JPH0831464B2 - バイポ−ラトランジスタの製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超高速なセルフアライン型のバイポーラトラ
ンジスタの製造法に関するものである。

〔従来の技術〕

バイポーラトランジスタを高速化するためには、素子
寸法を小さくしてセルフアライン的に電極をとりだし寄
生容量と寄生抵抗を減らすことが重要である。これを実
現するためひとつの方法としてトランジスタを形成する
半導体単結晶領域を凸型に形成し、その上面に真性ベー
ス領域を形成するとともにその側面にグラフトベース、
ベースコンタクトおよびフィールド絶縁膜をセルフアラ
イン的に形成する構造が提案されている。たとえば特開
昭56−1556号公報，特開昭59−40571号公報で提案され
ている構造と製造法がある。この構造によって、グラフ
トベース部で発生する寄生容量や寄生抵抗はかなり減少
しトランジスタを高速化することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

トランジスタをさらに高速化しようとすると、小さな
凸型シリコン領域と厚いフィールド酸化膜とグラフトベ
ースを含めた薄いベース領域を実現することが必要にな
る。しかし従来構造ではこれらをともに実現することは
出来なかった。これは従来構造では凸型シリコン領域の
側面とこれを取り巻くフィールド絶縁膜が直接接する構
造になっているためで、その結果絶縁膜としてシリコン
基板の熱酸化によって形成される酸化膜をもちいるとシ
リコン凸型領域側面のパターンエッジからバーズビーク
が延びてしまい微細な凸型シリコン領域や微細なベース
コンタクトやグラフトベースの形成が難しくなる。一
方、厚いフィールド絶縁膜を気相成長法などで形成する
場合には凸型シリコン領域にバーズビークが延びること
はないが、凸型シリコン領域とフィールド酸化膜の平坦
化とベースコンタクトをセルフアライン的に形成するこ
とができなかった。

〔問題点の解決するための手段〕

本発明は従来の問題点を解決し、さらに高速なバイポ
ーラトランジスタを実現するため、シリコン半導体基板
の主面上に、側面を第１のシリコン酸化膜層と第１のシ
リコン窒化膜層で覆い、かつ上面を第２のシリコン酸化
膜層と第２のシリコン窒化膜層と第１のポリシリコン層
で覆った凸型のシリコン単結晶領域を形成する第１の工
程と、前記凸型のシリコン単結晶領域以外の平坦なシリ
コン単結晶面上に前記第１のシリコン窒化膜層に接し、
かつ前記第１のポリシリコン層の表面と概ね平面となる
表面を有する第３のシリコン酸化膜を形成する第２の工
程と、前記第１のポリシリコン層を除去する第３の工程
と、前記第２のシリコン窒化膜層のパターンエッジを起
点に、前記凸形のシリコン単結晶領域の側面に所定の幅
でベースコンタクト窓を形成する第４の工程と、前記第
１乃至第４の工程を施したシリコン半導体基板表面全面
にボロンを導入する第５の工程と、前記第５の工程を施
したシリコン半導体表面全面に第２のポリシリコン層を
形成する第６の工程と、前記第５の工程により導入した
ボロンを、前記第６の工程で形成した第２のポリシリコ
ン層とグラフトベース部へ拡散させるための熱処理を行
う第７の工程と、前記第５の工程により導入したボロン
の含有量の少ない前記第６の工程で形成した第２のポリ
シリコン層を選択的にエッチングする第８の工程と、前
記選択的にエッチングした第２のポリシリコン層の表面
を酸化して第４のシリコン酸化膜層を形成する第９の工
程と、前記第４のシリコン酸化膜層をマスクとして前記
第２のシリコン窒化膜層と第２のシリコン酸化膜層をエ
ッチングしてエミッタコンタクト窓を形成する第10の工
程と、前記エミッタコンタクト窓上に砒素添加されたポ
リシリコン層を形成する第11の工程とを含んでなること
を特徴とするバイポーラトランジスタの製造法である。

〔作用〕

本発明はバイポーラトランジスタを形成する凸型単結
晶領域の上面と側面を共に窒化膜で保護することによっ
てフィールド絶縁膜と直接接しない様にしたこと、フィ
ールド絶縁膜として気相成長法によって堆積した厚いシ
リコン酸化膜をもちいること、側面の窒化膜を利用して
微細なベースコンタクトを凸形単結晶領域の側面にパタ
ーンエッジを起点に所定の幅でセルフアライン的に形成
することを特徴としている。これらの特徴によって微細
な凸型単結晶領域がバーズビークの影響を受けた変形す
ることがなく、かつコンタクトを含んだベース領域を再
現性よく形成することができる。その結果トランジスタ
を高速化できる。以下図面にもとづき実施例について説
明する。

〔実施例〕

第１図ａ乃至ｏは本発明の集積型バイポーラトランジ
スタの製造法の製造工程を示したものである。

第１図において、１はシリコン基板、２はＮ型低抵抗
の埋込層、３はＮ型のエピタキシャル層、４はＮ型低抵
抗のコレクタ補償層、５はシリコン酸化膜層、６はシリ
コン窒化膜層、６−１はパターンエッジ、７はポリシリ
コン層、８はエミッタとベースを形成する領域、９はコ
レクタを形成する領域、10はシリコン酸化膜層、11はシ
リコン窒化膜層、12はＰ型のチャンネルカット領域、13
はシリコン酸化膜層、14はレジストなどの有機膜、15は
レジストなどの有機膜、17,17−1,17−２はポリシリコ
ン層、18はＰ型のグラフトベース領域、18−１はグラフ
トベースのコンタクト窓、20はシリコン酸化膜層、21は
ポロン添加ポリシリコン層、22はエミッタコンタクト領
域、23はコレクタタコンタクト領域、24は真性ベース領
域、25は砒素添加ポリシリコン、26はエミッタ領域、27
はシリコン酸化膜、28はベース電極、29はエミッタ電
極、30はコレクタ電極、31はシリコン酸化膜である。

第１図からわかるように、本発明の製造法を用いて製
造したトランジスタのＰ型のグラフトベース領域18のコ
ンタクト窓18−１は極めて微細な幅のものであり、しか
も以下に述べる製造法によればコンタクト窓はシリコン
窒化膜層６のパターンエッジ６−１を基準として開ける
ので極めて制御性よく形成できる。その結果トランジス
タを高速化することができる。第１図ａ乃至ｏの製造プ
ロセスの流れに従って本発明のトランジスタの製造法を
説明する。

第１図ａはシリコン基板１の上にＮ型低抵抗の埋込層
２、Ｎ型のエピタキシャル層３、Ｎ型低抵抗のコレクタ
補償層４を通常のよく知られた方法で形成した後、その
表面を薄く熱酸化することによってシリコン酸化膜層５
を形成し、その上に気相成長法によってシリコン窒化膜
６、ポリシリコン層７、シリコン酸化膜31を形成する。

第１図ｂではコレクタ補償層４にマスタ合わせしてま
ずシリコン酸化膜31からシリコン酸化膜層５までをエッ
チングしホトレジストを一旦取り除いたうえでシリコン
酸化膜31等をマスクパターンとしてシリコン基板１を異
方性のあるドライエッチング法によってエッチングしシ
リコンの凸型のエミッタとベースを形成する領域８とコ
レクタを形成する領域９（以下凸型シリコン領域8,9と
略記する。）を形成する。凸型シリコン領域８と９の間
はＮ型低抵抗の埋込層２がつながるように浅くエッチン
グする必要があるがこれはシリコン基板１のエッチング
の途中で凸型シリコン領域８と９の間におおまかなマス
ク合わせによってレジストマスクを形成してこの部分だ
け浅くエッチングする。このあとこの上面に熱酸化法に
よってシリコン酸化膜層10、気相成長法によってシリコ
ン窒化膜層11を形成した後、異方性ドライエッチング法
をもちいて両薄膜をエッチングし、凸型シリコン領域８
と９の側面だけにシリコン酸化膜層10とシリコン窒化膜
層11を残す。このシリコン窒化膜層11は後の工程のため
にシリコン窒化膜層６より充分薄く形成する。たとえば
シリコン窒化膜層６は1500A、シリコン窒化膜層11は300
A程度に設定する。シリコン窒化膜層６を厚く形成する
代りに、シリコン窒化膜層６とポリシリコン層７の間に
薄い酸化膜を形成してもよい。ボロンをイオン打ち込み
してＰ型のチャンネルカット領域12を形成する工程はこ
のあと続けてもよいし、凸型シリコン領域８と９の形成
後ただちに行ってもよい。

第１図ｃはこの上にシリコン酸化膜層13を気相成長法
によって形成したのち、レジスト層としての有機膜14の
形成と凸型シリコン領域８と９の周囲のおおまかなホト
エッチング、第２のレジスト層としての有機膜15の形成
による表面平坦化を行ったところである。シリコン酸化
膜層13は凸型シリコン領域８や９の高さよりも充分厚く
形成する。シリコン酸化膜層13を気相成長法で形成する
まえにシリコン基板１を熱酸化してシリコン酸化膜層13
の底面を薄い熱酸化膜としてもよい。つぎに基板表面平
坦化用の有機膜14としてレジスト等を形成し凸型シリコ
ン領域８と９の周辺をおおまかにホトエッチングした
後、再度基板表面平坦化用の膜としてレジスト層の有機
膜15を形成する。基板表面平坦化用の膜としてはレジス
トに限らずさまざまな有機膜、無機膜を用いて良いこと
はいうまでもない。つぎにこの平坦化された基板をイオ
ンミリング法など材料によってエッチング速度が変わる
ことのすくない手法でエッチングする。このときシリコ
ン酸化膜層13は凸型シリコン領域8,9の段差高さにくら
べて充分厚いのでレジスト層の有機膜14が完全にエッチ
ングされた基板表面全体がシリコン酸化膜層13となって
平坦化された後でも、第１図ｄに示すようにシリコン酸
化膜層13は凸型シリコン領域８と９の上に残っている。
ここまでのエッチング終了判定はエッチングチャンバ内
のガスからの発光スペクトルの強度をモニタすることの
よっておこなうことができる。そこでつぎにシリコン酸
化膜層13を弗酸と弗化アンモニウムの混合液によってエ
ッチングするとポリシリコン層７が表面に顔をだしたと
ころでこの部分は疎水性となる。したがって確実にエッ
チングの終了判定をおこなうことが出来る。シリコン酸
化膜層13の膜圧がかなり厚いのでこのエッチングの終了
時刻はシリコン基板１の面上でバラツクので、すべての
凸型シリコン領域８と９の表面が疎水性になるまでエッ
チングを継続する。すると一般には第１図ｅの工程にお
いてシリコン酸化膜層13の上面はポリシリコン層７の上
面よりわずかに下がった構造となる。

次にポリシリコン層７を可性カリ水溶液によって除去
し、さらに燐酸によってパターエッジのシリコン窒化膜
層11をエッチングしたのが第１図ｆである。このときシ
リコン窒化膜層６も同時にエッチングされるがシリコン
窒化膜層11をシリコン窒化膜層６に比べて充分薄く形成
されているので、このエッチング終了後もシリコン窒化
膜層６は充分の厚さを保っている。シリコン窒化膜層６
のうえに酸化膜が有る場合には、この酸化膜によって下
地窒化膜は保護されエッチングされない。６−１はシリ
コン窒化膜層６のパターンエッジである。第１図ｇはこ
の基板を弗酸と弗化アンモニウムの混合液でわずかにエ
ッチングしたところである。さらに燐酸によってパター
ン端のシリコン窒化膜層11、弗酸と弗化アンモニウムの
混合液でシリコン酸化膜層10をエッチングしたのが第１
図ｈである。このときシリコン窒化膜層６も同時にエッ
チングされるがシリコン窒化膜層11はシリコン窒化膜層
６に比べて充分薄く形成されているので、このエッチン
グ終了後もシリコン窒化膜層６は充分の厚さを保ってい
る。第１図ｆからｈまでのエッチングはバラツキのすく
ないエッチング手法であり、しかも膜厚が薄く膜厚バラ
ツキの少ないシリコン酸化膜層５とシリコン酸化膜層６
のパターンエッジ６−１を起点として開始されるので、
これらの工程によってシリコン上面からの距離バラツキ
の極めて少ないＰ型のグラフトベース領域18のコンタク
ト窓18−１が確実に形成できる。

つぎに第１図ｈの基板全面にボロンをイオン打ち込み
する。打ち込み条件は5kVから15kV程度の低加速電圧で
１×10¹⁶dose以上とすることが望ましい。この基板を弗
酸と弗化アンモニウムの混合液でわずかにエッチング
し、打ち込まれたイオン分布の最も高濃度の領域がシリ
コン酸化膜層13の表面に現れるようにする。つぎに第１
図ｉのようにこの基板上にポリシリコン層17を形成す
る。

この基板を900℃から950℃程度の温度で熱処理する
と、酸化膜と窒化膜中でのボロンの拡散係数の違いによ
って、第１図ｊのようにシリコン酸化膜層13上のポリシ
リコン層17−１はボロンが高濃度に拡散してゆき、シリ
コン窒化膜層６上のポリシリコン層17−２はノンドープ
のままとなる。ただしシリコン窒化膜層６のパターンエ
ッジ６−１付近ではシリコン酸化膜層13からのボロン拡
散がある。またこの熱処理でボロンがベースコンタクト
窓18−１から単結晶に拡散してゆきグラフトベース18が
形成される。この基板を可性カリ水溶液によってエッチ
ングするとノンドープポリシリコンだけが選択的にエッ
チングされ第１図ｋのようにシリコン窒化膜層６が表面
に現れる。ポリシリコンは針状に結晶成長しているため
ボロンは縦方向にはきわめて高速に拡散してゆくが、横
方向への拡散は単結晶での拡散と同程度である。したが
ってグラフトペース18の横方向の長さは残留ポリシリコ
ンの横方向長さと概略一致している。

つぎに大まかなマスク合わせによって凸型シリコン領
域８のまわりをレジストパターンによって保護してから
四塩化珪素などを主成分とするドライエッチング法によ
ってポリシリコンをエッチングする。このポリシリコン
は全部エッチングしてしまってもよいし、つぎのポリシ
リコン酸化工程でできるシリコン酸化膜層20によって、
ボロン添加ポリシリコン層21が同一基板上の他のボロン
添加ポリシリコン層21と分離できる程度に残しておいて
もよい。この酸化工程終了後の様子を第１図ｌに示す。
このあとシリコン酸化膜層20をマスクにしてシリコン窒
化膜層６とシリコン酸化膜層５をエッチングしたのが第
１図ｍである。つぎに砒素添加ポリシリコン25を表面に
形成し、凸型シリコン８と９の上にだけ残るように通常
のホトエッチング工程によってパターン形成をおこな
う。または第１図ｎのように平坦化したのちエッチバッ
クしてポリシリコンをコンタクト窓のなかだけに選択的
に残してもよい。最後に第１図ｏに示したように薄くシ
リコン酸化膜27を形成しコンタクト窓をあけてベース電
極28、エミッタ電極29、コレクタ電極30を形成する。

以上の工程によって製造されるトランジスタのグラフ
トベース18のコンタクト窓18−１はシリコン窒化膜層６
のパターンエッジ６−１を基準としてセルフアライン的
にあけた極めて微細な幅のものとなる。その結果トラン
ジスタを高速化することができる。

本発明の製造法に以下の工程をくわえるとボロン添加
ポリシリコン層21の上にシリサイド膜を形成できる。第
１図ｋにおいて全面にモリブデンや白金などポリシリコ
ンと反応してシリサイド膜を形成できる金属を堆積し、
その後熱処理によってシリサイド膜を形成し、のこった
金属を選択的にエッチングすることによって、ポリシリ
コン上にだけシリサイド膜を形成する。モリブデンのエ
ッチング液としてはたとえば燐酸、硝酸、酢酸の混合液
をもちいることが出来る。シリサイド膜はポリシリコン
と同じように酸化できるので、この後第１図ｌの工程に
はいれば最終的にポリシリコン上にシリサイド膜がセル
フアライン的にのった構造が実現する。この構造により
ポリシリコンに起因するベース抵抗を減少することがで
きトランジスタをよりいっそう高速化することができ
る。

また上記実施例のなかで述べられている平坦な分離島
の形成工程はその代表的な例を示したのであって、たと
えば第１図ａからｄまでの工程は、溝形分離島形成法な
ど従来からよく知られている他の方法を僅かに変更する
ことによって代用できることは明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明はバイポーラトランジス
タを形成する凸型単結晶領域の上面と側面を窒化膜で覆
うことによってこの領域が酸化されることを防止すると
共に、厚いフィールド酸化膜を気相成長法によるシリコ
ン酸化膜で形成し、かつ微細なベースコンタクトを凸形
単結晶領域の側面にパターンエッジを起点に所定の幅で
形成することを特徴としている。したがって狭い凸型シ
リコン層中に、狭い真性ベース幅にみあった狭いベース
コンタクトと浅いグラフトベースを持ったベース形状を
実現することができる。その結果ベース・コレクタ容
量、コレクタシリーズ抵抗、キャリアのコレクタ空乏層
走行時間、真性ベース幅を狭めキャリアのベース内走行
時間を減らすことができる。このようなわけで従来より
高速なトランジスタを容易に実現できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図のａ乃至ｏは本発明の集積型NPN型バイポーラト
ランジスタの製造法の製造工程を示したものである。 １はシリコン基板、 ２はＮ型低抵抗の埋込層、 ３はＮ型のエピタキシャル層、 ４はＮ型低抵抗のコレクタ補償層、 ５はシリコン酸化膜層、 ６はシリコン窒化膜層、 ６−１はパターンエッジ、 ７はポリシリコン層、 ８はエミッタとベースを形成する領域、 ９はコレクタを形成する領域、 10はシリコン酸化膜層、 11はシリコン窒化膜層、 12はＰ型のチャンネルカット領域、 13はシリコン酸化膜層、 14はレジストなどの有機膜、 15はレジストなどの有機膜、 17,17−1,17−２はポリシリコン層、 18はＰ型のグラフトベース領域、 18−１はグラフトベースのコンタクト窓、 20はシリコン酸化膜層、 21はボロン添加ポリシリコン層、 22はエミッタコンタクト領域、 23はコレクタコンタクト領域、 24は真性ベース領域、 25は砒素添加ポリシリコン、 26はエミッタ領域、 27はシリコン酸化膜、 28はベース電極、 29はエミッタ電極、 30はコレクタ電極、 31はシリコン酸化膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン半導体基板の主面上に、 側面を第１のシリコン酸化膜層と第１のシリコン窒化膜
   層で覆い、かつ上面を第２のシリコン酸化膜層と第２の
   シリコン窒化膜層と第１のポリシリコン層で覆った凸型
   のシリコン単結晶領域を形成する第１の工程と、 前記凸型のシリコン単結晶領域以外の平坦なシリコン単
   結晶面上に前記第１のシリコン窒化膜層に接し、かつ前
   記第１のポリシリコン層の表面と概ね平面となる表面を
   有する第３のシリコン酸化膜層を形成する第２の工程
   と、 前記第１のポリシリコン層を除去する第３の工程と、 前記第２のシリコン窒化膜層のパターンエッジを起点
   に、前記凸形のシリコン単結晶領域の側面に所定の幅で
   ベースコンタクト窓を形成する第４の工程と、 前記第１乃至第４の工程を施したシリコン半導体基板表
   面全面にボロンを導入する第５の工程と、 前記第５の工程を施したシリコン半導体表面全面に第２
   のポリシリコン層を形成する第６の工程と、 前記第５の工程により導入したボロンを、前記第６の工
   程で形成した第２のポリシリコン層とグラフトベース部
   へ拡散させるための熱処理を行う第７の工程と、 前記第５の工程により導入したボロンの含有量の少ない
   前記第６の工程で形成した第２のポリシリコン層を選択
   的にエッチングする第８の工程と、 前記選択的にエッチングした第２のポリシリコン層の表
   面を酸化して第４のシリコン酸化膜層を形成する第９の
   工程と、 前記第４のシリコン酸化膜層をマスクとして前記第２の
   シリコン窒化膜層と第２のシリコン酸化膜層をエッチン
   グしてエミッタコンタクト窓を形成する第10の工程と、 前記エミッタコンタクト窓上に砒素添加されたポリシリ
   コン層を形成する第11の工程と を含んでなることを特徴とするバイポーラトランジスタ
   の製造法。