JP3794963B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、PN接合を利用した可変容量素子を備えた半導体装置に係り、特に容量変化範囲の拡大対策に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、可変容量素子は、例えば発振回路における周波数切り替え用の回路素子として使用されている。特に高性能な可変容量素子の一つのタイプは、PN接合ダイオードの接合容量を用いたものである。
【0003】
例えば、特開平10−74961号公報に開示されているように、N型不純物とP型不純物の注入を順次行うことによりPN接合部を形成し、このPN接合部を可変容量素子の容量部として機能させた半導体装置が開示されている。
【0004】
図9は、半導体基板に設けられた発振回路と、外付けの可変容量素子などを備えた従来のデバイスの構成を概略的に示すブロック図である。同図に示すように、従来のデバイスにおいては、パッケージ内の半導体基板100上に発振回路(バイポーラトランジスタBTを含む)が設けられており、半導体基板100が搭載される母基板(図示せず)上に、可変容量ダイオード等の可変容量素子VARと、共振インダクタIndとが設けられている。
【0005】
このように、周波数の可変機能を有する発振器を設ける場合、低位相ノイズ性や可変機能を得るために、アクティブ素子は発振回路内に配置され、共振状態を実現するために必要な可変容量ダイオードなどの可変容量素子VARは、パッケージの外部に配置されている。そして、可変容量素子VARと、パッケージ内の発振回路とは、PAD,パッケージリードなどによって互いに接続され、発振回路,共振インダクタInd及び可変容量素子VARにより、共振回路が構成されている。
【0006】
このように、発振回路を備え、その周波数を変化させるために可変容量素子を用いた共振回路を有するデバイスにおいては、周波数の広範囲の可変機能や低ノイズ化を得るために、可変容量素子等の高性能な受動素子を、半導体集積回路が配置されるパッケージの外部に設けるのが一般的である。
【0007】
この可変容量素子は容量変化率が高いほど性能が高いことになるが、半導体層内のPN接合部に形成される空乏層範囲の変化を利用するのが一般的である。つまり、PN接合を利用した可変容量素子は、その構造上、空乏層が狭い状態では大きな容量を有し、空乏層が伸びた状態では小さな容量を有することにより、容量の変化を示すのである。このため、空乏層が伸びるための十分な深さ又は広さが必要である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図9に示す従来のデバイスにおいては、可変容量ダイオード等の可変容量素子をパッケージの外部に配置しているために、以下のような不具合があった。
【0009】
共振回路内に、PAD,リード,ワイヤの寄生容量Cparaが多く含まれるので、可変容量素子の容量と寄生容量Cparaとの和が共振回路全体の容量となる。ところが、寄生容量Cparaは固定されていることから、共振回路全体の発振周波数の変化範囲が狭くなる。一方、発振周波数が高い場合、例えば、1GHz以上の高周波信号を扱う場合には、共振インダクタInd,可変容量素子VARの双方又はいずれかのインダクタンス値又は容量値を小さくする必要がある。ところが、可変容量素子の容量を小さくしても、大きな寄生容量Cparaが存在することにより、共振回路全体の容量を小さくすることが困難となり、ますます進行する携帯機器等の電子デバイスの高周波化(数GHz以上)に対応することが次第に困難となっている。
【0010】
そこで、少なくとも発振回路と共振容量部とを、共通の半導体基板上に設け、1つのパッケージ内に組み込んでしまうことが好ましい。つまり、発振回路(発振素子)には、主としてバイポーラトランジスタが用いられるので、バイポーラトランジスタと可変容量素子とを共通の半導体基板上に形成することが好ましい。その場合、バイポーラトランジスタのコレクタ層とPN接合部を含む可変容量ダイオードとがほぼ共通の半導体層に形成されることになる。
【0011】
ところが、発振回路に用いられるバイポーラトランジスタにおいて、近年の高周波化の進行に伴いコレクタ層が薄層化される傾向にある。したがって、プロセス上、コレクタ層と同時に形成される半導体層内にP型層とN型層とを備えた可変容量素子においても、PN接合部に形成される空乏層が伸びるための十分な深さ又は広さを確保することが困難である。つまり、共振回路全体の容量を小さくすることが困難となっている。
【0012】
本発明の目的は、容量変化範囲の大きい可変容量素子を含む半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、可変容量素子を備えた半導体装置であって、上記可変容量素子は、半導体基板の内部に設けられた,第1導電型の第1の半導体層と、上記半導体基板の表面から突出するように、上記第1の半導体層上に形成された第2導電型の第2の半導体層とを備えている
【0014】
これにより、第1,第2の半導体層間に形成されるPN接合部には電圧の印加に応じて変化する空乏層が形成されるので、この空乏層を容量部とする可変容量素子が得られる。そして、空乏層の伸びる範囲が第1の半導体層の深さまで確保されているので、第1の半導体層内にP型層とN型層とを設けた場合に比べ、空乏層の伸びる範囲が拡大することになる。つまり、浅いコレクタ層でも容量変化範囲を広くして高周波化の進行に対応することができる。そして、可変容量素子の性能の向上(PN接合濃度の増大)により、ある装置内に必要な可変容量素子の数を少なくすることができる。言い換えると、1つの半導体基板上に設ける可変容量素子の数を低減することができるので、半導体装置の高集積化を図ることができる。
【0015】
第1導電型の第3の半導体層からなるコレクタ層と、上記第3の半導体層の上に設けられた第2導電型の第4の半導体層からなるベース層と、上記第4の半導体層上に設けられた第1導電型のエミッタ層とを有するバイポーラトランジスタをさらに備え、上記第3の半導体層からなるコレクタ層は、上記半導体基板の内部に設けられており、上記第4の半導体層からなるベース層は、上記半導体基板の表面から突出するように、上記第3の半導体層からなるコレクタ層上に形成されていることにより、可変容量素子と高周波特性のよいバイポーラトランジスタとを1つの半導体基板に混載することが可能になる。
【0016】
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SiGeまたはSiGeCからなるであることにより、ヘテロ接合を利用した優れた特性を発揮することができる。
【0017】
発振回路をさらに備え、上記可変容量素子は、上記発振回路に接続されていることにより、周波数の調整機能の優れた共振回路を構成することができる。
【0018】
本発明の半導体装置の製造方法は、可変容量素子とバイポーラトランジスタとを共通の半導体基板に設けてなる半導体装置の製造方法であって、変容量素子形成領域において、上記半導体基板の表面に第1導電型の第1の半導体層を形成すると共に、バイポーラトランジスタ形成領域において、上記半導体基板の表面に第1導電型のコレクタ層を形成する工程(a)と、上記工程(a)の後に、エピタキシャル成長法により、上記半導体基板の表面から突出するように、上記第1の半導体層上に第2導電型の第2の半導体層を可変容量素子形成領域において形成するとともに、エピタキシャル成長法により、上記半導体基板の表面から突出するように、上記コレクタ層上に第2導電型のベース層をバイポーラトランジスタ形成領域において形成する工程(b)と、上記ベース層上にエミッタ層を形成する工程(c)とを有している。
【0019】
この方法により、1つの半導体基板に可変容量素子とバイポーラトランジスタとを備えた半導体装置を、少ない工程数で形成することができる。
【0021】
上記工程(b)では、Si1-x-y Gexy (0<x<1,0≦y<1)層を含む第2及び第4の半導体層を形成することにより、周波数特性の優れたバイポーラトランジスタと、容量変化範囲の大きい可変容量素子とを有する半導体装置を形成することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の可変容量素子を含む半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【0023】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態における可変容量素子(可変容量ダイオード),MIS容量素子及び抵抗素子を共通の半導体基板の上に設けた半導体装置の断面図である。同図に示すように、シリコン基板10には、可変容量ダイオードVARと、抵抗素子RESと、MIS容量素子MISとが設けられている。
【0024】
シリコン基板10には、深い溝内に薄いシリコン酸化膜13を堆積した後,ポリシリコン12を埋め込んで形成された第1の分離領域11と、浅い溝内にシリコン酸化膜13を埋め込んで形成された第2の分離領域15と、が設けられている。そして、第1,第2分離領域11,15によって、可変容量素子VAR,抵抗素子RES及びMIS容量素子MISが互いに分離されるとともに、第2の分離領域15によって各素子内の活性領域が区画されている。
【0025】
ここで、可変容量素子VARは、シリコン基板10内に砒素(As)をドープして形成されたN+ 層16と、N+ 層16の表面部に高濃度の砒素をドープして形成された引き出し層18と、N+ 層16の上にエピタキシャル成長により形成され、一部にボロン(B)を含むSiGe膜及びSi膜からなる厚さ110nmのP+ 層21と、P+ 層21を覆うP+ 型のポリシリコン膜及びその上のチタンシリサイド層からなるP型電極22とを備えている。P+ 層21は、厚さ40nmのアンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ40nmのボロンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ30nmのアンドープSi膜とによって構成されている。また、N+ 層16のうちP+ 層21に近接する可変容量領域16aにおいて、表面付近における不純物濃度は1×1018cm-3であり、表面から基板内部に向かって不純物濃度が徐々に低下する不純物濃度プロファイルを示している。可変容量領域16aと引き出し層18とは、第2の分離領域15によって互いに分離されている。
【0026】
図10は、本実施形態の可変容量素子のN+ 層16における濃度プロファイルを、SIMSによって実測した結果を示す図である。同図において、横軸はシリコン基板の上面からの深さを表している。図10に示すように、本実施形態の可変容量素子のN+ 層16における不純物濃度は、表面で極大値を示し、表面から奥方に向かって次第に低くなっていることがわかる。
【0027】
抵抗素子RESは、広いシャロートレンチに埋め込まれたシリコン酸化膜15aの上に設けられたP+ 型ポリシリコン膜からなる抵抗膜23を備えている。
【0028】
MIS容量素子MISは、シリコン基板10内に砒素(As)をドープして形成されたN+ 層17と、N+ 層17の表面部に高濃度の砒素をドープして形成された下部電極となるN++層19と、N+ 層17の表面部に高濃度のリン(P)をドープして形成された引き出し層20と、N++層19の上に形成された熱酸化膜からなる容量絶縁膜24と、容量絶縁膜24の上に設けられたP+ 型のポリシリコン膜及びその上のチタンシリサイド層からなる上部電極25とを備えている。そして、N++層19と引き出し層20とは、第2の分離領域15によって互いに分離されている。
【0029】
さらに、基板を覆う層間絶縁膜30と、層間絶縁膜30を貫通して各部22,18,23,20,25に接続されるバリア膜31及びタングステンプラグ32と、Al合金膜33及びその上の反射防止膜34からなる配線とが設けられている。なお、バリア膜31は、層間絶縁膜30とAl合金膜33との間まで延びている。
【0030】
本実施形態の特徴は、可変容量素子VARの容量部であるPN接合部が、シリコン基板10の内部ではなく、エピタキシャル成長されたSiGe膜からなるP+ 層21と、シリコン基板10内のN+ 層16及び可変容量領域16aとに亘って形成されている点である。
【0031】
図2(a),(b)は、それぞれ順に、従来の可変容量素子及び本実施形態の可変容量素子の主要部の構成を概略的に示す断面図である。図2(a)に示すように、従来の可変容量素子においては、シリコン基板内にP+ 層とN+ 層とが形成され、PN接合部はシリコン基板内に存在している。空乏層(破線参照)の伸びる範囲は、シリコン基板内のある深さの領域からN+ 層の下端までであるので、N+ 層の厚みが薄くなっていくと、空乏層の伸びる領域が狭くなり、可変容量素子の容量の変化範囲が小さくなる。ところが、図2(b)に示すように、本実施形態の可変容量素子の場合、空乏層の伸びる範囲は、シリコン基板の表面付近の領域からN+ 層の下端までに広がる。したがって、本実施形態の可変容量素子によると、シリコン基板内にPN接合部が存在する場合に比べ、空乏層の伸びうる領域がN+ 層の深さ全体まで確保されるので、容量の変化範囲が拡大することになる。特に、空乏層が広いほど可変容量素子の容量変化範囲が大きくなるので、高周波化の進行に対応することもできる。
【0032】
そして、可変容量素子の性能の向上により、ある装置内に必要な可変容量素子の数を少なくすることができる。言い換えると、1つの半導体基板上に設ける可変容量素子の数を低減することができるので、半導体装置の高集積化を図ることができる。
【0033】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。図3(a)〜(f)及び図4(a)〜(e)は、本実施形態の可変容量素子を備えた半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【0034】
まず、図3(a)に示す工程で、シリコン基板10の表面部を酸化して、厚さ約500nmのシリコン酸化膜40を形成する。
【0035】
次に、図3(b)に示す工程で、フォトリソグラフィー及びウエットエッチングにより、シリコン酸化膜40をパターニングして、可変容量形成領域Rvarcを開口した注入マスク41を形成する。そして、レジスト膜を除去した後、注入マスク41の上方から砒素イオン(As+ )を、注入エネルギー30keV,ドーズ量1.5×1015cm-2の条件で、シリコン基板10内に注入する。さらに、1000℃の酸化とアニールとを連続して行なって、Asの活性化と拡散とを行なうことにより、埋め込みN+ 層42を形成する。
【0036】
次に、図3(c)に示す工程で、注入マスク41とアニール前に形成した熱酸化膜とをウエットエッチングにより除去した後、エピタキシャル成長により、シリコン基板10の上面上に厚さ約0.55μmのSiエピタキシャル層42を形成する。このとき、埋め込みN+ 層42の不純物はSiエピタキシャル層42内に拡散して、可変容量形成領域Rvarcに、N+ 層16が形成される。
【0037】
次に、図3(d)に示す工程で、厚さ約10nmの酸化膜と厚さ約200nmの窒化膜とからなるマスク用膜44を形成した後、マスク用膜44をパターニングして第1の分離領域を形成しようとする部分を開口した第1のマスク(図示せず)を形成する。そして、第1のマスクを用いてドライエッチングを行なって、シリコン基板10に約3μm深さのトレンチを形成する。さらに、シリコン基板10のうちトレンチの底部に位置する領域にボロン(B)を注入して、反転層が形成されるのを防止するための高濃度層43を形成した後、トレンチの壁部を酸化してシリコン酸化膜13を形成する。さらに、トレンチ内にポリシリコンを埋め込んで第1の分離領域11を形成する。
【0038】
次に、図3(e)に示す工程で、第1のマスクをさらにパターニングして、第2の分離領域を形成しようとする領域を開口した第2のマスク45を形成する。そして、第2のマスク45を用いてシリコン基板10に、深さ約400nmのシャロートレンチ46を形成する。
【0039】
次に、図3(f)に示す工程で、シリコン酸化膜の堆積とCMPとを行なって、シャロートレンチ46内にシリコン酸化膜を埋め込んで、第2の分離領域15を形成する。
【0040】
次に、図4(a)に示す工程で、第2マスクを除去した後、フォトリソグラフィーにより、引き出し層などを形成しようとする領域を開口したレジスト膜(図示せず)を形成し、Siエピタキシャル層42のうちにリンイオン(P+ )の注入を行なって、可変容量形成領域Rvarcに引き出し層18を形成する。その後、950℃でアニールし、引き出し層18を低抵抗化させる
次に、図4(b)に示す工程で、可変容量形成領域RvarcのN+ 層16の上方に、砒素イオン(As+ )を、注入エネルギー30keV,ドーズ量2.8×1012atoms ・cm-2の条件で注入し、可変容量領域16aを形成する。その後、可変容量領域16a内のAs活性化のために、1000℃,10secの条件でRTA処理を行なう。この一連の処理により、図10に示すような、基板表面から内部に向かって徐々に濃度が低下するAs濃度のプロファイルが形成される。
【0041】
次に、図4(c)に示す工程で、厚さ約40nmの酸化膜及び厚さ100nmのポリシリコン膜を順次形成した後、これらをパターニングして、可変容量領域16aの上方のみを開口したマスク47を形成する。そして、可変容量領域16aの上面上に、Si0.85Ge0.15膜及びSi膜からなる厚さ約110nmのP+ 層21をエピタキシャル成長させる。このとき、in-situ ドープにより、P+ 層21の一部に濃度約6×1018cm-3のボロンを含ませる。P+ 層21は、厚さ40nmのアンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ40nmのボロンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ30nmのアンドープSi膜とによって構成されている。
【0042】
次に、図4(d)に示す工程で、基板上に、厚さ100nmのポリシリコン膜48を堆積する。そして、ボロンを注入エネルギーが8keV,ドーズ量1.6×1016cm-2の条件で注入して、ポリシリコン膜48を低抵抗化する。
【0043】
次に、図4(e)に示す工程で、ポリシリコン膜48をパターニングして、可変容量形成領域Rvarcに、P+ 層21に接するP型電極22を形成する。さらに、ウエットエッチングにより、P型電極22上の酸化膜を除去した後、スパッタリングを行なって、基板上に厚さ約40nmのチタン膜を堆積する。その後、シリサイド化反応させるためのRTA処理を行い、さらに酸化膜上の未反応チタン膜を硫酸と過酸化水素水混合液で除去後、低抵抗化のRTA処理を実施し、P型電極22にチタンシリサイド層を形成する。
【0044】
その後の工程の図示は省略するが、通常使用される工程、例えば層間絶縁膜形成工程、CMPによる平坦化工程、コンタクト形成工程、アルミ配線形成工程などを順次実施することにより、図1に示す半導体装置の可変容量素子を形成する。
【0045】
なお、本実施形態においては、可変容量領域16aへのAs注入条件を注入エネルギー30keV,ドーズ量2.8×1012atoms ・cm-2としたが、回路で使用される電圧可変範囲内で所望の容量変化が得られるように、可変容量素子の種類や用途に応じて注入条件を最適化することができる。
【0046】
また、SiGe層におけるボロン濃度およびGe組成比はPN接合のリーク電流を所望の値にするために最適化することが好ましい。また、マスク47は、SiGeエピタキシャル成長時の異常成長を抑制するためにポリシリコン膜を含んでいるが、成長様式(選択成長または非選択成長)を容易に制御できる場合には、マスク47がポリシリコン膜を含んでいなくてもよい。
【0047】
図5(a),(b)は、本発明の方法によって形成された半導体装置中の可変容量素子の容量の電圧依存特性を相異なる不純物濃度プロファイルについて示す図である。図5(a),(b)において、横軸はP型電極22に印加される電圧を表し、縦軸は可変容量素子の単位容量(C/μm2 )を表している。また、図5(a)に示す特性は、可変容量領域16aのイオン注入条件を、注入エネルギー30keV,ドーズ量2.8×1012atoms ・cm-2としたときのものである。図5(b)に示す特性は、可変容量領域16aのイオン注入条件を、注入エネルギー30keV,ドーズ量2.2×1012atoms ・cm-2としたときのものである。図5(a)に示す特性においては、1V−2V間の容量変化は約1.9になる。また、図5(b)に示す特性においては、1V−2V間の容量変化は約2.0になる。このように、ドーズ量を変化させることで任意の電圧間の容量変化比を制御できることがわかる。
【0048】
なお、従来のSiエピタキシャル層42(図3(c)参照)への注入のみで可変容量素子を形成した場合の1V−2V間の容量変化は約1.1であった。
【0049】
また、本実施形態のように、ポリシリコン膜を含むP型電極22をP+ 層21の上に設けることにより、コンタクト(タングステンプラグ32)がダイレクトにSiGe膜に形成されるのを回避することができ、薄いSiGe層への欠陥導入や、コンタクトがP+ 層21を突き抜けることによるショート不良などを抑制できる。
【0050】
なお、本実施形態においては、P+ 層を主としてSiGe膜によって構成したが、SiGe膜に代えてエピタキシャル成長されたSi膜を用いてP+ 層を形成しても、空乏層の伸びる範囲の拡大による容量変化の範囲の拡大を図ることはできる。ただし、特にP+ 層をSiGe膜により構成することにより、より高濃度のボロンをドープすることができるので、P+ 層の高濃度化により容量変化範囲をさらに拡大することができる利点がある。
【0051】
(第2の実施形態)
図6は、本発明の第2の実施形態における可変容量素子(可変容量ダイオード)及びNPN−HBT(ヘテロバイポーラトランジスタ)を共通の半導体基板の上に設けた半導体装置の断面図である。第1の実施形態においては、可変容量素子のみを設けた半導体装置の例について説明した。それに対し、図6に示すように、本実施形態においては、可変容量素子VARは、発振回路を構成するNPN−HBTと同じ半導体基板上に設けられている。
【0052】
シリコン基板50には、深い溝内に薄いシリコン酸化膜53を堆積した後,ポリシリコン52を埋め込んで形成された第1の分離領域51と、浅い溝内にシリコン酸化膜53を埋め込んで形成された第2の分離領域55とが設けられている。そして、第1,第2分離領域51,55によって、可変容量素子VAR及びNPN−HBTが互いに分離されるとともに、第2の分離領域55によって各素子内の活性領域が区画されている。
【0053】
ここで、可変容量素子VARは、シリコン基板50内に砒素(As)をドープして形成された深さ0.55μmのN+ 層56と、N+ 層56の表面部に高濃度の砒素をドープして形成された引き出し層58と、N+ 層56の上にエピタキシャル成長により形成され、一部にボロン(B)を含むSiGe膜及びSi膜からなる厚さ110nmのP+ 層61と、P+ 層61を覆うP+ 型のポリシリコン膜及びその上のチタンシリサイド層からなるP型電極62とを備えている。P+ 層61は、厚さ40nmのアンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ40nmのボロンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ30nmのアンドープSi膜とによって構成されている。また、N+ 層56のうちP+ 層61に近接する可変容量領域56aにおいて、表面付近における不純物濃度は1×1018cm-3であり、表面から基板内部に向かって不純物濃度が徐々に低下する不純物濃度プロファイルを示している。可変容量領域56aと引き出し層58とは、第2の分離領域55によって互いに分離されている。
【0054】
NPN−HBTは、可変容量素子VARのN+ 層56と同時に形成されたコレクタ拡散層57と、比較的低濃度の砒素がドープされたN- 型のコレクタ層59と、電極とコンタクトするためのN+ コレクタ引き出し層60と、コレクタ開口部71を有する厚さ約30nmの第1の堆積酸化膜70とを備えていて、シリコン基板50の上面のうちコレクタ開口部71に露出する部分の上には、P型不純物がドープされた厚さ約80nmのSiGe層と厚さ約30nmのSi膜とが積層されてなるSi/SiGe層79が設けられている。このSi/SiGe層79は、ベース層として機能するものであり、選択成長により、シリコン基板50のうちコレクタ開口部71に露出している部分の上に形成されている。Si/SiGe層79は、厚さ40nmのアンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ40nmのボロンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ30nmのアンドープSi膜とによって構成されている。そして、Si/SiGe層79のうちの中央部の下部が内部ベースとして機能している。また、Si/SiGe層79の中央部の上部(主としてSi膜)がエミッタ層として機能している。また、Si/SiGe層79及びコレクタ拡散層57の表面部に亘って、ボロンイオンの注入による外部ベース注入領域が形成されており、外部ベース注入領域の一部として、コレクタ拡散層57の表面部に、濃度が3×1017atoms ・cm-3程度の接合リーク防止層66が形成されている。
【0055】
Si/SiGe層79及び第1の堆積酸化膜70の上には、厚さ約30nmのエッチストッパ用の第2の堆積酸化膜72が設けられていて、第2の堆積酸化膜72には、ベース接合用開口部74及びベース開口部78が形成されている。そして、ベース接合用開口部74を埋めて第2の堆積酸化膜72の上に延びる厚さ約150nmのP+ ポリシリコン層75と第3の堆積酸化膜77とが設けられている。上記Si/SiGe層79のうちベース開口部78の下方領域を除く部分とP+ ポリシリコン層75とによって外部ベースが構成されている。
【0056】
また、P+ ポリシリコン層75及び第3の堆積酸化膜77のうち,第2の堆積酸化膜72のベース開口部78の上方に位置する部分は開口されていて、P+ ポリシリコン層75の側面には厚さ約30nmの第4の堆積酸化膜80が形成されており、さらに、第4の堆積酸化膜80の上に厚さ約100nmのポリシリコンからなるサイドウォール81が設けられている。そして、ベース開口部78を埋めて第3の堆積酸化膜77の上に延びるN+ ポリシリコン層82が設けられており、このN+ ポリシリコン層82はエミッタ引き出し電極として機能する。上記第4の堆積酸化膜80によって、P+ ポリシリコン層75とN+ ポリシリコン層82とが電気的に絶縁される。また、第3の堆積酸化膜77によって、P+ ポリシリコン層75の上面とN+ ポリシリコン層82とが絶縁されている。
【0057】
さらに、P+ ポリシリコン層75及びN+ ポリシリコン層82の上には、それぞれチタンシリサイド層が形成されている。
【0058】
さらに、基板を覆う層間絶縁膜65と、層間絶縁膜65を貫通して各部62,58,60,82,75に接続されるバリア膜63及びタングステンプラグ64と、Al合金膜67及びその上の反射防止膜68からなる配線とが設けられている。なお、バリア膜63は、層間絶縁膜65とAl合金膜67との間まで延びている。
【0059】
ここで、本実施形態においても、可変容量素子VARのN+ 層61の不純物濃度プロファイルは、図10に示すとおりである。すなわち、シリコン基板50の表面部でもっとも高濃度であり、下方に向かって次第に濃度が低下するという、第1の実施形態と基本的には同じ不純物濃度プロファイルを有している。一方、NPN−HBTにおけるコレクタ層59及びコレクタ拡散層57においては、シリコン基板50の表面部で比較的低濃度で、下方に向かって不純物濃度が次第に高くなるというプロファイルを有している。
【0060】
図7は、本実施形態の半導体装置の主要部の回路構成を示すブロック図である。同図に示すように、シリコン基板50には、NPN−HBTを含む発振回路と、可変容量素子VARと、共振インダクタIndとが設けられて1つのパッケージ内に収納されている。そして、発振回路,可変容量素子VAR及び共振インダクタIndにより共振回路が構成されている。ここで、NPN−HBT及び可変容量素子VARの構造は、図6に示すとおりである。共振インダクタの構造の図示は省略するが、共振インダクタIndは例えば渦巻き状にパターニングされた導体膜によって構成されている。また、発振回路と可変容量素子VARとの間には、PADの寄生容量Cparaが存在している。
【0061】
なお、シリコン基板50上には、共振回路以外の回路例えばMISトランジスタ等を含む論理回路などが設けられていてもよい。
【0062】
本実施形態の半導体装置によると、可変容量素子VARと発振回路(バイポーラトランジスタ)とを1つの半導体基板に設けることにより、以下の効果を発揮することができる。本実施形態の半導体装置においては、図9に示す従来の半導体装置に比べ、寄生容量CparaがPAD周辺の寄生容量だけであるので、発振周波数の変化範囲が寄生容量によって狭められるのを抑制することができる。つまり、可変容量素子VARの容量を小さくすることで、共振回路の共振周波数を高くすることができるので、高周波化の進行に対応することができる。そのために、可変容量素子である可変容量ダイオードの容量変化幅を小さくすることができ、デバイス設計への負担を軽減することができる。
【0063】
その場合、可変容量素子とNPN−HBTとを共通のシリコン基板50の上に設けると、高周波化に伴うNPN−HBTのコレクタ拡散層57の深さの低減に応じ、コレクタ拡散層57と同時に形成されるN+ 層56の深さを低減する必要がある。その結果、可変容量素子VARのP+ 層61とN+ 層56との間に形成される空乏層の伸びる範囲も狭められることになる。
【0064】
ところが、本実施形態の半導体装置によると、エピタキシャル層であるP+ 層61と下地のシリコン層であるN+ 層56(特に可変容量領域56a)との間にPN接合部を形成しているので、電圧の印加に応じて空乏層が伸びうる範囲の拡大を図ることができる。言い換えると、可変容量素子VAR(可変容量ダイオード)の容量変化特性を、NPN−HBT(ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ)の高周波化に応じて適正に維持しながら、可変容量素子VARとNPN−HBTとを同じ半導体基板上に設けることが可能になる。特に、空乏層が広いほど可変容量素子の容量が小さくなるので、高周波化の進行に対応することもできる。
【0065】
そして、可変容量素子の性能の向上により、ある装置内に必要な可変容量素子の数を少なくすることができる。言い換えると、1つの半導体基板上に設ける可変容量素子の数を低減することができるので、半導体装置の高集積化を図ることができる。
【0066】
なお、共振インダクタは必ずしも発振回路(NPN−HBT)及び可変容量素子VARと同じ半導体基板に設けられている必要はなく、例えば母基板上に形成されていても、上述のような本実施形態の効果を発揮することができる。
【0067】
図8(a)〜(c)は、本発明の第2の実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【0068】
図8(a)に示す工程の前に、第1の実施形態における図3(a)〜図4(b)に相当する工程を終了している。したがって、シリコン基板50内に、第1,第2の分離領域51,52が形成されている。また、可変容量形成領域Rvarcにおいては、砒素(As)をドープして形成されたN+ 層56と、N+ 層56の表面部に高濃度の砒素をドープして形成された引き出し層58とが設けられている。HBT形成領域Rhbt においては、可変容量素子VARのN+ 層56と同時に形成されたコレクタ拡散層57と、比較的低濃度の砒素を含むN- 型のコレクタ層59と、電極とコンタクトするためのN+ コレクタ引き出し層60とが形成されている。
【0069】
そして、図8(a)に示す工程で、基板上に、厚さ30nmの第1の堆積酸化膜70を堆積した後、これをパターニングして、可変容量形成領域Rvarcにおいて可変容量領域56aの上方を開口するとともに、HBT形成領域Rhbt においてはコレクタ開口部71を形成する。そして、可変容量領域56a及びコレクタ層59の上面上に、Si0.85Ge0.15膜及びSi膜からなる厚さ約110nmのP+ 層61及びSi/SiGe層79をそれぞれエピタキシャル成長させる。このとき、in-situ ドープにより、P+ 層61及びSi/SiGe層79の一部に濃度約6×1018cm-3のボロンを含ませる。P+ 層61及びSi/SiGe層79は、厚さ40nmのアンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ40nmのボロンドープSi0.85Ge0.15膜と、厚さ30nmのアンドープSi膜とによって構成されている。
【0070】
次に、図8(b)に示す工程で、基板上に、エッチストッパとなる膜厚30nmの第2の堆積酸化膜72を形成した後、第2の堆積酸化膜72をドライエッチングによりパターニングして、ベース接合用開口部74を形成する。このとき、Si/SiGe層79の中央部は第2の堆積酸化膜によって覆われており、ベース接合用開口部74にはSi/SiGe層79の周辺部と第1の堆積酸化膜70の一部とが露出している。
【0071】
次に、ベース接合用開口部74の形成に用いたレジストマスクを用いて、ボロン(B)などのP型の不純物のイオン注入を行い、Si/SiGe層79及びコレクタ拡散層57の表面部に亘って外部ベース注入領域を形成する。このとき、外部ベース注入領域の一部として、コレクタ拡散層57の表面部に、濃度が3×1017atoms ・cm-3程度の接合リーク防止層66が形成されている。
【0072】
次に、CVDにより、基板上に、1×1020atoms ・cm-3以上の高濃度にドープされた厚さ約150nmのP+ ポリシリコン層75を堆積し、続いて、厚さ約100nmの第3の堆積酸化膜77を堆積する。次に、ドライエッチングにより、第3の堆積酸化膜77とP+ ポリシリコン層75とをパターニングして、HBT形成領域Rhbt において、第3の堆積酸化膜77とP+ ポリシリコン層75との中央部に第2の堆積酸化膜72に達するベース開口部78を形成する。このベース開口部78は第2の堆積酸化膜72の中央部よりも小さく、ベース開口部78がベース接合用開口部74に跨ることはない。この工程により、P+ ポリシリコン層75とSi/SiGe層79の中央部を除く部分とによって構成される外部ベースが形成される。
【0073】
次に、図8(c)に示す工程で、CVDにより、ウエハの全面上に厚さ約30nmの堆積酸化膜と厚さ約150nmのポリシリコン膜とを堆積する。そして、異方性ドライエッチングにより、堆積酸化膜及びポリシリコン膜をエッチバックして、P+ ポリシリコン層75及び第3の堆積酸化膜77の側面上に第4の堆積酸化膜80を挟んでポリシリコンからなるサイドウォール81を形成する。次に、フッ酸等によるウエットエッチングを行い、第2の堆積酸化膜72及び第4の堆積酸化膜80のうち露出している部分を除去する。このとき、ベース開口部78においては、Si/SiGe層79の上部のSi層が露出する。
【0074】
次に、図8(d)に示す工程で、厚さが約250nmのN+ ポリシリコン膜を堆積した後、ドライエッチングによってN+ ポリシリコン膜をパターニングすることにより、HBT形成領域Rhbt に、エミッタ引き出し電極となるN+ ポリシリコン層82を形成する。このとき、P+ ポリシリコン層75の外側はパターニングされていない。
【0075】
次に、図8(e)に示す工程で、ドライエッチングにより、第1の堆積酸化膜70,第3の堆積酸化膜77,P+ ポリシリコン層75及び第2の堆積酸化膜72をパターニングして、HBT形成領域Rhbt においては外部ベースの形状を決定し、可変容量形成領域Rvarcにおいては、P型電極62を形成する。
【0076】
その後の工程の図示は省略するが、チタンシリサイド層の形成工程、層間絶縁膜形成工程、CMPによる平坦化工程、コンタクト形成工程、アルミ配線形成工程などを順次実施することにより、図6に示す半導体装置を形成する。
【0077】
以上のように、本実施形態の製造方法によると、可変容量素子VARとNPN−HBTとでできるだけ工程の共通化を図りつつ、容量変化範囲の大きい可変容量素子VARを、NPN−HBTと共通の半導体基板上に形成することができる。
【0078】
なお、可変容量素子としては、エピタキシャル層からなるP+ 層とP+ ポリシリコン膜とが必要であるが、NPN−HBTでは、SiGeベース層と、外部ベースとなるP+ ポリシリコン膜とが形成されるため、NPN−HBTのプロセスを利用して、NPN−HBTと可変容量素子とを同じ基板上に形成することができる。
【0079】
本実施形態においては、可変容量素子VARのP+ 層61を主としてSiGe膜によって構成することにより、第1の実施形態と同様に、P+ 層の高濃度化による容量変化範囲の拡大を図ることができる利点がある。
【0080】
本実施形態の製造方法によれば、可変容量素子VARのP+ 層61とNPN−HBTのベース層であるSi/SiGe層79とを共通のエピタキシャル層から形成し、可変容量素子VARのP型電極62とNPN−HBTの外部ベースであるP+ ポリシリコン層75とを共通のポリシリコン膜から形成することにより、工程数の削減を図ることができ、ひいては、デバイス特性の安定化を図ることができる。
【0081】
なお、上記第1,第2の実施形態におけるP+ 層21,61中のSiGe膜に代えてSiGeC膜を設けてもよい。
【0082】
また、可変容量素子VARのP+ 層でありNPN−HBTのベース層であるSiGe層に代えて、Si膜を設けてもよい。ただし、SiGe膜を用いることにより、NPN−HBTの高周波化をよりいっそう進めることができる。なお、SiGe膜又はSiGeC膜を傾斜組成を有する膜によって構成してもよい。その場合には、HBTにおけるベース走行速度をより高くすることができる利点がある。
【0083】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によると、エピタキシャル成長層を利用することにより、可変容量素子の容量部となる空乏層の伸びる範囲を広く確保することができ、容量変化範囲を広く確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態における可変容量素子,MIS容量素子及び抵抗素子を共通の半導体基板の上に設けた半導体装置の断面図である。
【図2】(a),(b)は、それぞれ順に、従来の可変容量素子及び本実施形態の可変容量素子の主要部の構成を概略的に示す断面図である。
【図3】(a)〜(f)は、第1の実施形態の可変容量素子を備えた半導体装置の製造工程のうちの前半部分を示す断面図である。
【図4】(a)〜(e)は、第1の実施形態の可変容量素子を備えた半導体装置の製造工程のうちの後半部分を示す断面図である。
【図5】(a),(b)は、本発明の方法によって形成された半導体装置中の可変容量素子の容量の電圧依存特性を相異なる不純物濃度プロファイルについて示す図である。
【図6】本発明の第2の実施形態における可変容量素子及びNPN−HBTを共通の半導体基板の上に設けた半導体装置の断面図である。
【図7】第2の実施形態の半導体装置の主要部の回路構成を示すブロック図である。
【図8】(a)〜(c)は、本発明の第2の実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図9】半導体基板上に設けられた発振回路と、外付けの可変容量素子などを備えた従来のデバイスの構成を概略的に示すブロック図である。
【図10】本発明の第1の実施形態の可変容量素子のN+ 層における濃度プロファイルを、SIMSによって実測した結果を示す図である。
【符号の説明】
10,50 シリコン基板
11,51 第1の分離領域
12,52 ポリシリコン
13,53 シリコン酸化膜
15,55 第2の分離領域
16,56 N+
16a,56a 可変容量領域
17 N+
18,58 引き出し層
20 引き出し層
21,61 P+
22,62 P型電極
23 抵抗体膜
24 ゲート絶縁膜
25 ゲート電極
30,65 層間絶縁膜
31,63 バリア膜
32,64 タングステンプラグ
33,67 Al合金膜
34,68 反射防止膜
57 コレクタ拡散層
59 コレクタ層
60 N+ コレクタ引き出し層
66 接合リーク防止層
70 第1の堆積酸化膜
71 コレクタ開口部
72 第2の堆積酸化膜
74 ベース接合開口部
75 P+ ポリシリコン層
77 第3の堆積酸化膜
78 ベース開口部
79 Si/SiGe層
80 第4の堆積膜
81 サイドウォール
82 N+ ポリシリコン層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a variable capacitance element using a PN junction, and more particularly to measures for expanding a capacitance change range.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a variable capacitance element is used as a frequency switching circuit element in an oscillation circuit, for example. In particular, one type of high-performance variable capacitance element uses a junction capacitance of a PN junction diode.
[0003]
For example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-74661, a PN junction is formed by sequentially injecting N-type impurities and P-type impurities, and this PN junction is used as a capacitor of a variable capacitance element. A functioning semiconductor device is disclosed.
[0004]
FIG. 9 is a block diagram schematically showing a configuration of a conventional device including an oscillation circuit provided on a semiconductor substrate and an external variable capacitance element. As shown in the figure, in the conventional device, an oscillation circuit (including a bipolar transistor BT) is provided on a semiconductor substrate 100 in a package, and a mother substrate (not shown) on which the semiconductor substrate 100 is mounted. On top of this, a variable capacitance element VAR such as a variable capacitance diode and a resonant inductor Ind are provided.
[0005]
Thus, when providing an oscillator having a frequency variable function, an active element is arranged in an oscillation circuit to obtain a low phase noise characteristic and a variable function, and a variable capacitance diode necessary for realizing a resonance state. The variable capacitance element VAR is disposed outside the package. The variable capacitance element VAR and the oscillation circuit in the package are connected to each other by a PAD, a package lead, or the like, and a resonance circuit is configured by the oscillation circuit, the resonance inductor Ind, and the variable capacitance element VAR.
[0006]
As described above, in a device having an oscillation circuit and having a resonance circuit using a variable capacitance element to change its frequency, a variable capacitance element, etc. Generally, a high-performance passive element is provided outside a package in which a semiconductor integrated circuit is arranged.
[0007]
This variable capacitance element has a higher performance as the capacitance change rate is higher, but it is common to use a change in the depletion layer range formed at the PN junction in the semiconductor layer. In other words, the variable capacitance element using the PN junction has a large capacitance when the depletion layer is narrow, and has a small capacitance when the depletion layer is extended, thereby exhibiting a change in capacitance. For this reason, a sufficient depth or width for extending the depletion layer is required.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional device shown in FIG. 9 has the following problems because variable capacitance elements such as variable capacitance diodes are arranged outside the package.
[0009]
Since the resonance circuit includes many parasitic capacitances Cpara of PAD, leads, and wires, the sum of the capacitance of the variable capacitance element and the parasitic capacitance Cpara becomes the capacitance of the entire resonance circuit. However, since the parasitic capacitance Cpara is fixed, the change range of the oscillation frequency of the entire resonance circuit is narrowed. On the other hand, when the oscillation frequency is high, for example, when a high frequency signal of 1 GHz or higher is handled, it is necessary to reduce the inductance value or the capacitance value of both or one of the resonant inductor Ind and the variable capacitance element VAR. However, even if the capacitance of the variable capacitance element is reduced, it is difficult to reduce the capacitance of the entire resonant circuit due to the presence of the large parasitic capacitance Cpara. It is becoming increasingly difficult to cope with a frequency of several GHz or higher.
[0010]
Therefore, it is preferable that at least the oscillation circuit and the resonance capacitor unit are provided on a common semiconductor substrate and incorporated in one package. That is, since a bipolar transistor is mainly used for the oscillation circuit (oscillation element), it is preferable to form the bipolar transistor and the variable capacitance element on a common semiconductor substrate. In that case, the collector layer of the bipolar transistor and the variable capacitance diode including the PN junction are formed in a substantially common semiconductor layer.
[0011]
However, in a bipolar transistor used in an oscillation circuit, the collector layer tends to be thinned with the recent progress of high frequency. Therefore, in a variable capacitance element having a P-type layer and an N-type layer in a semiconductor layer formed simultaneously with the collector layer, a sufficient depth for the depletion layer formed at the PN junction to extend in the process. Or, it is difficult to ensure the area. That is, it is difficult to reduce the capacity of the entire resonance circuit.
[0012]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device including a variable capacitance element having a large capacitance change range and a method for manufacturing the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including a variable capacitance element, and the variable capacitance element is Provided inside the semiconductor substrate, A first semiconductor layer of a first conductivity type; A second semiconductor layer of a second conductivity type formed on the first semiconductor layer so as to protrude from the surface of the semiconductor substrate. .
[0014]
This Formed between first and second semiconductor layers Since a depletion layer that changes in response to voltage application is formed at the PN junction, a variable capacitance element using this depletion layer as a capacitor is obtained. Since the depletion layer extends to the depth of the first semiconductor layer, the depletion layer extends more than in the case where the P-type layer and the N-type layer are provided in the first semiconductor layer. Will expand. That is, even in a shallow collector layer, the capacitance change range can be widened to cope with the progress of higher frequencies. The number of variable capacitance elements required in a certain device can be reduced by improving the performance of the variable capacitance elements (increasing the PN junction concentration). In other words, the number of variable capacitance elements provided on one semiconductor substrate can be reduced, so that the semiconductor device can be highly integrated.
[0015]
A collector layer made of a first conductivity type third semiconductor layer; a base layer made of a second conductivity type fourth semiconductor layer provided on the third semiconductor layer; and the fourth semiconductor layer. A bipolar transistor having an emitter layer of a first conductivity type provided thereon, and a collector layer made of the third semiconductor layer is provided inside the semiconductor substrate, and the fourth semiconductor layer The base layer made of is formed on the collector layer made of the third semiconductor layer so as to protrude from the surface of the semiconductor substrate. As a result, the variable capacitance element and the bipolar transistor with good high frequency characteristics can be mixedly mounted on one semiconductor substrate.
[0016]
The first semiconductor layer is a Si layer, and the second semiconductor layer is Made of SiGe or SiGeC Therefore, excellent characteristics using a heterojunction can be exhibited.
[0017]
An oscillation circuit is further provided, and the variable capacitance element is connected to the oscillation circuit, whereby a resonance circuit having an excellent frequency adjustment function can be configured.
[0018]
A manufacturing method of a semiconductor device of the present invention is a manufacturing method of a semiconductor device in which a variable capacitance element and a bipolar transistor are provided on a common semiconductor substrate, OK In the variable element formation region On the surface of the semiconductor substrate. Forming a first semiconductor layer of the first conductivity type, and On the surface of the semiconductor substrate. Of the first conductivity type Collector layer And after the step (a), the semiconductor substrate is epitaxially grown. To protrude from the surface of the On the first semiconductor layer A second conductivity type second semiconductor layer is formed in the variable capacitance element formation region, and a second conductivity type base layer is bipolar formed on the collector layer so as to protrude from the surface of the semiconductor substrate by epitaxial growth. A step (b) of forming in the transistor formation region, a step (c) of forming an emitter layer on the base layer, and have.
[0019]
With this method, a semiconductor device including a variable capacitor and a bipolar transistor on one semiconductor substrate can be formed with a small number of steps.
[0021]
In the step (b), Si 1-xy Ge x C y By forming the second and fourth semiconductor layers including the (0 <x <1, 0 ≦ y <1) layer, the bipolar transistor having excellent frequency characteristics and the variable capacitance element having a large capacitance change range are provided. A semiconductor device can be formed.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a semiconductor device including a variable capacitance element of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings.
[0023]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device in which a variable capacitance element (variable capacitance diode), a MIS capacitance element, and a resistance element according to the first embodiment of the present invention are provided on a common semiconductor substrate. As shown in the figure, the silicon substrate 10 is provided with a variable capacitance diode VAR, a resistance element RES, and a MIS capacitance element MIS.
[0024]
The silicon substrate 10 is formed by depositing a thin silicon oxide film 13 in a deep trench and then embedding the polysilicon 12 and a silicon oxide film 13 buried in a shallow trench. A second separation region 15 is provided. The variable capacitance element VAR, the resistance element RES, and the MIS capacitance element MIS are separated from each other by the first and second isolation regions 11 and 15, and the active region in each element is partitioned by the second isolation region 15. ing.
[0025]
Here, the variable capacitance element VAR is formed by doping arsenic (As) in the silicon substrate 10. + Layer 16 and N + A lead layer 18 formed by doping a surface portion of the layer 16 with high-concentration arsenic; + A SiGe film formed by epitaxial growth on the layer 16 and partially containing boron (B) and a P film having a thickness of 110 nm made of Si film. + Layer 21 and P + P covering layer 21 + And a P-type electrode 22 made of a titanium silicide layer thereon. P + Layer 21 is 40 nm thick undoped Si 0.85 Ge 0.15 Film and boron-doped Si with a thickness of 40 nm 0.85 Ge 0.15 A film and an undoped Si film having a thickness of 30 nm are included. N + P of layer 16 + In the variable capacitance region 16a adjacent to the layer 21, the impurity concentration in the vicinity of the surface is 1 × 10. 18 cm -3 And shows an impurity concentration profile in which the impurity concentration gradually decreases from the surface toward the inside of the substrate. The variable capacitance region 16 a and the extraction layer 18 are separated from each other by the second separation region 15.
[0026]
FIG. 10 shows N of the variable capacitance element of this embodiment. + It is a figure which shows the result of having actually measured the density | concentration profile in the layer 16 by SIMS. In the figure, the horizontal axis represents the depth from the upper surface of the silicon substrate. As shown in FIG. 10, N of the variable capacitance element of the present embodiment. + It can be seen that the impurity concentration in the layer 16 has a maximum value on the surface and gradually decreases from the surface toward the back.
[0027]
Resistive element RES is formed of P provided on silicon oxide film 15a embedded in a wide shallow trench. + A resistance film 23 made of a type polysilicon film is provided.
[0028]
The MIS capacitive element MIS is formed by doping arsenic (As) into the silicon substrate 10. + Layer 17 and N + N serving as a lower electrode formed by doping the surface portion of the layer 17 with high-concentration arsenic ++ Layer 19 and N + A lead-out layer 20 formed by doping a surface portion of the layer 17 with high-concentration phosphorus (P); ++ A capacitor insulating film 24 made of a thermal oxide film formed on the layer 19 and a P provided on the capacitor insulating film 24 + And an upper electrode 25 made of a titanium silicide layer thereon. And N ++ The layer 19 and the extraction layer 20 are separated from each other by the second separation region 15.
[0029]
Further, an interlayer insulating film 30 covering the substrate, a barrier film 31 and a tungsten plug 32 penetrating the interlayer insulating film 30 and connected to the respective parts 22, 18, 23, 20, 25, an Al alloy film 33 and the upper layer A wiring made of an antireflection film 34 is provided. The barrier film 31 extends between the interlayer insulating film 30 and the Al alloy film 33.
[0030]
A feature of the present embodiment is that the PN junction portion, which is the capacitance portion of the variable capacitance element VAR, is not an inside of the silicon substrate 10 but is formed of an epitaxially grown SiGe film. + Layer 21 and N in silicon substrate 10 + This is a point formed over the layer 16 and the variable capacitance region 16a.
[0031]
2A and 2B are cross-sectional views schematically showing the configuration of the main parts of the conventional variable capacitor and the variable capacitor of this embodiment, respectively, in order. As shown in FIG. 2A, in the conventional variable capacitance element, P is formed in the silicon substrate. + Layer and N + A PN junction is present in the silicon substrate. The range where the depletion layer (see the broken line) extends from the region of a certain depth in the silicon substrate to N + N up to the bottom of the layer + As the thickness of the layer decreases, the region where the depletion layer extends becomes narrower, and the change range of the capacitance of the variable capacitance element becomes smaller. However, as shown in FIG. 2B, in the case of the variable capacitor according to the present embodiment, the range in which the depletion layer extends is N from the region near the surface of the silicon substrate. + Spreads to the bottom of the layer. Therefore, according to the variable capacitance element of the present embodiment, the region where the depletion layer can extend is N as compared with the case where the PN junction is present in the silicon substrate. + Since the entire depth of the layer is secured, the capacity change range is expanded. In particular, the wider the depletion layer, the larger the capacitance change range of the variable capacitance element, so that it is possible to cope with the progress of higher frequency.
[0032]
The number of variable capacitors required in a certain device can be reduced by improving the performance of the variable capacitors. In other words, the number of variable capacitance elements provided on one semiconductor substrate can be reduced, so that the semiconductor device can be highly integrated.
[0033]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described. FIGS. 3A to 3F and FIGS. 4A to 4E are cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor device provided with the variable capacitance element of this embodiment.
[0034]
First, in the step shown in FIG. 3A, the surface portion of the silicon substrate 10 is oxidized to form a silicon oxide film 40 having a thickness of about 500 nm.
[0035]
Next, in the step shown in FIG. 3B, the silicon oxide film 40 is patterned by photolithography and wet etching to form an implantation mask 41 having an opening in the variable capacitance formation region Rvarc. Then, after removing the resist film, arsenic ions (As + ), Implantation energy 30 keV, dose amount 1.5 × 10 15 cm -2 The silicon substrate 10 is implanted under these conditions. Further, the oxidation and annealing at 1000 ° C. are continuously performed, and As is activated and diffused, thereby burying N + Layer 42 is formed.
[0036]
Next, in the step shown in FIG. 3C, after removing the implantation mask 41 and the thermal oxide film formed before annealing by wet etching, the thickness is about 0.55 μm on the upper surface of the silicon substrate 10 by epitaxial growth. The Si epitaxial layer 42 is formed. At this time, embedded N + Impurities in the layer 42 diffuse into the Si epitaxial layer 42 and enter the variable capacitance formation region Rvarc. + Layer 16 is formed.
[0037]
Next, in the step shown in FIG. 3D, after forming a mask film 44 composed of an oxide film having a thickness of about 10 nm and a nitride film having a thickness of about 200 nm, the mask film 44 is patterned to form a first film. A first mask (not shown) having an opening at a portion where the isolation region is to be formed is formed. Then, dry etching is performed using the first mask to form a trench having a depth of about 3 μm in the silicon substrate 10. Further, boron (B) is implanted into a region of the silicon substrate 10 located at the bottom of the trench to form a high concentration layer 43 for preventing the inversion layer from being formed. Oxidation forms a silicon oxide film 13. Further, polysilicon is buried in the trench to form the first isolation region 11.
[0038]
Next, in the step shown in FIG. 3E, the first mask is further patterned to form a second mask 45 having an opening in a region where a second isolation region is to be formed. Then, a shallow trench 46 having a depth of about 400 nm is formed in the silicon substrate 10 using the second mask 45.
[0039]
Next, in the step shown in FIG. 3F, a silicon oxide film is deposited and CMP is performed, and the silicon oxide film is buried in the shallow trench 46 to form the second isolation region 15.
[0040]
Next, in the step shown in FIG. 4A, after removing the second mask, a resist film (not shown) having an opening in which a lead layer or the like is to be formed is formed by photolithography, and Si epitaxial is formed. Phosphorus ions (P + ) Is implanted to form the lead layer 18 in the variable capacitance formation region Rvarc. Thereafter, annealing is performed at 950 ° C. to lower the resistance of the extraction layer 18.
Next, in the step shown in FIG. 4B, N in the variable capacitance formation region Rvarc. + Arsenic ions (As + ) With an implantation energy of 30 keV and a dose of 2.8 × 10 12 atoms ・ cm -2 The variable capacitance region 16a is formed by implanting under these conditions. Thereafter, an RTA process is performed under the conditions of 1000 ° C. and 10 seconds in order to activate As in the variable capacitance region 16a. As a result of this series of processes, an As concentration profile is formed in which the concentration gradually decreases from the substrate surface toward the inside as shown in FIG.
[0041]
Next, in the step shown in FIG. 4C, an oxide film having a thickness of about 40 nm and a polysilicon film having a thickness of 100 nm are sequentially formed and then patterned to open only above the variable capacitance region 16a. A mask 47 is formed. Then, on the upper surface of the variable capacitance region 16a, Si 0.85 Ge 0.15 P having a thickness of about 110 nm made of a film and a Si film + Layer 21 is grown epitaxially. At this time, P is caused by in-situ doping. + Part of layer 21 has a concentration of about 6 × 10 18 cm -3 Of boron. P + Layer 21 is 40 nm thick undoped Si 0.85 Ge 0.15 Film and boron-doped Si with a thickness of 40 nm 0.85 Ge 0.15 A film and an undoped Si film having a thickness of 30 nm are included.
[0042]
Next, in the step shown in FIG. 4D, a polysilicon film 48 having a thickness of 100 nm is deposited on the substrate. Then, the implantation energy of boron is 8 keV, and the dose amount is 1.6 × 10. 16 cm -2 The polysilicon film 48 is made to have a low resistance by being implanted under these conditions.
[0043]
Next, in the step shown in FIG. 4E, the polysilicon film 48 is patterned to form P in the variable capacitance forming region Rvarc. + A P-type electrode 22 in contact with the layer 21 is formed. Further, after removing the oxide film on the P-type electrode 22 by wet etching, sputtering is performed to deposit a titanium film having a thickness of about 40 nm on the substrate. Thereafter, an RTA process for silicidation reaction is performed, and an unreacted titanium film on the oxide film is removed with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, and then a low resistance RTA process is performed to form a P-type electrode 22. A titanium silicide layer is formed.
[0044]
Subsequent steps are not shown, but the semiconductor shown in FIG. 1 can be obtained by sequentially performing commonly used steps such as an interlayer insulating film forming step, a planarization step by CMP, a contact forming step, an aluminum wiring forming step, etc. A variable capacitance element of the device is formed.
[0045]
In the present embodiment, the As implantation condition into the variable capacitance region 16a is the implantation energy of 30 keV and the dose amount of 2.8 × 10. 12 atoms ・ cm -2 However, the injection conditions can be optimized according to the type and application of the variable capacitance element so that a desired capacitance change can be obtained within the voltage variable range used in the circuit.
[0046]
Further, it is preferable to optimize the boron concentration and the Ge composition ratio in the SiGe layer in order to set the leakage current of the PN junction to a desired value. Further, the mask 47 includes a polysilicon film to suppress abnormal growth during SiGe epitaxial growth. However, when the growth mode (selective growth or non-selective growth) can be easily controlled, the mask 47 is formed of polysilicon. The film may not be included.
[0047]
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the voltage dependence characteristics of the capacitance of the variable capacitance element in the semiconductor device formed by the method of the present invention for different impurity concentration profiles. 5A and 5B, the horizontal axis represents the voltage applied to the P-type electrode 22, and the vertical axis represents the unit capacitance (C / μm) of the variable capacitance element. 2 ). Further, the characteristics shown in FIG. 5A are as follows. The ion implantation conditions for the variable capacitance region 16a are as follows: implantation energy 30 keV, dose amount 2.8 × 10 12 atoms ・ cm -2 It is a thing when. The characteristics shown in FIG. 5B are as follows. The ion implantation conditions for the variable capacitance region 16a are as follows: implantation energy 30 keV, dose amount 2.2 × 10. 12 atoms ・ cm -2 It is a thing when. In the characteristic shown in FIG. 5A, the change in capacitance between 1V and 2V is about 1.9. Further, in the characteristic shown in FIG. 5B, the capacitance change between 1V and 2V is about 2.0. Thus, it can be seen that the capacitance change ratio between arbitrary voltages can be controlled by changing the dose.
[0048]
The capacitance change between 1V and 2V when the variable capacitance element was formed only by injection into the conventional Si epitaxial layer 42 (see FIG. 3C) was about 1.1.
[0049]
Further, as in the present embodiment, the P-type electrode 22 including the polysilicon film is replaced with P + By providing on the layer 21, it is possible to prevent the contact (tungsten plug 32) from being directly formed on the SiGe film, introducing defects into the thin SiGe layer, + Short-circuit defects caused by penetrating the layer 21 can be suppressed.
[0050]
In this embodiment, P + The layer is mainly composed of a SiGe film, but P is formed by using an epitaxially grown Si film instead of the SiGe film. + Even if the layer is formed, it is possible to expand the range of capacitance change by expanding the range in which the depletion layer extends. However, in particular P + By configuring the layer with a SiGe film, a higher concentration of boron can be doped. + There is an advantage that the capacity change range can be further expanded by increasing the concentration of the layer.
[0051]
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor device in which a variable capacitance element (variable capacitance diode) and an NPN-HBT (heterobipolar transistor) according to the second embodiment of the present invention are provided on a common semiconductor substrate. In the first embodiment, the example of the semiconductor device provided with only the variable capacitance element has been described. On the other hand, as shown in FIG. 6, in the present embodiment, the variable capacitance element VAR is provided on the same semiconductor substrate as the NPN-HBT constituting the oscillation circuit.
[0052]
The silicon substrate 50 is formed by depositing a thin silicon oxide film 53 in a deep groove and then embedding a polysilicon 52 and a silicon oxide film 53 embedded in a shallow groove. A second separation region 55 is also provided. The variable capacitance element VAR and the NPN-HBT are separated from each other by the first and second isolation regions 51 and 55, and the active region in each element is partitioned by the second isolation region 55.
[0053]
Here, the variable capacitance element VAR is formed by doping arsenic (As) in the silicon substrate 50 and has a depth of 0.55 μm. + Layer 56 and N + A lead layer 58 formed by doping a surface portion of the layer 56 with high-concentration arsenic; + A SiGe film formed by epitaxial growth on the layer 56 and partially containing boron (B) and a P film having a thickness of 110 nm made of Si film. + Layer 61 and P + P covering layer 61 + And a P-type electrode 62 made of a titanium silicide layer thereon. P + Layer 61 is 40 nm thick undoped Si. 0.85 Ge 0.15 Film and boron-doped Si with a thickness of 40 nm 0.85 Ge 0.15 A film and an undoped Si film having a thickness of 30 nm are included. N + P of layer 56 + In the variable capacitance region 56a close to the layer 61, the impurity concentration near the surface is 1 × 10. 18 cm -3 And shows an impurity concentration profile in which the impurity concentration gradually decreases from the surface toward the inside of the substrate. The variable capacitance region 56 a and the extraction layer 58 are separated from each other by the second separation region 55.
[0054]
NPN-HBT is the N of variable capacitance element VAR. + Collector diffusion layer 57 formed simultaneously with layer 56 and N doped with a relatively low concentration of arsenic - Type collector layer 59 and N for contacting the electrode + A collector extraction layer 60 and a first deposited oxide film 70 having a collector opening 71 and a thickness of about 30 nm are provided. On the upper surface of the silicon substrate 50, the portion exposed to the collector opening 71 is A Si / SiGe layer 79 is provided in which a SiGe layer having a thickness of about 80 nm doped with a P-type impurity and a Si film having a thickness of about 30 nm are stacked. The Si / SiGe layer 79 functions as a base layer, and is formed on a portion of the silicon substrate 50 exposed to the collector opening 71 by selective growth. The Si / SiGe layer 79 has an undoped Si thickness of 40 nm. 0.85 Ge 0.15 Film and boron-doped Si with a thickness of 40 nm 0.85 Ge 0.15 A film and an undoped Si film having a thickness of 30 nm are included. And the lower part of the center part of the Si / SiGe layer 79 functions as an internal base. The upper part (mainly Si film) of the central part of the Si / SiGe layer 79 functions as an emitter layer. Further, an external base implantation region by boron ion implantation is formed over the surface portions of the Si / SiGe layer 79 and the collector diffusion layer 57, and the surface portion of the collector diffusion layer 57 is formed as a part of the external base implantation region. And the concentration is 3 × 10 17 atoms ・ cm -3 A junction leak prevention layer 66 of a certain degree is formed.
[0055]
On the Si / SiGe layer 79 and the first deposited oxide film 70, a second deposited oxide film 72 for an etch stopper having a thickness of about 30 nm is provided. In the second deposited oxide film 72, A base bonding opening 74 and a base opening 78 are formed. Then, P having a thickness of about 150 nm is formed to fill the base junction opening 74 and extend onto the second deposited oxide film 72. + A polysilicon layer 75 and a third deposited oxide film 77 are provided. A portion of the Si / SiGe layer 79 excluding the region below the base opening 78 and P + An external base is constituted by the polysilicon layer 75.
[0056]
P + Of the polysilicon layer 75 and the third deposited oxide film 77, a portion of the second deposited oxide film 72 located above the base opening 78 is opened, and P + A fourth deposited oxide film 80 having a thickness of about 30 nm is formed on the side surface of the polysilicon layer 75. Further, a sidewall 81 made of polysilicon having a thickness of about 100 nm is formed on the fourth deposited oxide film 80. Is provided. N filling the base opening 78 and extending on the third deposited oxide film 77. + A polysilicon layer 82 is provided. + The polysilicon layer 82 functions as an emitter lead electrode. By the fourth deposited oxide film 80, P + Polysilicon layer 75 and N + The polysilicon layer 82 is electrically insulated. The third deposited oxide film 77 causes P + The upper surface of the polysilicon layer 75 and N + The polysilicon layer 82 is insulated.
[0057]
In addition, P + Polysilicon layer 75 and N + A titanium silicide layer is formed on each polysilicon layer 82.
[0058]
Further, an interlayer insulating film 65 covering the substrate, a barrier film 63 and a tungsten plug 64 penetrating the interlayer insulating film 65 and connected to the respective parts 62, 58, 60, 82, 75, an Al alloy film 67 and the upper layer A wiring made of an antireflection film 68 is provided. The barrier film 63 extends between the interlayer insulating film 65 and the Al alloy film 67.
[0059]
Here, also in the present embodiment, N of the variable capacitance element VAR. + The impurity concentration profile of the layer 61 is as shown in FIG. That is, it has the same impurity concentration profile as that of the first embodiment, which is the highest concentration on the surface portion of the silicon substrate 50 and gradually decreases downward. On the other hand, the collector layer 59 and the collector diffusion layer 57 in the NPN-HBT have a profile such that the surface portion of the silicon substrate 50 has a relatively low concentration and the impurity concentration gradually increases downward.
[0060]
FIG. 7 is a block diagram showing the circuit configuration of the main part of the semiconductor device of this embodiment. As shown in the figure, an oscillation circuit including an NPN-HBT, a variable capacitance element VAR, and a resonance inductor Ind are provided on a silicon substrate 50 and housed in one package. A resonance circuit is configured by the oscillation circuit, the variable capacitance element VAR, and the resonance inductor Ind. Here, the structures of the NPN-HBT and the variable capacitance element VAR are as shown in FIG. Although illustration of the structure of the resonant inductor is omitted, the resonant inductor Ind is formed of a conductor film patterned in a spiral shape, for example. Further, a parasitic capacitance Cpara of PAD exists between the oscillation circuit and the variable capacitance element VAR.
[0061]
On the silicon substrate 50, a circuit other than the resonance circuit, for example, a logic circuit including a MIS transistor may be provided.
[0062]
According to the semiconductor device of this embodiment, the following effects can be exhibited by providing the variable capacitance element VAR and the oscillation circuit (bipolar transistor) on one semiconductor substrate. In the semiconductor device of the present embodiment, since the parasitic capacitance Cpara is only the parasitic capacitance around the PAD, as compared with the conventional semiconductor device shown in FIG. 9, the variation range of the oscillation frequency is suppressed from being narrowed by the parasitic capacitance. Can do. That is, by reducing the capacitance of the variable capacitance element VAR, the resonance frequency of the resonance circuit can be increased, so that it is possible to cope with the progress of higher frequency. Therefore, the capacitance change width of the variable capacitance diode, which is a variable capacitance element, can be reduced, and the burden on device design can be reduced.
[0063]
In that case, when the variable capacitance element and the NPN-HBT are provided on the common silicon substrate 50, the variable capacitance element and the NPN-HBT are formed simultaneously with the collector diffusion layer 57 in accordance with the reduction in the depth of the collector diffusion layer 57 of the NPN-HBT as the frequency increases. N + The depth of layer 56 needs to be reduced. As a result, P of the variable capacitance element VAR + Layer 61 and N + The extending range of the depletion layer formed between the layers 56 is also narrowed.
[0064]
However, according to the semiconductor device of this embodiment, P, which is an epitaxial layer, is formed. + Layer 61 and the underlying silicon layer N + Since the PN junction is formed between the layer 56 (particularly the variable capacitance region 56a), the range in which the depletion layer can be extended in accordance with the application of voltage can be increased. In other words, the variable capacitance element VAR and the NPN-HBT are maintained while appropriately maintaining the capacitance change characteristic of the variable capacitance element VAR (variable capacitance diode) according to the higher frequency of the NPN-HBT (heterojunction bipolar transistor). It can be provided on the same semiconductor substrate. In particular, the wider the depletion layer, the smaller the capacitance of the variable capacitance element. Therefore, it is possible to cope with an increase in the frequency.
[0065]
The number of variable capacitors required in a certain device can be reduced by improving the performance of the variable capacitors. In other words, the number of variable capacitance elements provided on one semiconductor substrate can be reduced, so that the semiconductor device can be highly integrated.
[0066]
Note that the resonant inductor is not necessarily provided on the same semiconductor substrate as the oscillation circuit (NPN-HBT) and the variable capacitance element VAR. The effect can be demonstrated.
[0067]
8A to 8C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
[0068]
Prior to the step shown in FIG. 8A, the steps corresponding to FIG. 3A to FIG. 4B in the first embodiment are completed. Accordingly, first and second isolation regions 51 and 52 are formed in the silicon substrate 50. In the variable capacitance forming region Rvarc, N formed by doping arsenic (As). + Layer 56 and N + A lead layer 58 formed by doping high concentration arsenic is provided on the surface of the layer 56. In the HBT formation region Rhbt, N of the variable capacitance element VAR + Collector diffusion layer 57 formed simultaneously with layer 56 and N containing a relatively low concentration of arsenic - Type collector layer 59 and N for contacting the electrode + A collector lead layer 60 is formed.
[0069]
8A, after depositing a first deposited oxide film 70 having a thickness of 30 nm on the substrate, the first deposited oxide film 70 is patterned, and the upper portion of the variable capacitance region 56a in the variable capacitance formation region Rvarc. And a collector opening 71 is formed in the HBT formation region Rhbt. Then, on the upper surfaces of the variable capacitance region 56 a and the collector layer 59, Si 0.85 Ge 0.15 P having a thickness of about 110 nm made of a film and a Si film + The layer 61 and the Si / SiGe layer 79 are each epitaxially grown. At this time, P is caused by in-situ doping. + The layer 61 and part of the Si / SiGe layer 79 have a concentration of about 6 × 10 18 cm -3 Of boron. P + The layer 61 and the Si / SiGe layer 79 are 40 nm thick undoped Si. 0.85 Ge 0.15 Film and boron-doped Si with a thickness of 40 nm 0.85 Ge 0.15 A film and an undoped Si film having a thickness of 30 nm are included.
[0070]
Next, in the step shown in FIG. 8B, a second deposited oxide film 72 having a film thickness of 30 nm serving as an etch stopper is formed on the substrate, and then the second deposited oxide film 72 is patterned by dry etching. Thus, the base bonding opening 74 is formed. At this time, the central portion of the Si / SiGe layer 79 is covered with the second deposited oxide film, and the peripheral portion of the Si / SiGe layer 79 and the first deposited oxide film 70 are formed in the base junction opening 74. Are exposed.
[0071]
Next, ion implantation of a P-type impurity such as boron (B) is performed using the resist mask used to form the base junction opening 74, and the Si / SiGe layer 79 and the collector diffusion layer 57 are formed on the surface portions. An external base implantation region is formed over the entire surface. At this time, as a part of the external base implantation region, a concentration of 3 × 10 6 is formed on the surface of the collector diffusion layer 57. 17 atoms ・ cm -3 A junction leak prevention layer 66 of a certain degree is formed.
[0072]
Next, 1 × 10 on the substrate by CVD. 20 atoms ・ cm -3 Highly doped P of about 150 nm thick + A polysilicon layer 75 is deposited, and then a third deposited oxide film 77 having a thickness of about 100 nm is deposited. Next, the third deposited oxide film 77 and P are dried by dry etching. + The polysilicon layer 75 is patterned to form the third deposited oxide film 77 and P in the HBT formation region Rhbt. + A base opening 78 reaching the second deposited oxide film 72 is formed at the center of the polysilicon layer 75. The base opening 78 is smaller than the central portion of the second deposited oxide film 72, and the base opening 78 does not straddle the base bonding opening 74. By this step, an external base constituted by the P + polysilicon layer 75 and the portion excluding the central portion of the Si / SiGe layer 79 is formed.
[0073]
Next, in the step shown in FIG. 8C, a deposited oxide film having a thickness of about 30 nm and a polysilicon film having a thickness of about 150 nm are deposited on the entire surface of the wafer by CVD. Then, the deposited oxide film and the polysilicon film are etched back by anisotropic dry etching, and P + Sidewalls 81 made of polysilicon are formed on the side surfaces of the polysilicon layer 75 and the third deposited oxide film 77 with the fourth deposited oxide film 80 interposed therebetween. Next, wet etching using hydrofluoric acid or the like is performed, and the exposed portions of the second deposited oxide film 72 and the fourth deposited oxide film 80 are removed. At this time, in the base opening 78, the upper Si layer of the Si / SiGe layer 79 is exposed.
[0074]
Next, in the step shown in FIG. 8D, N having a thickness of about 250 nm is formed. + After depositing the polysilicon film, N is performed by dry etching. + By patterning the polysilicon film, an N + polysilicon layer 82 serving as an emitter lead electrode is formed in the HBT formation region Rhbt. At this time, P + The outside of the polysilicon layer 75 is not patterned.
[0075]
Next, in the step shown in FIG. 8E, the first deposited oxide film 70, the third deposited oxide film 77, P are formed by dry etching. + The polysilicon layer 75 and the second deposited oxide film 72 are patterned to determine the shape of the external base in the HBT formation region Rhbt, and the P-type electrode 62 is formed in the variable capacitance formation region Rvarc.
[0076]
Although illustration of subsequent processes is omitted, the semiconductor shown in FIG. 6 is performed by sequentially performing a titanium silicide layer forming process, an interlayer insulating film forming process, a planarization process by CMP, a contact forming process, an aluminum wiring forming process, and the like. Forming device.
[0077]
As described above, according to the manufacturing method of the present embodiment, the variable capacitance element VAR having the large capacitance change range is shared by the variable capacitance element VAR and the NPN-HBT while sharing the steps as much as possible between the variable capacitance element VAR and the NPN-HBT. It can be formed on a semiconductor substrate.
[0078]
As the variable capacitance element, P made of an epitaxial layer is used. + Layer and P + A polysilicon film is necessary. In NPN-HBT, a SiGe base layer and a P serving as an external base are used. + Since the polysilicon film is formed, the NPN-HBT and the variable capacitor can be formed on the same substrate by using the NPN-HBT process.
[0079]
In the present embodiment, P of the variable capacitor VAR + By configuring the layer 61 mainly with a SiGe film, P 1 can be obtained as in the first embodiment. + There is an advantage that the capacity change range can be expanded by increasing the concentration of the layer.
[0080]
According to the manufacturing method of the present embodiment, P of the variable capacitor VAR + The layer 61 and the Si / SiGe layer 79 that is the base layer of the NPN-HBT are formed from a common epitaxial layer, and the P-type electrode 62 of the variable capacitance element VAR and the P-base that is the external base of the NPN-HBT. + By forming the polysilicon layer 75 from a common polysilicon film, it is possible to reduce the number of processes, and to stabilize device characteristics.
[0081]
Note that P in the first and second embodiments described above. + A SiGeC film may be provided instead of the SiGe film in the layers 21 and 61.
[0082]
In addition, P of the variable capacitance element VAR + Instead of the SiGe layer that is the layer and the base layer of the NPN-HBT, a Si film may be provided. However, the use of the SiGe film can further increase the frequency of the NPN-HBT. Note that the SiGe film or the SiGeC film may be formed of a film having a gradient composition. In that case, there is an advantage that the base traveling speed in the HBT can be further increased.
[0083]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device of the present invention, by using the epitaxially grown layer, it is possible to ensure a wide range in which the depletion layer serving as the capacitance portion of the variable capacitance element extends, and to ensure a wide capacitance change range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device in which a variable capacitor, a MIS capacitor, and a resistor are provided on a common semiconductor substrate according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views schematically showing a configuration of a main part of a conventional variable capacitor and a variable capacitor of the present embodiment, respectively, in order.
FIGS. 3A to 3F are cross-sectional views illustrating the first half of a manufacturing process of a semiconductor device including the variable capacitor according to the first embodiment. FIGS.
FIGS. 4A to 4E are cross-sectional views illustrating the latter half of the manufacturing process of the semiconductor device including the variable capacitor according to the first embodiment. FIGS.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the voltage dependence characteristics of the capacitance of a variable capacitance element in a semiconductor device formed by the method of the present invention for different impurity concentration profiles. FIGS.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor device in which a variable capacitor and an NPN-HBT are provided on a common semiconductor substrate according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram illustrating a circuit configuration of a main part of a semiconductor device according to a second embodiment.
FIGS. 8A to 8C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 9 is a block diagram schematically showing a configuration of a conventional device including an oscillation circuit provided on a semiconductor substrate, an external variable capacitor, and the like.
FIG. 10 shows N of the variable capacitance element according to the first embodiment of the present invention. + It is a figure which shows the result of having actually measured the density | concentration profile in a layer by SIMS.
[Explanation of symbols]
10,50 silicon substrate
11, 51 First separation region
12,52 polysilicon
13,53 Silicon oxide film
15, 55 Second separation region
16,56 N + layer
16a, 56a Variable capacity area
17 N + layer
18, 58 drawer layer
20 Lead layer
21,61 P + layer
22,62 P-type electrode
23 Resistor film
24 Gate insulation film
25 Gate electrode
30, 65 interlayer insulation film
31, 63 Barrier film
32,64 Tungsten plug
33,67 Al alloy film
34, 68 Anti-reflective coating
57 Collector diffusion layer
59 Collector layer
60 N + Collector extraction layer
66 Junction Leakage Prevention Layer
70 First deposited oxide film
71 Collector opening
72 Second deposited oxide film
74 Base joint opening
75P + Polysilicon layer
77 Third deposited oxide film
78 Base opening
79 Si / SiGe layer
80 Fourth deposited film
81 sidewall
82 N + Polysilicon layer

Claims (4)

シリコン基板上に可変容量素子とバイポーラトランジスタとを備えた半導体装置であって、
上記可変容量素子は、
上記シリコン基板上に形成された第1導電型の第1のSiエピタキシャル層と、
上記第1のSiエピタキシャル層の表面部に設けられた素子分離領域と
上記第1のSiエピタキシャル層の上面と上記素子分離領域の上面で構成される基板表面から突出するように上記第 1 のSiエピタキシャル層の上部にエピタキシャル成長されたアンドープのSiGe膜及び第 2 導電型のSiGe膜とSi膜とを備え、
上記バイポーラトランジスタは
第1導電型の上記第1のSiエピタキシャル層からなるコレクタ層と、上記第1のSiエピタキシャル層の上部と上記素子分離領域の上部で構成される基板表面から突出するように上記第 1 のSiエピタキシャル層の上部にエピタキシャル成長されたアンドープのSiGe膜及び第2導電型のSiGe膜とSi膜からなるベース層と、上記ベース層上に設けられた第1導電型のエミッタ層とを備え
上記第1のSiエピタキシャル層の膜厚が0.55μm以下であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a variable capacitance element and a bipolar transistor on a silicon substrate ,
The variable capacitance element is
A first conductivity type first Si epitaxial layer formed on the silicon substrate;
An element isolation region provided on a surface portion of the first Si epitaxial layer;
An undoped SiGe film and a second conductivity type epitaxially grown on the first Si epitaxial layer so as to protrude from the substrate surface constituted by the upper surface of the first Si epitaxial layer and the upper surface of the element isolation region . Comprising a SiGe film and a Si film;
The bipolar transistor above so as to protrude from the substrate surface consisting of an upper portion of the upper and the element isolation region and the collector layer made of the first Si epitaxial layer of the first conductivity type, said first Si epitaxial layer An undoped SiGe film and a second conductivity type SiGe film epitaxially grown on the first Si epitaxial layer, a base layer made of the Si film, and a first conductivity type emitter layer provided on the base layer Preparation
A semiconductor device, wherein the first Si epitaxial layer has a thickness of 0.55 μm or less .
請求項1記載の半導体装置において、
可変容量素子の領域においては
上記第1のSiエピタキシャル層に含まれる第1導電型の不純物の濃度が、上記第1のSiエピタキシャル層の上面と上記素子分離領域の上面で構成される基板表面から内部に向かって徐々に低下しており
バイポーラトランジスタの領域においては
上記第1のSiエピタキシャル層に含まれる第1導電型の不純物の濃度が、上記第1のSiエピタキシャル層の上面と上記素子分離領域の上面で構成される基板表面から内部に向かって徐々に増加している,半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The concentration of the impurity in the region of the first conductivity type included in said first Si epitaxial layer variable capacitance element, from the substrate surface consisting of the upper surface of the upper surface and the element isolation region of the first Si epitaxial layer It has decreased gradually toward the inside,
In the area of bipolar transistors
The concentration of the first conductivity type impurity contained in the first Si epitaxial layer gradually increases from the substrate surface formed by the upper surface of the first Si epitaxial layer and the upper surface of the element isolation region toward the inside. to which, the semiconductor device.
請求項1記載の半導体装置において、
上記アンドープのSiGe膜、もしくは、上記第2導電型のSiGe膜がSiGeCからなる,半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein the undoped SiGe film or the second conductivity type SiGe film is made of SiGeC.
請求項1に記載の半導体装置において、
発振回路をさらに備え、上記可変容量素子は、上記発振回路に接続されている,半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device further comprising an oscillation circuit, wherein the variable capacitance element is connected to the oscillation circuit.
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