JP3110313B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Description
MOS素子とが混在されたBi−CMOS(相補MO
S)集積回路からなる半導体装置の製造方法に関する。
子であるバイポーラと横方向素子であるCMOSとを同
一基板上に作ることになり、高速および高集積化のため
には、製造プロセスが複雑になり、製造工程が増大す
る。
れぞれの特徴を損なわないように共通になるウェルおよ
び素子分離の他に、例えばMOS素子のLDD(Lig
htiy Doped Drain)とバイポーラ素子
のベースとを同時に形成するなど、標準的なCMOS素
子の形成プロセスに整合させてできるだけ少ない製造工
程でバイポーラ素子を形成することが提案されている。
CMOS技術」(1990年9月20日初版発行)第3
章50頁から85頁および特公平6−52778号公報
に開示されている。
導体装置の製造方法について図13〜図19を用いて説
明する。
01にN+型埋込層102およびP+埋込層103をそれ
ぞれ形成し、その上にN型エピタキシャル層104を成
長する。次に、N型チャネルMOS領域および素子分離
領域にP型ウェル105を形成する。次に、選択酸化法
によりP型チャネルストッパー107およびフィールド
酸化膜108を形成する。
一表面を露出した後、熱酸化によりゲート絶縁膜となる
酸化膜109を20〜30nm成長させる。次に、酸化
膜109上にCVD法(Chemical Vapor
Deposition法)による多結晶シリコン層1
10と、スパッタ法によるWSi層(タングステンシリ
サイド層)111とを全面に順次成長してから、パター
ニングを行ってMOS素子のゲート電極111を形成す
る。
106をマスクとしてバイポーラ素子のコレクタ引き出
しとなる領域にリンのような不純物を5×1015・1×
1015[cm-2]注入する。
窒素雰囲気中で熱処理を行うことにより、イオン注入さ
れた不純物が拡散されてN+型拡散層113を形成され
る。
をマスクとしてゲート電極112に対して自己整合的に
NチャネルMOS素子のLDDとなるN-型拡散層11
4およびPチャネルMOS素子のLDDとなるP-型拡
散層115を形成する。このとき、バイポーラ素子の真
性ベースとなるP-型拡散層116を同時に形成する。
次に、主表面に酸化膜を成長した後、反応性イオンエッ
チング法により、ゲート電極112にサイドウォールと
呼ばれる酸化膜117を形成する。次に、フォシレジス
トをマスクとしてゲート電極112とサイドウォールと
なる酸化膜117に対して自己整合的にNチャネルMO
S素子のソース,ドレインとなるN+型拡散層118お
よびPチャネルMOS素子のソース,ドレインとなるP
+型拡散層119を形成する。このとき、バイポーラ素
子の外部ベースとなるP+型拡散層120を同時に形成
する。
主表面に酸化膜121を成長した後、選択的にエッチン
グを行い、真性ベースとなるP-拡散層116上に開口
窓122を形成する。次にCVD法により主表面に多結
晶シリコン層を形成した後、ヒ素のような不純物をイオ
ン注入し、熱処理を行う。このとき、多結晶シリコン層
からの不純物拡散により真性ベースとなるP-型拡散層
116上に浅いエミッタとなるN+型拡散層123が形
成される。次に、パターニングを行ってエミッタ電極1
24を形成する。
縁膜125を成長した後、この層間絶縁膜125に対し
て、選択的にエッチングを行い、コンタクト開口窓12
6を形成する。最後に主表面にアルミニウム層をスパッ
タ法により形成した後、パターニングを行ってアルミニ
ウム電極127を形成して完成する。
ば、バイポーラ素子およびMOS素子それぞれの素子特
性の劣化を招くことなく、製造プロセスの簡略化が図れ
る。
ート電極を形成した後の工程でコレクタ引き出し領域に
リンを注入して熱処理による押し込みを行っている。こ
の理由は、例えば特開昭61−198664号公報に記
載されているように、シリコン基板上に高濃度のリンを
含ませた場合、そのリンが熱酸化工程の途中にその周辺
のガス雰囲気中に放出され、これが再びシリコン基板内
に再拡散してMOS素子の基板表面の不純物濃度に変化
をもたらし、MOSのしきい値を変動させたり、ゲート
絶縁膜の耐性を劣化させたりするためである。
などのシリサイド層を形成してから熱処理を行い、かつ
WSi層上に酸化膜がそれ以外の領域よりも厚く形成さ
れ、WSi層がマスクとなり、リンの再拡散を防止でき
ることが記載されている。
造方法では、バイポーラ素子のコレクタの引き出し領域
を低抵抗化するために高濃度のリンを注入し、高温で不
純物拡散を行うとMOS素子の高速化および高集積化が
できなかったという問題があった。
ち、コレクタ引き出し領域に対して高濃度のリンを注入
する際には、基板表面に結晶欠陥が生じないようにマス
クとなる酸化膜は、比較的厚くする必要がある。しかし
ながら、従来の技術では、このマスクとなる酸化膜とM
OS素子のゲート絶縁膜となる酸化膜とを同一工程で形
成しており、ゲート絶縁膜を薄膜化できないためであ
る。
領域に対してリンをイオン注入してから熱処理による押
し込みを行うためには、イオン注入された不純物が拡散
されてN+埋込層に達するような高温の熱処理で押し込
む必要がある。
性を利用して窒素雰囲気ではなく酸化雰囲気あるいはス
チーム雰囲気で押し込みを行うと、ゲート電極およびゲ
ート絶縁膜が酸化されてしまう。また、1000℃を超
えるような熱処理を行うと、ゲート電極がWSi層と多
結晶シリコン層との積層で形成されており高温によるシ
リサイド反応が進行して、ゲート絶縁膜の耐性が劣化す
るのを防止する必要があるため、多結晶シリコン層およ
びゲート絶縁膜を薄膜化できない。
業図書発行「半導体デバイス−基礎理論とプロセス技
術」(1987年5月25日初版発行)394頁から3
96頁に記載されている。
注入された領域上に選択的にWSi層を形成し、それ以
外の基板表面を露出させて高温の熱処理を行い、その後
にゲート絶縁膜を形成するための酸化工程を行うこと
で、基板表面へのリンの再拡散は防止できるが、一方で
酸化工程によりゲート絶縁膜が金属汚染されて耐性が劣
化してしまう。また、選択的にWSi層を形成するため
のフォトリソグラフィー工程および基板表面を露出させ
るためのエッチング工程を増加させる必要があり、製造
コストが増加してしまう。
窒化膜のような絶縁膜を選択的に形成することは当業者
であれば容易に発明できるが、上述のように製造工程が
増加することは言うまでもない。
ことにより、バイポーラ素子とMOS素子との特性およ
び性能を同時に向上でき、高性能,高集積化および高信
頼性を有するBi−CMOS集積回路からなる半導体装
置を製造する製造方法を提供することにある。
め、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1の酸化
工程と、領域形成工程と、第2の酸化工程と、エッチン
グ工程と、第3の酸化工程とを有する半導体装置の製造
方法であって、前記第1の酸化工程は、半導体基板の一
部の領域であって、後の工程でリンを高濃度に導入する
予定の領域である第1の領域と、後の前記領域形成工程
で前記リンを高濃度に導入することを行わずリン濃度を
前記第1の領域よりも低くする予定の領域である第2の
領域とのいずれの領域においても、酸化膜を形成する処
理であり、前記領域形成工程は、前記第1の酸化工程で
形成された酸化膜の上から前記第1の領域にリンを導入
して、前記第2の領域に比べて、該第1の領域において
リン濃度を高濃度にする処理であり、前記第2の酸化工
程は、前記第1の酸化工程で形成された酸化膜の膜厚が
増加するように前記第1及び第2の領域を酸化し、前記
リン濃度の差により前記第1の領域の方が前記第2の領
域より膜厚が厚くなるように前記第1及び第2の領域を
酸化する処理であり、前記エッチング工程は、前記第2
の酸化工程の後に、前記第1の領域には酸化膜が残り、
前記第2の領域の酸化膜は除去されるように全面エッチ
ングを行う処理であり、前記第3の酸化工程は、前記全
面エッチング処理後に前記第1及び第2の領域を酸化す
る処理である。
素子とを半導体基板に備えた半導体装置の製造方法であ
って、リン濃度が高い前記第1の領域は、前記バイポー
ラ素子のコレクタ引き出し部を形成するものであり、リ
ン濃度が低い前記第2の領域は、前記バイポーラ素子の
エミッタ部を含むベース部と前記MOS素子部と抵抗素
子部を形成するものである。
0℃以上の温度の窒素雰囲気中で押し込みを行う工程
と、1000℃未満の温度のスチーム雰囲気中で前記第
2の酸化を行う工程とを有する。
熱処理を行っている。このため、バイポーラ素子のコレ
クタ引き出し領域を低抵抗化できる。
残し、MOS素子となる領域上の酸化膜を除去してゲー
ト絶縁膜を形成する。このため、コレクタ引き出し表面
からのリンの再拡散を防止でき、ゲート絶縁膜の耐性を
向上できる。さらに、フォトレジストマスクを追加させ
ずに歩留りよく製造できる。
図面を参照して説明する。図1〜図11は、本発明の実
施形態1を主要工程順に示す断面図である。
びP+型押込層3をそれぞれ形成し、その上にN型エピ
タキシャル層4を1.0〜3.0μm成長し、N型チャ
ネルMOS領域および素子分離領域にP型ウェル5を形
成する。次に、選択酸化法によりP型チャネルストッパ
ー7およびフィールド酸化膜8を形成する。ここまで
は、従来の半導体装置の製造方法と同様である。
表面を露出した後、900〜1000℃の酸素雰囲気中
で酸化膜9を20〜30nm成長させる。
をマスクとしてバイポーラ素子のコレクタ引き出しとな
る領域にリンを1〜2×1016[cm-2]注入する。
のスチーム雰囲気中で酸化を行うことにより、イオン注
入された不純物が拡散されてN+型押込層2に達するよ
うなN+型拡散層10が形成される。このとき、コレク
タ引き出しとなる領域を除く素子形成領域上は、酸化膜
9が成長されて40〜50nm(9a)となり、一方で
コレクタ引き出し領域上は100〜120nm(9b)
とより厚く成長される。この現象は、スチーム雰囲気中
では窒素雰囲気あるいは酸素雰囲気中よりも不純物の酸
化速度を増加し、さらには、シリコン基板内にドープさ
れた高濃度の不純物が酸化速度を著しく増加させること
によるためである。これは、例えば産業図書発行「半導
体デバイス−基礎理論とプロセス技術」(1987年5
月25日初版発行)356〜369頁に記載されてい
る。
を越えると、酸化速度に濃度依存性をもつことから、コ
レクタ引き出し領域表面は、1×1020〜1×10
21[cm-3]の不純物濃度,それ以外の素子領域で例え
ばMOS素子のウェル表面は、1×1016〜1×1017
[cm-3]の不純物濃度で設定する。
上に酸化膜9a,9bが予め存在するため、従来の技術
で述べたようなリンの再拡散による基板表面の濃度変化
は起こらない。
グ法により、全面にわたって酸化膜9a,9bを40〜
50nm除去し、コレクタ引き出し領域上に酸化膜9c
を60〜70nm残し、それ以外の素子形成領域上の基
板表面を露出させる。
のスチーム雰囲気中で酸化を行うことにより、ゲート絶
縁膜となる酸化膜11を10〜15nm形成する。この
酸化工程においても、素子領域上に酸化膜9cが予め存
在するため、従来の技術で述べたようなリンの再拡散に
よる基板表面の濃度変化は、起こらない。また、酸化膜
11を形成する以前にコレクタ引き出しとなる領域への
リンのイオン注入を行うため、酸化膜11の膜厚を従来
の20〜30nmの膜厚よりも薄膜化できる。
VD法による100〜200nmの多結晶シリコン層1
2とスパッタ法による100〜200nmのWSi層1
3とを全面に順次成長してから、パターニングを行って
MOS素子のゲート電極14を形成する。
の製造方法と同様にして、フォトレジストをマスクとし
てゲート電極14に対して自己整合的にNチャネルMO
S素子のLDDとなるN-型拡散層15およびPチャネ
ルMOS素子のLDDとなるP-型拡散層16を形成す
る。このとき、バイポーラ素子の真性ベースとなるP-
型拡散層17を同時に形成する。
200〜300nm成長した後、反応性イオンエッチン
グ法により、ゲート電極14にサイドウォールと呼ばれ
る200〜300nmの幅の酸化膜18を形成し、フォ
トレジストをマスクとしてゲート電極14とサイドウォ
ールとなる酸化膜18に対して自己整合的にNチャネル
MOS素子のソース,ドレインとなるN+型拡散層19
およびPチャネルMOS素子のソース,ドレインとなる
P+型拡散層20を形成する。このとき、バイポーラ素
子の外部ベースとなるP+型拡散層21を同時に形成す
る。
主表面に酸化膜22を200〜300nm成長した後に
選択的にエッチングを行い、真性ベースとなるP-拡散
層17上に0.6〜1.0μm幅の開口窓23を形成す
る。
主表面に多結晶シリコン層を200〜300nm成長し
た後、ヒ素のようなN型不純物をイオン注入し、熱処理
を行う。このとき、多結晶シリコン層からの不純物拡散
により真性ベースとなるP-拡散層17上に浅いエミッ
タとなるN+型拡散層24が形成される。次に、パター
ニングを行い、エミッタ電極25を形成する。
後、この層間絶縁膜26に対して、選択的にエッチング
を行い、コンタクト開口窓27を形成する。
法により形成した後、パターニングを行ってアルミニウ
ム電極28を形成して、図1に示す半導体装置を完成す
る。
係る製造方法の工程中のうち、実施形態2として図7に
示す工程において、バイポーラ素子のコレクタ引き出し
となる領域にN+型拡散層11を形成する方法として1
000〜1100℃の窒素雰囲気で押し込みを行った
後、900〜980℃のスチーム雰囲気中で酸化を行う
ようにしてもよい。
ば、コレクタ引き出し領域上に酸化膜を残し、MOS素
子となる領域上の酸化膜を除去してゲート絶縁膜を形成
するため、コレクタ引き出し領域表面からのリンの再拡
散を防止でき、ゲート絶縁膜の耐性の劣化を防止でき
る。また、リンの不純物濃度が高い領域を形成して高温
のスチーム酸化を行うことができるため、図12に示す
ようにrsc(コレクタ飽和抵抗)を従来例より50〜
60%小さくできる。
でき、具体的にはBi−NMOS回路からなるインバー
タの遅延時間を15〜20%小さくできる。
する以前にコレクタ引き出し領域へのイオン注入を行う
ことができるため、ゲート絶縁膜を8nmまでに薄膜化
でき、ゲート長も0.35μmまでにスケーリングされ
て、素子の高速化および高集積化を実現できる。
としないため、歩留りよく製造でき、製造コストも増加
しない。
タ引き出し領域となるN+型拡散層を1000℃を越え
る高温で形成できるため、rscを実施形態1よりもさ
らに20〜30%小さくできる。したがって、バイポー
ラ素子の性能をさらに向上でき、Bi−NMOS回路か
らなるインバータの遅延時間をさらに8%小さくでき
る。以上の点で実施形態2は、実施形態1よりさらに大
きな効果が得られる。
イポーラ素子とMOS素子とを縮小化した場合でも素子
性能を向上でき、高速性および高集積性を有するBi−
CMOS集積回路からなる半導体層を得ることができ、
効果は大である。
た半導体装置のバイポーラ素子とMOS素子とを示す断
面図である。
法を製造工程順に示す断面図である。
法を製造工程順に示す断面図である。
法を製造工程順に示す断面図である。
法を製造工程順に示す断面図である。
法を製造工程順に示す断面図である。
法を製造工程順に示す断面図である。
法を製造工程順に示す断面図である。
法を製造工程順に示す断面図である。
方法を製造工程順に示す断面図である。
方法を製造工程順に示す断面図である。
Bi−NMOS回路からなるインバータの遅延時間とコ
レクタ抵抗との関係を示す図である。
程順に示す断面図である。
程順に示す断面図である。
程順に示す断面図である。
程順に示す断面図である。
程順に示す断面図である。
程順に示す断面図である。
程順に示す断面図である。
LDD領域) 16,115 P-型拡散層(PチャネルMOS素子の
LDD領域) 17,116 P-型拡散層(バイポーラ素子の真性ベ
ース領域) 18,117 酸化膜(サイドウォール) 19,118 N+型拡散層(NチャネルMOS素子の
ソース,ドレイン領域) 20,119 P+型拡散層(PチャネルMOS素子の
ソース,ドレイン領域) 21,120 P+型拡散層(バイポーラ素子の外部ベ
ース領域) 22,121 酸化膜 23,122 開口部 24,123 N+型拡散層(バイポーラ素子のエミッ
タ領域) 25,124 エミッタ電極 26,125 層間絶縁膜 27,126 コンタクト開口部 28,127 アルミニウム電極 A PチャネルMOS素子 B NチャネルMOS素子 C バイポーラ素子
Claims (2)
- 【請求項1】 バイポーラ素子とMOS素子と抵抗素子
とを半導体基板に備え、第1の酸化工程と、領域形成工
程と、第2の酸化工程と、エッチング工程と、第3の酸
化工程とを有する半導体装置の製造方法であって、リン濃度が高い第1の領域は、前記バイポーラ素子のコ
レクタ引き出し部を形成するものであり、 リン濃度が
低い第2の領域は、前記バイポーラ素子のエミッタ部を
含むベース部と前記MOS素子部と抵抗素子部を形成す
るものであり、前記第1の酸化工程は、半導体基板の一
部の領域であって、後の工程でリンを高濃度に導入する
予定の領域である前記第1の領域と、後の前記領域形成
工程で前記リンを高濃度に導入することを行わずリン濃
度を前記第1の領域よりも低くする予定の領域である第
2の領域とのいずれの領域においても、酸化膜を形成す
る処理であり、 前記領域形成工程は、前記第1の酸化工程で形成された
酸化膜の上から前記第1の領域にリンを導入して、前記
第2の領域に比べて、該第1の領域においてリン濃度を
高濃度にする処理であり、 前記第2の酸化工程は、前記第1の酸化工程で形成され
た酸化膜の膜厚が増加するように前記第1及び第2の領
域を酸化し、前記リン濃度の差により前記第1の領域の
方が前記第2の領域より膜厚が厚くなるように前記第1
及び第2の領域を酸化する処理であり、 前記エッチング工程は、前記第2の酸化工程の後に、前
記第1の領域には酸化膜が残り、前記第2の領域の酸化
膜は除去されるように全面エッチングを行う処理であ
り、 前記第3の酸化工程は、前記全面エッチング処理後に前
記第1及び第2の領域を酸化する処理であることを特徴
とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 前記第2の酸化工程の前に、1000℃
以上の温度の窒素雰囲気中で押し込みを行う工程と、1
000℃未満の温度のスチーム雰囲気中で前記第2の酸
化を行う工程とを有することを特徴とする請求項1に記
載の半導体装置。の製造方法。
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