JPS6346582B2 - - Google Patents

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JPS6346582B2
JPS6346582B2 JP54026353A JP2635379A JPS6346582B2 JP S6346582 B2 JPS6346582 B2 JP S6346582B2 JP 54026353 A JP54026353 A JP 54026353A JP 2635379 A JP2635379 A JP 2635379A JP S6346582 B2 JPS6346582 B2 JP S6346582B2
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JP
Japan
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region
collector
conductivity type
semiconductor layer
insulating film
Prior art date
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Application number
JP54026353A
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Japanese (ja)
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JPS55118665A (en
Inventor
Hiromi Sakurai
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CHO ERU ESU AI GIJUTSU KENKYU KUMIAI
Original Assignee
CHO ERU ESU AI GIJUTSU KENKYU KUMIAI
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Publication date
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Priority to JP2635379A priority Critical patent/JPS55118665A/en
Publication of JPS55118665A publication Critical patent/JPS55118665A/en
Publication of JPS6346582B2 publication Critical patent/JPS6346582B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers

Landscapes

  • Bipolar Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置にかかわるもので、特に
超高速論理LSI用バイポーラトランジスタに関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to semiconductor devices, and particularly to bipolar transistors for ultra-high-speed logic LSIs.

従来から、超高速論理LSI用バイポーラトラン
ジスタとして酸化膜分離を具備する構造のトラン
ジスタが多く用いられ、例えばベル研究所の
OXIM(Oxide Isolated Monolith)構造、フエ
アチヤイルド・セミコンダクタ社のアイソプレー
ナ構造、シーメンス社のOXIS(Oxide
Isolated Semiconductor)が公知であり、これ
らの構造により、従来多く使われていたTTLト
ランジスタに比べると素子面積が60%程度に低減
し、かつコレクタ・ベース接合面積が40%程度に
低減できることから、バイポーラ超高速論理LSI
の集積度、遅延時間・電力積の非常に小さい回路
が構成できるようになつた。
Traditionally, transistors with an oxide film isolation structure have been widely used as bipolar transistors for ultra-high-speed logic LSIs, such as the one from Bell Laboratories.
OXIM (Oxide Isolated Monolith) structure, Fair-Child Semiconductor's isoplanar structure, Siemens' OXIS (Oxide
These structures reduce the element area to about 60% and the collector-base junction area to about 40% compared to the conventionally widely used TTL transistor. Ultra high speed logic LSI
It has become possible to construct circuits with extremely low integration, delay time, and power product.

以下、この種の全イオン注入セルフアラインコ
ンタクト(Fully Implanted Self―Aligned
Contact)(ISAC―)構造のトランジスタを例
に取つて説明する。第1図は従来のISAC―構
造トランジスタの要部の縦断面図である。第1図
において、1は比較的低不純物濃度(1014cm-3
のP形シリコンからなる半導体基板、2は半導体
基板1の上面部の所定部分にアンチモンまたはヒ
素をイオン注入・アニーリングして形成され一部
は次記のN形エピタキシヤル成長半導体層に浮き
上つているN+形埋込みコレクタ領域、3は埋込
みコレクタ領域2上を含めて半導体基板1上に形
成されN形のシリコンからなるエピタキシヤル成
長半導体層(以下、「エピタキシヤル層」と略称
する)、4は半導体基板1の上面部の埋込みコレ
クタ領域2が形成されていない部分に形成された
P形のチヤネルカツト領域、5は埋込みコレクタ
領域2の周縁部およびそれより外部のシリコンを
酸化して酸化ケイ素とするか、その部分のシリコ
ンを除去してガラスを埋めて形成された絶縁分離
膜、6はエピタキシヤル層3のベース領域となる
べき部分の後述のコレクタ領域側にホウ素をイオ
ン注入・アニーリングして形成されたP+形の活
性ベース領域、7はエピタキシヤル層3のベース
領域となるべき部分の後述のコレクタ領域と反対
側にホウ素を活性ベース領域6より高濃度にイオ
ン注入・アニーリングして形成されたP+形の非
活性ベース領域、8は絶縁分離膜5に囲まれたエ
ピタキシヤル層3上に、活性ベース領域6および
非活性ベース領域7のアニーリングのため、
CVD法などで形成された酸化ケイ素膜などの絶
縁膜、9は絶縁膜8に設けた開口部を通じて活性
ベース領域6の表面部にヒ素をイオン注入して形
成されたN+形のエミツタ領域、10は絶縁膜8
に設けた開口部を通じてN形のエピタキシヤル層
の表面部にヒ素をイオン注入して形成されたN+
形コレクタ領域、11,12および13は絶縁膜
8に設けた開口部を通じてそれぞれ非活性ベース
領域7、エミツタ領域9およびN+形コレクタ領
域10に接着されたベース電極、エミツタ電極お
よびコレクタ電極である。
Below, this type of fully implanted self-aligned contact (Fully Implanted Self-Aligned Contact)
This will be explained using a transistor with ISAC-) structure as an example. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the main parts of a conventional ISAC-structure transistor. In Figure 1, 1 is a relatively low impurity concentration (10 14 cm -3 )
A semiconductor substrate 2 made of P-type silicon is formed by ion implantation and annealing of antimony or arsenic into a predetermined portion of the upper surface of the semiconductor substrate 1, and a portion of the semiconductor substrate 2 floats onto the N-type epitaxially grown semiconductor layer described below. 3 is an epitaxially grown semiconductor layer (hereinafter abbreviated as "epitaxial layer") formed on the semiconductor substrate 1 including the buried collector region 2 and made of N type silicon; 5 is a P-type channel cut region formed in a portion of the upper surface of the semiconductor substrate 1 where the buried collector region 2 is not formed, and 5 is a P-type channel cut region formed in a portion of the upper surface of the semiconductor substrate 1 where the buried collector region 2 is not formed. Alternatively, the insulating isolation film 6 is formed by removing the silicon in that part and filling it with glass.Boron ion implantation and annealing are performed on the collector region side of the part that should become the base region of the epitaxial layer 3, which will be described later. The formed P + type active base region 7 is formed by ion implantation and annealing of boron at a higher concentration than the active base region 6 on the side opposite to the later-described collector region of the portion that should become the base region of the epitaxial layer 3. The inactive base region 8 of the P + type formed on the epitaxial layer 3 surrounded by the insulating isolation film 5 is subjected to annealing of the active base region 6 and the inactive base region 7.
An insulating film such as a silicon oxide film formed by a CVD method or the like; 9 an N + type emitter region formed by implanting arsenic ions into the surface of the active base region 6 through an opening provided in the insulating film 8; 10 is an insulating film 8
N
The collector regions 11, 12 and 13 are a base electrode, an emitter electrode and a collector electrode which are bonded to the inactive base region 7, the emitter region 9 and the N + collector region 10, respectively, through openings provided in the insulating film 8. .

この従来の絶縁物分離構造のバイポーラトラン
ジスタは、N+形の埋込みコレクタ領域2とP+
のチヤンネルカツト領域4ならびに絶縁分離膜5
によつてトランジスタ間または他の素子と分離す
る。従つて、TTLトランジスタにくらべると、
ベース・コレクタ接合容量CTCおよびコレクタ・
基板接合容量CTSがそれぞれ約1/2、約5/6程度に
低減する。超高速バイポーラLSIを作る上におい
て、使用トランジスタ構造の改善に関しては、周
波数特性を向上させる改善をすることが重要であ
る。そのためには、ベース抵抗(r′bb)の低減、
エミツタ・ベース接合容量CTE、ベース・コレク
タ接合容量CTC、コレクタ・基板接合容量CTSの低
減、狭いベース幅、および低いコレクタ抵抗とな
る構造が再現性よく実現しなければならない。ト
ランジスタの微細化による利点は上述のCTE
CTC、CTSの低減による効果を期待するものであ
り、例えば、3×4μm2の微細エミツタ構造のト
ランジスタにおいては、CTE=0.05pF、CTC
0.04pF、CTS=0.16pFの小容量となり、遮断周波
数fT=2MHzが得られ、このトランジスタを用い
たLSIにおいては、伝播遅延速度が0.05ns/ゲー
トのものが得られる。
This conventional bipolar transistor with an insulator isolation structure includes an N + type buried collector region 2, a P + type channel cut region 4, and an insulating isolation film 5.
to separate transistors or other elements. Therefore, compared to TTL transistors,
Base-collector junction capacitance C TC and collector
Substrate junction capacitance CTS is reduced to approximately 1/2 and approximately 5/6, respectively. When creating ultra-high-speed bipolar LSIs, it is important to improve the frequency characteristics of the transistor structure used. To achieve this, it is necessary to reduce the base resistance (r′ bb ),
A structure with reduced emitter-base junction capacitance C TE , base-collector junction capacitance C TC , collector-substrate junction capacitance C TS , narrow base width, and low collector resistance must be realized with good reproducibility. The advantages of transistor miniaturization are the above-mentioned CTE ,
We expect the effect of reducing C TC and C TS . For example, in a transistor with a fine emitter structure of 3 × 4 μm 2 , C TE = 0.05 pF, C TC =
It has a small capacitance of 0.04 pF, C TS =0.16 pF, a cutoff frequency f T =2 MHz, and an LSI using this transistor has a propagation delay speed of 0.05 ns/gate.

しかしながら、従来のトランジスタ構造では、
埋込みコレクタ領域2が、トランジスタのアクテ
イブ領域(つまりエミツタ直下部分)のみなら
ず、非活性ベース領域7の下まで広がらなければ
素子間分離が実現できず、従つて、CTSが、前述
の例でも分るように、接合容量の64%をしめる。
バイポーラLSIの高速化を企てる上においては、
従来構造ではたとえ微細化が進んだとしても、コ
レクタ・基板接合容量CTSを充分小さくできない
ため、高速化に限界があつた。
However, in the conventional transistor structure,
Unless the buried collector region 2 extends not only to the active region of the transistor (that is, the part directly below the emitter) but also to the bottom of the inactive base region 7 , isolation between elements cannot be achieved. As you can see, it accounts for 64% of the junction capacity.
When trying to speed up bipolar LSI,
With conventional structures, even if miniaturization progressed, the collector-substrate junction capacitance CTS could not be made sufficiently small, so there was a limit to speed increases.

本発明は上記のような従来の構造の欠点を除去
するためになされたもので、トランジスタのアク
テイブ領域直下にのみ埋込みコレクタ領域を設
け、トランジスタ接合容量中最も比率の多いコレ
クタ・基板接合容量CTSを大幅に低減せしめ、か
つベース・コレクタ接合容量CTCも低減させるこ
とにより、遮断周波数を大幅に高くした超高速論
理LSI用バイポーラ半導体装置を提供せんとする
ものである。
The present invention was made in order to eliminate the drawbacks of the conventional structure as described above, and by providing a buried collector region only directly under the active region of the transistor, the collector-substrate junction capacitance CTS , which has the largest ratio among transistor junction capacitances, can be reduced. The present invention aims to provide a bipolar semiconductor device for ultra-high-speed logic LSI that has a significantly higher cutoff frequency by significantly reducing the base-collector junction capacitance CTC .

以下、実施例に基づいて本発明を説明する。 Hereinafter, the present invention will be explained based on Examples.

第2図は本発明による半導体装置の一実施例の
要部の縦断面図である。第2図において、第1図
と同一符号は第1図にて示したものと同様なもの
を表わしている。2aはトランジスタのアクテイ
ブ領域の直下にのみ形成されたN+形の埋込みコ
レクタ領域、4aは半導体基板1の上面部の埋込
みコレクタ領域2aが形成されていない部分に形
成されたP+形のチヤネルカツト領域、14はチ
ヤネルカツト領域4aの上に形成され埋込みコレ
クタ領域2aの形成に使用された第1の酸化膜、
3aは埋込みコレクタ領域2a上および第1の酸
化膜14上に形成されたエピタキシヤル層であ
る。エピタキシヤル層3aの埋込みコレクタ領域
2a上の部分は単結晶領域となり、第1の酸化膜
14上の部分は多結晶領域となる。7aおよび1
5はエピタキシヤル層3aの多結晶領域に主要部
が形成されたP+形の非活性ベース領域およびN+
形の引出用コレクタ領域、16はその中に形成さ
れた活性ベース領域6、非活性ベース領域7aお
よび引出用コレクタ領域15を含めてエピタキシ
ヤル層3a上に形成された第2の酸化膜である。
第2の酸化膜16は第1の酸化膜と接する部分で
はこれと一体となる。
FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of a main part of an embodiment of a semiconductor device according to the present invention. In FIG. 2, the same reference numerals as in FIG. 1 represent the same components as shown in FIG. 2a is an N + type buried collector region formed only directly under the active region of the transistor, and 4a is a P + type channel cut region formed in a portion of the upper surface of the semiconductor substrate 1 where the buried collector region 2a is not formed. , 14 is a first oxide film formed on the channel cut region 4a and used for forming the buried collector region 2a;
3a is an epitaxial layer formed on the buried collector region 2a and on the first oxide film 14. A portion of the epitaxial layer 3a above the buried collector region 2a becomes a single crystal region, and a portion above the first oxide film 14 becomes a polycrystalline region. 7a and 1
5 is a P + type inactive base region whose main portion is formed in the polycrystalline region of the epitaxial layer 3a and an N +
A shaped leading collector region 16 is a second oxide film formed on the epitaxial layer 3a including the active base region 6, the inactive base region 7a and the leading collector region 15 formed therein. .
The second oxide film 16 is integrated with the first oxide film at the portion where it is in contact with the first oxide film.

次に、第2図に示した実施例の半導体装置を製
造する製造方法を第3図a〜jに示す主要製造工
程における縦断面図によつて説明する。まず、第
3図aに示すように、P形シリコンからなる半導
体基板1の表面全面にホウ素をイオン注入して、
後工程でチヤネルカツト領域4aを形成するP+
形層4xを形成する。次に、第3図bに示すよう
に、P+形層4xの表面を酸化して第1の酸化膜
14を形成する。次に、第3図cに示すように、
第1の酸化膜14に開口部を設け、その開口部を
通じて半導体基板1にヒ素をイオン注入して後工
程で埋込みコレクタ領域2aとなるN+層2xを
形成する。このとき、P+形層4xはチヤネルカ
ツト領域4aとなる。次に、第3図dに示すよう
に、N+形層2xおよび第1の酸化膜14上に全
面的にエピタキシヤル層3aを形成する。このと
き、第1の酸化膜14上のエピタキシヤル層3a
は多結晶となり、N+形層2xの露出表面上のエ
ピタキシヤル層3aは単結晶となる。また、N+
形層2xはその一部がエピタキシヤル層3a中に
浮き上ることによつて埋込みコレクタ領域2aと
なる。次に、第3図eに示すように、エピタキシ
ヤル層3aの引出用コレクタ領域15が形成され
る部分以外をレジスト膜17で覆い図示矢印のよ
うにヒ素をイオン注入してN+形多結晶領域15
xを形成する。レジスト膜17を除去して、アニ
ーリングすることによつてN+形多結晶領域15
xの不純物が拡散されて引出用コレクタ領域15
が形成され埋込みコレクタ領域2aと接続する。
このとき、多結晶中の拡散係数は単結晶中の拡散
係数の数倍となるため、多結晶領域の抵抗値は極
めて小さくなる。しかも、単結晶領域方向へは、
横方向に比較的均一に拡散されるため、埋込みコ
レクタ領域2aの浮き上がりが少ないうちに引出
用コレクタ領域15と埋込みコレクタ領域2aと
を接続させることができる。第1の酸化膜14
は、多結晶領域中のヒ素がさらに半導体基板1へ
拡散するのを防ぐ働きをする。次に、第3図fに
示すように、コレクタ、エミツタおよびベースと
なる領域、すなわちトランジスタとなる領域のエ
ピタキシヤル層3aをレジスト膜18で覆い、多
結晶領域のレジスト膜18に覆われていない部分
をプラズマエツチングなどのドライエツチングに
より除去する。このとき、第1の酸化膜14は、
保護膜として働き、半導体基板1をエツチングか
ら保護する。次に、第3図gに示すように、エピ
タキシヤル層3aのコレクタとなる領域をレジス
ト膜19で覆い、ベースとなる領域に図示矢印の
ようにホウ素をイオン注入して、P形層6xを形
成する。次に、第3図hに示すように、エピタキ
シヤル層3aの引出用コレクタ領域15および活
性ベース領域6となる部分をレジスト膜20で覆
い、非活性ベース領域7aとなる部分に図示矢印
のように高濃度にホウ素を注入してP+形多結晶
領域7axを形成する。次に、第3図iに示すよ
うに、レジスト膜20を除去し、アニーリングを
行つて活性ベース領域6および非活性ベース領域
7aを形成し、かつ、エピタキシヤル層3aの多
結晶領域および単結晶領域上、ならびに第1の酸
化膜14の露出表面上に第2の酸化膜16を形成
する。このとき、非活性ベース領域7aは多結晶
領域に形成されるので、不純物が早く拡散して、
第1の酸化膜14に達し、その後、横方向へ拡散
される。すなわち、多結晶である領域はすべてホ
ウ素の濃度が一様な高濃度となる。次に、第3図
jに示すように、第2の酸化膜16にエミツタ、
ベースおよびコレクタ用の開口部を形成し、ベー
ス用開口部をレジスト膜21で覆い、エミツタお
よびコレクタ用の開口部を通じて図示矢印のよう
にヒ素をイオン注入した後、レジスト膜21を取
り除いてアニーリングする。このときエミツタ領
域9が形成される。次に、エミツタ、ベースおよ
びコレクタ用の開口部を通じて、エミツタ領域
9、非活性ベース領域7aおよび引出用コレクタ
領域15にそれぞれエミツタ電極12、ベース電
極11およびコレクタ電極13を接着することに
よつて、実施例装置の要部が完成する。なお、電
極構造としては白金、ケイ素、チタン、タングス
テンおよびアルミニウムからなる3層構造、白
金・ケイ素、チタン・タングステンおよび金から
なる3層構造などが用いられる。また、上記のト
ランジスタを多数個用い多層配線をも利用して、
高速論理演算回路用LSIを製作することができ
る。
Next, a manufacturing method for manufacturing the semiconductor device of the embodiment shown in FIG. 2 will be explained with reference to longitudinal sectional views of main manufacturing steps shown in FIGS. 3a to 3j. First, as shown in FIG. 3a, boron ions are implanted into the entire surface of the semiconductor substrate 1 made of P-type silicon.
P + to form the channel cut region 4a in a later process
A shape layer 4x is formed. Next, as shown in FIG. 3b, the surface of the P + type layer 4x is oxidized to form a first oxide film 14. Next, as shown in Figure 3c,
An opening is provided in the first oxide film 14, and arsenic ions are implanted into the semiconductor substrate 1 through the opening to form an N + layer 2x which will become the buried collector region 2a in a later step. At this time, the P + type layer 4x becomes the channel cut region 4a. Next, as shown in FIG. 3d, an epitaxial layer 3a is formed entirely on the N + type layer 2x and the first oxide film 14. At this time, the epitaxial layer 3a on the first oxide film 14
becomes polycrystalline, and the epitaxial layer 3a on the exposed surface of the N + type layer 2x becomes single crystal. Also, N +
A portion of the shaped layer 2x floats up into the epitaxial layer 3a, thereby becoming a buried collector region 2a. Next, as shown in FIG. 3e, the portion of the epitaxial layer 3a other than the portion where the lead-out collector region 15 is formed is covered with a resist film 17, and arsenic is ion-implanted as shown by the arrow in the figure to form an N + type polycrystal. Area 15
form x. By removing the resist film 17 and annealing, the N + type polycrystalline region 15 is formed.
The impurity x is diffused into the extraction collector region 15.
is formed and connected to the buried collector region 2a.
At this time, since the diffusion coefficient in the polycrystal is several times the diffusion coefficient in the single crystal, the resistance value of the polycrystalline region becomes extremely small. Moreover, in the direction of the single crystal region,
Since it is diffused relatively uniformly in the lateral direction, the lead-out collector region 15 and the buried collector region 2a can be connected while the buried collector region 2a is less lifted up. First oxide film 14
serves to prevent arsenic in the polycrystalline region from further diffusing into the semiconductor substrate 1. Next, as shown in FIG. 3f, the epitaxial layer 3a in the regions that will become the collector, emitter and base, that is, the region that will become the transistor, is covered with a resist film 18, and the regions that are not covered with the resist film 18 in the polycrystalline region are covered with a resist film 18. The portion is removed by dry etching such as plasma etching. At this time, the first oxide film 14 is
It acts as a protective film and protects the semiconductor substrate 1 from etching. Next, as shown in FIG. 3g, the region that will become the collector of the epitaxial layer 3a is covered with a resist film 19, and boron ions are implanted into the region that will become the base as shown by the arrow in the figure to form the P-type layer 6x. Form. Next, as shown in FIG. 3h, the portions of the epitaxial layer 3a that will become the lead-out collector region 15 and the active base region 6 are covered with a resist film 20, and the portions that will become the inactive base region 7a are coated as shown by the arrows in the figure. Boron is implanted at a high concentration to form a P + type polycrystalline region 7ax. Next, as shown in FIG. 3i, the resist film 20 is removed and annealing is performed to form the active base region 6 and the inactive base region 7a, and the polycrystalline region and single crystal region of the epitaxial layer 3a are removed. A second oxide film 16 is formed over the region and the exposed surface of the first oxide film 14 . At this time, since the inactive base region 7a is formed in a polycrystalline region, impurities are quickly diffused and
It reaches the first oxide film 14 and is then diffused laterally. That is, all polycrystalline regions have a uniformly high boron concentration. Next, as shown in FIG. 3j, emitters and
Openings for the base and collector are formed, the base opening is covered with a resist film 21, arsenic ions are implanted as shown by the arrows through the emitter and collector openings, and then the resist film 21 is removed and annealing is performed. . At this time, emitter region 9 is formed. Next, the emitter electrode 12, the base electrode 11, and the collector electrode 13 are bonded to the emitter region 9, the inactive base region 7a, and the lead-out collector region 15 through the openings for the emitter, base, and collector, respectively. The main parts of the example device are completed. Note that as the electrode structure, a three-layer structure consisting of platinum, silicon, titanium, tungsten, and aluminum, a three-layer structure consisting of platinum/silicon, titanium/tungsten, and gold, etc. are used. In addition, by using a large number of the above transistors and using multilayer wiring,
It is possible to manufacture LSIs for high-speed logic operation circuits.

上記のように本発明による半導体装置において
は、トランジスタのアクテイブ領域のみを単結晶
中に形成し、空乏層の及ばない領域ではすべて多
結晶となるため、トランジスタのPN接合はすべ
て単結晶領域で形成されている。従つて、多結晶
領域中のPN接合ではリーク電流が問題である
が、本発明による半導体構造では接合の電気特性
に何ら悪影響をおよばさない。LSIを高速化する
上においては、素子トランジスタの遮断周波数fT
を高くすることで高周波におけるトランジスタの
動作範囲を広げることが重要である。そのために
は充放電に寄与するパラメータ、すなわちコレク
タ抵抗rC、コレクタ・基板接合容量CTS、ベー
ス・コレクタ接合容量CTCを低減することが重要
であり、本発明による場合、引出用コレクタ領域
15が多結晶シリコンで形成され上下方向に段階
的な高濃度の濃度分布構造をもつため、rCが極め
て小さく従来構造の約1/2になる。さらに、埋込
みコレクタ領域2aが従来構造に比べ面積的に約
1/3になる。かつ、コレクタ・ベース接合は面積
的に従来構造の約1/2となる。従つて、CTS、CTC
はそれぞれ1/3、1/2になる。fTを大きくするため
には、rC(CTS+CTC)を小さくすればよいが、rC
(CTS+CTC)が従来構造の5/12程度に小さくでき
ることで、LSIとしてのゲート遅延時間が従来構
造のものに比べ著しく小さくなる。rC(CTS+CTC
が30%低減すると伝播遅延速度tpdは約10%低減
する。実施例の構造においては従来と同一エミツ
タ構造に対しrC(CTS+CTC)が60%改善されるた
め、tpdは約20%低減され、超高速論理素子とし
て、極めて高性能の素子が得られる。
As described above, in the semiconductor device according to the present invention, only the active region of the transistor is formed in a single crystal, and the region outside the depletion layer is entirely polycrystalline, so all PN junctions of the transistor are formed in a single crystal region. has been done. Therefore, although leakage current is a problem in a PN junction in a polycrystalline region, the semiconductor structure according to the present invention does not have any adverse effect on the electrical characteristics of the junction. In increasing the speed of LSI, the cutoff frequency f T of the element transistor is
It is important to widen the operating range of the transistor at high frequencies by increasing the To this end, it is important to reduce parameters that contribute to charging and discharging, that is, collector resistance r C , collector-substrate junction capacitance C TS , and base-collector junction capacitance C TC . Since it is made of polycrystalline silicon and has a high concentration distribution structure that is graded in the vertical direction, r C is extremely small, approximately half that of the conventional structure. Furthermore, the area of the buried collector region 2a is reduced to about ⅓ compared to the conventional structure. In addition, the area of the collector-base junction is approximately 1/2 that of the conventional structure. Therefore, C TS , C TC
are 1/3 and 1/2 respectively. In order to increase f T , it is sufficient to decrease r C (C TS + C TC ), but r C
Since (C TS + C TC ) can be reduced to about 5/12 of the conventional structure, the gate delay time as an LSI is significantly smaller than that of the conventional structure. r C (C TS + C TC )
When t pd decreases by 30%, the propagation delay speed t pd decreases by about 10%. In the structure of the example, r C (C TS + C TC ) is improved by 60% compared to the conventional emitter structure, so t pd is reduced by about 20%, making it possible to create an extremely high-performance device as an ultra-high-speed logic device. can get.

また、本発明による場合、素子間分離は極めて
簡単である。従来構造ではエピタキシヤル層3の
厚さ、絶縁分離膜5の膜厚ならびにエピタキシヤ
ル層3のエツチングの深さが相互に分離耐圧に影
響し、これらを精度よく制御する必要があつた
が、本発明による場合、エピタキシヤル層3aの
厚さ、エピタキシヤル層3aのエツチングの深さ
などが全く独立のパラメータであつても、素子分
離は独立して得られる利点がある。このことは製
造上においても極めて重要で、安価に歩留よく、
素子を得る点からも従来構造にくらべて著しく有
利である。
Furthermore, according to the present invention, isolation between elements is extremely simple. In the conventional structure, the thickness of the epitaxial layer 3, the thickness of the insulating isolation film 5, and the etching depth of the epitaxial layer 3 mutually affect the isolation breakdown voltage, and it was necessary to control these with precision. According to the invention, even if the thickness of the epitaxial layer 3a, the etching depth of the epitaxial layer 3a, etc. are completely independent parameters, there is an advantage that element isolation can be obtained independently. This is extremely important in manufacturing, as it is inexpensive and has a high yield.
This structure is also significantly advantageous compared to the conventional structure in terms of obtaining elements.

さらに本発明における第3の優れた点は、従来
構造での選択酸化膜による分離構造にくらべ極め
て簡単なプロセスで作り得ることである。すなわ
ち、従来構造ではエピタキシヤル層3と絶縁分離
膜5との境界部でエピタキシヤル層3のエツチン
グに使用した厚い酸化膜と窒化膜などによる内部
歪によつて活性領域のエピタキシヤル層3に欠陥
が生じやすい構造であり、LSIとして数万個の素
子を形成したとき、その一部に発生する欠陥によ
りエミツタパイプ現象、ベース・コレクタ接合特
性のリーク電流の増大などを伴いやすく、製造
上、歩留の点からも各プロセスを苦慮する必要が
あつた。本発明による構造では、活性領域、すな
わち空乏層が生じる領域のみ単結晶構造で、空乏
層の広がりがおよばない領域においてのみ、結晶
欠陥が生じる構造であるので、素子の電気特性は
極めて安定なものとなる。
Furthermore, the third advantage of the present invention is that it can be manufactured by an extremely simple process compared to the isolation structure using a selective oxide film in the conventional structure. That is, in the conventional structure, defects occur in the epitaxial layer 3 in the active region at the boundary between the epitaxial layer 3 and the insulating isolation film 5 due to internal strain caused by the thick oxide film and nitride film used for etching the epitaxial layer 3. When tens of thousands of devices are formed as an LSI, defects that occur in some of them tend to cause the emitter pipe phenomenon and an increase in leakage current due to the base-collector junction characteristics, which reduces manufacturing yield. It was also necessary to consider each process from this point of view. In the structure according to the present invention, only the active region, that is, the region where the depletion layer occurs, has a single crystal structure, and crystal defects occur only in the region where the depletion layer does not spread, so the electrical characteristics of the device are extremely stable. becomes.

加うるに、本発明ではエピタキシヤル層3aの
エツチングを主に多結晶領域で行い、かつその下
に第1の酸化膜14を置いているため、従来構造
では、その製造に際し、ドライエツチングの特性
でウエハ中央部とウエハ周辺部とでエツチング深
さの差が12%程度生じていたのを、ウエハ内全域
にわたり約一にすることができるため、設計時に
段差を容易に見積ることができる。
In addition, in the present invention, the epitaxial layer 3a is etched mainly in the polycrystalline region, and the first oxide film 14 is placed therebeneath. The difference in etching depth, which used to be about 12% between the center of the wafer and the periphery of the wafer, can now be reduced to about 1 throughout the entire wafer, making it easy to estimate the difference in level during design.

また、従来構造では素子の耐圧(BVCEO
BVCBO)が、前述の分離上の問題、すなわち結晶
欠陥が生じない範囲でエピタキシヤル層3のエツ
チング、絶縁分離膜5の厚さにより制御される
が、エピタキシヤル成長層3の厚さ、埋込みコレ
クタ領域2からのオートドーピングにより残存す
るエピタキシヤル層の厚さに制限され、有限の狭
い範囲の値しか設計できなかつた。すなわち、
BVCEO=5〜12V、BVCBO=20〜30V程度であつ
た。このことはLSIをデイジタル論理素子として
用いる場合何ら支障ないが、バイポーラ高速リニ
ア素子として酸化膜分離構造を適用する場合、耐
圧の点で障壁となつていた。
In addition, in the conventional structure, the breakdown voltage of the element (BV CEO ,
BV CBO ) is controlled by the etching of the epitaxial layer 3 and the thickness of the insulating separation film 5 to the extent that crystal defects do not occur. Autodoping from the collector region 2 limits the thickness of the remaining epitaxial layer, and only a finite narrow range of values can be designed. That is,
BV CEO = 5 to 12V, BV CBO = about 20 to 30V. This poses no problem when LSI is used as a digital logic element, but when an oxide film isolation structure is applied as a bipolar high-speed linear element, it becomes a barrier in terms of breakdown voltage.

しかるに、本発明による構造においては、エピ
タキシヤル層3aの厚さをいかに厚くしても分離
耐圧は独立に得られ、かつ結晶欠陥の発生が素子
に影響を与えず、所望の耐圧の素子が得られるの
で、酸化膜分離構造の適用範囲を極めて広い領域
にまで拡張することができる。集積度の点におい
ても従来構造は一素子のフローテイングコレクタ
と他の素子のフローテイングコレクタとがぶつか
らない範囲にまで集積化を図つているが、本発明
による構造においては、前述の如く素子のアクテ
イブ領域直下近傍のみにおいて分離がなされるの
で素子の集積度は、金属配線間の間隔で決まり、
従来の素子間隔が4K ECLRAMにおいて12μmで
あるのに対し、本発明による構造では3μmに縮小
できる点から約20%の集積度の向上が図れる。
However, in the structure according to the present invention, no matter how thick the epitaxial layer 3a is, the isolation breakdown voltage can be obtained independently, and the occurrence of crystal defects does not affect the device, so that a device with the desired breakdown voltage can be obtained. Therefore, the scope of application of the oxide film isolation structure can be expanded to an extremely wide area. In terms of the degree of integration, the conventional structure attempts to integrate the floating collector of one element to the extent that the floating collector of another element does not collide, but in the structure according to the present invention, as mentioned above, the integration of the elements is Since isolation is achieved only in the vicinity directly below the active region, the degree of integration of the device is determined by the spacing between the metal wirings.
While the conventional element spacing is 12 μm in 4K ECLRAM, the structure according to the present invention can be reduced to 3 μm, resulting in an approximately 20% improvement in the degree of integration.

なお、上記の実施例ではシリコン島部を基板よ
り高く形成したため、LSIとして用いるとき、高
耐圧用のときはエピタキシヤル層3aを厚くする
ため金属配線が切れやすくなる。従つて、第4図
の縦断面図に示すように第3図dの工程でエピタ
キシヤル層3aをわずかに全面エツチをすること
で低段差となし得る。さらに、第5図の縦断面図
に示すように、第3図fの工程で2回にわたりエ
ピタキシヤル層3aの多結晶領域の表面をエツチ
ングすることによりさらに段切れの少い構造とす
ることが可能である。
In the above embodiment, the silicon island portion is formed higher than the substrate, so when used as an LSI and for high breakdown voltage, the epitaxial layer 3a is made thicker, so that the metal wiring is likely to break. Therefore, as shown in the vertical cross-sectional view of FIG. 4, by slightly etching the epitaxial layer 3a over the entire surface in the step of FIG. 3d, a low level difference can be achieved. Furthermore, as shown in the longitudinal cross-sectional view of FIG. 5, by etching the surface of the polycrystalline region of the epitaxial layer 3a twice in the step of FIG. 3f, a structure with fewer steps can be obtained. It is possible.

また、上記の実施例のP形の領域をN形に、N
形の領域をP形にした半導体装置にもこの発明が
適用されることはいうまでもない。
In addition, the P-type region in the above embodiment is changed to N-type, and N
It goes without saying that the present invention is also applicable to a semiconductor device in which the shaped region is P-shaped.

本発明による構造によれば、以上のように超高
速LSIが可能なばかりでなく、エピタキシヤル層
の膜厚をいくら厚くしても分離が充分とれるの
で、低耐圧から高耐圧にいたるまで充分に素子設
計が可能であり、かつ集積度も、従来よりも分離
が簡単なため金属配線の許す間隔まで素子を近づ
けることができ向上する。
According to the structure according to the present invention, not only is ultra-high-speed LSI possible as described above, but also sufficient separation can be achieved no matter how thick the epitaxial layer is, so that it can be used from low to high withstand voltages. Element design is possible, and the degree of integration is improved because separation is easier than in the past, allowing elements to be brought closer to the spacing allowed by metal wiring.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来の半導体装置の一例の要部の縦断
面図、第2図は本発明による半導体装置の一実施
例の要部の縦断面図、第3図は第2図に示す実施
例装置の製造主要工程における縦断面図、第4図
および第5図はそれぞれ本発明による半導体装置
の他の実施例の要部の縦断面図である。 図において、1は半導体基板、2aは埋込みコ
レクタ領域、3aはエピタキシヤル成長半導体
層、4aはチヤネルカツト領域、6は活性ベース
領域、9はエミツタ領域、11はベース電極、1
2はエミツタ電極、13はコレクタ電極、14は
第1の酸化膜(第1の絶縁膜)、15は引出用コ
レクタ領域、16は第2の酸化膜(第2の絶縁
膜)である。なお、図中同一符号はそれぞれ同一
または相当部分を示す。
FIG. 1 is a vertical sectional view of a main part of an example of a conventional semiconductor device, FIG. 2 is a vertical sectional view of a main part of an embodiment of a semiconductor device according to the present invention, and FIG. 3 is an embodiment shown in FIG. 4 and 5 are longitudinal sectional views of main parts of other embodiments of the semiconductor device according to the present invention, respectively. In the figure, 1 is a semiconductor substrate, 2a is a buried collector region, 3a is an epitaxially grown semiconductor layer, 4a is a channel cut region, 6 is an active base region, 9 is an emitter region, 11 is a base electrode, 1
2 is an emitter electrode, 13 is a collector electrode, 14 is a first oxide film (first insulating film), 15 is a collector region for extraction, and 16 is a second oxide film (second insulating film). Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or corresponding parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 第1の導電形の半導体基板、この半導体基板
の一主面上に形成され埋込みコレクタ領域形成用
の開口部を有する第1の絶縁膜、上記半導体基板
上および上記第1の絶縁膜の上記開口部を取り囲
む部分上に形成され上記第1の絶縁膜上方では多
結晶領域となり他では単結晶領域となるエピタキ
シヤル成長半導体層、上記半導体基板と上記エピ
タキシヤル成長半導体層との境界部に主要部が形
成され第2の導電形を有し高不純物濃度の埋込み
コレクタ領域、上記半導体基板の上記主面部の上
記埋込みコレクタ領域以外の部分に形成され第1
の導電形を有し高不純物濃度のチヤネルカツト領
域、上記エピタキシヤル成長半導体層の上記単結
晶領域の表面部に形成された第1の導電形の活性
ベース領域、上記エピタキシヤル成長半導体層の
上記多結晶領域の主半部にその表面から上記第1
の絶縁膜に達するように主要部が形成され上記活
性ベース領域と接続され第1の導電形を有し高不
純物濃度の非活性ベース領域、上記エピタキシヤ
ル成長半導体層の上記多結晶領域の残部内に主要
部が形成され該多結晶領域から単結晶領域への不
純物拡散により上記埋込みコレクタ領域と広い面
積でもつて接続され第2の導電形を有し高不純物
濃度の引出用コレクタ領域、上記エピタキシヤル
成長半導体層の上記活性ベース領域、上記非活性
ベース領域および上記引出用コレクタ領域以外の
部分からなる第2の導電形のコレクタ領域、上記
活性領域の表面部に形成された第2の導電形のエ
ミツタ領域、上記第1の絶縁膜および上記エピタ
キシヤル成長半導体層上に連続して形成された第
2の絶縁膜、ならびに上記第2の絶縁膜に形成さ
れた開口部を通じてそれぞれエミツタ領域、非活
性ベース領域および引出用コレクタ領域に接着さ
れたエミツタ電極、ベース電極およびコレクタ電
極とを備えた半導体装置。 2 エピタキシヤル成長半導体層の多結晶領域の
主要部の厚さを単結晶領域の主要部の厚さより薄
くしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の半導体装置。 3 エピタキシヤル成長半導体層の多結晶領域の
厚さを単結晶領域から遠ざかるに従い段階的に薄
くしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項ま
たは第2項記載の半導体装置。
[Scope of Claims] 1. A semiconductor substrate of a first conductivity type, a first insulating film formed on one main surface of this semiconductor substrate and having an opening for forming a buried collector region, and an epitaxially grown semiconductor layer formed on a portion surrounding the opening of the first insulating film and having a polycrystalline region above the first insulating film and a single crystalline region elsewhere; the semiconductor substrate and the epitaxially grown semiconductor layer; a buried collector region having a second conductivity type and having a high impurity concentration;
a channel cut region having a conductivity type of and having a high impurity concentration; an active base region of a first conductivity type formed in a surface portion of the single crystal region of the epitaxially grown semiconductor layer; From the surface to the main half of the crystal region, the first
an inactive base region having a first conductivity type and having a high impurity concentration, a main portion of which is formed so as to reach the insulating film of the epitaxially grown semiconductor layer; A main part is formed in the polycrystalline region and is connected to the buried collector region over a wide area by diffusion of impurities from the polycrystalline region to the single crystal region, and has a second conductivity type and has a high impurity concentration. a collector region of a second conductivity type consisting of a portion other than the active base region, the inactive base region and the lead-out collector region of the grown semiconductor layer; a collector region of a second conductivity type formed on a surface portion of the active region; an emitter region, a second insulating film continuously formed on the first insulating film and the epitaxially grown semiconductor layer, and an opening formed in the second insulating film to form an inactive emitter region, respectively. A semiconductor device comprising an emitter electrode, a base electrode, and a collector electrode bonded to a base region and a collector region for extraction. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the main portion of the polycrystalline region of the epitaxially grown semiconductor layer is thinner than the thickness of the main portion of the single crystal region. 3. The semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness of the polycrystalline region of the epitaxially grown semiconductor layer is gradually thinned as the distance from the single crystal region increases.
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