JP5112648B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
従来、横型のバイポーラトランジスタにおいてより多くの電流を流す工夫としては、シリコン基板にエミッタ領域及びコレクタ領域を形成する際に、イオン注入装置により大きな加速電圧をかけてシリコン基板に不純物イオンを注入したり、熱拡散を行うことで、シリコン基板の表面から深い位置までエミッタ領域及びコレクタ領域をより大きく形成する手法がある。これにより、エミッタ領域及びコレクタ領域の実効接合面積を拡大することができ、より多くの電流を流すことができる。
また、より多くの電流を流す工夫としては、シリコン基板上に形成されたベース領域にV字溝を形成すると共にV字溝に不純物イオンを注入若しくは拡散させることで、エミッタ領域やコレクタ領域の実効接合面積を拡大する手法もある(例えば、特許文献1参照。)。
これに対して、横型のバイポーラトランジスタでは、エミッタ領域及びコレクタ領域がシリコン基板の表面に形成されるため、縦型構造のようにコレクタ領域の埋設やエピタキシャル層の形成が不要となる、また、シリコン基板内部からシリコン基板の表面に至る電極の引き出しも不要となる。したがって、横型構造では縦型構造と比較してバイポーラトランジスタの製造工程を簡略化できる利点を有する。
また、上記イオン注入の際にはチャネリング抑制のために、シリコン基板表面の垂直方向から7度程度傾けて不純物イオンを注入する必要があるため、ベース領域を挟んで相互に対向するエミッタ領域とコレクタ領域との間隔(ベース幅)が上記深さ方向に関して不均一になるという問題が生じる。
さらに、イオン注入によりエミッタ領域やコレクタ領域を形成する際には、シリコン基板表面にフォトレジストを形成した状態で選択的に不純物イオンを注入するため、また上述したように不純物イオンは傾けて注入されるため、フォトレジストが障害物となってシリコン基板の表面から所定の深さ以上に不純物イオンを注入できない、すなわち、実効接合面積の拡大に限界が生じるという問題がある。
さらに、従来の横型構造には、例えば、シリコン基板上に形成されたベース領域にV字溝を形成することでエミッタ領域やコレクタ領域の実効接合面積を拡大する工夫を施したものもあるが、この場合でも、エミッタ領域やコレクタ領域からベース領域を介してシリコン基板に電流が流れてしまう、すなわち、縦方向に寄生的なバイポーラトランジスタが形成されてしまうため、エミッタ領域やコレクタ領域からシリコン基板に流れる電流が無効電流として消費されるという問題がある。
本発明の半導体装置は、少なくとも2つのトレンチが、相互に離間して位置するシリコン基板の表面から垂直に掘られて形成されると共に、少なくとも前記トレンチの底面が電気的な絶縁膜により埋設され、前記2つのトレンチの間に位置する前記シリコン基板の領域が、ベース領域に形成され、前記絶縁膜の上方に位置すると共に前記ベース領域に形成された各トレンチの側面に、それぞれエミッタ領域及びコレクタ領域が形成されることを特徴とする。
また、各トレンチはシリコン基板の表面から垂直に掘られて形成されるため、エミッタ領域及びコレクタ領域を形成する2つのトレンチの側面は互いに平行に形成されることになる。したがって、トレンチの深さ方向に関してベース幅を均一に形成することができる。
さらに、各トレンチの底面を絶縁膜により埋設して各トレンチの側面のみをエミッタ領域やコレクタ領域の接合領域として用いているため、ベース領域中で再結合する電荷及びシリコン基板をコレクタとする寄生的な縦型バイポーラトランジスタに流れる無効電流を減少させることができる。
さらに、本発明の半導体装置は、前記物質が多結晶ポリシリコン膜であることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、前記エミッタ領域及び前記コレクタ領域の形成位置を除く前記トレンチ内部に、前記絶縁膜が充填されていることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、一方のトレンチが、他方のトレンチを囲むように形成されていることを特徴とする。
また、上記トレンチ形成工程において、各トレンチはシリコン基板の表面から垂直に掘られて形成されるため、エミッタ領域及びコレクタ領域を形成する2つのトレンチの側面は互いに平行に形成されることになる。したがって、トレンチの深さ方向に関してベース幅を均一に形成することができる。
また、トレンチ形成工程において、相互に対向する2つのトレンチ若しくは第1のトレンチをベース領域の周縁に形成することで、2つのトレンチ若しくは第1のトレンチによって上記周縁に位置するベース領域とシリコン基板との接合領域が削りとられることになる。したがって、ベース領域とシリコン基板との余分な接合領域を縮小でき、寄生容量の減少及び接合リークの減少が可能となる。
また、シリコン基板の表面から垂直に掘って各トレンチを形成することで、トレンチの深さ方向に関してベース幅を均一に形成することができるため、特性の均一なバイポーラトランジスタが得られる。なお、トレンチの深さ方向に均一な特性のものを得られるということは、それだけ深さ方向マージンを小さくすることができることを意味し、そのため特性を最適化させたトランジスタ特性が狙えるというメリットもある。
さらに、エミッタ領域及びコレクタ領域の電極取り出し用のコンタクトをトレンチに配された多結晶ポリシリコン膜等の物質からシリコン基板の表面側まで直線で形成することができるため、上記コンタクトの形成を容易に行うことが可能となる。
さらに、エミッタ領域、ベース領域及びコレクタ領域がトレンチ及び連結トレンチに充填された絶縁膜によって囲まれるため、シリコン基板とベース領域との余分な接合領域を縮小することができる。したがって、横型バイポーラトランジスタの特性向上を図ることができる。
さらに、これに加えて、環状の一方のトレンチを形成すると共にその内部を絶縁膜で充填することにより、エミッタ領域、ベース領域及びコレクタ領域が上記絶縁膜によって囲まれるため、ベース領域とシリコン基板との余分な接合面積を縮小することができる。したがって、横型バイポーラトランジスタの特性向上を図ることができる。
n型半導体基板からなるシリコン基板3には、その表面3aから垂直に掘られて形成されるトレンチ7,9が2つ形成されている。これら2つのトレンチ7,9は、シリコン基板3の表面3a方向に相互に平行に延びる幅1μm程度の細長い溝状に形成されている、すなわち、相互に離間して配置されている。
各トレンチ7,9の一方の側面7b,9bには、上記多結晶ポリシリコン膜15からp型領域であるベース領域11にn型不純物を拡散した不純物拡散領域が形成されている。一方の不純物拡散領域はエミッタ領域17として機能し、また、他方の不純物拡散領域はコレクタ領域19として機能するようになっている。
以上のように、シリコン基板3に配置されたベース領域11、エミッタ領域17及びコレクタ領域19によって横型バイポーラトランジスタ5が構成されている。
この一対の連結トレンチ29内には、上記絶縁膜21が充填されている。すなわち、この横型バイポーラトランジスタ5は、ベース領域11の下端面を除いてシリコン基板3と電気的に絶縁されている。
この半導体装置1を製造する際には、はじめに、図3(a)に示すように、イオン注入によりn型のシリコン基板3の表面3a側にベース領域11を構成するp型領域を形成する(ベース領域形成工程)。ここで、p型領域の大きさは、2つトレンチ7,9や連結トレンチ29の深さ寸法よりも大きくすると共に、2つトレンチ7,9や連結トレンチ29を形成する際に平面視でのp型領域とn型のシリコン基板3との境界部分が削りとられる大きさに設定する、すなわち、2つトレンチ7,9や連結トレンチ29の形成領域にp型領域の周縁が位置するようにp型領域を形成する。
この工程においては、はじめに、図3(c)に示すように、熱酸化及びデポジション法により各トレンチ7,9及び連結トレンチ29を埋めると共に、シリコン基板3の表面3a全体を被覆する絶縁膜21を形成する。そして、図3(d)に示すように、異方性ドライエッチングを施して、ベース領域11を介して相互に対向する各トレンチ7,9の一方の側面7b,9bを外方に露出させる成膜用トレンチ31を形成する。なお、この異方性ドライエッチングの際には、残存させる絶縁膜21の表面21aにフォトレジスト膜(不図示)を形成しておけばよい。この工程を終了した時点では、各トレンチ7,9の底面7a,9a及び他方の側面7c,9cが絶縁膜21により埋設されている。
この工程においては、はじめに、図3(e)に示すように、成膜用トレンチ31内にn型の不純物を多量に含んだ多結晶ポリシリコン膜15を成膜する。そして、この成膜終了後に等方エッチングを施して、多結晶ポリシリコン膜15の上面がシリコン基板3の表面3aよりも下方側に位置するように、すなわち、多結晶ポリシリコン膜15が各トレンチ7,9内のみに形成されるように余分な多結晶ポリシリコン膜15を除去する。
なお、エミッタ領域17及びコレクタ領域19は、ベース電極取り出し領域13の形成領域よりも下方側に形成されており、エミッタ領域17とコレクタ領域19との間にベース電極取り出し領域13が位置しないようになっている。
最後に、絶縁膜21の表面21aに各コンタクト23と電気的に接続されるメタル配線25を形成し、さらに、絶縁膜21の表面21a及びメタル配線25を被覆する保護膜27を形成することで、横型バイポーラトランジスタ5を備える半導体装置1の製造が完了する。
また、エミッタ領域17及びコレクタ領域19の電極取り出し用のコンタクト23を多結晶ポリシリコン膜15から絶縁膜21の表面21aまで直線で形成することができるため、上記コンタクト23の形成を容易に行うことが可能となる。
上記構成の横型バイポーラトランジスタでは、上記実施形態のものよりもベース領域11を介して相互に対向するエミッタ領域17及びコレクタ領域19の実効接合面積を拡大できるため、大電流を流すことができる。
図6,7に示すように、この半導体装置51の横型バイポーラトランジスタ53は、シリコン基板3にベース領域11を取り囲む平面視略環状の第1のトレンチ(一方のトレンチ)55、及び、ベース領域11を介して第1のトレンチ55の内側に第2のトレンチ(他方のトレンチ)57を形成した構成となっている。すなわち、この実施形態におけるベース領域11は、第1のトレンチ55及び第2のトレンチ57に挟み込まれて平面視略環状に形成されている。
第1のトレンチ55及び第2のトレンチ57は、シリコン基板3の表面3aから垂直に掘られて形成されており、これらの底面55a,57aはベース領域11の下端よりも深い位置まで形成されている。
第1のトレンチ55の内周側面55bには、多結晶ポリシリコン膜15からベース領域11にn型不純物を拡散した不純物拡散領域がコレクタ領域19として形成されている。また、第2のトレンチ57の側面57bには、多結晶ポリシリコン膜15からベース領域11にn型不純物を拡散した不純物拡散領域がエミッタ領域17として形成されている。
また、第1のトレンチ55の内周側面55b全体にコレクタ領域19を形成すると共に、第2のトレンチ57の側面全体にエミッタ領域17を形成することができるため、ベース領域11を介して相互に対向するエミッタ領域17及びコレクタ領域19の実効接合面積をさらに拡大することができる。
上記構成の横型バイポーラトランジスタ63では、上記実施形態のものよりもベース領域11を介して相互に対向するエミッタ領域17及びコレクタ領域19の実効接合面積をさらに拡大して、大電流を流すことができる。
特に、相互に隣接して形成されたMOSトランジスタ73,75の間に、素子分離用の分離トレンチ77が形成される場合には、上記実施形態のトレンチ形成工程と同時に、この分離トレンチ77をシリコン基板3の表面3aから掘って形成してもよい。この場合には、半導体装置71の製造効率を向上させることができる。
また、上記実施形態における各層の導電型を反転させても良い。すなわち、例えばn型のシリコン基板3、p型のベース領域11、n型のエミッタ領域17及びコレクタ領域19を、それぞれp型のシリコン基板、n型のベース領域11、p型のエミッタ領域17及びコレクタ領域19に代えてもよい。
3 シリコン基板
3a 表面
5,53,63 横型バイポーラトランジスタ
7,9 トレンチ
7a,9a,55a,57a 底面
7b,9b 一方の側面
11 ベース領域
15 多結晶ポリシリコン膜
17 エミッタ領域
19 コレクタ領域
21 絶縁膜
29 連結トレンチ
55,65 第1のトレンチ(一方のトレンチ)
55b,65b 内周側面
57 第2のトレンチ(他方のトレンチ)
57b 側面
73,75 MOSトランジスタ
77 分離トレンチ
Claims (3)
- シリコン基板の表面から垂直に前記シリコン基板の内部へ向かって形成された、相互に離間して平行に位置する少なくとも2つのトレンチと、
前記少なくとも2つのトレンチの底面に埋設された第1の電気的な絶縁膜と、
前記少なくとも2つのトレンチの間に位置する前記シリコン基板の領域であるベース領域と、
前記第1の電気的な絶縁膜の上方に位置すると共に前記ベース領域を挟んで形成された前記少なくとも2つのトレンチの側面に、それぞれ形成されたエミッタ領域及びコレクタ領域と、
前記エミッタ領域及び前記コレクタ領域の形成位置を除く前記少なくとも2つのトレンチ内部に充填された第2の電気的な絶縁膜と、
前記少なくとも2つのトレンチと共に前記エミッタ領域、前記ベース領域及び前記コレクタ領域を囲むように形成された、第3の電気的な絶縁膜が充填された、前記少なくとも2つのトレンチを連結する連結トレンチと、
を有する半導体装置。 - 前記エミッタ領域及び前記コレクタ領域の少なくとも一方が、前記少なくとも2つのトレンチの側面に配される不純物を多量に含んだ物質によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記物質が、多結晶ポリシリコン膜であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
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