JP2748988B2 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

半導体装置とその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は半導体装置とその製造
方法に関し、特にNPNトランジスタとPNPトランジ
スタを混載した相補バイポーラ型トランジスタとその製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】図8から図12に従来の相補バイポーラ
型トランジスタの製造フローを断面図をもって示す。
【0003】まず図8に示すようにp- 型半導体基板1
の主表面の全面にSb+ 注入を行う。次に不純物拡散の
為の熱処理(以下「ドライブ」)及び熱酸化処理を行っ
てn+ 型埋込層2、酸化膜3を形成する(図9)。酸化
膜3を写真製版により選択的にエッチングして除去し、
酸化膜3をマスクとしてn+ 型埋込層2にB+ 注入を行
う(図10)。この後ドライブし、酸化膜3を全て除去
した後、エピタキシャル成長を行い、p+ 型埋込層4及
びn- エピタキシャル成長層5を形成する(図11)。
【0004】この後トレンチ分離7及びp型チャネルカ
ット層6を形成し、p- 型ウェル層8、p+ 型コレクタ
ウォール層9、n+ 型コレクタウォール層10を形成し
た後、p型真性ベース11a、n型真性ベース12a、
+ 型エミッタ層13、電位引き出し層30、p+ 型エ
ミッタ層14、多結晶シリコン膜15、n+ 型外部ベー
ス層12b、p+ 型外部ベース層11bを形成する。更
にシリサイド膜16、バリアメタル17、アルミ電極1
8を設けてNPNトランジスタ100、PNPトランジ
スタ101が構成される(図12)。NPNトランジス
タ100はコレクタ電極19、エミッタ電極20、ベー
ス電極21を、PNPトランジスタ101はコレクタ電
極23、エミッタ電極24、ベース電極25及び電位引
き出し電極22をそれぞれ有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の相補バイポーラ
型トランジスタは以上の様な製造フローで構成されてお
り、そのPNPトランジスタ101の等価回路は図13
に示す様になる。
【0006】PNPトランジスタ101bはPNPトラ
ンジスタ101の本来の働きをするトランジスタであ
り、p- 型ウェル層8及びp+ 型埋込層4、n型真性ベ
ース12a、p+ 型エミッタ層14がそれぞれコレク
タ、ベース、エミッタとなる。NPNトランジスタ10
2はPNPトランジスタ101に寄生して形成されてい
るもので、n型真性ベース12a、p- 型ウェル層8、
+ 型埋込層2がそれぞれエミッタ、ベース、コレクタ
となる。PNPトランジスタ103も寄生トランジスタ
であり、p- 型半導体基板1、n+ 型埋込層2、p+
埋込層4がそれぞれコレクタ、ベース、エミッタとな
る。抵抗R1はp+ 型コレクタウォール層9及びp+
埋込層4から成る抵抗であり、抵抗R2は電位引き出し
電極22とn+型埋込層2との間のn- 型エピタキシャ
ル成長層5から成る抵抗であり、R3はn型真性ベース
12aとp+ 型埋込層4との間のp- 型ウェル層8の抵
抗である。
【0007】このような等価回路を有するPNPトラン
ジスタ101を動作させるときには、通常図13の破線
で示す様に電位引き出し電極TUBをトランジスタ10
1bのエミッタEに接続し、電位を最も高くして寄生ト
ランジスタ102,103の影響を少なくする。このと
き電位引き出し電極TUBとトランジスタ101全体と
してのコレクタCとの間の耐圧BVTCO は、少なくと
も、コレクタCとエミッタEの間の耐圧BVCEO と同じ
レベルでないと、コレクタCとエミッタEの間がブレー
クダウンする前に電極TUBとコレクタCの間がブレー
クダウンし、所期の耐圧を得ることができない。しか
し、従来の相補バイポーラ型トランジスタは不純物濃度
の高いp+ 型埋込層4とやはり不純物濃度の高いn+
埋込層2でPN接合を形成している為、このPN接合を
有するトランジスタ103の耐圧は低く、よってトラン
ジスタ101全体としての耐圧も低くなるという問題点
があった。
【0008】更に、p+ 型埋込層4の形成は、高不純物
濃度のn+ 型埋込層2上にB+ を注入して行うので、あ
まり厚くすることができず、従って抵抗R1と抵抗R3
の和となるコレクタ抵抗を低減できず、コレクタ電流を
多く流すと増幅率hFEが低下するという問題点があっ
た。
【0009】この発明は上記の様な問題点を解決するた
めになされたもので、第1の半導体装置の耐圧を高め、
その電極抵抗を低減して増幅率の低下を抑制することの
できる半導体装置とその製造方法を提供することを目的
とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明の半導体装置
は、第1導電型の半導体基板と、前記基板の一主面を相
補的に埋める比較的低濃度で比較的厚い第2導電型の第
1埋込層及び比較的高濃度で比較的薄い第2導電型の第
2埋込層と、前記第1埋込層の上部に形成される第1導
電型の第3埋込層と、前記第1埋込層及び前記第3埋込
層、並びに前記第2埋込層の上部に形成された第2導電
型領域と、前記第2導電型領域をその表面から貫通して
前記基板の近傍にまで達し、前記第2導電型領域を、前
記第3埋込層を含む第1能動領域と、第1能動領域以外
の第2能動領域とに分割する絶縁溝と、前記第1能動領
域中に形成された第1の半導体装置と、前記第2能動領
域中に形成された、前記第1の半導体装置とは逆の導電
型の第2の半導体装置と、を備える。
【0011】またこの発明の半導体装置の製造方法は、
第1導電型の半導体基板の一主面に選択的に不純物を導
入して比較的低濃度で比較的厚い第2導電型の第1埋込
層を形成する工程と、前記一主面に選択的に不純物を導
入し、前記一主面を前記第1埋込層と相補的に埋める比
較的高濃度で比較的薄い第2導電型の第2埋込層を形成
する工程と、前記第1埋込層の上部に選択的に不純物を
導入して第1導電型の第3埋込層を形成する工程と、前
記第1埋込層及び前記第3埋込層並びに前記第2埋込層
の上部にエピタキシャル成長によって第2導電型領域を
形成する工程と、前記第2導電型領域をその表面から貫
通して前記基板の近傍にまで到達し、前記第2導電型領
域を、前記第3埋込層を含む第1能動領域と、第1能動
領域以外の第2能動領域とに分割する絶縁溝を形成する
工程と、前記第1能動領域中に第1の半導体装置を形成
する工程と、前記第2能動領域中に、前記第1の半導体
装置とは逆の導電型の第2の半導体装置を形成する工程
と、を備える。
【0012】
【作用】第1埋込層は第2埋込層とは独立に形成され、
その不純物濃度を低く抑えることができる。そのため、
互いに導電型の異なる第1埋込層と第3埋込層との形成
するPN接合の耐圧は、第1埋込層を第2埋込層にて兼
用した場合に比べ高くすることができる。
【0013】また、第3埋込層を形成する際には、不純
物の導入により第1埋込層の導電型を逆転させるので、
第1埋込層の不純物濃度が低く抑えられていると、比抵
抗が小さく、かつ厚い第3埋込層を形成することができ
る。
【0014】また絶縁溝を用いて素子分離するため、第
2埋込層は自己整合的に形成することができる。
【0015】
【実施例】図2から図7に本発明に係る半導体装置の製
造フローを断面図をもって示す。
【0016】まずP- 型半導体基板1の主表面の全面に
熱酸化膜3を500オングストローム、窒化膜26を1
000オングストローム形成し、レジストを用いて写真
製版を行い、部分的に酸化膜3及び窒化膜26を除去す
る。レジスト除去後、酸化膜3と窒化膜26とをマスク
にしてP+ (リン)を注入する(図2)。このP+ (リ
ン)注入は、加速電圧が30〜50keVで、ドーズ量
を2×1013〜1×1014cm-2として行う。例えば加
速電圧を50keV、ドーズ量を5×1013cm-2とす
ると、飛程中心が607オングストローム、分布が25
6オングストロームとなるイオン注入が行われる。
【0017】次に基板1をドライブ、熱酸化し、n型埋
込層2bを形成し、窒化膜26が除去された部分の酸化
膜3を増厚させる(図3)。ドライブ条件は望ましくは
1000〜1200℃、2〜3時間とし、熱酸化条件は
望ましくは950〜1100℃、20〜90分とする。
例えばドライブ条件を1100℃、2時間とすることに
より、厚さが5μm、不純物濃度が2×1016cm-3
n型埋込層2bが形成され、熱酸化条件を1100℃、
20分とすることにより、厚さ3500オングストロー
ム程度に酸化膜3を増厚させる。
【0018】この後窒化膜26を除去し、全面において
酸化膜エッチングを行い、前の工程で増厚された部分に
のみ酸化膜3aを残す。この酸化膜3aをマスクにし
て、即ちn型埋込層2bが形成されていない領域を対象
として、Sb+ 注入を行う(図4)。このSb+ 注入
は、望ましくは加速電圧が50keV前後で、ドーズ量
を3×1015〜4×1015cm-2として行う。例えば加
速電圧を50keV、ドーズ量を3.6×1015cm-2
とすると、飛程中心が271オングストローム、分布が
84オングストロームとなるイオン注入が行われる。
【0019】この後ドライブ、熱酸化を行い、n+ 型埋
込層2a、酸化膜3bを形成する。例えば1100℃、
2時間という条件でドライブすることにより厚さが2μ
m、不純物濃度が1019cm-3程度のn+ 型埋込層2a
が形成され、熱酸化条件を1100℃、20分とするこ
とにより、厚さ3500オングストローム程度の酸化膜
3bを形成する(図5)。
【0020】更に、レジストを用いて写真製版を行い、
酸化膜3bを選択的に除去してn型埋込層2bの一部を
露呈させる。そして酸化膜3bをマスクにしてB+ 注入
を行う(図6)。B+ 注入は加速電圧を10〜50ke
Vとし、ドーズ量は結晶欠陥を生じさせないため1×1
15cm-2以下とし、通常1×1014〜8×1014cm
-2とする。例えば加速電圧を30keV、ドーズ量を2
×1014cm-2とすると、飛程中心が987オングスト
ローム、分布が371オングストロームとなるイオン注
入が行われる。
【0021】この後1000℃程度、20分から1時間
のドライブを行い、続いて酸化膜3bを全て除去した
後、エピタキシャル成長によってn- 型エピタキシャル
成長層5を約3.5μm推積させる。例えばSiCl4
ガスとPH3 ガスを用い、950〜1200℃の温度で
15〜30分間の処理を行うと不純物濃度は5×1015
cm-3となる。以上の処理により、厚さが4.4μm、
不純物濃度が1017〜1018cm-3のp+ 型埋込層4a
が形成される(図7)。
【0022】そして図1に示すように、n- 型エピタキ
シャル成長層5の表面から基板1に達するまでの溝を掘
り、その底部からp型不純物を拡散させて不純物濃度が
1018cm-3程度であるp型のチャネルカット層6を形成
する。この後酸化膜で溝を埋め込んでトレンチ分離7を
形成し、エッチバックによって一旦全面の酸化膜を除去
する。
【0023】その後イオン注入等により、n- 型エピタ
キシャル成長層5中でp+ 型埋込層4aの上部に不純物
濃度が1016cm-3程度のp- 型ウェル層8を選択的に形
成し、このp- 型ウェル層8中に不純物濃度が1019cm
-3程度のp+ 型コレクタウォール層9を選択的に形成す
る。同様にしてn- 型エピタキシャル成長層5中でn+
型埋込層2a上に、選択的にn+ 型コレクタウォール層
10を形成する。
【0024】この後p- 型ウェル層8中にイオン注入等
により、不純物濃度が1017cm-3程度のn型真性ベース
12aを、p- 型ウェル層8中に選択的に形成する。同
様にしてp型真性ベース11aもn- 型エピタキシャル
成長層5中で、n+ 型埋込層2aの上部に、n+ 型コレ
クタウォール層10と離して選択的に形成する。
【0025】次にn型不純物のイオン注入等により、不
純物濃度が1020cm-3程度のn+ 型エミッタ層13をp
型真性ベース11a中に、電位引き出し層30をn-
エピタキシャル成長層5中でn型埋込層2b上に、それ
ぞれ選択的に同時に形成する。p+ 型エミッタ層14
は、n型真性ベース12a中に1019cm-3程度の不純物
濃度で選択的に形成される。
【0026】この後全面に酸化膜を形成し、外部ベース
層の形成及び電極取り出しの為に選択的に開口を行な
う。即ち、イオン注入等で不純物濃度が1020cm-3程度
のn+ 型外部ベース層12bをp- 型ウェル層8中でn
型真性ベース12aに接するように形成し、n+ 型外部
ベース層12b及び電位引き出し層30の上部に多結晶
シリコン膜15を設けるのである。
【0027】p+ 型外部ベース層11bも同様にしてp
型真性ベース層11aの近傍に設けられる。この後シリ
サイド膜16、バリアメタル17を設けるのであるが、
+ 型外部ベース層11bを形成する部分ではベース抵
抗の低減を図ってシリサイド膜16は、バリアメタル1
7よりも広く形成している。n+ 型エミッタ層13の近
くまでシリサイド膜16を形成するのである。具体的に
はシリサイド膜16を形成後、一旦酸化膜で全面を覆
い、バリアメタル17を形成するための酸化膜の開口
を、シリサイド膜16を形成する際の開口よりも狭くす
る。p+ 型コレクタウォール層9の上部も同様にして、
バリアメタル17よりもシリサイド膜16の方が広く形
成されている。
【0028】以上のようにして形成されたシリサイド膜
16、バルアメタル17の上にアルミ電極18を設け
て、コレクタ電極19、エミッタ電極20、ベース電極
21からなるNPNトランジスタ100と、コレクタ電
極23、エミッタ電極24、ベース電極25及び電位引
き出し電極22からなるPNPトランジスタ101aが
形成される。
【0029】ここで、PNPトランジスタ101aは、
従来の技術にて説明したPNPトランジスタ101とは
n型埋込層2bの濃度が異なる。従来の技術では、NP
Nトランジスタ100のコレクタとして働くn+ 型埋込
層2の形成が、PNPトランジスタ101を形成した領
域にまで及んでいたので、p+ 型埋込層4とで作るPN
接合の耐圧が問題となっていたが、この発明ではPNP
トランジスタ101aの下部においてはn+ 型埋込層2
よりも低い不純物濃度を有するn型埋込層2bを設けた
のでこの問題が解決される。これについて以下詳述す
る。
【0030】一般にPN接合においては一方の不純物濃
度が高い場合には、接合部における耐圧は、他方の低い
不純物濃度によってほぼ決定される。
【0031】図14はこの様子を示したものである。例
えば従来の技術ではn+ 型埋込層2及びp+ 型埋込層4
の不純物濃度はそれぞれ1019cm-3程度及び2×10
17cm-3であり、ここで生じるPN接合の耐圧はp+
埋込層4の不純物濃度で定まり、8V程度となる。通
常、コレクタCとエミッタEの間の耐圧BVCEO は12
V以上であるので、これでは図13のコレクタCとエミ
ッタEの間がブレークダウンする前に電極TUBとコレ
クタCの間がブレークダウンしてしまう。
【0032】一方、本実施によればn型埋込層2b及び
+ 型埋込層4aの不純物濃度はそれぞれ2×1016
-3及び1019cm-3程度であるので、ここで生じるP
N接合の耐圧はn型埋込層2bの不純物濃度で定まる。
耐圧は図14から20V以上であることがわかり、電位
引き出し電極TUBとコレクタCとの間の耐圧BVTC O
を改善できることがわかる。
【0033】また、本実施例のPNPトランジスタ10
1aのコレクタ抵抗は、従来の技術のPNPトランジス
タ101のコレクタ抵抗(1kΩ以上)よりも小さい。
これはp+ 型埋込層4aを形成する基材であるn型埋込
層2bがn+ 型埋込層2の不純物濃度よりも低くなった
ことにより、B+ 注入による導電型の反転が容易に生
じ、p+ 型埋込層4の不純物濃度が高まって比抵抗が減
少するのみならず、その厚さも厚く形成されるようにな
り、その結果図13で示した抵抗R1 が低減したためで
ある。
【0034】このようにコレクタ抵抗が低減したことに
よるトランジスタ特性の改善について詳述する。
【0035】図15はGummel Plotのグラフ
である。PNPトランジスタのベース・エミッタ間電圧
BEを上昇させていくとコレクタ抵抗による電圧降下で
コレクタ・ベース間が順バイアスになる。その結果、図
13に示した寄生トランジスタ102が動作し、ベース
電流IB は急激に増加する(図15の領域Aの破線)。
その一方でコレクタ電流IC はあまり増加しないため、
増幅率hFEは低下する。
【0036】図16は増幅率hFEの低下の様子を、コレ
クタ電流IC に対して示したグラフである。コレクタ電
流IC が10-4A(0.1mA)を越すと、増幅率hFE
は急激に低下することがわかる。
【0037】この様な増幅率の低下は遮断周波数fT
低下を招き、図17に示すようにコレクタ電流IC が1
-4A(0.1mA)を越すと、遮断周波数fT は急激
に低下する。
【0038】一方、本実施例によればコレクタ抵抗が低
減されるので、寄生トランジスタ102の動作が抑制さ
れ、、図15の領域Aにおいて、ベース電流IB は実線
で示されるように急激な増加もなく、従って増幅率hFE
の急激な低下や遮断周波数fT の低下も招くこともな
い。
【0039】なお、本実施例においてはNPNトランジ
スタ100とPNPトランジスタ101aとをトレンチ
分離7によって素子間分離を行っているため、n+ 型埋
込層2aはn型埋込層2bと接するように形成してもよ
く、従ってその形成時に新たなパターニングマスクを必
要としない。つまり、自己整合的にn+ 埋込層を形成す
ることができる。
【0040】
【発明の効果】以上に説明したようにこの発明の半導体
装置は、第1の半導体装置の下部にある第1埋込層が第
2の半導体装置の下部にある第2埋込層と別個に、かつ
相補的に形成され、第1埋込層の不純物は第2埋込層の
不純物濃度よりも低い濃度で形成される。また第1埋込
層上にこれと逆の導電型を有する第3埋込層が形成され
る。従って第1埋込層と第3埋込層とが形成するPN接
合の耐圧は、第2埋込層にて第1埋込層を兼用した場合
に比べて高くなり、第1の半導体装置の耐圧を高める。
【0041】また第1埋込層は第2埋込層より厚く形成
されるので、第1埋込層の不純物濃度が低いことともあ
いまって、第3の埋込層の厚みも厚くすることができ、
第1半導体の電極抵抗を低減するので、増幅率の低下も
抑制される。
【0042】更にこの発明の半導体装置の製造方法は上
記半導体装置を得ることができ、また絶縁溝で第2埋込
層と第3埋込層とを分離するので、第2埋込層は第1埋
込層と接する様に形成してもよく、第2埋込層の形成時
に新たなパターニングマスクを必要とすることなく、自
己整合的に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる半導体装置の一実施例の断面図
である。
【図2】本発明にかかる半導体装置の製造方法の一実施
例を示す断面図である。
【図3】本発明にかかる半導体装置の製造方法の一実施
例を示す断面図である。
【図4】本発明にかかる半導体装置の製造方法の一実施
例を示す断面図である。
【図5】本発明にかかる半導体装置の製造方法の一実施
例を示す断面図である。
【図6】本発明にかかる半導体装置の製造方法の一実施
例を示す断面図である。
【図7】本発明にかかる半導体装置の製造方法の一実施
例を示す断面図である。
【図8】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図であ
る。
【図9】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図であ
る。
【図10】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図で
ある。
【図11】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図で
ある。
【図12】従来の半導体装置を示す断面図である。
【図13】図12の半導体装置におけるPNPトランジ
スタの等価回路を示す図である。
【図14】PN接合の耐圧の特性を示すグラフである。
【図15】ベース電流IB 及びコレクタ電流IC の特性
を示すグラフである。
【図16】増幅率hFEの特性を示すグラフである。
【図17】遮断周波数fT の特性を表すグラフである。
【符号の説明】
1 p- 型半導体基板 2a n+ 型埋込層 2b n型埋込層 4a p+ 型埋込層 5 n- 型エピタキシャル成長層 7 トレンチ分離 8 p- 型ウェル層 9 p+ 型コレクタウォール層 12a n型真性ベース 14 p+ 型エミッタ層 30 電位引き出し層 100 NPNトランジスタ 101a PNPトランジスタ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型の半導体基板と、前記基板の
    一主面を相補的に埋める比較的低濃度で比較的厚い第2
    導電型の第1埋込層及び比較的高濃度で比較的薄い第2
    導電型の第2埋込層と、前記第1埋込層の上部に形成さ
    れる第1導電型の第3埋込層と、前記第1埋込層及び前
    記第3埋込層、並びに前記第2埋込層の上部に形成され
    た第2導電型領域と、前記第2導電型領域をその表面か
    ら貫通して前記基板の近傍にまで達し、前記第2導電型
    領域を、前記第3埋込層を含む第1能動領域と、第1能
    動領域以外の第2能動領域とに分割する絶縁溝と、前記
    第1能動領域中に形成された第1の半導体装置と、前記
    第2能動領域中に形成された、前記第1の半導体装置と
    は逆の導電型の第2の半導体装置と、を備える半導体装
    置。
  2. 【請求項2】 第1導電型の半導体基板の一主面に選択
    的に不純物を導入して比較的低濃度で比較的厚い第2導
    電型の第1埋込層を形成する工程と、前記一主面に選択
    的に不純物を導入し、前記一主面を前記第1埋込層と相
    補的に埋める比較的高濃度で比較的薄い第2導電型の第
    2埋込層を形成する工程と、前記第1埋込層の上部に選
    択的に不純物を導入して第1導電型の第3埋込層を形成
    する工程と、前記第1埋込層及び前記第3埋込層並びに
    前記第2埋込層の上部にエピタキシャル成長によって第
    2導電型領域を形成する工程と、前記第2導電型領域を
    その表面から貫通して前記基板の近傍にまで到達し、前
    記第2導電型領域を、前記第3埋込層を含む第1能動領
    域と、第1能動領域以外の第2能動領域とに分割する絶
    縁溝を形成する工程と、前記第1能動領域中に第1の半
    導体装置を形成する工程と、前記第2能動領域中に、前
    記第1の半導体装置とは逆の導電型の第2の半導体装置
    を形成する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
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