JP2008244232A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】バイポーラトランジスタにおいて微細な実効エミッタ幅を実現してエミッタ抵抗の増加を防ぎ、高周波特性の向上を容易にする半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板10上に形成された第1導電型のコレクタ層15と、コレクタ層13,15の表面部の周辺領域に形成された第2導電型のベース引き出し領域16と、コレクタ層15上とベース引き出し領域16上に形成された第2導電型のベース層17と、ベース層17の表面領域に形成された第1導電型のエミッタ層18とを有するように構成する。こうした構成により、ベース引き出し領域16がベース層17の下に配置されるので、ベース層17とエミッタ層18間に形成する層間絶縁膜20の厚さが小さくなり、エミッタ開口部のアスペクト比が低減されてエミッタ層18の厚さが薄くなり、エミッタ層18の幅が小さくできる。こうしてエミッタ抵抗の増加が抑えられ、エミッタ・ベース容量低減が図られる。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特にバイポーラトランジスタを備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
バイポーラトランジスタは、例えば、半導体基板上に、第1導電型のコレクタ層と第2導電型のベース層と第1導電型のエミッタ層とを順番に積層させ、これらの各層に個々に導通する電極を形成した構造からなる。こうしたバイポーラトランジスタにおいて、高い遮断周波数(fT)や最大発振周波数(fmax)に代表される良好な高周波特性を得るには、開口幅の狭い実効エミッタ部を有するバイポーラトランジスタの実現が必須となる。
下記特許文献1には、上記バイポーラトランジスタを実現するため、エミッタ部を開口すると同時にエミッタ側壁の一部を残し、この側壁の絶縁層をマスクとして実効エミッタ部の開口を行って作製するバイポーラトランジスタ及びその製造方法が提案されている。図4及び図5は、特許文献1で提案されたバイポーラトランジスタの製造方法の工程を示す説明図である。
前記バイポーラトランジスタの製造方法は、先ず、図4(a)に示すように、シリコン基板101上に、熱酸化法により形成した第1の酸化シリコン102と、化学気相成長(CVD)法により形成した第1のポリシリコン103と、化学気相成長(CVD)法により形成した第1の窒化シリコン104とをその順で積層する。そして、図4(b)に示すように、第1の窒化シリコン104と第1のポリシリコン103を順次エッチングしてエミッタ開口105を形成する。次に、図4(c)に示すように、第2の窒化シリコン106をCVD法により全面に堆積させる。その後、異方性エッチングにて第2の窒化シリコン106をエッチバックして、図4(d)に示すようにエミッタ開口105の側壁部にスペーサとして側壁窒化シリコン107を形成する。しかる後、図4(e)に示すように、第1の窒化シリコン104のフィールド部及び側壁窒化シリコン107をマスクにして、第1の酸化シリコン102を選択的ウェットエッチングにて除去する。このようにして、ベース形成領域108を形成する。
次に、図5(a)に示すように、シリコンゲルマニウム層109を選択成長させる。このシリコンゲルマニウム層109は、ボロン等のp型不純物の濃度及びゲルマニウムの濃度を制御しながら成長し、バイポーラトランジスタのベース層としての役割を果たす。その後、図5(b)に示すように、全面に第2の酸化シリコン110と第3の窒化シリコン111をCVD法により成長させる。第2の酸化シリコン110は、第3の窒化シリコン111をドライエッチングする際のシリコンゲルマニウム層109の表面バッファ層となり、第3の窒化シリコン111は、実効エミッタ部をウェットエッチングして開口形成する際の、第2の酸化シリコン110に対して選択性を有するバッファ層となる。その後、図5(c)に示すように、第3の窒化シリコン111の異方性エッチングを行い、引き続き第2の酸化シリコン110の開口を行ってエミッタ寸法を規定する。最後に、図5(d)に示すように、n型ポリシリコン112(例えば、AIPOS(Arsenic insitu doped polysilicon)層又はDOPOS(Doped polysilicon)層ともいう。)の成膜を行い、エミッタ層を形成する。
上記従来技術では、図5(d)に示すように、エミッタ開口部のアスペクト比(エミッタ開口の深さ/エミッタ幅)が大きいため、AIPOS層をCVD法により成膜した際、AIPOS層のフィールド膜厚よりもAIPOS層の底部膜厚の方が厚くなる現象が発生する。その理由は、CVD法の成膜では、フィールド部及びエミッタ開口部105に対して全面に施されるが、エミッタ開口部105への成膜は、開口底部と側壁部からの成膜が生じるため、AIPOS層のフィールド膜厚よりもAIPOS層の底部膜厚の方が厚く成膜されてしまうからである。
特開平10−092831号公報
しかしながら、上述した特許文献1に記載のデバイス構造のように、エミッタ開口部105の寸法が0.6μm以下では、エミッタ開口幅に対する開口部段差の比(アスペクト比)が大きくなり、エミッタAIPOSを成膜した際に、フィールド部の膜厚よりエミッタ開口底部の膜厚が厚くなり、エミッタ開口部が埋没する現象が発生する。その結果、エミッタAIPOS層の膜厚が厚くなり、エミッタ抵抗の増加を招き、高周波特性が悪化する。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、バイポーラトランジスタにおいて微細な実効エミッタ幅を実現してエミッタ抵抗の増加を防ぎ、高周波特性の向上を容易にする半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された第1導電型のコレクタ層と、前記コレクタ層の表面部の周辺領域に形成された第2導電型のベース引き出し領域と、前記コレクタ層上と前記ベース引き出し領域上とに形成された第2導電型のベース層と、前記ベース層の表面領域に形成された第1導電型のエミッタ層と、を有することを特徴とする。
この発明によれば、コレクタ層の表面部の周辺領域にベース引き出し領域が形成され、そのコレクタ層上とベース引き出し領域上とにベース層が形成され、そのベース層の表面領域にエミッタ層が形成された積層構造であるので、ベース層の表面周辺領域に形成する層間絶縁層の厚さを薄くすることが可能となり、形成されたエミッタ開口部の段差が小さくなる。その結果、そのエミッタ開口部に成膜するエミッタ層の厚さを薄く且つ均一にすることが可能となるので、エミッタ抵抗の増加を防ぐことができる。さらに、この発明によれば、エミッタ抵抗の増加を引き起こさないので、エミッタ開口部の幅を小さくしてエミッタ・ベース接合面積を小さくすることが可能となる。その結果、デバイス構造の微細化により高周波特性の大幅な増加が可能となる。
本発明の半導体装置の好ましい態様は、前記第2導電型のベース引き出し領域の一部分の直下にフィールド酸化層が形成されているように構成する。
本発明の半導体装置の好ましい態様は、前記第2導電型のベース引き出し領域の一部分の直下にシャロウ・トレンチ・アイソレーション(STI)が形成されているように構成する。
本発明の半導体装置の好ましい態様は、前記第2導電型のベース層が、エピタキシャル成長層、非選択エピタキシャル成長層、及び選択エピタキシャル成長層から選ばれるいずれかであるように構成する。
上記目的を達成するための本発明の第1態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1導電型のコレクタ層を形成する工程と、前記コレクタ層の表面部の周辺領域に第2導電型のベース引き出し領域を形成する工程と、前記コレクタ層上と前記ベース引き出し領域上とに第2導電型のベース層を形成する工程と、前記ベース層の表面領域に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の第2態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1導電型のコレクタ層を形成する工程と、前記コレクタ層の表面部の周辺領域にフィールド酸化層を形成する工程と、前記コレクタ層と前記フィールド酸化層の上に、それぞれコレクタ層と第2導電型のベース引き出し領域を形成する工程と、
前記コレクタ層上と前記ベース引き出し領域上に第2導電型のベース層を形成する工程と、前記ベース層の表面領域に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の第3態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1導電型のコレクタ層を形成する工程と、前記コレクタ層の表面部の周辺領域にシャロウ・トレンチ・アイソレーション(STI)を形成する工程と、前記コレクタ層と前記STIの上に、それぞれコレクタ層と第2導電型のベース引き出し領域を形成する工程と、前記コレクタ層上と前記ベース引き出し領域上とに第2導電型のベース層を形成する工程と、前記ベース層の表面領域に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
これら第1態様から第3態様に係る発明によれば、コレクタ層の表面部の周辺領域にベース引き出し領域を形成し、そのコレクタ層上とベース引き出し領域上とにベース層を形成し、そのベース層の表面領域にエミッタ層を形成するので、ベース層の表面周辺領域に形成する層間絶縁層の厚さを薄くすることが可能となり、エミッタ開口部における段差を小さくすることができる。その結果、そのエミッタ開口部に成膜するエミッタ層の厚さを薄く且つ均一にすることが可能となるので、エミッタ抵抗の増加を防ぐことができる。さらに、こうした発明によれば、エミッタ層の厚さを薄く且つ均一にすることが可能となるので、エミッタ開口部の幅を小さくしてエミッタ・ベース接合面積を小さくすることが可能となる。その結果、デバイス構造の微細化により高周波特性の大幅な増加が可能となる。
本発明の第1から第3態様に係る半導体装置の製造方法においては、前記第2導電型のベース層を、エピタキシャル成長法、非選択的エピタキシャル成長法、及び選択的エピタキシャル成長法から選択されるいずれかの方法により形成する。
本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、ベース引き出し領域をベース層の下層として配置することにより、ベース層の表面周辺領域に形成する層間絶縁層の厚さを薄くすることが可能となるので、エミッタ開口部における段差を小さくすることができる。その結果、そのエミッタ開口部に成膜するエミッタ層の厚さを薄く且つ均一にすることが可能となるので、エミッタ抵抗の増加を防ぐことができる。さらに、この発明によれば、エミッタ開口部の幅を小さくしてエミッタ・ベース接合面積を小さくすることが可能となるので、デバイス構造の微細化により高周波特性の大幅な増加が可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の半導体装置であるnpn型バイポーラトランジスタの一例を示す断面図である。図1に示すバイポーラトランジスタ1は、半導体基板であるシリコン基板10上に形成された第1導電型のコレクタ層15と、コレクタ層13,15の表面部の周辺領域に形成された第2導電型のベース引き出し領域16と、コレクタ層15上とベース引き出し領域16上に形成された第2導電型のベース層17と、ベース層17の表面領域に形成された第1導電型のエミッタ層18とを有するように構成されている。なお、本発明において、第1導電型とはp型とn型の一方を意味しており、第2導電型とはp型とn型の他方を意味し、以下においては、本発明の一実施形態として、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたものを例示するが、その形態に限定されないことは言うまでもない。
図1において、シリコン基板10上には、例えばn型不純物濃度が高いシリコン層(nSi)からなる高濃度n型サブコレクタ層11が形成されている。このサブコレクタ層11は、n型SOI基板上に形成したものであってもよい。
コレクタ層13は、上記高濃度n型コレクタ層11よりもn型不純物濃度が低いシリコン層(nSi)からなるn型コレクタ層であり、高濃度n型コレクタ層11上に設けられ、かつ、素子形成部の直下に設けられている。この素子形成部とは、図1に示すように、第1導電型のコレクタ層15、p型ベース層17、n型エミッタ層18がその順に積層された領域である。なお、このコレクタ層13の内部には、選択的にイオン注入により形成されたSIC(選択的イオン注入コレクタ層)14を有していてもよい。
素子分離層12は、素子間を電気的に分離するためにn型コレクタ層13の周囲であって、上記素子形成部以外の領域に設けられている。そして、その上に第2導電型のベース引き出し領域16が形成された後においては、そのベース引き出し領域16の一部分の直下に形成されることになる。素子分離層12としては、例えばLOCOS(Local Oxidation of Silicon)プロセスにて形成されたフィールド酸化層や、シャロウ・トレンチ・アイソレーション(STI)プロセスにより形成されたSTI素子分離層が挙げられる。こうした素子分離層12は、図1に示すように、その上面がコレクタ層13の上面と面一となるように形成される。
n型コレクタ層15は、n型シリコン層(n−Si)であり、コレクタ層13上に形成されて素子形成部を構成する。一方、コレクタ層15の表面部の周辺領域であってn型コレクタ層15の周辺領域には、p型ベース引き出し領域16が形成されている。このp型ベース引き出し領域16は、高濃度p型ポリシリコン層16(ppoly−Si)からなるものであるが、この高濃度p型ポリシリコン層16(ppoly−Si)は、素子分離層12上に形成されたn型ポリシリコン層(npoly−Si)にボロンを注入して形成される。
p型ベース層17は、SiGeを含有した層であり、n型コレクタ層15及びベース引き出し領域16の一部の上に形成されている。このp型ベース層17は、選択的エピタキシャル成長法に形成されるが、Geを添加せず、シリコン層からなるp型ベース層であってもよい。
n型エミッタ層18は、p型ベース層17の表面領域に形成されている。このn型エミッタ層18は、p型ベース層17上であってその表面周辺領域に形成された層間絶縁層20により構成されたエミッタ開口部に成膜されるが、本発明においては、そのエミッタ開口部を構成する層間絶縁膜20の厚さを例えば50nm〜150nmの程度に薄くできるので、エミッタ開口部の段差をその層間絶縁膜20の厚さ程度に小さくすることができる。その結果、そのエミッタ開口部に成膜するエミッタ層の厚さを例えば50nm〜300nmの程度に薄く且つ均一にすることが可能となるので、エミッタ抵抗の増加を防ぐことができる。
したがって、本発明においては、上記のようにエミッタ抵抗増加の問題が生じないので、エミッタ開口部の幅を例えば400nm〜550nmの程度に小さくしてエミッタ・ベース接合面積を小さくすることが可能となる。その結果、従来は、例えば0.3μm〜0.5μm程度のエミッタ幅を有するデバイス構造を0.10μm〜0.25μm程度に微細化することができ、高周波特性の大幅な増加が可能となる。以上のように、本発明によれば、エミッタ開口部の微細化を容易にし、エミッタ開口幅が0.6μm以下でもエミッタAIPOS層の厚層化を防ぎ、従来技術では得られなかった微細エミッタ幅を有するバイポーラトランジスタを実現可能となる。
次に、本発明の半導体装置の製造方法について説明する。図2及び図3は、本発明の半導体装置であるnpn型バイポーラトランジスタの製造方法の一例を示す工程図である。なお、本発明の製造方法は、本件出願時の技術常識に基づく方法を適用でき、以下の工程に限定されない。
先ず、図2(a)に示すように、シリコン基板10上に、n型不純物を添加しながらシリコンをエピタキシャル成長させることにより、n型不純物濃度が高いシリコン層(nSi)からなる高濃度n型コレクタ層11を形成し、さらにその高濃度n型コレクタ層11上にそのコレクタ層11よりもn型不純物濃度が低いシリコン層(nSi)からなるn型コレクタ層13を形成する。続いて、素子形成部以外の領域のn型コレクタ層13をエッチングし、その後、そのエッチング領域に酸化層等の絶縁層を埋め込むことにより、素子分離層12を形成する。
素子分離層12は、フィールド酸化層又はシャロウ・トレンチ・アイソレーション(STIという。)であり、素子間を電気的に分離するためにn型コレクタ層13の周囲に形成される。この素子分離層12は、後述するように、第2導電型のベース引き出し領域16が形成された後においては、そのベース引き出し領域16の一部分の直下に形成されることになる。
フィールド酸化層の形成方法としては、例えば、上記のように素子形成部以外の領域のn型コレクタ層12をエッチングした後、酸化層(SiO)と窒化層(Si)を成長させ、その後、素子形成部13となる領域にレジストパターンを形成し、それをマスクにして窒化層をエッチングし、窒化層のパターンをマスクにして素子間分離層となる酸化層を成長させてフィールド酸化層を形成する。なお、素子が形成される活性領域上に残った窒化層と酸化層はエッチングされる。
STIの形成方法は、シリコンにドライエッチングによって溝を掘り、その中にSiOを埋め込んで、最後はCMPによって平坦化するという方法である。具体的には、例えば、上記のように素子形成部以外の領域のn型コレクタ層12をエッチングした後、酸化層(SiO)と窒化層(Si)を成長させ、その後、酸化層(SiO)をCVD法で堆積して前記の溝を完全に埋め込み、溝以外の部分の酸化層(SiO)をCMPにより除去すると、溝のみに平坦酸化層が埋め込まれた分離構造であるシャロウ・トレンチ・アイソレーション(STI)が形成される。Si層は通常SiO層よりもCMP速度が遅いためストッパとして作用する。
次に、図2(b)に示すように、ウェハ全面にn型シリコン層をエピタキシャル成長させる。その結果、n型シリコン層13上にはエピタキシャルn型シリコン層22が形成され、素子分離層12上にはn型ポリシリコン層21(npoly−Si)が形成される。
続いて、図2(c)に示すように、素子形成部をフォトレジスト25にて保護して、素子形成部以外の領域24にボロンイオンを注入し、熱履歴を経てボロンを活性化させる。その結果、素子形成部以外の領域24に高濃度p型ポリシリコン層16(ppoly−Si)が形成される。なお、コレクタ層13上に形成されたn型シリコン層22(n−Si)は、n型コレクタ層15となる。
次に、図3(a)に示すように、フォトレジスト25を除去した後、素子形成に不必要なn型ポリシリコン層21(npoly−Si)と高濃度p型ポリシリコン層16(ppoly−Si)をRIE(反応性イオンエッチング)にてエッチングし、その後、窒化層等の層間絶縁層19をウェハ全面に形成する。この層間絶縁層19について、n型コレクタ層15上及びベース引き出し層16上の一部の領域を開口し、残った層間絶縁層19をマスクにして、n型コレクタ層15上及びベース引き出し領域16上の一部分に、p型不純物及びゲルマニウムを添加しながら選択的エピタキシャル成長させることにより、シリコンゲルマニウム層からなるp型ベース層17を形成する。こうして図3(a)に示す形態が形成される。
なお、p型ベース層17は、ゲルマニウムを添加しないシリコン層であってもよく、また、このp型ベース層17は、非選択的エピタキシャル成長法にてシリコンゲルマニウム層又はシリコン層を成長させてから、素子形成に不必要な領域をエッチングにより取り除いて形成することも可能である。
次に、図3(b)に示すように、p型ベース層17を含む全面に層間絶縁層20を形成し、その後、n型コレクタ層15上に形成されたp型ベース層17上の一部が露出するように、フォトレジスト26を用いて層間絶縁層20をエッチングし、エミッタ層を形成するためのエミッタ開口部27を形成する。
なお、図3(b)に示すように、n型コレクタ層13に選択的にイオン注入を行って、そのn型コレクタ層13内部にSIC(選択的イオン注入コレクタ層)14を形成してもよい。
続いて、フォトレジスト26を除去した後、層間絶縁層20及び露出したp型ベース層17上に、n型ポリシリコン層18(例えば、AIPOS(Arsenic insitu doped polysilicon)又はDOPOS(Doped polysilicon))を形成し、熱処理後にp型ベース層17の表面領域の一部を残してエッチングすることにより、n型エミッタ層18を形成する。こうして、本発明に係るバイポーラトランジスタ1が図1に示す形態で形成される。
本発明の製造方法によれば、図2及び図3に示す工程によりバイポーラトランジスタ1を形成するので、図1に示すように、エミッタ層18とベース層17を絶縁する層間絶縁層20の厚さを薄くすることができる。その結果、エミッタ開口部27の幅を小さくしてもアスペクト比(エミッタ開口幅に対する開口部段差の比)が大きくならない。したがって、本発明の製造方法によれば、n型ポリシリコン層からなるエミッタ層18の膜厚が均一になるので、エミッタ開口部27の幅を小さくしてもエミッタ抵抗の増加を引き起こさないので、エミッタ・ベース接合面積を小さくすることが可能となり、デバイス微細化により高周波特性の大幅な増加が可能となる。
本発明の半導体装置であるnpn型バイポーラトランジスタの一例を示す断面図である。 本発明の半導体装置であるnpn型バイポーラトランジスタの製造方法の一例を示す工程図である。 図2に示す製造方法の工程の続きを示す説明図である。 特許文献1で提案されたバイポーラトランジスタの製造方法の工程を示す説明図である。 図4に示す製造方法の工程の続きを示す説明図である。
符号の説明
1 バイポーラトランジスタ
10 シリコン基板
11 高濃度n型サブコレクタ層
12 素子分離層
13 n型コレクタ層
14 SIC(選択的イオン注入コレクタ層)
15 n型コレクタ層
16 p型ベース引き出し領域
17 p型ベース層
18 n型エミッタ層
19,20 層間絶縁層
21 n型ポリシリコン層
22 n型コレクタ層
24 素子形成部以外の領域
25,26 フォトレジスト
27 エミッタ開口部

Claims (8)

  1. 半導体基板上に形成された第1導電型のコレクタ層と、
    前記コレクタ層の表面部の周辺領域に形成された第2導電型のベース引き出し領域と、
    前記コレクタ層上と前記ベース引き出し領域上とに形成された第2導電型のベース層と、
    前記ベース層の表面領域に形成された第1導電型のエミッタ層と、を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第2導電型のベース引き出し領域の一部分の直下にフィールド酸化層が形成されている、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第2導電型のベース引き出し領域の一部分の直下にシャロウ・トレンチ・アイソレーション(STI)が形成されている、請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記第2導電型のベース層が、エピタキシャル成長層、非選択エピタキシャル成長層、及び選択エピタキシャル成長層から選ばれるいずれかである、請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 半導体基板上に第1導電型のコレクタ層を形成する工程と、
    前記コレクタ層の表面部の周辺領域に第2導電型のベース引き出し領域を形成する工程と、
    前記コレクタ層上と前記ベース引き出し領域上とに第2導電型のベース層を形成する工程と、
    前記ベース層の表面領域に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 半導体基板上に第1導電型のコレクタ層を形成する工程と、
    前記コレクタ層の表面部の周辺領域にフィールド酸化層を形成する工程と、
    前記コレクタ層と前記フィールド酸化層の上に、それぞれコレクタ層と第2導電型のベース引き出し領域を形成する工程と、
    前記コレクタ層上と前記ベース引き出し領域上に第2導電型のベース層を形成する工程と、
    前記ベース層の表面領域に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 半導体基板上に第1導電型のコレクタ層を形成する工程と、
    前記コレクタ層の表面部の周辺領域にシャロウ・トレンチ・アイソレーション(STI)を形成する工程と、
    前記コレクタ層と前記STIの上に、それぞれコレクタ層と第2導電型のベース引き出し領域を形成する工程と、
    前記コレクタ層上と前記ベース引き出し領域上とに第2導電型のベース層を形成する工程と、
    前記ベース層の表面領域に第1導電型のエミッタ層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 前記第2導電型のベース層を、エピタキシャル成長法、非選択的エピタキシャル成長法、及び選択的エピタキシャル成長法から選択されるいずれかの方法により形成する、請求項5から7のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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