JPH0341735A - 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、高性能化された大規模集積（Ｌａｒｇｅ　　
５ｃａｌｅ　　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ、ＬＳＩ）回路
の製作に要求される、半導体装置およびその製造方法に
関し、特に非晶質層の再結晶化を利用して薄いベース層
を有することを特徴とする高速バイポーラトランジスタ
およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕 大規模集積回路（ＬＳＩ）は高性能化、高集積化に向け
て研究が進められているが、その要となる高速バイポー
ラトランジスタを実現するためには、バイポーラトラン
ジスタのベース層として用いられる不純物層として、深
さが０．１μｍ程度以下の浅い接合が必要不可欠である
。従来、シリコン（Ｓｔ）基板に接合を形成する方法と
しては、Ｐ″ＮＮ接合成する場合にはＮ型シリコン基板
に対して硼素（Ｂ）を、Ｎ″ＰＰ接合成する場合にはＰ
型シリコン基板に対して砒素（Ａｓ）あるいは燐（Ｐ）
をイオン注入し、電気炉中でアニールするという手法が
用いられてきた。しかし、アニール時の不純物の拡散の
ために、浅い接合を形成するのは困難であった。このた
め、従来の電気炉アニールの代わりに、不純物の拡散を
あまり起こさせないで活性化できるランプアニールが、
浅い接合形成を可能にする有力な手法として用いられて
いた。

しかし、浅い接合形成に必要不可欠な低エネルギイオン
注入を行うと、特にＰ″Ｎ接合形戒形成いるＢの場合に
は、低指数の結晶軸方向からずらしてイオン注入しても
、チャネリングが起き不純物が深くまで浸入し、°接合
を浅く形成できないという問題点があった。上記のチャ
ネリングを抑えるためには、例えばＢのイオン注入の前
に電気的特性に影響を与えないイオン、例えばＳｔのイ
オン注入により、Ｓｔ基板の表面付近を非晶質化すると
いう方法が提案されている。この方法によれば、非晶質
へのイオン注入となるためチャネリングを防止でき、浅
い接合の形式が可能であるが、非晶質化のためのＳｉの
イオン注入により導入される結晶欠陥の影響のために、
接合ダイオードのリーク電流が大きくなり、良好な電流
−電圧特性を持つ浅い接合を形成できないという問題点
かあつた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、従来の浅いＰＮ接合形載接術の以上の
ような問題点を解決し、リーク電流の抑制された良好な
電流−電圧特性を持つ極めて浅い接合を形成する工程を
含み、浅いベース接合を有することを特徴とするバイポ
ーラトランジスタよりなる半導体装置およびその製造方
法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

まず、本発明の骨子である非晶質化による浅い接合形成
技術について述べる。ＮＰＮバイポーラトランジスタの
ベース接合形成への応用を例として、ここでは不純物イ
オンとして例えばＢの場合について述べるが本発明の要
旨がこれに限定されるものではないことは明らかである
。当然のことながら、本発明はＮＰＮバイポーラトラン
ジスタに限られるものではなく、ＰＮＰパイポーラトラ
ンジスタであってもよい。非晶質化によりチャネリング
を完全に防止するためには、非晶質層の深さをＢのイオ
ン注入深さよりも深く形成する必要がある。ところが、
非晶質層へのＢのイオン注入後のアニール後、もとの非
晶質層とシリコン単結晶の界面付近に結晶欠陥が発生し
、この結晶欠陥のためにベース−コレクタ間のＰ″Ｎ接
合ダイオードのリーク電流が増大する等のダイオード特
性の劣化をもたらすことが明らかとなっている。種々の
実験的検討の結果、上記結晶欠陥が空乏層中にあるとき
にダイオード特性が劣化し、空乏層中にないときには良
好なダイオード特性を得ることができることがわかった
。同一出願人で、本願の発明者の一人が発明者の一人と
なっている、特開昭６３−１５５７２０号公報「半導体
装置の製造方法」においては、上記ダイオード特性の劣
化の問題点を解決するために、Ｂのイオン注入後のアニ
ールによる拡散で、接合位置を結晶欠陥の位置よりも深
くすることにより、良好なダイオード特性を持つ接合を
得ている。しかしながら、この接合形成のＭＯ３型電界
効果トランジスタ（Ｍｅｔａｅｌ　　０ｘｉｄｅ　　Ｓ
ｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔ。

ｒ　　　Ｆｉｅｊ２ｄ　　　Ｅｆｆｅｃｔ　　　Ｔｒａ
ｎｓｉｓｔ　ｏ　ｒ　：　ＭＯＳＦＥＴ）のソース、ド
レイン接合の形成への応用には有効であるが、バイポー
ラトランジスタのベース層の形成には有効ではない。

その理由は、バイポーラトランジスタのベース層内に結
晶欠陥を位置させるようにしても、エミッタ−ベース間
の接合あるいはベース−コレクタ間の接合の空乏層内に
結晶欠陥が位置することになり、バイポーラトランジス
タとしての特性が劣化するからである。

本発明は、非晶質化によりチャネリングを防止し、しか
もアニール時の拡散を起こさせることなく、良好なダイ
オード特性を持つ極めて浅いベース接合を形成する工程
を含むことを特徴とするバイポーラトランジスタからな
る半導体装置およびその製造方法を提供するものである
。本発明では拡散を起こさせないために非常に浅い接合
を形成することができるという特徴がある。特開昭６３
−１５５７２０号公報の開示内容においては、結晶欠陥
をＰ″層中、すなわち接合深さより浅い位置にすること
により良好なダイオード特性を得た。

これに対して本発明では、電圧を印加して動作をさせる
時のＰ″Ｎ接合面からＮ層中へ、もしくはＮ″Ｐ接合面
から１層中へ広がる空乏層の深さよりもさらに深い位置
に非晶質化に伴う結晶欠陥層を位置させることにより、
良好なダイオード特性を実現することを最も主要な特徴
とするものであり、バイポーラトランジスタのベース層
形成への応用を念頭においたものである。

〔作　用〕

本発明は半導体装置として特にバイポーラトランジスタ
に関し、重要な特徴はエミッタ、ベース各領域の接合深
さが５００Å以下と極めて浅いため高速なバイポーラト
ランジスタを実現しているわけである。従って、本発明
の半導体装置はバイポーラ型ＬＳＩに適用される高速バ
イポーラトランジスタとしての動作を行うわけである。

本発明によるバイポーラトランジスタの製造プロセス上
の特徴としてはイオン注入による非晶質層の形成後、浅
いベース接合のための低加速エネルギで所定の注入量の
イオン注入を行ない、同時に熱処理し、非晶質中層での
再拡散が抑制される性質を利用して５００人程度の浅い
ベース接合を形成すると同時に非晶質層を再結晶化し、
この再結晶化に伴うもとの非晶質層と単結晶層との界面
近傍の結晶欠陥層の位置（約〜１．５μｍ）を充分深く
形成する点にある。上記ベース層から拡がる空乏層の距
１（コレクタバイアス時）よりも結晶欠陥層を深く形成
することでベース−コレクタ間のＰＮ接合ダイオードの
リーク電流も抑制され、浅いベース接合を有する高速バ
イポーラトランジスタ動作が実現されている。

〔実施例〕

第１図は、本発明をバイポーラ型大規模集積回路（ＬＳ
Ｉ）の製造に適用した場合の一実施例であって、ＮＰＮ
バイポーラトランジスタの製造工程を示すものである。

第１図中、ｌはＰ型Ｓｉ基板、２はＮ゛コレクタ埋込み
層、３はＮ゛コレクタ拡散層、４はＮ型コレクタ層、５
はフィールド酸化膜、６はＰ型ベース高濃度拡散層、７
は非晶質層と単結晶の界面、８はＰ型ベース層、９は非
晶質層形成のためのイオン注入に伴う結晶欠陥、１０は
ＣＶＤ５ｉＯ□、１１はＮ”　　Ｃ高濃度Ａｓ添加）多
結晶シリコン、１２はＮ゛工ξツタ層、１３は眉間絶縁
膜、１４はＡｌ電極である。ここでＮ゛コレクタ埋込み
層２及びＮ９コレクタ拡散層３及びＮ型コレクタ層４か
らなる領域は全体としてバイポーラトランジスタのコレ
クタとして動作することから、コレクタ部と呼ばれる領
域である。まず、第１図（ａ）に図示するように、通常
のバイポーラＬＳＩの製造工程に従ってＮ１コレクタ埋
め込み層２を形成し、エピタキシャル成長により厚さ１
μｍのＮ型Ｓｉ層を形成することによりＮ型コレクタＮ
４を形成する。さらに、厚さ５０００人のフィールド酸
化膜５、Ｎ＋コレクタ拡散Ｎ３を形成してＮ１コレクタ
埋め込み層２とＮ“コレクタ拡散層３及びＮ型コレクタ
層４からなるバイポーラトランジスタのコレクタ部を形
成後、例えばＢのイオン注入と窒素雰囲気中での熱処理
（アニール）により高濃度Ｂドープ層であるＰ型ベース
高濃度拡散層６を形成する。次に、第１図（ｂｌに図示
するように、Ｐ型ベース層形成のためのイオン注入に先
立って、Ｓｔイオンを例えばイオン注入条件（加速エネ
ルギ及び注入量）として以下の多段イオン注入の条件、
即ち、１５０ｋｅＶ、２　ｘ　１０　＋ｓｃｍ−ｔ、５
００ｋｅＶ、３Ｘ１０”Ｃｍ−”　　ＩＭｅＶ、４Ｘ１
０１Ｓｃｐｎ−”の条件でイオン注入し、Ｓｉ基板中に
非晶質層を形成する。当然のことながら、所望の非晶質
化すべき領域が浅い場合には、所定の注入エネルギ及び
注入量を有する１回のイオン注入を用いることもある。

このように、多段にイオン注入を行うことにより、表面
から１．５μｍの深さまでのすべての領域にわたって非
晶質層を形成することができる。このように２種類以上
の注入エネルギで重ねてイオン注入（多段イオン注入）
する場合には、その内の最大の注入エネルギでＳｉ表面
からの非晶質層の深さが決定される。また多段イオン注
入において多種類のイオンを用いる場合もある。第１図
（ｂｌに図示されるように、本発明の実施例で開示した
Ｓｔの多段イオン注入の条件では、非晶質層と単結晶の
界面７はＮ゛コレクタ埋込み層２中に存在することにな
る。次に、第１図（Ｃ）に図示するように、ベースとし
て用いる浅いＰＮ接合を形成するために、ＢＦ２イオン
を所定の低加速エネルギ及び所定ノ注入量トシテ例えば
１５　ｋ　ｅ　Ｖ　％　Ｉ　Ｘ　１０　”ｃｍ−”の条
件でイオン注入する。ここで、ＢＦ２イオンを用いた理
由は、低エネルギのＢイオンを得るためで、１５ｋｅＶ
のＢＦ、イオン注入は３゜４ｋｅＶのＢイオン注入と同
等である。しかる後に、第１図１ｄｌに図示するように
、熱処理、例えば９５０℃、１５秒の条件でランプアニ
ールを行い、イオン注入により導入されたＢの活性化を
行うとともに、非晶質層の再結晶化を行うことにより浅
いＰ型ベース層８を形成する。これにより非晶質層は単
結晶となるので、Ｓｉイオン注入はＰ型ベース高濃度拡
散層６、Ｐ型ベース層８及びＮ型コレクタ層４の抵抗等
の電気的特性には影響を与えなくなる。第２図は、Ｐ型
ベース層８中でのＢの深さ方向の濃度分布を示したもの
である。第２図中、実Ｗ　＜−＞がランプアニール後の
分布を表し、破線は（−一−）はイオン注入直後の分布
を表す。イオン注入したＢをアニールすると、イオン注
入に伴うダメージに基づく増速拡散のために、ランプア
ニールのような短時間アニールでも分布形状が拡がるこ
とが知られている。これに対して、非晶質層中では上記
の増速拡散が抑制されるので、活性化のためのアニール
ではＢはほとんど拡散せず、第２図に図示するように、
接合深さ５００人の極めて浅いＰＮ接合が形成される。

このとき、もとの非晶質層と単結晶の界面付近に非晶質
層形成のためのイオン注入に伴う結晶欠陥９が形成され
るが、この結晶欠陥の影響については後で詳しく述べる
。上記のバイポーラトランジスタによる半導体装置の製
造方法でＰ型ベース層８用の浅いＰＮ接合を形成した後
は、通常のパイボ−ラＬＳＩの製造工程に従って第１図
（ｅ）に図示するように、ＣＶＤ５　ｔｏｚ　　１０、
高濃度にＡｓを添加されたＮ゛多結晶シリコン１１を堆
積し、熱処理を行うことによりＮ゛工旦ツタ層Ｉ２を形
成する。具体的にはＣＶＤ５　ｉ○２１０を堆積後パタ
ーニングして窓開は後、Ｎ゛多結晶シリコンエ１を堆積
し熱処理でＡｓをＳｉ中へ拡散させて極めて浅く、かつ
高濃度にＮ゛エミツタ１１２形成している。このとき熱
処理条件としては、Ｐ型ベース層８中のＢの拡散が起き
ないように、あまり高温の熱処理は避ける必要がある。

本発明による実施例では、その熱処理条件として、例え
ば窒素雰囲気中、８００°Ｃ５１０分の条件で熱処理を
行なった。さらに、第１図（ｆ）に図示するように、眉
間絶縁膜１３を堆積後パターニングし、かっＡｌ電極１
４をパターン形成することでエミッタ、ベース、コレク
タ電極を形成し所望のＮＰＮバイポーラトランジスタが
製造される。

第１図（ｄｌ、（ｅｌ、（ｆｌに図示されるように、イ
オン注入で非晶質層を形成した場合には、アニール後、
もとの非晶質層と単結晶の界面付近に結晶欠陥が発生す
る。この結晶欠陥を９で表わしている。そして、この結
晶欠陥が半導体の空乏層中にあるときは生成再結合中心
として働くので、ＰＮ接合の逆方向のリーク電流の増大
等の電気的特性への悪影響をもたらす。本発明において
は、この非晶質化に伴う結晶欠陥がベース−コレクタ間
のＰＮ接合の空乏層中に存在しないようにすることによ
り、リーク電流の増大等の特性劣化が発生しないように
考慮している。第３図は、本発明による実施例として開
示した半導体装置の製造方法を用いて形成したバイポー
ラトランジスタの断面構造の拡大図であり、１５はベー
ス−コレクタ間のＰＮ接合の空乏層端である。第３図に
図示するように、動作状態ではベース−コレクタ間のＰ
Ｎ接合は逆方向にバイアスされるため、Ｐベース層８及
びＰ型ベース高濃度拡散層６とＮ型コレクタ層４との間
のＰＮ接合面より主としてＮ型コレクタ層４中に向けて
空乏層が伸びるが、この空乏層の深さＷ２が結晶欠陥９
より浅くなるように非晶質化のためのＳｔイオンの注入
エネルギ及び注入量を選定した。即ち、第３図に図示す
るＷｌがＷＩより大きくなるようにした。第３図におい
て、ＷｌはＳｉ表面より測った前記Ｓｉイオン注入に伴
う非晶質層の再結晶化に伴う結晶欠陥層までの距離を表
わし、Ｗ２は同じ（Ｓｉ表面より測ったＰベース領域部
分（８，６）からＮ型コレクタ層４中へ拡がる空乏層の
深さを表わしている。従って、本発明の半導体装置にお
いては、上記のＷＩの寸法がＷ２の寸法よりも大きくな
るように設計することで、空乏層の深さが結晶欠陥９よ
り明らかに浅くなり、結晶欠陥９の影響を受けないバイ
ポーラトランジスタが実現されるわけである。以上のよ
うに、本発明によれば、チャネリングおよびアニール時
の拡散を防止し、しかも良好な電流−電圧特性を持つ浅
い接合をベース層とする高速バイポーラトランジスタを
製造することができる。またＰ型ベース層８及びＰ型ベ
ース高濃度拡散層６は同じ程度の深さに形成されていて
もよく、必ずしもＰ型ベース高濃度拡散Ｎ６が深く形成
される必要はないことはもちろんでり、バイポーラトラ
ンジスタとしての動作上、最も重要な動作領域はあくま
でＰ型ベース層の深さである。

なお、以上の説明では非晶質化のためのイオン注入のイ
オン種としてはＳｉの場合を述べたが、他にＧｅ、Ａ、
ｒ等でもよいことはもちろんであり、最終的に電気的特
性に影響を与えないものであれば他のイオンであっても
よい。さらにまた今まで説明した非晶質層を形成するた
めの第１の工程においては、同種のイオンを多段に、し
かも注入エネルギを変えて注入することにより所定の深
さに形成したがまた複数のイオン種を用いて多段にイオ
ン注入を行なってもよいことはもちろんである。

このような多段に注入エネルギを変えてイオン注入を行
うことによって半導体表面からかなり深い範囲にわたっ
て全領域に非晶質層を形成することができるわけである
。また、接合形成のためのイオン種としてはＢＦ、の場
合を述べたが、もちろんＰ″ＮＮ接合合はＢ等他のもの
でもよく、Ｎ゛ＰＰ接合きには、Ａｓ、Ｐ等のイオンを
使用すればよい。さらに、熱処理手段としてはランプア
ニールを用いる場合を述べたが、他のアニール方法、例
えば電気炉アニール、電子ビームアニール、レーザアニ
ール等であってもよいことはいうまでもない。

以下、本発明の実施態様を述べる。即ち、本発明は、半
導体基板表面より形成されたエトンタ、ベース、コレク
タより槽底されたバイポーラトランジスタにおいて、ベ
ース−コレクタ間のＰＮ接合よりコレクタへ主として広
がる空乏層の深さよりも深い位置に、非晶質層再結晶化
に伴い発生する結晶欠陥層を配置したことを特徴とする
半導体装置であり、或いはまた具体的には、バイポーラ
トランジスタの製造工程において、コレクタ層及びコレ
クタ埋め込み層及びコレクタ拡散層よりなるコレクタ部
を形成後、半導体の電気的特性に影響を与えない不活性
な第一のイオンをイオン注入し、エミッタ領域、ベース
領域及びコレクタ領域とな−るべき領域および前記コレ
クタ埋め込み層の少なくとも一部を含む領域に非晶質層
を形成する第１の工程と、電気的に活性な第二のイオン
をイオン注入する第２の工程と、前記非晶質層の再結晶
化および該第二のイオン注入により導入された不純物の
活性化用熱処理を行う第３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に関するものであって、さら
にまたバイポーラトランジスタのコレクタ部を形成後、
半導体の電気的特性に影響を与えない不活性な第一のイ
オンをイオン注入し半導体表面に非晶ｔＮを形成する第
１の工程と、電気的に活性な第二のイオンをイオン注入
する第２の工程と、前記非晶質層および前記第のイオン
注入層を熱処理する第３の工程とを含み、前記第一のイ
オンのイオン注入の注入エネルギ、或いは二種類以上の
注入エネルギでイオン注入する場合はその内の最大の注
入エネルギは、該イオン注入により形成される非晶質層
を再結晶化したときに発生する結晶欠陥の深さが、バイ
ポーラトランジスタのベース−コレクタ接合の空乏層の
深さに一致するときの注入エネルギ、或いは二種類以上
の注入エネルギでイオン注入する場合はその内の最大の
注入エネルギよりも大きいことを特徴とする半導体装置
の製造方法に関し、或いはまた前記第３の工程において
前記非晶質層を再結晶化したときに発生する結晶欠陥の
深さを、前記゛バイポーラトランジスタのベース領域よ
りコレクタ層中に広がる空乏層の深さよりも深く形成す
るべく、前記第１の工程におけるイオン注入の注入量を
選定して非晶質層を形成する工程を含むことを特徴とす
る半導体装置およびその製造方法に関するものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、Ｓｉ表面よりか
なり深い位置にわたって非晶質化するので、イオン注入
時のチャネリングおよびアニール時の拡散を抑制するこ
とができ、浅いベース接合を形成できまた、もとの非晶
質層と単結晶の界面付近にできる結晶欠陥は空乏層が届
かない程度にまで深く形成されるので、リーク電流の少
ない良好なダイオード特性を持つ接合を得ることができ
るという利点があり５００人という極めて浅いベース接
合を持つ高速バイポーラトランジスタを製造できる等、
本発明の効果は大きいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明の一実施例を示した図、
第２図は本発明の実施例で示した方法で形成した浅い接
合のＢの深さ方向の濃度分布を示した図、第３図は本発
明の実施例で示したバイポーラトランジスタの断面構造
の拡大図しである。 １・・・Ｐ型Ｓｔ基板、２・・・Ｎ′″コレクタ埋め込
み層、３・・・Ｎ“コレクタ拡散層、４・・・Ｎ型コレ
クタ層、５・・・フィールド酸化膜、６・・・Ｐ型ベー
ス高濃度拡散層、７・・・非晶’ｘｉと単結晶の界面、
８・・・Ｐ型ベース層、９・・・非晶質層形成のための
イオン注入に伴う結晶欠陥、ｌＯ・・・ＣＶＤ５　ｉｏ
ｚ　、１１・・・Ｎ゛多多結クシ９３フ １３・・・層間絶縁膜、１４・・・Ａｌ電極、１５・・
・空乏層端 （ｅ） 第 図 ０．１ 深さ（、Ｌｌｍ） ０．２

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板表面より形成されたエミッタ、ベース
   、コレクタより構成されたバイポーラトランジスタにお
   いて、ベース−コレクタ間のＰＮ接合よりコレクタへ主
   して広がる空乏層の深さよりも深い位置に、非晶質層再
   結晶化に伴い発生する結晶欠陥層を配置したことを特徴
   とする半導体装置。
2. （２）バイポーラトランジスタの製造工程において、コ
   レクタ層及びコレクタ埋め込み層及びコレクタ拡散層よ
   りなるコレクタ部を形成後、半導体の電気的特性に影響
   を与えない不活性な第一のイオンをイオン注入しエミッ
   タ領域、ベース領域及びコレクタ領域となるべき領域お
   よび前記コレクタ埋め込み層の少なくとも一部を含む領
   域に非晶質層を形成する第１の工程と、 電気的に活性な第二のイオンをイオン注入する第２の工
   程と、 前記非晶質層の再結晶化および該第二のイオン注入によ
   り導入された不純物の活性化用熱処理を行う第３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。
3. （３）バイポーラトランジスタのコレクタ部を形成後、
   半導体の電気的特性に影響を与えない不活性な第一のイ
   オンをイオン注入し半導体表面に非晶質層を形成する第
   １の工程と、電気的に活性な第二のイオンをイオン注入
   する第２の工程と、前記非晶質層および前記第二のイオ
   ン注入層を熱処理する第３の工程とを含み、 前記第一のイオンのイオン注入の注入エネルギ、或いは
   二種類以上の注入エネルギでイオン注入する場合はその
   内の最大の注入エネルギは、該イオン注入により形成さ
   れる非晶質層を再結晶化したときに発生する結晶欠陥層
   の深さが、バイポーラトランジスタのベース−コレクタ
   接合の空乏層の深さに一致するときの、注入エネルギ、
   或いは二種類以上の注入エネルギでイオン注入する場合
   はその内の最大の注入エネルギ、よりも大きいことを特
   徴とする半導体装置の製造方法。
4. （４）前記第３の工程において前記非晶質層を再結晶化
   したときに発生する結晶欠陥の深さを、前記バイポーラ
   トランジスタのベース領域よりコレクタ層中に広がる空
   乏層の深さよりも深く形成するべく、前記第１の工程に
   おけるイオン注入の注入量を選定して非晶質層を形成す
   る工程を含むこと特徴とする前記請求項２もしくは前記
   請求項３のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。