JPH02158135A - Semiconductor element - Google Patents

Semiconductor element

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JPH02158135A
JPH02158135A JP31334688A JP31334688A JPH02158135A JP H02158135 A JPH02158135 A JP H02158135A JP 31334688 A JP31334688 A JP 31334688A JP 31334688 A JP31334688 A JP 31334688A JP H02158135 A JPH02158135 A JP H02158135A
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thermal oxide
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Abstract

PURPOSE:To form a semiconductor element which has a buried epitaxial layer without crystal defect as an active layer, by making an insulator film be of a multilayer structure, and as for opening part, making the opening dimensions of an insulator film, the lowermost layer in contact with a semiconductor substrate, larger than those of the insulator film right above. CONSTITUTION:This has a semiconductor epitaxial layer 5, which is buried in an opening part 11 provided in an insulator film on an N-type silicon substrate 1 where an N-type buried layer 4 is formed, as an active layer. In such a semiconductor element, the insulator film constitutes double-layers structure which has a silicon thermal oxide layer 2 as a lower layer and a silicon nitride film 3 as an upper layer, and at the opening part 11 the silicon thermal oxide film 2 has a larger opening dimension by the amount of its film thickness then that of the silicon nitride film. For this reason, the crystal defect part 5a of a the epitaxial layer 5 is limited to the end of the enlarged opening part of the silicon thermal oxide film 2, and does not reach the vicinity of the opening part of the silicon nitride film 3. Accordingly, the actual active region of an element can be set avoiding this crystal defect part 5a, and the property of the element can be improved.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体素子における絶縁体膜の開口部への埋込
み結晶の生成に利用される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application] The present invention is utilized for producing buried crystals in openings of insulating films in semiconductor devices.

本発明は、絶縁体層の開口部に選択成長されたエピタキ
シャル層を素子の能動層として有する半導体素子に関す
る。
The present invention relates to a semiconductor device having an epitaxial layer selectively grown in an opening of an insulator layer as an active layer of the device.

〔概要〕〔overview〕

本発明は、半導体基板上の絶縁体膜に設けられた開口部
に埋め込まれた半導体エピタキシャル層を能動層として
有する半導体素子において、前記絶縁体膜は異なる絶縁
体膜が積層された多層構造を有し、前記開口部は前記半
導体基板と接する最下層の絶縁体膜が少なくとも直上の
絶縁体膜より大きな開口部を有することにより、前記半
導体エピタキシャル層に発生する結晶欠陥を少なくし、
素子の特性を向上させたものである。
The present invention provides a semiconductor element having as an active layer a semiconductor epitaxial layer embedded in an opening provided in an insulator film on a semiconductor substrate, wherein the insulator film has a multilayer structure in which different insulator films are laminated. The opening is such that a lowermost insulating film in contact with the semiconductor substrate has a larger opening than at least an immediately above insulating film, thereby reducing crystal defects occurring in the semiconductor epitaxial layer;
This improves the characteristics of the element.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

シリコン結晶を利用した半導体デバイスは、メモリ・デ
バイスの高集積化傾向に代表されるように、より微細で
、より高度の処理速度を持つ機能デバイスが求められて
いる。そのために、半導体結晶に求められる要素して、
結晶欠陥を排除した高品位の結晶であることは勿論、種
々のデバイスの機能設計上の自由度を満足する必要があ
る。例えば物性値としての抵抗率や不純物濃度に対して
、広範囲の領域を達成することによって、その設計上の
自由度を産み出す必要がある。
Semiconductor devices using silicon crystals are required to be smaller and functional devices with higher processing speeds, as exemplified by the trend towards higher integration of memory devices. To this end, the elements required for semiconductor crystals are:
Not only must the crystal be of high quality with no crystal defects, but it must also satisfy the degree of freedom in functional design of various devices. For example, it is necessary to create a degree of freedom in design by achieving a wide range of physical property values such as resistivity and impurity concentration.

しかも、デバイスの高集積化は、そうした自由度を「チ
ップ」と呼ばれる一つの領域内で達成することを要求し
ており、単一の半導体結晶基板の材質を利用するだけで
は技術上の困難がある。
Moreover, the high integration of devices requires achieving this degree of freedom within a single area called a "chip," and simply using a single semiconductor crystal substrate material poses technical difficulties. be.

こうした点での半導体デバイス製造技術上の解決策とし
て利用されているのが、半導体結晶基板上に、さらに半
導体結晶層を成長させるエピタキシャル成長技術である
。しかも、より微細な領域により多くの独立した単位機
能素子を集積するために、半導体結晶基板上の絶縁体膜
の開口部に対して、埋め込むように結晶成長する選択成
長技術が検討されている。これは、ジクロロシラン(S
iH2Cl2)、水素(H2)および塩酸(I(C1)
の混合ガスを用いた気相化学反応の性質により、半導体
結晶表面上のみ選択的に結晶成長が起こることを利用す
るものである。
Epitaxial growth technology, in which a semiconductor crystal layer is further grown on a semiconductor crystal substrate, is used as a solution to this problem in terms of semiconductor device manufacturing technology. Furthermore, in order to integrate more independent unit functional elements in a smaller area, selective growth techniques are being considered in which crystals are grown to fill the openings of an insulator film on a semiconductor crystal substrate. This is dichlorosilane (S
iH2Cl2), hydrogen (H2) and hydrochloric acid (I(C1)
This method takes advantage of the fact that crystal growth occurs selectively only on the surface of a semiconductor crystal due to the nature of a gas phase chemical reaction using a mixed gas.

この選択成長技術の内容についCは、公知の文献、日本
版ソリッド・ステート・テクノロジー1985年10月
号43ページにおいて、ボーランド氏等によって明らか
にされている。
The details of this selective growth technique are disclosed by Borland et al. in a well-known document, Japanese Edition Solid State Technology, October 1985 issue, page 43.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

ところが、前述した従来の選択成長方法では、熱酸化膜
のような単一の絶縁膜構造が用いられていたため、半導
体基板表面と絶縁膜との接触部での成長初期段階におい
て、ややもすると結晶欠陥を誘発し、全体に伝播する傾
向があった。
However, in the conventional selective growth method described above, a single insulating film structure such as a thermal oxide film is used, so crystals tend to form at the initial stage of growth at the contact area between the semiconductor substrate surface and the insulating film. It had a tendency to induce defects and propagate throughout.

その様子を第6図(a)およびら)を用いて説明する。The situation will be explained using FIGS. 6(a) and 6(a).

第6図(a) 右よびら)は従来例のエピタキシャル層
形成工程を示す模式的断面図である。絶縁膜と半導体基
板の表面との接触部は、異なる材質のものが接触すると
いう形状の特殊性を有しているため、結晶成長の際の核
となりやすく、第6図(a)に示されるように、結晶成
長初期段階において、シリコン熱酸化膜2とシリコン基
板1上のエピタキシャル層5の開口部端部Aで個別の結
晶領域を形成する。この領域は、第6図b)に示すよう
に著しい結晶欠陥を含み、またエピタキシャル層5の成
長とともに表面へと派生し結晶欠陥部5aが発生する問
題点があった。
FIG. 6(a) (right door) is a schematic cross-sectional view showing a conventional epitaxial layer forming process. The contact area between the insulating film and the surface of the semiconductor substrate has a unique shape in which different materials come into contact, so it tends to become a nucleus during crystal growth, as shown in Figure 6 (a). Thus, at the initial stage of crystal growth, separate crystal regions are formed at the opening end A of the silicon thermal oxide film 2 and the epitaxial layer 5 on the silicon substrate 1. This region contains significant crystal defects as shown in FIG. 6b), and as the epitaxial layer 5 grows, it extends to the surface to form crystal defects 5a.

また、さらには絶縁膜端部の加工精度の観点からは、第
7図に示すようなコーナ一部Bの丸みが結晶成長に著し
い影響を与える。これは、結晶成長では結晶方位により
成長速度が異なるため、絶縁体膜の開口部の形状もシリ
コンの場合の結晶構造の低次の結晶方位にそって、つま
りは直角に近く加工されていることが必要なためである
。前述の文献に記載されているように、開口部の側壁の
方位を(100)方位にとることが結晶欠陥制御におい
て有効であることが示されている。もし任意の角度を有
しているときは、(311)等の幾つかの低次の結晶方
位にそった結晶成長領域が発生して衝突することによっ
て、結晶欠陥が発生する。
Further, from the viewpoint of processing accuracy of the end portion of the insulating film, the roundness of the corner portion B as shown in FIG. 7 has a significant influence on crystal growth. This is because the growth rate of crystal growth differs depending on the crystal orientation, so the shape of the opening in the insulator film is also processed along the lower crystal orientation of the crystal structure of silicon, that is, almost at right angles. This is because it is necessary. As described in the above-mentioned literature, it has been shown that oriented the sidewall of the opening in the (100) direction is effective in controlling crystal defects. If the angle is arbitrary, crystal growth regions along some low-order crystal orientations such as (311) are generated and collide, resulting in crystal defects.

ところで、このような結晶方位についての制限の範囲で
、実際に半導体素子を製造するとなると、絶縁体膜の開
口形状の加工精度の管理が非常に困難である。開口部の
方位をパターン設計に合わせるのは容易であっても、実
際の開口部の現在の半導体素子の微細加工の寸法として
は、ダイナミックRAMのように、既に1ミクロン近辺
の加工寸法を実現しているが、局部的な形状については
、例えば矩形の角の部分では必ずしもマスク原版通りの
直角を再現するには至らず、何らかの曲率を持ってしま
う。この現象は、用いられる露光装置の性能だけでなく
、寸法と同レベルの可視光波長領域を用いるため生じた
回折現象という原理的な面で制限されているものである
By the way, when a semiconductor device is actually manufactured within the limits of such crystal orientation, it is extremely difficult to control the processing accuracy of the opening shape of the insulating film. Although it is easy to match the orientation of the aperture to the pattern design, the current microfabrication dimensions of the actual aperture in semiconductor devices, such as in dynamic RAM, have already achieved a processing dimension of around 1 micron. However, regarding the local shape, for example, in the corner portion of a rectangle, it is not necessarily possible to reproduce the right angle exactly as in the mask original, and the mask has some kind of curvature. This phenomenon is limited not only by the performance of the exposure apparatus used, but also by the principle of diffraction caused by the use of a visible light wavelength region that is on the same level as the dimensions.

また、別の実用上の制限として、偶発的に生じるパター
ンの微小なゆらぎや欠陥も、例え従来の半導体素子の製
造過程では致命的なレベルではなくても、選択成長過程
において、成長初期の結晶欠陥の核となり欠陥領域を成
長させてしまうという側面がある。
Another practical limitation is that, even if minute fluctuations and defects in patterns that occur accidentally are not at a fatal level in the conventional semiconductor device manufacturing process, in the selective growth process, crystals in the initial stage of growth are It has the aspect that it becomes the core of defects and causes the defect region to grow.

さらには、例えば単層の絶縁体膜としてシリコン熱酸化
膜を用いる場合、1000℃付近の高温処理で膜形成し
た後に室温付近で開口加−工し、再び1ooo℃付近で
結晶成長させるために、その成長エビタキキシャル層と
シリコン熱酸化膜との間に大きな残留応力を生じるとい
う素材そのものに起因した問題点がある。
Furthermore, when using a silicon thermal oxide film as a single-layer insulator film, for example, the film is formed by high-temperature treatment at around 1000°C, then openings are processed around room temperature, and crystal growth is performed again at around 100°C. There is a problem caused by the material itself that large residual stress is generated between the grown epitaxial layer and the silicon thermal oxide film.

本発明の目的は、前記の問題点を解消することにより、
結晶欠陥のない埋込みエピタキシャル層を能動層として
有する半導体素子を提供することにある。
The purpose of the present invention is to solve the above-mentioned problems.
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a buried epitaxial layer free of crystal defects as an active layer.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、半導体基板上の絶縁体膜に設けられた開口部
に埋め込まれた半導体エピタキシャル層を能動層として
有する半導体素子において、前記絶縁体膜は異なる絶縁
体膜が積層された多層構造であり、前記開口部は前記半
導体基板と接する最下層の絶縁体膜が少なくとも直上の
絶縁体膜より大きな開口寸法を有することを特徴とする
The present invention provides a semiconductor element having as an active layer a semiconductor epitaxial layer embedded in an opening provided in an insulator film on a semiconductor substrate, wherein the insulator film has a multilayer structure in which different insulator films are laminated. , the opening is characterized in that the lowermost insulating film in contact with the semiconductor substrate has a larger opening size than at least the immediately above insulating film.

また、本発明は、前記多層構造を有する絶縁体膜におい
て、前記半導体基板と接する最下層の絶縁体膜の開口寸
法と、上部の絶縁体膜の開口寸法の端部における寸法差
異が最下層の絶縁体膜の膜厚寸法と等しいか、または大
きいことが好ましい。
Further, in the insulating film having the multilayer structure, the present invention provides a method in which a dimensional difference between an opening dimension of the lowermost insulating film in contact with the semiconductor substrate and an opening dimension of the upper insulating film is smaller than that of the lowermost insulating film. It is preferable that the thickness be equal to or larger than the thickness of the insulating film.

また、本発明は、前記最下層絶縁体膜に熱酸化膜を用い
、上層絶縁体膜に気相化学反応法により形成された窒化
膜を用い、前記熱酸化膜対窒化膜の膜厚比を10対1か
ら4対1の範囲に設定することが好ましい。
Further, the present invention uses a thermal oxide film as the lowermost insulating film, uses a nitride film formed by a vapor phase chemical reaction method as the upper insulating film, and adjusts the film thickness ratio of the thermal oxide film to the nitride film. It is preferable to set the ratio in a range of 10:1 to 4:1.

〔作用〕[Effect]

本発明は、多層構造を有する絶縁体膜を用い、かつ上層
と下層の開口寸法に差異を設定している。
In the present invention, an insulating film having a multilayer structure is used, and the opening dimensions of the upper layer and the lower layer are set to be different.

つまり、最下層の絶縁体膜の開口寸法を少なくとも直上
の絶縁体膜のものより大きく設定することにより、結晶
成長初期段階においては開口部端部に結晶欠陥部分が生
じるが、さらに上層の絶縁体膜の厚さまで結晶成長した
段階では、その結晶成長すべき領域としての開口寸法を
例えば最下層の絶縁体膜の厚さ分だけ縮小して設定する
ために、この結晶欠陥を含む開口部端部の周辺領域を開
口寸法差に対応した上層の絶縁体膜領域内に封じ込める
ことができる。
In other words, by setting the aperture size of the insulator film in the lowest layer at least larger than that of the insulator film immediately above, crystal defects will occur at the edges of the opening in the initial stage of crystal growth, but At the stage where the crystal has grown to the thickness of the film, in order to set the opening size as the region where the crystal should grow by reducing it by, for example, the thickness of the lowest layer insulator film, the edge of the opening containing the crystal defects is It is possible to confine the peripheral region within the upper layer insulator film region corresponding to the difference in opening size.

また、多層構造の絶縁体の素材として異なる材質を組み
合わせることで、残留応力を軽減することができる。こ
れには、エピタキシャル層のヤング率を中間とする大小
のヤング率を有する素材を複数組み合わせ、例えば、下
層にシリコン熱酸化膜、上層にシリコン窒化膜を用いそ
れらの膜厚比を、10対′1から4対1の範囲に設定す
ることにより、エピタキシャル層のヤング率に近付ける
ことができ、結晶欠陥の発生を抑止することができる。
Furthermore, residual stress can be reduced by combining different materials for the multilayered insulator. For this purpose, a plurality of materials having different Young's modulus between the epitaxial layer and the Young's modulus of the epitaxial layer are combined, for example, a silicon thermal oxide film is used as the lower layer and a silicon nitride film is used as the upper layer, with a thickness ratio of 10:'. By setting the ratio in the range of 1 to 4:1, the Young's modulus can be approximated to that of the epitaxial layer, and the occurrence of crystal defects can be suppressed.

従って、エピタキシャル層に発生する結晶欠陥の発生を
抑止するとともに、素子の能動領域を結晶欠陥の発生し
ない開口部の上部領域に設定することにより、素子の特
性を向上させることが可能となる。
Therefore, by suppressing the occurrence of crystal defects in the epitaxial layer and setting the active region of the device in the region above the opening where crystal defects do not occur, it is possible to improve the characteristics of the device.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明の第一実施例を示す模式的縦断面図であ
る。
FIG. 1 is a schematic vertical sectional view showing a first embodiment of the present invention.

本第−実施例は、N型埋込み層4が形成されたN型シリ
コン基板1上の絶縁体膜に設けられた開口部11に埋め
込まれた半導体エピタキシャル層5を能動層として有し
ている半導体素子において、前記絶縁体膜は、シリコン
熱酸化膜2を下層、シリコン窒化膜3を上層とする二層
構造をなしており、開口部11は、シリコン熱酸化膜2
がシリコン窒化膜よりもその膜厚分だけ大きな開口寸法
を有している。
The present embodiment is a semiconductor having as an active layer a semiconductor epitaxial layer 5 embedded in an opening 11 provided in an insulating film on an N-type silicon substrate 1 on which an N-type buried layer 4 is formed. In the device, the insulator film has a two-layer structure with a silicon thermal oxide film 2 as a lower layer and a silicon nitride film 3 as an upper layer.
has an opening size larger than that of the silicon nitride film by the thickness of the silicon nitride film.

ここで、シリコン熱酸化膜2およびシリコン窒化膜の厚
さは、例えば、シリコン熱酸化膜2の膜厚をd。、シリ
コン窒化膜の膜厚をd8として場合、do = 1.5
um、dN= 0.2μ11すなわち、do : dN
=7.5 : 1 のように、 do : d、I=10 : 1〜4 : 1の範囲に
なるように設定される。
Here, the thickness of the silicon thermal oxide film 2 and the silicon nitride film is, for example, the film thickness of the silicon thermal oxide film 2 d. , when the thickness of the silicon nitride film is d8, do = 1.5
um, dN = 0.2μ11, i.e. do : dN
=7.5:1, do:d, I=10:1 to 4:1.

なあ、第1図において、6はベースとなるP型頭域、7
はエミッタとなるN型領域、ならびに8.9および10
はそれぞれエミッタ電極、ベース電極およびコレクタ電
極となるアルミニウムからなる電極であり、この半導体
素子はトランジスタを構成している。また、5aは開口
部端部に発生した結晶欠陥部である。
Hey, in Figure 1, 6 is the base P-type head area, 7
is the N-type region which becomes the emitter, and 8.9 and 10
are electrodes made of aluminum that serve as an emitter electrode, a base electrode, and a collector electrode, respectively, and this semiconductor element constitutes a transistor. Moreover, 5a is a crystal defect portion generated at the end of the opening.

本発明の特徴は、第1図において、前述の寸法関係を有
するシリコン熱酸化膜2およびシリコン窒化膜3を設け
たことにある。
The feature of the present invention is that, in FIG. 1, silicon thermal oxide film 2 and silicon nitride film 3 having the above-mentioned dimensional relationship are provided.

本実施例によると、エピタキシャル層5の結晶欠陥部5
aは、シリコン熱酸化膜20大きくした開口部の端部に
限定され、シリコン窒化膜3の開口部近傍には及んでい
ない。従って、素子の実際の能動領域がこの結晶欠陥部
5aを避けて設定でき、素子の特性を向上させることが
できる。
According to this embodiment, the crystal defect portion 5 of the epitaxial layer 5
a is limited to the end of the enlarged opening of the silicon thermal oxide film 20 and does not extend to the vicinity of the opening of the silicon nitride film 3. Therefore, the actual active region of the device can be set so as to avoid this crystal defect portion 5a, and the characteristics of the device can be improved.

次に、本実−実施例の製造方法について説明する。Next, the manufacturing method of this example will be explained.

第2図(a)、ら)および(C)は本実−実施例の主要
製造工程における模式的縦断面図である。
FIGS. 2(a), 2(a) and 2(c) are schematic longitudinal cross-sectional views of the main manufacturing steps of this example.

第2図(a)に示すように、高濃度のN型埋込み層4を
有する(100)面方位のシリコン基板1の表面全面に
、1000℃で水蒸気を含む酸化性雰囲気中で処理し、
1.5μm厚のシリコン熱酸化膜2を形成する。次に、
化学気相堆積(CVD)法を用いて、0.2μ0厚のシ
リコン窒化膜3を形成する。
As shown in FIG. 2(a), the entire surface of a (100)-oriented silicon substrate 1 having a highly concentrated N-type buried layer 4 is treated at 1000° C. in an oxidizing atmosphere containing water vapor.
A silicon thermal oxide film 2 with a thickness of 1.5 μm is formed. next,
A silicon nitride film 3 having a thickness of 0.2μ0 is formed using a chemical vapor deposition (CVD) method.

この後、第2図(5)に示すように、図外のホトレジス
トを用いて、マスク露光により開ロバターンを形成し、
ドライエツチング法によりシリコン窒化膜3およびシリ
コン熱酸化膜2を同時に開口加工する。この段階では、
本発明に必要な開口寸法の差異は生じていない。さらに
、希釈したフッ化水素酸水溶液を用いると、両者の膜の
エツチング速度の違いにより、シリコン熱酸化膜2がほ
どんど選択的に側方ヘエッチングされる。この追加エツ
チングにより、開口寸法の差異が1.5μmである開口
部11を形成する。なお、このときのエツチング速度は
、毎分数百オングストロームになるように、希釈濃度を
選ぶことにより良好な制御性が得られる。
After that, as shown in FIG. 2 (5), an open pattern is formed by mask exposure using a photoresist (not shown),
Openings are formed in silicon nitride film 3 and silicon thermal oxide film 2 at the same time by dry etching. At this stage,
No difference in aperture size is required for the present invention. Further, when a diluted hydrofluoric acid aqueous solution is used, the silicon thermal oxide film 2 is almost selectively etched to the sides due to the difference in etching speed between the two films. This additional etching forms openings 11 with a difference in opening size of 1.5 μm. In this case, good controllability can be obtained by selecting the dilution concentration so that the etching rate is several hundred angstroms per minute.

この後、第2図(C)に示すように、N型エピタキシャ
ル層5を、ジクロロシラン(SiH2C1,) 、塩酸
(HCI) 、水素(H2)ガスを各々の流量0.5 
J /分、21/分、801/分、またドーピングガス
として水素(H2)希釈したホスフィン(PH3) 0
.2ppma濃度ガスを0.11 /分の流量で、温度
1000℃、真空度50Torrの状況で化学反応させ
ことにより形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 2(C), the N-type epitaxial layer 5 was heated with dichlorosilane (SiH2C1,), hydrochloric acid (HCI), and hydrogen (H2) gas at a flow rate of 0.5.
J/min, 21/min, 801/min, and phosphine (PH3) diluted with hydrogen (H2) as doping gas 0
.. It is formed by chemically reacting a 2 ppma concentration gas at a flow rate of 0.11/min at a temperature of 1000°C and a vacuum level of 50 Torr.

この際、シリコン熱酸化膜2とシリコン基板1との接触
部である開口部端部に、結晶欠陥部5aが発生するが、
この結晶欠陥部5aの範囲は、結晶欠陥が、(113)
方位等の低次の面方位に成長しやすいという性質から4
5°よりも大きな角度方向内、つまりはシリコン熱酸化
膜2の膜厚に等しい開口寸法差異の範囲に収まる。
At this time, a crystal defect portion 5a is generated at the end of the opening, which is the contact portion between the silicon thermal oxide film 2 and the silicon substrate 1.
In the range of this crystal defect portion 5a, the crystal defect is (113)
4 due to the property that it tends to grow in low-order plane orientations such as orientation.
The difference falls within an angular direction larger than 5°, that is, within a range of an opening size difference equal to the thickness of the silicon thermal oxide film 2.

以上のN型エピタキシャル層5の形成後、P型頭域6を
ホウ素(B)のイオン注入法によりベース領域として形
成、さらにヒ素(A、)をイオン注入法によりエミッタ
領域として形成し、最後に、それぞれエミッタ電極、ベ
ース電極およびコレクタ電極となる半導体素子の電極8
.9および10をPR技術、ドライエツチング技術によ
り所定の位置を開口し、アルミニウムをスパッタ蒸着し
て形成することにより、第1図に示す本実−実施例の半
導体素子が得られる。
After the above N-type epitaxial layer 5 is formed, a P-type head region 6 is formed as a base region by boron (B) ion implantation, and then arsenic (A) is formed as an emitter region by ion implantation, and finally, , electrodes 8 of the semiconductor element which serve as an emitter electrode, a base electrode, and a collector electrode, respectively.
.. By opening holes 9 and 10 at predetermined positions using PR technology and dry etching technology, and forming aluminum by sputter deposition, the semiconductor element of this embodiment shown in FIG. 1 is obtained.

最終的に得られた半導体素子の電気的特性については、
従来技術で形成された半導体素子のN型エピタキシャル
層5と、P型頭域6との間に10〜15Vの逆バイアス
印加時の接合リーク電流が10−’A/C(I+”程度
と不良であったのに対し、本実−実施例では、10−8
〜10−’A/cm” と極めて小さい値を示した。こ
のことは、従来例では、結晶欠陥が表面付近のPN接合
部分まで達しているのに対し、本実−実施例では結晶欠
陥の封じ込めが効いているものと思われる。
Regarding the electrical characteristics of the finally obtained semiconductor device,
When a reverse bias of 10 to 15 V is applied between the N-type epitaxial layer 5 and the P-type head region 6 of a semiconductor device formed using the conventional technology, the junction leakage current is approximately 10-'A/C (I+''). On the other hand, in this example, it was 10-8
It showed an extremely small value of ~10-'A/cm''. This means that in the conventional example, the crystal defects reached the PN junction near the surface, whereas in this example, the crystal defects reached the PN junction near the surface. It seems that containment is working.

またシリコン窒化膜3とシリコン熱酸化膜2との膜厚比
を変化させると、N型エピタキシャル層5の残留応力値
が変化することをラマン分光法の不ペクトラム変化によ
り測定した。その結果を第3図に示す。第3図では、横
軸に窒化膜対酸化膜の膜厚比、縦軸に圧縮応力をとっで
ある。素子寸法20賜X40μmの矩形のエピタキシャ
ル層で、熱酸化膜単層1.7μm厚のときでは、4 x
lQ−”dyn/cm2の圧縮応力が素子形成後発生す
るため、開口部端部から転位が発生するが、シリコン窒
化膜3との2層構造とし、膜厚比を大きくする°と圧縮
応力が著しく低下することがわかった。
Furthermore, it was measured by Raman spectroscopy that the residual stress value of the N-type epitaxial layer 5 changes when the film thickness ratio of the silicon nitride film 3 and the silicon thermal oxide film 2 is changed. The results are shown in FIG. In FIG. 3, the horizontal axis represents the film thickness ratio of the nitride film to the oxide film, and the vertical axis represents the compressive stress. For a rectangular epitaxial layer with device dimensions of 20 x 40 μm and a thermal oxide single layer of 1.7 μm thick, 4 x
Since a compressive stress of lQ-"dyn/cm2 is generated after the device is formed, dislocations occur from the edge of the opening. However, if the two-layer structure with the silicon nitride film 3 is used and the film thickness ratio is increased, the compressive stress will be reduced. It was found that it decreased significantly.

しかし、シリコン窒化膜3の膜厚を大きくしすぎると逆
に引張り応力となり有効でなく、適当な範囲がある。こ
の実験結果より、その範囲は窒化膜/熱酸化膜の膜厚比
が1/10〜1/4であると選択された。
However, if the thickness of the silicon nitride film 3 is made too large, tensile stress will result, which is not effective, and there is an appropriate range. Based on the experimental results, the range was selected such that the film thickness ratio of the nitride film/thermal oxide film was 1/10 to 1/4.

前記のような関係が成立する背景としては、シリコン熱
酸化膜またはシリコン窒化膜を単層でシリコン基板上に
形成した場合、両者で反りの発生方向が異なることから
、シリコン基板またはエピタキシャル層を中間としたヤ
ング率の系列があると考えられる。従って、この両者を
組み合わせることにより相殺することができるため、本
第二実施例における効果が得られたわけである。また、
このような傾向は、開口寸法の差異によらず同様な結果
が得られた。
The reason why the above relationship is established is that when a single layer of a silicon thermal oxide film or a silicon nitride film is formed on a silicon substrate, the direction of warpage is different between the two. It is thought that there is a series of Young's modulus. Therefore, by combining the two, they can be canceled out, which is why the effects of the second embodiment were obtained. Also,
Similar results were obtained regardless of the difference in aperture size.

第4図は本発明の第二実施例の要部を示す縦断面図であ
る。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing the main parts of a second embodiment of the present invention.

本第二実施例は、第1図の第一実施例における絶縁体膜
のシリコン熱酸化膜2とシリコン窒化膜3との間に多結
晶シリコン層を挟んだ3層構成としたものであり、開口
寸法は第一実施例と同様に、シリコン熱酸化膜2の開口
寸法をその膜厚分だけ大きくしである。なお、第4図に
ふいて、13および14はシリコン熱酸化膜であり、そ
の他の参照数字は第1図と同じである。
The second embodiment has a three-layer structure in which a polycrystalline silicon layer is sandwiched between the silicon thermal oxide film 2 and the silicon nitride film 3 of the insulating film in the first embodiment shown in FIG. The opening size is the same as in the first embodiment, in which the opening size of the silicon thermal oxide film 2 is increased by the thickness of the silicon thermal oxide film 2. In FIG. 4, 13 and 14 are silicon thermal oxide films, and the other reference numbers are the same as in FIG. 1.

本発明の特徴は、第4図において、絶縁体膜として、同
図に示した寸法構成の、シリコン熱酸化膜2、多結晶シ
リコン層12およびシリコン窒化膜3から構成される3
層構造としたことにある。
A feature of the present invention is that, in FIG. 4, an insulating film 3 is composed of a silicon thermal oxide film 2, a polycrystalline silicon layer 12, and a silicon nitride film 3 having the dimensions shown in the figure.
The reason is that it has a layered structure.

本第二実施例において、多結晶シリコン層12もフッ化
水素酸水溶液には容易に溶解しないため、第一実施例と
同様にして開口寸法の差異を形成できる。
In the second embodiment, since the polycrystalline silicon layer 12 is not easily dissolved in the hydrofluoric acid aqueous solution, it is possible to form different opening sizes in the same manner as in the first embodiment.

次に、本第二実施例の製造方法について説明する。第5
図(a)、ら)および(C)は本第二実施例の主要製造
工程にあける模式的縦断面図である。
Next, the manufacturing method of the second embodiment will be explained. Fifth
Figures (a), (a) and (c) are schematic longitudinal sectional views taken through the main manufacturing steps of the second embodiment.

第5図(a)に示すように、CVD法により多結晶シリ
コン層12を堆積することを除いては、第一実施例の場
合と同様にして、開口部11にN型エピタキシャル層5
を埋め込み形成する。
As shown in FIG. 5(a), an N-type epitaxial layer 5 is formed in the opening 11 in the same manner as in the first embodiment except that the polycrystalline silicon layer 12 is deposited by the CVD method.
Embed and form.

この後、第5図(b)に示すように、N型エピタキシャ
ル層5に対し、ボロンをイオン注入しP型頭域6を形成
し、さらにヒ素をイオン注入することによりN型領域7
を形成する。さらにシリコン窒化膜3の所定の位置に多
結晶シリコン層12を通りN型エピタキシャル層5に到
達するコレクタ電極用の開口部を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 5(b), boron is ion-implanted into the N-type epitaxial layer 5 to form a P-type head region 6, and arsenic is further ion-implanted to form an N-type region 7.
form. Furthermore, an opening for a collector electrode passing through the polycrystalline silicon layer 12 and reaching the N-type epitaxial layer 5 is formed at a predetermined position in the silicon nitride film 3.

この後、第5図(C)に示すように、酸化雰囲気中で高
温処理し、シリコン熱酸化膜13詔よび14を形成する
Thereafter, as shown in FIG. 5C, high temperature treatment is performed in an oxidizing atmosphere to form silicon thermal oxide films 13 and 14.

最後に、図外のホトレジストにより開ロバターン形成を
した後、シリコン窒化膜3、シリコン熱酸化膜14をド
ライエツチング法により開口加工するとともにシリコン
熱酸化膜13の底部部分を除去し、半導体素子の各能動
層、すなわちN型エピタキシャル層5、P型頭域6およ
びN型領域7に対して、電極10.9および8を形成す
ることにより第4図に示す第二実施例が得られる。
Finally, after forming an open pattern using a photoresist (not shown), openings are formed in the silicon nitride film 3 and silicon thermal oxide film 14 by dry etching, and the bottom portion of the silicon thermal oxide film 13 is removed. By forming electrodes 10.9 and 8 for the active layer, ie the N-type epitaxial layer 5, the P-type head region 6 and the N-type region 7, a second embodiment shown in FIG. 4 is obtained.

なお、シリコン熱酸化膜13の底部部分の除去加工には
、異方性の高いドライエツチング法により、その側面酸
化膜の損傷をおさえることが重要である。
In removing the bottom portion of the silicon thermal oxide film 13, it is important to use a highly anisotropic dry etching method to suppress damage to the side oxide film.

以上の製造方法により形成されたNPN型トランジスタ
についても、第一実施例と同様に良好な逆バイアス耐圧
特性を示した。
The NPN transistor formed by the above manufacturing method also exhibited good reverse bias breakdown voltage characteristics as in the first example.

なお、以上の実施例においては、半導体素子としてトラ
ンジスタをとり上げたけれども、ダイオード、サイリス
ク等の他の半導体素子に対しても同様に適用される。
In the above embodiments, a transistor is used as a semiconductor element, but the present invention is similarly applied to other semiconductor elements such as a diode and a silice.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明は、選択エピタキシャル成
長法で形成されるエピタキシャル層の端部に発生する結
晶欠陥を、開口寸法差を有する多層構造の絶縁体膜によ
って封じ込め、表面付近のPN接合領域に伝播させない
ことが可能となり、半導体素子の逆バイアス時に特に顕
著化するリーク電流を低下でき、良好な電気的特性を得
られる効果がある。
As explained above, the present invention confines crystal defects that occur at the ends of an epitaxial layer formed by selective epitaxial growth using a multilayer structure insulating film having different opening dimensions, and This makes it possible to prevent the leakage current from propagating, thereby reducing the leakage current that becomes particularly noticeable when the semiconductor element is reverse biased, and having the effect of obtaining good electrical characteristics.

また、窒化膜、酸化膜などの多層構造化により、エピタ
キシャル層に生じる残留応力を制御し、工ピタキシャル
成長後に生じる結晶欠陥も防止でき、良好な電気的特性
を確保できる効果がある。
Further, by forming a multilayer structure such as a nitride film or an oxide film, residual stress generated in the epitaxial layer can be controlled, crystal defects generated after epitaxial growth can be prevented, and good electrical characteristics can be ensured.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の第一実施例を示す模式的縦断面図。 第2図(a)、(ハ)および(C)は第一実施例の主要
製造工程における模式的縦断面図。 第3図は第一実施例における残留応力を示す特性図。 第4図は本発明の第二実施例を示す模式的縦断面図。 第5図(a)、ら)および(C)は第二実施例の主要製
造工程における模式的縦断面図。 第6図(a)および(b)は従来例におけるエピタキシ
ャル層形成工程を示す模式的縦断面図。 第7図は従来例の要部を示す模式的破断斜視図。 1・・・N型シリコン基板、2.13.14・・・シリ
コン熱酸化膜、3・・・シリコン窒化膜、4・・・N型
埋込み層、5・・・N型エピタキシャル層、5a・・・
結晶欠陥部、6・・・P型領域、7・・・N型領域、8
.9.10・・・電極、11・・・開口部、12・・・
多結晶シリコン層。 N型シリコン基板  6 シリコン熱rtL4ヒ膜  7 ジノコン窒化膜 8,9.1O N型埋込什層    11 N型エピタキシ〒ル醤 オる晶欠陥a昏 :P型停六 :N型憎ベ ニ雷鞄 :開口部 菖 扇−芙交り・1 に 3 回 篤−夾記例(1捏1度) ′!f:J 2 図 1:N型シリコンJk仄 2:シリコン熱酸化膜 3:シリコン窒化層 4:N型厘久h4i 5:N型工ビタキシマル暑 sa:t’6晶xIvI部 1+ :ff口部 1 :N型シリコン基板 2,13.14: シリコン黒改化屓 3;シリコン窒化腿 4:N型埋Δ1 5 :N型エピタキシマル慟 50:詰&笈間部 6:PJgi領へ 7:N型傾へ 11:開口部 12ニジ粘晶シリコ ンI (工am面図) 5 図 1 :N’lンソフン基歇 2 :シリコン!!A@4LifX 5:N型エビタ午シャル層 5a:1f5.j%欠陥部 1:N型シリ0ン墓扱 2:シリコン熱@化膜 5:N型エヒ1フ午ン〒ル層 #東4IA(工捏訂面図) 、Yl 6 口 (芝永例(−糾促図) ′W:J−7図
FIG. 1 is a schematic vertical sectional view showing a first embodiment of the present invention. FIGS. 2(a), 2(c), and 2(c) are schematic vertical cross-sectional views of the main manufacturing steps of the first embodiment. FIG. 3 is a characteristic diagram showing residual stress in the first example. FIG. 4 is a schematic vertical sectional view showing a second embodiment of the present invention. FIGS. 5(a), 5(a) and 5(c) are schematic longitudinal cross-sectional views of the main manufacturing steps of the second embodiment. FIGS. 6(a) and 6(b) are schematic vertical cross-sectional views showing the epitaxial layer forming process in a conventional example. FIG. 7 is a schematic cutaway perspective view showing the main parts of a conventional example. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... N-type silicon substrate, 2.13.14... Silicon thermal oxide film, 3... Silicon nitride film, 4... N-type buried layer, 5... N-type epitaxial layer, 5a.・・・
Crystal defect portion, 6... P type region, 7... N type region, 8
.. 9.10... Electrode, 11... Opening, 12...
Polycrystalline silicon layer. N-type silicon substrate 6 Silicon thermal rtL4 film 7 Zinocon nitride film 8,9.1O N-type buried sublayer 11 N-type epitaxial crystal defect akore: P-type arrester: N-type nitriding bag : Opening irises fan - Fukori・1 to 3 times Atsushi - example of writing (1 time 1 time)'! f: J 2 Figure 1: N-type silicon Jk 2: Silicon thermal oxide film 3: Silicon nitride layer 4: N-type bitaximal heat sa: t'6 crystal x IvI part 1+: ff mouth part 1: N-type silicon substrate 2, 13.14: Silicon black modified layer 3; Silicon nitride leg 4: N-type buried Δ1 5: N-type epitaxial layer 50: Tsume & rug area 6: To PJgi area 7: N To the mold 11: Opening 12 Rainbow Viscous Silicon I (Plant drawing) 5 Figure 1: N'ln Sofun Base 2: Silicon! ! A@4LifX 5: N type Evita no Shall layer 5a: 1f5. j% defective part 1: N-type Si 0-in Grave treatment 2: Silicon thermal @ oxide film 5: N-type Ehi 1 layer #East 4IA (English revised plan), Yl 6 Mouth (Shiba Nagata example) (-Diagram of encouragement) 'W: Diagram J-7

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、半導体基板上の絶縁体膜に設けられた開口部に埋め
込まれた半導体エピタキシャル層を能動層として有する
半導体素子において、 前記絶縁体膜は異なる絶縁体膜が積層された多層構造で
あり、前記開口部は前記半導体基板と接する最下層の絶
縁体膜が少なくとも直上の絶縁体膜より大きな開口寸法
を有する ことを特徴とする半導体素子。
[Scope of Claims] 1. A semiconductor element having as an active layer a semiconductor epitaxial layer embedded in an opening provided in an insulator film on a semiconductor substrate, wherein the insulator film is a stack of different insulator films. 1. A semiconductor element having a multilayer structure, wherein the opening has a lowermost insulating film in contact with the semiconductor substrate having a larger opening size than at least an immediately above insulating film.
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