(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5676836
(24)【登録日】2015年1月9日
(45)【発行日】2015年2月25日
(54)【発明の名称】エミッタ−ベーススペーサ領域中に低K材料を有するバイポーラトランジスタの作製方法
(51)【国際特許分類】
H01L 29/41 20060101AFI20150205BHJP
H01L 21/283 20060101ALI20150205BHJP
H01L 21/8222 20060101ALI20150205BHJP
H01L 21/8248 20060101ALI20150205BHJP
H01L 27/06 20060101ALI20150205BHJP
H01L 21/8249 20060101ALI20150205BHJP
H01L 29/417 20060101ALI20150205BHJP
H01L 21/331 20060101ALI20150205BHJP
H01L 29/73 20060101ALI20150205BHJP
【FI】
H01L29/44 S
H01L21/283 C
H01L27/06 101U
H01L27/06 321B
H01L29/50 B
H01L29/72 Z
【請求項の数】10
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2007-187885(P2007-187885)
(22)【出願日】2007年7月19日
(62)【分割の表示】特願2001-236005(P2001-236005)の分割
【原出願日】2001年8月3日
(65)【公開番号】特開2007-306025(P2007-306025A)
(43)【公開日】2007年11月22日
【審査請求日】2008年7月30日
【審判番号】不服2013-22465(P2013-22465/J1)
【審判請求日】2013年11月18日
(31)【優先権主張番号】09/631755
(32)【優先日】2000年8月3日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】500587067
【氏名又は名称】アギア システムズ エルエルシー
【氏名又は名称原語表記】Agere Systems LLC
(74)【代理人】
【識別番号】100087642
【弁理士】
【氏名又は名称】古谷 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100082946
【弁理士】
【氏名又は名称】大西 昭広
(74)【代理人】
【識別番号】100121061
【弁理士】
【氏名又は名称】西山 清春
(74)【代理人】
【識別番号】100195693
【弁理士】
【氏名又は名称】細井 玲
(72)【発明者】
【氏名】イー−フェン チャン
(72)【発明者】
【氏名】チュンチー ファン
(72)【発明者】
【氏名】チュン ワイ レウン
(72)【発明者】
【氏名】イー マ
(72)【発明者】
【氏名】シャーリア モイニアン
【合議体】
【審判長】
鈴木 匡明
【審判官】
池渕 立
【審判官】
恩田 春香
(56)【参考文献】
【文献】
特開平6−89900(JP,A)
【文献】
特開平7−202166(JP,A)
【文献】
特開平2−205033(JP,A)
【文献】
特開平2−152239(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L21/33-331
H01L29/68-737
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体ウエハ基板中に配置されたコレクタ;
コレクタ中に配置されたベース及び
ベースの上部表面上に直接配置され、ベースの少くとも一部と接触したエミッタを含み、前記エミッタは前記ベース上の高誘電率層と、当該高誘電率層上の3.9より低い誘電率を有する低誘電率層と、当該低誘電率層上に配置されたポリシリコン層又はアモルファスシリコン層とを有する半導体ウエハ基板上に配置されたバイポーラトランジスタ。
【請求項2】
バイポーラトランジスタに隣接して配置された相補金属−酸化物−半導体(CMOS)トランジスタデバイスが更に含まれ、バイポーラトランジスタ及びCMOSトランジスタデバイスは相互接続され、集積回路を形成する請求項1記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項3】
低誘電率層はエミッタの相対する側に近接して配置される請求項1記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項4】
前記高誘電率層は第1の高誘電率層と第2の高誘電率層を含む請求項1記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項5】
低誘電率層は3.8ないし2.1の範囲の誘電率を有する請求項1記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項6】
半導体ウエハ基板中にコレクタを形成する工程;
コレクタ中にベースを形成する工程;及び
ベースの上部表面上に直接配置し及びベースの少くとも一部と接触するエミッタを形成する工程を含み、前記エミッタは前記ベース上の高誘電率層と、当該高誘電率層上の3.9より低い誘電率を有する低誘電率層と、当該低誘電率層上に配置されたポリシリコン層又はアモルファスシリコン層とを有するバイポーラトランジスタの作製方法。
【請求項7】
バイポーラトランジスタに隣接して、相補金属−酸化物−半導体(CMOS)トランジスタデバイスを形成し、バイポーラトランジスタとCMOSトランジスタデバイスは相互接続され、集積回路を形成する工程を更に含む請求項6記載の方法。
【請求項8】
前記高誘電率層は第1の高誘電率層と第2の高誘電率層を含む請求項6記載の方法。
【請求項9】
低誘電率層の形成工程は、3.8ないし2.1の範囲の誘電率を有する低誘電率層を形成する工程を含む請求項6記載の方法。
【請求項10】
低誘電率層が、低誘電率層の代わりに二酸化シリコン層を有するバイポーラトランジスタより、20%ないし30%小さい範囲のエミッタ−ベース容量と、低誘電率層の代わりに二酸化シリコン層を有するバイポーラトランジスタより少なくとも50%小さいエミッタ−ベース寄生容量を有するバイポーラトランジスタを供する請求項6記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は一般に、バイポーラトランジスタを有する半導体デバイス及び付随した作製方法、より具体的にはエミッタ領域に低誘電率(K)材料を有するバイポーラトランジスタ及びその作製法に関する。
【背景技術】
【0002】
集積回路の進展は、通信用デバイスの様々な形に、重要な影響を及ぼしてきた。集積回路はラジオ周波用途及び高速通信網システムの両方に組込れて来た。これらの通信用デバイスの動作速度は、劇的に増加したが、なおより速い通信用デバイスへの要求は、強まり続けている。従って、半導体製造産業は、絶えず集積回路の全体的な速度を増すことに努力している。集積回路の速度を半導体産業が増加させてきた1つの方法は、トランジスタの寸法を縮め続けることである。最近の数年間、トランジスタのデバイス寸法は、0.5μmから0.32μm,0.25μmとなり、今やトランジスタのデバイス寸法は.12μmかそれ以下の範囲になっている。トランジスタのデバイス寸法が劇的に減少し続けるに伴い、寸法の減少のたびに半導体産業は、新しい挑戦をしてきた。
【0003】
そのような挑戦の1つは、寄生容量の除去である。これは通信用デバイスでは特に重要で、一般に通信網システムでは重要である。これらの通信用デバイス及び回路網にしばしば組込まれる1つの集積回路要素は、バイポーラトランジスタである。バイポーラトランジスタは複雑な通信網システムに必要なより速い動作速度を促進する。しかし、デバイス寸法がサブミクロンの大きさに縮小し続けるにつれ、バイポーラトランジスタは寄生容量が増加したことによる動作速度減少の原因となってきた。たとえば、場合によっては、エミッタ−ベース寄生容量(C
EBP)が全エミッタ−ベース容量(C
EB)の60%もの大きさになり得て、高速通信網システムでしばしば用いられるエミッタ結合論理(ECL)形回路を、著しく遅くする。
【0004】
産業はC
EBPを減すため、エミッタ−ベースの重なりをより小さくすることにより、この問題を解決する試みを行ってきた。しかし、このデバイスの生成には、より進んだ高価なフォトリソグラフィの道具を必要とする。更に、製造中均一性と歩留りに影響を及ぼす可能性のあるデバイスパラメータを変更させる可能性が増す。加えて、非理想的なエミッタ−ベース再結合電流が、デバイス特性を著しく劣化させる可能性がある。
【0005】
従って、現在必要なことは、従来技術のバイポーラトランジスタに付随した欠点を避けたバイポーラトランジスタとその製造方法である。
【0006】
本発明の要約
従来技術の上述の欠陥を解決するために、本発明は半導体ウエハ基板上に配置されたバイポーラトランジスタを実現する。一実施例において、バイポーラトランジスタは半導体ウエハ中に配置されたコレクタ、コレクタ中に配置されたベース、ベース中に配置され、ベースの少くとも一部と接触したエミッタを含み、エミッタはその中に低K層を有する。一実施例において、低K層はエミッタの側部に近接して配置される。しかし、低K層はエミッタの相対する側部に近接して配置するのが、なお好ましい。すべての実施例において、低K層はバイポーラトランジスタの適切な機能は妨げない。しかし、低K層は典型的な場合従来のバイポーラトランジスタに付随したエミッタ−ベース容量を本質的に減少させる。
【0007】
このように、一実施例において、本発明はエミッタ−ベース寄生容量を減し、それによって全体的な容量を減少させ、より速い集積回路動作速度を可能にするバイポーラトランジスタを供する。本発明により実現されるバイポーラトランジスタはまた、装置、価格又は製造時間をつけ加えることなく、概存の相補金属−酸化物−半導体(CMOS)技術に、容易に組入れることができる。
【0008】
詳細な記述
本発明は、以下の図面を参照しつつ詳細な記述により最も理解される。半導体分野の標準的なプラクティスに従い、種々の要素は一定の比率に表されていない。実際、要素の寸法は解説のために任意に増減可能である。以下、図面との関連において本発明に関する言及がなされる。
【0009】
最初に
図1を参照すると、本発明の一実施例に従って、部分的に作製された半導体デバイス(100)が示されており、その上に、本発明の対象であるバイポーラトランジスタ構造(110)と従来通り完成させた相補金属−酸化物−半導体(CMOS)トランジスタ(120,125)が配置されている。完成したCMOSトランジスタ(120,125)は完成したバイポーラトランジスタ(110)に隣接して配置され、相互接続されるのが好ましい。複数の完成したバイポーラトランジスタ(110)及び複数の完成したCMOSトランジスタ(120,125)は、集積回路を形成するために、従来通りに相互接続される。
【0010】
完成したバイポーラトランジスタ(110)はコレクタ(115)、ベース(117)及びエミッタ(130)を含む。エミッタ(130)は低誘電率(K)層(136)、酸化物層(132)及び誘電体層(138)を含む。本発明の好ましい実施例において、エミッタ(130)はまた、高K層(134)を含む。低K層(136)は酸化物層(132)、高K層(134)及び誘電体層(138)より低い容量を有し、それによってエミッタ−ベース寄生容量とともに、エミッタ−ベース容量は実効的に下る。たとえば、高K層(134)は二酸化シリコン(SiO
2)のように、約4又はそれ以上の誘電率を有する材料を含み、低K層(136)は約3.9より小さな誘電率を有する誘電材料を含んでよい。低K層(136)の誘電率は約3.8ないし約2.1の範囲が好ましい。
【0011】
改善された容量が下の表1に示されている。この表で、二酸化シリコンのみで作った従来のバイポーラトランジスタの異なる寸法に付随した容量が、本発明の原理に従って作った同じ寸法のバイポーラトランジスタの容量と比較されている。
【0012】
【表1】
【0013】
エミッタ−ベーススペーサは5.0nmTEOS層及び約2の低K材料13.5nmを含む。
【0014】
表1に示されるように、より大きなデバイスでは、低K材料を含まないデバイスに比べ、低K材料を含むデバイスではC
EBは約20%改善され、C
EBPは約50%改善される。より小さいデバイスでは、低K材料を含まないデバイスに比べ、低K材料を含むデバイスでは、C
EBは約30%改善され、C
EBPは約50%改善される。いずれの場合も、低K材料を組込んだデバイスのC
EB及びC
EBP容量の両方が著しく改善される。従って、完成されたバイポーラトランジスタの低容量が実現される。
図1に示されたデバイスの作製について、より詳細に述べる。
【0015】
図2Aを参照すると、
図1に示された半導体デバイス(100)の形成が示されている。この具体的な説明において、CMOSトランジスタタブ(210)及びコレクタタブ(115)は、半導体ウエハ基板上に、従来通り形成される。説明のために、1個だけCMOSトランジスタタブ(210)が示されている。示されているCMOSトランジスタタブ(210)はデバイスの設計によって、p形金属−酸化物−半導体(PMOS)トランジスタ又はn形金属−酸化物−半導体(NMOS)トランジスタを形成するために、ドープできる。一般に、示されたCMOSトランジスタタブ(210)は、それがPMOS又はNMOSデバイスであっても、それに隣接して形成された相対するデバイスタブをもつ。たとえば、CMOSトランジスタタブ(210)の一方の側のコレクタタブ(115)及び他方の側の相対するCMOSトランジスタタブといった相対する側にもつ。トランジスタタブ(210)及びコレクタタブ(115)は半導体デバイス(200)の従来のエピタキシャル成長層(詳細は示されていない)中に形成するのが好ましい。コレクタタブ(115)はn形ドーパント又はp形ドーパントを、従来通りドープしてよい。
【0016】
図2Aに示されるように、すべて従来通り形成されたフィールド酸化物(220)、酸化物層(230)及びCMOSゲート構造(240)がある。CMOSゲート構造(240)がCMOSトランジスタタブ(210)上に配置されている。一部が最終的にエミッタ(130)の高K層(134)を形成する(
図1)高K層(250)は、フィールド酸化物(220)、酸化物層(230)及びCMOSゲート構造(240)上に、適合して堆積できる。一実施例において、高K層(250)はシランの堆積で形成した二酸化シリコン(SiO
2)層でよい。別の実施例において、二酸化シリコンはテトラエチルオルトシリケート(TEOS)から形成できる。更に別の実施例において、高K層(250)はSiO
2及びTEOSの両方を含んでよい。このように、そのような実施例において、高K層(250)は第1及び第2の高K層を含む。もちろん、高K層(250)は2より多い層をふくんでよい。好ましい実施例において、高K層(250)は約5nmの厚さに形成されるが、当業者はデバイスの設計に依存して、本発明では様々な厚さを用いて良いことを理解するであろう。
図1に関連して上で述べたように、バイポーラトランジスタ(110)(
図1)を動作させるためには、高K層(250)は存在する必要はないが、本発明の別の実施例では用いてよい。
【0017】
図2Bを参照すると、部分的に形成された
図2Aの半導体デバイス(200)が示されている。それは低K層(260)を有し、その一部は高K層(250)上に適合して形成されるエミッタ(130)(
図1)中に、最終的に低K層(136)を形成する。好ましい実施例において、低K層(260)は約135nmの厚さに形成されるが、当業者は本発明ではデバイスの設計に依存して、様々な厚さを用いてよいことを理解できる。低K層(260)は高K層(250)より小さい誘電率を持つことが望ましい。たとえば、高K層(250)は二酸化シリコン(SiO
2)のような約4又はそれ以上の誘電率を有する材料から成り、低K層は約3.9より小さな誘電率を有する誘電材料から成ってよい。低K層の誘電率は約3.8ないし約2.1の範囲が好ましい。低K材料のいくつかの例には、約3.6の誘電率をもつフッ化酸化物(FSG)のCVD形成及び約2.9の誘電率をもつ水素シルセスキオケン(HSG)のスピンオン形成が含まれる。更に、低K材料の例には、ポリアリレン及びポリアリレンエーテルのような有機ポリマが含まれる。これらには、SiLK(ドウケミカル−ミッドランド,ミシガン)及びFLARE(アライドシグナル−モーリスタウン,ニュージャージー)が含まれる。同様に、約2.6ないし2.8の誘電率を有し、炭素ドープ二酸化シリコン薄膜であるしばしば有機シリケートガラスと呼ばれる他の低K材料には、市販のブラックダイヤモンド(アプライドマテリアル−サンタクララ,カリフォルニア)、CORAL(ノベラス−フェニックス,アリゾナ)及びオーロラ(ASM−フェニックス,アリゾナ)が含まれ、これらを用いてもよい。
【0018】
図3を参照すると、低K層(260)の適合堆積の後、アモルファスシリコン又はポリシリコン層のような誘電体層(310)が低K層(260)上に適合して堆積されており、その一部はエミッタ(130)(
図1)の誘電体層(138)を最終的に形成する。好ましい実施例において、誘電体層(310)は約60nmの厚さに形成されるが、当業者は本発明ではデバイスの設計に依存して、様々な厚さを使用できることを理解する。
図3はまた、開口(320)の形成を示す。部分的に完成した半導体デバイス(200)は、開口(320)が必要な部分を露出するために、フォトレジストで従来通りパターン形成される。次に、半導体デバイス(200)の露出された部分に、図示された開口(320)を形成するエッチングプロセスを施す。後に述べるように、開口(320)はコレクタ(115)まで、下方に形成しなければならない。図示された実施例において、開口(340)は中がくぼんだ部分(340)を有することに、注意する必要がある。中がくぼんだ部分(340)はエッチャントが、層(310)より層(250,260)を速くエッチングすることから生じる。本発明の好ましい実施例において、エッチャントは従来の湿式酸化物エッチである。しかし、当業者はエッチングされる材料及び用いるエッチング化学は、上述のエッチングプロセスを本質的に変更すれば変えられることを理解する。
【0019】
次に、
図4を参照すると、開口(320)が形成された後、適合性エミッタポリ層(410)を、中がくぼんだ部分(340)を含め誘電体層(310)上に、従来通り、適合して堆積させる。エミッタポリ層(410)の一部は、最終的にバイポーラトランジスタ(110)(
図1)のエミッタ(130)を形成する。次に、エミッタポリ(410)に従来のエミッタポリ注入を行う。
【0020】
図5を参照すると、プラズマ促進テトラエチルオルトシリケート(PETEOS)による二酸化シリコン層(510)の従来の適合性堆積後の
図4に示された部分的に完成した半導体デバイス(200)が示されている。PETEOS堆積層(510)はエミッタポリ層(410)上に配置されている。
図5にはまた、フォトレジスト層の従来通りの堆積と現像プロセス後の中がくぼんだ部分(340)上のフォトレジストマスク(520)が描かれている。フォトレジストマスク(520)は層(230,250,260,310,410,510)を残すべき位置の上に、従来通りに形成される。
【0021】
次に、
図6を参照すると、フォトレジストマスク(520)(
図5)の形成後、半導体デバイス(200)に従来の非等方性エッチングを施すと、
図6に示されるように、部分的に完成したバイポーラトランジスタ(615)のエミッタ(610)と完成したトランジスタゲート構造(620)が生じる。更に
図6に示されるように、エミッタ(610)は層(230,250,260)及び(310)の残りの部分を含む。非等方性のエッチングはまた、層(510)の一部を残し、それは
図6では(5/02)と示されている。
【0022】
図6にはまた、ここでは述べてこなかった前の工程でも行われた従来の低濃度ドーズ注入工程後のソース領域(630)及びドレイン領域(640)が示されている。また、非等方性エッチングにより生じたスペーサ(650)が示されている。当業者は、ソース領域(630)及びドレイン領域(640)をドープするのに用いられる低濃度ドーパントは、CMOSトランジスタタブ(210)を形成するのに用いられるドーパントとは相対するものであることを理解する。先に述べたように、もしCMOSトランジスタタブ(210)がPMOSトランジスタタブで、n形ドーパントをドープしてあるなら、ソース領域(630)及びドレイン領域(640)はp形ドーパントが低濃度ドープされるであろう。更に、もしCMOSトランジスタタブ(210)がNMOSトランジスタタブなら、逆が成り立つ。
【0023】
図7は更にソース/ドレイン注入した後のソース領域(630)及びドレイン領域(640)を示す。図示されるように、エミッタ(610)上の領域はフォトレジスト(710)で被覆及びパターン形成され、エミッタ(610)上の領域を除く全ての領域が、高ドーズ注入のため露出される。図示されるように、高ドーズ注入はスペーサ(650)により被覆されないソース及びドレイン領域(630,640)の部分を深くする。当業者は、
図1に示されるように、CMOSトランジスタタブ(210)に隣接して、もう1つのCMOSトランジスタタブを配置してよいことを理解する。同様に、当業者は隣接したCMOSトランジスタタブ(
図1)はフォトレジスト(710)で同様に被覆できることを理解する。
【0024】
図1に続いて
図8を参照すると、高ドーズ注入の後、フォトレジスト(710)(
図7)は除去され、新しいフォトレジスト(810)が従来通り堆積及びパターン形成され、前の工程で被覆された部分のみが露出される。コレクタ(115)が注入工程のため、次に露出され、それによってコレクタ(115)中に配置されるベース(117)が形成され、バイポーラトランジスタ(110)の形成が完了する。このようにエミッタ(130)はベース(117)の少くとも一部の上に配置され、接触する。図示された実施例において、エミッタ(130)の外側の領域は、導電性エミッタ(130)を導電性ベース(117)の部分から分離する誘電体材料(132,134,136)及び(138)の存在により、容量を形成する。すべてのドーピング工程に関連して述べたように、ドーパントはp形又はn形と変えてもよいが、コレクタ(115)をドープするのに用いるものとは相対するものにすべきである。次に、フォトレジスト(810)を除去すると、
図1に示されるように、完成したバイポーラトランジスタ(110)及びCMOSトランジスタ(120,125)が残る。当業者はCMOSトランジスタ(120)は隣接したCMOSトランジスタ(125)と相補的に形成し、バイポーラトランジスタ(110)は(
図2−8に示されるように)その後形成するか、あるいは別の実施例ではここで示したCMOSトランジスタ(120)をバイポーラトランジスタ(110)及び隣接したCMOSトランジスタ(125)の両方と相補的に形成できることを理解する。なぜなら、バイポーラトランジスタ(110)及び隣接したCMOSトランジスタ(125)は、典型的な場合、同様のドーパントを用いるからである。
【0025】
本発明について詳細に述べてきたが、当業者は最も広い形で本発明の精神及び視野を離れることなく、様々な変更、置き代え及び別の案を考えられることを、理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【
図1】本発明の完成したバイポーラトランジスタ及び完成したCMOSトランジスタを含む完成した半導体デバイスを示す図である。
【
図2A】製造の始めの段階にある本発明のバイポーラトランジスタの構造を含む半導体デバイスを示す図である。
【
図2B】上に追加すべき層を形成した
図2Aの部分的に形成された半導体デバイスを示す図である。
【
図3】半導体デバイス内の開口の形成を示す図である。
【
図4】
図3に示された部分的に完成した半導体デバイス上のエミッタポリの形成を示す図である。
【
図5】従来の適合性プラズマ促進テトラエチルオルトシリケート(PETEOS)層堆積後の
図4に示された部分的に完成した半導体デバイスを示す図である。
【
図6】部分的に完成したバイポーラトランジスタ及び完成したゲート構造を示す図である。
【
図7】ソース領域及びドレイン領域を深くする工程を示す図である。
【
図8】コレクタ中に配置されたベースの形成を示す図である。
【0027】
100 半導体デバイス
110 バイポーラトランジスタ構造、バイポーラトランジスタ
115 コレクタ、コレクタタブ
117 ベース
120,125 相補金属−酸化物−半導体(CMOS)トランジスタ、CMOSトランジスタ
130 エミッタ
132 酸化物層、誘電体材料
134 高K層、誘電体材料
136 低誘電率(K)層、低K層、誘電体材料
138 誘電体層
200 半導体デバイス
210 CMOSトランジスタ
220 フィールド酸化物
230 酸化物層
240 CMOSゲート構造
250 高K層,層
260 低K層,層
310 誘電体層
320 開口
340 中がくぼんだ部分
410 エミッタポリ層,エミッタポリ
510 PETEOS堆積層
520 フォトレジストマスク
610 エミッタ
615 バイポーラトランジスタ
620 トランジスタゲート構造
630 ソース領域
640 ドレイン領域
650 スペーサ
710,810 フォトレジスト