JP2005057171A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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彰 井上
Akira Asai
明 浅井
剛 ▲高▼木
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Haruyuki Sorada
晴之 空田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that the outer base of an npn bipolar transistor uses p<SP>+</SP>-polysilicon, this not allowing its base resistance to be lowered. <P>SOLUTION: The outer base 36 of an npn bipolar transistor uses n<SP>+</SP>-polysilicon to form a tunnel junction 24 with its inner base 38. Thus, the reduction of the base resistance is realized. The inner base 38 is preferably made of SiGe and preferably of SiGeC. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、外部ベース構造を有するバイポーラトランジスタに関する。   The present invention relates to a bipolar transistor having an external base structure.

近年、バイポーラトランジスタをMOSトランジスタと同じ基板上に形成し高集積化するBiCMOS・LSI技術が注目を集めている。BiCMOS技術によって高性能アナログ回路と高性能デジタル回路の混載化が可能となるため、部品数およびチップ面積の削減が可能となり、低コストでかつ小さなサイズのチップ製作が実現できる。また最近では、ベース層をSiGe層により構成したSi/SiGe系ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)をSi基板上に集積化する技術が注目を集めている(例えば非特許文献1参照)。   In recent years, BiCMOS / LSI technology, in which bipolar transistors are formed on the same substrate as a MOS transistor and highly integrated, has attracted attention. Since BiCMOS technology enables high-performance analog circuits and high-performance digital circuits to be mixed, the number of components and the chip area can be reduced, and a low-cost and small-size chip can be manufactured. Recently, a technology for integrating a Si / SiGe heterobipolar transistor (HBT) having a base layer composed of a SiGe layer on a Si substrate has attracted attention (see, for example, Non-Patent Document 1).

SiGe層は、Geの組成を変化させることでそのバンドギャップを連続的に変化させることが可能であり、これを応用することで優れた高周波特性を示すことから、大きな関心を集めている。   The SiGe layer is capable of continuously changing the band gap by changing the composition of Ge, and has been attracting great interest because it exhibits excellent high-frequency characteristics by applying this.

バイポーラトランジスタにはNPN型とPNP型があるが、優れた性能の素子を小面積で製作できる点からNPN型が広く用いられている。また、高性能NPN型バイポーラトランジスタでは、コレクタ容量を最小にするためにP型内部ベースからP+ポリシリコンを用いてベースを引き出す、外部ベース構造が用いられている(例えば非特許文献2参照)。 There are two types of bipolar transistors, NPN type and PNP type. The NPN type is widely used because an element with excellent performance can be manufactured in a small area. Further, in the high performance NPN type bipolar transistor, an external base structure is used in which the base is drawn from the P type internal base using P + polysilicon in order to minimize the collector capacitance (see, for example, Non-Patent Document 2). .

以下、図9を用いてSiGeベース層を用いたNPN型バイポーラトランジスタの従来技術に関して説明する。   The prior art of an NPN type bipolar transistor using a SiGe base layer will be described below with reference to FIG.

Si基板10内には、エピタキシャル成長法あるいはイオン注入法によって形成されたN型不純物を含むバイポーラトランジスタのコレクタ層11が形成されている。このコレクタ層11のN型不純物濃度は1×1017cm-3程度に調整されている。素子分離領域は、第2の絶縁体15(ノンドープポリシリコン)および第1の絶縁体14(酸化シリコン)を埋め込んで形成された深さ約2μmのディープトレンチ分離と、第3の絶縁体13(酸化シリコン)を埋め込んで形成された深さ約0.35μmのシャロートレンチ分離から形成されている。さらに、ディープトレンチ分離の下方に位置する領域には、チャネルストッパ用の分離用P+領域12が設けられている。 A collector layer 11 of a bipolar transistor containing an N-type impurity formed by an epitaxial growth method or an ion implantation method is formed in the Si substrate 10. The N-type impurity concentration of the collector layer 11 is adjusted to about 1 × 10 17 cm −3 . The element isolation region includes a deep trench isolation having a depth of about 2 μm formed by embedding the second insulator 15 (non-doped polysilicon) and the first insulator 14 (silicon oxide), and a third insulator 13 ( It is formed from a shallow trench isolation having a depth of about 0.35 μm formed by embedding silicon oxide. Further, an isolation P + region 12 for channel stopper is provided in a region located below the deep trench isolation.

また、Si基板10内にはコレクタ層12の電極を取るためのN+コレクタ引き出し層16が形成されている。コレクタ層11の上方には厚さが約30nmの第4の絶縁層19が設けられており、不純物濃度が1×1020cm-3程度のP+型Si1-xGex内部ベース38およびSi層39が形成されている。P+型Si1-xGex内部ベース38およびSi層39の堆積にはUHV−CVD(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition)装置を用いる。コレクタ層上方では単結晶(SiGe内部ベース38、Si層39)が、第4の絶縁層19上方では多結晶(SiGe外部ベース40、Si外部ベース41)が堆積される。外部ベースは不純物濃度が1×1020cm-3程度の高濃度にP型ドーピングされている。 Further, an N + collector extraction layer 16 for taking an electrode of the collector layer 12 is formed in the Si substrate 10. A fourth insulating layer 19 having a thickness of about 30 nm is provided above the collector layer 11, and a P + -type Si 1-x Ge x internal base 38 having an impurity concentration of about 1 × 10 20 cm −3 and A Si layer 39 is formed. UHV-CVD (Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition) apparatus is used for the deposition of the P + -type Si 1-x Ge x internal base 38 and the Si layer 39. A single crystal (SiGe internal base 38, Si layer 39) is deposited above the collector layer, and a polycrystal (SiGe external base 40, Si external base 41) is deposited above the fourth insulating layer 19. The external base is P-type doped with an impurity concentration as high as about 1 × 10 20 cm −3 .

Si層39上方には高濃度のN型不純物がドープされたN+ポリシリコンエミッタ28が設けられている。N+ポリシリコンエミッタ28の周囲にはサイドウォール25および第7の絶縁体26が設けられており、外部ベースとN+ポリシリコンエミッタ28を電気的に絶縁している。Si層39は、N+ポリシリコンエミッタ層28からの不純物拡散によってN型にドープされており、このSi層39がNPNバイポーラトランジスタのエミッタとして機能する。 Above the Si layer 39, an N + polysilicon emitter 28 doped with high-concentration N-type impurities is provided. N + around the polysilicon emitter 28 and the insulator 26 of the sidewall 25 and the seventh is provided, and electrically insulates the external base and the N + polysilicon emitter 28. The Si layer 39 is doped N-type by impurity diffusion from the N + polysilicon emitter layer 28, and this Si layer 39 functions as the emitter of the NPN bipolar transistor.

+コレクタ引き出し層16、外部ベース、N+ポリシリコンエミッタ層28の表面は、低抵抗化のために厚さ約25nmのTiシリサイド層29が形成されている。。 A Ti silicide layer 29 having a thickness of about 25 nm is formed on the surfaces of the N + collector lead layer 16, the external base, and the N + polysilicon emitter layer 28 in order to reduce resistance. .

そして、Tiシリサイド層29の上には層間絶縁膜30が設けられ、この層間絶縁膜30を貫通し、それぞれ内部ベース38、N+ポリシリコンエミッタ28、およびコレクタ層11に電気的に接続しているベース電極31、エミッタ電極32、およびコレクタ電極33が形成されている。
T. Sakai, Y. Kobayashi, H. Yamauchi, M. Sato, T. Makino, "High speed bipolar ICs using super self-aligned process technology", Jpn. J. Appl. Phys., 20, Suppl. 20-1, pp.155-159 (1980). T. Sakai, Y. Kobayashi, H. Yamauchi, M. Sato, T. Makino, "High speed bipolar ICs using super self-aligned process technology", Jpn. J. Appl. Phys., 20, Suppl. 20-1, pp.155-159 (1980).
An interlayer insulating film 30 is provided on the Ti silicide layer 29, penetrates the interlayer insulating film 30, and is electrically connected to the internal base 38, the N + polysilicon emitter 28, and the collector layer 11, respectively. A base electrode 31, an emitter electrode 32, and a collector electrode 33 are formed.
T. Sakai, Y. Kobayashi, H. Yamauchi, M. Sato, T. Makino, "High speed bipolar ICs using super self-aligned process technology", Jpn. J. Appl. Phys., 20, Suppl. 20-1 , pp.155-159 (1980). T. Sakai, Y. Kobayashi, H. Yamauchi, M. Sato, T. Makino, "High speed bipolar ICs using super self-aligned process technology", Jpn. J. Appl. Phys., 20, Suppl. 20-1 , pp.155-159 (1980).

バイポーラトランジスタでは、ベース抵抗Rbの低減がトランジスタの性能を向上させる重要な課題となっている。これは、外部から与えているエミッタ・ベース間の印可電圧VBEに対して、内部のエミッタ・ベース接合間に印可されている電圧はベース抵抗Rbとベース注入電流Ibの積、すなわちRb・Ibの電圧降下の分だけ小さくなってしまうためである。また、バイポーラトランジスタの最大発振周波数(Fmax)に注目すると、Fmaxはバイポーラトランジスタの遮断周波数(Ft)、コレクタ容量(Cjc)、ベース抵抗(Rb)を用いて、
Fmax=(Ft/(8π・Cjc・Rb))1/2
で与えられる。従ってベース抵抗Rbの低減により、Fmaxを向上させることが可能となる。
In the bipolar transistor, the reduction of the base resistance Rb is an important issue for improving the performance of the transistor. This means that for applied voltage V BE between the emitter and base being externally supplied voltage product of the base resistance Rb and the base injection current Ib is applied between the interior of the emitter-base junction, i.e. Rb-Ib This is because the voltage drop is reduced by the voltage drop. When attention is paid to the maximum oscillation frequency (Fmax) of the bipolar transistor, Fmax uses the cutoff frequency (Ft), collector capacitance (Cjc), and base resistance (Rb) of the bipolar transistor,
Fmax = (Ft / (8π · Cjc · Rb)) 1/2
Given in. Therefore, Fmax can be improved by reducing the base resistance Rb.

このようにベース抵抗Rbを低減させるため、外部ベース構造を有するNPN型のバイポーラトランジスタにおいては、十分高濃度にB(ホウ素)をドーピングしたP+ポリシリコンを外部ベースとして用いている。しかしながら、Si内には固溶限界以上のホウ素をドーピングできないため、さらなるベース抵抗の低減ができないというのが現状であった。 In order to reduce the base resistance Rb in this way, in the NPN bipolar transistor having the external base structure, P + polysilicon doped with B (boron) at a sufficiently high concentration is used as the external base. However, since it is not possible to dope boron beyond the solid solution limit into Si, the current situation is that the base resistance cannot be further reduced.

そこで本発明では、NPN型のバイポーラトランジスタの外部ベースにN+型に不純物ドーピングされた層(N+ポリシリコン)を使用する。正孔ベース注入電流Ibは、N+型外部ベースから、P型内部ベース層へトンネル電流によって注入される。N+ポリシリコンはP+ポリシリコンに対して伝導率が2倍程度と大きいため、低ベース抵抗化が実現可能となる。 Therefore, in the present invention, an N + -type impurity-doped layer (N + polysilicon) is used on the external base of an NPN-type bipolar transistor. The hole base injection current Ib is injected from the N + type external base into the P type internal base layer by a tunnel current. Since N + polysilicon has a conductivity about twice as large as that of P + polysilicon, a low base resistance can be realized.

本発明によりベース抵抗の低減が可能となるため、高性能なNPN型バイポーラトランジスタの製作が可能となる。   Since the base resistance can be reduced by the present invention, a high-performance NPN bipolar transistor can be manufactured.

本発明は外部ベース抵抗を低減するために、NPN型のバイポーラトランジスタの外部ベースにN+ポリシリコンを使用することで低抵抗化を実現する。
(第1の実施の形態)
まず、本実施の形態に係るバイポーラトランジスタ製造方法について、図4〜図7を用いて説明する。ここでは、SiGe層をベース層とするHBT(ヘテロバイポーラトランジスタ)を例に挙げて、その製造方法を説明する。
In the present invention, in order to reduce the external base resistance, the resistance is reduced by using N + polysilicon for the external base of the NPN type bipolar transistor.
(First embodiment)
First, a bipolar transistor manufacturing method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. Here, the manufacturing method will be described by taking an HBT (heterobipolar transistor) having a SiGe layer as a base layer as an example.

図4(a)
まずSi基板10に、イオン注入法によってN型不純物を含むバイポーラトランジスタのコレクタ層11を形成する。注入種には、P(燐)もしくはAs(砒素)を用い、N型不純物濃度は1×1017cm-3程度に調整されている。また、N型コレクタ層11はエピタキシャル成長法を用いて形成しても良い。この場合、エピタキシャル成長中にドーピングを行っても良い。次に、DTI(ディープトレンチアイソレーション)により素子分離を形成する。ドライエッチングにより深さ約2μm程度の溝を形成した後、溝の底部にチャネルストッパとなる分離用P+領域12のB(ホウ素)注入を行う。溝内壁に第1の絶縁体14を形成した後、溝の内部を第2の絶縁体15で埋め込む。第2の絶縁体14には酸化シリコンを用いると良い。酸化シリコンを用いる場合、熱酸化により溝内壁シリコン部分を酸化させても良い。また、第1の絶縁体15にはノンドープポリシリコンを用いると良い。ノンドープポリシリコンを用いる場合、CVD法を用いれば溝の内部を隙間無く埋めることが可能である。
FIG. 4 (a)
First, a collector layer 11 of a bipolar transistor containing an N-type impurity is formed on the Si substrate 10 by ion implantation. P (phosphorus) or As (arsenic) is used as the implantation species, and the N-type impurity concentration is adjusted to about 1 × 10 17 cm −3 . The N-type collector layer 11 may be formed using an epitaxial growth method. In this case, doping may be performed during epitaxial growth. Next, element isolation is formed by DTI (deep trench isolation). After a groove having a depth of about 2 μm is formed by dry etching, B (boron) is implanted into the isolation P + region 12 serving as a channel stopper at the bottom of the groove. After forming the first insulator 14 on the inner wall of the groove, the inside of the groove is filled with the second insulator 15. Silicon oxide is preferably used for the second insulator 14. When silicon oxide is used, the groove inner wall silicon portion may be oxidized by thermal oxidation. Further, non-doped polysilicon is preferably used for the first insulator 15. When non-doped polysilicon is used, the inside of the groove can be filled without a gap by using the CVD method.

図4(b)
次に、STI(シャロートレンチアイソレーション)により、ベース・エミッタ形成領域34とコレクタ引き出し領域35を分離する。STIは第3の絶縁体13を埋め込んで形成されており、深さは約0.35μmである。第3の絶縁体13には酸化シリコンを用いると良い。次にコレクタ引き出し領域35にAs(砒素)もしくはP(燐)を高濃度(2x1020cm-3程度)にイオン注入し、N+コレクタ引き出し層16を形成する。このとき、ベース・エミッタ形成領域34の幅をW1とする。
FIG. 4 (b)
Next, the base / emitter formation region 34 and the collector lead-out region 35 are separated by STI (shallow trench isolation). The STI is formed by embedding the third insulator 13 and has a depth of about 0.35 μm. Silicon oxide is preferably used for the third insulator 13. Next, As (arsenic) or P (phosphorus) is ion-implanted into the collector extraction region 35 at a high concentration (about 2 × 10 20 cm −3 ) to form the N + collector extraction layer 16. At this time, the width of the base / emitter formation region 34 is W1.

図4(c)
さらに、厚さ約30nmの第4の絶縁層19を堆積する。第4の絶縁層19の材料としては、CVD法などにより酸化シリコンを堆積すればよい。次にドライエッチングもしくはウェットエッチングにより、ベース・エミッタ形成領域34に開口を形成する。
FIG. 4 (c)
Further, a fourth insulating layer 19 having a thickness of about 30 nm is deposited. As a material of the fourth insulating layer 19, silicon oxide may be deposited by a CVD method or the like. Next, an opening is formed in the base / emitter formation region 34 by dry etching or wet etching.

図4(d)
上記Si基板10の全面に、Si1-xGex層20(0<x≦0.3)、Si層21を順次堆積する。堆積にはUHV−CVD(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition)装置を用いる。このように開口を設けた基板に結晶成長を行うことによって、ベース・エミッタ形成領域34上には単結晶膜が形成され(単結晶領域17)、第3の絶縁体13および第4の絶縁層19上には多結晶膜(多結晶領域18)が形成される。Si1-xGex層20の膜厚は30nm〜60nm程度、Si層21の厚さは10nm〜40nm程度に設定する。また、Si1-xGex層20には結晶成長中にB(ホウ素)を1×1019cm-3程度にP型ドーピングする。このときSi層21はアンドープにする。単結晶領域17のSi1-xGex層20はHBTの内部ベースとして機能し、多結晶領域18のSi1-xGex層20は外部ベースとして機能する。このように、HBTのベース部分にSiGe/Si積層構造を利用することで、高周波特性の向上が可能であることが知られている。
FIG. 4 (d)
A Si 1-x Ge x layer 20 (0 <x ≦ 0.3) and a Si layer 21 are sequentially deposited on the entire surface of the Si substrate 10. UHV-CVD (Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition) apparatus is used for deposition. By performing crystal growth on the substrate having the openings as described above, a single crystal film is formed on the base / emitter formation region 34 (single crystal region 17), and the third insulator 13 and the fourth insulating layer are formed. A polycrystalline film (polycrystalline region 18) is formed on 19. The film thickness of the Si 1-x Ge x layer 20 is set to about 30 nm to 60 nm, and the thickness of the Si layer 21 is set to about 10 nm to 40 nm. The Si 1-x Ge x layer 20 is P-type doped with B (boron) to about 1 × 10 19 cm −3 during crystal growth. At this time, the Si layer 21 is undoped. Si 1-x Ge x layer 20 of the single-crystal region 17 serves as the internal base of HBT, Si 1-x Ge x layer 20 of polycrystalline region 18 functions as an external base. As described above, it is known that high frequency characteristics can be improved by using a SiGe / Si laminated structure for the base portion of the HBT.

また、Si1-xGex層20の代わりにSi1-xyGexy層(0<x≦0.3、0<y≦0.02)を用いても良い。Si1-xyGexy層を用いることで、ベース部分のB(ホウ素)がエミッタおよびコレクタ領域に拡散し、ベース幅が増大することを抑制することができる。 Further, instead of the Si 1-x Ge x layer 20, a Si 1-x -y Ge x C y layer (0 <x ≦ 0.3, 0 <y ≦ 0.02) may be used. Si 1-x - The use of y Ge x C y layer, the base portion of the B (boron) is diffused into the emitter and collector regions, it is possible to prevent the base width is increased.

図5(a)
次に、上記Si基板10の全面に、第5の絶縁層22および第6の絶縁層23を順次堆積する。第5の絶縁層22には厚さ30nm程度の酸化シリコンを用いれば良く、第6の絶縁層23には厚さ50〜100nm程度の窒化シリコンを用いれば良い。第5の絶縁層22の酸化シリコン膜は、エミッタ開口形成時にエッチストッパとして機能する。次に、ドライエッチングを用いて第5の絶縁層22および第6の絶縁層23をメサ状に加工する。第5の絶縁層22および第6の絶縁層23の幅をW2とすると、W2<W1を満足するようにW2を設定すると良い。
FIG.
Next, a fifth insulating layer 22 and a sixth insulating layer 23 are sequentially deposited on the entire surface of the Si substrate 10. Silicon oxide with a thickness of about 30 nm may be used for the fifth insulating layer 22, and silicon nitride with a thickness of about 50 to 100 nm may be used for the sixth insulating layer 23. The silicon oxide film of the fifth insulating layer 22 functions as an etch stopper when the emitter opening is formed. Next, the fifth insulating layer 22 and the sixth insulating layer 23 are processed into a mesa shape by dry etching. When the width of the fifth insulating layer 22 and the sixth insulating layer 23 is W2, W2 may be set so as to satisfy W2 <W1.

ドライエッチングガスとしては、テトラフルオロメタン(CF4)、トリフルオロメタン(CHF3)、水素(H2)の混合ガスを用いれば、Si層21をほとんどエッチングすることなく、第5の絶縁層22および第6の絶縁層23の加工が可能である。 If a mixed gas of tetrafluoromethane (CF 4 ), trifluoromethane (CHF 3 ), and hydrogen (H 2 ) is used as the dry etching gas, the fifth insulating layer 22 and the Si layer 21 are hardly etched. The sixth insulating layer 23 can be processed.

図5(b)
この後、上記Si基板10にAs(砒素)もしくはP(燐)をイオン注入する。このとき、第5の絶縁層22および第6の絶縁層23が注入マスクとして機能し、単結晶領域17のSi層39およびSi1-xGex内部ベース38にはイオン注入されないため、多結晶領域18がN型にドーピングされる。従って、N+型Si1-xGex外部ベース36およびN+型Si外部ベース37が形成されることになる。いうまでもなく、Si1-xGex外部ベース36はSiGe層20に由来し、N+型Si外部ベース37はSi層21に由来する。このとき、3x1020cm-3程度に高濃度にN型ドーピングすることで、トンネル接合24が形成される。なお、Si層39は、最終的にはエミッタ層として機能する。
FIG.
Thereafter, As (arsenic) or P (phosphorus) is ion-implanted into the Si substrate 10. At this time, the fifth insulating layer 22 and the sixth insulating layer 23 function as an implantation mask, and ions are not implanted into the Si layer 39 and the Si 1-x Ge x internal base 38 in the single crystal region 17. Region 18 is doped N-type. Accordingly, the N + type Si 1-x Ge x external base 36 and the N + type Si external base 37 are formed. Needless to say, the Si 1-x Ge x external base 36 is derived from the SiGe layer 20, and the N + -type Si external base 37 is derived from the Si layer 21. At this time, the tunnel junction 24 is formed by N-type doping at a high concentration of about 3 × 10 20 cm −3 . Note that the Si layer 39 finally functions as an emitter layer.

図5(c)
トンネル接合24を形成した後、上記Si基板10の全面に酸化シリコンもしくは窒化シリコンからなる絶縁体を堆積し、全面エッチバックすることで、サイドウォール25を形成する。
FIG. 5 (c)
After forming the tunnel junction 24, an insulator made of silicon oxide or silicon nitride is deposited on the entire surface of the Si substrate 10, and the sidewall 25 is formed by etching back the entire surface.

図5(d)
上記基板全面に厚さ100nm程度の第7の絶縁体26を堆積する。第6の絶縁体26にはシリコン酸化膜を用いれば良い。
FIG. 5 (d)
A seventh insulator 26 having a thickness of about 100 nm is deposited on the entire surface of the substrate. A silicon oxide film may be used for the sixth insulator 26.

図6(a)
図6(a)および図6(b)では2段階に分けてエミッタ開口27を形成する。まず、ドライエッチングにより第7の絶縁体26の一部および第6の絶縁層23の一部を除去し、エミッタ開口27を形成する。エミッタ開口の幅をW3とすると、W3<W2を満足するように設定すると良い。
FIG. 6 (a)
6A and 6B, the emitter opening 27 is formed in two stages. First, a part of the seventh insulator 26 and a part of the sixth insulating layer 23 are removed by dry etching, and an emitter opening 27 is formed. If the width of the emitter opening is W3, it may be set so as to satisfy W3 <W2.

図6(b)
次にウェットエッチングにより、第5の絶縁層22を除去する。第5の絶縁層22にシリコン酸化膜を用いた場合、エッチング液にはフッ酸もしくはバッファードフッ酸を用いれば良い。このようにウェットエッチングを用いることで、Si層39にエッチングダメージが入ることを回避することが可能である。
FIG. 6 (b)
Next, the fifth insulating layer 22 is removed by wet etching. In the case where a silicon oxide film is used for the fifth insulating layer 22, hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid may be used for the etchant. By using wet etching in this way, it is possible to avoid etching damage to the Si layer 39.

図6(c)
上記Si基板10に、高濃度のN型不純物がドープされたN+ポリシリコンを堆積する。N+ポリシリコンはCVD法を用いて堆積され、エミッタ開口27を埋め込むように堆積される。次に、ドライエッチングを用いてN+ポリシリコンエミッタ28を形成する。ドライエッチングガスとしては、塩素(Cl2)、臭素水素(HBr)、アルゴン(Ar)などからなる混合ガスを用いることで、ポリシリコンのみを選択的に加工することができる。N+ポリシリコンエミッタ28から不純物拡散によってSi層39をN型にドープすることにより、NPN型ヘテロバイポーラトランジスタのエミッタを形成する。
FIG. 6 (c)
N + polysilicon doped with high-concentration N-type impurities is deposited on the Si substrate 10. N + polysilicon is deposited using a CVD method to fill the emitter opening 27. Next, an N + polysilicon emitter 28 is formed using dry etching. By using a mixed gas composed of chlorine (Cl 2 ), hydrogen bromine (HBr), argon (Ar), etc. as the dry etching gas, only polysilicon can be selectively processed. By doping the Si layer 39 to N-type by impurity diffusion from the N + polysilicon emitter 28, an emitter of an NPN heterobipolar transistor is formed.

図6(d)
ドライエッチングにより第7の絶縁体26を加工し、外部ベース領域40を表面に露出させる。
FIG. 6 (d)
The seventh insulator 26 is processed by dry etching to expose the external base region 40 on the surface.

図7(a)
ドライエッチングによりSi層21、Si1-xGex層20、第4の絶縁層19を加工し、N+コレクタ引き出し層16を表面に露出させる。
FIG. 7 (a)
The Si layer 21, the Si 1-x Ge x layer 20, and the fourth insulating layer 19 are processed by dry etching to expose the N + collector extraction layer 16 on the surface.

図7(b)
+ポリシリコンエミッタ28、N+コレクタ引き出し層16、N+ポリシリコン外部ベース層27の表面に厚さ約25nmのTiシリサイド層29を形成する。
FIG. 7 (b)
A Ti silicide layer 29 having a thickness of about 25 nm is formed on the surfaces of the N + polysilicon emitter 28, the N + collector lead layer 16, and the N + polysilicon external base layer 27.

図7(c)
層間絶縁膜30を堆積し、コンタクトホールを形成した後、ベース電極31、エミッタ電極32、コレクタ電極33を形成してデバイスが完成する。
FIG. 7 (c)
After the interlayer insulating film 30 is deposited and contact holes are formed, a base electrode 31, an emitter electrode 32, and a collector electrode 33 are formed to complete the device.

尚、本製造方法においては、図5(b)の工程において、サイドウォール25の形成前にN型不純物のイオン注入を行ったが、サイドウォール25の形成後にN型不純物のイオン注入を行っても良い。サイドウォール25の形成後にN型不純物のイオン注入を行った場合、完成したNPN型バイポーラトランジスタの構造は図8のようになる。図7(c)と比較すると、トンネル接合24がサイドウォール25の幅程度だけ、内部ベースから離れたところ(外側)に形成されることになる。このように、トンネル接合を内部ベースから若干遠ざけることで、N+外部ベースとNエミッタが短絡する危険性を回避することができる。 In this manufacturing method, in the step of FIG. 5B, N-type impurity ions are implanted before the sidewall 25 is formed. However, after the sidewall 25 is formed, N-type impurity ions are implanted. Also good. When ion implantation of N-type impurities is performed after the formation of the sidewall 25, the structure of the completed NPN-type bipolar transistor is as shown in FIG. Compared with FIG. 7C, the tunnel junction 24 is formed at a position (outside) away from the internal base by the width of the sidewall 25. In this way, the risk of a short circuit between the N + external base and the N emitter can be avoided by moving the tunnel junction slightly away from the internal base.

次にトンネル接合に関して図2を用いて説明する。本発明によれば、図1に示すように、P+型Si1-xGex内部ベース38とN+型Si1-xGex外部ベース36との間にトンネル接合24が発生する。 Next, the tunnel junction will be described with reference to FIG. According to the present invention, as shown in FIG. 1, a tunnel junction 24 is generated between the P + -type Si 1-x Ge x inner base 38 and the N + -type Si 1-x Ge x outer base 36.

図2(a)は接合前のエネルギーバンド構造を示している。高濃度に不純物がドーピングされた半導体においては、図2(a)に示すようにフェルミ準位Efが許容帯の中に入り、縮退状態になることが知られている。 FIG. 2A shows an energy band structure before bonding. In a semiconductor doped with impurities at a high concentration, as shown in FIG. 2A, it is known that the Fermi level E f enters the allowable band and enters a degenerate state.

次に、このように高濃度にドーピングされたP+型半導体とN+型半導体のP++接合エネルギーバンド構造を図2(b)に示す。電圧を印可しない状態においても、トンネル効果によりN+型半導体の伝導帯からP+型半導体の価電子帯へ電子が通り抜ける。 Next, FIG. 2B shows the P + N + junction energy band structure of the P + type semiconductor and the N + type semiconductor thus doped at a high concentration. Even when no voltage is applied, electrons pass from the conduction band of the N + type semiconductor to the valence band of the P + type semiconductor by the tunnel effect.

次に、逆方向に電圧を印可した場合のエネルギーバンド構造を図2(c)に示す。逆方向バイアス印可時においてはP++接合の空乏層幅が狭くなるため、接合に掛かる電界が増加し、トンネル電流が流れ易くなる。 Next, FIG. 2C shows an energy band structure when a voltage is applied in the reverse direction. When a reverse bias is applied, the depletion layer width of the P + N + junction is narrowed, so that the electric field applied to the junction increases and the tunnel current easily flows.

次に順方向に電圧を印可した場合を図2(d)に示す。順方向電圧印可では、トンネル電流が流れ難くなるため電流値が減少する。   Next, FIG. 2D shows a case where a voltage is applied in the forward direction. When forward voltage is applied, the tunnel current is difficult to flow, so the current value decreases.

さらに順方向電圧を印可した場合を図2(e)に示す。順方向電圧が高くなると、拡散電流が流れ始めるため、電流値が増加する。このように、電圧印可に伴いエネルギーバンドが変化するため、トンネルダイオードは図2(f)に示すような電流電圧特性を示す。   Further, FIG. 2E shows a case where a forward voltage is applied. When the forward voltage increases, the diffusion current starts to flow, and the current value increases. Thus, since the energy band changes with voltage application, the tunnel diode exhibits a current-voltage characteristic as shown in FIG.

注目すべき点は、電圧0ボルト付近および逆方向印可時において、トンネルダイオードは低抵抗性を示す点である。本発明においては、この特性をうまく利用している。   It should be noted that the tunnel diode exhibits a low resistance when the voltage is around 0 volts and when the reverse direction is applied. The present invention makes good use of this characteristic.

次に、トンネル接合ベースを用いたバイポーラトランジスタの動作について図3を用いて説明する。図中のN、Pは半導体の極性を表している。一般に、バイポーラトランジスタはエミッタ接地で用いられる。図3(a)は、一般的なバイポーラトランジスタのエミッタ接地動作における電圧関係である。ベース・エミッタ間に順方向バイアスが印可した状態でトランジスタが動作する。外部ベースはP+型で形成されているためベース抵抗Rbが大きい。 Next, the operation of the bipolar transistor using the tunnel junction base will be described with reference to FIG. N and P in the figure represent the polarity of the semiconductor. In general, bipolar transistors are used with a common emitter. FIG. 3A shows a voltage relationship in the common emitter transistor grounded emitter operation. The transistor operates with a forward bias applied between the base and the emitter. Since the external base is formed of P + type, the base resistance Rb is large.

図3(b)に、本発明におけるバイポーラトランジスタのエミッタ接地動作における電圧関係を示す。外部ベースはN+型で形成されているためベース抵抗Rbが小さい。外部ベースと内部ベースとの間にトンネル接合があり、このトンネル接合が逆方向にバイアスが印可されることがわかる。先に説明したように、トンネル接合は逆方向電圧においてトンネル電流により電流が流れる。 FIG. 3B shows the voltage relationship in the grounded emitter operation of the bipolar transistor according to the present invention. Since the external base is N + type, the base resistance Rb is small. It can be seen that there is a tunnel junction between the outer base and the inner base, and this tunnel junction is biased in the opposite direction. As described above, a tunnel junction causes a current to flow due to a tunnel current at a reverse voltage.

従って本発明によれば、高濃度に不純物ドーピングされたN+型外部ベースを用いることで、従来のP+型外部ベースに対してベース抵抗を2分の1程度まで激的に下げることが可能となる。図10に、最大発振周波数Fmaxとコレクタ電流Icの関係を示す。本発明のベース抵抗低減効果により、Fmaxは2〜3割程度増加させることができる。 Therefore, according to the present invention, by using an N + type external base doped with a high concentration of impurities, the base resistance can be drastically reduced to about a half of that of the conventional P + type external base. It becomes. FIG. 10 shows the relationship between the maximum oscillation frequency Fmax and the collector current Ic. Fmax can be increased by about 20 to 30% due to the base resistance reduction effect of the present invention.

尚、説明ではSi1-xGexベースを用いたNPN型ヘテロバイポーラトランジスタを例に挙げたが、Siベース(すなわち、Si1-xGexベースにおいてx=0)を用いたNPN型バイポーラトランジスタにおいても、同様のベース抵抗低減効果が得られることは明らかである。ただし、後述する第2の実施の形態を考慮すれば、内部ベースはSiGeまたはSiGeCからなることが好ましく、SiGeCからなることがさらに好ましい。
(第2の実施の形態)
次に、請求項3に対応する第2の実施の形態に関して説明する。本実施の形態においては、N+外部ベースの材料として、高濃度にN型にドーピングされた多結晶Si1-x-yGexy層(1≧x>0、 1≧y≧0)を用いる。
In the description, an NPN type heterobipolar transistor using a Si 1-x Ge x base is taken as an example, but an NPN type bipolar transistor using an Si base (that is, x = 0 in the Si 1-x Ge x base). It is obvious that the same effect of reducing the base resistance can be obtained in. However, considering a second embodiment described later, the internal base is preferably made of SiGe or SiGeC, and more preferably made of SiGeC.
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment corresponding to claim 3 will be described. In this embodiment, a polycrystalline Si 1-xy Ge x Cy layer (1 ≧ x> 0, 1 ≧ y ≧ 0) doped with N-type at a high concentration is used as the N + external base material. .

量子力学におけるトンネル確率Ttは以下の(数1)で与えられる。
(数1)
t=exp[−25/21/2Eg3/2/3heE]
ここでmは有効質量、Egは材料のバンドギャップ、hはプランク定数、eは電荷素量、Eは接合にかかる電界である。
The tunnel probability T t in quantum mechanics is given by (Equation 1) below.
(Equation 1)
T t = exp [-2 5/2 m 1/2 Eg 3/2 / 3heE]
Here, m is the effective mass, Eg is the band gap of the material, h is the Planck constant, e is the elementary charge, and E is the electric field applied to the junction.

Egに着目すると、Egが小さい材料を用いることでトンネル確率を高め、トンネル接合24のトンネル電流を効率的に流すことが可能であることが分かる。多結晶Si1-x-yGexyは一般的に用いられている多結晶Siに対して、
多結晶SiのEg > 多結晶Si1-x-yGexy層のEg
の関係が成り立つため、N+外部ベースを多結晶Si1-x-yGexy層で製作することが有効であることがわかる。
(その他の実施形態)
シングルポリシリコンタイプだけではなく、図11に示すように、ダブルポリシリコンタイプにも適用可能である。この場合、N型第2ポリシリコンとSi1-xGex内部ベース38との間にトンネル結合24が形成される。
When attention is paid to Eg, it is understood that the tunnel probability can be increased by using a material having a small Eg, and the tunnel current of the tunnel junction 24 can flow efficiently. Polycrystalline Si 1-xy Ge x Cy is generally used for polycrystalline Si,
Eg polycrystalline Si of Eg> polycrystalline Si 1-xy Ge x C y layer
Thus, it can be seen that it is effective to manufacture the N + external base with a polycrystalline Si 1-xy Ge x C y layer.
(Other embodiments)
Not only a single polysilicon type but also a double polysilicon type can be applied as shown in FIG. In this case, the tunnel coupling 24 is formed between the N-type second polysilicon and the Si 1-x Ge x internal base 38.

また、N型ドーパントである砒素(As)はP型ドーパントであるホウ素(B)よりも低温で活性化しやすく、その点でも本構造がベース抵抗の低減に有効である。   Further, arsenic (As), which is an N-type dopant, is more easily activated at a lower temperature than boron (B), which is a P-type dopant, and this structure is effective in reducing the base resistance.

本発明によりベース抵抗の低減が可能となるため、高性能なNPN型バイポーラトランジスタの製作が可能となる。   Since the base resistance can be reduced by the present invention, a high-performance NPN bipolar transistor can be manufactured.

第1の実施形態におけるヘテロバイポーラトランジスタの断面構造を示す図The figure which shows the cross-section of the hetero bipolar transistor in 1st Embodiment トンネル接合の動作原理を示す図Diagram showing operating principle of tunnel junction 第1の実施形態におけるトランジスタ動作時の電圧関係を示す図The figure which shows the voltage relationship at the time of the transistor operation | movement in 1st Embodiment. 第1の実施形態における製造工程を示す図The figure which shows the manufacturing process in 1st Embodiment. 第1の実施形態における製造工程を示す図The figure which shows the manufacturing process in 1st Embodiment. 第1の実施形態における製造工程を示す図The figure which shows the manufacturing process in 1st Embodiment. 第1の実施形態における製造工程を示す図The figure which shows the manufacturing process in 1st Embodiment. 第1の実施形態の変形例を示す図The figure which shows the modification of 1st Embodiment. 従来のヘテロバイポーラトランジスタの断面構造を示す図The figure which shows the cross-sectional structure of the conventional hetero bipolar transistor 最大発振周波数とコレクタ電流の関係を示す図Diagram showing the relationship between maximum oscillation frequency and collector current ダブルポリシリコンタイプのバイポーラトランジスタに本発明を適用した場合を示す図The figure which shows the case where this invention is applied to a double polysilicon type bipolar transistor

符号の説明Explanation of symbols

10 Si基板
11 コレクタ層
12 分離用P+領域
13 第3の絶縁体
14 第1の絶縁体
15 第2の絶縁体
16 N+コレクタ引き出し層
17 単結晶領域
18 多結晶領域
19 第4の絶縁層
20 Si1-xGex
21 Si層
22 第5の絶縁層
23 第6の絶縁層
24 トンネル接合
25 サイドウォール
26 第7の絶縁体
27 エミッタ開口
28 N+ポリシリコンエミッタ
29 Tiシリサイド
30 層間絶縁膜
31 ベース電極
32 エミッタ電極
33 コレクタ電極
34 ベース・エミッタ形成領域
35 コレクタ引き出し領域
36 N+型Si1-xGex外部ベース
37 N+型Si外部ベース
38 P+型Si1-xGex内部ベース
39 Si層
40 外部ベース領域
41 P+型Si1-xGex外部ベース
42 P+型Si外部ベース


10 Si substrate 11 Collector layer 12 P + region 13 for separation Third insulator 14 First insulator 15 Second insulator 16 N + collector lead layer 17 Single crystal region 18 Polycrystalline region 19 Fourth insulating layer 20 Si 1-x Ge x layer 21 Si layer 22 Fifth insulating layer 23 Sixth insulating layer 24 Tunnel junction 25 Side wall 26 Seventh insulator 27 Emitter opening 28 N + polysilicon emitter 29 Ti silicide 30 Interlayer insulation Film 31 Base electrode 32 Emitter electrode 33 Collector electrode 34 Base / emitter formation region 35 Collector extraction region 36 N + -type Si 1-x Ge x external base 37 N + -type Si external base 38 P + -type Si 1-x Ge x internal Base 39 Si layer 40 External base region 41 P + type Si 1-x Ge x external base 42 P + type Si external base


Claims (3)

バイポーラトランジスタのコレクタとして機能する第1伝導型の第1の半導体層を有する基板と、
上記基板の第1の半導体層上に設けられ、バイポーラトランジスタのベースとして機能する第2伝導型の第2の半導体層と、
上記第2の半導体層上に設けられ、バイポーラトランジスタのエミッタとして機能する第1伝導型の第3の半導体層と、
上記第2の半導体層に接続するように具備された外部ベース層を備えるバイポーラトランジスタにおいて、
上記外部ベース層が第1伝導型であることを特徴とする半導体装置。
A substrate having a first semiconductor layer of a first conductivity type that functions as a collector of a bipolar transistor;
A second semiconductor layer of a second conductivity type provided on the first semiconductor layer of the substrate and functioning as a base of a bipolar transistor;
A third semiconductor layer of a first conductivity type provided on the second semiconductor layer and functioning as an emitter of a bipolar transistor;
In a bipolar transistor comprising an external base layer provided to connect to the second semiconductor layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the external base layer is of a first conductivity type.
請求項1に記載の半導体装置において、
上記基板はSi層であり、
上記第1の半導体層はSi層であり、
上記第2の半導体層はSi1-x-yGexy層(1≧x>0、 1≧y≧0)であり、
上記第3の半導体層はSi層であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The substrate is a Si layer,
The first semiconductor layer is a Si layer;
The second semiconductor layer is a Si 1-xy Ge x Cy layer (1 ≧ x> 0, 1 ≧ y ≧ 0),
The semiconductor device, wherein the third semiconductor layer is a Si layer.
請求項1および2に記載の半導体装置において、
上記外部ベース層はn型にドーピングされた多結晶Si1-x-yGexy層(1≧x>0、 1≧y≧0)であることを特徴とする半導体装置。

The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the external base layer is an n-type polycrystalline Si 1-xy Ge x Cy layer (1 ≧ x> 0, 1 ≧ y ≧ 0).

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