JPH03253026A - 半導体装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体装置に関し、特に、結晶欠陥の発生を
抑制した高濃度拡散層を有する半導体装置に関する。

［従来の技術］ ＩＣ，ＬＳＩ等のデバイスの性能を低下させる要因の１
つに各部分に寄生する抵抗がある。例えば、バイポーラ
デバイスに関していえば、エミッタ寄生抵抗ｒや、ベー
ス寄生抵抗ｒｂ、コレクタ寄生抵抗ｒ（、等である。こ
れらの内、特に問題となるのがコレクタ寄生抵抗である
。即ち、トランジスタの過度応答あるいは大電流動作に
よる動作速度はコレクタ寄生抵抗により制限されてしま
う場合が多いので、トランジスタを飽和させた状態で測
定されるコレクタ飽和抵抗（以下、ｒｓｃと記す）をい
かに低く抑えるかがバイポーラデバイスの特性改善の鍵
になっているのである。

第３図（ａ＞は、従来のバイポーラトランジスタを示す
平面図であり、第３図（ｂ）は、その■■線断面図であ
る。このトランジスタは、ｐ型シリコン基板１上に高濃
度ｎ型埋め込みコレクタ層２を設け、さらにその上にｎ
型エピタキシャル層３を成長させ、ｐ型ベース層４、ｎ
型エミツタ層５を順次形成して製造されている。第３図
において、６ａはコレクタ抵抗補償用の高濃度ｎ型拡散
層、７ａ、８は多結晶シリコン膜、９は絶縁分離用溝、
１０はＳｉＯ２膜等からなる絶縁膜、１１ａ、ｌｌｂ、
１１ｃは、それぞれコレクタ、エミッタ、ベース電極引
き出し用窓である。このうち、コレクタ電極引き出し用
窓１１ａの寸法は、ｘＸｙで与えられている。なお、こ
こでは、説明の都合上、アルミ電極配線等は省略しであ
る。

コレクタ寄生抵抗は、エピタキシャル層３、埋め込みコ
レクタ層２、ｎ型拡散層６ａ内の抵抗をそれぞれｒｌ＋
　ｒ２、ｒ３として、ｒｃ：ｒｌ＋ｒ２＋ｒ３で与えら
れるが、トランジスタが飽和状態に入ると、ｒＳＣ−ｒ
ｌ＋ｒ２となってｒ３は無視可能となる。ここで、ｒｌ
　、ｒ２は、それぞれ拡散層の層抵抗ρ１、埋め込みコ
レクタ層の層抵抗ρ２とそれらのパターンのサイズによ
って決定される。このうち、埋め込みコレクタ層の層抵
抗ρ２に関しては、通常用いられるヒ素カラス膜を拡散
源とする塗布拡散法あるいはイオン注入法により、２０
Ω、２／口前後が安定して実現可能である。しかしなが
ら、拡散層の層抵抗ρ！は不純物のドーピング方法によ
っては数十〜数にΩ７，７口まで変化するため、ｒｓｃ
はρ１によって支配されるといっても過言ではなく、換
言すれば、ρ１がトランジスタの特性を左右しているこ
とになるのである。

そこで、できる限り高濃度に不純物をドーピングしてρ
１を下げることが重要になるわけであるが、この拡散法
としては、一般的には、例えば特開昭５７−１０２３０
号公報に記載されているように「電極窓を覆うように多
結晶シリコン膜を残し、この多結晶シリコン膜を通して
基板表面にコレクタコンタクト層を形成する」という手
法が用いられている。前記公報では、不純物拡散源とし
てＰＳＧを用いた説明がなされており、また、イオン注
入法についても触れているが、我々は第３図に示した多
結晶シリコン膜７ａに、まず、Ｐ。

ＣＪ３蒸気を用いた熱拡散によりＰをドーピングしてお
き、次にＮ２ガス中で多結晶シリコン膜７ａからエピタ
キシャル層３へＰをドライブインさせるという方法を用
いている。この手法にはウェハ面内の層の抵抗ばらつき
が少なく、深さ方向の制御性が良いという特長があり、
ＰＳＧ法、イオン注入法に比べ簡便に高濃度のリンをド
ープできるという利点もある。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来の拡散方法でも、集積度が高くない場合に
は、拡散層の不純物濃度が１０　”ａｔｏｍｓ／ｃ［ｄ
台でも寄生抵抗の値を一定以下に抑えることができたの
で特に問題はなかったが、近年の高集積化の流れの中で
パターンを極力小さくすることが要求され、それに伴っ
てコレクタの占有面積が縮小されると、これに対処する
ために拡散層の不純物濃度を１０　”ａｔｏｍｓ　／　
ｃｒＡ以上とすることが求められるようになり、そのた
め、従来法では対応しきれない情況に至っている。

たとえば、第３図のトランジスタを縮小する場合、Ｘは
エミッタ電極引き出し用窓１１ｂの長さにより決定され
るため、ｙを縮小することになるが、過去においてはｘ
Ｘｙ＝６Ｘ３μｍ２てあったものが、現在では６×ｌ　
２μｍ２まて縮小することが求められている。この縮小
を補償すへくリン濃度を上げていくと、歩留りは次第に
悪化し、所望の濃度まであげると、はぼ全滅という結果
になる。

而して、この不良は電気的にはトランジスタの接合リー
クとして観測される。バイポーラトランジスタの接合が
リークする原因としては、一般的に結晶欠陥が関与する
場合が多いのて、不良品について透過型電子顕微鏡（Ｔ
ＥＭ）による欠陥観察を行ったところ、転位の発生が認
められた。転位の発生はリン拡散窓内が最も顕著であり
、窓がら離れるに従いその密度が急激に低下するという
状況にあり、発生した転位の何本ががエミッタ接合、ベ
ース接合に到達していた。つまりリン拡散層から発生し
た転位がエミッタ、ベース接合を突き抜けたために接合
リークが引き起こされたのである。

前述したように、リン濃度によりトランジスタの歩留り
が悪化するので、窓の大きさを６，０×１．２μｍ２と
して、リンのピーク濃度とエミッタに到達する転位数の
関係を調査したところ、第４図に示す結果を得た。同図
に示されるように、ピーク濃度が７Ｘ１０１９を越える
と急激に転位が増加する。

よって、本発明の目的とするところは、拡散層の不純物
濃度を高めても転位を生じさせないようにすることであ
り、もって、小型で高性能の半導体装置を歩留り高く製
造しうるようにすることである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体装置は、シリコン基板の絶縁膜に複数の
小窓の集合した窓を設け、この窓を覆うように設けられ
た多結晶シリコン膜からリンをドーピングして形成され
た高濃度の拡散層を有するものである。また、複数の小
窓の中間のシリコン基板中に分離用溝を形成してもよい
。

し作　用］ 本発明者等は、トランジスタのサイズにより歩留りか大
きく影響されるのて、窓の大きさと発生する転位の数に
ついて調査した。

第５図は、リンのピーク濃度を３　Ｘ　１０２０ａｔｏ
ｍｓ／ｃｎ（に設定し、第３図に示すトランジスタにお
いてｙ＝１．２μｍでＸを１．０〜２０μｍまで変えた
時のＸとエミッタに到達する転位数との関係を示したも
のである。同図から分かるように、Ｘが４μｍを越える
と急激に転位数がふえている。

また、ｙの値を２．○、４．０μｍと変化させた場合に
も同様な結果が得られた。

文献では、リンあるいはボロンのドーピングは結晶にス
トレスを与え欠陥を誘起する旨の報告があり（ＪＯＵＲ
ＮＡＬ　ＯＦ　ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣ８ｖｏｌ
ｕｍｅ　３８Ｎｕｍｂｅｒ　１　１９６７　　Ｅ、Ｌｅ
ｖｉｎｅ　ｅｔ　ａｊ、　（ＤｉｆｆｕｓｉｏｎＩｎｄ
ｕｃｅｄ　Ｄｅｆｅｃｔｓ　ｉｎ　５ｉｌｉｃｏｒ＋）
　）　、この内容と我々の得た結果を総合してみると、
この現象は、■ノン拡散によりシリコン結晶にストレス
が与えられ、ストレスを緩和するため転位が発生する、
■ストレスは窓形状か大きくなるはと、あるいは細長く
なるほど強くなり、またリン濃度が高くなるほど強く発
生する、と整理することができる。即ち、拡散窓を一定
以下に小さくすれば、リン濃度をある程度高くしても、
エミッタに到達するような転位は抑制できるということ
である。よって、一定態上の広さの拡散層を転位の発生
を抑制しつつ形成するには、窓を小窓に分割すればよい
ということになる。

次に、今後の縮小化に向けて、さらにリン濃度を上げる
実験を行ったところ、１．２Ｘ１．２μＴｒ１２の小窓
を一列に並べる構造にしても、ピークリン濃度が４×１
０１０２０ａｔｏ／ｃｎｆを越えるようになると転位の
発生が目立ち始めることが明らかとなった。この時の転
位の発生状況を調べた結果、リン拡散領域に端を発した
転位はループを描いて他の拡散領域で終端するように発
生していたが、注目すべきは分離溝の側壁面、主にエピ
タキシャル層内の側壁面に終端する転位数が最も多いこ
とである。そこで、三方を分離溝に囲まれたトランジス
タを作成したところ、このトランジスタに関しては、一
方のみに分離溝が存在している小窓を有するものと比較
して、エミッタに向がう転位数が極端に少なくなること
か判明した。即ち、三方が分離溝で囲まれた拡散層ては
、分離溝の側面壁が転位のゲッターサイトのように働き
、エミッタに向かう転移が抑制されるのである。

［実施例コ 次に、本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。

第１図（ａ）は、本発明の第１の実施例を示す平面図で
あり、第１図（ｂ）は、そのＩ−Ｉ線断面図である。本
実施例では、ベース、エミッタ領域については従来例と
同様であるのて、第１図にはコレクタ部分のみが図示さ
れている。同図において、第３図の従来例と同等の部分
には同一の参照番号が付されているので、重複する説明
は省略する。

本実施例ては、絶縁膜１０に従来のコレクタ電棒引き出
し用窓１１ａを分割する複数の小窓１２を形成し、その
上に多結晶シリコン膜７を設け、この多結晶シリコン膜
を介して、高濃度ｎ型拡散層６を形成している。図示し
たものは、従来１゜２Ｘ１０μｍ２であった窓を１．２
Ｘ１．２μｒｒ？の小窓５個に分割した例である。

製造方法について簡単に説明すると、ＣＶＤ法により小
窓１２を覆う多結晶シリコンを膜厚３０００人に堆積し
、２０００ｐｐｍのＰＯＣ，Ｒ３雰囲気中で９５０℃、
２０分間の拡散を行い、続いてＮ２雰囲気中で１０００
℃、２０分間ドライブインを行った。

本実施例によれば、ｒｓｃを４０Ωまで下げるために、
ピーク濃度を２　Ｘ　１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｎｔにま
であげても接合リークは観察されなかった。これに対し
、従来の１．２Ｘ１０μｍ２の単一窓では転位が発生す
るリンの限界濃度は約２　Ｘ　１０１９ａｔｏｍｓ／Ｃ
：ｒＡであり、その時のｒｓｃは約１２０Ωであった。

トランジスタの性能面からはこれを５０Ω以下とするこ
とが求められていたが、本発明によりこの要求を満たす
ことがてきた。

第２図（ａ）は、本発明の第２の実施例を示す平面図で
あり、第２図（ｂ）は、その■−■線断面図である。本
実施例は、上述した、小窓が三方を分離用溝て囲まれて
いた方が、一方のみに分離用溝が存在する場合と比較し
てエミッタに到達する転位数が少ない、という知見に基
ついてなされたものである。本実施例では、先の実施例
と同様のサイズの小窓１２を設け、その小窓の間のシリ
コン基板内に、絶縁物で充填された分割用溝９ａを配置
している。この分割用溝９ａは、絶縁分離用７１ｔつと
一体に形成された領域である。分割用溝９ａの効果を最
大限に引き出すには、できる限り拡散層と清の距離を近
づける必要がある。この距離として０．２μｍを設定し
た場合には、ピークリン濃度として７　Ｘ　１０２０ａ
ｔｏｍｓ／ｃボ程度までドーピングが可能となった。こ
の場合、ｒｓｃは約２５Ωの値となり、先の実施例と比
較してさらに４０％の改善が達成てきた。

［発明の効果］ 以−Ｅ説明したように、本発明は、拡散窓を複数の小窓
に分割し、多結晶シリコン膜を介して拡散層を形成する
ものであるので、本発明によれば、転位の発生を抑制し
つつ、拡散層の不純物濃度を高めることができる。した
がって、本発明によれば、寄生抵抗を低減せしめてデバ
イスの性能向上が達成でき、また、デバイスが小型化さ
れた際には、性能を維持しつつ歩留りの低下を防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明の第１の実施例を示す平面図、
第１図（ｂ）は、そのＩ−Ｉ線断面図、第２図＜ａ＞は
、本発明の第２の実施例を示す平面図、第２図（ｂ）は
、その■−■線断面図、第３図（ａ）は、従来例を示す
平面図、第３図（ｂ〉は、その■−■線断面図、第４図
は、リンのピーク濃度と転移数との関係を示すグラフ、
第５図は、拡散窓の寸法と転移数との関係を示すグラフ
である。 １・・ｐ型シリコン基板、　　２・・・高濃度ｎ型埋め
込みコレクタ層、　　３・・ｒ］型エピタキシャル層、
　　４・・ｐ型ベース層、　　５・・ｎ型エミツタ層、
　　６．６ａ・・・高濃度ｎ型拡散層、　７．７ａ、８
・・多結晶シリコン膜、　　９・絶縁分離用溝、　　９
ａ・・・分割用溝、　　１０・・・絶縁膜、１１ａ、］
、　１　ｂ、１１　ｃ　＝−電極引き出し用窓、１２・
・・小窓。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン基板表面に設けられた、複数の小窓を有
   する絶縁膜と、前記絶縁膜を覆い、前記小窓部分で前記
   シリコン基板と接する多結晶シリコン膜と、前記多結晶
   シリコン膜を介して前記シリコン基板内に高濃度に不純
   物を拡散することによって形成された高濃度不純物拡散
   層とを具備する半導体装置。
2. （２）前記小窓の平面形状が、一辺の長さが４．０μｍ
   以下の四角形である請求項１記載の半導体装置。
3. （３）前記小窓間の前記シリコン基板内に分割用溝が形
   成されている請求項１または２記載の半導体装置。