JP2778553B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
体基板上にN型(P型)不純物を含むシリコン層を有す
るバイポーラトランジスタやMOSトランジスタ等の半
導体装置およびその製造方法に関する。
にともなって生じる短チャネル効果を改善するために、
拡散層領域であるソース・ドレイン領域の接合深さを浅
くする方法が一般に知られている。従来、拡散層領域の
形成にはイオン注入法が用いられ、n+拡散層を形成す
る場合には、ヒ素またはリン、p+拡散層を形成する場
合にはボロンまたはBF2 のイオン注入が行われてい
る。
成するには、以下に挙げる点が重要となる。
け拡散しないように注入後の製造工程中の熱処理はでき
るだけ低温にする。
チャネリング現象を防止する。
象とは、不純物イオンがシリコン単結晶に入射したと
き、原子配列の隙間を抜けて深く進入してゆく現象をい
う。このチャネリング現象は特に質量数の小さなイオ
ン、例えばボロンを用いた場合に顕著に見られ、この場
合は低エネルギーでイオン注入を行っても浅いp+拡散
層の形成は非常に困難であった。
試みがなされている。例えば、特開平2-191341号公報に
おいては、図13(a)に示すように、トランジスタ形
成領域にSi+ 、Ge+ などをイオン注入して予め非晶
質領域を形成した後、図13(b)に示すように、この
非晶質領域中にB+(BF2 + )をイオン注入してソース
・ドレイン拡散層を形成することにより、ソース・ドレ
イン拡散層を形成する際の縦、横方向へのチャネリング
が防止される旨が述べられている。
は、従来、ベース拡散層はイオン注入により形成されて
おり、浅いベース拡散層を形成するために注入エネルギ
ーを低加速化する方法や質量数の大きいBF2 イオンな
どを用いる方法が取られている。しかし、これらの方法
を用いた場合においても、前述のMOSトランジスタの
場合と同様にチャネリング現象が生じるため、ベース拡
散層は図11(a)に示すように底面にベース不純物濃
度の低いテール部分ができてしまい、ベース接合深さを
浅くすることは困難であった。
xy:分子線エピタキシャル成長法)技術や真空度の高い
低温CVD技術を用いてエピタキシャルベース層を形成
する方法が提案されており、この方法を用いれば図11
(b)に示すようにベース層のテール部分が小さい、い
わゆる箱型に近い不純物濃度分布が得られる。しかし、
実際はエピタキシャルベース層形成後に行われるエミッ
タ押し込みのための熱処理や製造工程中のその他の熱処
理によってベース不純物がシリコン基板中に拡散してし
まうため、完全にはベースのテール部分を無くすことが
できない。このベース層のテール領域があると、ベース
幅が厚くなり高周波特性が悪化する他、バイポーラトラ
ンジスタのアーリー効果も顕著になり、トランジスタ特
性が劣化する。ここで、アーリー効果とは、コレクタ・
ベース接合が逆バイアスされるにつれて、ベース・コレ
クタ接合の界面の空乏層が広がり、ベース領域長が短く
なるため、中性ベース領域の注入少数キャリアの勾配が
いっそう急峻になり、ベース電流はあまり変わらないが
コレクタ電流が増加する現象をいう。このように、コレ
クタ・ベース接合の逆バイアスを強くするにつれて電流
利得が大きくなる現象が一般にアーリー効果と呼ばれて
いる。この現象については、例えば培風館、菅野卓雄監
修、永田穣編「超高速バイポーラ・デバイス」pp58
〜59に述べられている。
レクタをバイアスするにつれて、すなわちコレクタ・ベ
ース間逆バイアス電圧が増大するにつれて、一定のベー
ス電流のもとでコレクタ電流が大きく増加する。アーリ
ー電圧VA は、コレクタ電流−コレクタ・エミッタ間電
圧特性の延長線(図中点線)の交点の電圧で定義され
る。このアーリー電圧VA の絶対値が大きいほどアーリ
ー効果の影響が少ないと言える。アーリー電圧が低下す
ると、トランジスタの電流・電圧特性において活性領域
の定電流特性が得られなくなるので、回路内で用いられ
ている定電流源の特性が悪化するなどの回路上での不具
合が生じる。
電圧を向上させるために、文献;「D.L.Harame et al.,
IEDM Tech. Dig.,pp71-74,1993」においては、単結晶シ
リコンより狭い禁制帯を有する材料、例えばシリコンと
ゲルマニウムの混晶(以下、SiGe層と略記)をベー
スとして用いたシリコン系ヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタが提案されている。
性ベース層中においてはエミッタ領域側が低くコレクタ
側が高いという分布を有する。例えば、エミッタ側はG
eの含有率が0%のであり、コレクタ側ではGeの含有
率が10〜25%である傾斜型の濃度分布を有する。こ
のGe濃度の傾斜分布から生じるドリフト電界により少
数キャリアである電子を加速することで、コレクタ・ベ
ース間が逆バイアスされるにつれてベ−ス・コレクタ接
合の空乏層が広がり、実効ベース領域幅が短くなって
も、中性ベース領域の注入少数キャリアの勾配がいっそ
う急峻になるのを抑制し、アーリー電圧の低下を防止す
る。
た従来のMOSトランジスタおよびバイポーラトランジ
スタ等の半導体装置の製造方法には、以下のような課題
がある。
レイン領域を形成するには、イオン注入された不純物を
できるだけ拡散しないように、注入後の製造工程中の熱
処理はできるだけ低温にすることが望ましいが、その反
面、不純物イオンを活性化させ、十分なキャリア濃度を
得るためには熱処理はできるだけ高温にすることが望ま
しい。このことから、熱処理温度には自ずから最適な範
囲が存在し、通常は750℃〜850℃程度の温度で熱
処理が行われる。しかし、このような熱処理温度範囲内
における低温化だけでは、前述のチャネリング現象の影
響により、例えば接合深さが0.1μm以下の極めて浅
い拡散層を形成することは非常に難しい。
ては、Si+ 、Ge+ などをトランジスタ形成領域にイ
オン注入し、予め非晶質領域を形成することで縦、横方
向へのチャネリングを防止することができるるものの、
非晶質領域を形成することで2次欠陥によるリーク電流
が発生する。このリーク電流を抑制することは、非常に
難しい。なお、同公報には、非晶質領域の深さを大きく
することでリーク電流の増加を防止する方法が述べられ
ている。例えば、注入エネルギーを50keV、200
keV、400keV程度とした3回のイオン注入を行
うことにより、0.5μm程度の深さの非結晶領域が得
られる旨が示されている。しかし、この場合には、次の
ような低エネルギー条件(基板表面付近を非晶質化する
条件)における2次欠陥が問題となる。すなわち、40
0KeVで0.5μm程度の深さに導入された2次欠陥
は拡散層からの距離が十分あるのでリーク電流の原因と
はならないが、50KeVで導入された2次欠陥は表面
付近に形成されるためリーク電流が発生しやすくなって
しまう。
ポーラトランジスタのエピタキシャルベース層を形成す
る方法においては、ベース層形成後に行われるエミッタ
押し込みの熱処理やその他製造工程中の熱処理によって
ベース不純物がシリコン基板中に拡散してしまい、テー
ル部分の無い完全な箱型不純物濃度分布を実現すること
が難しい。前述したように、ベース層のテール部分があ
ると(すなわち、ベース領域のドーピング濃度がコレク
タ領域のそれに比べて比較的薄いと)、アーリー電圧の
低下が顕著になってしまう。
エミッタ領域側が低くコレクタ側が高い傾斜型の濃度分
布とする方法においては、バイポーラトランジスタのア
ーリー電圧を更に向上させようとすると、Ge濃度傾斜
をより急勾配にする必要がある。Ge濃度傾斜を急勾配
にすると、ベース層全体に含まれるGe量が多くなって
しまい、この場合にはベース層を薄膜にしないと、高い
strain(層の歪)状態を維持できずにベース・コ
レクタ接合界面に欠陥が発生してしまう。例えば、エミ
ッタ側は0%、コレクタ側で30〜40%のGeの含有
率を有する傾斜型濃度分布とした場合には、ベース層を
例えば50nm以下の膜厚にしないと高いstrain
(層の歪)状態を維持できない。このため、高いstr
ain状態を維持できる膜厚と所定のエミッタ・コレク
タ耐圧を得る最適なベース層膜厚との不一致を生じる。
ーク電流が発生したり、アーリー電圧が低下したりする
ことのない、拡散層深さの浅い半導体装置およびその製
造方法を提供することにある。
め、本発明の半導体装置は、第1導電型の不純物拡散領
域が形成される第1のシリコン層と、前記第1のシリコ
ン層下側に接して設けられ、前記第1のシリコン層にお
ける不純物の深さ方向の拡散を抑制する、ゲルマニウム
を含む単結晶シリコン層からなるスペーサ層と、前記ス
ペーサ層下側に接して設けられた第2導電型の第2のシ
リコン層とを有し、前記第1導電型の不純物を、前記第
1のシリコン層と前記スペーサ層にのみ拡散したことを
特徴とする半導体装置。
コン層に拡散される第1導電型の不純物の濃度が1×1
018cm-3以上で、前記スペーサ層のゲルマニウムの含
有率が10%〜15%であることが望ましい。
ウムの濃度分布を、前記第2のシリコン層側より前記第
1のシリコン層側が低い傾斜型濃度分布としてもよい。
記第1のシリコン層内にMOSトランジスタのソース・
ドレイン領域が形成され、該ソース・ドレイン領域の下
側に前記スペーサ層が接して設けられている構成として
もよい。さらに、前記第1のシリコン層がバイポーラト
ランジスタの活性ベース層であってもよい。
装置の製造方法は、第2のシリコン層上にゲルマニウム
を含む単結晶シリコン層からなるスペーサ層と第1のシ
リコン層を順次形成した後、第1導電型の不純物を、前
記第1のシリコン層と前記スペーサ層のみに拡散する工
程を含むことを特徴とする。
第1のシリコン層内にMOSトランジスタのソース・ド
レイン層が形成される半導体装置の製造方法であって、
第2のシリコン層上にゲルマニウムを含む単結晶シリコ
ン層からなるスペーサ層と第1のシリコン層を順次形成
する第1の工程と、前記第1の工程にて形成された第1
のシリコン層の能動領域となる部分に所定の厚さのゲー
ト酸化膜を形成する第2の工程と、前記第2の工程にて
形成されたゲート酸化膜上に、所定のパターンのゲート
電極を形成する第3の工程と、前記第3の工程にて形成
されたゲート電極をイオン注入のマスクとして第1の導
電型の不純物イオンをイオン注入し、所定温度の窒素雰
囲気中でアニールすることにより前記シリコン層にソー
ス・ドレイン領域を形成する第4の工程と、を含むこと
を特徴とする。
第1のシリコン層がバイポーラトランジスタの活性ベー
ス層である半導体装置の製造方法であって、第2のシリ
コン層上に第1導電型埋め込み層および第1導電型コレ
クタ層を順次形成する第1の工程と、前記第1の工程に
て形成された第1導電型コレクタ層に所定の厚さの第1
の酸化膜を形成し、該第1導電型コレクタ層内の所定領
域に第1導電型不純物イオンをイオン注入し、所定温度
の窒素雰囲気中でアニールすることによりコレクタ引き
出し拡散層を形成する第2の工程と、前記第2の工程に
て形成された第1の酸化膜のうちベース領域上の酸化膜
を除去し、第1導電型コレクタ層の表面が露出したベー
ス領域上に、ゲルマニウムを含む単結晶シリコン層から
なるスペーサ層とシリコン層を順次形成する第3の工程
と、前記第3の工程の後、第2導電型多結晶シリコン層
と所定の厚さの第2の酸化膜を順次全面に形成し、これ
らを所定形状にパターニングしてベース引き出し電極を
形成する第4の工程と、前記第4の工程の後、第1導電
型の不純物を含む所定の厚さの多結晶シリコン層を全面
に形成し、これを所定形状にパターニングしてエミッタ
電極を形成する第5の工程と、前記第5の工程の後、前
記シリコン層に第2導電型の不純物を拡散させて外部ベ
ース拡散層を形成し、かつ、第1導電型の不純物を拡散
させて活性ベース層中にエミッタ拡散層を形成する第6
の工程と、を有することを特徴とする。
方法では、第1のシリコン層下にゲルマニウムを含むス
ペーサ層が設けられているので、第1のシリコン層中に
第1導電型の不純物拡散領域を形成する場合、その第1
導電型の不純物がチャネル現象等によりスペーサ層ある
いはその層下の第2導電型の第2のシリコン層に拡散さ
れることはなく、深さ方向の拡散がスペーサ層により制
限される。この理由は、第1に、SiGeスペーサ層に
はGeは少量含まれ、Ge原子とSi原子との格子定数
の違いから歪みを生じているため、チャネリングしにく
くなる。第2には、後述するようにSiGeスペーサ層
中の不純物の拡散速度が小さいためである。したがっ
て、拡散層の深さは、スペーサ層上に形成された第1の
シリコン層の膜厚とほぼ同じものとなる。また、本発明
では、従来のように非結晶領域を形成する必要はないの
で、リーク電流が発生することはなく、さらには、ベー
ス層形成後に行われるエミッタ押し込みの熱処理やその
他の製造工程中の熱処理によって不純物がスペーサ層に
より制限される領域より深い領域に拡散されることはな
いので、アーリー電圧が低下することもない。
して説明する。
置をMOSトランジスタに適用した第1の実施例の断面
構造図である。
ャル成長技術を用いてSiGeスペーサ層2およびチャ
ネルシリコン層3が順次形成されている。チャネルシリ
コン層3の表面には、所定の厚さのゲート酸化膜6が形
成されており、このゲート酸化膜6上には所定形状のゲ
ート電極7が形成されている。また、チャネルシリコン
層3中には拡散層であるソース・ドレイン領域8がイオ
ン注入により形成されており、これによりMOSトラン
ジスタを構成している。チャネルシリコン層3の厚さ
は、例えば10〜100nmで、SiGeスペーサ層2
が厚さは例えば10〜100nmで、ゲルマニウム含有
率は例えば10%である。SiGeスペーサ層2形成後
の製造工程中の熱処理温度が800℃よりも高温である
場合は、SiGe層の歪(strain)を維持するた
め、スペーサ層の厚さは100nmよりも薄く、Geの
含有率は15%よりも低くすることが望ましい。
係について、熱処理温度850℃においてGeの含有率
が15%のものと0%のものとを比較した結果を示した
グラフである。同図から分かるように、Geの含有率が
15%のものほうが拡散速度が遅く、ボロン濃度が高く
なっても拡散速度が急激に速くなることもない。
ネルシリコン層3下にSiGeスペーサ層2を厚さ10
〜100nmに成長させてあるため、チャネルシリコン
層3中にソース・ドレイン領域8を形成後、製造工程中
の熱処理温度が、例えば800〜900℃で30分程度
行われたとしても、不純物の深さ方向の拡散が抑制さ
れ、浅い接合を形成することができる。すなわち、この
半導体装置では、ソース・ドレイン拡散層8の深さはほ
ぼチャネルシリコン層3の厚さとほぼ同じ、10〜10
0nmの極めて浅いものとなってる。
Sトランジスタの構成であるが、これに限定されるもの
ではなく、nチャネルMOSトランジスタまたはCMO
Sトランジスタの構成であってもよい。
て詳しく説明する。ここでは、pチャネルMOSトラン
ジスタとして説明する。
程を説明するための図で、(a)〜(d)は各工程の状
態図である。
コン基板1上に低温エピタキシャル成長法を用いて基板
表面に不純物を含まない(アン・ドープ)SiGeスペ
ーサ層2とチャネルシリコン層3を順次成長する。Si
Geスペーサ層2は、例えば500〜700℃、GeH
4 ガス0.5〜1.0sccm、ジシランガス0.5〜
1sccmの条件で成長する。また、チャネルシリコン
層3は、例えば500〜700℃、ジシランガス0.5
〜1sccm、ボロン濃度1×1018cm-3以下(より
望ましくは1×1018〜1×1015cm-3)の条件で成
長する。
イオン注入法および溝分離形成法によりN型のチャネル
ストッパー層4と深さ0.5〜1μmの溝に絶縁膜、例
えば酸化膜を埋設した素子分離5を形成する。この素子
分離5は、公知の選択酸化法により形成してもよい。ま
た、上記SiGeスペーサ層2とチャネルシリコン層3
は、基板1上に素子分離5を形成した後、トランジスタ
形成予定領域の露出した基板表面上に選択エピタキシャ
ル成長法を用いて順次成長しても良い(図4(a)参
照)。なお、本実施例においては、MOSトランジスタ
のしきい値電圧制御は不純物を含んだチャネルシリコン
層3で行われるが、チャネルシリコン層3に不純物を含
まないアン・ドープト・シリコン膜を成長後、イオン注
入によって不純物を導入して制御することもできる。
が形成されると、続いて、図3(c)に示すように、M
OSトランジスタの能動領域となる部分に厚さ5〜15
nmのゲート酸化膜6を形成する。さらに、MOSトラ
ンジスタのしきい値電圧調整用のイオン注入を行った
後、厚さ200nmの多結晶シリコン膜を公知のCVD
法を用いて堆積させ、リン等のN型不純物を気相拡散ま
たはイオン注入法等を用いて導入し、フォトエッチング
法により多結晶シリコン膜を加工してゲート電極7を形
成する。ここで、多結晶シリコン膜は金属シリサイド膜
と多結晶シリコン膜の複合膜であるポリサイド膜でもよ
い。また、多結晶シリコン膜への不純物導入は、後述す
るソース・ドレイン領域形成のイオン注入と兼ねること
もできる。
ン注入のマスクとして注入量1×1015〜1×1016c
m-2、注入エネルギー1〜10KeVでボロンやBF2
等のP型不純物イオンをイオン注入し、900℃前後の
窒素雰囲気中でアニールすることによりP型のソース・
ドレイン領域8を形成する。以上の工程により、図3
(c)の断面図に示される構造が形成される。なお、ソ
ース・ドレイン領域8は、図4(bに示すように、ソー
ス・ドレイン形成予定領域に選択エピタキシャル成長法
を用いてシリコン層14又は多結晶シリコン層を形成
後、該シリコン層14又は多結晶シリコン層にソースド
レインの不純物を導入し、窒素雰囲気中でアニールする
ことによりチャネルシリコン膜3中に拡散させて形成し
てもよい。図4において、9はサイドウォール絶縁膜で
ある。この構造にすることで、ソース・ドレインの実効
的な深さが増し(すなわち、ソース・ドレインの実効的
深さはシリコン層14とソース・ドレイン領域8の深さ
の和となり)、ソース・ドレイン抵抗を更に低減するこ
とができる。また、本実施例では、MOSトランジスタ
のソース・ドレイン構造がシングルドレイン構造のもの
について示したが、LDD(Lightly Doped Drain )構
造であってもよい。LDD構造とは、ソース−ゲート間
およびドレイン−ゲート間において発生する電界を緩和
するために、ソースおよびドレイン領域の端部の不純物
濃度を低くしたものをいう。
程度のソース・ドレイン領域8が形成されると、続い
て、厚さ50〜100nmの酸化膜10と500〜60
0nmのボロンシリケイトガラス(BPSG)11を順
次公知のCVD法により堆積し、層間絶縁膜を形成した
後に850〜950℃の窒素雰囲気中でアニールを行
い、コンタクト孔12、配線13を公知の製造方法で形
成し、図3(d)の断面図を完成する。
明の第1の実施例の半導体装置では、不純物濃度の高い
ソース・ドレイン拡散層を形成したシリコン層下にゲル
マニウムを含むシリコン層を設けることにより、接合深
さ0.1μm以下の極めて浅い拡散層が形成できる。ま
た、ソース・ドレイン拡散層深さが浅くなったことによ
り、トランジスタの短チャネル効果は従来構造よりも約
0.05μm改善され、加えて、アン・ドープ・SiG
eスペーサ層の厚さが100nmのとき、ソース・ドレ
インからの空乏層がスペーサ層側に伸びるため、ソース
・ドレイン接合容量は約10〜30%程度、従来構造の
ものよりも低減できる。
置をNPN型バイポーラトランジスタに適用した第2の
実施例の断面構造図である。
22は高濃度N型埋込み層、23はSiコレクタ層(N
型エピタキシャル層)、27はN型不純物を含むSiG
eスペーサ層、28は選択エピタキシャル成長技術によ
りSiGeスペーサ層27上に成長したP型Siベース
層(シリコン真性ベース層)、33はN型のエミッタ拡
散層、32はエミッタ引き出し用多結晶シリコン層、2
9は外部ベース引き出し用P型多結晶シリコン層であ
る。図5中のA−A断面における半導体装置の深さ方向
における不純物濃度分布およびSiGeスペーサ層27
のゲルマニウム含有率を図6に示す。
では、N型多結晶シリコン層32は200〜300nm
の厚さで、その不純物濃度は例えば1×1020〜1×1
021cm-3、N型のエミッタ拡散層33の不純物濃度は
例えば1×1020〜1×10 21cm-3で、その深さは4
0〜50nmである。エミッタ拡散層33直下の真性ベ
ース領域であるP型Siベース層(シリコン真性ベース
層)28の実効厚さは30〜70nmで、そのP型不純
物濃度は例えば1×1018cm-3以上(より望ましくは
2×1018〜1×1019cm-3)である。SiGeスペ
ーサ層27の厚さは20〜60nmで、そのN型不純物
濃度は例えば1×1017〜6×1017cm-3である。S
iコレクタ層23の厚さは50〜800nmで、そのN
型不純物濃度は例えば1×1016〜6×1016cm-3で
ある。高濃度N型埋込み層22の不純物濃度は、例えば
5×1019〜1×1021cm-3である。
ウムの含有率は、例えば15%である。なお、SiGe
スペーサ層27のゲルマニウム含有率が大きいほど不純
物、例えばボロンの拡散量を抑制することができるも
が、ゲルマニウム含有率が20%を超えると、シリコン
とゲルマニウムの格子定数が違うことに起因してベース
層に欠陥が発生しやすくなり、かえって不純物拡散速度
が速くなってしまうことになる。よって、SiGeスペ
ーサ層27のゲルマニウムの含有率は、高くても20%
以下にすることが望ましい。また、ゲルマニウム含有率
は、スペーサ層形成後の製造工程中の熱処理温度が高温
で行われることを考慮すると10〜15%とすることが
望ましく、この場合には、層を100nm以上の厚さに
すると欠陥が発生しやすくなることから、SiGeスペ
ーサ層27の膜厚は10〜60nmとすることが望まし
い。図7に、SiGe層中のゲルマニウム含有率と欠陥
が発生する臨界膜厚の関係を示す。同図から判るよう
に、ゲルマニウム含有率が5%以下になると、急激に臨
界膜厚は増加する。
eスペーサ層27中のGeが一様に含まれているが、こ
のSiGeスペーサ層27のゲルマニウムの濃度分布を
傾斜型濃度分布としてもよい。例えば、図8に示すよう
に、ベース層側のゲルマニウム含有率がが0%、コレク
タ側のゲルマニウム含有率が10%となるような傾斜型
濃度分布にすることが可能である。この場合、仮に熱処
理が高温で、かつ、長時間のため、SiGeスペーサ層
27部分にベース不純物が拡散しベーステールが形成さ
れても、SiGeスペーサ層27内のドリフト電界によ
り少数キャリアの移動度を向上させることによりアーリ
ー電圧の低下を防止できる。
の製造方法について説明する。
を説明するための図で、(a)〜(e)は各工程の状態
図である。
コン基板21上にN型埋め込み層22およびN型Siコ
レクタ層(N型エピタキシャル層)23を順次全面に形
成する。続いて、公知の方法を用いて300〜600n
mの厚さの素子分離酸化膜24を選択的に形成する。こ
のとき、N型Siコレクタ層(N型エピタキシャル層)
23の表面には酸化膜26が形成されている。そして、
イオン注入法とそれに続く900℃前後のアニール熱処
理を用い、N型埋め込み層22にまで達するようにコレ
クタ引き出し拡散層25を形成する。
と、続いて、図9(b)に示すように、公知のフォトエ
ッチング法を用いてベース領域上の酸化膜26を除去す
る。そして、選択エピタキシャル成長法を用いてN型S
iコレクタ層(N型エピタキシャル層)23の表面が露
出したベース領域上に、SiGeスペーサ層27とP型
Siベース層(シリコン真性ベース層)28を順次成長
する。SiGeスペーサ層27は、例えば、500〜7
00℃、GeH4 ガス0.5〜1.0sccm、ジシラ
ンガス0.5〜1sccm,N型不純物濃度1×1016
〜6×1016cm-3の条件で成長する。ゲルマニウムを
シリコン膜中に精度良く含有させることは、超高真空排
気を有する減圧CVD技術を用いたエピタキシャル技術
を用いれば容易に形成可能である。また、P型Siベー
ス層(シリコン真性ベース層)28は、例えば500〜
700℃、ジシランガス0.5〜1sccm、ボロン濃
度1018〜1019cm-3の条件で成長する。
層(シリコン真性ベース層)28が形成されると、続い
て、図9(c)に示すように、100〜300nmの厚
さのボロンを含むP型多結晶シリコン層29と100〜
300nmの厚さの層間絶縁膜、例えば酸化膜30を順
次全面に形成する。そして、これらを所定形状のベース
引き出し電極29aにパターニングした後、該ベース引
き出し電極29aの端面に、例えば窒化膜100〜30
0nmの厚さのサイドウオール絶縁膜31を公知の技術
により形成する。
(d)に示すように、N型不純物、例えばヒ素を含む多
結晶シリコン層32を100〜200nmの厚さ形成し
た後、フォトエッチング法を用いてパターニングし、エ
ミッタ電極32aを形成する。そして、850〜950
℃の熱処理を行い、エミッタ拡散層33をP型Siベー
ス層(シリコン真性ベース層)28内に形成する。この
とき、同時に外部ベース拡散層34も形成される。
層34が形成されると、続いて、図9(e)に示すよう
に、公知の方法により層間絶縁膜35、電極36b、3
6c、36eの形成を行い、バイポーラトランジスタを
完成する。
いアン・ドープのものか、N型不純物を1×1016〜1
×1017/cm-3含むものであってもよい。不純物を含
まないSiGeスペーサ層27を用いた場合は、逆バイ
アスされたベース・コレクタ接合部において空乏層が伸
びやすくなるので、ベース・コレクタ間耐圧またはコレ
クタ・エミッタ間耐圧を向上できる。一方、N型不純物
を含むSiGeスペーサ層27を用いた場合は、高注入
状態でのカーク効果(バイポーラトランジスタのコレク
タ電流を増していくとしゃ断周波数が減少すること)を
抑制できるので、しゃ断周波数を向上できる。また、S
iGeスペーサ層27は不純物を含まないアン・ドープ
SiGe層を成長し、図10に示すように、エミッタ開
口部を形成した後、N型不純物、例えばリンを加速エネ
ルギー200〜300KeV、注入量1×1012〜1×
1013/cm-2の条件でSiGeスペーサ層27を含む
エミッタ領域直下のシリコンコレクタ部にペデスタルコ
レクタ37を形成してもよい。この方法を用いれば、逆
バイアスされたベース・コレクタ接合部において空乏層
が伸びやすくなるので、ベース・コレクタ間寄生容量を
低減でき、かつ高注入状態でのカーク効果を抑制でき
る。
適用した第2の実施例の半導体装置では、ベース領域と
コレクタ領域の間にゲルマニウムを含む単結晶シリコン
層からなるSiGeスペーサ層が設けられ、ベース不純
物の拡散がこのSiGeスペーサ層により抑制されるの
で、浅いベース拡散層で、かつ高いアーリー電圧を実現
できる。また、SiGeスペーサ層中のゲルマニウム濃
度をベース領域側が低くコレクタ側が高い傾斜分布にす
ることで更にアーリー電圧を改善できる。アーリー電圧
は、従来20〜30Vであったものが本発明を適用する
ことにより40〜60Vに改善される。本実施例では、
ベース層下にSiGeスペーサ層があるため、ベース層
形成後に熱処理を行ってもベース不純物のシリコン基板
中への拡散が抑制できるため、ベース層のテール部分の
無い箱型ベース不純物濃度分布が得られる。従って、ア
ーリー電圧が大幅に改善される。
いるので、以下に記載するような効果を奏する。
に記載の方法においては、第1導電型の不純物の導入に
より形成される拡散層の深さがスペーサ層により制限さ
れるので、従来にない浅い深さの拡散層を形成すること
ができ、高いアーリー電圧を実現することがきるという
効果がある。これらのうち請求項3に記載のものにおい
ては、さらなるアーリー電圧の改善を図ることができる
という効果がある。
載の方法においては、ソース・ドレイン拡散層深さの極
めて浅い、かつ、ソース・ドレイン接合容量を低減した
MOSトランジスタを提供することができるという効果
がある。
載の方法においては、活性ベース層厚が極めて薄く、か
つ、ベース・コレクタ接合容量を低減でき、高いアーリ
ー電圧を実現したバイポーラトランジスタを提供するこ
とができるという効果がある。
用した第1の実施例の断面構造図である。
グラフである。
ための図で、(a)〜(d)は各工程の状態図である。
説明するための図で、(a)はSiGeスペーサ層とチ
ャネルシリコン層の形成方法が異なる場合のもの、
(b)は、ソース・ドレイン領域の形成方法が異なる場
合のものである。
に適用した第2の実施例の断面構造図である。
向における不純物濃度分布およびSiGeスペーサ層の
Ge含有率を表すグラフである。
生する臨界膜厚の関係を表すグラフである。
ある場合の、図5のA−A断面における半導体装置の深
さ方向における不純物濃度分布およびSiGeスペーサ
層のGe含有率を表すグラフである。
ための図で、(a)〜(e)は各工程の状態図である。
を説明するための図で、SiGeスペーサ層が不純物を
含まないアン・ドープSiGe層である場合の構成を示
したものである。
の不純物分布を示すグラフで、(a)は注入エネルギー
を低加速化する方法または質量数の大きいイオンを用い
る方法を用いた場合のもの、(b)はMBE技術または
真空度の高い低温CVD技術を用いてエピタキシャルベ
ース層を形成した場合のものを示す。
とコレクタ・エミッタ間電圧特性を表すグラフである。
概略構成を示した図で、(a)は非晶質領域が形成され
た状態、(b)は非晶質領域にソース・ドレイン拡散層
が形成された状態を示す。
Claims (8)
- 【請求項1】 第1導電型の不純物拡散領域が形成され
る第1のシリコン層と、 前記第1のシリコン層下側に接して設けられ、前記第1
のシリコン層における不純物の深さ方向の拡散を抑制す
る、ゲルマニウムを含む単結晶シリコン層からなるスペ
ーサ層と、 前記スペーサ層下側に接して設けられた第2導電型の第
2のシリコン層とを有し、 前記第1導電型の不純物を、前記第1のシリコン層と前
記スペーサ層にのみ拡散した ことを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体装置において、 前記第1のシリコン層に拡散される第1導電型の不純物
の濃度が1×1018cm-3以上で、前記スペーサ層のゲ
ルマニウムの含有率が10%〜15%であることを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項3】 請求項1に記載の半導体装置において、 前記スペーサ層におけるゲルマニウムの濃度分布が、前
記第2のシリコン層側より前記第1のシリコン層側が低
い傾斜型濃度分布であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項4】 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に
記載の半導体装置において、 前記第1のシリコン層内にMOSトランジスタのソース
・ドレイン領域が形成され、該ソース・ドレイン領域の
下側に前記スペーサ層が接して設けられていることを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項5】 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に
記載の半導体装置において、 前記第1のシリコン層がバイポーラトランジスタの活性
ベース層であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項6】 請求項1に記載の半導体装置の製造方法
であって、第2のシリコン層 上にゲルマニウムを含む単結晶シリコ
ン層からなるスペーサ層と第1のシリコン層を順次形成
した後、第1導電型の不純物を、前記第1のシリコン層
と前記スペーサ層のみに拡散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。 - 【請求項7】 請求項4に記載の半導体装置の製造方法
であって、第2のシリコン層 上にゲルマニウムを含む単結晶シリコ
ン層からなるスペーサ層と第1のシリコン層を順次形成
する第1の工程と、 前記第1の工程にて形成された第1のシリコン層の能動
領域となる部分に所定の厚さのゲート酸化膜を形成する
第2の工程と、 前記第2の工程にて形成されたゲート酸化膜上に、所定
のパターンのゲート電極を形成する第3の工程と、 前記第3の工程にて形成されたゲート電極をイオン注入
のマスクとして第1の導電型の不純物イオンをイオン注
入し、所定温度の窒素雰囲気中でアニールすることによ
り前記シリコン層にソース・ドレイン領域を形成する第
4の工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造
方法。 - 【請求項8】 請求項5に記載の半導体装置の製造方法
であって、第2のシリコン層 上に第1導電型埋め込み層および第1
導電型コレクタ層を順次形成する第1の工程と、 前記第1の工程にて形成された第1導電型コレクタ層に
所定の厚さの第1の酸化膜を形成し、該第1導電型コレ
クタ層内の所定領域に第1導電型不純物イオンをイオン
注入し、所定温度の窒素雰囲気中でアニールすることに
よりコレクタ引き出し拡散層を形成する第2の工程と、 前記第2の工程にて形成された第1の酸化膜のうちベー
ス領域上の酸化膜を除去し、第1導電型コレクタ層の表
面が露出したベース領域上に、ゲルマニウムを含む単結
晶シリコン層からなるスペーサ層とシリコン層を順次形
成する第3の工程と、前記第3の工程の後、第2 導電型多結晶シリコン層と所
定の厚さの第2の酸化膜を順次全面に形成し、これらを
所定形状にパターニングしてベース引き出し電極を形成
する第4の工程と、前記第4の工程の後、第1 導電型の不純物を含む所定の
厚さの多結晶シリコン層を全面に形成し、これを所定形
状にパターニングしてエミッタ電極を形成する第5の工
程と、前記第5の工程の後、 前記シリコン層に第2導電型の不
純物を拡散させて外部ベース拡散層を形成し、かつ、第
1導電型の不純物を拡散させて活性ベース層中にエミッ
タ拡散層を形成する第6の工程と、を有することを特徴
とする半導体装置の製造方法。
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