(57)【要約】【課題】  相補型バイポーラトランジスタで、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタの両方のエミッタ領域を多結晶シリコン膜から添加された不純物を同時に拡散させながら、その拡散深さを同程度で目標の浅い拡散層を形成し、しかも他の拡散層に影響を与えることなく、高特性の相補型のバイポーラトランジスタを得るための製造方法を提供する。【解決手段】  ＰＮＰトランジスタのエミッタ領域を形成する部分の多結晶シリコン膜９にボロンイオンを注入し、イオン注入されたボロンを低温の熱処理により、多結晶シリコン膜内に拡散し、ＮＰＮトランジスタのエミッタ領域を形成する部分の多結晶シリコン膜９にリンイオンを注入し、高温で短時間の熱処理を行うことにより、多結晶シリコン膜中のボロンイオンおよびリンイオンをそれぞれＰＮＰとＮＰＮのトランジスタのベース領域７、８中に同時に拡散して、それぞれのエミッタ領域１６、１７を形成する。【選択図】        図１
2008117983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の半導体基板上に互いに電気的に分離された縦型の第１のバイポーラトランジスタと、該第１のバイポーラトランジスタと導電型が逆で縦型の第２のバイポーラトランジスタとを形成する半導体装置の製造方法であって、
前記第１および第２のバイポーラトランジスタのコレクタ層およびベース領域がそれぞれ形成された半導体基板表面に、前記第１および第２のバイポーラトランジスタそれぞれのエミッタ電極とする多結晶シリコン膜を同時に形成する第１工程と、
前記第１のバイポーラトランジスタにおいて、前記多結晶シリコン膜を拡散源としてエミッタ領域を形成するために前記多結晶シリコン膜にボロンイオンを注入する第２工程と、該イオン注入されたボロンイオンを前記多結晶シリコン膜中に拡散するため第１の熱処理を行う第３工程と、
前記第２のバイポーラトランジスタにおいて、前記多結晶シリコン膜を拡散源としてエミッタ領域を形成するために前記多結晶シリコン膜にリンイオンを注入する第４工程と、
前記多結晶シリコン膜中のボロンイオンおよびリンイオンをそれぞれ前記第１および第２のバイポーラトランジスタのベース領域中に拡散することによりそれぞれのエミッタ領域を形成するため前記第１の熱処理より高い温度で第２の熱処理を行う第５工程
とを有する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相補型バイポーラトランジスタを有する半導体装置の製造方法に関する。さらに詳しくは、ＰＮＰ型とＮＰＮ型のトランジスタのエミッタ領域を同一工程で多結晶シリコン膜から不純物を拡散して形成しながら、その拡散深さを同程度に制御することができる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の高性能バイポーラトランジスタは、光通信、オペアンプおよびコンパレータなどの各種アナログ回路用素子、さらには、デジタル回路およびアナログ回路混載のＤＡ／ＡＤコンバータとしても広く用いられている。このような高性能バイポーラトランジスタを製造する場合、相補型バイポーラトランジスタの製造プロセスが用いられ、ＮＰＮトランジスタとＰＮＰトランジスタを使い分けて、最適な信号経路を構成することができる。
【０００３】
ところが、相補型のバイポーラトランジスタを形成するに当っては、ＮＰＮトランジスタとＰＮＰトランジスタのそれぞれのエミッタ領域を形成する不純物の拡散係数が大きく異なるため、同一の熱処理で形成しようとすると、エミッタ領域の拡散深さが異なってしまう。たとえばＮＰＮトランジスタのエミッタ領域の不純物としてヒ素を用い、ＰＮＰトランジスタのエミッタ領域の不純物としてボロン（ホウ素）を用いると、ヒ素よりもボロンの拡散係数が大きいため、ＮＰＮトランジスタのエミッタ領域よりもＰＮＰトランジスタのエミッタ領域が深くなる。エミッタ領域の深さが異なるということは、ベース幅の制御を困難にし、結果的にベース幅を広くせざるを得ないため、高速化も難しくなる。
【０００４】
ここで、多結晶シリコン膜に添加された不純物を拡散してエミッタ領域を形成する例として、上記のような技術をとり入れた従来の相補型バイポーラトランジスタの形成プロセスならびに構造例について、図面を参照ながら説明をする。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、ＰＮＰトランジスタのエミッタ領域の不純物としてボロンを用い、ＮＰＮトランジスタのエミッタ領域の不純物としてヒ素を用いた場合の相補型バイポーラトランジスタにおいて、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタの部分の製造プロセスならびに構造例を示している。
【０００５】
まず、ＰＮＰトランジスタを形成するためのＰ+コレクタ埋め込み層１とＰ-コレクタ層２と素子分離酸化膜３をそれぞれ形成し、同様に、ＮＰＮトランジスタを形成するためのＮ+コレクタ埋め込み層４とＮ-コレクタ層５と素子分離酸化膜３をそれぞれ形成する。続いて、シリコン酸化膜６を全面に堆積し、このシリコン酸化膜６を通して、Ｎ型ベース領域７、Ｐ型ベース領域８をイオン注入によりそれぞれ形成する。さらに、ＰＮＰトランジスタおよびＮＰＮトランジスタのエミッタ領域形成場所のシリコン酸化膜６に開口部を形成しエミッタ電極とする多結晶シリコン膜９を全面に堆積する（図３（ａ）参照）。
【０００６】
その後、ＮＰＮトランジスタのエミッタ領域を形成する部分の多結晶シリコン膜９に、フォトレジストマスク１０を使用して、ヒ素（Ａｓ）イオンを注入し、ヒ素注入領域２４を形成する（図１（ｂ）参照）。同様に、ＰＮＰトランジスタのエミッタ領域を形成する部分の多結晶シリコン膜９にフォトレジストマスク１３を使用して、ボロン（Ｂ）イオンを注入し、ボロン注入領域１１を形成する（図１（ｃ）参照）。その後、多結晶シリコン膜９をパターニングして、エミッタ電極１２、１５を形成した後、窒素雰囲気下で、たとえば１０５０℃、２０秒のランプ加熱処理を行い、ボロンとヒ素をエミッタ電極１２、１５からベース領域７、８中に固相拡散させ、Ｐ型エミッタ領域１６とＮ型エミッタ領域１７をそれぞれ形成する（図１（ｄ）参照）。このように、多結晶シリコン膜の形成プロセ
スを用いることにより、相補型のバイポーラトランジスタを得ることができる（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−１６３８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のように、ＰＮＰトランジスタのエミッタ領域１１を形成するための不純物としてはボロンが、ＮＰＮトランジスタのエミッタ領域１２を形成するための不純物としてはヒ素が、それぞれ一般的に用いられている。この場合、ヒ素を半導体層中（ベース領域８）に適切に拡散させるためには、１０００℃以上の高温の熱処理が必要であるが、ボロンはヒ素よりも拡散しやすいため、ヒ素の拡散を充分に行おうとすると、ボロンの拡散領域（Ｐ型のエミッタ領域１１）が深くなってしまうという問題がある。
【０００８】
この問題を解決するため、ＮＰＮトランジスタのエミッタ領域の不純物として、ヒ素よりも拡散しやすいリンを使用して、拡散の際の熱処理温度を低下させる試みもなされている。しかし、熱処理温度を低くすると、ＰＮＰトランジスタのエミッタ領域を形成する不純物であるボロンが充分に半導体層（ベース領域）中に拡散せず、目標とするＰＮＰトランジスタの特性が得られないという問題が生じる。
【０００９】
一方、バイポーラトランジスタの製造方法で、ヒ素が添加された多結晶シリコン膜からボロンが添加されたベース領域に不純物を拡散させることにより、エミッタ領域を形成する場合に、９００℃で３０分程度の高温で長時間の熱処理を行うと、ベース領域を形成する不純物の再分布が生じ、ベース幅が広がってしまうという問題が生じてしまう。これを解決するため、８５０℃程度の低温で、多結晶シリコン膜へのヒ素の拡散を充分に行い、その後、１１００℃、０.０９分という比較的高温短時間の熱処理で不純物の活性化を行
うことにより、ベース領域の再分布という問題をなくし、エミッタ領域の低抵抗化を図る方法が知られている（たとえば、特開平３−１０６０３３号参照）。しかし、この方法は、ボロンを添加したベース領域中に、ベース領域の拡散深さを余り変化させない（ボロンの拡散が進行しない）ように、エミッタ領域を形成する方法であって、低温の熱処理においても、ベース領域中へのヒ素の拡散は既に行われており、相補型のバイポーラトランジスタにおいて、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタのエミッタ領域を同時に拡散させてその深さをほぼ等しく、かつ、浅く形成する方法には適用することができない。
【００１０】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、相補型バイポーラトランジスタで、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタの両方のエミッタ領域を多結晶シリコン膜から添加された不純物を同時に拡散させながら、その拡散深さを同程度で目標の浅い拡散層を形成し、しかも、他の拡散層に影響を与えることなく、高特性の相補型のバイポーラトランジスタを得るための製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による半導体装置の製造方法は、同一の半導体基板上に互いに電気的に分離された縦型の第１のバイポーラトランジスタと、該第１のバイポーラトランジスタと導電型が逆で縦型の第２のバイポーラトランジスタとを形成する半導体装置の製造方法であって、前記第１および第２のバイポーラトランジスタのコレクタ層およびベース領域がそれぞれ形成された半導体基板表面に、前記第１および第２のバイポーラトランジスタそれぞれのエミッタ電極とする多結晶シリコン膜を同時に形成する第１工程と、前記第１のバイポーラトランジスタにおいて、前記多結晶シリコン膜を拡散源としてエミッタ領域を形成するために前記多結晶シリコン膜にボロンイオンを注入する第２工程と、該イオン注入されたボロンイオンを前記多結晶シリコン膜中に拡散するため第１の熱処理を行う第３工程と、前記第２のバイポーラトランジスタにおいて、前記多結晶シリコン膜を拡散源としてエミ
ッタ領域を形成するために前記多結晶シリコン膜にリンイオンを注入する第４工程と、前記多結晶シリコン膜中のボロンイオンおよびリンイオンをそれぞれ前記第１および第２のバイポーラトランジスタのベース領域中に拡散することによりそれぞれのエミッタ領域を形成するため前記第１の熱処理より高い温度で第２の熱処理を行う第５工程とを有している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による半導体装置の製造方法によれば、相補型バイポーラトランジスタのＰＮＰトランジスタのエミッタ領域の不純物としてボロンを用い、ＮＰＮトランジスタのエミッタ領域の不純物としてリンを用い、まず、ボロンイオンを多結晶シリコン膜中に注入してから低温で多結晶シリコン膜中に充分に拡散させ、その後にＮＰＮトランジスタのエミッタ領域用のリンイオンを多結晶シリコン膜中に注入して、その後に、ボロンとリンの両方を同時に、高温で短時間の熱処理により半導体結晶であるベース領域内に拡散しているため、拡散速度の遅いボロンは、半導体結晶層の表面に既に到達しており、ベース領域の表面から拡散し始めるのに対して、拡散速度の速いリンは、多結晶シリコン膜の表面に注入された状態から拡散し始めることになり、高温で短時間の熱処理により、ボロンとリンをベース領域内に同程度の深さで拡散させることができる。その結果、エミッタ領域が浅くて等しい拡散深さのＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタが得られ、双方のトランジスタ特性の向上した相補型バイポーラトランジスタが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体装置の製造方法について説明をする。図１は、本発明の一実施形態である相補型の縦型バイポーラトランジスタの製造工程を示す図で、ＰＮＰトランジスタ（第１のバイポーラトランジスタ）部分とＮＰＮトランジスタ（第２のバイポーラトランジスタ）部分とを分離して並べて示してあるが、これらは、同一の半導体基板上に互いに電気的に分離されて形成されている。以下、図面を参照しながら、本発明の製造方法について説明をする。
【００１４】
まず、図１（ａ）に示されるように、図示しない半導体基板表面に、不純物拡散と半導体層のエピタキシャル成長などにより、ＰＮＰトランジスタを形成する部分に、Ｐ+コレ
クタ埋め込み層１とＰ-コレクタ層２と素子分離酸化膜３を形成し、ＮＰＮトランジスタ
を形成する部分に、Ｎ+コレクタ埋め込み層４とＮ-コレクタ層５と素子分離酸化膜３を形成する。そして、全面にシリコン酸化膜６を堆積し、このシリコン酸化膜６を通して、Ｎ型ベース領域７、Ｐ型ベース領域８を、それぞれイオン注入法により不純物を導入して形成する。その後、それぞれのトランジスタのエミッタ領域を形成する部分のシリコン酸化膜６に開口部を形成し、その表面の全体に、たとえばＣＶＤ法などにより、多結晶シリコン膜９を、たとえば１５０ｎｍ程度の厚さに堆積する（第１工程）。
【００１５】
つぎに、図１（ｂ）に示されるように、フォトレジスト膜１０を全面に形成して、ＰＮＰトランジスタのエミッタ電極を形成する部分を開口して多結晶シリコン膜９を部分的に露出させたマスクとし、イオン注入法により露出した多結晶シリコン膜９にＢＦ2イオン
を注入する（第２工程）。なお、この状態では、イオン注入されたボロン注入領域１１は、図１（ｂ）のＰＮＰトランジスタの部分に示されるように、多結晶シリコン膜９の表面側に偏っている。少なくとも、注入されるイオン種が多結晶シリコン膜９を突き抜けないように、イオン注入条件を設定する。
【００１６】
その後、図１（ｃ）に示されるように、たとえば８５０℃程度の低温（ボロンが多結晶シリコン膜では拡散するが、シリコン単結晶層内には殆ど拡散しない程度の温度）で、たとえば電気炉による熱処理を３０分程度行い、イオン注入された範囲の多結晶シリコン膜９にボロンを拡散させて、ＰＮＰトランジスタのエミッタ電極１２を形成する（第３工程
）。この際、熱処理の温度が高すぎると、多結晶シリコン膜９内のみならず、半導体結晶層（ベース領域７）まで拡散が進んで、最終的なエミッタ領域とするＰ型領域が深い分布となるため、上げすぎないようにする必要がある。
【００１７】
さらに、図１（ｄ）に示されるように、表面全面にレジスト膜１３を形成して、ＮＰＮトランジスタのエミッタ電極を形成する部分を開口して多結晶シリコン膜９を部分的に露出させたマスクとし、イオン注入法により露出した多結晶シリコン膜９にリンイオンを注入する（第４工程）。なお、この状態でも、イオン注入されたリン注入領域１４は、図１（ｄ）のＮＰＮトランジスタに示されるように、多結晶シリコン膜９の表面側に偏っている。少なくとも、注入されるイオン種が多結晶シリコン膜９を突き抜けないように、イオン注入条件を設定する。
【００１８】
その後、図１（ｅ）に示されるように、多結晶シリコン膜９をパターニングして、両トランジスタのエミッタ電極１２、１５およびその電極と接続される図示しない内部配線とを残し、それ以外の多結晶シリコン膜９を除去する。そして、たとえば窒素雰囲気中でランプ加熱により、たとえば９６０℃程度で、１０秒程度の高温で短時間の熱処理を行う。これにより、エミッタ電極１２、１５中のボロンおよびリンを、シリコン酸化膜６の開口部から、それぞれＰＮＰトランジスタおよびＮＰＮトランジスタのベース領域７、８中に拡散させ、それぞれのＰ型エミッタ領域１６およびＮ型エミッタ領域１７を、たとえば共に５０〜１００ｎｍ程度の深さに形成する（第５工程）。この際、熱処理の温度が低すぎると、リンもしくはボロンが充分に半導体結晶層（ベース領域７、８）に拡散せず、バイポーラトランジスタのベース再結合電流が大きくなってしまうし、熱処理の温度が高すぎたり、処理時間が長すぎたりすると、リンの拡散が大きくなり、最終的なエミッタ領域１７とするＮ型領域が深い分布となって浅いＮ型領域を形成することができなくなる。そのため、熱処理の温度および時間を制御する必要がある。
【００１９】
上述の方法で製造した相補型バイポーラトランジスタのエミッタ領域における不純物濃度の深さ方向の分布が図２に示されている。図２（ａ）はＰＮＰトランジスタのエミッタ領域におけるボロン濃度の分布を示す図で、図２（ｂ）はＮＰＮトランジスタのエミッタ領域におけるリン濃度の分布を示す図である。多結晶シリコン膜（エミッタ電極）の表面を０として、その表面からの半導体基板側への寸法を横軸にとってある（多結晶シリコン膜の厚さが１５０ｎｍ）。図２から明らかなように、表面からの不純物濃度分布は、ボロンの場合とリンの場合でほぼ同様の分布となっており、１.０×１０18／ｃｍ3の濃度に達する深さも２００ｎｍと１８５ｎｍ程度とほぼ同じであり、エミッタ領域の深さがほぼ同じとなる。
【００２０】
以上のように、本発明によれば、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタのエミッタ領域の不純物として、それぞれボロンとリンを用い、拡散速度の遅いボロンを予め多結晶シリコン膜中に拡散してベース領域の表面から直接拡散できる状態にしておいて、多結晶シリコン膜の表面にイオン注入した拡散速度の速いリンとボロンとを同時に高い温度で短時間の熱処理により拡散させているため、浅い拡散深さを同程度に形成することができる。その結果、同一工程で拡散を行いながら、Ｐ型エミッタ領域１６とＮ型エミッタ領域１７とで不純物分布をほぼ同じにすることができ、高特性の相補型バイポーラトランジスタが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による相補型バイポーラトランジスタのＰＮＰトランジスタ部分とＮＰＮトランジスタ部分の製造工程を示す図である。
【図２】図１の方法により製造した相補型バイポーラトランジスタの多結晶シリコン膜表面からのエミッタ領域の基板側への不純物濃度の分布を示す図である。
【図３】従来の相補型バイポーラトランジスタのＰＮＰトランジスタ部分とＮＰＮトランジスタ部分の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    Ｐ+埋め込み層
２    Ｐ-コレクタ層
３    素子分離酸化膜
４    Ｎ+埋め込み層
５    Ｎ-コレクタ層
６    シリコン酸化膜
７    Ｎ型ベース領域
８    Ｐ型ベース領域
９    多結晶シリコン膜
16    Ｐ型エミッタ領域
17    Ｎ型エミッタ領域
【図１】
2008117983.tif 000003
【図２】
2008117983.tif 000004
【図３】
2008117983.tif 000005