JPS60245169A - 半導体装置およびその製造方法 - 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、半導体装置およびその製造方法に関するもの
である０ 従来例の構成とその問題点 高速動作のできるバイポーラトランジスタの要件として
、ベース幅を小さくすることは急務を要する。しかし、
ベース中のキ１リア濃度が小さく３ベア なると、コレクタ印加電圧により、中性ベース領域の幅
が小さくなって、アーリー電圧が下がり、′耐圧も小さ
くなる等、回路設計上の問題が生じる。

すなわち、幅を狭く、濃度を高くすることがベース構成
の為に要求されている。

しかし、これを実現するために、従来の縦型バイポーラ
トランジスタのエミッタ領域内部には、通常多量の反対
導電型不純物を含む。すなわち、ｎ　ｐ　ｎ　ｌ−ラン
ジスタのエミッタ領域内部には、アクセプタとなる元素
を多量に含み、このような構造では、エミッタ効率が低
下して、高い電−流増幅率を得ることができない。

これは、不純物濃度の増加に伴って、エミッタ領域中の
バンドギアツブが実効的に小さくなり、真性キアリア濃
度が増加する、いわゆるバンドギアツブ縮少効果に原因
し、ｎｐｎ）ランジスクの場合、１×１０　ｃｍ　程度
以上の高濃度のアクセプタに対して、電流増幅率低下を
もたらす。

この現象による電流増幅率の低下量を数値計算によって
見積もったので、第１図お」こび第２図を用いて説明す
る。第１図は、実際のＮＰＮ　）ランジスタの不純物濃
度を二次イオン前置分析法により測定した結果をもとに
得られた。深さ方向の不純物濃度分布を示し、エミッタ
領域内に於てのみアクセプタ濃度を４通り仮定している
。すなわち、図中イル二の順にアクセプタ濃度が小さく
なる。

またアはドナ濃度であって、ベース領域中のアクセプタ
濃度ホと共に、変化させないものとした。

第２図は計算結果を示すグラフで、横軸はエミッタ領域
内のアクセプタ積算濃度を、縦軸は規格化した電流増幅
率を表わし、図中イル二の各プロットが第１図のアクセ
プタ分布イル二に対応する。

第１図、第２図より明らかなように、エミッタ中のアク
セプタ濃度の増加に伴い、電流増幅率が７倍程度変化す
ることがわかり、エミッタ中のアクセプタ濃度を低下せ
しめることの重要さを示している。

ところが、従来の製造工程を用いてバイポーラトランジ
スタを製造する場合、ベース領域を形成するためのアク
セプタ導入工程に於て、エミッタ５−＋７ 領域にもアクセプタが導入されることは不可避である。

第３図を用いて説明すれば、第３図は、バイポーラトラ
ンジスタの深さ方向への不純物濃度分布を示しており、
破線ａはドナーに、点線Ｃ′。

二点鎖線Ｃ“はエミッタ中のアクセプタに、一点鎖線Ｃ
はベース中のアクセプタに、曲線すはアクセプタに対応
する。従来の製造工程では、ベースを形成するアクセプ
タは、基板表面から導入されるため、ベース領域の幅を
小さくしかつ、濃度を高くシにうと例えばＣの様な不純
物分布を得ようとした場合、エミッタ中のアクセプタ濃
度は高く、第３図Ｃ′に示す様になる。一方図中すのよ
うな分布にした場合、ベース幅は同じであっても、ベー
ス中のアクセプタ濃度が小さいので、トランジスタ特性
としては、アーリー電圧が小さく不安定なものとなるこ
とはすでに述べた通りである。

この現象は、従来のトランジスタ製造方法が、基板表面
からアクセプタを導入することによるために生じるもの
で、エミッタ内部にアクセプタが導入されることを防ぐ
のは困難であった。

６ペジ 発明の目的 本発明の目的は、前述のような問題を除去し、幅が狭く
、濃度の高いベース領域と、アクセプタ濃度の小さいエ
ミッタ領域を形成し、高速動作が可能で、耐圧の高い、
電流増幅率の高い半導体装置およびその製造方法を形成
することである。

発明の構成 本発明は７００℃以下の低い温度の工程であるＭＢＥ（
分子線エピタキシー）法により、埋込コレクタおよび予
備分離領域を有する基板表面に、低濃度のドナを含むコ
レクタ層、高濃度のアクセプタのみ含むベース層、低濃
度のドナのみを含むエミツタ層を順次積層し、ｎｐｎ）
ランジスタの概要を形成する。そして、高濃度のドナを
含む活性エミッタ領域を形成するために、上記低濃度の
ドナのみを含むエミツタ層の一部に、例えば砒素を選択
的にイオン注入する。また、上記ベース層からベース電
極を基板表面に取り出すために、硼素を上記低濃度のエ
ミツタ層の一部に選択的にイオン注入して高不純物濃度
領域を形成する。この７　傾　。

時、このベース電極部と上記高濃度のドナを含む活性エ
ミッタ部との間は、上記低濃度のドナを含むエミツタ層
をそのま１残しておくことによって分離され、高濃度部
同志の直接の接触を避けて耐圧の向上およびリーク電流
の低減をせしめる。

一方、コレクタ電極を基板表面へ取り出すために、上記
エミツタ層およびベース層の一部を絶縁膜に置き換える
、いわゆる絶縁分離を施す。しかる後、絶縁膜で側壁を
取り囲１れたコレクタ電極部に、ドナ全イオン注入して
、ベース層を補償しｎ型領域を形成する。この領域は、
底面は上記埋込コレクタ領域に継がっており、上記活性
エミッタの下部に至る。

実施例の説明 本発明の一実施例を第４図を用いて説明する。

第１図は、本発明の実施例として、バイポーラトランジ
スタの製造工程を示す断面図である。１ず、ｐ型（１１
１）方位を有する比抵抗約３Ω−ｃｍのシリコン基板４
１表面に、埋込コレクタとなるｎ型領域４２と、素子間
埋込予備分離領域４３とを順次、選択拡散法により形成
する（第４図人）。

次に分子線エピタキシアル成長法（以下ＭＢＥと記す）
によりｎ型コレクタ領域４４、ｐ型ベース領域４５、ｎ
型エミッタ領域４６とを順次積層する。この時、エピタ
キシアル成長中の基板温度全６８０℃とし、エピタキシ
アル成長速度は３人／ｓｅａとする０また、コレクタ層
４４は不純物濃ｙ　１ｘ　１ｄ６ｃｍ−３であって、エ
ピタキシアル成長中にアンチモンをクヌーセンセルから
蒸発させることによって、ドーピングを行う。膜厚は０
．５μｍとした。ベース層４６は、アンチモンの替わり
に、硼素をイオン銃から供給してドーピングすることに
よって得られ、成長中に硼素のイオン源に供給する三フ
ッ化硼素ガスの量全上昇させることによって、コレクタ
層４４界面より徐々に硼素の濃度を高くしている。コレ
クタ層４４との界面での硼素濃度は約１×１０　ｃｍ　
程度であるが、エミツタ層４６との界面では３×１０ｃ
ｍ　程度の濃度であって、ベース層４６の厚さは約０．
２μｍとした。さらにエミツタ層４６は、硼素の供９７
８．− 給をやめてアンチモンを供給することにより１×１０　
ｃｍ　の濃度とし、層４６の厚さは０．２μｍとした（
第４図Ｂ）。

以上のようにＭＢＥ法では、エピタキシアル成長温度が
７００℃以下と低いので、埋込領域４２および４３を形
成する不純物やベース層４５に導入された硼素等が低濃
度のコレクタ層４４やエミツタ層４６中に拡散する量は
きわめて少ない。

この上にさらにＣＶＤ法により約０．０６μｍの酸化シ
リコン膜４７と、ＬＰＣＶＤ法により約０．０８μｍの
チッ化シリコン膜４８とを積層する。

次に素子分離およびコレクタ電極領域を形成するために
、予備分離領域４３と、埋込コレクタ領域４２上の一部
に溝４８′ヲ形成する。溝４８′の幅は約１μｍとし、
反応性イオンビームエツチング法により約Ｏ，Ｓμｍの
深さに、ＯＦ４　ガスを用いてエツチングする。この方
法によれば、方向性の強いエツチングが可能で、はぼ垂
直に溝４８′ヲ形成できる（第４図Ｃ）。

この後感光性樹脂４９を塗布して、コレクタ電１０　、 極となる部分５ｏに開孔４９′ヲ形成する。これは溝４
８′の中に感光性樹脂４９が埋まるので、露光時の位置
合せが悪くても、開孔４９′は、コレクタ電極部６０上
に設けることが可能である（第４図Ｄ）。

次に感光性樹脂４９をマスクとして、開孔４９′内に加
速電圧１６０ｋｅｖ、ドーズ量５×１０　ｃｍの燐をイ
オン注入する。そして感光性樹脂膜４９を除去して約８
００℃、６気圧の水蒸気雰囲気中で約３０分の熱処理を
施せば、溝４８′内の側壁は酸化されて、溝４８′は完
全に酸化層６１で埋捷ると同時に、溝４８′内底面のコ
レクタ層４４も酸化されて、酸化層４９は埋込予備分離
領域４３に到達する。この後、燐酸によってチッ化シリ
コン膜４８を除去する（第４図Ｅ）０ この工程に於ても熱処理温度は８ｏＯ℃と低く時間も３
０分程度と短かいので、ベース層４６中の硼素の濃度分
布は８００℃での拡散係数が充分小さいので、変化は小
さい。

一部コレクタ電極領域６０に注入された燐は、１１　・ ８００°Ｃに於て活性化し、ベース層４６をもｎ型に変
換することができる。

さらに、活性ベース層４６の側面も酸化されるが、８０
０°Ｃ６気圧の高圧酸化では、酸化速度が十分に大きい
ので、ベース層中の硼素が絶縁酸化膜４９に吸収され、
この界面で不純物濃度が低下することによる電流集中や
耐圧不良をも防止できる０ つづいて、ベース電極部５３およびエミッタ領域６２を
型底するために、それぞれ硼素と砒素をイオン注入する
。寸ずベース電極部５３は、感光性樹脂をマスクとして
、６０　ｋｅｖの加速電圧で、ｌＸ１０　ｃｍ　のドー
ズ量の硼素を、エミッタ領域５２も同様に加速電圧６０
　ｋｅｖ、ドーズ量６×１０　ｃｍ　の砒素をそれぞれ
イオン注入する。この後８００℃、１５分程度の熱処理
をチッ素ガス中で施せば、注入されたイオンは活性化し
、第４図Ｆに示すようなｎｐｎ）ランジスタが型底され
る。

このようにして作られたトランジスタの不純物濃度分布
を第３図でみる。すなわちこの方法によれば、ベース中
のアクセプタ濃度分布をＣの様に高濃度で、ベース幅が
狭く、シかもエミッタ中のアクセプタ濃度が曲ａｃ“に
示す様に極めて低濃度にすることが可能である。

また、ベース層４６はＭＢＥ法によって作り込まれるの
で、層の厚みや不純物濃度の制御も広い範囲で最適に決
定でき、より狭いベース幅をも容易に実現できる。

すなわち、例えばｏ、０２〜０．０３μｍの幅のベース
領域を形成すれば、キアリアのベース領域中の走行時間
から見積もって、ベータ遮断周波数が１００ＧＦＩＺ程
度のｎｐｎ）ランジスタが実現できることになる。これ
はＭＢＥ法が低温エピタキシアル成長が可能であること
、および成長膜中の不純物濃度分布を容易に制御できる
ことによるものであり、また製造工程全体が、高温工程
を最少限にしか含壕ないことによる。

また本実施例に示したトランジスタは、絶縁分離構造を
含んでいるが、素子分離５１と、コレクタ電極部の分離
５１′は全く同一であって、工程が容易になる。これは
高濃度のエミッタ５２と、高濃度ベース電極部６３との
分離を絶縁分離を用いないで、低濃度領域を用いる構造
であることによるもので、これに、ｒ、シ製造工程が短
かくなるばかりでなく、エミッタ５２や活性べ〜ス層４
５への余分な応力が集中することをも避けている。また
砒素のイオン注入を含む高濃度エミッタ領域５２の形成
は、絶縁分離領域形成後に行なわれ、しかも、イオン注
入後の熱処理も最少限であるので、パイプ現象によるリ
ーク電流も少ない。

上述の実施例では、予備分離領域４３を有したが予備分
離領域４３のない場合、絶縁分離溝４８′形成時に、素
子分離領域の溝底面に硼素のイオン注入すれば、同様の
効果を得られる。第５図ムに示すように、素子分離溝４
８“底面に硼素のイオン注入を行なって、ｐ型領域を形
成すれば、予備分離領域がなくても完全な素子分離が可
能である（第６図Ｂ）。

さらに、予備分離領域４３を設ければ、絶縁膜１４ぺ−
・ 離の深さを浅くしても、分離溝内底面のイオン注入を行
なえば、完全な素子分離が可能である。第５図Ｃを用い
て説明すれば、予備分離領域４３内の硼素は、低温プロ
セスである分子線エピタキシアル成長や分離絶縁膜形成
時の高圧酸化によっても若干は拡散してエピタキシャル
層４４の内部にもち上がりを生じる。これと、前述の分
離溝４８″内底面への硼素のイオン注入とによって形成
されるｐ型領域とが接合して、分離領域が形成されるの
である。

これらｐ−ｎ分離と絶縁分離の併用により、より浅い絶
縁分離領域が形成可能であって、リーク電流低減等大な
る効果を生じる。

発明の効果 本発明により、高速度動作の可能な高耐圧、低リーク電
流のバイポーラトランジスタを、短い與造工程によって
得ることができる０製造工程が短かいことはまた、歩留
りの向上にも寄与し、高速。

高密度集積回路の実現を可能ならしめるものであるＯ

【図面の簡単な説明】

第１図はｎｐｎ）ランジスタの不純物濃度分布を示すも
の分布図、第２図は第１図に示したエミッタ中のアクセ
プタ濃度に対応する規格化電流増幅率を示す特性図、第
３図は従来例および本発明の実施例に示した　不純物濃
度分布を示す分布図、第４図Ａ　−Ｆは本発明の実施例
を示す工程断面図、第５図Ａ−Ｃは本発明の他の実施例
を示す工程断面図である。 ４６・・・・・・ＭＢＥ法によって作られたベース層、
５１・・・・・・素子分離頭載、６１′・・・・・コレ
クタ電極分離領域、５２・・・・・・高濃度エミッタ領
域、６３・・・・・高濃度ベース電極部、５４・・・・
・・エミッタ・ベース分離領域。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第４
図 第４図 第４図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）高濃度の一方伝導型不純物のみを含む活性ベース
   領域と、高濃度の他方伝導型不純物のみを含むエミッタ
   領域と、高濃度の一方伝導型不純物を含むベース電極部
   と、高濃度の他方伝導型不純物を含むコレクタ電極部と
   、低濃度の他方伝導型不純物を含む活性コレクタ領域と
   、高濃度の他方伝導型不純物を含む埋込コレクタ領域と
   を有し、前記エミッタ領域と前記ベース電極部とは低不
   純物濃度領域で分離され、前記エミッタ領域および活性
   ベース領域と前記コレクタ電極部とは絶縁物によって分
   離され、前記コレクタ電極部は前記埋込コレクタ領域を
   介して前記活性コレクタ領域と接続されていることを特
   徴とする構造を有する半導体装置。
2. （２）低不純物濃度領域が２　Ｘ　１　ｄ８にＱ−’以
   下のキアリア濃度であることを特徴とする特許請求の範
   乙　。 囲第１項記載の半導体装置。
3. （３）埋込コレクタ領域を有するシリコン基板表面に、
   分子線エピタキシー法により、低濃度のドナを含むコレ
   クタ層、高濃度のアクセプタのみ含むベース層、低濃度
   のドナのみを含むエミツタ層を順次積層する工程、前記
   エミツタ層内に、活性エミッタ部およびベース電極部を
   形成する不純物導入をそれぞれ選択的に行う工程、前記
   エミツタ層およびベース層内に、コレクタ電極部を形成
   する不純物導入を行う工程、前記コレクタ電極部を絶縁
   物によって分離する工程を含むことを特徴とする半導体
   装置の製造方法。