JP2001035857A

JP2001035857A - 化合物ヘテロバイポーラトランジスタおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2001035857A
Application number: JP11205717A
Authority: JP
Inventors: Shuji Asai; 周二浅井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2001-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ベース・エミッタ間の接合容量やリーク電流
をあまり増加させずに、再結合を抑制して電流増幅率の
低下を防ぐことができる化合物ヘテロバイポーラトラン
ジスタおよびその製造方法を提供する。【解決手段】半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ形半導体
のコレクタ層領域と、ｐ形半導体のベース層領域と、ｎ
形半導体で禁制帯幅が大きくメサ形状のエミッタ層領域
とが記載順に積層され、メサ形状領域の外側のベース層
領域からｐ形不純物がエミッタ層領域及びコレクタ層領
域に拡散してｐ形となったベースコンタクト領域を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、化合物半導体の
ヘテロ接合を利用したバイポーラトランジスタおよびそ
の製造方法に関し、特に高周波性能及び信頼性を高めた
化合物ヘテロバイポーラトランジスタおよびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体のヘテロ接合を利用したヘ
テロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、エミッ
タ層にベース層より禁制帯幅の大きい半導体を用いてい
る。このため、禁制帯のエネルギ差でベース層にキャリ
アが注入され、ベースからエミッタへの少数キャリアの
逆注入が小さくなってエミッタ注入効率が高くなり、高
い電流利得が得られる。特に、化合物半導体では、電子
の方が正孔より移動度や拡散長が大きいため、電子を主
キャリアとしたｎｐｎ型が主に用いられる。また、ホモ
接合のように、ベース層のキャリア不純物濃度をエミッ
タ層に比べて数十倍以下に下げる必要がなく、ベース不
純物濃度を高めてベース抵抗を下げ、ベース幅を小さく
してベース走行時間を短くし、遮断周波数等の高周波性
能を高めることができる。

【０００３】ところで、現実には、稼働により再結合が
増大して電流利得が低下するため、信頼性の低下をもた
らす。この信頼性低下の要因として、エミッタメサ側面
やこの外側の外部ベース表面におけるドライ加工の損傷
等による表面再結合が指摘される。

【０００４】加工損傷による表面再結合を低減する方法
は２種類に大別される。第１は、外部ベース表面にエミ
ッタ層を薄く残して保護膜とするガードリング構造と呼
ばれるものである。エミッタ層を薄く残したガードリン
グ層は、空乏化する厚さに設定され、真性のベース領域
やエミッタ領域が直接影響を受けないようにする。例え
ば、１９８５年１０月のアプライド・フィジクス・レタ
ーズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ
ｓ，４７（８），１５Ｏｃｔｏｂｅｒ１９８５，Ａ
ｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓ
ｉｃｓ）の第４７巻８号の８３９〜８４１ページに記載
されている。

【０００５】第２は外部ベースにコンタクト領域を設け
てキャリア濃度を高め、空乏化しないようにすることで
再結合を抑制するものである。この発明はこの部類に属
するものであり、以下の従来例が知られている。

【０００６】図９は従来例１に係る化合物ヘテロバイポ
ーラトランジスタの断面図、図１０は従来例１に係る化
合物ヘテロバイポーラトランジスタの断面図、図１１は
従来例２に係る化合物ヘテロバイポーラトランジスタの
断面図、図１２は従来例３に係る化合物ヘテロバイポー
ラトランジスタの断面図、図１３は従来例４に係る化合
物ヘテロバイポーラトランジスタの断面図、図１４は従
来例５に係る化合物ヘテロバイポーラトランジスタの断
面図である。

【０００７】従来例１は、図９に示すように、加工した
エミッタメサ１の側面に両側から斜めにイオン注入して
ベースコンタクト不純物２を形成するものである。一般
に、イオン注入はチャネリング防止で数度傾ける必要が
ある（特許２６８３５５２号（特開平１−２７３３５３
号公報）参照）。図１０に示すようにイオン注入が一方
向のみで、影になりイオン注入を受けない側面は再結合
が生じ易く、電流増幅率が低下する。側面に確実にイオ
ン注入されるように両側から行い、高濃度化して空乏化
させないようにすることで再結合を抑制する。

【０００８】従来例２は、図１１に示すように、低いベ
ース抵抗を実現するため、エミッタメサを設けず、表面
エミッタ層を通してイオン注入を行いベースコンタクト
を設け、ベース層まで掘り込んでベース電極３を設ける
ものである。イオン注入でベースコンタクトを設けてエ
ミッタ層のＡｌＧａＡｓ表面にベース電極３のＡｕＺｎ
を設けると、ＡｌとＡｕが反応してコンタクト抵抗が大
きくなるため、エミッタのＡｌＧａＡｓ層をエッチング
除去した後、ベース層のＧａＡｓにオーミック電極を設
ける（特許２５０６０７４号（特開昭６１−２８０６６
５号公報）参照）。

【０００９】従来例３は、図１２に示すように、エミッ
タメサや外部ベースの加工された表面での再結合を抑制
するため、エミッタメサ側面及び外部ベース表面に、高
抵抗或いはベース極性ｐ形と同じ低濃度なｐ形半導体層
４を再成長で設けるものである。設けられた半導体層４
により、拡散電位で表面近傍に存在する正孔が減少し、
表面再結合が抑制される（特公平６−７１００３号（特
開昭６２−１４１７６９号公報）参照）。

【００１０】従来例４は、図１３に示すように、外部ベ
ース表面の加工損傷による再結合電流を抑制するため、
外部ベースの表面に同一極性で浅いエネルギ準位の不純
物を高濃度に導入するものである。ｐ形ベースに対する
不純物としてＺｎやＭｇを外部表面５に浅くイオン注
入、若しくはＺｎを拡散させる（特公平７−８９５５７
号（特開平６−２８３５４０号公報）参照）。

【００１１】従来例５は、図１４に示すように、外部ベ
ース抵抗を小さくして高周波特性を向上させるため、ｎ
形コレクタ層まで成長した後、ｐ形ベースコンタクト領
域６をイオン注入で形成し、改めてｐ形ベース層とバン
ドギャップの大きいｎ形エミッタ層を再成長し、ｐ形ベ
ースコンタクト領域６を覆うようにｎ形エミッタ層をエ
ミッタ領域に加工するものである。また、実施例にコレ
クタ層とエミッタ層を入れ替えてもよいことが述べられ
る（特開昭６３−２５２４７５号公報参照）。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
１〜３においては、ベース極性と同じ導電性半導体領域
がエミッタ領域の側面に広く設けられて、ベース・エミ
ッタ間の接合容量が大きくなり、高周波特性としての遮
断周波数が低下する。一方、エミッタ領域表面には、エ
ミッタ電極のために超高濃度の半導体層が設けられる。
この側面にベース型導電性半導体領域が接触すると、高
濃度同士の反対極性の接合のため、トンネリング等でオ
ーム性に近くなりリーク電流が増加して電流増幅率が低
下する。

【００１３】従来例４においては、外部ベース表面は高
濃度化されて空乏化が生ぜず再結合が抑制されるが、エ
ミッタメサ側面への対策は施されていない。

【００１４】従来例５においては、コレクタ側でベース
コンタクト領域がエミッタメサ端より内側に入り込む
が、ベース層を含む内側横方向にはベースコンタクトの
濃度勾配がつかない。また、薄いベース層以上を再成長
することは、再成長界面に酸化層や結晶性が悪い層が生
じ、キャリア再結合が増大するため、技術的な困難が多
い。

【００１５】この発明の目的は、ベース・エミッタ間の
接合容量やリーク電流をあまり増加させずに、再結合を
抑制して電流増幅率の低下を防ぐことができる化合物ヘ
テロバイポーラトランジスタおよびその製造方法を提供
することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明に係る化合物ヘテロバイポーラトランジス
タは、基板上に、ｎ形半導体のコレクタ層領域と、ｐ形
半導体のベース層領域と、ｎ形半導体で禁制帯幅が大き
くメサ形状のエミッタ層領域とが記載順に積層され、前
記メサ形状領域の外側のベース層領域からｐ形不純物が
前記エミッタ層領域及び前記コレクタ層領域に拡散して
ｐ形となったベースコンタクト領域を有することを特徴
としている。

【００１７】上記構成を有することにより、基板上に、
ｎ形半導体のコレクタ層領域と、ｐ形半導体のベース層
領域と、ｎ形半導体で禁制帯幅が大きくメサ形状のエミ
ッタ層領域とが記載順に積層された、化合物ヘテロバイ
ポーラトランジスタは、メサ形状領域の外側のベース層
領域からｐ形不純物がエミッタ層領域及びコレクタ層領
域に拡散してｐ形となったベースコンタクト領域を有す
る。

【００１８】これにより、ベース・エミッタ間の接合容
量やリーク電流をあまり増加させずに、再結合を抑制し
て電流増幅率の低下を防ぐことができる。

【００１９】また、この発明に係る化合物ヘテロバイポ
ーラトランジスタの製造方法により、上記化合物ヘテロ
バイポーラトランジスタを製造することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。（第１の実施の形態）図１は、この発明の第１の実施の
形態に係る化合物ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ）素子の断面図である。図１に示すように、化合物ヘ
テロバイポーラトランジスタ素子１０は、半絶縁性Ｇａ
Ａｓ基板１１上に、コレクタコンタクト層１２、コレク
タ層１３、ベース層１４、第１エミッタ層１５、第２エ
ミッタ層１６、エミッタコンタクト層１７、及びエミッ
タ電極１８が、記載順に積層されている。

【００２１】コレクタコンタクト層１２は、キャリア濃
度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さが５００ｎｍのｎ形ＧａＡ
ｓからなり、コレクタ層１３は、キャリア濃度が５×１
０¹⁶ｃｍ^-3で厚さが５００ｎｍのｎ形ＧａＡｓからな
り、ベース層１４は、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3
で濃度が６０ｎｍのｐ形ＧａＡｓからなる。

【００２２】第１エミッタ層１５は、キャリア濃度が３
×１０¹⁷ｃｍ^-3で濃度が１００ｎｍのｎ形Ａｌ_xＧａ_1-x
Ａｓ（ｘ：０．２５）からなり、第２エミッタ層１６
は、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3で濃度が２００ｎ
ｍのｎ形ＧａＡｓからなる。

【００２３】エミッタコンタクト層１７は、キャリア濃
度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3で濃度が１００ｎｍのｎ形Ｉｎ_x
Ｇａ_1-xＡｓ（ｘ：０．５）からなり、エミッタ電極１
８は、厚さ３００ｎｍのＷＳｉからなる。半導体層のキ
ャリア不純物は、ｎ形がシリコンＳｉ、ｐ形が炭素Ｃで
ある。

【００２４】単位フィンガのエミッタ電極１８は２．５
×５０μｍで、第２エミッタ層１６のｎ形ＧａＡｓまで
がメサ加工され、幅１００ｎｍのプラズマ成長ＳｉＮの
側壁１９がある。この側壁１９をマスクに、ベースコン
タクト２０の亜鉛Ｚｎが第１エミッタ層１５のｎ形Ａｌ
ＧａＡｓを通して拡散される。

【００２５】表面の不純物濃度は１０²⁰ｃｍ^-3に近く、
拡散の濃度勾配があり、先端での不純物濃度は１０¹⁶ｃ
ｍ^-3程度である。縦方向の拡散深さは約２００ｎｍでコ
レクタ層１３のｎ形ＧａＡｓに達する。横方向もＳｉＮ
側壁１９の下側を同程度に拡散し、エミッタメサ内の第
２エミッタ層１６のｎ形ＧａＡｓの一部にも回り込む
が、超高キャリア濃度のＩｎＧａＡｓのエミッタコンタ
クト層１７には達していない。

【００２６】拡散で設けられたベースコンタクト２０の
上に、エミッタメサから約０．５μｍ離れて幅２．５μ
ｍの、Ｔｉ−Ｍｏからなるベース電極２１がある。ベー
スメサは、このベース電極２１をマスクに等方的にエッ
チングされ、コレクタコンタクト層１２のｎ形ＧａＡｓ
が露出され、この上に、合金ＡｕＧｅＮｉからなるコレ
クタ電極２２が設けられる。

【００２７】図示しないが、素子以外の領域はホウ素Ｂ
がイオン注入され、この欠陥で素子分離される。また、
増幅素子では、図中の横端面を対称として繰り返され
る。また、素子の表面は、プラズマ成長ＳｉＮの保護膜
で覆われ、低応力のプラズマ成長ＳｉＯＮ膜に埋め込ま
れて平坦化され、各電極にスルーホールと配線が設けら
れる。

【００２８】次に、図１に示したＨＢＴ素子構造の製造
方法を図２〜図６の工程断面図を用いて説明する。この
製造方法においては、各々の化合物半導体層を有機金属
化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により形成する。な
お、図示しないが、成長始めに、厚さ３００ｎｍのアン
ドープｉ形ＧａＡｓバッファ層を成長させ、若しくはこ
のバッファ層の一部にｉ形ＡｌＧａＡｓを含ませて成長
させた後、ｎ形ＧａＡｓのコレクタコンタクト層１２か
らｎ形ＩｎＧａＡｓのエミッタコンタクト層１７まで成
長させる。その後、エミッタ電極１８のＷＳｉを厚さ３
００ｎｍにスパッタ堆積する。

【００２９】次に図２に示すように、先ず、表面にホト
レジスト膜２３のレジストパターンを設け、ＳＦ₆等の
ガスでエミッタ電極１８のＷＳｉをエッチングする、低
損傷性のドライエッチングを行なう。次に、ＢＣｌ₃等
の塩素系ガスのみで、エミッタコンタクト層１７のｎ形
ＩｎＧａＡｓと第２エミッタ層１６のｎ形ＧａＡｓの途
中まで、エッチングする。更に、ＢＣｌ₃等の塩素系ガ
スにＳＦ₆等の弗素系ガスを数十％添加してエッチング
を続け、第１エミッタ層１５のｎ形ＡｌＧａＡｓ表面で
自動停止させる。表面に弗化アルミニウムが生成するこ
とにより、自動的に停止する。その後、マスクとしたホ
トレジスト膜２３を除去する。

【００３０】次に図３に示すように、プラズマ成長のＳ
ｉＮ膜を１５０ｎｍ堆積し、ＣＦ₄ガスを用いた低損傷
性のドライエッチングで側壁１９に加工する。側面の厚
さは約１００ｎｍとなる。その後、燐酸と過酸化水素水
を純水で希釈したエッチング液で第１エミッタ層１５の
ｎ形ＡｌＧａＡｓを約３０ｎｍ溶かす。これにより、ド
ライエッチングの損傷や汚染を除去し清浄な結晶面とす
る。

【００３１】次に図４に示すように、この基板１１の表
面に、亜鉛Ｚｎを気相拡散させ、ベースコンタクト２０
を形成する。この場合、先ず、基板１１を立てて気相拡
散装置（図示しない）の管内に設置し、空気を排出し
て、基板１１付近の温度を６００℃に上昇させる。次
に、塩化水素をアルゴンＡｒと水素で希釈して流し、表
面の自然酸化層を数十ｎｍ溶かし清浄な結晶面とする。
次に、ジエチル亜鉛（Ｃ₂Ｈ₅）₂ＺｎをＡｒと水素で希
釈して、数十Ｐａの減圧状態に保持する。これにより、
ジエチル亜鉛が熱分解して基板１１の表面に付着し結晶
中に拡散する。約１０分間で約２００ｎｍ拡散するよう
に希釈割合を調整する。また、側壁１９のＳｉＮ膜に酸
素の混入が多いと、界面をＺｎが異常拡散するため注意
が必要である。最後に、真空引きして表面に付着したＺ
ｎを昇華させた後、希釈ガスを流して冷却し大気に戻
す。

【００３２】次に図５に示すように、ベースコンタクト
２０の上に、ベース電極２１をリフトオフ形成する。ホ
トレジスト膜パターンを設け、厚さ５０ｎｍのチタンＴ
ｉと厚さ１５０ｎｍのモリブデンＭｏを蒸着し、有機溶
剤中に浸漬し超音波を加えてホトレジストを溶かし、余
分な金属膜を除く。その後の熱処理で、ＴｉがＧａＡｓ
中に拡散してトンネリング・オーミックが形成される。

【００３３】次に図６に示すように、エミッタメサを覆
うように、ベース電極２１にかけてホトレジスト膜２４
を設け、前記の湿式エッチングによりＧａＡｓを約７０
０ｎｍエッチングし、コレクタコンタクト層１２のｎ形
ＧａＡｓを露出する。その後、ベース電極２１をマスク
として、この下側のベースコンタクト２０とコレクタ層
１３がサイドエッチングされる。

【００３４】サイドエッチングにより、ベースコンタク
ト２０に接触するベース電極２１の寸法が約１．５μｍ
と狭まるが、コンタクトはまだ十分に得られる。高周波
性能には、フィンガ状電極への給電配線の抵抗による電
圧降下の方が影響し易い。このサイドエッチングによ
り、ベース・コレクタ間の接合面積が削減され寄生容量
が低減する。

【００３５】また、外部ベースを通しイオン注入を行っ
て欠陥を生じさせ、コレクタのキャリア濃度を低減して
寄生容量を削減する方法が知られているが、結晶欠陥が
信頼性に影響するためここでは採用していない。また、
コレクタ層１３の側面をドライ加工ではなく湿式エッチ
ングすることで、損傷や汚染を生じさせずコレクタ耐圧
や信頼性を高めている。

【００３６】次に、素子領域を厚いホトレジスト膜で覆
い、ホウ素Ｂをイオン注入して欠陥を生じさせることに
より、素子外のコレクタコンタクト層を高抵抗化させ、
素子分離する。コレクタコンタクト層１２上にコレクタ
電極２２のＡｕＧｅＮｉをリフトオフ形成し、合金化の
熱処理をすることでオーミック電極とすると、ＨＢＴ構
造が得られる（図１参照）。

【００３７】この後、保護膜として、プラズマ成長のＳ
ｉＮ膜を厚さ１００ｎｍ成長させる。層間膜として、酸
素を添加し応力緩和したプラズマ成長のＳｉＯＮ膜を２
μｍ堆積し、ホトレジスト膜を塗布してエッチバックの
ドライエッチングすることにより、ＳｉＯＮ膜の表面を
平坦化する。

【００３８】次に、各電極にスルーホールを設ける。コ
レクタ電極２２は深いため、開口形成を２段階とする。
第１段階として、各電極の位置に、長方形の開口パター
ンのあるホトレジストでベース電極２１の深さまでドラ
イ加工で開口し、コレクタ電極２２に対しては広い開口
を途中の深さまで設ける。第２段階として、コレクタ電
極２２だけの開口パターンのホトレジスト膜を設けて、
残りのＳｉＯＮ膜を開口する。

【００３９】配線金属としてＴｉ−Ｐｔ−Ａｕをスパッ
タ堆積し、配線箇所にＡｕメッキを施し、余分な箇所の
金属をイオンミリングで除去して、配線を形成する。更
に、絶縁膜と多層配線を形成し、各フィンガの電極配線
をボンディングパッドに集める。

【００４０】次に、基板１１の裏面を研磨して厚さ約１
００μｍに薄くし、裏面にＴｉ−Ａｕの接地金属をスパ
ッタ形成し、ダイシングしてチップとする。このチップ
をパッケージにはんだ付けし、Ａｕワイヤでボンディン
グ接続する。

【００４１】信頼性の比較実験として、ベースコンタク
ト２０のＺｎ拡散深さを、従来例４のようにベース層１
４より浅い５０ｎｍ程度の場合と、この発明による深く
横に広い場合を比較した。

【００４２】この発明に係るＨＢＴ素子１０は、２．５
×５０μｍのエミッタフィンガが８本で、エミッタ面積
１０００μｍ²である。また、異常発振が生じないよう
に、インダクタとキャパシタを付加して回路対策した。
バイアス条件として、コレクタ電圧が３．０Ｖ、コレク
タ電流密度が２×１０⁴Ａｃｍ^-2で、接合温度を２５０
℃とした。試験素子は各１０本用意した。

【００４３】初期の電流利得は両者共に約８０であっ
た。ベースコンタクトが浅い従来例の場合、電流利得の
５０％減少（半減）が数百時間であったが、この発明の
ように、ベースコンタクトが深く横に広い場合は、２０
００時間でも電流利得の減少が１０％以下に留まった。
従って、この発明に係るＨＢＴ素子１０の素子構造の有
効性が認められる。

【００４４】なお、高い信頼性が確保される他の要因と
して、ベース層１４の炭素濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3と一
般に比べて低く設定していることがある。周期表の第４
族の炭素は、第５族のＡｓ格子位置にあってｐ形となる
が、この支援をする水素が抜けるとＡｓ空孔や格子間Ａ
ｓ等の格子欠陥が生じること、若しくは炭素がＧａ格子
位置に移ってｎ形化することが推定された。

【００４５】これらの現象は、炭素濃度が１×１０²⁰ｃ
ｍ^-3に近づく程生じ易いと考えられ、一般に炭素濃度
は、５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度に設定されるが、この濃度を
下げた。その他の要因として、ベースコンタクト（外部
ベース）の下のコレクタ層１３に、キャリア濃度を下げ
るイオン注入の欠陥を生じさせてないこと、コレクタ層
１３の側面に損傷を生じさせないように湿式エッチング
を用いていること等がある。

【００４６】高周波性能等を１本のエミッタフィンガ素
子で比較実験した。実験に際し、Ｚｎ拡散の深さを、５
０ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍとに変化
させた。２００ｎｍがこの発明による実施条件である。

【００４７】Ｚｎ拡散の深さが４００ｎｍになると、ベ
ース・エミッタ間の順方向電圧が下がってオーミックな
特性に近づき、電流利得が小さかった。これは、拡散Ｚ
ｎがエミッタコンタクト層１７のＩｎＧａＡｓに到達し
たためと考えられる。

【００４８】これ以外の５０ｎｍ、２００ｎｍ、３００
ｎｍの深さでは、深くなるに従い電流利得は７８、８
３、７５と変化した。遮断周波数ｆｔは６８、７２、６
３ＧＨｚと変化した。ベースコンタクト２０の深さが５
０ｎｍから２００ｎｍへと深くなることにより、ベース
濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3と一般より低く設定したので横
方向のＺｎ拡散でベースコンタクト２０が改善され寄生
抵抗が下がるため、電流利得と遮断周波数が向上したも
のと考えられる。また、拡散層は緩やかな濃度勾配を有
し、先端では濃度が低く急峻なｐｎ接合ではないため、
接合容量がそれほど大きくならないと考えられる。

【００４９】ベースコンタクト２０の深さが２００ｎｍ
から３００ｎｍへと更に深くなると、拡散ＺｎがＩｎＧ
ａＡｓエミッタコンタクト層１７に近づくため、ベース
順方向電圧は下がり、リーク電流が増加する傾向にあ
る。また、遮断周波数の低下は、等価的な寄生容量の増
加が認められる。Ｚｎ拡散が深いものは、等価的に従来
例１〜３の構造に近い。エミッタメサの側面をｐ形のベ
ースコンタクトが覆うと寄生容量が増加して高周波特性
が悪化するため、この発明の素子構造の有効性が認めら
れる。（第２の実施の形態）この第２の実施の形態において
は、エミッタ・ベース間にワイドギャップで薄いアンド
ープ層を設けることにより、エミッタ注入効率を高めこ
の間の接合容量を低減する。ベース・コレクタ間に薄い
アンドープ層を設けることにより、この間の接合容量を
低減しコレクタ耐圧を向上させる。この原理は、特公平
６−１２７７８号（特開昭６３−９０８４８号公報）に
紹介されている。

【００５０】図７は、この発明の第２の実施の形態に係
る化合物ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）素子
の断面図である。図７に示すように、このＨＢＴ素子２
５は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に、コレクタコンタ
クト層１２、第１コレクタ層２６、第２コレクタ層２
７、ベース層１４、エミッタバリア層２８、第１エミッ
タ層１５、第２エミッタ層１６、エミッタコンタクト層
１７、及びエミッタ電極１８が、記載順に積層されてい
る。

【００５１】コレクタコンタクト層１２は、キャリア濃
度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さが５００ｎｍのｎ形ＧａＡ
ｓからなり、第１コレクタ層２６は、キャリア濃度が５
×１０¹⁶ｃｍ^-3で濃度が５００ｎｍのｎ形ＧａＡｓから
なり、第２コレクタ層２７は、厚さが５０ｎｍの無添加
ｉ形ＧａＡｓからなる。

【００５２】ベース層１４は、キャリア濃度が１×１０
¹⁹ｃｍ^-3で厚さが６０ｎｍのｐ形ＧａＡｓからなり、エ
ミッタバリア層２８は、厚さが１０ｎｍのｉ形Ｉｎ_xＧ
ａ_1-xＰ（ｘ：０．４）からなり、第１エミッタ層１５
は、キャリア濃度が３×１０¹⁷ｃｍ^-3で厚さが１００ｎ
ｍのｎ形Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ：０．２５）からなる。

【００５３】第２エミッタ層１６は、キャリア濃度が１
×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さが２００ｎｍのｎ形ＧａＡｓから
なり、エミッタコンタクト層１７は、キャリア濃度が２
×１０¹⁹ｃｍ^-3で厚さが１００ｎｍのｎ形Ｉｎ_xＧａ_1-x
Ａｓ（ｘ：０．５）からなり、エミッタ電極１８は、厚
さが３００ｎｍのＷＳｉからなる。

【００５４】即ち、このＨＢＴ素子２５は、ｉ形ＧａＡ
ｓの第２コレクタ層１７とｉ形ＩｎＧａＰのエミッタバ
リア層１８が追加挿入されている他は、ＨＢＴ素子１０
と同様の構成を有している。

【００５５】また、第２エミッタ層１６のｎ形ＧａＡｓ
までがメサ加工され、幅１００ｎｍのプラズマ成長Ｓｉ
Ｎの側壁１９を有し、この側壁１９をマスクに、ベース
コンタクト２０のＺｎが第１エミッタ層１５のｎ形Ａｌ
ＧａＡｓを通して拡散させることは、ＨＢＴ素子１０の
場合と同様である。

【００５６】このような薄いアンドープ層を挿入するこ
とにより、電流利得は８３が８５に、遮断周波数ｆｔは
７２ＧＨｚが８０ＧＨｚに、コレクタ耐圧は１３Ｖから
約２５Ｖに向上した。

【００５７】電流利得は、エミッタ側のアンドープ・ワ
イドギャップ層で高められるが、コレクタ側のアンドー
プ層で下げられるので、差し引きした電流利得の増加は
少ない。ベース層１４の両側にアンドープ層を挿入する
ことで、接合容量が低減され遮断周波数は大きく向上す
る。

【００５８】また、コレクタ側のアンドープ層の効果で
コレクタ耐圧は向上する。ベースコンタクトのＺｎがア
ンドープ層にも拡散するが、拡散の先端に近く不純物濃
度としては低いことから、接合容量の増大やコレクタ耐
圧への影響が小さいと考えられる。

【００５９】高温通電の信頼度を確認するために、コレ
クタ電流密度を２×１０⁴Ａｃｍ^-2から５×１０⁴Ａｃｍ
^-2へと高め、接合温度を２５０℃に設定して試験を行っ
た。この信頼度試験において２０００時間経過しても、
電流利得が１０％以下の減少に留まっている。薄いアン
ドープ層を挿入しコレクタ耐圧を向上させた効果が反映
していると考えられる。（第３の実施の形態）上記各実施の形態では、エミッタ
のメサが上部の素子構造で説明してきたが、逆に、コレ
クタのメサが上部の素子構造においても、同様の効果を
得ることが可能である。コレクタメサが上部の場合、ミ
ラー効果で増倍されるベース・コレクタ間容量を低減す
るのに有効である。

【００６０】図８は、この発明の第３の実施の形態に係
る化合物ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）素子
の断面図である。図８に示すように、このＨＢＴ素子３
０は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に、エミッタコンタ
クト層３１、第１エミッタ層３２、第２エミッタ層３
３、エミッタバリア層３４、ベース層３５、第１コレク
タ層３６、第２コレクタ層３７、コレクタコンタクト層
３８、及びコレクタ電極３９が、記載順に積層されてい
る。

【００６１】エミッタコンタクト層３１は、キャリア濃
度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さが５００ｎｍのｎ形ＧａＡ
ｓからなり、第１エミッタ層３２は、キャリア濃度が１
×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さが２００ｎｍのｎ形ＧａＡｓから
なり、第２エミッタ層３３は、キャリア濃度が３×１０
¹⁷ｃｍ^-3で厚さが１００ｎｍのｎ形Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ
（ｘ：０．２５）からなる。

【００６２】エミッタバリア層３４は、厚さが１０ｎｍ
のｉ形Ｉｎ_xＧａ_1-xＰ（ｘ：０．４）からなり、ベース
層３５は、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3で厚さが６
０ｎｍのｐ形Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ：０．０７）からな
り、第１コレクタ層３６は、厚さが５０ｎｍのｉ形Ｉｎ
_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ：０．１０）からなる。

【００６３】第２コレクタ層３７は、キャリア濃度が５
×１０¹⁶ｃｍ^-3で厚さが５００ｎｍのｎ形ＧａＡｓから
なり、コレクタコンタクト層３８は、キャリア濃度が２
×１０¹⁹ｃｍ^-3で厚さが１００ｎｍのｎ形Ｉｎ_xＧａ_1-x
Ａｓ（ｘ：０．５）からなり、コレクタ電極３９は、厚
さが３００ｎｍのＷＳｉからなる。

【００６４】２．５×５０μｍのコレクタ電極３９に対
し、第２コレクタ層３７のｎ形ＧａＡｓまでがメサ加工
され、幅１００ｎｍのプラズマ成長ＳｉＮの側壁１９が
設けられる。塩素系ガスと弗素系ガスを混合した低損傷
ドライエッチングを行い、第１コレクタ層３６のｉ形Ｉ
ｎＧａＡｓで停止させる。

【００６５】側壁１９をマスクに、ベースコンタクト２
０のＺｎを第１コレクタ層３６のｉ形ＩｎＧａＡｓを通
して拡散させる。拡散で設けられたベースコンタクト２
０の上に、エミッタメサから約０．５μｍ離れて幅が
２．５μｍの、Ｔｉ−Ｍｏからなるベース電極２１があ
る。

【００６６】ベースメサは、このベース電極をマスクに
等方的に湿式エッチングされて、エミッタコンタクト層
３１のｎ形ＧａＡｓが露出され、この上に、合金ＡｕＧ
ｅＮｉからなるエミッタ電極４０が設けられる。

【００６７】図示しないが、素子以外の領域はホウ素Ｂ
がイオン注入され、この欠陥で素子分離される。また、
素子の表面は、プラズマ成長ＳｉＮの保護膜で覆われ、
低応力のプラズマ成長ＳｉＯＮ膜に埋め込まれて平坦化
され、各電極にスルーホールと配線が設けられる。

【００６８】このＨＢＴ素子３０は、ＨＢＴ素子２５の
エミッタとコレクタの上下をほぼ逆転させており、ＨＢ
Ｔ素子３０のコレクタ上部では、電流利得が８２、遮断
周波数ｆｔが７７ＧＨｚ、コレクタ耐圧が約３０Ｖであ
った。ＨＢＴ素子２５のエミッタ上部では、電流利得が
８５、遮断周波数ｆｔが８０ＧＨｚ、コレクタ耐圧が約
２５Ｖであったことから、コレクタ耐圧が向上し、電流
利得と遮断周波数は少し低下している。

【００６９】これは、エミッタ層のキャリア濃度がコレ
クタ層より高いため、ベースコンタクトとの寄生容量と
リーク電流の増加が大きく、電流利得と遮断周波数が低
下したと考えられる。一方、コレクタ層とベースコンタ
クトの接合面積が大幅に少なくなるため、コレクタ耐圧
が向上したと考えられる。

【００７０】上記各実施の形態では、縦方向の半導体層
構造として、ベース層とエミッタ層或いはコレクタ層の
間に薄いアンドープ層を挿入した構造、コレクタメサを
上部にした構造を有するＨＢＴ素子を説明したが、これ
に限らず、ＨＢＴ素子の目的や機能に応じて半導体層を
付加したり変化させた構造としてもよい。

【００７１】例えば、エミッタの結晶組成をベース境界
から変化させる傾斜エミッタ構造、ベース層内でコレク
タ側に向けてバンドギャップを小さくするように結晶組
成を変化させた傾斜ベース構造、ベース層等の結晶種類
を変化させて繰り返し積層した超格子構造等がある。ま
た、化合物半導体としてＧａＡｓ系を取り上げたが、Ｉ
ｎＰ系でも同様に対応することができる。

【００７２】また、ベースコンタクトは、亜鉛Ｚｎの減
圧気相拡散で説明したが、これに限るものではなく、純
金属の亜鉛や酸化亜鉛を蒸着し熱拡散させる固相拡散で
もよい。更に、拡散を緩やかにするために結晶成分のＡ
ｓやＰを拡散源に含ませてもよい。

【００７３】ベースコンタクトの形成は、従来技術にあ
るイオン注入でもよく、この場合、ＢｅやＭｇ等のｐ形
不純物を浅くイオン注入し、電気炉で熱処理を行い、時
間を長く設定することで拡散させる。ＧａＡｓやＩｎＰ
等の化合物半導体において、ＢｅやＭｇ等のｐ形不純物
は６００℃台で活性化し拡散し易く、この程度の温度で
は結晶層が拡散し崩れてしまうことも少ない。

【００７４】この発明は、第１の実施の形態の比較実験
で述べたように、従来例４の実施検討に際し、外部ベー
スにＺｎを拡散させる深さをベース層の表面だけでなく
より深くした場合に、電流利得や信頼性が改善されるこ
とから見い出された。この条件に基づくＨＢＴ素子の断
面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察すると、拡散は
ＧａＡｓベース層を通して縦方向のｎ形ＧａＡｓコレク
タ側だけでなく、エミッタメサの横方向内側のＧａＡｓ
ベース層やＡｌＧａＡｓエミッタ層の一部にも達してい
た。この横方向の拡散が特性改善の主要因と考えられ
る。

【００７５】ベースコンタクトがエミッタメサの内側に
拡散されていない従来例４の場合、エミッタメサ角は、
ベース電流がエミッタへ方向を変えるため電界集中が生
じ易いと考えられる。また、ドライ加工損傷によるキャ
リア濃度低下や表面のピンニング等により、エミッタメ
サの側面に表面空乏層が伸びる。メサ角での電界集中に
より、空乏層内での再結合が促進されてベース電流がエ
ミッタへ流入し、コレクタへの電流がこの角へ引き寄せ
られるため、電界集中が更に高まって電力集中となり、
メサ角での結晶劣化が進むと考えられる。

【００７６】つまり、ベースコンタクトをエミッタメサ
の内側に拡散させることで、メサ角での電界や電力の集
中が抑制される。コンタクト領域の形成により、端部で
等価的なベース層が厚くなってコレクタへの電流が端部
を流れ難くなるため、ドライ加工損傷を受けたエミッタ
メサ角でのトラップと電界集中が緩和される。また、ベ
ースコンタクトで高濃度ｐ形化されるため空乏層が縮小
され、メサ角での再結合が抑制されて電流利得が向上す
る。

【００７７】そして、エミッタメサの内側に拡散するこ
とにより、ベース層へ接続する抵抗成分が低減され、ま
た、ベースコンタクト領域が厚いため電流が奥まで回り
込み、ベース電極の接触抵抗が低減される。一方、ｐ形
のベースコンタクトは、ｎ形のエミッタ側面を広く覆わ
ずエミッタメサ角の近傍だけを覆うため、エミッタメサ
の側面全体がベース極性にならず、ベース・エミッタ容
量やリーク電流の増大が抑えられる。これらベースコン
タクト抵抗の低減とベース容量の増大抑制とで、高周波
特性が確保される。

【００７８】従って、この発明に係る化合物ヘテロバイ
ポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、ベースコンタクトを
エミッタ等の内側に拡散させて、再結合に関するエミッ
タ層側にも設けることにより、再結合を抑制して電流増
幅率を向上させ、信頼性を向上させることができる。ま
た、ベース層を含む内側横方向にもベースコンタクトの
濃度勾配を有するため、ベース・エミッタ間の接合容量
やリーク電流をあまり増加させずに、高周波性能を確保
することができる。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、基板上に、ｎ形半導体のコレクタ層領域と、ｐ形半
導体のベース層領域と、ｎ形半導体で禁制帯幅が大きく
メサ形状のエミッタ層領域とが記載順に積層された、化
合物ヘテロバイポーラトランジスタは、メサ形状領域の
外側のベース層領域からｐ形不純物がエミッタ層領域及
びコレクタ層領域に拡散してｐ形となったベースコンタ
クト領域を有するので、ベース・エミッタ間の接合容量
やリーク電流をあまり増加させずに、再結合を抑制して
電流増幅率の低下を防ぐことができる。

【００８０】また、この発明に係る化合物ヘテロバイポ
ーラトランジスタの製造方法により、上記化合物ヘテロ
バイポーラトランジスタを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態に係る化合物ヘテ
ロバイポーラトランジスタ素子の断面図である。

【図２】図１に示したＨＢＴ素子構造の製造方法の工程
断面図である。

【図３】図１に示したＨＢＴ素子構造の製造方法の工程
断面図である。

【図４】図１に示したＨＢＴ素子構造の製造方法の工程
断面図である。

【図５】図１に示したＨＢＴ素子構造の製造方法の工程
断面図である。

【図６】図１に示したＨＢＴ素子構造の製造方法の工程
断面図である。

【図７】この発明の第２の実施の形態に係る化合物ヘテ
ロバイポーラトランジスタ素子の断面図である。

【図８】この発明の第３の実施の形態に係る化合物ヘテ
ロバイポーラトランジスタ素子の断面図である。

【図９】従来例１に係る化合物ヘテロバイポーラトラン
ジスタの断面図である。

【図１０】従来例１に係る化合物ヘテロバイポーラトラ
ンジスタの断面図である。

【図１１】従来例２に係る化合物ヘテロバイポーラトラ
ンジスタの断面図である。

【図１２】従来例３に係る化合物ヘテロバイポーラトラ
ンジスタの断面図である。

【図１３】従来例４に係る化合物ヘテロバイポーラトラ
ンジスタの断面図である。

【図１４】従来例５に係る化合物ヘテロバイポーラトラ
ンジスタの断面図である。

【符号の説明】

１０，２５，３０化合物ヘテロバイポーラトランジス
タ素子１１半絶縁性ＧａＡｓ基板１２，３８コレクタコンタクト層１３コレクタ層１４，３５ベース層１５，３２第１エミッタ層１６，３３第２エミッタ層１７，３１エミッタコンタクト層１８，４０エミッタ電極１９側壁２０ベースコンタクト２１ベース電極２２，３９コレクタ電極２３，２４ホトレジスト膜２６，３６第１コレクタ層２７，３７第２コレクタ層２８，３４エミッタバリア層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、ｎ形半導体のコレクタ層領域
と、ｐ形半導体のベース層領域と、ｎ形半導体で禁制帯
幅が大きくメサ形状のエミッタ層領域とが記載順に積層
され、前記メサ形状領域の外側のベース層領域からｐ形不純物
が前記エミッタ層領域及び前記コレクタ層領域に拡散し
てｐ形となったベースコンタクト領域を有することを特
徴とする化合物ヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項２】基板上に、ｎ形半導体で禁制帯幅の大きい
エミッタ層領域と、ｐ形半導体のベース層領域と、ｎ形
半導体のメサ形状のコレクタ層領域とが記載順に積層さ
れ、前記メサ形状領域の外側のベース層領域からｐ形不純物
が前記エミッタ層領域及び前記コレクタ層領域に拡散し
てｐ形となったベースコンタクト領域を有することを特
徴とする化合物ヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項３】前記ベースコンタクト領域の拡散層は濃度
勾配を有することを特徴とする請求項１または２に記載
の化合物ヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項４】前記エミッタ層領域と前記ベース層領域の
間、或いは前記コレクタ層領域と前記ベース層領域の間
に、キャリア不純物が無添加の半導体層を挿入したこと
を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の化合物
ヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項５】基板上に、ｎ形半導体のコレクタ層領域と
ｐ形半導体のベース層領域とｎ形半導体で禁制帯幅が大
きくメサ形状のエミッタ層領域と、或いはｎ形半導体で
禁制帯幅の大きいエミッタ層領域とｐ形半導体のベース
層領域とｎ形半導体のメサ形状のコレクタ層領域とを積
層する工程と、前記メサ形状領域の外側のベース層領域からｐ形不純物
が前記エミッタ層領域及び前記コレクタ層領域に拡散し
てｐ形となったベースコンタクト領域を形成する工程と
を有することを特徴とする化合物ヘテロバイポーラトラ
ンジスタの製造方法。
【請求項６】前記ベースコンタクト領域は、気相拡散若
しくは固相拡散若しくはイオン注入後の加熱拡散により
形成されることを特徴とする請求項５に記載の化合物ヘ
テロバイポーラトランジスタの製造方法。