JP5944648B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、バーティカル型のバイポーラトランジスタにおいて、エミッタ領域からベース領域にかけて存在する界面準位を安定に低減することを可能とした技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a technique that can stably reduce an interface state existing from an emitter region to a base region in a vertical bipolar transistor.

この種の従来技術としては、例えば特許文献1に開示されたものがある。即ち、特許文献1には、エミッタ領域を取り囲むようにベース領域が配置され、ベース領域を取り囲むようにコレクタ領域が配置されている構造のバイポーラトランジスタが開示されている。このような構造のバイポーラトランジスタは、電流を深さ方向(縦方向)に流すためバーティカル型と呼ばれる。バーティカル型のバイポーラトランジスタにおいて、エミッタ領域、ベース領域、コレクタ領域は、不純物をイオン注入したり、エピタキシャル成長の過程(即ち、in−situ)で不純物を導入したりするなどの方法により、得たい特性に合った濃度に調整される。   As this type of prior art, for example, there is one disclosed in Patent Document 1. That is, Patent Document 1 discloses a bipolar transistor having a structure in which a base region is disposed so as to surround an emitter region, and a collector region is disposed so as to surround the base region. A bipolar transistor having such a structure is called a vertical type because current flows in the depth direction (longitudinal direction). In a vertical bipolar transistor, the emitter region, the base region, and the collector region have characteristics that they want to obtain by ion implantation of impurities or introduction of impurities in the process of epitaxial growth (ie, in-situ). The density is adjusted to match.

また、バイポーラトランジスタの代表的な特性として、電流増幅率(β値、もしくはhFE)がある。β値はコレクタ電流(IC)/ベース電流(IB)で定義される。β値が大きいほど、同じIBに対して得られるICが大きくなる。消費電力の観点から、通常は、β値が大きいバイポーラトランジスタが要求される。また、回路設計の観点、動作信頼性の観点から、β値のばらつきは小さい方が好ましい。   As a typical characteristic of the bipolar transistor, there is a current amplification factor (β value or hFE). The β value is defined as collector current (IC) / base current (IB). The larger the β value, the larger the IC obtained for the same IB. From the viewpoint of power consumption, a bipolar transistor having a large β value is usually required. Further, from the viewpoint of circuit design and operation reliability, it is preferable that the variation in β value is small.

ここで、β値が低くなり、また、β値のばらつきが大きくなる原因として、図13に示すように、エミッタ領域315からベース領域313にかけて界面準位314が存在することが挙げられる。特許文献2には、シリコン基板表面に存在する未結合手(即ち、ダングリングボンド)を水素元素で終端することによって、界面準位を低減することが記載されている。   Here, the reason why the β value is lowered and the variation of the β value is increased is that an interface state 314 exists from the emitter region 315 to the base region 313 as shown in FIG. Patent Document 2 describes that an interface state is reduced by terminating dangling bonds (that is, dangling bonds) existing on the surface of a silicon substrate with a hydrogen element.

特開2004−179548号公報JP 2004-179548 A 特許第2764776号明細書Japanese Patent No. 2764766

特許文献1には、未結合手を水素元素(以下、単に水素ともいう。)で終端することが記載されている。しかしながら、水素のシリコンに対する結合力は弱い。また、水素はシリコン酸化膜中で容易に拡散してしまう。このため、水素による未結合手の終端は不十分であり、界面準位の低減が安定しないという課題があった。
そこで、この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、バーティカル型のバイポーラトランジスタにおいて、エミッタ領域からベース領域にかけて存在する界面準位を安定に低減することを可能とした半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。
Patent Document 1 describes that a dangling bond is terminated with a hydrogen element (hereinafter also simply referred to as hydrogen). However, the bonding force of hydrogen to silicon is weak. Further, hydrogen easily diffuses in the silicon oxide film. For this reason, the termination of dangling bonds by hydrogen is insufficient, and there is a problem that the reduction of the interface state is not stable.
Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and in a vertical bipolar transistor, a semiconductor device capable of stably reducing the interface state existing from the emitter region to the base region And its manufacturing method.

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、バーティカル型のバイポーラトランジスタをシリコン基板に備える半導体装置であって、前記バイポーラトランジスタは、前記シリコン基板に形成された第1導電型のベース領域と、前記シリコン基板に形成されて前記ベース領域と接する第2導電型のエミッタ領域と、前記シリコン基板の表面であって前記ベース領域と前記エミッタ領域との境界部上に形成されたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に形成されたシリコン膜と、を有し、前記シリコン酸化膜と前記シリコン基板との界面に塩素元素が1×1017cm−3以上の濃度で存在することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is a semiconductor device including a vertical bipolar transistor on a silicon substrate, and the bipolar transistor is formed on the silicon substrate. A first conductivity type base region; a second conductivity type emitter region formed on the silicon substrate and in contact with the base region; and a surface of the silicon substrate on a boundary between the base region and the emitter region A silicon oxide film formed on the silicon oxide film, and a silicon film formed on the silicon oxide film, wherein a chlorine element is 1 × 10 17 cm −3 or more at an interface between the silicon oxide film and the silicon substrate. It is present in a concentration.

このような構成であれば、シリコン基板の表面(即ち、界面)であって、ベース領域とエミッタ領域との境界部に存在する未結合手を塩素元素(以下、単に塩素ともいう。)で終端することができる。これにより、エミッタ領域からベース領域にかけて存在する界面準位を低減することができる。また、塩素は、水素と比べてシリコンに対する結合力が強く、拡散し難い。さらに、上記境界部はシリコン酸化膜を介してシリコン膜で覆われている。このため、シリコン膜が形成され、上記境界部の未結合手が塩素で終端された後は、上記境界部がエッチングされる(例えば、フッ酸溶液に触れたり、プラズマ雰囲気に晒されたりする)ことはなく、未結合手が新たに形成されることを抑制することができる。このように、未結合手を終端している状態を維持することができ、界面準位が増える方向に変化することを抑制することができるので、界面準位を安定に低減することができる。これにより、β値が大きく、且つβ値のばらつきが小さい(即ち、電流増幅率に関する特性を向上させた)バーティカル型のバイポーラトランジスタを実現することができる。なお、本発明の「第1導電型」はP型又はN型の一方であり、「第2導電型」はP型又はN型の他方である。また、「ポリシリコン膜」としては、例えば、後述するポリシリコンパターン19又はポリシリコン膜19´が該当する。   With such a configuration, the dangling bonds present at the boundary between the base region and the emitter region on the surface (that is, the interface) of the silicon substrate are terminated with a chlorine element (hereinafter also simply referred to as chlorine). can do. Thereby, the interface state existing from the emitter region to the base region can be reduced. In addition, chlorine has a stronger binding force to silicon than hydrogen and is difficult to diffuse. Further, the boundary portion is covered with a silicon film via a silicon oxide film. For this reason, after the silicon film is formed and the dangling bonds at the boundary are terminated with chlorine, the boundary is etched (for example, touched with a hydrofluoric acid solution or exposed to a plasma atmosphere). There is no such a thing, and it can suppress that a dangling bond is newly formed. In this manner, the state in which the dangling bond is terminated can be maintained, and the interface state can be prevented from changing in the increasing direction, so that the interface state can be stably reduced. As a result, it is possible to realize a vertical bipolar transistor having a large β value and a small variation in β value (that is, improved characteristics relating to current amplification factor). In the present invention, the “first conductivity type” is one of P type and N type, and the “second conductivity type” is the other of P type and N type. The “polysilicon film” corresponds to, for example, a polysilicon pattern 19 or a polysilicon film 19 ′ described later.

また、上記の半導体装置において、前記シリコン膜に塩素元素が1×1016cm−3以上の濃度で存在することを特徴としてもよい。このような構成であれば、未結合手を終端した後の製造工程、及び、完成後の使用環境下においても、例えば、塩素元素を高濃度に含むシリコン膜からシリコン酸化膜を介して、上記界面に塩素を供給することが可能である。 In the above semiconductor device, a chlorine element may be present in the silicon film at a concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more. In such a configuration, even in a manufacturing process after terminating the dangling bond and a use environment after completion, for example, from a silicon film containing a high concentration of chlorine element through a silicon oxide film, the above-mentioned It is possible to supply chlorine to the interface.

本発明の別の態様に係る半導体装置は、バーティカル型のバイポーラトランジスタとMOSトランジスタとを同一のシリコン基板に備える半導体装置であって、前記バイポーラトランジスタは、前記シリコン基板に形成された第1導電型のベース領域と、前記シリコン基板に形成されて前記ベース領域と接する第2導電型のエミッタ領域と、前記シリコン基板の表面であって前記ベース領域と前記エミッタ領域との境界部上に形成されたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に形成されたシリコン膜と、を有し、前記MOSトランジスタは、前記シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を有し、前記シリコン酸化膜と前記シリコン基板との界面、及び、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面にはそれぞれ、塩素元素が1×1017cm−3以上の濃度で存在することを特徴とする。 A semiconductor device according to another aspect of the present invention is a semiconductor device including a vertical bipolar transistor and a MOS transistor on the same silicon substrate, wherein the bipolar transistor is a first conductivity type formed on the silicon substrate. A base region, a second conductivity type emitter region formed on the silicon substrate and in contact with the base region, and a surface of the silicon substrate formed on a boundary between the base region and the emitter region A silicon oxide film; and a silicon film formed on the silicon oxide film. The MOS transistor includes a gate insulating film formed on the silicon substrate and a gate formed on the gate insulating film. An electrode, an interface between the silicon oxide film and the silicon substrate, and the gate insulating film and the silicon Each of the interface with the emission substrate, wherein the chlorine element is present at a concentration of at least 1 × 10 17 cm -3.

このような構成であれば、シリコン基板の表面であって、ベース領域とエミッタ領域との境界部に存在する未結合手を塩素で終端することができ、エミッタ領域からベース領域にかけて存在する界面準位を低減することができる。このため、上記の半導体装置と同様に、β値が大きく、且つβ値のばらつきが小さいバーティカル型のバイポーラトランジスタを実現することができる。また、シリコン基板とゲート絶縁膜との界面に存在する未結合手も塩素で終端することができる。このため、1/fノイズなどの界面準位に敏感な、MOSトランジスタの特性についても改善効果を期待することができる。なお、本発明の「ゲート絶縁膜」としては、例えば、後述するゲート酸化膜97が該当する。   With such a configuration, the dangling bonds existing at the boundary between the base region and the emitter region on the surface of the silicon substrate can be terminated with chlorine, and the interface state existing from the emitter region to the base region can be terminated. Can be reduced. Therefore, similarly to the semiconductor device described above, it is possible to realize a vertical bipolar transistor having a large β value and a small variation in β value. Further, dangling bonds existing at the interface between the silicon substrate and the gate insulating film can also be terminated with chlorine. For this reason, an improvement effect can be expected for the characteristics of the MOS transistor which is sensitive to the interface state such as 1 / f noise. The “gate insulating film” of the present invention corresponds to, for example, a gate oxide film 97 described later.

本発明のさらに別の態様に係る半導体装置の製造方法は、バーティカル型のバイポーラトランジスタをシリコン基板に形成する半導体装置の製造方法であって、前記シリコン基板に第1導電型のベース領域を形成する工程と、前記ベース領域が形成された前記シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜上にシリコン膜を形成する工程と、前記シリコン膜と前記シリコン酸化膜とが形成された前記シリコン基板に、オキシ塩化リンを含む雰囲気中での熱処理を施して、前記オキシ塩化リンに含まれる塩素元素を前記シリコン酸化膜と前記シリコン基板との界面に導入する工程と、前記熱処理が施された後で、前記シリコン膜を部分的にエッチングして開口部を形成する工程と、前記開口部を通して前記シリコン基板に第2導電型の不純物を導入して、前記シリコン基板に前記ベース領域と接する第2導電型のエミッタ領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor device according to still another aspect of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which a vertical bipolar transistor is formed on a silicon substrate, and a first conductivity type base region is formed on the silicon substrate. Forming a silicon oxide film on the silicon substrate on which the base region is formed; forming a silicon film on the silicon oxide film; and forming the silicon film and the silicon oxide film. The silicon substrate is subjected to a heat treatment in an atmosphere containing phosphorus oxychloride to introduce a chlorine element contained in the phosphorus oxychloride into an interface between the silicon oxide film and the silicon substrate; and And a step of partially etching the silicon film to form an opening, and the silicon substrate through the opening. The second conductivity type impurity is introduced into, characterized in that it comprises a step of forming an emitter region of the second conductivity type in contact with the base region in the silicon substrate.

このような製造方法であれば、シリコン基板の表面であって、ベース領域とエミッタ領域との境界部に塩素を導入することができる。そして、この境界部に存在する未結合手を、導入した塩素で終端することができる。つまり、上記の半導体装置を製造することができる。従って、エミッタ領域からベース領域にかけて存在する界面準位を安定に低減することができる。β値が大きく、且つβ値のばらつきが小さい(即ち、電流増幅率に関する特性を向上させた)バーティカル型のバイポーラトランジスタを実現することができる。   With such a manufacturing method, chlorine can be introduced into the surface of the silicon substrate and at the boundary between the base region and the emitter region. Then, the dangling bonds existing at the boundary can be terminated with the introduced chlorine. That is, the semiconductor device described above can be manufactured. Therefore, the interface state existing from the emitter region to the base region can be stably reduced. A vertical bipolar transistor having a large β value and a small variation in β value (that is, improved characteristics relating to current amplification factor) can be realized.

本発明によれば、シリコン基板の表面であってベース領域とエミッタ領域との境界部に存在する未結合手を塩素で終端することができる。これにより、エミッタ領域からベース領域にかけて存在する界面準位を安定に低減することができる。β値が大きく、且つβ値のばらつきが小さい(即ち、電流増幅率に関する特性を向上させた)バーティカル型のバイポーラトランジスタを実現することができる。   According to the present invention, dangling bonds existing on the surface of the silicon substrate and at the boundary between the base region and the emitter region can be terminated with chlorine. Thereby, the interface state existing from the emitter region to the base region can be stably reduced. A vertical bipolar transistor having a large β value and a small variation in β value (that is, improved characteristics relating to current amplification factor) can be realized.

第1実施形態に係る半導体装置100の構成例を示す図。1 is a diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device 100 according to a first embodiment. 半導体装置100の製造方法を示す図(その1)。FIG. 6 is a diagram illustrating a method for manufacturing the semiconductor device 100 (part 1); 半導体装置100の製造方法を示す図(その2)。FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing the semiconductor device 100 (No. 2). 半導体装置100の製造方法を示す図(その3)。FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing the semiconductor device 100 (No. 3). 半導体装置100の製造方法を示す図(その4)。FIG. 4 is a diagram illustrating a method for manufacturing the semiconductor device 100 (part 4); 半導体装置100の製造方法を示す図(その5)。FIG. 5 is a diagram illustrating a method for manufacturing the semiconductor device 100 (part 5); 半導体装置100の製造方法を示す図(その6)。FIG. 6 illustrates a method for manufacturing the semiconductor device 100 (No. 6). 半導体装置100の製造方法を示す図(その7)。FIG. 7 shows a method for manufacturing the semiconductor device 100 (No. 7). 第2実施形態に係る半導体装置200の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the semiconductor device 200 which concerns on 2nd Embodiment. 半導体装置100の他の構成例を示す図。FIG. 10 is a diagram illustrating another configuration example of the semiconductor device 100. 塩素の分布を実測し、確認した結果を示す図。The figure which shows the result of having actually measured and confirmed the distribution of chlorine. β値の分布を実測し、確認した結果を示す図。The figure which shows the result of having actually measured and confirmed distribution of (beta) value. 従来例における界面準位の存在を示す図。The figure which shows the presence of the interface state in a prior art example.

以下、本発明による実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(1)第1実施形態
(1.1)構成
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置100の構成例を示す断面図である。図1に示すように、この半導体装置100は、シリコン(Si)基板1と、シリコン基板1の表面とその近傍に局所的に形成された素子分離膜3と、シリコン基板1の素子分離膜3で囲まれた領域(即ち、素子分離された領域)に形成されたバーティカル型のバイポーラトランジスタ10と、シリコン基板1上に形成されて素子分離膜3とバイポーラトランジスタ10とを覆う層間絶縁膜41と、バイポーラトランジスタ10の端子領域(例えば、後述するコレクタ領域11、ベース領域13、エミッタ領域15)を層間絶縁膜41上に引き出すためのプラグ電極43a〜43cと、層間絶縁膜41上に形成されてプラグ電極43a〜43cにそれぞれ接続された配線45a〜45cと、を備える。
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in each drawing described below, portions having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
(1) Configuration of First Embodiment (1.1) FIG. 1 is a sectional view showing a configuration example of a semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 includes a silicon (Si) substrate 1, an element isolation film 3 locally formed on and near the surface of the silicon substrate 1, and an element isolation film 3 on the silicon substrate 1. A vertical bipolar transistor 10 formed in a region surrounded by (i.e., a region where elements are isolated), an interlayer insulating film 41 formed on the silicon substrate 1 and covering the element isolation film 3 and the bipolar transistor 10; Plug electrodes 43 a to 43 c for leading terminal regions (for example, a collector region 11, a base region 13, and an emitter region 15 described later) of the bipolar transistor 10 onto the interlayer insulating film 41, and the interlayer insulating film 41 are formed. Wirings 45a to 45c connected to the plug electrodes 43a to 43c, respectively.

シリコン基板1は、単結晶のバルクシリコン基板である。或いは、シリコン基板1は、単結晶のバルクシリコン基板に、単結晶のシリコン層をエピタキシャル成長させた基板であってもよい。
素子分離膜3は、例えばLOCOS(local oxidation of silicon)法で形成されたシリコン酸化膜(即ち、LOCOS膜)である。或いは、素子分離膜3は、例えば溝部に絶縁膜が埋め込まれた構造体(即ち、STI:shallow trench isolation)であってもよい。
The silicon substrate 1 is a single crystal bulk silicon substrate. Alternatively, the silicon substrate 1 may be a substrate obtained by epitaxially growing a single crystal silicon layer on a single crystal bulk silicon substrate.
The element isolation film 3 is a silicon oxide film (that is, a LOCOS film) formed by, for example, a LOCOS (local oxidation of silicon) method. Alternatively, the element isolation film 3 may be, for example, a structure in which an insulating film is embedded in a trench (ie, STI: shallow trench isolation).

バイポーラトランジスタ10は、例えばNPNバイポーラトランジスタであり、シリコン基板1に形成されたN型のコレクタ領域11と、シリコン基板1に形成され、その側面及び底面がコレクタ領域11に接する(即ち、コレクタ領域11の内側に形成された)P型のベース領域13と、シリコン基板1に形成され、その側面及び底面がベース領域13に接する(即ち、ベース領域13の内側に形成された)エミッタ領域15と、を有する。また、このバイポーラトランジスタ10は、シリコン基板1に形成されたN型のコレクタコンタクト領域12とP型のベースコンタクト領域14とを有する。コレクタコンタクト領域12はN型のコレクタ領域11に接続している。コレクタコンタクト領域12におけるN型不純物(即ち、N型極性となるドーパント)の濃度は、コレクタ領域11におけるN型不純物の濃度よりも高い。また、ベースコンタクト領域14はP型のベース領域13に接続している。ベースコンタクト領域14におけるP型不純物(即ち、P型極性となるドーパント)の濃度は、ベース領域13におけるP型不純物の濃度よりも高い。   The bipolar transistor 10 is, for example, an NPN bipolar transistor, and is formed on the silicon substrate 1 with an N-type collector region 11 formed on the silicon substrate 1, and its side and bottom surfaces are in contact with the collector region 11 (that is, the collector region 11 A P-type base region 13 formed on the inside of the silicon substrate 1, and an emitter region 15 formed on the silicon substrate 1 so that side and bottom surfaces thereof are in contact with the base region 13 (that is, formed on the inside of the base region 13); Have The bipolar transistor 10 has an N-type collector contact region 12 and a P-type base contact region 14 formed on the silicon substrate 1. The collector contact region 12 is connected to the N-type collector region 11. The concentration of the N-type impurity in the collector contact region 12 (that is, the dopant having N-type polarity) is higher than the concentration of the N-type impurity in the collector region 11. The base contact region 14 is connected to the P-type base region 13. The concentration of the P-type impurity in the base contact region 14 (that is, the dopant having P-type polarity) is higher than the concentration of the P-type impurity in the base region 13.

また、このバイポーラトランジスタ10は、シリコン基板1の表面に形成されたシリコン酸化膜(SiO膜)17と、シリコン酸化膜17上に形成されたポリシリコン膜のパターン(即ち、ポリシリコンパターン)19と、を有する。シリコン酸化膜17は、例えば、シリコン基板1の表面を熱酸化することにより形成されたもの(即ち、熱酸化膜)であり、その厚さは6.5nmである。また、ポリシリコンパターン19は、このシリコン酸化膜17を介して境界部21を覆うように形成されている。ここで、境界部21とは、シリコン基板1の表面であって、ベース領域13とエミッタ領域15との境界及びその近傍の部位のことである。 The bipolar transistor 10 includes a silicon oxide film (SiO 2 film) 17 formed on the surface of the silicon substrate 1 and a polysilicon film pattern (ie, polysilicon pattern) 19 formed on the silicon oxide film 17. And having. The silicon oxide film 17 is formed, for example, by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate 1 (that is, a thermal oxide film), and has a thickness of 6.5 nm. The polysilicon pattern 19 is formed so as to cover the boundary portion 21 with the silicon oxide film 17 interposed therebetween. Here, the boundary portion 21 is the surface of the silicon substrate 1 and is a boundary between the base region 13 and the emitter region 15 and a portion in the vicinity thereof.

層間絶縁膜41は、例えばシリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜、若しくは、これらを積層した膜である。また、層間絶縁膜41のうちのコレクタ領域11上、ベース領域13上及びエミッタ領域15上には、それぞれコンタクトホールが設けられている。プラグ電極43a〜43cは、これらのコンタクトホールにそれぞれ埋め込まれた状態で、コレクタ領域11、ベース領域13及びエミッタ領域15にそれぞれ接続している。プラグ電極43a〜43cは、例えばタングステンからなる。また、プラグ電極43a〜43cにそれぞれ接続している配線45a〜45cは、例えばアルミニウム(Al)、又は、Alに銅(Cu)若しくはシリコン(Si)が添加されたアルミニウム合金からなる。   The interlayer insulating film 41 is, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film, or a film in which these are stacked. Further, contact holes are provided on the collector region 11, the base region 13, and the emitter region 15 in the interlayer insulating film 41. The plug electrodes 43a to 43c are connected to the collector region 11, the base region 13, and the emitter region 15, respectively, in a state of being embedded in these contact holes. The plug electrodes 43a to 43c are made of tungsten, for example. The wirings 45a to 45c connected to the plug electrodes 43a to 43c are made of, for example, aluminum (Al) or an aluminum alloy in which copper (Cu) or silicon (Si) is added to Al.

ところで、上記のポリシリコンパターン19には塩素元素(即ち、塩素)が1×1016cm−3以上の濃度で存在する。また、シリコン酸化膜17とシリコン基板1との界面には塩素が1×1017cm−3以上の濃度で存在する。これにより、境界部21に存在する未結合手を塩素で終端し、エミッタ領域15からベース領域13にかけて存在する界面準位を低減することが可能となっている。次に、上記の半導体装置100の製造方法について説明する。 By the way, the above-described polysilicon pattern 19 contains chlorine element (that is, chlorine) at a concentration of 1 × 10 16 cm −3 or more. Further, chlorine is present at a concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more at the interface between the silicon oxide film 17 and the silicon substrate 1. As a result, the dangling bonds existing at the boundary portion 21 are terminated with chlorine, and the interface state existing from the emitter region 15 to the base region 13 can be reduced. Next, a method for manufacturing the semiconductor device 100 will be described.

(1.2)製造方法
図2〜図8は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法を示す断面図である。図2に示すように、まず始めに、シリコン基板1にN型のコレクタ領域11を形成する。コレクタ領域11は、例えば、シリコン基板1にN型不純物をイオン注入して熱処理(例えば、アニール又は熱酸化)を行うことにより形成する。又は、コレクタ領域11は、シリコン基板1の表面にN型の単結晶シリコンをエピタキシャル成長させることにより形成する。なお、コレクタ領域11に含まれるN型不純物の種類、濃度等は、バイポーラトランジスタ10に求められる特性に応じて任意の値に設定することができる。一例を挙げると、コレクタ領域11に含まれるN型不純物はリン(P)であり、その濃度は2×1016cm−3程度である。
(1.2) Manufacturing Method FIGS. 2 to 8 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, first, an N-type collector region 11 is formed on the silicon substrate 1. For example, the collector region 11 is formed by ion-implanting N-type impurities into the silicon substrate 1 and performing a heat treatment (for example, annealing or thermal oxidation). Alternatively, the collector region 11 is formed by epitaxially growing N-type single crystal silicon on the surface of the silicon substrate 1. Note that the type, concentration, and the like of the N-type impurity contained in the collector region 11 can be set to arbitrary values according to the characteristics required for the bipolar transistor 10. As an example, the N-type impurity contained in the collector region 11 is phosphorus (P), and its concentration is about 2 × 10 16 cm −3 .

次に、例えばLOCOS法により、シリコン基板1の表面に素子分離膜3を形成する。この素子分離膜3によって、シリコン基板1のバイポーラトランジスタが形成される予定領域は、シリコン基板1の他の領域から素子分離される。なお、上述したように、素子分離膜3はSTIであってもよい。素子分離膜3は、素子間を分離する機能を有することを前提に、任意の形態を採ることができる。   Next, the element isolation film 3 is formed on the surface of the silicon substrate 1 by, for example, the LOCOS method. By this element isolation film 3, a region where a bipolar transistor is to be formed on the silicon substrate 1 is isolated from other regions of the silicon substrate 1. As described above, the element isolation film 3 may be STI. The element isolation film 3 can take any form on the assumption that it has a function of separating elements.

次に、図3に示すように、コレクタ領域11の一部の上方を開口し、他の領域を覆う形状のレジストパターン51をシリコン基板1上に形成する。レジストパターン51は、フォトリソグラフィ技術により形成する。そして、このレジストパターン51をマスクに用いて、P型不純物をイオン注入して、シリコン基板1にP型のベース領域13を形成する。なお、このイオン注入の条件は、例えばイオン種はBであり、加速エネルギーは125keV程度であり、ドーズ量は5×1012cm−2程度である。イオン注入の後、レジストパターン51を例えばアッシングして除去する。 Next, as shown in FIG. 3, a resist pattern 51 is formed on the silicon substrate 1 so as to open a part of the collector region 11 and cover the other region. The resist pattern 51 is formed by a photolithography technique. Then, using this resist pattern 51 as a mask, P-type impurities are ion-implanted to form a P-type base region 13 on the silicon substrate 1. The ion implantation conditions are, for example, that the ion species is B + , the acceleration energy is about 125 keV, and the dose amount is about 5 × 10 12 cm −2 . After the ion implantation, the resist pattern 51 is removed by ashing, for example.

次に、図4に示すように、シリコン基板1の表面を熱酸化してシリコン酸化膜17を形成する。上述したように、シリコン酸化膜17の厚さは、例えば6.5nmである。なお、シリコン酸化膜17の形成方法は、熱酸化に限定されるものではなく、例えば、CVD(chemical vapor deposition)法であってもよい。
次に、このシリコン酸化膜17上にポリシリコン膜19´を形成する。ポリシリコン膜19´の厚さは、例えば350nmである。また、ポリシリコン膜19´の形成方法は、例えばCVD法である。シリコン基板1の表面はシリコン酸化膜17で覆われているため、ポリシリコン膜19´はシリコン基板1から絶縁された状態で成膜される。なお、ポリシリコン膜19´の代わりに、例えばアモルファスシリコン膜をシリコン酸化膜17上に形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 4, the surface of the silicon substrate 1 is thermally oxidized to form a silicon oxide film 17. As described above, the thickness of the silicon oxide film 17 is, for example, 6.5 nm. Note that the method of forming the silicon oxide film 17 is not limited to thermal oxidation, and may be, for example, a CVD (chemical vapor deposition) method.
Next, a polysilicon film 19 ′ is formed on the silicon oxide film 17. The thickness of the polysilicon film 19 ′ is, for example, 350 nm. The formation method of the polysilicon film 19 'is, for example, a CVD method. Since the surface of the silicon substrate 1 is covered with the silicon oxide film 17, the polysilicon film 19 ′ is formed while being insulated from the silicon substrate 1. For example, an amorphous silicon film may be formed on the silicon oxide film 17 instead of the polysilicon film 19 ′.

次に、図5に示すように、ポリシリコン膜19´が形成された後のシリコン基板1を、オキシ塩化リン(POCl)を含む雰囲気中でアニール処理する。即ち、ポリシリコン膜19´が形成された後のシリコン基板1にPOClアニールを実施する。POClアニールの条件は、例えば、アニール温度は870℃、アニールの処理時間は30分、POClの流量は150mg/min程度、である。このPOClアニールでは、POClに含まれる塩素をポリシリコン膜19´を介してシリコン酸化膜17の側に拡散させ、拡散させた塩素をシリコン酸化膜17とシリコン基板1との界面に偏析させる。 Next, as shown in FIG. 5, the silicon substrate 1 on which the polysilicon film 19 'has been formed is annealed in an atmosphere containing phosphorus oxychloride (POCl 3 ). That is, POCl 3 annealing is performed on the silicon substrate 1 after the polysilicon film 19 ′ is formed. The conditions for the POCl 3 annealing are, for example, an annealing temperature of 870 ° C., an annealing processing time of 30 minutes, and a flow rate of POCl 3 of about 150 mg / min. In this POCl 3 annealing, chlorine contained in POCl 3 is diffused to the silicon oxide film 17 side through the polysilicon film 19 ′, and the diffused chlorine is segregated at the interface between the silicon oxide film 17 and the silicon substrate 1. .

次に、ポリシリコン膜19´を部分的にエッチングして、図6に示すように、ポリシリコンパターン19を形成する。ポリシリコン膜19´の部分的なエッチング(即ち、パターニング)は、例えば、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術により行う。
次に、図7に示すように、P型のベース領域13の一部を覆い、それ以外の領域の上方を開口する形状のレジストパターン53をシリコン基板1上に形成する。レジストパターン53は、フォトリソグラフィ技術により形成する。そして、このレジストパターン53をマスクに用いて、N型不純物をイオン注入して、シリコン基板1にN型のエミッタ領域15と、コレクタ領域11に接続するコレクタコンタクト領域12とを形成する。なお、このイオン注入の条件は、例えばイオン種はヒ素(As)であり、加速エネルギーは60keV程度であり、ドーズ量は5×1015cm−2程度である。このイオン注入の後、レジストパターン53を例えばアッシングして除去する。
Next, the polysilicon film 19 ′ is partially etched to form a polysilicon pattern 19 as shown in FIG. The partial etching (that is, patterning) of the polysilicon film 19 ′ is performed by, for example, a photolithography technique and a dry etching technique.
Next, as shown in FIG. 7, a resist pattern 53 is formed on the silicon substrate 1 so as to cover a part of the P-type base region 13 and open above the other regions. The resist pattern 53 is formed by a photolithography technique. Then, using the resist pattern 53 as a mask, N-type impurities are ion-implanted to form an N-type emitter region 15 and a collector contact region 12 connected to the collector region 11 in the silicon substrate 1. The ion implantation conditions are, for example, that the ion species is arsenic (As + ), the acceleration energy is about 60 keV, and the dose amount is about 5 × 10 15 cm −2 . After this ion implantation, the resist pattern 53 is removed by, for example, ashing.

なお、N型のエミッタ領域15とコレクタコンタクト領域12の形成は、必要に応じて、別々のドーズ量又は別々の加速エネルギーで打ち分けても良い。これにより、エミッタ領域15とコレクタコンタクト領域12とにおけるN型不純物の濃度又はその拡散深さに、差異を設けることができる。
また、このイオン注入工程では、ポリシリコンパターン19もマスクとして機能する。このため、シリコン基板1の表面において、N型不純物が注入される領域と注入されない領域との境界は、ポリシリコンパターン19の縁辺直下の位置となる。半導体装置100の製造工程では、レジストパターン53を除去した後で、アニール又は熱酸化等の熱処理を行う。この熱処理の過程でN型不純物はシリコン基板1中を拡散する。その結果、図7に示すように、エミッタ領域15は、ポリシリコンパターン19の直下の位置に入りこむように形成される。
Note that the N-type emitter region 15 and the collector contact region 12 may be formed by different doses or different acceleration energies as necessary. Thereby, a difference can be provided in the concentration of the N-type impurity in the emitter region 15 and the collector contact region 12 or the diffusion depth thereof.
In this ion implantation process, the polysilicon pattern 19 also functions as a mask. Therefore, on the surface of the silicon substrate 1, the boundary between the region where the N-type impurity is implanted and the region where the N-type impurity is not implanted is a position immediately below the edge of the polysilicon pattern 19. In the manufacturing process of the semiconductor device 100, after removing the resist pattern 53, heat treatment such as annealing or thermal oxidation is performed. N-type impurities diffuse in the silicon substrate 1 during the heat treatment. As a result, as shown in FIG. 7, the emitter region 15 is formed so as to enter a position immediately below the polysilicon pattern 19.

次に、図8に示すように、N型のエミッタ領域15とコレクタコンタクト領域12とを覆い、それ以外の領域の上方を開口する形状のレジストパターン55をシリコン基板1上に形成する。レジストパターン55は、フォトリソグラフィ技術により形成する。そして、このレジストパターン55をマスクに用いて、P型不純物をイオン注入して、P型のベース領域13に接続するベースコンタクト領域14をシリコン基板1に形成する。なお、このイオン注入の条件は、例えばイオン種は2フッ化ボロン(BF )であり、加速エネルギーは60keV程度であり、ドーズ量は2.5×1015cm−2程度である。このイオン注入の後、レジストパターン55を例えばアッシングして除去する。 Next, as shown in FIG. 8, a resist pattern 55 is formed on the silicon substrate 1 so as to cover the N-type emitter region 15 and the collector contact region 12 and open above the other regions. The resist pattern 55 is formed by a photolithography technique. Then, using this resist pattern 55 as a mask, P-type impurities are ion-implanted to form a base contact region 14 connected to the P-type base region 13 in the silicon substrate 1. The ion implantation conditions are, for example, that the ion species is boron difluoride (BF 2 + ), the acceleration energy is about 60 keV, and the dose is about 2.5 × 10 15 cm −2 . After this ion implantation, the resist pattern 55 is removed by ashing, for example.

次にドーパントを活性化させるための熱処理を行う。熱処理の条件は、例えば熱処温度が950℃、熱処理時間は1分程度である。その後、図1に示したように、シリコン基板1上に層間絶縁膜41を形成する。
さらに、この層間絶縁膜41を部分的にエッチングしてコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内にプラグ電極43a〜43cを形成する。そして、これらプラグ電極43a〜43cと接続するように、層間絶縁膜41上に配線45a〜45cを形成する。配線45a〜45cにより、バイポーラトランジスタ10は例えば他の素子と電気的に接続される。これにより、図1に示した半導体装置100が完成する。
Next, heat treatment for activating the dopant is performed. The heat treatment conditions are, for example, a heat treatment temperature of 950 ° C. and a heat treatment time of about 1 minute. Thereafter, as shown in FIG. 1, an interlayer insulating film 41 is formed on the silicon substrate 1.
Further, the interlayer insulating film 41 is partially etched to form contact holes, and plug electrodes 43a to 43c are formed in the contact holes. Then, wirings 45a to 45c are formed on the interlayer insulating film 41 so as to be connected to the plug electrodes 43a to 43c. The bipolar transistor 10 is electrically connected to, for example, other elements by the wirings 45a to 45c. Thereby, the semiconductor device 100 shown in FIG. 1 is completed.

(1.3)第1実施形態の効果
本発明の第1実施形態によれば、シリコン基板1の表面であって、少なくともエミッタ領域15とベース領域13との境界部21上にシリコン酸化膜17とポリシリコンパターン19とを形成している。そして、シリコン酸化膜17とシリコン基板1との界面に塩素を偏析させている。これにより、境界部21に存在する未結合手を塩素で終端することができ、エミッタ領域15からベース領域13にかけて存在する界面準位を低減することができる。
(1.3) Effects of the First Embodiment According to the first embodiment of the present invention, the silicon oxide film 17 is formed on the surface of the silicon substrate 1 and at least on the boundary portion 21 between the emitter region 15 and the base region 13. And a polysilicon pattern 19 are formed. Chlorine is segregated at the interface between the silicon oxide film 17 and the silicon substrate 1. Thereby, dangling bonds existing at the boundary portion 21 can be terminated with chlorine, and the interface state existing from the emitter region 15 to the base region 13 can be reduced.

また、塩素は、水素と比べてシリコンに対する結合力が強く、拡散し難い。さらに、上記の境界部21はシリコン酸化膜17を介してポリシリコンパターン19で覆われている。このため、ポリシリコンパターン19を形成し、上記境界部21の未結合手を塩素で終端した後(即ち、図5の工程以降)は、上記境界部21がエッチングされる(例えば、境界部21がフッ酸溶液に触れたり、プラズマ雰囲気に晒されたりする)ことはなく、未結合手が新たに形成されることを抑制することができる。このように、未結合手を終端している状態を維持することができ、界面準位が増える方向に変化することを抑制することができるので、界面準位を安定に低減することができる。これにより、β値が大きく、且つβ値のばらつきが小さい(即ち、電流増幅率に関する特性を向上させた)バーティカル型のバイポーラトランジスタを実現することができる。   In addition, chlorine has a stronger binding force to silicon than hydrogen and is difficult to diffuse. Further, the boundary portion 21 is covered with the polysilicon pattern 19 through the silicon oxide film 17. For this reason, after the polysilicon pattern 19 is formed and the dangling bonds of the boundary portion 21 are terminated with chlorine (that is, after the step of FIG. 5), the boundary portion 21 is etched (for example, the boundary portion 21). Is not exposed to the hydrofluoric acid solution or exposed to the plasma atmosphere), and the formation of new dangling bonds can be suppressed. In this manner, the state in which the dangling bond is terminated can be maintained, and the interface state can be prevented from changing in the increasing direction, so that the interface state can be stably reduced. As a result, it is possible to realize a vertical bipolar transistor having a large β value and a small variation in β value (that is, improved characteristics relating to current amplification factor).

(2)第2実施形態
本発明では、例えば、上記のバーティカル型のバイポーラトランジスタ10と、他の素子とを同一の基板に混載していてもよい。他の素子としては、例えば、抵抗素子若しくは容量素子、又は、MOS(metal oxide semiconductor)トランジスタなどが挙げられる。第2実施形態では、素子の一例として、MOSトランジスタを混載する場合について説明する。
(2) Second Embodiment In the present invention, for example, the above-described vertical bipolar transistor 10 and other elements may be mixedly mounted on the same substrate. Examples of other elements include a resistance element, a capacitance element, or a MOS (metal oxide semiconductor) transistor. In the second embodiment, a case where MOS transistors are mixedly mounted as an example of an element will be described.

図9は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置200の構成例を示す断面図である。図9に示すように、この半導体装置200は、バーティカル型のバイポーラトランジスタ10と、NMOSトランジスタ70及びPMOSトランジスタ80とを同一のシリコン基板1に備えるバイシーモス(BiCMOS)型の半導体装置である。
図9に示すように、シリコン基板1には、例えばバイポーラ領域とCMOS領域とが用意されている。バイポーラ領域には、例えば第1実施形態で説明したバーティカル型のバイポーラトランジスタ10が形成されている。また、CMOS領域には、例えばNMOSトランジスタ70とPMOSトランジスタ80とが形成されている。以下、NMOSトランジスタ70とPMOSトランジスタ80とを合せて、CMOSトランジスタ90という。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor device 200 according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, the semiconductor device 200 is a bi-cimos (BiCMOS) type semiconductor device including a vertical bipolar transistor 10, an NMOS transistor 70, and a PMOS transistor 80 on the same silicon substrate 1.
As shown in FIG. 9, for example, a bipolar region and a CMOS region are prepared on the silicon substrate 1. In the bipolar region, for example, the vertical bipolar transistor 10 described in the first embodiment is formed. In the CMOS region, for example, an NMOS transistor 70 and a PMOS transistor 80 are formed. Hereinafter, the NMOS transistor 70 and the PMOS transistor 80 are collectively referred to as a CMOS transistor 90.

図9に示す半導体装置200において、バイポーラ領域では、シリコン基板1とシリコン酸化膜17との界面に塩素が、例えば1×1017cm−3以上の濃度で存在する。これにより、バイポーラトランジスタ10の境界部21に存在する未結合手を塩素で終端することができ、エミッタ領域15からベース領域13にかけて存在する界面準位を安定に低減することができる。従って、第2実施形態は、第1実施形態と同様の効果を奏する。 In the semiconductor device 200 shown in FIG. 9, in the bipolar region, chlorine is present at a concentration of, for example, 1 × 10 17 cm −3 or more at the interface between the silicon substrate 1 and the silicon oxide film 17. Thereby, dangling bonds existing at the boundary portion 21 of the bipolar transistor 10 can be terminated with chlorine, and the interface state existing from the emitter region 15 to the base region 13 can be stably reduced. Therefore, 2nd Embodiment has an effect similar to 1st Embodiment.

また、第2実施形態は、第1実施形態の効果に加えて、下記の効果を奏する。
図9に示した半導体装置200では、その製造の過程において、バイポーラトランジスタ10を形成するための工程と、CMOSトランジスタ90を形成するための工程とを一部兼用すること(即ち、工程の一部を共通化すること)が可能である。即ち、シリコン酸化膜17は、ポリシリコンパターン19とシリコン基板1とを絶縁するために形成する膜であり、絶縁性を有していれば足りる。このため、上記のバイポーラトランジスタ10をCMOSプロセスに組み込む場合は、シリコン酸化膜17を、CMOSトランジスタ90のゲート酸化膜97と同時に形成することが可能である。また、ポリシリコンパターン19も、CMOSトランジスタ90のゲート電極99と同時に形成することが可能である。
In addition to the effects of the first embodiment, the second embodiment has the following effects.
In the manufacturing process of the semiconductor device 200 shown in FIG. 9, a part of the process for forming the bipolar transistor 10 and the part for forming the CMOS transistor 90 are combined (that is, part of the process). Can be made common). That is, the silicon oxide film 17 is a film formed in order to insulate the polysilicon pattern 19 and the silicon substrate 1, and it is sufficient if it has an insulating property. Therefore, when the bipolar transistor 10 is incorporated in a CMOS process, the silicon oxide film 17 can be formed simultaneously with the gate oxide film 97 of the CMOS transistor 90. The polysilicon pattern 19 can also be formed simultaneously with the gate electrode 99 of the CMOS transistor 90.

例えば、上記のシリコン酸化膜17の形成工程(図4参照。)では、バイポーラ領域だけでなく、CMOS領域においてもシリコン基板1の表面を熱酸化する。これにより、バイポーラ領域でシリコン酸化膜17を形成すると同時に、CMOS領域ではゲート酸化膜97を形成する。バイポーラトランジスタ10におけるシリコン酸化膜17の形成工程を利用して、ゲート酸化膜97を同時に形成することが可能である。   For example, in the step of forming the silicon oxide film 17 (see FIG. 4), the surface of the silicon substrate 1 is thermally oxidized not only in the bipolar region but also in the CMOS region. Thereby, the silicon oxide film 17 is formed in the bipolar region, and at the same time, the gate oxide film 97 is formed in the CMOS region. The gate oxide film 97 can be formed at the same time using the process of forming the silicon oxide film 17 in the bipolar transistor 10.

また、上記のポリシリコン膜19´の形成工程(図4参照。)では、バイポーラ領域だけでなく、CMOS領域においてもゲート酸化膜97上にポリシリコン膜19´を形成する。このCMOS領域に形成されたポリシリコン膜19´は、ゲート電極の材料膜である。次に、例えば上記のPOClアニール(図5参照。)では、バイポーラ領域だけでなく、CMOS領域においてもポリシリコン膜19´の表面を露出しておく。バイポーラ領域とCMOS領域の両方において、POClアニールを同時に行う。これにより、バイポーラ領域とCMOS領域の両方において、ポリシリコン膜19´に塩素を導入すると共に、その抵抗値をリンで低減することができる。 Further, in the step of forming the polysilicon film 19 ′ (see FIG. 4), the polysilicon film 19 ′ is formed on the gate oxide film 97 not only in the bipolar region but also in the CMOS region. The polysilicon film 19 'formed in the CMOS region is a material film for the gate electrode. Next, for example, in the POCl 3 annealing (see FIG. 5) described above, the surface of the polysilicon film 19 ′ is exposed not only in the bipolar region but also in the CMOS region. POCl 3 annealing is performed simultaneously in both the bipolar region and the CMOS region. Thereby, in both the bipolar region and the CMOS region, chlorine can be introduced into the polysilicon film 19 ′ and the resistance value can be reduced with phosphorus.

さらに、ポリシリコンパターン19の形成工程(図6参照。)では、バイポーラ領域だけでなく、CMOS領域においてもポリシリコン膜19´のパターニングを同時に行う。これにより、バイポーラ領域でポリシリコンパターン19を形成すると同時に、CMOS領域ではゲート電極99を形成する。バイポーラトランジスタ10におけるポリシリコンパターン19の形成工程を利用して、低抵抗のゲート電極99を同時に形成することが可能である。   Further, in the step of forming the polysilicon pattern 19 (see FIG. 6), the polysilicon film 19 ′ is patterned simultaneously not only in the bipolar region but also in the CMOS region. Thus, the polysilicon pattern 19 is formed in the bipolar region, and at the same time, the gate electrode 99 is formed in the CMOS region. Using the process of forming the polysilicon pattern 19 in the bipolar transistor 10, it is possible to simultaneously form the low-resistance gate electrode 99.

このように、バイポーラトランジスタ10とCMOSトランジスタ90とを同一のシリコン基板1に混載する場合でも、複数の工程を兼用することができる。従って、半導体装置の製造コストの増大を抑制することができる。
また、上記のPOClアニールでは、CMOSトランジスタ90のゲート酸化膜97とシリコン基板1との界面にも塩素が注入される。その結果、ゲート酸化膜97とシリコン基板1との界面には塩素が、例えば1×1017cm−3以上の濃度で存在する。これにより、ゲート酸化膜97とシリコン基板1との界面に存在する未結合手も塩素で終端することができる。このため、1/fノイズなどの界面準位に敏感なMOSFET(MOS field effect transistor)特性についても改善効果を期待することができる。
As described above, even when the bipolar transistor 10 and the CMOS transistor 90 are mixedly mounted on the same silicon substrate 1, a plurality of processes can be shared. Therefore, an increase in manufacturing cost of the semiconductor device can be suppressed.
In the above POCl 3 annealing, chlorine is also implanted into the interface between the gate oxide film 97 of the CMOS transistor 90 and the silicon substrate 1. As a result, chlorine is present at a concentration of, for example, 1 × 10 17 cm −3 or more at the interface between the gate oxide film 97 and the silicon substrate 1. Thereby, dangling bonds present at the interface between the gate oxide film 97 and the silicon substrate 1 can also be terminated with chlorine. For this reason, an improvement effect can also be expected for MOSFET (MOS field effect transistor) characteristics sensitive to interface states such as 1 / f noise.

(3)他の実施形態
なお、第1実施形態で説明した半導体装置100、又は、第2実施形態で説明した半導体装置200は、N型をP型に、P型をN型にそれぞれ入れ替えた構成であってもよい。例えば、図10に示すように、バイポーラトランジスタ10は、NPNではなく、PNPバイポーラトランジスタであってもよい。このような構成であっても、POClアニールを行うことにより、β値を大きくすることができ、且つβ値のばらつきを小さくすることができる。
(3) Other Embodiments The semiconductor device 100 described in the first embodiment or the semiconductor device 200 described in the second embodiment has the N type replaced with the P type and the P type replaced with the N type. It may be a configuration. For example, as shown in FIG. 10, the bipolar transistor 10 may be a PNP bipolar transistor instead of NPN. Even with such a configuration, by performing POCl 3 annealing, the β value can be increased and the variation in β value can be reduced.

また、上記の第1、第2実施形態では、シリコン基板1はバルクの単結晶シリコン基板である場合、又は、シリコン基板1はバルクの単結晶シリコン基板に単結晶のシリコン層をエピタキシャル成長させた基板である場合について説明した。しかしながら、本発明のシリコン基板は、上記の何れかに限定されるものではない。本発明のシリコン基板は、例えば、絶縁層上にシリコン層が配置された構造のSOI(silicon on insulator)基板であってもよい。このような場合であっても、SOI基板のシリコン層にバイポーラトランジスタ10を形成したり、バイポーラトランジスタ10とCMOSトランジスタ90の両方を形成したりすることで、上記の第1、第2実施形態と同様の効果を奏する。   In the first and second embodiments, the silicon substrate 1 is a bulk single crystal silicon substrate, or the silicon substrate 1 is a substrate obtained by epitaxially growing a single crystal silicon layer on a bulk single crystal silicon substrate. The case where However, the silicon substrate of the present invention is not limited to any of the above. The silicon substrate of the present invention may be, for example, an SOI (silicon on insulator) substrate having a structure in which a silicon layer is disposed on an insulating layer. Even in such a case, by forming the bipolar transistor 10 in the silicon layer of the SOI substrate or by forming both the bipolar transistor 10 and the CMOS transistor 90, the first and second embodiments described above can be used. The same effect is produced.

(4)効果の確認結果
図11は、POClアニールを行ったもの(即ち、実施形態)と、POClアニールを行っていないもの(即ち、比較形態)とについて、SIMS解析により塩素の濃度分布を確認した結果を示す図である。なお、実施形態と比較形態は、POClアニールの有り/無し以外は、全て同一の条件で形成したバーティカル型のNPNバイポーラトランジスタであり、その構造は図1に示した通りである。
(4) Confirmation Result Figure 11 effect, having been subjected to the POCl 3 anneals (i.e., Embodiment) those not subjected to POCl 3 anneal (i.e., Comparative Embodiment) For the concentration distribution of the chlorine by the SIMS analysis It is a figure which shows the result of having confirmed. The embodiment and the comparative embodiment are vertical NPN bipolar transistors formed under the same conditions except for the presence / absence of POCl 3 annealing, and the structure thereof is as shown in FIG.

図11の横軸はポリシリコン表面からの深さを示し、縦軸は塩素濃度を示す。図11に示すように、POClアニールを行うことで、ポリシリコンパターン19とシリコン基板1との間のシリコン酸化膜17中に塩素が偏析することが確認された。シリコン酸化膜17中に偏析した塩素は、その一部が、シリコン酸化膜17とシリコン基板1との界面にも存在しており、シリコンの未結合手を終端することで界面準位を低減させる。界面準位の低減は、次に示す図12で確認された。 The horizontal axis in FIG. 11 indicates the depth from the polysilicon surface, and the vertical axis indicates the chlorine concentration. As shown in FIG. 11, it was confirmed that chlorine was segregated in the silicon oxide film 17 between the polysilicon pattern 19 and the silicon substrate 1 by performing POCl 3 annealing. A portion of the chlorine segregated in the silicon oxide film 17 is also present at the interface between the silicon oxide film 17 and the silicon substrate 1, and the interface state is reduced by terminating the dangling bonds of silicon. . The reduction of the interface state was confirmed in FIG.

図12は、本発明の実施形態と比較形態とについて、β値の分布を試作したウエハにて確認した結果を示す図である。図12の横軸はβ値を示し、縦軸は測定サンプル数の累積度(%)である。また、下記の表1は、図12に示したβ値の平均値(ave.)とばらつき(σ)を示した図である。
図12において、実施形態(POClアニール有り)と比較形態(POClアニール無し)とを比較すると、実施形態の方がβ値が大きく、且つ、β値のばらつきが小さい。より詳しく説明すると、下記の表1に示すように、実施形態は、比較形態と比べて、β値が約1.4倍、β値のばらつき(σ/ave.)が約1/3となる特性を実現することが確認された。
FIG. 12 is a diagram showing the results of confirming the β value distribution with the prototype wafer for the embodiment of the present invention and the comparative embodiment. The horizontal axis in FIG. 12 represents the β value, and the vertical axis represents the cumulative degree (%) of the number of measurement samples. Table 1 below shows the average value (ave.) And variation (σ) of the β values shown in FIG.
In FIG. 12, when the embodiment (with POCl 3 annealing) is compared with the comparative embodiment (without POCl 3 annealing), the embodiment has a larger β value and a smaller variation in the β value. More specifically, as shown in Table 1 below, the embodiment has a β value of about 1.4 times and a β value variation (σ / ave.) Of about 1/3 compared to the comparative embodiment. It was confirmed that the characteristics were realized.

Figure 0005944648
Figure 0005944648

1 シリコン基板
3 素子分離膜
10 バイポーラトランジスタ
11 コレクタ領域
12 コレクタコンタクト領域
13 ベース領域
14 ベースコンタクト領域
15 エミッタ領域
17 シリコン酸化膜
19 ポリシリコンパターン
19´ ポリシリコン膜
21 境界部
41 層間絶縁膜
43a-43c プラグ電極
45a-45c 配線
51、53、55 レジストパターン
70 NMOSトランジスタ
80 PMOSトランジスタ
90 CMOSトランジスタ
97 ゲート酸化膜
99 ゲート電極
100、200 半導体装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 3 Element isolation film 10 Bipolar transistor 11 Collector region 12 Collector contact region 13 Base region 14 Base contact region 15 Emitter region 17 Silicon oxide film 19 Polysilicon pattern 19 'Polysilicon film 21 Boundary portion 41 Interlayer insulating films 43a-43c Plug electrode 45a-45c Wiring 51, 53, 55 Resist pattern 70 NMOS transistor 80 PMOS transistor 90 CMOS transistor 97 Gate oxide film 99 Gate electrode 100, 200 Semiconductor device

Claims (1)

バーティカル型のバイポーラトランジスタをシリコン基板に形成する半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン基板に第1導電型のベース領域を形成する工程と、
前記ベース領域が形成された前記シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜上にシリコン膜を形成する工程と、
前記シリコン膜と前記シリコン酸化膜とが形成された前記シリコン基板に、オキシ塩化リンを含む雰囲気中での熱処理を施して、前記オキシ塩化リンに含まれる塩素元素を前記シリコン酸化膜と前記シリコン基板との界面に導入する工程と、
前記熱処理が施された後で、前記シリコン膜を部分的にエッチングして開口部を形成する工程と、
前記開口部を通して前記シリコン基板に第2導電型の不純物を導入して、前記シリコン基板に前記ベース領域と接する第2導電型のエミッタ領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device in which a vertical bipolar transistor is formed on a silicon substrate,
Forming a first conductivity type base region on the silicon substrate;
Forming a silicon oxide film on the silicon substrate on which the base region is formed;
Forming a silicon film on the silicon oxide film;
The silicon substrate on which the silicon film and the silicon oxide film are formed is subjected to a heat treatment in an atmosphere containing phosphorus oxychloride so that the chlorine element contained in the phosphorus oxychloride is converted into the silicon oxide film and the silicon substrate. A process to be introduced at the interface with
After the heat treatment is performed, partially etching the silicon film to form an opening;
Introducing a second conductivity type impurity into the silicon substrate through the opening to form a second conductivity type emitter region in contact with the base region in the silicon substrate. Manufacturing method.
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