、エミッタ開口部を有する絶縁膜と、
上記エミッタ開口部を埋めて形成され、第1導電型不純物を含む多結晶半導体からなるエミッタ電極とを備え、
上記第3の半導体層のうち上記エミッタ電極に接する領域は、第1導電型不純物を含むエミッタ層であり、
上記第2の半導体層のうち上記エミッタ層と上記コレクタ層とによって挟まれる領域は、第2導電型不純物を含む真性ベース層であり、
上記第2の半導体層及び上記第3の半導体層のうち上記真性ベース層を囲む部分は、第2導電型不純物を含む外部ベース層であり、
上記外部ベース層は、上記分離層に跨っており、かつ、表面部にシリサイド層を有しており、
上記エミッタ電極は、その内部に注入された,外部ベース形成用第2導電型不純物の下部における濃度が低濃度になるように拡散させる膜厚を有している,バイポーラトランジスタ。 A first semiconductor layer;
A collector layer formed in an upper surface region of the first semiconductor layer and containing a first conductivity type impurity;
Two separation layers formed of an insulating film and separated from each other with the collector layer interposed therebetween;
A second semiconductor layer grown on the first semiconductor layer and the separation layer and having a different band gap from the first semiconductor layer and containing a second conductivity type impurity;
A third semiconductor layer grown on the second semiconductor layer and having a different band gap from the second semiconductor layer;
An insulating film formed on the third semiconductor layer and having an emitter opening;
An emitter electrode formed of a polycrystalline semiconductor including a first conductivity type impurity, the emitter electrode being formed to fill the emitter opening;
A region of the third semiconductor layer in contact with the emitter electrode is an emitter layer containing a first conductivity type impurity,
A region of the second semiconductor layer sandwiched between the emitter layer and the collector layer is an intrinsic base layer containing a second conductivity type impurity,
A portion of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer surrounding the intrinsic base layer is an external base layer containing a second conductivity type impurity,
The external base layer straddles the separation layer, and has a silicide layer on a surface thereof,
A bipolar transistor, wherein the emitter electrode has a film thickness that is diffused so that the concentration of the second base-type impurity for forming the external base, which is implanted therein, is lower at the lower portion.
上記エミッタ電極の厚みは、200nm以上で500nm以下の範囲にある,バイポーラトランジスタ。 The bipolar transistor according to claim 1,
A bipolar transistor, wherein the thickness of the emitter electrode ranges from 200 nm to 500 nm.
上記エミッタ電極の上面における上記エミッタ開口部の上方に位置する部位には、アスペクト比が1/5を越える凹みが存在しない,バイポーラトランジスタ。 The bipolar transistor according to claim 1,
A bipolar transistor, wherein a portion of the upper surface of the emitter electrode located above the emitter opening has no recess having an aspect ratio exceeding 1/5.
上記外部ベース層のうち上記エミッタ電極の側端部下方の位置から上記エミッタ層−真性ベース層間の境界部よりも230nm離れた位置までの領域に、上記第2導電型不純物が注入されている,バイポーラトランジスタ。 The bipolar transistor according to any one of claims 1 to 3,
The second conductivity type impurity is implanted into a region of the external base layer from a position below a side end of the emitter electrode to a position 230 nm away from a boundary between the emitter layer and the intrinsic base layer. Bipolar transistor.
上記エミッタ電極及び上記外部ベース層を覆う層間絶縁膜と、
上記層間絶縁膜を貫通して形成され、上記外部ベース層のうち上記分離層の上にコンタクトする導体プラグを備えているバイポーラトランジスタ。 The bipolar transistor according to any one of claims 1 to 4,
An interlayer insulating film covering the emitter electrode and the external base layer;
A bipolar transistor formed through the interlayer insulating film and having a conductor plug in contact with the isolation layer in the external base layer.
上記第1の半導体層は、Si単一組成を有し、
上記第2の半導体層は、SiGeまたはSiGeC混晶組成を有している,バイポーラトランジスタ。 The bipolar transistor according to any one of claims 1 to 5,
The first semiconductor layer has a single Si composition,
The bipolar transistor, wherein the second semiconductor layer has a SiGe or SiGeC mixed crystal composition.
上記第2の半導体層の上に、上記第2の半導体層とはバンドギャップが異なる第3の半導体層をエピタキシャル成長させる工程(b)と、
上記第3の半導体層の上にエミッタ開口部を有する絶縁膜を形成する工程(c)と、
上記第3の半導体層及び上記絶縁膜の上に、第1導電型不純物を含む多結晶層を形成する工程(d)と、
上記多結晶層及び上記絶縁層をパターニングしてエミッタ電極を形成する工程(e)と、
上記エミッタ電極及び上記絶縁膜をマスクにして、基板表面に垂直な方向に対して傾いた方向から、第2導電型の不純物を上記第2及び第3の半導体層に注入する工程(f)と
を含むバイポーラトランジスタの製造方法。 On the first semiconductor layer of the first conductivity type surrounded by the separation layer, a second semiconductor layer having a band gap different from that of the first semiconductor layer and containing impurities of the second conductivity type is laid over the separation layer. (A) epitaxially growing
(B) epitaxially growing a third semiconductor layer having a band gap different from that of the second semiconductor layer on the second semiconductor layer;
(C) forming an insulating film having an emitter opening on the third semiconductor layer;
(D) forming a polycrystalline layer containing a first conductivity type impurity on the third semiconductor layer and the insulating film;
(E) patterning the polycrystalline layer and the insulating layer to form an emitter electrode;
(F) implanting impurities of the second conductivity type into the second and third semiconductor layers from a direction inclined with respect to a direction perpendicular to the substrate surface, using the emitter electrode and the insulating film as a mask. A method for manufacturing a bipolar transistor, comprising:
上記エミッタ電極から、上記第3の半導体層に第1導電型不純物をドライブイン拡散させて、上記第3の半導体層のうち上記エミッタ開口部の下方に位置する領域にエミッタ層を形成する工程(g)をさらに含み、
上記ステップ(f)では、第2導電型不純物が上記エミッタ層と上記第2の半導体層との境界から230nmよりもエミッタ層側に達しない条件で、上記第2導電型不純物の注入を行う,バイポーラトランジスタの製造方法。 The method for manufacturing a bipolar transistor according to claim 7,
A step of drive-in diffusion of the first conductivity type impurity from the emitter electrode into the third semiconductor layer to form an emitter layer in a region of the third semiconductor layer located below the emitter opening ( g), further comprising:
In the step (f), the second conductivity type impurity is implanted under the condition that the second conductivity type impurity does not reach the emitter layer side more than 230 nm from the boundary between the emitter layer and the second semiconductor layer. A method for manufacturing a bipolar transistor.
上記工程(f)の後で、上記エミッタ電極及び絶縁膜の側面上に絶縁体サイドウォールを形成する工程(h)と、
上記絶縁体サイドウォールをマスクにして、上記第3の半導体層と上記エミッタ電極の上部とをシリサイド化する工程(i)とを
さらに含むバイポーラトランジスタの製造方法。 The method for manufacturing a bipolar transistor according to claim 7 or 8,
After the step (f), a step (h) of forming an insulator sidewall on the side surface of the emitter electrode and the insulating film;
A method of manufacturing a bipolar transistor, further comprising a step (i) of silicidizing the third semiconductor layer and an upper portion of the emitter electrode using the insulator sidewall as a mask.
上記ステップ(d)では、200nm以上で500nm以下の範囲にある厚みを有する多結晶層を形成する,バイポーラトランジスタの製造方法。 The method for manufacturing a bipolar transistor according to any one of claims 7 to 8,
In the above step (d), a method for manufacturing a bipolar transistor, wherein a polycrystalline layer having a thickness in a range from 200 nm to 500 nm is formed.
上記第1の半導体層は、Si単一組成を有しており、
上記ステップ(a)では、SiGeまたはSiGeC混晶組成を有する第2の半導体層を成長させるバイポーラトランジスタの製造方法。 The method for manufacturing a bipolar transistor according to any one of claims 7 to 10,
The first semiconductor layer has a single Si composition,
In the step (a), a method of manufacturing a bipolar transistor for growing a second semiconductor layer having a SiGe or SiGeC mixed crystal composition.
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