CN100346478C - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体装置，消减BiCMOS工艺的工序数量。在P型半导体衬底1的表面较深地形成第一N阱3A、第二N阱3B。在第一N阱3A中形成第一P阱4A，并在该第一P阱4A中形成N沟道型MOS晶体管10。第二N阱3B被用于纵型NPN双极晶体管30的集电极。在第二N阱3B中形成第二P阱4B。第二P阱4B和第一P阱4A被同时形成。该第二P阱4B被用于纵型NPN双极晶体管30的基极。在第二P阱4B的表面形成纵型NPN双极晶体管30的N+型发射极层31、P+型基极电极层32。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及一种半导体装置，特别是涉及在同一半导体衬底上设有MOS晶体管和双极晶体管的半导体装置。
背景技术
近年来，集成化模拟电路和数字电路的模拟数字混合LSI正在被开发。在这种LSI中，模拟电路主要由双极晶体管构成，数字电路由MOS晶体管构成。当在同一半导体衬底上形成MOS晶体管和双极晶体管时，通常使用组合了双向工艺和CMOS工艺的BiCMOS工艺。
在现有的BiCMOS工艺中，由于相对CMOS工艺工序数量大幅地增加，因而招致LSI的制造成本及制造天数大幅地增加。对此，在专利文献1中记载了：通过形成使用所谓的三重阱CMOS工艺的双极晶体管谋求减少工序数的技术。
专利文献1：特开2000-3972号公报
发明内容
但是，双极晶体管的基极利用特别追加的工序形成，因此，工序数增加。
因此，本发明中，使用三重阱CMOS工艺，而不追加特别的工序，形成各种型号的双极晶体管。其主要的结构特征是，在P型半导体衬底的表面形成N阱，并在其中形成P沟道型晶体管。而在N阱中形成P阱，并在其中形成N沟道型晶体管。而后，将N阱作为纵型NPN双极晶体管的集电极使用。
并且，将P阱作为纵型NPN双极晶体管或横型NPN双极晶体管的基极使用。
附图说明
图1是本发明实施例的半导体装置的剖面图；
图2是本发明实施例的半导体装置的剖面图；
图3是本发明实施例的纵型NPN双极晶体管的特性图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明实施例的半导体装置。图1及图2是本发明实施例的半导体装置的剖面图。图1显示N沟道型MOS晶体管10、P沟道型MOS晶体管20、纵型NPN双极晶体管(Vertical NPN BJT)30，图2显示横型NPN双极晶体管(Lateral NPN BJT)40、横型PNP双极晶体管(Lateral PNP BJT)50、纵型PNP双极晶体管(Vertical PNP BJT)60。这两种类型的MOS晶体管及四种类型的双极晶体管都在同一半导体衬底1中形成。
其次，参照图1详细说明N沟道型MOS晶体管10、P沟道型MOS晶体管20、纵型NPN双极晶体管30的构造及其制造方法。
在P型半导体衬底1的表面形成用于将这些晶体管电分离的场绝缘膜2。在P型半导体衬底1的表面利用同一工序同时较深地形成第一N阱3A及第二N阱3B。其深度为例如自P型半导体衬底1表面起4um左右。在第一N阱3A中形成P阱4A，并在其中形成N沟道型MOS晶体管10。第一P阱4A比第一N阱3A浅，其深度为例如1um～2um。在第一P阱4A的表面形成N沟道型MOS晶体管10的N+的源极层11、N+型的漏极层12、栅极绝缘膜、栅极绝缘膜上的栅电极13及P阱4A的电位设定用P+层14。
另一方面，第二N阱3B被用于纵型NPN双极晶体管30的集电极。另外，在第二N阱3B中形成第二P阱4B。第二P阱4B和第一P阱4A同时由同一工序形成。该第二P阱4B被用于纵型NPN双极晶体管30的基极。在第二P阱4B的表面形成N+型发射极层31、P+型基极电极32。
另外，介由栅极绝缘膜在发射极层21和基极电极层32之间形成栅电极33。栅电极33和发射极层31连接。在第二N阱3B的表面形成N+型集电极层34。由于发射极层31和基极电极层32利用将栅电极33作为掩膜的离子注入形成，故基极电极层32和发射极层31的距离由栅电极33的长度决定。
在第一N阱3A中形成第4N阱5A。而后，在其中形成P沟道型MOS晶体管20。第4N阱5A比第一N阱3A浅，其深度为例如1um～2um。在第4N阱5A的表面形成P沟道型MOS晶体管20的P+的源极层21、P+型漏极层22、栅极绝缘膜、栅极绝缘膜上的栅电极23及第4N阱5A的电位设定用N+层24。
其次，参照图2详细说明横型NPN双极晶体管40、横型PNP双极晶体管50、纵型PNP双极晶体管60的构造及其制造方法。
在P型半导体衬底1的表面形成用于将这些晶体管电分离的场绝缘膜2。首先，说明横型NPN双极晶体管40。在P型半导体衬底1的表面形成第三N阱3C。该第三N阱3C和所述的第一N阱3A及第二N阱3B同时由同一工序形成。在第三N阱3C中形成第三P阱4C。该第三P阱4C也和所述的第一P阱4A及第二P阱4B同时由同一工序形成。在第三N阱3C中形成横型NPN双极晶体管40。第三P阱4C被用于横型NPN双极晶体管40的基极。在第三P阱4C的表面形成N+型发射极层41、N+型集电极层42。
另外，介由栅极绝缘膜在发射极层41和集电极层42之间形成栅电极43。栅电极43和发射极层41连接。然后，在第三P阱4C的表面形成P+型基极层44。由于发射极层41和基极层42利用将栅电极43作为掩膜的离子注入形成，故发射极层41和集电极层42的距离，也就是基极宽度由栅电极43的长度决定。另外，在第三N阱3C的表面形成第三N阱3C的电位设定用N+层45。
其次，说明横型PNP双极晶体管50。第五N阱5B和第四N阱5A同时由同一工序形成，并作为该晶体管的基极使用。
在第五N阱5B的表面形成P+型发射极层51、P+型集电极层52。介由栅极绝缘膜在发射极层51和集电极层52之间形成栅电极53。栅电极53和发射极层51连接。然后，在第五N阱5B的表面形成N+型基极层54。由于发射极层51和集电极层52利用将栅电极53作为掩膜的离子注入形成，故发射极层51和集电极层52的距离，也就是基极宽度由栅电极53的长度决定。另外，在和第五N阱5B邻接的P型半导体衬底1表面形成衬底电极设定用P+层55。
其次，说明纵型PNP双极晶体管60。第六N阱5C和第四N阱5A及第五N阱5B同时由同一工序形成，并作为该晶体管的基极使用。
在第六N阱5C的表面形成P+型发射极层61、N+型基极电极层62。介由栅极绝缘膜在发射极层61和基极电极层62之间形成栅电极63。栅电极63和发射极层61连接。由于发射极层61和基极电极层62利用将栅电极63作为掩膜的离子注入形成，故发射极层61和基极电极层62的距离由栅电极63的长度决定。另外，在和第六N阱5C邻接的P型半导体衬底1的表面形成P+型集电极层64。
其次，说明本发明实施例的半导体装置的制造方法。首先，在例如P型硅衬底等半导体衬底1表面形成第一N阱3A、第二N阱3B、第三N阱3C。该工序利用例如磷的离子注入和其后的热扩散进行。
其次，使用LOCOS法(Local Oxidation Of Silicon)形成场绝缘膜2。然后，形成第一P阱4A、第二P阱4B、第三P阱4C、第四N阱5A、第五N阱5B、第六N阱5C。P阱群4A、4B、4C和N阱群5A、5B、5C由各自的离子注入工序形成并进行热扩散。可以同时进行热扩散，也可以在各自的离子注入工序后分别进行。
而后，利用热氧化形成栅极绝缘膜，根据需要，进行N沟道型MOS晶体管10及P沟道型MOS晶体管20的沟道离子注入。然后，在栅极绝缘膜上形成栅电极12、23、33、43、53、63。这些栅电极利用多晶硅层或多侧面层形成。
之后，利用磷或砷这样的N型杂质的离子注入进行N+层的形成。N+层包括：所述的N沟道型MOS晶体管10的源极层11、漏极层、P沟道型MOS晶体管20的N+层24、纵型NPN双极晶体管30的发射极层31、集电极层34、横型NPN双极晶体管40的发射极层41、集电极层42、N+层45、横型PNP双极晶体管50的基极层54、纵型PNP双极晶体管60的基极电极层62。
另外，利用硼或二氟化硼这样的P型杂质的离子注入进行P+层的形成。P+层包括：所述的N沟道型MOS晶体管10的P+层14、P沟道型MOS晶体管20的源极层21、漏极层22、纵型NPN双极晶体管30的基极电极层32、横型NPN双极晶体管40的基极层44、横型PNP双极晶体管50的发射极层51、集电极层52、纵型PNP双极晶体管60的发射极层61、发射极层64。
通过本实施例，使用CMOS三重阱工艺，不需要特别的追加工序，而可在CMOS的基础上，在同一半导体衬底1上形成四种类型的双极晶体管，即：纵型NPN双极晶体管30、横型NPN双极晶体管40、横型PNP双极晶体管50、纵型PNP双极晶体管60。
图3是显示所述的纵型NPN双极晶体管30的特性的图，横轴表示集电极电流，纵轴表示电流放大系数hFE。由该特性图可知，可得到电流放大系数hFE为100，截止频率为1GHz这样的不逊色于双向工艺的优良的特性。
根据本实施例，通过将三重阱CMOS工艺的各种阱用于双极晶体管的基极或集电极，可大幅地消减BiCMOS工艺的工序数量。

Claims (4)

1、一种半导体装置，其特征在于，其包括：P型半导体衬底；第一N阱，其被形成在所述半导体衬底表面，并在其中形成P沟道型晶体管；第一P阱，其被形成在所述第一N阱中，并在其中形成N沟道型晶体管；第二N阱，其在所述半导体衬底上和所述第一N阱分离形成，所述第二N阱被作为纵型NPN双极晶体管的集电极使用，所述第一N阱和所述第二N阱同时由同一工序形成；
在所述第二N阱中形成的第二P阱，该第二P阱和所述第一P阱同时由同一工序形成，该第二P阱作为所述纵型NPN双极晶体管的基极使用。
2、如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述半导体衬底表面具有：第三N阱，其和所述第一及第二N阱同时由同一工序形成；在该第三N阱中形成的第三P阱，该第三P阱和所述第一P阱同时由同一工序形成，将所述第三P阱作为横型NPN双极晶体管的基极使用。
3、如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述第一N阱中形成比该第一N阱浅的第四N阱，并在该第四N阱中形成所述P沟道型晶体管，在所述半导体衬底上还具有和所述第四N阱同时由同一工序形成的第五N阱，所述第五N阱作为横型PNP双极晶体管的基极使用。
4、如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述第一N阱中形成比该第一N阱浅的第四N阱，并在该第四N阱中形成所述P沟道型晶体管，在所述半导体衬底上还具有和所述第四N阱同时由同一工序形成的第六N阱，所述第六N阱作为纵型PNP双极晶体管的基极使用。
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