JPS6045064A - 横型トランジスタの製造方法 - Google Patents

横型トランジスタの製造方法

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JPS6045064A JP59051299A JP5129984A JPS6045064A JP S6045064 A JPS6045064 A JP S6045064A JP 59051299 A JP59051299 A JP 59051299A JP 5129984 A JP5129984 A JP 5129984A JP S6045064 A JPS6045064 A JP S6045064A
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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】 本発明は横型双極性トランジスタ及びその製造法、ざら
に具体的には縦型双極性トランジスタと組合わされる、
もしくは組合わされない横型双極性トランジスタ及びそ
の製造法に関する。
[従来技法の背景] 例えばPNP l−ランジスタ及びNPN トランジス
タを有する相補型双極性回路はディジタル論理装置に使
用されるに望ましい。しかしながら、集積回路中に相補
型双極性構造体を製造する事はいくらか困難であり、製
造時の問題を克服する試みは縦型NPNI−ランジスタ
及び横型PNP )ランジスタの組合わせを同時に製造
する事であった。
この型の相補型装置及び製造法は米国特許第35241
13号に見られる。この特許の一実施例では横型PNP
装置及び縦型NPN装置が同じ単結晶ケイ素のポケット
内に形成され、縦型NPNトランジスタのコレクタ及び
横型PNP )ランジスタのベースが共通になっている
。この型の相補構造体の他の例は米国特許第39710
59号に見出だされ、横型の構造体中のN型エピタキシ
ャル層がベース領域をなし、エミッタ及びコレクタ領域
はベース領域内に互いに離れて位置付けられている。横
型PNPI−ランジスタのエミッタ及びコンジスタのベ
ース領域を形成するのに使用される拡散段階中に、形成
される。従って縮型NPNトランジスタを形成した後に
は高温度処理段階は必要ときれない。ざらに他の例は例
えば米国特許第4.196440号に見出される。ここ
では横型PN P及び縦型NPN装置が単結晶ケイ素ポ
ケット中に存在し2酸化ケイ素の絶縁体かポケットを取
り巻ぎ、そしてこの絶縁体が、隔#、された単結晶領域
の下面を部分的に囲むようになっている。
独立した横型のPNP装置も従来技法で周知である。例
えば米国特許第3615939号は横型トランジスタ装
置を説明しているが、装置は部分的にチャンネルの側方
周辺内に形成されている。
拡散コレクタ領域及びベース領域がエミッタ周辺領域を
取り巻いている。I B M TechnicalDi
sclosure Bulletin Vol 21 
、No、 7 (1978年12月)第2753頁及び
第2754頁には多結晶ケイ素パターンから外方向へ不
純物を拡散させてエミッタ及びベース領域を形成する横
型PNP装置を開示している。この多結晶ケイ素パター
ンはこのようにして形成された拡散領域に対するオーミ
ック・コンタクトとして使用されている。
上記の筒中に説明されたこれ等の装置は従来使用された
ものであるがすべてのこの様な製造過程並びに結果とし
ての横型PNP装置及びその相補型集積回路中における
縦型NPN装置との組合せには基本的欠陥がある。何故
積方向PNP トランジスタが低利得装置であるかにつ
いては基本的には2つの理由かある。先ず、電流利得及
び遮断周波数を決定する際の臨界パラメータであるベー
ス幅Wbが写真食刻技法の精度によって決定され、縦型
NPNトランジスタのベース幅と比較して通常極めて大
きい。例えば通常横型PNP トランジスタのWbは1
.0ミクロンより大きい。第2に柳型PNP l−ラン
ジスタのベース及びエミッタ間の寄生PNP トランジ
スタによる寄生ダイオードが存在し、これがトランジス
タの電流を大いに減少している。横型PNP トランジ
スタの電流がこの寄生トランジスタによって減少される
程度は寄生l・ランジスタの寸法と共に増大し、この寸
法は横型PNP)ランジスタのエミッタ領域の底面の面
積に比例する。従って横型PNPの電流利得を増大する
ためには、トランジスタのベース幅及びエミッタ領域を
小キくシなけねばならない。
本発明の目的は横型トランジスタのベース幅及びエミッ
タ領域の寸法が最小にされた構造体及びその製造法を与
える事にある。本発明の一実施例に従えば横型トランジ
スタのエミッタ・コンタクトの下に埋没された2酸化ケ
イ素絶縁体の使用によって横型トランジスタの寄生トラ
ンジスタか殆ど全面的に除去される。
[発明の要約] 高パフォーマンス横型トランジスタは先ず主面を有する
単結晶半導体基体を与え、所望のトランジスタがPNP
hランジスタである場合には、埋没N十領域及びこれと
上記主面を接続するN十貫通体を与える事によって製造
される。トランジスタのコレクタ領域は所望領域にP型
不純物を一様に拡散する事によって表面中に形成きれる
。絶縁体層が半導体基体の最上部上に形成される。溝も
しくはチャンネル・エミッタ・コンタクトが望まれてい
る個所に対応する絶縁体層中に開孔が形成される。パタ
ーン化きれた絶縁体層を食刻マスクとして使用して単結
晶半導体基板中に略垂直な壁の溝が食刻される。N型ベ
ース拡散が遂行きれて、基板の周辺のまわりにN領域が
形成される。
次に酸素が溝の底部にイオン・イオンプラントされ溝の
底に2酸化ケイ素領域が形成される。P+多結晶ケイ素
層が次に表面に形成され、この材料により溝が充填きれ
る。この様にして形成された構造体が加熱され、P十多
結晶ケイ素が溝が充満された溝のまわりにP十エミッタ
領域が形成きれる。P十多結晶層はエミッタ・コンタク
トとなり、埋没N十領域に達するN十貫通体がベース・
コンタクトとなり、上記P型領域がコレクタ・コンタク
トになる。
同一半導体中に縦型NPN及び横型PNP トランジス
タを製造する方法はP単結晶半導体基板、基板中のN十
領域のパターンを与えN十領域を有する基板の表面上に
Nエピタキシャル層を成長させる事にある。N十領域は
エピタキシャル層の成長中に基板からエピタキシャル層
中に成長させられ埋没N十領域が形成きれる。単結晶半
導体の隔離領域がその上にエピタキシャル層を有する基
板中に形成きれ、上記N十領域のパターンの少なくとも
一つがその中にNPN及びPNP装置が形成される様に
指定された領域内に存在する。指定8された槽室PNP
表面領域はNPN表面領域のベース・エミッタ領域から
絶縁体によって隔離され、指定された共通N十貫通体は
N十埋没層に達している。次いでPNP及びNPN装置
が同一単結晶半導体離隔領域内に形成される。横型トラ
ンジスタは上に説明された如く形成されている。コンタ
クトがPNP及びN P N l−ランジスタに対して
形成される。ここで第1のP十多結晶ケイ素の一部は横
型PNP トランジスタのエミッタ・コンタクトになり
、第1のP+多結晶ケイ素層の第2の部分は縦型NPN
トランジスタのエクストリンシック・ベース・コンタク
トとなる。主面から下方に向かうN十貫通体はN十埋没
層を介してPNPトランジスタのベース領域及びNPN
)ランジスタのコレクタ領域となる。槽室PNPコレク
タのコンタクトがP型領域に形成きれる。
[本発明の開示] 第1図乃至第7図をざらに具体約1こ参照するに、本発
明の方法を使用した、相補型双極性トランジスタの製造
段階が説明されてしする。第1図むよ極めて緻密な双極
性集積回路を形成するためも二使用されるケイ素基体の
一つの小ざな、極めて拡大された部分の図である。単結
晶ケイ素20のP−基板はその中に平坦なサブコレクタ
N十拡散部21が形成されている。エピタキシャルN一
層22が次に基板の最上部に成長されている。これ等の
過程は例えばNPN双極性トランジスタの形成の標準の
過程である。基板は10乃至20メ゛−ムーCmの程度
の抵抗を有する、代表的にむよ<100>結晶学的配向
を有するケイ素つエノ\である。サブコレクタ拡散部は
代表的には約102°原子/cr。
3の表面濃度を有する様にヒ素を形成して形成きれる。
層22を形成するためのエピタキシャル成長過程は約1
000℃乃至1200℃の温度で5iC1/Hもしくは
S 1)I4混合体を使用するとL)つた2 通常の技法であり得る。このエビタキシャJし層むこN
土層中の添加物はエピタキシャル層中に移aJする。高
密度集積回路に対するエピタキシャル層の厚さは3ミク
ロンもしくはこれ以下の程度である。
次の製造段階は単結晶ケイ素の一つの領域h・ら単結晶
ケイ素の他の領域を隔離するための隔離手段を形成する
事を含む。隔帽よ逆)<イアスされたPN接合、部分的
な絶縁体隔離もしく(よ完全なX色縁体隔離である。使
用される絶1本)才わ1(よ2−イしケイ素、ガラス等
である。高密度集積回路のt二めの好ましい隔離は絶縁
体隔離である。第1図tよ互にケイ素基体の単結晶ケイ
素領域を隔離′114色l禄体領域25及びコレクタ貫
通領域からベース−エミッタ領域を隔離する領域26に
よる91分(1′J芽色縁体隔離を示している。この型
の絶縁体領域なF成する方法は多数存在する。一つのこ
の様な過程(よ米国特許第4104086号に開示され
ている。
この特許には、領域25及び26に体する部分的絶縁体
離隔を形成する過程が詳細に説明されている。同様にエ
ピタキシャル層22、サブコレクタ層21を介して基板
2oへ延びている延長された隔離領域を含む事が好まし
い。これ等の領域27は上記側々の層を通して基板に達
する反応性イオン食刻によって形成される。次にこの開
孔は2酸化ケイ素、窒素ケイ素、多結晶ケイ素等の材料
の任意の一つもしくは組み合わせによる熱的酸化及び/
もしくは化学的蒸着の組み合わせによって充満される。
N十貫通領域24はこの時2酸化ケイ素もしくはフォト
レジスト・マスクを使用する事によって形成され得る。
これに代わって領域24は過程の後の段階でも形成きれ
得る。
横型PNP トランジスタに対して適切な添加レベル/
エネルギでホウ素の拡散もしくは好ましくはイオン・イ
オンプランテーションが形成きれる。P型頭域が領域3
2の如き全装置領域にインブラントされる。イオンが非
横型PNP トランジスタ領域に導入する事を防止する
ために遮蔽レジスト・マスク(図示されず)が使用きれ
得る。
写真食刻技法によって代表的には熱的に成長された2酸
化ケイ素である絶縁体層34中に八−スーエミツタ開孔
が形成される。横型PNP トランジスタの露出された
P領域32は構造体を適切なケイ素食刻雰囲気中に置く
事によって、異方性反応性イオン食刻され得る。ケイ素
の反応性イ」ン食刻のためには、例えばC12、SF6
、CF4、CCl2、F2及び酸素等の通常の気体もし
くは気体混合物か使用され得る。食刻されたエミッタの
溝の深きは時間all定もしくは通常のレーザ干渉検出
技法によってモニタされる。食刻された溝の深きは約0
゜5乃至2.0ミクロン間にある。最も深い深きは横型
PNP トランジスタの垂直エミッタ表面領域を最大に
するためにP領域32の深ざと略同−である。構造体の
残りの表面は反応性イオン食刻過程によって悪影響を受
けない絶縁体層によって保護きれる。
N型初期ベース拡散が遂行され第3図に見られた如く開
孔の全周辺のまわりにN領域36が形成される。650
℃で付着のためにPOCl3を使用し、続いて900乃
至1000℃で駆逐拡散を使用する通常のリン拡散過程
が使用され得る。
埋没2酸化ケイ素隔離領域38がエミッタ溝の底部上に
酸素イオン・インプランテーション法によって形成きれ
る。この過程中、ベース領域36はざらにP領域32迄
拡張し、第4図で見られた如<、iKの底部で酸化され
る。2酸化ケイ素層38の厚きは約0.5乃至1.5ミ
クロン間にあ3 る。これは1×10 乃至lX1016原子/cm2の
添加濃度、約50乃至200Kev間のエネルギの酸素
インプランテーションによって行われ、続いて約20乃
至40分にわたり、窒素の雰囲気中で約600乃至10
00℃の温度で熱的に焼ぎなましされる。この酸素イオ
ン・インプランテーション過程の詳細はIBM TDB
第22巻、第4523頁乃至第4525頁に開示きれて
いる。
次に通常の写真食刻技法によって縮型NPNトランジス
タのエミツターヘース領域に指定された絶縁体層34中
に開孔が形成される。
ここで第5図に示された如く、表面隔離パターン25.
26並びに単結晶ケイ素の横型及び横型トランジスタ領
域に対する開孔を有する全表面上に第1の多結晶ケイ素
層40かイ」着される。第1の多結晶ケイ素層40は種
々の技法の任意のものによって付着され得るか、その一
つは例えば約500乃至1000℃の温度範囲で、好ま
しくは約600℃の温度でシランを使用するものである
多結晶ケイ素層の厚きは約50乃至300ナノメータで
、約50乃至1.00ナノメータが好ましい。この実施
例において多結晶ケイ素層は縦型NPNI−ランジスタ
のエミッタ・ベース領域に指定された領域及び横型PN
Pトランジスタのエミッタ領域に指定された領域と直接
接触している。多結晶ケイ素層40は付着時に添加され
得るか、もしくは実質上未添加のまま付着され、その後
イオン・インプランテーション及び加熱過程によって添
加きれ得る。この過程のイオン・インプランチージョン
添加は50乃至80にeVのエネルギ約I X 1.0
14乃至1×1015イオン/Cm2間の濃度で行なわ
れる。
次に絶縁体層42が第1の多結晶ケイ素層40上に付着
される。層42が2酸化ケイ素より成る場合には、これ
は大気圧もしくはより低い圧力条件の下で、約800℃
もしくはそれ以下の温度で、 SiHC1及びN20を使用して化学的に蒸 2 着され得る。2酸化ケイ素層42の厚きは約50乃至5
00ナノメ一タ間にあり、好ましい厚きは1、50乃至
300ナノメータである。層42は窒化ケイ素もしくは
2酸化ケイ素層及び窒化ケイ素層の組み合わせてよい。
窒化ケイ素層の付着は米国特許第4089992号に示
された如く、通常大気圧もしくは低気圧の条件下で、約
800℃以上の温度で、シラン、アンモニア及び窒素の
キャリア気体を使用して化学的蒸着によって行なわれる
。窒化ケイ素層の厚きは約10乃至200ナノメ一タ間
にあり、50ナノメータが好ましい。層状構造体40.
42は通常の写真食刻技法によってパターン化される。
しかしなから、パターン化された構造体40..42の
端は実質的に垂直である事が重要である。従って、異方
性の反応性イオン食刻が好ましい食刻過程である。
層状構造体42及び40に対して使用きれる食刻段階は
Plasma Process Proceeding
sSymposium on Plasma Etch
ing and Deposition中のJ、S、L
echaton及びJ、L、14auer著の論文″!
4odel for Etching of 5ili
con in C12/ArPlasma”及び198
1年刊the ElectrochemicalSoc
iety第75−85頁のFr 1eser等の論文に
説明された如き四弗化炭素もしくは塩素化炭化水素気体
を使用する界方性食刻過程である事か好士しい。窒化ケ
イ素には四弗化炭素CF4.2酸化り一イ素にはCF4
−H2、多結晶り′イ素にはCF4−と言った如く層の
各々には異なる食刻剤を使用する事が好ましい。
縦型NPN)ランジスタの固有のベース領域の添加レベ
ルは第5図に示された如くN−エピタキシャル領域22
中にポウ素イオンを拡散もしくはイメン・インプランテ
ーションしてP十領域44が形成される様にセットされ
る。領域44の表面濃度は1. X 1018乃至1×
1019原子/Cm3の程度である。
層状構造体42及び40の垂直側壁上には側壁絶縁体層
46が形成される。この層46は2酸化ケイ素である事
が好ましい。しかしながら、層46は窒化ケイ素等もし
くは2酸化ケイ素とこれ等の絶縁体の組み合わせであっ
ても良い。2酸化ケイ素層は大気圧もしくはそれ以下の
圧力条件の下で、450℃の温度でシラン及び酸素が使
用されるか、約800℃の温度でS 、i H2Cl 
2及びN20が使用きれる蒸着過程によって形成され得
る。この層46は層42.40の水平及び垂直表面の両
面上に正確な厚とに一様に付着される。次にこの層46
は異方性食刻雰囲気中で水平表面から優先的に除去され
、他方略垂直側壁上の層が残される。この食刻は例えば
1971年刊J。
Electrochem、5ocietys第124巻
第2840頁のL −M 、 Ephrath著の論文
に説明された如くCF 及びH2気体を使用した反応性
イオン食刻システム中で行なわれる。側壁形成の結果は
第6図の示きれている。側壁46の厚とは約30乃至5
00ナノメ一タ間にある事か好ましい。
次に第6図の構造体の全体表面上に第2の多結晶ケイ素
層50が付着される。第2の多結晶ケイ素層50は第1
の多結晶ケイ素層のために」一連きれた如く付着され得
、同様に導電型決定不純物がインブラントされている。
しかしなから第2の多結晶ケイ素層はヒ素もしくはリン
の如きN十不純物が添加きれる。構造体50は通常の写
真食刻技法を使用してパターン化される。写真食刻技法
を使用する事により、縦型NPN トランジスタのため
のエミッタに指定きれjこ領域上のみのN十多結晶ケイ
素層50か残される。第6図の構造体によって示きれた
如く多結晶ケイ素層はこの点てLよ単結晶ケイ素表面上
に直接形成きれている。
添加剤の駆逐が約10乃至60分にわたり、約800乃
至1’OOO℃の温度て窒素もしくはアルボン雰囲気中
で遂行され、縮型NPNトランジスタの外ffiヘーベ
ー域54、縦型NPN)ランジスタのN十エミッタ領域
56並びに横型PNP トランジスタのエミッタ58及
びベース59が形成される。さらに、横型NPN l−
ランジスタのベース拡散領域44は同様にエミツタ層2
2の方へざらに駆動される。結果の構造体は第6図に示
されている。エミッタ・ベース接合深ざは約50乃至5
00ナノメータである。ベース幅は約100乃至500
ナノメータの程度である。
層34を介して横型PNPトランジスタのコレクタ32
へ、層42及びP十多結晶ケイ素層4゜を介して横型P
NP トランジスタのエミッタ58に、層42及びP十
多結晶り゛イ素層4oを介して縮型NPNトランジスタ
のベース54に並びに層34及び共通のN+コンタクト
領域24を介してNPN)ランジスタのコレクタ22及
びPNPトランジスタのベース59に達するコンタクト
開孔が形成される。アルミニウム、アルミニウムー銅、
タンタル等の如き適切な次のレベルの金属化層60が一
様に付着され、第7図に示された如く所望の次のレベル
の電気的接続のために写真食刻によってパターン化され
る。第8図は第7図の構造体を上から見た平面図である
この様にして形成された構造体は絶縁体層38の存在に
より寄生横型P N P l−ランジスタ効果がなくな
る。ベース幅は極めて狭く形成され得、エミラターベー
ス勾配も高くされ得る。これ等の特性は高パフォーマン
スのスイッチングを与える。
上述の如き共通のベース・コレクタ構造体は所望の回路
の応用に使用され得る。例えば、PNPトランジスタは
メモリ・セル中の能動的負荷として使用され得る。この
応用については1983年I E E E Inter
naし1onal 5olid−State C1rc
uitsConference、”5ESSION I
X:FASTRAM’S”の第108乃至第109頁を
参照されたい。ざらにl2L(集積注入論理)もしくは
MTL (混合トランジスタ論理)は共通のNPNコレ
クタ及びPNPベース・コンタクトを有する。本発明は
その好ましい実施例を参照して詳細に説明きれたが、本
発明の精神を離れる事なく種々の変更がなされ得る事は
明らかであろう。例えば縦型NPNI−ランジスタと共
に相補型双極性構造体の一部として説明された実施例中
の横型PNPトランジスタは明らかにどの横型NPN 
トランジスタとも一緒でなく別個に使用され得る。ざら
に横型NPN トランジスタでなく縦型P’NP双極性
トランジスタが説明された領域の各々に対して反対の導
電型を単に使用する事によって形成され得る。同様に横
型PNPトランジスタはその領域の各々のための導電型
を反転する事によって横型NPN l−ランジスタが形
成きれ得る。ざらにケイ化金属コンタクトがこれ等の素
子に高レベルのコンタクトを与えるために多結晶ケイ素
層の表面上に形成きれ得る。
【図面の簡単な説明】
第1図乃至第7図は高パフォーマンスの相補型双極性ト
ランジスタ構造体を製造する実施例を示した図である。 第8図は第7図の構造体を上から見た平面図である。 20・・・・P−単結晶ケイ素基板、21・・・N+サ
ブコレクタ拡散部、22・・・・Nエピタキシャル層、
24・・・・N十貫通体、25.26.27.34・・
・・絶縁体層、32・・・・P領域、36・・・・Nベ
ース領域、38・・・埋没2酸化ケイ素領域、40・・
・・第1の多結晶ケイ素層、42・・ 絶縁体層、44
・・・・P領域、46・・・・側壁絶縁体層、50・・
・・第2の多結晶ケイ素層、58・・・P十エミッタ領
域、59・・・・Nベース領域、60・・−コンタクト
。 出願人 インク−ナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション代理人 弁理士 山 木 仁 朗 (外1名) FIG、 I FIG、2 FIG、5 FIG、6 FIG、7

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 第1導電型の主面、高不純物濃度の第1導電型埋没領域
    、該埋没領域を上記主面に接続する高不純物濃度の第1
    導電型貫通体を有する単結晶半導体基体を構成する段階
    と、 上記基体の所望の領域に第2導電型不純物を拡散する事
    によって上記主面中にコレクタ領域を形成する段階と、 上記基体のエミッタ・コンタクトになるべぎ領域を食刻
    して略垂直な壁面を有する溝を形成する段階と、 上記溝の側面にベース領域となるべき第1導電型不純物
    を熱的に拡散する段階と、 上記溝の底部に酸素をイオン・インプランテーションす
    る事によって上記溝の底部に2酸化ケイ素領域を形成す
    る段階と、 高不純物濃度の第2導電型の多結晶ケイ素層を上記主面
    に、該多結晶ケイ素層の一部が上記溝と直接接触する様
    に形成する段階と、 上記多結晶ケイ素層の上部表面上に絶縁体層を形成する
    段階と、 上記多結晶ケイ素層及び絶縁体層を、これらの層が少な
    くともエミッタ対応領域に残るように、パターニングす
    る段階と、 加熱によって上記溝を充填している上記多結晶ケイ素の
    側端のまわりに高不純物濃度の第2導電型のエミッタ領
    域を形成する段階と、 上記コレクタ領域の電気的コンタクト、上記多結晶ケイ
    素層を介しての上記エミッタ領域の電気的コンタクト並
    びに上記貫通体及び上記埋没領域を介しての上記ベース
    領域の電気的コンタクトを実現する段階とより成る横型
    l・ランジスタのTA造方法。
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