JP4043452B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法にかかわり、特に多結晶シリコンエミッタ層を備える半導体装置の製造方法に関する。
[背景技術]
近年、半導体集積回路の高速化が進み、バイポーラトランジスタにおいては、素子サイズを縮小化して高周波域で動作させることが必要となってきている。同時に電流増幅率の増大も要求されている。そのために、ベース拡散層の浅接合化と高濃度化が必要となり、更にエミッタ層の低抵抗化が必要となる。このため、エミッタ電極とベース電極を自己整合(セルフアライン)構造で形成した半導体装置が提案され、実用化されている。
特に、同一半導体基板にバイポーラトランジスタとCMOSトランジスタとを形成するBiCMOS構造の半導体装置においては、CMOSトランジスタ特性を損なわずにバイポーラトランジスタの電流増幅率を増大させることが要求されている。そのために、バイポーラトランジスタのエミッタ拡散層とMOSトランジスタのソース・ドレイン拡散層をそれぞれ独立に形成することによってエミッタ不純物濃度を高くしている(例えば、特許文献1参照)。
特許第2982758号公報(第5頁、第8図)
しかしながら、電流増幅率はエミッタとベースの不純物濃度比で決定されるため、上記従来の半導体装置において電流増幅率を増大させるためには、多結晶シリコンエミッタ層の不純物濃度を高くする必要がある。固相拡散にて拡散層を形成する場合、固相の不純物濃度と不純物拡散層表面の不純物濃度は等しく、固相の不純物濃度が高ければ高い程、拡散深さは深くなる。エミッタ拡散層は多結晶シリコンエミッタ層からの不純物拡散で形成されるため、多結晶シリコンエミッタ層の不純物濃度が高くなればエミッタ拡散層も深くなる。高周波域で動作させるためにベース拡散層を浅接合化すると、電流増幅率の増加に伴いベース幅が短縮化することになる。
一方、アーリー電圧やエミッタ・コレクタ耐圧を高くするためにはエミッタ拡散層の深さを浅くする必要がある。そのため、多結晶シリコンエミッタ層の不純物濃度を高くすることによって電流増幅率を高くすることはできるが、この場合、拡散深さが深くなる結果、逆にアーリー電圧やエミッタ・コレクタ耐圧は低くなってしまう。
このように、電流増幅率とアーリー電圧とはトレードオフの関係にあり、電流増幅率とアーリー電圧の両方の特性を向上させることは困難であった。特に、PNP型のバイポーラトランジスタの場合、拡散係数の大きいボロンの固相拡散にてエミッタ拡散層を形成するため、上記従来の問題点がより顕著になっていた。
本発明は上記の課題を解決するもので、電流増幅率とアーリー電圧の両方の特性を向上させることが可能であり、ひいては、電流増幅率を容易に制御することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段]
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を講じる。
また、本発明によるBiCMOS構造の半導体装置の製造方法は、半導体基板にコレクタ拡散層とウェル層とを形成する工程と、前記ウェル層上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコンゲート電極を形成する工程と、前記コレクタ拡散層にベース拡散層を形成する工程と、前記ベース拡散層上に不純物の拡散源となる多結晶シリコンエミッタ層を形成する工程と、前記多結晶シリコンエミッタ層から前記ベース拡散層に前記不純物を拡散してエミッタ拡散層を形成する工程と、前記多結晶シリコンエミッタ層に前記不純物を追加導入する工程と、前記ウェル層に前記不純物を導入する工程と、前記エミッタ拡散層を形成した拡散温度よりも低い温度で熱処理し、前記ウェル層にソース・ドレイン拡散層を形成すると同時に前記多結晶シリコンエミッタ層の前記不純物を活性化する工程とを含むことを特徴とする。
上記の製造方法によれば、エミッタ拡散層はMOSトランジスタのソース・ドレイン拡散層と独立して形成されるため、MOSトランジスタの特性を損なうことなく、バイポーラトランジスタはアーリー電圧やエミッタ・コレクタ耐圧を低下させることなく、高い電流増幅率を得ることが可能な高性能なBiCMOS構造の半導体装置を実現することができる。
上記の半導体装置の製造方法において、前記多結晶シリコンエミッタ層に前記不純物を追加導入する工程は、前記ウェル層に前記不純物を導入する工程と同時に行うことが好ましい。
上記の製造方法によれば、MOSトランジスタのソース・ドレイン拡散層と同時に多結晶シリコンエミッタ層に不純物を追加導入することができ、製造コストが増加することなく、自己整合型の高性能なバイポーラトランジスタを形成することができる。
上記の半導体装置の製造方法において、前記多結晶シリコンゲート電極を形成する前にフィールド絶縁膜を形成する工程を備え、前記多結晶シリコンゲート電極を形成する工程において、前記コレクタ拡散層上に開口窓を有する多結晶シリコン外部ベース層を該コレクタ拡散層及び前記フィールド絶縁膜上に同時に形成し、前記多結晶シリコン外部ベース層を形成した後に、該多結晶シリコン外部ベース層から前記コレクタ拡散層に前記不純物を拡散して外部ベース拡散層を形成する工程を備え、前記ベース拡散層を形成する工程は、前記開口窓を介して前記コレクタ拡散層に形成することが好ましい。
上記の半導体装置の製造方法において、前記エミッタ拡散層を形成する工程は、ランプアニール処理にて高温短時間で処理することが好ましい。
本発明による半導体装置の製造方法によると、エミッタ拡散層を多結晶シリコンエミッタ層からの不純物拡散で形成した上で、多結晶シリコンエミッタ層の不純物濃度がエミッタ拡散層表面の不純物濃度より高いため、ベース幅の短縮化が抑制され、アーリー電圧の低下やエミッタ・コレクタ耐圧の低下を防ぎ、同時に高い電流増幅率を確保する高性能な半導体装置を実現できる。
[発明を実施するための最良の形態]
以下、本発明にかかわる半導体装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
参考例
図1は本発明の参考例における、PNP型のバイポーラトランジスタを有するバイポーラ構造の半導体装置の断面図である。図2は図1におけるA−A′部の不純物濃度の分布図である。
図1において、バイポーラトランジスタは、半導体基板1中にP型コレクタ拡散層2が形成され、P型コレクタ拡散層2中にN型ベース拡散層3が形成されており、ボロンを含む多結晶シリコンエミッタ層4を拡散源としてベース拡散層3中にP型エミッタ拡散層5が形成されている。そして、前記の各拡散層上に絶縁膜7が堆積されており、コンタクトホールを介して配線8と接続されている。
図2において、9はエミッタ拡散層5のP型不純物濃度分布、10はベース拡散層3のN型不純物濃度分布、11はコレクタ拡散層2のP型不純物濃度分布、12は多結晶シリコンエミッタ層4のP型不純物濃度分布である。固相拡散の場合、拡散層表面と固相の不純物濃度は等しくなるが、図2に示すように、多結晶シリコンエミッタ層4の不純物濃度12はエミッタ拡散層5表面の不純物濃度9よりも高くなっている。この場合、エミッタの不純物濃度は、エミッタ拡散層5の不純物濃度9と多結晶シリコンエミッタ層4の不純物濃度12の合計で表され、ベース拡散層3の不純物濃度10に対して大きな値となる。
次に、図3は本参考例における、PNP型のバイポーラトランジスタを有する半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
先ず、図3(a)に示すように、表面にN型エピ層を有する半導体基板1中にP型不純物(例えばボロン)のイオン注入にてP型コレクタ拡散層2を形成する。その後、コレクタ拡散層2中に加速エネルギー45〜55keV、ドーズ量3〜5×1013cm-2でN型不純物(例えばリン)をイオン注入してN型ベース拡散層3を形成する。
次に、図3(b)に示すように、厚さ200nm程度の多結晶シリコン膜を全面に成長させ、加速エネルギー25〜35keV、ドーズ量3〜8×1015cm-2でBF2をイオン注入する。
次に、図3(c)に示すように、フォトレジストにてパターニングを行い、ドライエッチすることによって所定の位置に、ボロンを含む多結晶シリコンエミッタ層4を形成した後、900〜1000℃で熱処理を行うことによって多結晶シリコンエミッタ層4を拡散源としてベース拡散層3中にボロンが拡散され、P型エミッタ拡散層5が形成される。
次に、図3(d)に示すように、フォトレジスト6のパターニングを行い、多結晶シリコンエミッタ層4に加速エネルギー25〜35keV、ドーズ量3〜8×1015cm-2でBF2をイオン注入する。その後、エミッタ拡散層5を形成したときの熱処理(900〜1000℃)よりも低い温度で、例えば800〜900℃の温度で熱処理を行う。この場合、エミッタ拡散層5を形成した後に再度、多結晶シリコンエミッタ層4にボロンが導入されているが、エミッタ拡散層5形成時の熱処理温度よりも温度が低いため、エミッタ拡散層5の深さにはほとんど影響を与えない。なお、エミッタ拡散層5を形成したときの不純物濃度と追加した不純物濃度の比に決まった値はなく、所望とするトランジスタ特性に応じて決定すれば良い。
次に、図3(e)に示すように、各拡散層及び多結晶シリコンエミッタ層4上に絶縁膜7を堆積した後に、コンタクトホールを開口し、配線8を形成する。
このように、本参考例では、多結晶シリコンエミッタ層4を拡散源としてエミッタ拡散層5が形成され、その後、再度、多結晶シリコンエミッタ層4に不純物を導入するが、エミッタ形成時の熱処理温度よりも低い温度で追加不純物の活性化を行うため、エミッタ拡散層5の深さにはほとんど影響を与えないでエミッタ不純物濃度を高くすることができる。これにより、実効ベース幅の短縮化が抑制され、アーリー電圧の低下やエミッタ・コレクタ耐圧の低下を防ぎ、同時に高い電流増幅率を実現することができる。
また、本参考例において、エミッタ拡散層5を形成する熱処理をランプアニールにすることによって高温短時間処理することができる。この場合、ベース拡散層3の不純物濃度分布に影響を与えず、かつ後に多結晶シリコンエミッタ層4に追加導入する不純物の活性化熱処理の影響を受けにくいエミッタ拡散層5を形成することができる。
(第の実施形態)
図4は本発明の第の実施形態における、PNP型のバイポーラトランジスタとCMOSトランジスタとを有するBiCMOS構造の半導体装置の断面図である。
図4において、バイポーラトランジスタは、半導体基板1中にP型コレクタ拡散層2が形成され、P型コレクタ拡散層2中にN型ベース拡散層3が形成されており、ボロンを含む多結晶シリコンエミッタ層4を拡散源としてベース拡散層3中にP型エミッタ拡散層5が形成されている。また、PMOS及びNMOSトランジスタは、N型ウェル層13及びP型ウェル層14上にゲート酸化膜16を介してリンを含む多結晶シリコンゲート電極17が形成されており、N型ウェル層13及びP型ウェル層14中にそれぞれP型ソース・ドレイン拡散層20及びN型ソース・ドレイン拡散層19が形成されている。そして、前記の各拡散層上に絶縁膜7が堆積されており、コンタクトホールを介して配線8と接続されている。15は素子分離のためのフィールド酸化膜、18はシリコンゲート電極17のサイドウォールである。
ここで、MOSトランジスタの多結晶シリコンゲート電極17とバイポーラトランジスタの多結晶シリコンエミッタ層4は異なる多結晶シリコンから形成されている。多結晶シリコンエミッタ層4の不純物濃度はエミッタ拡散層5表面の不純物濃度よりも高く、且つ、多結晶シリコンエミッタ層4の不純物濃度とエミッタ拡散層5の不純物濃度を合計したエミッタの不純物濃度はPMOSトランジスタのソース・ドレイン拡散層20の不純物濃度よりも高くなっている。
次に、図5〜図6は本実施形態における、PNP型のバイポーラトランジスタとCMOSトランジスタとを有するBiCMOS構造の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
先ず、図5(a)に示すように、表面にN型エピ層を有する半導体基板1中にN型ウェル層13とP型ウェル層14をリン及びボロンのイオン注入にてそれぞれ形成する。なお、P型コレクタ拡散層2はP型ウェル層14と同時に形成する。
次に、図5(b)に示すように、半導体基板1表面に素子領域を決定するフィールド酸化膜15を形成した後、コレクタ拡散層2中に加速エネルギー45〜55keV、ドーズ量3〜5×1013cm-2でリンをイオン注入してN型ベース拡散層3を形成する。
次に、図5(c)に示すように、半導体基板1表面に厚さ10〜20nm程度のゲート酸化膜16を形成した後、厚さ300〜400nmの第1の多結晶シリコン膜を成長させ、リンのイオン注入を行う。その後、フォトレジストにてパターニングを行い、ドライエッチすることによって所定の位置に、MOSトランジスタの多結晶シリコンゲート電極17を形成する。
次に、図5(d)に示すように、バイポーラトランジスタ領域のベース拡散層3上のゲート酸化膜16をエッチングにて除去し、厚さ200nm程度の第2の多結晶シリコン膜を成長させ、加速エネルギー25〜35keV、ドーズ量3〜8×1015cm-2でBF2をイオン注入する。その後、フォトレジストにてパターニングを行い、ドライエッチすることによって所定の位置に、ボロンを含む多結晶シリコンエミッタ層4を形成した後、900〜1000℃で熱処理を行い、多結晶シリコンエミッタ層4からの不純物拡散でベース拡散層3中にP型エミッタ拡散層5が形成される。
次に、図6(a)に示すように、フォトレジスト6のパターニングを行い、多結晶シリコンエミッタ層4に加速エネルギー25〜35keV、ドーズ量3〜8×1015cm-2でBF2をイオン注入する。
次に、図6(b)に示すように、MOSトランジスタの多結晶シリコンゲート電極17の側壁にサイドウォール18を形成した後、この多結晶シリコンゲート電極17をマスクにしてBF2とヒ素のイオン注入を行い、ウェル層13,14の中にMOSトランジスタのソース・ドレイン拡散層20,19をそれぞれ形成する。なお、ソース・ドレイン拡散層19,20の熱処理は、エミッタ拡散層5を形成したときの熱処理(900〜1000℃)よりも低い温度で、例えば800〜900℃の温度で処理を行う。この熱処理により多結晶シリコンエミッタ層4に追加導入したボロンが活性化される。
次に、図6(c)に示すように、絶縁膜7を堆積し、コンタクトホールを開口し、配線8を形成する。
このように、本実施形態では、上述の参考例による効果に加えて、バイポーラトランジスタとMOSトランジスタの特性を独立して決定することができるため、MOSトランジスタの特性を劣化させることなく、バイポーラトランジスタのアーリー電圧の低下やエミッタ・コレクタ耐圧の低下を防ぎ、同時に高い電流増幅率を実現することができる。
(第の実施形態)
図7〜図8は本発明の第の実施形態における、PNP型のバイポーラトランジスタとCMOSトランジスタとを有するBiCMOS構造の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。なお、本実施形態において、MOSトランジスタの多結晶シリコンゲート電極とバイポーラトランジスタの多結晶シリコン外部ベース層は同じ多結晶シリコンから形成されており、この点が上述の第の実施形態と異なる。
先ず、図7(a)に示すように、表面にN型エピ層を有する半導体基板1中にN型ウェル層13とP型ウェル層14をリン及びボロンのイオン注入にてそれぞれ形成する。なお、P型コレクタ拡散層2はP型ウェル層14と同時に形成する。
次に、図7(b)に示すように、半導体基板1表面に素子領域を決定するフィールド酸化膜15を形成した後、厚さ15〜20nmのゲート酸化膜16を形成する。その後、バイポーラトランジスタ領域のゲート酸化膜16を除去した後、全面に厚さ300〜400nmの第1の多結晶シリコン24を成長する。
次に、図7(c)に示すように、加速エネルギー25〜35keV、ドーズ量3〜8×1015cm-2でリンをイオン注入した後、フォトレジストにてパターニングを行い、多結晶シリコン24をエッチングしてMOSトランジスタの多結晶シリコンゲート電極17とバイポーラトランジスタの多結晶シリコン外部ベース層21を同時に形成する。したがって、多結晶シリコン外部ベース層21の不純物濃度は多結晶シリコンゲート電極17の不純物濃度と等しなる。
ここで、多結晶シリコン外部ベース層21はエミッタ領域に開口窓を有するようにコレクタ拡散層2及びフィールド酸化膜15の上に形成される。その後、熱酸化により半導体基板1、多結晶シリコンゲート電極17及び多結晶シリコン外部ベース層21の表面に薄い酸化膜(図示せず)を形成する。この酸化の熱処理により、リンを含む多結晶シリコン外部ベース層21を拡散源としてバイポーラトランジスタの外部ベース拡散層22がエミッタ領域を除いたコレクタ拡散層2中に形成される。
次に、図7(d)に示すように、フォトレジストにてパターニングを行い、ベース領域に加速エネルギー45〜55keV、ドーズ量3〜5×1013cm-2でリンをイオン注入する。その後、シリコン窒化膜(図示せず)を40nm程成長させた後、第2の多結晶シリコン膜を300nm程度成長させ、多結晶シリコン外部ベース層21の側壁にサイドウォール23を形成する。
次に、図8(a)に示すように、フォトレジストにてパターニングを行い、エミッタ領域の前記シリコン窒化膜を除去した後に厚さ200nm程度の第3の多結晶シリコン膜を形成した後、加速エネルギー25〜35keV、ドーズ量3〜10×1015cm-2でBF2をイオン注入する。次に、フォトレジストにてパターニングを行い、ドライエッチすることによって所定の位置に、ボロンを含む多結晶シリコンエミッタ層4を形成する。その後、ランプアニールで900〜1100℃、15〜30秒の高温短時間処理を行う。この熱処理によって、N型ベース拡散層3とP型エミッタ拡散層5が同時に形成される。
次に、図8(b)に示すように、第の実施形態と同様に、MOSトランジスタの多結晶シリコンゲート電極17の側壁にサイドウォール18を形成し、ウェル13,14の中にソース・ドレイン拡散層19,20をそれぞれ形成する。なお、P型ソース・ドレイン拡散層20を形成するBF2のイオン注入のときに多結晶シリコンエミッタ層4にも同時にボロンをイオン注入する。こうすると、多結晶シリコンエミッタ層4に対するボロンの追加導入がソース・ドレイン拡散層20を形成するイオン注入と兼用できるので製造工程を簡略化できる。その後、ソース・ドレイン拡散層19,20の形成は、エミッタ拡散層5を形成したときの熱処理(900〜1100℃)よりも低い温度で、例えば800〜900℃程度の温度で実施する。この熱処理により多結晶シリコンエミッタ層4に追加導入したボロンが活性化される。
次に、図8(c)に示すように、絶縁膜7を堆積し、コンタクトホールを開口し、配線8を形成する。
このように、本実施形態では、上述の第の実施形態と同様に、バイポーラトランジスタとMOSトランジスタの特性を独立して決定することができる。また、MOSトランジスタの多結晶シリコンゲート電極17と同時に多結晶シリコン外部ベース層21を形成することができ、MOSトランジスタ特性を損なうことなく、自己整合型の高性能なバイポーラトランジスタを形成することができる。更に、MOSトランジスタのソース・ドレイン拡散層と同時に多結晶シリコンエミッタ層に不純物を追加導入することができ、製造コストが増加することなく、自己整合型の高性能なバイポーラトランジスタを形成することができる。
なお、各実施形態において、PNP型のバイポーラトランジスタを例に説明したが、NPN型のバイポーラトランジスタに適用した場合であっても、本発明の効果が得られるのは言うまでもない。
以上説明したように、本発明は、エミッタ拡散層を多結晶シリコンエミッタ層からの拡散で形成するものであって、アーリー電圧やエミッタ・コレクタ耐圧を低下させることなく、同時に高い電流増幅率を得るための半導体装置等に有用である。
本発明の参考例における半導体装置の断面図 図1におけるA−A′部の不純物濃度の分布図 本発明の参考例における半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図 本発明の第の実施形態における半導体装置の断面図 本発明の第の実施形態における半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図 本発明の第の実施形態における半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図(図5の続き) 本発明の第の実施形態における半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図 本発明の第の実施形態における半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図(図7の続き)[符号の説明]
符号の説明
1 半導体基板
2 P型コレクタ拡散層
3 N型ベース拡散層
4 P型多結晶シリコンエミッタ層
5 P型エミッタ拡散層
6 フォトレジスト
7 絶縁膜
8 配線
9 エミッタ拡散層のP型不純物の濃度分布
10 ベース拡散層のN型不純物の濃度分布
11 コレクタ拡散層のP型不純物の濃度分布
12 多結晶シリコンエミッタ層のP型不純物の濃度分布
13 N型ウェル層
14 P型ウェル層
15 フィールド酸化膜
16 ゲート酸化膜
17 多結晶シリコンゲート電極
18 サイドウォール(絶縁膜)
19 N型ソース・ドレイン拡散層
20 P型ソース・ドレイン拡散層
21 N型多結晶シリコン外部ベース層
22 N型外部ベース拡散層
23 サイドウォール(多結晶シリコン)

Claims (4)

  1. バイポーラトランジスタとMOSトランジスタとを有するBiCMOS構造の半導体装置の製造方法において、
    半導体基板にコレクタ拡散層とウェル層とを形成する工程と、
    前記ウェル層上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコンゲート電極を形成する工程と、
    前記コレクタ拡散層にベース拡散層を形成する工程と、
    前記ベース拡散層上に不純物の拡散源となる多結晶シリコンエミッタ層を形成する工程と、
    前記多結晶シリコンエミッタ層から前記ベース拡散層に前記不純物を拡散してエミッタ拡散層を形成する工程と、
    前記多結晶シリコンエミッタ層に前記不純物を追加導入する工程と、
    前記ウェル層に前記不純物を導入する工程と、
    前記エミッタ拡散層を形成した拡散温度よりも低い温度で熱処理し、前記ウェル層にソース・ドレイン拡散層を形成すると同時に前記多結晶シリコンエミッタ層の前記不純物を活性化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. 前記多結晶シリコンエミッタ層に前記不純物を追加導入する工程は、前記ウェル層に前記不純物を導入する工程と同時に行うことを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記多結晶シリコンゲート電極を形成する前にフィールド絶縁膜を形成する工程を備え、
    前記多結晶シリコンゲート電極を形成する工程において、前記コレクタ拡散層上に開口窓を有する多結晶シリコン外部ベース層を該コレクタ拡散層及び前記フィールド絶縁膜上に同時に形成し、
    前記多結晶シリコン外部ベース層を形成した後に、該多結晶シリコン外部ベース層から前記コレクタ拡散層に前記不純物を拡散して外部ベース拡散層を形成する工程を備え、
    前記ベース拡散層を形成する工程は、前記開口窓を介して前記コレクタ拡散層に形成することを特徴とする請求項または請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記エミッタ拡散層を形成する工程は、ランプアニール処理にて高温短時間で処理することを特徴とする請求項から請求項までのいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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