JP2894777B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体装置に関し、特に、結晶欠陥の発生
を抑制した高濃度拡散層を有する半導体装置に関する。
[従来の技術] IC、LSI等のデバイスの性能を低下させる要因の1つ
に各部分に寄生する抵抗がある。例えば、バイポーラデ
バイスに関していえば、エミッタ寄生抵抗re、ベース寄
生抵抗rb、コレクタ寄生抵抗rC等である。これらの内、
特に問題となるのがコレクタ寄生抵抗である。即ち、ト
ランジスタの過度応答あるいは大電流動作による動作速
度はコレクタ寄生抵抗により制限されてしまう場合が多
いので、トランジスタを飽和させた状態で測定されるコ
レクタ飽和抵抗(以下、rSCと記す)をいかに低く抑え
るかがバイポーラデバイスの特性改善の鍵になっている
のである。
第3図(a)は、従来のバイポーラトランジスタを示
す平面図であり、第3図(b)は、そのIII−III線断面
図である。このトランジスタは、p型シリコン基板1上
に高濃度n型埋め込みコレクタ層2を設け、さらにその
上にn型エピタキシャル層3を成長させ、p型ベース
層、n型エミッタ層5を順次形成して製造されている。
第3図において、6aはコレクタ抵抗補償用の高濃度n型
拡散層、7a、8は多結晶シリコン膜、9は絶縁分離用
溝、10はSiO2膜等からなる絶縁膜、11a、11b、11cは、
それぞれコレクタ、エミッタ、ベース電極引き出し用窓
である。このうち、コレクタ電極引き出し用窓11aの寸
法は、x×yで与えられている。なお、ここでは、説明
の都合上、アルミ電極配線等は省略してある。
コレクタ寄生抵抗は、エピタキシャル層3、埋め込み
コレクタ層2、n型拡散層6a内の抵抗をそれぞれr1
r2、r3として、rC=r1+r2+r3で与えられるが、トンラ
ンジスタが飽和状態に入ると、rSC=r1+r2となってr3
は無視可能となる。ここで、r1、r2は、それぞれ拡散層
の層抵抗ρ、埋め込みコレクタ層の層抵抗ρとそれ
らのパターンのサイズによって決定される。このうち、
埋め込みコレクタ層の層抵抗ρに関しては、通常用い
られるヒ素ガラス膜を拡散源とする塗布拡散法あるいは
イオン注入法により、20Ω/□前後が安定して実現可能
である。しかしながら、拡散層の層抵抗ρは不純物の
ドーピング方法によっては数十〜数KΩ/□まで変化す
るために、rSCはρによって支配されるといっても過
言ではなく、換言すれば、ρがトランジスタの特性を
左右していることになるのである。
そこで、できる限り高濃度に不純物をドーピングして
ρを下げることが重要になるわけであるが、この拡散
法としては、一般的には、例えば特開昭57−10230号公
報に記載されているように「電極窓を覆うように多結晶
シリコン膜を残し、この多結晶シリコン膜を通して基板
表面にコレクタコンタクト層を形成する」という手法が
用いられている。前記公報では、不純物拡散源としてPS
Gを用いた説明がなされており、また、イオン注入法に
ついても触れているが、我々は第3図に示した多結晶シ
リコン膜7aに、まず、POCl3蒸気を用いた熱拡散により
Pをドーピングしておき、次にN2ガス中で多結晶シリコ
ン膜7aからエピタキシャル層3へPをドライブインさせ
るという方法を用いている。この手法にはウェハ面内の
層の抵抗ばらつきが少なく、深さ方向の制御性が良いと
いう特長があり、PSG法、イオン注入法に比べ簡便に高
濃度のリンをドープできるという利点もある。
[発明が解決しようとする課題] 上述した従来の拡散方法でも、集積度が高くない場合
には、拡散層の不純物濃度が1019atoms/cm3台でも寄生
抵抗の値を一定以下に抑えることができたので特に問題
はなかったが、近年の高集積化の流れの中でパターンを
極力小さくすることが要求され、それに伴ってコレクタ
の占有面積が縮小されると、これに対処するために拡散
層の不純物濃度を1020atoms/cm3以上とすることが求め
られるようになり、そのため、従来法では対応しきれな
い状況に至っている。
たとえば、第3図のトランジスタを縮小する場合、x
はエミッタ電極引き出し用窓11bの長さにより決定され
るため、yを縮小することになるが、過去においてはx
×y=6×3μm2であったものが、現在では6×1.2μm
2まで縮小することが求められている。この縮小を補償
すべくリン濃度を上げていくと、歩留りは次第に悪化
し、所望の濃度まであげると、ほぼ全滅という結果にな
る。
而して、この不良は電気的にはトランジスタの接合リ
ークとして観測される。バイポーラトランジスタの接合
がリークする原因としては、一般的に結晶欠陥が関与す
る場合が多いので、不良品について透過型電子顕微鏡
(TEM)による欠陥観察を行ったところ、転位の発生が
認められた。転位の発生はリン拡散窓内が最も顕著であ
り、窓から離れるに従いその密度が急激に低下するとい
う状況にあり、発生した転位の何本かがエミッタ接合、
ベース接合に到達していた。つまりリン拡散層から発生
した転位がエミッタ、ベース接合を突き抜けたために接
合リークが引き起こされたのである。
前述したように、リン濃度によりトランジスタの歩留
りが悪化するので、窓の大きさを6.0×1.2μm2として、
リンのピーク濃度とエミッタに到達する転位数の関係を
調査したところ、第4図に示す結果を得た。同図に示さ
れるように、ピーク濃度7×1019を越えると急激に転位
が増加する。
よって、本発明の目的とするところは、拡散層の不純
物濃度を高めても転位を生じさせないようにすることで
あり、もって、小型で高性能の半導体装置を歩留り高く
製造しうるようにすることである。
[課題を解決するための手段] 本発明の半導体装置は、少なくともバイポーラトラン
ジスタを有し、このバイポラトランジスタのコレクタ電
極引き出し領域には、互いに独立した複数の小窓を有す
る絶縁膜を介してコレクタ引き出し電極となる多結晶シ
リコン層が接続され、この多結晶シリコン層から複数の
小窓を通して拡散される不純物によりコレクタコンタク
ト領域が形成されていることを特徴とする半導体装置で
す。また、複数の小窓のうち隣り合う小窓間には分割用
溝を形成してもよい。
[作 用] 本発明者等は、トランジスタのサイズにより歩留りが
大きく影響されるので、窓の大きさと発生する転位の数
について調査した。
第5図は、リンのピーク濃度を3×1020atoms/cm3
設定し、第3図に示すトランジスタにおいてy=1.2μ
mでxを1.0〜20μmまで変えた時のxとエミッタに到
達する転位数との関係を示したものである。同図から分
かるように、xが4μmを越えると急激に転位数がふえ
ている。また、yの値が2.0、4.0μmと変化させた場合
にも同様な結果が得られた。
文献では、リンあるいはボロンのドーピングは結晶に
ストレスを与え欠陥を誘起する旨の報告があり(JOURNA
L OF APPLIED PHYSICS volume 38,Number 1 1967 E.L
evine et al.〔Diffusion−Induced Defects in Silico
n〕)、この内容と我々の得た結果を総合してみると、
この現象は、リン拡散によりシリコン結晶にストレス
が与えられ、ストレスを緩和するため転位が発生する、
ストレスは窓形状が大きくなるほど、あるいは細長く
なるほど強くなり、またリン濃度が高くなるほど強く発
生する、と整理することができる。即ち、拡散窓を一定
以下に小さくすれば、リン濃度をある程度高くしても、
エミッタに到達するような転位は抑制できるということ
である。よって、一定以上の広さの拡散層を転位の発生
を抑制しつつ形成するには、窓を小窓に分割すればよい
ということになる。
次に、今後の縮小化に向けて、さらにリン濃度を上げ
る実験を行ったところ、1.2×1.2μm2の小窓を一列に並
べる構造にしても、ピークリン濃度が4×1020atoms/cm
3を越えるようになると転位の発生が目立ち始めること
が明らかとなった。この時の転位の発生状況を調べた結
果、リン拡散領域に端を発した転位はループを描いて他
の拡散領域で終端するように発生していたが、注目すべ
きは分離溝の側壁面、主にエピタキシャル層内の側壁面
に終端する転位数が最も多いことである。そこで、三方
を分離溝に囲まれたトランジスタを作成したところ、こ
のトランジスタに関しては、一方のみに分離溝が存在し
ている小窓を有するものと比較して、エミッタに向かう
転位数が極端に少なくなることが判明した。即ち、三方
が分離溝で囲まれた拡散層では、分離溝の側面壁が転位
のゲッターサイトのように働き、エミッタに向かう転移
が抑制されるのである。
[実施例] 次に、本発明の実施例について、図面を参照して説明
する。
第1図(a)は、本発明の第1の実施例を示す平面図
であり、第1図(b)は、そのI−I線断面図である。
本実施例では、ベース、エミッタ領域については従来例
と同様であるので、第1図にはコレクタ部分のみが図示
されている。同図において、第3図の従来例と同等の部
分には同一の参照番号が付されているので、重複する説
明は省略する。
本実施例では、絶縁膜10に従来のコレクタ電極引き出
し用窓11aを分割する複数の小窓12を形成し、その上に
多結晶シリコン膜7を設け、この多結晶シリコン膜を介
して、高濃度n型拡散層6を形成している。図示したも
のは、従来1.2×10μm2であった窓を1.2×1.2μm2の小
窓5個に分割した例である。
製造方法について簡単に説明すると、CVD法により小
窓12を覆う多結晶シリコンを膜厚3000Åに堆積し、2000
ppmのPOCl3雰囲気中で950℃、20分間の拡散を行い、続
いてN2雰囲気中で1000℃、20分間ドライブインを行っ
た。
本実施例によれば、rSCを40Ωまで下げるために、ピ
ーク濃度を2×1020atoms/cm3にまであげても接合リー
クは観察されなかった。これに対し、従来の1.2×10μm
2の単一窓では転位が発生するリンの限界濃度は約2×1
019atoms/cm3であり、その時のrSCは約120Ωであった。
トランジスタの性能面からはこれを50Ω以下とすること
が求められていたが、本発明によりこの要求を満たすこ
とができた。
第2図(a)は、本発明の第2の実施例を示す平面図
であり、第2図(b)は、そのII−II線断面図である。
本実施例は、上述した、小窓が三方を分離用溝で囲まれ
ていた方が、一方のみに分離用溝が存在する場合と比較
してエミッタに到達する転位数が少ない、という知見に
基づいてなされたものである。本実施例では、先の実施
例と同様のサイズの小窓12を設け、その小窓の間のシリ
コン基板内に、絶縁物で充填された分割用溝9aを配置し
ている。この分割用溝9Aは、絶縁分離用溝9と一体に形
成された領域である。分割用溝9aの効果を最大限に引き
出すには、できる限り拡散層と溝の距離を近づける必要
がある。この距離として0.2μmを設定した場合には、
ピークリン濃度として7×1020atoms/cm3程度までドー
ピングが可能となった。この場合、rSCは約25Ωの値と
なり、先の実施例と比較してさらに40%の改善が達成で
きた。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明は、拡散窓を複数の小窓
に分割し、多結晶シリコン膜を介して拡散層を形成する
ものであるので、本発明によれば、転位の発生を抑制し
つつ、拡散層の不純物濃度を高めることができる。した
がって、本発明によれば、寄生抵抗を低減せしめてデバ
イスの性能向上が達成でき、また、デバイスが小型化さ
れた際には、性能を維持しつつ歩留りの低下を防止する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は、本発明の第1の実施例を示す平面図、
第1図(b)は、そのI−I線断面図、第2図(a)
は、本発明の第2の実施例を示す平面図、第2図(b)
は、そのII−II線断面図、第3図(a)は、従来例を示
す平面図、第3図(b)は、そのIII−III線断面図、第
4図は、リンのピーク濃度と転移数との関係を示すグラ
フ、第5図は、拡散窓の寸法と転移数との関係を示すグ
ラフである。 1……p型シリコン基板、2……高濃度n型埋め込みコ
レクタ層、3……n型エピタキシャル層、4……p型ベ
ース層、5……n型エミッタ層、6、6a……高濃度n型
拡散層、7、7a、8……多結晶シリコン膜、9……絶縁
分離用溝、9a……分割用溝、10……絶縁膜、11a、11b、
11c……電極引き出し用窓、12……小窓。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】すなくともバイポーラトランジスタを有す
    る半導体装置において、前記バイポラトランジスタのコ
    レクタ電極引き出し領域には、互いに独立した複数の小
    窓を有する絶縁膜を介してコレクタ引き出し電極となる
    多結晶シリコン層が接続され、該多結晶シリコン層から
    前記複数の小窓を通して拡散される不純物によりコレク
    タコンタクト領域が形成されていることを特徴とする半
    導体装置。
  2. 【請求項2】前記小窓は矩形状であり、各辺が2μm以
    下である請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】前記複数の小窓のうち隣り合う小窓間には
    分割用溝が形成されている請求項1記載の半導体装置。
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