JPH02159727A - バイポーラ形薄膜半導体装置 - Google Patents

バイポーラ形薄膜半導体装置

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JPH02159727A
JPH02159727A JP31577988A JP31577988A JPH02159727A JP H02159727 A JPH02159727 A JP H02159727A JP 31577988 A JP31577988 A JP 31577988A JP 31577988 A JP31577988 A JP 31577988A JP H02159727 A JPH02159727 A JP H02159727A
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    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
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    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/72Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/73Bipolar junction transistors
    • H01L29/7317Bipolar thin film transistors

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 A、産業上の利用分野 本発明は、半導体薄膜上に形成される横形のバイポーラ
トランジスタを有する半導体装置に関する。
B、従来の技術 本出願人は先に、特願昭62−14804.3号におい
て、第11図および第12図に示すようなバイポーラ形
薄膜半導体装置を提案した。第11図はそのバイポーラ
形薄膜半導体装置の平面図、第12図はそのX[l−X
1l線断面図、第13図はその等価回路図である。
第1]−図および第12図において、絶縁性基板21」
二に、半導体薄膜としての多結晶シリコン層22が所要
の厚さに堆積され、かつ所定の形状にパターニングされ
ている。多結晶シリコン層22にはN1形エミツタ領域
23が形成されるとともに、このN+形エミッタ領域2
3を囲むようにP形ベース領域24 aおよびP+形ベ
ース引出し領域24− bが形成され、これらの領域2
4 aおよび24bを囲むようにN形コレクタ領域25
aおよびN+形コレクタ引出し領域25bが形成されて
いる。また、N′″形エミッタ領域23、P形ベース引
出し領域24−b、およびN+形コレクタ引出し領域2
5bはそれぞれ、多結晶シリコン層22」二に堆積した
層間絶縁膜27に開孔したコンタクトホールを介してエ
ミッタ電極26E、ベス電極26B、およびコレクタ電
極26Cに接続されている。
ところで、P形ベース領域24 aとN“形エミッタ領
域23とは多結晶シリコンM22上の同一マスクを用い
た不純物導入によって形成され、P形ベース領域24a
のベース幅Wは、P形ベース領域24− aを形成する
P形不純物とN+形エミッタ領域23を形成するN形不
純物との二重拡散による横方向拡散長の差によって規定
される。
このため、極めて狭い(数千人)ベース幅Wが得られ、
多結晶シリコンのような小数キャリアの拡散長の短い材
料でも適度な電流増幅率11FEを持つバイポーラ形薄
膜トランジスタを作製できる。
なお、ベース電極26BとP形ベース領域24. aと
は、ベース幅Wより広い幅のP+形ベベー弓出し領域2
4. bを介してコンタク1〜される。
C0発明が解決しようとする課題 このような構成により、多結晶シリコン層22には、N
+形エミッタ領域23、■〕形ヘベー領域24. a、
およびN形コレクタ領域25aによるNPNバイポーラ
トランジスタが形成される。また、第11図および第1
2図の破線で示されるX部分において、すなわちベース
電極26B近傍のP形ベース引き出し領域24bとN1
形エミツタ領域23とのPN接合によって、寄生エミッ
タ・ベース間ダイオードが形成される。
このようなバイポーラ形薄膜半導体装置の等価回路を第
13図に示す。第13図において、符号28が上述のよ
うに構成されるNPNバイポーラトランジスタであり、
そのベース端子Bとエミッタ端子Eとの間に上述した寄
生PNダイオード29が形成されている。
このため、トランジスタ動作時にこの寄生ダイオードが
順方向にバイアスされ、トランジスタ動作に寄与しない
電流成分がエミッタ・ベース間に流れてその電流成分だ
けベース電流IBが増加する。その結果、コレクタ電流
ICとベース電流IBとの比で定義される電流増幅率h
FEが低下するという問題がある。
本発明の技術的課題は、横形バイポーラ薄膜半導体装置
において素子を大型化することなく電流増幅率hFEの
低下を防止して1−ランジスタ特性を向上させることに
ある。
00課題を解決するための手段 本発明は、紀縁性基板上に積層された半導体薄膜に形成
された第1導電形のコレクタ領域と、前記半導体薄膜に
形成された第1導電形のエミッタ領域と、前記コレクタ
領域と前記エミッタ領域とに挟まれた所定のベース幅を
有する第2導電形のベース領域と、該ベース領域に接続
する第2導電形のベース引出し領域とを具備し、前記半
導体薄膜上に所定形状のマスク材を設け、該マスク材を
用いて、ベース領域を形成する第2導電形不純物とエミ
ッタ領域を形成する第1導電形不純物とを二重拡散し、
第1および第2の導電形不純物の横方向拡散長の差によ
ってベース幅が規定されるバイポーラ形薄膜半導体装置
に適用される。
そして、上述の技術的課題は、上記マスク直下のベース
領域に、エミッタ領域とベース引出し領域とをそれぞれ
接続させるとともに、マスク直下以外では、エミッタ領
域とベース引出し領域とを互いに分離し、かつ、ベース
・コレクタ間の順バイアス時に逆バイアスされベースか
らコレクタへの電流の流れを阻止するダイオードをコレ
クタ領域側に形成して解決される。
80作用 マスク直下のベース領域に、エミッタ領域とベス引出し
領域がそれぞれ接続され、マスク直下以外では、エミッ
タ領域とベース引出し領域とが互いに分離されているの
で、エミッタ・ベース間には寄生ダイオードが形成され
ない。このため、トランジスタオン時のベース電流が低
減でき、電流増幅率hPEの低下が防止される。さらに
、寄生ダイオードによる容量も生じないから、トランジ
スタの遮断周波数も向上する。加えて、ベース・コレク
タ間が順バイアスされるときには、逆流防止用ダイオー
ドが逆バイアスされこれによりベスからコレクタへの電
流の流れが阻止される。
F、実施例・ 第1図および第2図により本発明に係るバイポーラ形薄
膜半導体装置の一実施例を説明する。第1図は、バイポ
ーラ形薄膜半導体装置を示す平面図、第2図(a)、(
b)、(Q)、(d)は、それぞれ第1図のa −a線
断面図、b−b線断面図、Q−Q線断面図、d−a線断
面図である。
第1図および第2図において、絶縁性基板上上に半導体
薄膜としての多結晶シリコン層2が所要の厚さに堆積さ
れ、かつ所定の形状にパターニングされている。そして
この多結晶シリコン層2の所定領域上にマスク材10が
形成されている。このマスク材10直下の多結晶シリコ
ン層2には、低濃度のN形コレクタ領域5aとP形ベー
ス領域4aとが接して形成されている。
マスク材10直下以外の多結晶シリコン層2には、N形
コレクタ領域5aと接してP′″形コレクタ引出し領域
5bが形成されるとともに、第1図および第2図(a)
に示されるように、P形ベース領域4aと接してN4形
エミツタ領域3が形成されている。そしてこのN“形エ
ミッタ領域3とN形コレクタ領域5aとに挟まれたP形
ベース領域4aは、極めて狭い(数千人)ベース幅Wと
される。なおこのベース幅Wは、後の製造方法の説明に
おいて詳しく述へるが、マスク材10をマスクとしてP
形ベース領域4aを形成するP形不純物とN形コレクタ
領域5aを形成するN形不純物とを二重拡散して多結晶
シリコン層2に導入し、2種類の不純物の横方向拡散長
の差によって規定される。
さらに、第1図および第2図(b)に示されるように、
マスク材10直下以外の多結晶シリコン層2には、P形
ベース領域4aと接してP+形ベース引出し領域4bが
形成されている。そしてこのP+形ベース引出し領域4
bとN′″形エミッタ領域3とは、第1図および第2図
(c)に示されるように、マスク材10直下以外の領域
においては層間絶縁膜7によって分離される。また第1
図に示すようにマスク材10直下においては、P形ベー
ス引出し領域4bとN+形エミッタ領域3がP形べ−ろ
領域4aにそのベース幅方向でラップするようにそれぞ
れ接続される。すなわち、P形ベース引出し領域4bと
N′″形エミッタ領域3とはベース領域4a内でのみ接
続される。なお、ベース領域4aはマスク直下に形成す
る必要があるが、エミッタ領域3とベース引出し領域4
bはマスク直下になくても、マスクの境界面でベース領
域4aとベース引出し領域4bおよびエミッタ領域3を
接続させてもよいa また、N+形エミッタ領域3、P′″形ベース引出し領
域4b、おキびP+形コレクタ引出1領域5bはそれぞ
れ、多結晶シリコン層2上に堆積した層間絶縁膜7に開
孔したコンタク1〜ホールを介してエミッタ電極6E、
ベース電極6B、お3よびコレクタ電極6Cに接続され
ている。
次に、このように構成されるバイポーラ形薄膜半導体装
置の製造方法を説明する。第3図はその製造方法を示す
工程図であり、(al)〜(a4)はそれぞれ、各工程
における平面図およびこの平面図のa−a線断面、b、
−b線断面、d−a線断面の各断面図を示す。なお、こ
れら(a2)〜(g2)、(a3)〜(g 3.)、 
(a 4)〜(g4)の各断面図は第2図(b)、(a
)、(d)にそれぞれ対応する。
(a):第3図(al)〜(a4)において、絶縁性基
板1上に、半導体薄膜として多結晶シリコン層2を所要
の厚さに堆積し、例えばリンPまたはヒ素AsのN形不
純物を所要量添加してアニル処理を行ない、低濃度のN
形不純物領域11を形成する。次いで、このN形不純物
領域11上にマスク材10を形成して、所定の形状にパ
タニングする。このマスク材10は、例えばシリコン酸
化膜あるいはシリコン酸化膜上に多結晶シリコン層が堆
積されている二層膜などから構成されている。
(b):第3図(bl)〜(b4)に示すように、マス
ク材10および所定の形状のレジスト(図示せず)をマ
スクとするイオン注入法により、例えばホウ素Bなどの
P形不純物を所要量添加してアニール処理を行ない、横
方向への熱拡散によってマスク材1′0の両側からその
直下にまで延びているP形不純物領域12.13を形成
する。
(C):第3図(cl)〜(C4)に示すように、マス
ク材10および所定の形状のレジスト(図示せず)を用
いて多結晶シリコン層2のエツチングを行ない、所定の
形状にパターニングする。
このパターニングによって、コレクタ領域、コレクタ引
出し領域、ベース領域、ベース引出し領域、およびエミ
ッタ領域となるべき各領域11a。
13a、12a、12b、’12cのパターンを形成す
る。これらの領域のうち領域1 ]、 aは、そのまま
N形コレクタ領域5aを形成する。また、このときマス
ク材10直下においては、ベース引出し領域となる領域
1.2 bおよびエミッタ領域となる領域12cがそれ
ぞれ、ベース領域となる領域12aに接続されると同時
に、マスク材10直下以外においては、ベース引出し領
域となる領域12bとエミッタ領域となる領域1.2 
cとが互いに分離される。
(d):第3図(dl)〜(d4)に示すように、マス
ク材10および所定の形状のレジスト(図示せず)詮マ
スクとするイオン注入法により、例えばホウ素Bなどの
P形不純物を所要量添加して領域12b、13aにP”
形コレクタ引出し領域5bおよびP1形ベース引出し領
域4bを形成する。
(e):第3図(el)〜(C4)に示すように、マス
ク材10および所定の形状のレジスト(図示せず)をマ
スクとするイオン注入法により、例えばリンPまたはヒ
素AsのN形不純物を所要量添加してアニール処理を行
ない、領域12QにN1形エミツタ領域3を形成する。
このとき、N1形エミツタ領域3は横方向への熱拡散に
よってマスク材10直下にまで延び、この結果、領域1
2aにP形ベース領域4aが形成される。
ここで、N形コレクタ領域5aとN“形エミッタ領域3
とに挟まれたP形ベース領域4aの幅Wは、マスク材1
0を用いてP形ベース領域4aを形成するために導入さ
れるP形不純物の横方向拡散長と、N4形エミツタ領域
3を形成するために導入されるN形不純物の横方向拡散
長との差によって規定される。したがって、これらP形
およびN形不純物の拡散条件を制御することにより、極
めて狭い所望のベース幅Wを有するP形ベース領域4a
を形成することができる。
(f):第3図(fl)〜(f4)に示すとおり、全面
に層間絶縁膜7を堆積させた後、N+形エミッタ領域3
、P′″形ベース引出し領域4b、およびP1形コレク
タ引出し領域5b上の所定の位置にそれぞれエミッタコ
ンタクトホール13、ベースコンタクトホール14、お
よびコレクタコンタクトホール15を開孔する。
(g):第3図(gl)〜(g4)に示すとおり、全面
にアルミニウムAQを堆積させた後、所定の形状にパタ
ーニングして、それぞれN+形エミッタ領域3、P1形
ベース引出し領域4b、およびP1形コレクタ引出し領
域5bに接続されるエミッタ電極6E、ベース電極6B
、およびコレクタ電極6Cを形成する。
以上の製造プロセスにより、第1図および第2図に示し
たバイポーラ形薄膜半導体装置が形成される。
なお、上記の製造方法において、第3図(C1)〜(C
4)における多結晶シリコンM2のパタニング、第3図
(dl)〜(d4)におけるP形不純物のイオン注入、
第3図(el)〜(C4)におけるN形不純物のイオン
注入は、その順番を任意に入れ替えてもよい。例えば、
第3図(dl)〜(d4)におけるP形不純物のイオン
注入および第3図(el)〜(e4)におけるN形不純
物のイオン注入を行なった後に多結晶シリコン層2のパ
ターニングを行なってもよい。この場合、多結晶シリコ
ン層2のパターニングの後に、マスク材10をエツチン
グ除去してもよい。
このように本実施例においては、上記特願昭62−14
8043号のバイポーラ形薄膜半導体装置と同様にして
、同一マスク材を用いた二重拡散法により極めて狭いベ
ース幅Wを有するP形ベース領域4aを形成することが
できるため、電流増幅率hFEを・大きくすることがで
き、また低濃度のN形コレクタ領域5aを設けているた
め、耐圧を高くすることができる。
すなわち、 ■マスク材10直下以外では、ベース電極6Bと接続さ
れるP4形ベース引出し領域4bとN+形エミッタ領域
3とが互いに分離され、マスク材10直下では、N”形
エミッタ領域3とP4形ベース引出し領域4bとがP形
ベース領域4aを介しベース幅Wよりも短い接触長で互
いに接するため、エミッタ・ベース間にはPN接合によ
る寄生ダイオード(第13図の符号29で示したダイオ
ード)が形成されない。従って、すべてのベース電流■
Bが1−ランジスタ動作に寄与するようになり、寄生ダ
イオードの形成による電流増幅率hPEの低下を防ぐこ
とができる。
■また、エミッタ・ベース接合が順バイアスされ、コレ
クタ・ベース接合は逆バイアスされるバイポーラトラン
ジスタの動作時において、コレクタ・ベース接合に生じ
る空乏層は、P形ベース領域4aよりも低不純物濃度に
形成されている低濃度コレクタ領域5a側に拡がる。し
たがって、P形ベース領域4は前述したように狭幅に形
成されていても、エミッタ・コレクタ間のパンチスルー
が起きにくくなって高耐圧特性が得られる。
■さらにまた、エミッタ・ベース間に従来形成されてい
た寄生ダイオードが形成されないので、この寄生ダイオ
ードの接合容量によるエミッタ・ベース間の寄生容量が
なくなり、その結果、1〜ランジスタの動作速度を速く
することができ、遮断周波数fTを高くすることもでき
る。
さらにまた次のような効果を有する。
以上説明した■〜■の効果は、本出願人が先に特願昭6
3〜198173号明細書で提案した第4図および第5
図に示す構造のバイポーラトランジスタでも達成できる
。このバイポーラトランジスタと本実施例のバイポーラ
トランジスタとの相異は、本実施例のP+形コレクタ引
出し領域5bをN′″形コレクタ引出し領域50bとし
ている点である。
しかしながら、この第4図に示す薄膜半導体装置におい
ては、ベース・エミッタ間に流れる電流は細長いベース
領域4bを通って流れるため、ベース・エミッタ間抵抗
REがベース・コレクタ間抵抗Reより大きく次の問題
がある。
第6図はベース・コレクタ間のPN接合およびベース・
エミッタ間のPN接合をそれrれダイオードDi、D2
として見たときの第4図に示すバイポーラトランジスタ
の等価回路を示す。抵、抗REがRCより大きいために
、エミッタ・ベース間電流IEを流すためのベース電圧
VBEが大きくなる。ベース電圧VBEがコレクタ電圧
VCEよりも大きくなるとベース・コレクタ間のPN接
合ダイオードD1が順バイアスされ、電流がベースから
コレクタに向かって逆流してしまう。
そこで本発明では、ベース・コレクタ間に逆流防止用ダ
イオードを設けている。つまり、コレクタ引出し領域5
bをP″″形とし、第1図および第2図において、コレ
クタ引出し領域5bとコレクタ領域5aとの間にできた
PN接合がコレクタ側へのベース電流の逆流防止用のダ
イオードとして働くようにした。
第7図はその等価回路であり、D3が逆流防止用ダイオ
ードである。N+形コレクタ領域5aとP形ベース領域
4aにおけるコレクタ・ベース間PN接合が順バイアス
される条件では、逆流防止用ダイオードD3が逆バイア
スされるために電流が流れず、コレクタ側へのベース電
流の逆流を防止できる。また、コレクタ・ベース間PN
接合が逆バイアスされNPNバイポーラ1−ランジスタ
が動作する条件では、ダイオードD3が順バイアスされ
るためにコレクタからエミッタに向かって電流が流れる
さらに、コレクタ引出し領域5bをP形にしたので、コ
レクタ引出し領域5b、コレクタ領域5a、ベース領域
4aによってPNPバイポーラトランジスタが形成され
、次のような利点もある。
第8図はこのPNPバイポーラトランジスタを含む第1
図に示す半導体装置の等価回路を示す。
ここで、N P N、バイポーラトランジスタQ1の電
流増幅率h FEaは、 h PEa = I Co / I E。
であり、第4図および第5図に示す既提案のバイポーラ
トランジスタの電流増幅率hFEと同一である。PNP
バイポーラトランジスタQ2の電流増幅率をh pEt
とするとき、第8図に等価回路で示す本発明に係る半導
体装置の電流増幅率hFEは、となり、NPNバイポー
ラトランジスタ単体の場合の電流増幅率h PEGより
も大きくなる。
第9図および第10図は他の実施例を示す。
この実施例は、コレクタ領域5aとコレクタ引出し領域
5bとの間にPN接合ダイオ−1〜D3を形成するのに
代えて、コレクタ領域5aに連なるコレクタ引出し領域
35bの不純物濃度を濃くせず、さらに、コレクタ電極
6Cとして、N形コレクタ引出し領域35bとの間でシ
ョットキーバリアを形成する金属(例えば、AΩ)を用
いることにより、コレクタ側にショク1へキーダイオー
ドD4を形成したものである。ショットキーダイオドD
4が逆流防止用PN接合ダイオードD3と同一の作用を
有し、上述したと同様にコレクタ側へのベース電流の逆
流が防止される。
なお以上では、NPNトランジスタについて説明したが
、PNP l−ランジスタにも同様に本発明を適用でき
る。さらに、本発明を逸脱しない限りバイポーラトラン
ジスタの各領域のレイアウトは実施例に限定されない。
G0発明の効果 以上の通り本発明によれば、二重拡散法により作製され
極めて狭いベース幅を持つバイポーラ形薄膜半導体装置
において、二重拡散に供するマスク直下のベース領域に
は、ベース電極と接続されるベース引出し領域およびエ
ミッタ領域が、ベース領域に対してそのベース幅方向で
ラップするように、あるいはマスク直下でラップせずに
マスクの境界面でベース領域とそれぞれ接続するように
し、マスク直下以外では、ベース引出し領域とエミッタ
領域を互いに分離したので、エミッタ・ベース間に寄生
ダイオードが形成されず、電流増幅率hFEの低下が防
止され、かつ寄生容量の発生を回避して遮断周波数fT
が向上する。
加えて、コレクタ領域側にベースからコレクタ側への電
流の逆流を防止するダイオードを形成したので、ベース
電流がコレクタ電圧よりも大きくなってもベースからコ
レクタへの電流の逆流が防止される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例によるバイポーラ形薄膜半導
体装置を示す平面図、第2図(a)〜(d)はそれぞれ
第1図のa−a、b−b、cc、d−d線に沿う断面図
、第3図は本発明の一実施例によるバイポーラ形薄膜半
導体装置の製造方法を示すそれぞれ工程図、第4図は本
出願人が特願昭63−198173号明細書で提案した
バイポーラ形薄膜半導体装置を示す平面図、第5図は第
4図の■−V線断面図、第6図はそのパイポラ形薄膜半
導体装置を示す等価回路図、第7図は逆流防止用PN接
合ダイオードを示す第1図のバイポーラトランジスタの
等価回路図、第8図はPNPバイポーラトランジスタを
示す第1図の半導体装置の等価回路図、第9図は他の実
施例示す半導体装置の平面図、第10図はそのX−X線
断面図である。 第11図は本出願人が特願昭62−1480433号明
細書で提案したバイポーラ形薄膜半導体装置を示す平面
図、第12図は第11図のXIIXII線断面図、第1
3図はそのバイポーラ形薄膜半導体装置を示す等価回路
図である。 1:絶縁性基板   2:多結晶シリコン層3:N+形
エミッタ領域 4a:P形ベース領域 4 b : P形ベース引出し領域 5a :N形コレクタ領域 5b:P+形コレクタク1出し領域 6E:エミッタ電極 6B=ベース電極6C:コレクタ
電極  7:層間絶縁膜10:マスク材 35b:N’形コレクタ引出し領域 D3:逆流助止用PN接合ダイオード D4:逆流防止用ショットキーダイオード特許出願人 
 日産自動車株式会社 代理人弁理士   永 井 冬 紀 (’J 第6図 第7図 第8図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】  絶縁性基板上に積層された半導体薄膜に形成された第
    1導電形のコレクタ領域と、 前記半導体薄膜に形成された第1導電形のエミッタ領域
    と、 前記コレクタ領域と前記エミッタ領域とに挟まれた所定
    のベース幅を有する第2導電形のベース領域と、 前記ベース領域に接続する第2導電形のベース引出し領
    域とを具備し、前記半導体薄膜上に所定形状のマスク材
    を設け、該マスク材を用いて前記ベース領域を形成する
    第2導電形不純物と前記エミッタ領域を形成する第1導
    電形不純物とを二重拡散し、該第1および第2導電形不
    純物の横方向拡散長の差によって前記ベース幅が規定さ
    れるバイポーラ形薄膜半導体装置において、 前記マスク直下の前記ベース領域に、前記エミツタ領域
    および前記ベース引出し領域がそれぞれ接続されるとと
    もに、前記マスク直下以外では、前記エミッタ領域と前
    記ベース引出し領域とが互いに分離され、かつベース・
    コレクタ間の順バイアス時に逆バイアスされベースから
    コレクタへの電流の流れを阻止するダイオードが前記コ
    レクタ領域側に形成されていることを特徴とするバイポ
    ーラ形薄膜半導体装置。
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