JP2576770B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JP2576770B2
JP2576770B2 JP5239338A JP23933893A JP2576770B2 JP 2576770 B2 JP2576770 B2 JP 2576770B2 JP 5239338 A JP5239338 A JP 5239338A JP 23933893 A JP23933893 A JP 23933893A JP 2576770 B2 JP2576770 B2 JP 2576770B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置およびその製
造方法に関し、特に液体窒素温度(77K)程度の低温
状態で動作するバイポーラトランジスタおよびその製造
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a bipolar transistor which operates at a low temperature of about liquid nitrogen temperature (77 K) and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】低温状態では、MOSトランジスタ特性
の向上、配線抵抗の低減などのメリットがあり、液体窒
素温度程度の低温で動作するMOSLSIの開発が進め
られている。バイポーラLSIにとっても配線抵抗の低
減は動作速度改善に極めて有効であり、またバイポーラ
トランジスタとMOSトランジスタを同一チップ上に形
成したBiCMOSLSIでは、MOSLSIと同様に
低温動作の要求が高まっている。ところが、従来のバイ
ポーラトランジスタは、低温において電流増幅率hFE
大幅に低下してしまう。この原因は高濃度不純物効果に
より、不純物濃度の高いエミッタにおけるバンドギャッ
プ縮小(bandgap narrowing)ΔEge
が不純物濃度の低いベース層におけるバンドギャップ縮
小ΔEgbに比べ大きくなっており、温度の低下とともに
ベースからエミッタに注入される少数キャリアが増大す
るためである。hFEは次の(1)式で表される(古川静
二郎、雨宮好仁:“シリコン系ヘテロデバイス”、p.
242、丸善株式会社)。
2. Description of the Related Art In a low temperature state, there are advantages such as improvement of MOS transistor characteristics and reduction of wiring resistance, and a MOS LSI operating at a low temperature of about liquid nitrogen temperature is being developed. For a bipolar LSI, the reduction of the wiring resistance is extremely effective in improving the operation speed. In addition, in a BiCMOS LSI in which a bipolar transistor and a MOS transistor are formed on the same chip, a demand for low-temperature operation is increasing similarly to the MOS LSI. However, in the conventional bipolar transistor, the current amplification factor hFE is significantly reduced at a low temperature. This is due to the bandgap narrowing ΔE ge in the high impurity concentration emitter due to the high impurity concentration effect.
Is larger than the band gap reduction ΔE gb in the base layer having a low impurity concentration, and the minority carriers injected from the base to the emitter increase as the temperature decreases. h FE is represented by the following equation (1) (Furukawa Shizujiro, Amamiya Yoshihito: “Silicon-based hetero device”, p.
242, Maruzen Co., Ltd.).

【0003】 hFE=(WE E nB/WB B PE)exp{(ΔEgb−ΔEge)/kT} …(1) ここで、NE はエミッタ層中の不純物濃度、NB はベー
ス層中の不純物濃度、DpEはエミッタ層中の正孔の拡散
係数、DnBはベース層中の電子の拡散係数、WEはエミ
ッタ層の厚さ、WB はベース層の厚さ、kはボルツマン
係数、Tは絶対温度である。低温でのhFEの大幅な低下
はエミッタ遷移時間を増大させ、その結果遮断周波数f
T を低下させてしまう。
[0003] h FE = (W E N E D nB / W B N B D PE) exp {(ΔE gb -ΔE ge) / kT} ... (1) where, N E is impurity concentration in the emitter layer, N B is the impurity concentration in the base layer, D pE is the diffusion coefficient of holes emitter layer, D nB is the electron diffusion coefficient in the base layer, W E is the emitter layer thickness, W B is the base layer The thickness, k is the Boltzmann coefficient, and T is the absolute temperature. A large drop in h FE at low temperatures increases the emitter transition time and consequently the cutoff frequency f
T will be reduced.

【0004】最近、この問題を解決するためにいくつか
の新しい構造のバイポーラトランジスタが提案されてい
る。そのうち第1の従来例として、ベース層にバンドギ
ャップの小さい材料、たとえばシリコン・ゲルマニウム
を用いたヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ
が例えば、アイイーイーイー アイデーエム テクニカ
ルダイジェスト(IEEE IEDM Technic
al Digest)p.17,1990に報告されて
いる。
Recently, several new-structured bipolar transistors have been proposed to solve this problem. Among them, as a first conventional example, a heterojunction bipolar transistor using a material having a small band gap for a base layer, for example, silicon germanium is used, for example, as an IEEE IEDM Technical Digest.
al Digest) p. 17, 1990.

【0005】また、第2の従来例として、エミッタ濃度
をベース濃度より低くした疑似ヘテロジャンクション
バイポーラトランジスタ(HBT)が例えば、アイイー
イーイー トランザクションズ オン エレクトロン
デバイセス(IEEE Transactions o
n Electron Devices)vol.3
7,no.10,p.2222,1990に報告されて
いる。この場合、濃度の濃いベース層のバンドギャップ
縮小ΔEgbのほうが濃度の低いエミッタ層のバンドギャ
ップ縮小ΔEgeよりも大きくなり、その結果低温でのh
FEが改善されるものである。
Further, as a second conventional example, a pseudo heterojunction in which the emitter concentration is lower than the base concentration is described.
Bipolar transistors (HBTs) are, for example, IEE Transactions on Electron
Devices (IEEE Transactions o
n Electron Devices) vol. 3
7, no. 10, p. 2222, 1990. In this case, the band gap reduction ΔE gb of the heavily doped base layer is larger than the band gap reduction ΔE ge of the lightly doped emitter layer.
FE is improved.

【0006】第3の従来例として、通常のトランジスタ
構造においてもベース層の不純物濃度を高くしてエミッ
タ層の不純物濃度に近づけることにより、エミッタ層と
ベース層の間のバンドギャップ縮小差を小さくする事に
より低温でのhFEの低下を抑えることができることが例
えば、アイイーイーイー トランザクションズ オンエ
レクトロン デバイセス(IEEE Transact
ions on Electron Devices)
vol.36,no.8,p.1503,1989に報
告されている。第3の従来例の一例として不純物濃度の
ベース層をコレクタ層上に低温エピタキシャル成長法で
形成した場合のバイポーラトンランジスタの断面図を図
6に、そして矢印Xで示す深さ方向における不純物分布
を図7に示す。
As a third conventional example, even in a normal transistor structure, the difference in band gap reduction between the emitter layer and the base layer is reduced by increasing the impurity concentration of the base layer so as to approach the impurity concentration of the emitter layer. For example, it is possible to suppress the decrease in hFE at a low temperature. For example, IEE Transactions on Electron Devices (IEEE Transact)
ions on Electron Devices)
vol. 36, no. 8, p. 1503, 1989. As an example of the third conventional example, FIG. 6 is a cross-sectional view of a bipolar transistor when a base layer having an impurity concentration is formed on a collector layer by a low-temperature epitaxial growth method, and FIG. 6 shows an impurity distribution in a depth direction indicated by an arrow X. FIG.

【0007】図6において、p型のシリコン基板1上に
はn+ 型の埋込層2とn型のエピタキシャル層(バイポ
ーラトランジスタのコレクタ部)3とフィールド酸化膜
4が形成されており、更にエピタキシャル層3上に選択
的に低温(450〜700℃)で成長したp型シリコン
エピタキシャル層からなるベース層15が形成されてい
る。ここで低温エピタキシャルの低温とは、通常のコレ
クタ部を形成するようなエピタキシャル層形成温度の1
000〜1150℃に比べ温度が低い事を示している。
ベース層15はボロン濃度2×1019cm-3、厚さ55
nmである。ベース層をイオン注入で形成した場合は不
純物分布が広がってしまい濃度の薄い領域が形成され、
低温状態では濃度の薄い領域は電子の動きが制限される
フリーズアウトの影響を受け易く、ベース抵抗が増大し
てしまう。
In FIG. 6, an n + -type buried layer 2, an n-type epitaxial layer (collector portion of a bipolar transistor) 3 and a field oxide film 4 are formed on a p-type silicon substrate 1. A base layer 15 made of a p-type silicon epitaxial layer selectively grown at a low temperature (450 to 700 ° C.) is formed on the epitaxial layer 3. Here, the low temperature of the low temperature epitaxial is one of the epitaxial layer forming temperatures at which a normal collector portion is formed.
It shows that the temperature is lower than 000 to 1150 ° C.
The base layer 15 has a boron concentration of 2 × 10 19 cm −3 and a thickness of 55
nm. When the base layer is formed by ion implantation, the impurity distribution is widened and a low concentration region is formed.
In a low temperature state, a region having a low concentration is easily affected by freeze-out in which the movement of electrons is restricted, and the base resistance increases.

【0008】不純物濃度が3×1018cm-3以下になる
とフリーズアウト効果の影響を受け抵抗が高くなる事が
例えば、上記の第3の従来例と同一の文献に報告されて
いる。このため、ベース層は図7に示すように、低温エ
ピタキシャル成長法で形成し不純物分布を方形状にする
ことが望ましい。ベース層15の両側にはp+ 型の外部
ベース層7を有し、またベース層15表面には酸化膜8
が形成されており、さらにベース層15の表面の一部に
リン濃度1×2020cm-3、厚さ200nmのポリシリ
コンからなるエミッタ電極10からのn型不純物拡散に
より形成したn+ 型のエミッタ層11が形成されてい
る。エミッタ層11の接合深さは25nmである。その
上に層間絶縁膜12およびアルミ配線13を有してい
る。
It is reported, for example, in the same document as the above-mentioned third conventional example that when the impurity concentration becomes 3 × 10 18 cm −3 or less, the resistance increases due to the freeze-out effect. For this reason, as shown in FIG. 7, it is preferable that the base layer is formed by a low-temperature epitaxial growth method so that the impurity distribution is square. A p + -type external base layer 7 is provided on both sides of the base layer 15, and an oxide film 8 is provided on the surface of the base layer 15.
And an n + -type impurity formed on a part of the surface of the base layer 15 by diffusion of n-type impurities from an emitter electrode 10 made of polysilicon having a phosphorus concentration of 1 × 20 20 cm −3 and a thickness of 200 nm. An emitter layer 11 is formed. The junction depth of the emitter layer 11 is 25 nm. An interlayer insulating film 12 and an aluminum wiring 13 are provided thereon.

【0009】図7に示す従来のトランジスタにおける不
純物分布の場合、エミッタ層11中のn型不純物濃度
(ドナー濃度)は1×1020cm-3であり、またベース
層15中のp型不純物濃度(アクセプタ濃度)は2×1
19cm-3である。このときのバンドギャップ縮小はエ
ミッタ中でΔEge=96meV、ベース中でΔEgb=9
5meVとなりバンドギャップ差はほとんど無い。この
ことは、アイイーイーイー トランザクションズ オン
エレクトロン デバイセス(IEEE Transa
ctions on Electron Device
s)ED−34,p.1580,1987およびダイジ
ェスト オブ インターナショナル デバイス ミーテ
ィング(Digest of Internation
al Device Meeting)p.24,19
86に報告されている。
In the case of the impurity distribution in the conventional transistor shown in FIG. 7, the n-type impurity concentration (donor concentration) in the emitter layer 11 is 1 × 10 20 cm -3 and the p-type impurity concentration in the base layer 15 is (Acceptor concentration) is 2 × 1
0 19 cm -3 . The band gap reduction at this time is ΔE ge = 96 meV in the emitter and ΔE gb = 9 in the base.
It becomes 5 meV and there is almost no band gap difference. This means that IEE Transactions on Electron Devices (IEEE Transa)
actions on Electron Device
s) ED-34, p. 1580, 1987 and the Digest of International Device Meeting
al Device Meeting) p. 24,19
86.

【0010】以上は低温用として研究されたバイポーラ
トランジスタの従来技術について述べた。次に低温用と
してではないが、本発明に近い構造を持つバイポーラト
ランジスタの従来技術(特開平4−99328号公報)
について図9のトランジスタの縦断面図及び図10の不
純物プロファイルを用いて説明する。p型のシリコン基
板1上にn+ 型の埋込層2とn型のエピタキシャル層
(バイポーラトランジスタのコレクタ部)3を形成した
のち、イオン注入法(またはMBE法)でp型のベース
層を形成するが、(図10はイオン注入で形成した場合
を示す)、このベース層はピーク濃度が2×1016〜1
×1017cm-3程度の低不純物濃度の第2のベース層6
Aとピーク濃度が1×1018〜5×1018cm-3程度の
高不純物濃度の第1のベース層5Aで構成されている。
さらに第2のベース層6Aの表面の一部に表面濃度1×
1020〜1×1021cm-3のn+ 型のエミッタ層11A
が形成されている。尚10Aはエミッタ電極である。
The foregoing has described the prior art of bipolar transistors studied for low temperature applications. Next, although not for low-temperature use, a prior art bipolar transistor having a structure similar to the present invention (Japanese Patent Laid-Open No. 4-99328).
Will be described with reference to a vertical cross-sectional view of the transistor in FIG. 9 and an impurity profile in FIG. After forming an n + -type buried layer 2 and an n-type epitaxial layer (collector portion of a bipolar transistor) 3 on a p-type silicon substrate 1, a p-type base layer is formed by ion implantation (or MBE). The base layer has a peak concentration of 2 × 10 16 to 1 (FIG. 10 shows the case of ion implantation).
The second base layer 6 having a low impurity concentration of about × 10 17 cm −3
A and a first base layer 5A having a high impurity concentration with a peak concentration of about 1 × 10 18 to 5 × 10 18 cm −3 .
Further, a part of the surface of the second base layer 6A has a surface concentration of 1 ×.
N + -type emitter layer 11A of 10 20 to 1 × 10 21 cm -3
Are formed. Note that 10A is an emitter electrode.

【0011】この従来例の特徴は図10に示すように、
高不純物濃度のエミッタ層11Aと高不純物濃度の第1
のベース層15Aとが接していないため、エミッタ層1
1Aとベース層に逆方向電界が印加されたときの空乏層
電界が緩和され、ホットキャリアの発生が抑制される点
である。しかしながらこの従来例では、電界緩和のため
の第2のベース層6Aの分だけベース層の厚さが厚くな
るため、ベース層中を電子が通り抜けるベース走行時間
が大きくなり遮断周波数fT が低下する。また、第2の
ベース層6Aと第1のベース層5Aの間で濃度差による
電界が発生する。この電界は電子のベース走行に対して
逆方向に作用するため、やはりベース走行時間が大きく
なる。さらに、ベース層6Aの不純物濃度では、低温で
使用した場合フリーズアウトの影響によりエミッタ直下
の真性ベースの層抵抗が大きく上昇してしまうという欠
点がある。
The features of this conventional example are as shown in FIG.
The high impurity concentration emitter layer 11A and the high impurity concentration first layer
Is not in contact with the base layer 15A of the
The point is that the electric field in the depletion layer when a reverse electric field is applied to 1A and the base layer is relaxed, and the generation of hot carriers is suppressed. However, in this conventional example, since the thickness of the base layer is increased by the amount of the second base layer 6A for relaxing the electric field, the base transit time during which electrons pass through the base layer is increased, and the cutoff frequency f T is reduced. . Further, an electric field is generated between the second base layer 6A and the first base layer 5A due to a concentration difference. Since this electric field acts in the opposite direction to the base travel of the electrons, the base travel time also increases. Further, the impurity concentration of the base layer 6A has a disadvantage that when used at a low temperature, the layer resistance of the intrinsic base immediately below the emitter greatly increases due to the effect of freeze-out.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】先に述べたように、第
1の従来例のトランジスタは、低温においても高いhFE
を示しているが、ベース−コレクタ間に存在するヘテロ
ジャンクションの影響によりコレクタ電流の高電流領域
でのfT の急激な低下が生じてしまい、BiCMOS回
路のような高電流領域で動作する回路には使うことがで
きない。このことは例えば、アイイーイーイー アイイ
ーデーエム テクニカル ダイジェスト(IEEE I
EDM Technical Digest)p.86
1,1991)に報告されている。
As described above, the transistor of the first conventional example has a high h FE even at a low temperature.
While indicating the base - will be a sharp drop in f T in the high current region of the collector current is generated by the influence of heterojunction that exists between the collector, the circuit operating at a high current region, such as BiCMOS circuit Cannot be used. This is the case, for example, with the IEEE IMD Technical Digest (IEEE I
EDM Technical Digest) p. 86
1, 1991).

【0013】また、第2の従来例のトランジスタでは、
エミッタ濃度を従来のトランジスタより低くしなければ
ならないのでエミッタ抵抗の増大が問題となる。
In a second conventional transistor,
Since the emitter concentration must be lower than that of the conventional transistor, an increase in emitter resistance becomes a problem.

【0014】第3の従来例については、その不純物分布
とトランジスタのhFEの温度依存性を測定してみると図
4に示すように、温度の低下とともにhFEは低下してし
まうことがわかった。これは、エミッタ層11中に補償
されたp型不純物濃度(アクセプタ濃度)がベース層中
の不純物濃度を高くしたために高くなっており、エミッ
タ層11中のバンドギャップ縮小ΔEgeをドナー濃度だ
けを考えて見積もった場合よりも大きくしてしまうため
と考えられる。なぜなら、バンドギャップ縮小は半導体
中のドナー濃度とアクセプタ濃度の両方の影響を受ける
からである。また図8に示すように、従来のトランジス
タのfT も室温(300K)に比べ低温(89K)で低
下している。これはhFEの低下によりエミッタ遷移時間
が増大しているためである。
In the third conventional example, when the impurity distribution and the temperature dependence of the hFE of the transistor are measured, it is found that hFE decreases as the temperature decreases, as shown in FIG. Was. This is because the p-type impurity concentration (acceptor concentration) compensated in the emitter layer 11 is increased because the impurity concentration in the base layer is increased, and the band gap reduction ΔE ge in the emitter layer 11 is reduced only by the donor concentration. It is considered that the value is larger than the case where the estimation is made. This is because the band gap reduction is affected by both the donor concentration and the acceptor concentration in the semiconductor. Further, as shown in FIG. 8, f T of the conventional transistor is reduced at room temperature lower temperature than in (300K) (89K). This is because the emitter transition time is increased due to a decrease in h FE.

【0015】低温でのフリーズアウトを防ぐためには、
ベース層中の不純物濃度を高くしなければならない。エ
ミッタ層をベース層中に不純物拡散で形成する場合、ベ
ース層の不純物濃度を従来のように一様な分布にすると
エミッタ層中に含まれるアクセプタ濃度はベース層中の
不純物濃度の増加とともに増加してしまうため、エミッ
タ層のバンドギャップ縮小はドナー濃度だけで見積もら
れる以上に大きくなってしまう。その結果エミッタ層と
ベース層間のバンドギャップ縮小差が大きくなり、温度
の低下とともにhFEの低下をもたらす。
To prevent freeze-out at low temperatures,
The impurity concentration in the base layer must be increased. When the emitter layer is formed in the base layer by impurity diffusion, if the impurity concentration in the base layer is made uniform as in the past, the acceptor concentration contained in the emitter layer increases as the impurity concentration in the base layer increases. Therefore, the reduction of the band gap of the emitter layer becomes larger than estimated by the donor concentration alone. As a result it bandgap reduction difference of the emitter layer and the base layers is large, resulting in a decrease in h FE with decreasing temperature.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】第1の発明の半導体装置
は、第1導電型シリコン基板上に第2導電型埋込層を介
して形成されたコレクタ層と、このコレクタ層上に形成
され第1導電型の高不純物濃度の第1のベース層と、こ
の第1のベース層上に形成された第1導電型の低不純物
濃度の第2のベース層と、この第2のベース層に形成さ
れ第2のベース層とほぼ同じ厚さでかつ、前記第1およ
び第2のベース層の接続部に設けられた不純物の傾斜領
域を含む第2導電型のエミッタ層とを含むものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a collector layer formed on a silicon substrate of a first conductivity type via a buried layer of a second conductivity type, and a collector layer formed on the collector layer. A first base layer having a high impurity concentration of a first conductivity type, a second base layer having a low impurity concentration of a first conductivity type formed on the first base layer, and a second base layer having a low impurity concentration; The second base layer is formed to have substantially the same thickness as the second base layer, and
Of the impurity provided at the connection portion of the second base layer and the second base layer
And a second conductivity type emitter layer including a region .

【0017】第2の発明の半導体装置の製造方法は、第
1導電型シリコン基板上に第2導電型の埋込層を形成し
たのちコレクタ層となる第2導電型のエピタキシャル層
を形成する工程と、このエピタキシャル層上に第1導電
型の高不純物濃度の第1のベース層と低不純物濃度の第
2のベースとを順次形成する工程と、この第2のベース
層上に絶縁膜を設けたのちパターニングしエミッタ形成
領域に開口部を形成する工程と、この開口部を含む全面
に第2導電型不純物を含むポリシリコン膜を形成したの
ちパターニングしエミッタ電極を形成する工程と、前記
基板を熱処理し前記エミッタ電極より不純物を拡散させ
前記第1および第2のベース層の接続部に形成される不
純物の傾斜領域を含みかつ前記第2のベース層に第2の
ベース層とほぼ同じ厚さのエミッタ層を形成する工程と
を含むものである。
According to a second aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a buried layer of a second conductivity type on a silicon substrate of a first conductivity type; and forming an epitaxial layer of a second conductivity type to be a collector layer. Forming a first base layer of a first conductivity type having a high impurity concentration and a second base having a low impurity concentration in sequence on the epitaxial layer; and providing an insulating film on the second base layer. Forming an opening in an emitter formation region by patterning, forming a polysilicon film containing a second conductivity type impurity on the entire surface including the opening, and forming an emitter electrode by patterning; Heat treatment to diffuse impurities from the emitter electrode
An error is formed at the connection between the first and second base layers.
Forming an emitter layer including a pure inclined region and having substantially the same thickness as the second base layer on the second base layer.

【0018】[0018]

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1(a)〜(d)は本発明の第1の実施例を説明
するための工程順に示した半導体チップの断面図であ
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, the present invention will be described with reference to the drawings. 1A to 1D are cross-sectional views of a semiconductor chip shown in the order of steps for explaining a first embodiment of the present invention.

【0019】図1(a)に示すように、p型のシリコン
基板1上にヒ素をイオン注入してn+ 型の埋込層2を形
成し、さらにリンを2×1017cm-3含むn型のエピタ
キシャル層(バイポーラトランジスタのコレクタ部)3
を成長温度1000〜1150℃で形成する。次で選択
酸化法によりフィールド酸化膜4を形成し素子領域を区
画する。ここまでは極めて一般的に用いられている製造
工程である。次にエピタキシャル層の表面に選択的にp
型シリコンエピタキシャル層からなる高濃度の第1のベ
ース層5および低濃度の第2のベース層6を連続的に形
成する。これらの成長膜厚および不純物濃度を後工程で
形成するエミッタ層を含めて図2に示す。
As shown in FIG. 1A, arsenic is ion-implanted on a p-type silicon substrate 1 to form an n + -type buried layer 2 and further contains 2 × 10 17 cm -3 of phosphorus. n-type epitaxial layer (collector of bipolar transistor) 3
Is formed at a growth temperature of 1000 to 1150 ° C. Next, a field oxide film 4 is formed by a selective oxidation method to partition an element region. The manufacturing steps used so far are very generally used. Next, p is selectively applied to the surface of the epitaxial layer.
A high-concentration first base layer 5 and a low-concentration second base layer 6 composed of a silicon epitaxial layer are continuously formed. FIG. 2 shows the growth film thickness and the impurity concentration including the emitter layer formed in a later step.

【0020】これらのシリコンエピタキシャル層はUH
V(Ultra High Vaccum)−CVD
(Chemical vapor depositio
n)法を用いて450〜700℃の低温で成長する。こ
の場合の低温とは、通常のコレクタ部を形成するような
エピタキシャル層形成温度の1000〜1150℃に比
べ温度が低い事を示している。また、UHV−CVD法
を用いてウェハーの温度、ガスの流量などを制御するこ
とによりシリコン面が出ているところにのみ選択的にシ
リコンエピタキシャル層を形成することができる。
These silicon epitaxial layers are made of UH
V (Ultra High Vaccum) -CVD
(Chemical vapor deposition
It grows at low temperature of 450-700 degreeC using the n) method. The low temperature in this case indicates that the temperature is lower than the epitaxial layer formation temperature of 1000 to 1150 ° C. for forming a normal collector portion. Further, by controlling the temperature of the wafer, the flow rate of the gas, and the like by using the UHV-CVD method, the silicon epitaxial layer can be selectively formed only at the portion where the silicon surface is exposed.

【0021】次に図1(b)に示すように、第1,第2
のベース層5および6の両側にフォトレジスト工程を経
た後、ボロンをエネルギー10〜30keV、注入量1
×1015〜1×1016cm-3の条件でイオン注入して、
+ 型の外部ベース層7を形成する。その後、厚さ約1
00nmの酸化膜8を形成したのちパターニングし、エ
ミッタ形成領域に開口部9を形成する。
Next, as shown in FIG.
After passing through a photoresist process on both sides of the base layers 5 and 6, boron is implanted with an energy of 10 to 30 keV and an implantation amount of 1
Ion implantation under the condition of × 10 15 -1 × 10 16 cm -3
A p + -type external base layer 7 is formed. Then, about 1 thickness
After forming an oxide film 8 of 00 nm, patterning is performed to form an opening 9 in the emitter formation region.

【0022】次に図1(c)に示すように、リンまたは
ヒ素を5×1019〜1×1021cm-3を含むポリシリコ
ン膜を100〜300nm成長し、パターニングしてエ
ミッタ電極10を形成する。次で700〜1000℃、
3〜20秒の高速熱処理により、エミッタ電極10から
の不純物拡散により第2のベース層6中に第2のベース
層6とほぼ同じ厚さをもつn+ 型のエミッタ層10を形
成する。図1(c)における矢印X方向の不純物濃度分
布が図2に示したものである。
Next, as shown in FIG. 1C, a polysilicon film containing 5 × 10 19 to 1 × 10 21 cm −3 of phosphorus or arsenic is grown to a thickness of 100 to 300 nm and patterned to form an emitter electrode 10. Form. Then 700-1000 ° C,
An n + -type emitter layer 10 having substantially the same thickness as the second base layer 6 is formed in the second base layer 6 by diffusing impurities from the emitter electrode 10 by a high-speed heat treatment for 3 to 20 seconds. The impurity concentration distribution in the direction of arrow X in FIG. 1C is shown in FIG.

【0023】以下図1(d)に示すように、全面に層間
絶縁膜12を形成したのち開口部を形成し、アルミ配線
13からなるベース電極等を形成し、バイポーラトンラ
ンジスタを完成させる。
As shown in FIG. 1D, an interlayer insulating film 12 is formed on the entire surface, an opening is formed, a base electrode made of aluminum wiring 13 is formed, and a bipolar transistor is completed.

【0024】このようにして形成された本実施例のトラ
ンジスタの特徴は、第1のベース層5の不純物濃度が5
×1018cm-3以上で、第2のベース層6の不純物濃度
が第1のベース層5の不純物濃度に比べ1/5〜1/1
0となっており、エミッタ層11は第2のベース層6上
に形成されたエミッタ電極10からの不純物拡散によっ
て形成され、その接合深さは、第1及び第2のベース層
の接続部に設けられた不純物の傾斜領域を含み第2のベ
ース層6の厚さとほぼ同一となっていることである。
The feature of the transistor of this embodiment formed in this way is that the first base layer 5 has an impurity concentration of 5
At least 10 18 cm −3 , the impurity concentration of the second base layer 6 is 1/5 to 1/1 compared to the impurity concentration of the first base layer 5.
0, the emitter layer 11 is formed by impurity diffusion from the emitter electrode 10 formed on the second base layer 6, and the junction depth thereof is equal to the first and second base layers.
And the thickness of the second base layer 6 is substantially the same as that of the second base layer 6 including the inclined region of the impurity provided in the connection portion of FIG.

【0025】この構造ではエミッタ直下の真性ベース領
域は第1のベース層5のみで形成される。但し、図2で
はエミッタ層形成時の熱処理によるベース層5の不純物
分布の広がりは示していない(ベース層成長直後の不純
物分布である)。エミッタ層形成時の熱処理を例えば9
00℃、10秒の高速加熱で行った場合、ベース層の濃
度が2×1019cm-3のときで両側に2nmずつ広が
る。
In this structure, the intrinsic base region immediately below the emitter is formed only by the first base layer 5. However, FIG. 2 does not show the spread of the impurity distribution of the base layer 5 due to the heat treatment during the formation of the emitter layer (the impurity distribution immediately after the growth of the base layer). The heat treatment for forming the emitter layer is performed, for example, by 9
When heating is performed at a high speed of 100 ° C. for 10 seconds, when the concentration of the base layer is 2 × 10 19 cm −3 , it spreads by 2 nm on both sides.

【0026】第1のベース層5の不純物濃度はフリーズ
アウトの影響を受けないように3×1018以上にする必
要があり、5×1018cm-3以上が望ましい。また、エ
ミッタ層中のバンドギャップ縮小への影響を小さくする
為には第2のベース層の不純物濃度は第1のベース層の
1/5程度がよく、1/10以下となるとベース抵抗が
増大する。
The impurity concentration of the first base layer 5 needs to be 3 × 10 18 or more so as not to be affected by freeze-out, and is preferably 5 × 10 18 cm −3 or more. Further, in order to reduce the influence on the band gap reduction in the emitter layer, the impurity concentration of the second base layer is preferably about 1/5 of that of the first base layer, and when it is 1/10 or less, the base resistance increases. I do.

【0027】このように第1の実施例では、エミッタ直
下の真性ベース濃度は従来通りに高くしたまま、n型エ
ミッタ層11内に存在するアクセプタ濃度(この実施例
ではボロン濃度)を低くしているため、エミッタ層中の
バンドギャップ縮小はほとんどアクセプタ濃度の影響を
受けない状態になっている。図3に本実施例の不純物分
布を有するトランジスタのhFEの温度依存性の測定結果
を示す。hFEは300Kから120Kの範囲で上昇し、
120Kから89Kの範囲で約90という高い値を維持
している。この結果、破線で示した従来の不純物分布を
有するトランジスタに比べ89Kにおいて2.2倍の高
い電流増幅率が得られた。これはエミッタ層中のアクセ
プタ濃度を低くすることによりエミッタ層のバンドギャ
ップ縮小ΔEgeを小さくすることができ、hFEの温度依
存性が改善されたためである。図4に本実施例の不純物
分布を有するバイポーラトランジスタの300Kおよび
89KにおけるfT −Ic (コレクタ電流)特性を示
す。89KでfT のピーク値が上昇しているのはhFE
上昇によりエミッタ遷移時間が短縮されたためと考えら
れる。この結果、図8に示した従来のトランジスタのf
T に比べ、89Kで約1.3倍のfT ピーク値が得られ
た。
As described above, in the first embodiment, the acceptor concentration (boron concentration in this embodiment) existing in the n-type emitter layer 11 is reduced while the intrinsic base concentration immediately below the emitter is kept high as in the conventional case. Therefore, the reduction of the band gap in the emitter layer is hardly affected by the acceptor concentration. FIG. 3 shows a measurement result of the temperature dependence of hFE of the transistor having the impurity distribution of this example. h FE increases in the range of 300K to 120K,
The high value of about 90 is maintained in the range of 120K to 89K. As a result, a current amplification factor as high as 2.2 times at 89K was obtained as compared with the transistor having the conventional impurity distribution indicated by the broken line. This is because the band gap reduction ΔE ge of the emitter layer can be reduced by lowering the acceptor concentration in the emitter layer, and the temperature dependence of h FE is improved. Figure shows the f T -I c (collector current) characteristics at 300K and 89K of the bipolar transistor having 4 to the impurity distribution in this embodiment. It is considered that the peak value of f T increased at 89 K because the emitter transition time was shortened by the increase in h FE . As a result, f of the conventional transistor shown in FIG.
Compared to T, f T peak value of about 1.3 times at 89K was obtained.

【0028】以上のように第1の実施例によれば、液体
窒素温度付近の低温状態においてトランジスタ特性が明
らかに向上することがわかる。また、第1の実施例では
エミッタ層11直下の真性ベース領域は第1のベース層
5のみから形成されており、真性ベースはエミッタ−コ
レクタ間がパンチスルーしない厚さに調節できるため、
図9に示した従来例のように、真性ベースの厚さが厚く
なることはなく、また、真性ベース内部の濃度差による
逆電界も生じない。さらに真性ベース領域では低温での
フリーズアウトの影響をほとんど受けない。
As described above, according to the first embodiment, it is understood that the transistor characteristics are clearly improved in a low temperature state near the temperature of liquid nitrogen. Further, in the first embodiment, the intrinsic base region immediately below the emitter layer 11 is formed only of the first base layer 5, and the intrinsic base can be adjusted to a thickness that does not allow punch-through between the emitter and the collector.
Unlike the conventional example shown in FIG. 9, the thickness of the intrinsic base does not increase, and a reverse electric field due to the concentration difference inside the intrinsic base does not occur. Further, the intrinsic base region is hardly affected by freeze-out at low temperatures.

【0029】次に、本発明の第2の実施例の不純物プロ
ファイルを図5に示す。これは第1の実施例において第
2のベース層6をノンドープのエピタキシャル層で形成
するものである。この構造ではエミッタ中のアクセプタ
を極めて低くすることが出来るため、低温でのhFEの改
善は第1の実施例以上となる。
Next, FIG. 5 shows an impurity profile of the second embodiment of the present invention. This is one in which the second base layer 6 is formed of a non-doped epitaxial layer in the first embodiment. Since in this structure capable of very low acceptor in the emitter, improved h FE at low temperatures becomes equal to or larger than the first embodiment.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ベース層
を高不純物濃度の第1のベース層と低不純物濃度の第2
のベース層とで構成し、この第2のベース層に第2のベ
ース層とほぼ同じ厚さのエミッタ層を形成することによ
り電流増幅率hFEを向上させることができるため、半導
体装置の遮断周波数fT を向上させることができるとい
う効果がある。
As described above, according to the present invention, the base layer is composed of the first base layer having a high impurity concentration and the second base layer having a low impurity concentration.
By forming an emitter layer having substantially the same thickness as the second base layer on the second base layer, the current amplification factor h FE can be improved. There is an effect that the frequency f T can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を説明するための半導体
チップの断面図。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor chip for explaining a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施例における不純物濃度分布を示す
図。
FIG. 2 is a diagram showing an impurity concentration distribution in the first embodiment.

【図3】実施例及び従来例の電流増幅率の温度依存性を
示す図。
FIG. 3 is a diagram showing the temperature dependence of the current amplification factor of the embodiment and the conventional example.

【図4】実施例におけるfT −Ic 特性を示す図。FIG. 4 is a diagram showing f T -I c characteristics in the example.

【図5】第2の実施例における不純物濃度分布を示す
図。
FIG. 5 is a diagram showing an impurity concentration distribution in a second embodiment.

【図6】従来の半導体装置の一例の断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of an example of a conventional semiconductor device.

【図7】従来の半導体装置の不純物濃度分布を示す図。FIG. 7 is a diagram showing an impurity concentration distribution of a conventional semiconductor device.

【図8】従来の半導体装置のfT −Ic 特性を示す図。FIG. 8 is a graph showing f T -I c characteristics of a conventional semiconductor device.

【図9】従来の半導体装置の他の例の断面図。FIG. 9 is a cross-sectional view of another example of a conventional semiconductor device.

【図10】従来の半導体装置の他の例の不純物濃度分布
を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing an impurity concentration distribution of another example of a conventional semiconductor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 埋込層 3,3A エピタキシャル層 4 フィールド酸化膜 5,5A 第1のベース層 6,6A 第2のベース層 7 外部ベース層 8 酸化膜 9 開口部 10,10A エミッタ電極 11,11A エミッタ層 12 層間絶縁膜 13 アルミ配線 15 ベース層 Reference Signs List 1 silicon substrate 2 buried layer 3, 3A epitaxial layer 4 field oxide film 5, 5A first base layer 6, 6A second base layer 7 external base layer 8 oxide film 9 opening 10, 10A emitter electrode 11, 11A Emitter layer 12 Interlayer insulating film 13 Aluminum wiring 15 Base layer

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1導電型シリコン基板上に第2導電型
埋込層を介して形成されたコレクタ層と、このコレクタ
層上に形成された第1導電型の高不純物濃度の第1のベ
ース層と、この第1のベース層上に形成され第1導電型
の低不純物濃度の第2のベース層と、この第2のベース
層に形成され第2のベース層とほぼ同じ厚さでかつ、前
記第1および第2のベース層の接続部に設けられた不純
物の傾斜領域を含む第2導電型のエミッタ層とを含むこ
とを特徴とする半導体装置。
1. A collector layer formed on a silicon substrate of a first conductivity type via a buried layer of a second conductivity type, and a first conductive type high impurity concentration first layer formed on the collector layer. a base layer, a second base layer of the first formed in the base layer low impurity concentration of the first conductivity type, at approximately the same thickness as the second formed in the base layer a second base layer And before
An impurity provided at a connection between the first and second base layers;
A second conductivity type emitter layer including an inclined region of the object.
【請求項2】 第1導電型シリコン基板上に第2導電型
の埋込層を形成したのちコレクタ層となる第2導電型の
エピタキシャル層を形成する工程と、このエピタキシャ
ル層上に第1導電型の高不純物濃度の第1のベース層と
低不純物濃度の第2のベース層とを順次形成する工程
と、この第2のベース層上に絶縁膜を設けたのちパター
ニングしエミッタ形成領域に開口部を形成する工程と、
この開口部を含む全面に第2導電型不純物を含むポリシ
リコン膜を形成したのちパターニングしエミッタ電極を
形成する工程と、前記基板を熱処理し前記エミッタ電極
より不純物を拡散させ前記第1および第2のベース層の
接続部に形成される不純物の傾斜領域を含みかつ前記第
2のベース層に第2のベース層とほぼ同じ厚さのエミッ
タ層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装
置の製造方法。
2. A step of forming a second conductivity type buried layer on a first conductivity type silicon substrate and then forming a second conductivity type epitaxial layer serving as a collector layer, and forming a first conductivity type buried layer on the epitaxial layer. Forming a first base layer having a high impurity concentration and a second base layer having a low impurity concentration successively; providing an insulating film on the second base layer and then patterning the opening to form an opening in the emitter formation region; Forming a part,
Forming a polysilicon film containing a second conductivity type impurity on the entire surface including the opening and then patterning to form an emitter electrode; and heat-treating the substrate to diffuse the impurity from the emitter electrode to form the first and second impurities . Of the base layer
The method of manufacturing a semiconductor device which comprises a step of forming a substantially same thickness emitter layer of the second base layer comprises a sloped region of the impurities formed in the connecting portion and the second base layer .
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