JP2001168105A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ベース幅の製造誤差によるバイアス電圧の偏
差の影響を受けにくいバイポーラトランジスタとその製
造方法を提供する。 【解決手段】 コレクタとして機能するシリコン半導体
層上に、Ｇｅの組成比が、深さに対して対数関数的に変
化するプロファイルを有するＧｅＳｉ層からなるベース
層をエピタキシャル成長により形成する。この組成分布
を有するトランジスタのベース層における真性キャリア
濃度は、その２乗が、深さに対して、傾きが負の一次関
数的に変化している。形成されたベース領域に不純物を
添加してエミッタ領域を形成する。エミッタ接合面の位
置に偏差が生じても、真性キャリア濃度のプロファイル
により、コレクタ電流がほぼ一定となり、見かけ上、エ
ミッタ接合面の偏差によるバイアス電圧の変動の影響を
外部に与えない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エミッタ接合の深
さに偏差が発生しても、回路設計上は、バイアス電圧が
偏差をもたないバイポーラトランジスタとその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】バイポーラトランジスタを用いた論理回
路では、差動対（差動増幅対）が多段接続されて使用さ
れることが多い。差動対は、２つのバイポーラトランジ
スタ（以下、トランジスタ）から構成されており、それ
ぞれのトランジスタのエミッタは共通の定電流源に接続
され、コレクタは抵抗を介して電源に接続された回路形
式をしている。このような回路形式の差動対を複数段接
続した論理回路では、動作している段のトランジスタの
ベースに異なる電圧を印加する。つまり、入力電圧が印
加されると、トランジスタの動作する段が切り替わり、
次の段のトランジスタが動作する。

【０００３】一般に、バイポーラトランジスタを用いた
論理回路では、入力しきい値電圧ＶINとして、トランジ
スタのベース・エミッタ間順方向電圧Ｖ_ＢＥが利用され
ている。

【０００４】例えば、差動増幅回路を構成している全て
のトランジスタが全く同一の特性を有しているならば、
その回路は設計値通りの特性を得ることができる。しか
し、実際には、トランジスタの特性は少しずつ異なる。
このため、対をなす各トランジスタの入力しきい値電圧
がばらつき、ひいては、差動対の切替電圧Ｖ_ｆ（差動対
を構成する２つのトランジスタのいずれが動作するかを
切り替える電圧）に偏差が生じる。

【０００５】差動対の切替電圧Ｖ_ｆは、回路設計上、同
一とすべく作製されたトランジスタにおいて、同一のコ
レクタ電流を得るためにベース・エミッタ間に印加され
る電圧であるので、差動対の切替電圧Ｖ_ｆに偏差が生じ
ると、一対の入力電圧が全く同一の場合であっても、コ
レクタに出力される電流がトランジスタ対毎に異なって
くる。

【０００６】このようなことから、差動対が多段接続さ
れている論理回路を動作させた場合、各段の差動対の切
替電圧Ｖ_ｆの偏差と、それに伴って次段の差動対に伝達
される信号対の偏差とが相まって、段が進むに従って、
偏差が増幅されてしまい、電源電圧の変動などに対する
回路動作マージンの低下、周波数特性の劣化などを引き
起こす場合がある。

【０００７】差動対の切替電圧Ｖ_ｆに偏差が生じる主な
要因として、（１）エミッタ・ベース接合の実効的な面
積の偏差、（２）エミッタ抵抗等、抵抗の偏差、（３）
ベース・プロファイル等、プロファイルの偏差などが挙
げられる。

【０００８】これらの要因のうち、（１）エミッタ・ベ
ース接合の実効的な面積の偏差は、リソグラフィ技術の
進歩により、エミッタ・ベース接合の実効的な面積のば
らつきを抑え、一定の範囲以内に抑えることができるよ
うになった。

【０００９】また、（２）エミッタ抵抗の偏差は、エミ
ッタ・ベース接合の実効的な面積の偏差に依存する。つ
まり、エミッタ抵抗は、エミッタ・ベース接合面積に依
存し、その影響を受けるので、接合面積の偏差を抑制で
きればエミッタ抵抗の偏差も抑制することができる。す
なわち、接合面積が大きければ、エミッタ抵抗は小さく
なり、接合面積が小さければ、エミッタ抵抗は大きくな
る。

【００１０】このように、（１）、（２）の要因による
差動対の切り替え電圧Ｖ_ｆの偏差は従来技術を用いて抑
制することが可能である。

【００１１】しかし、（３）ベース・プロファイルの偏
差については、従来有効な解決手法は提案されていな
い。近年、バイポーラトランジスタの製造においては、
その遮断周波数ｆ_Ｔを向上させるために、極浅接合化さ
れているため、ベース・プロファイルの偏差は顕著にあ
らわれ、その影響は大きい。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】バイポーラトランジス
タの製造において、ベース形成に用いられる技術には、
イオン注入法やエピタキシャル成長法がある。

【００１３】イオン注入法によってベース領域が形成さ
れた場合、ベース領域に含まれる不純物の濃度プロファ
イルは、ガウス分布に近いプロファイルとなり、深さ方
向で変化するプロファイルとなっている。そのため、エ
ミッタ領域が形成されたとき、その接合面にばらつきが
生じてしまう。

【００１４】これに対して、エピタキシャル成長法によ
ってベース領域が形成された場合、ベース領域に含まれ
るｐ型（又はｎ型）不純物の濃度は、エミッタ接合の深
さに関係しない。つまり、同一ウエハ上のどのトランジ
スタにおいてもベース領域に含まれるのｐ型（又はｎ
型）不純物の濃度は同一の値を示す。一方、エミッタ領
域は、ベース領域にｎ型（又はｐ型）不純物を熱拡散又
はイオン注入することによって形成されるため、トラン
ジスタ毎にｎ型（又はｐ型）不純物の濃度分布が異な
る。よって、エミッタ接合の深さが偏差を持つことにな
る。

【００１５】また、オーミック性の抵抗を下げるため
に、エミッタを形成すべき領域上にポリシリコン膜等を
形成することがある。この場合、ポリシリコン膜等から
不純物拡散を行ってエミッタを形成するのだが、ポリシ
リコン膜等の多結晶膜と、エミッタを形成すべき領域上
との間に形成された自然酸化膜等により、拡散にばらつ
きが生じる。その結果、エミッタ接合の深さにばらつき
が生じることになる。

【００１６】このように、ベース領域に含まれる不純物
の濃度が深さ方向で変化したり、エミッタ接合の深さも
偏差を持つことが、ベース・プロファイルの偏差の原因
となっている。さらに、そのことは、ベース幅Ｗ_Ｂに偏
差を生じさせる原因にもなっている。

【００１７】バイポーラトランジスタのベースを流れる
電流は拡散電流であるので、ベース幅Ｗ_Ｂは、トランジ
スタの入力に印加された電圧がある一定値Ｖ_ＢＥで固定
されているとき（入力しきい値電圧がＶ_ＢＥであると
き）、コレクタ電流Ｉ_Ｃに対して、Ｉ_Ｃ∝１／Ｗ_Ｂとい
う関係をもつ。即ち、コレクタ電流はベース幅に反比例
する。このことより、ベース幅Ｗ_Ｂの変化に伴い、コレ
クタ電流Ｉ_Ｃも変化することがわかる。つまり、エミッ
タ接合の深さの偏差は、コレクタ電流Ｉ_Ｃに影響を及ぼ
していることになる。

【００１８】多段接続の差動増幅回路では、コレクタ電
流Ｉ_ＣがΔＩcだけ異なると、抵抗Ｒを介して出力され
る電圧が異なるため、次段のトランジスタのベースに印
加される電圧Ｒ×ΔＩcだけが異なってくる。つまり、
コレクタ電流Ｉ_Ｃの変化は、差動対の切替電圧Ｖ_ｆ（バ
イアス電圧Ｖ_ｆ）に影響を及ぼしていることになる。

【００１９】このため、多段接続の差動増幅回路におい
て、トランジスタのエミッタ接合の深さが異なっている
と、コレクタ電流Ｉ_Ｃが異なるため、差動対の切替電圧
Ｖ_ｆ（バイアス電圧Ｖ_ｆ）に偏差が生じてしまう。

【００２０】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、回路設計上、バイアス電圧が偏差
を持ちにくいバイポーラトランジスタとその製造方法を
提供することにある。また、本発明は、回路設計を容易
にし、また、所期の特性を有する回路を提供することに
ある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の観点に係るバイポーラトランジスタ
は、コレクタ領域と、ベース領域と、エミッタ領域とを
備えるバイポーラトランジスタにおいて、前記ベース領
域のうち少なくともエミッタ領域に接する部分を含む領
域は、真性キャリア濃度の２乗が、深さに対して、傾き
が負の一次関数的に変化するプロファイルを有する、こ
とを特徴とする。

【００２２】また、本発明の第２の観点に係るバイポー
ラトランジスタは、コレクタ領域と、ベース領域と、エ
ミッタ領域とを備えるバイポーラトランジスタにおい
て、前記ベース領域のうち少なくともエミッタ領域に接
する部分を含む領域は、その真性キャリア濃度ｎ_ｉが、
近似的に前述の数式１に示すプロファイルを有すること
を特徴とする。

【００２３】第１及び第２の観点に係るバイポーラトラ
ンジスタによれば、少なくともエミッタ領域に接する部
分のベース領域において真性キャリア濃度ｎ_ｉが、図２
に例示するように、深さに対して、直線的に減少する。
このような特性をベース領域に与えると、エミッタとベ
ースとの接合面の深さが変化したとしても、コレクタ電
流の変化があまり起こらない。従って、バイアス電圧の
偏差が小さいバイポーラトランジスタやその差動対が得
られ、回路設計が容易になり、また、回路が偏差の影響
を受けずに動作可能となる。

【００２４】また、本発明の第３の観点に係るバイポー
ラトランジスタは、コレクタ領域と、ベース領域と、エ
ミッタ領域とを備えるバイポーラトランジスタにおい
て、前記ベース領域の一部又は全部は、シリコンとゲル
マニウムとの合金から成る半導体材料から構成され、少
なくともエミッタ領域に接する部分のベース領域におい
てゲルマニウムの割合が、深さ方向に対して、対数関数
的に変化するプロファイルを有することを特徴とする。

【００２５】また、本発明の第４の観点に係るバイポー
ラトランジスタは、コレクタ領域と、ベース領域と、エ
ミッタ領域とを備えるバイポーラトランジスタにおい
て、前記ベース領域の一部又は全部は、シリコンとゲル
マニウムとの合金Ｓｉ_{１− ａ}Ｇｅ_ａから成る半導体材料
から構成され、少なくともエミッタ領域に接する部分の
ベース領域においてゲルマニウムの組成比ａが、前述の
数式２に示すプロファイルを有することを特徴とする。

【００２６】第３及び第４の観点に係るバイポーラトラ
ンジスタによれば、ベース半導体材料の組成比が、図１
に例示するように、深さ方向に対して、対数関数的に変
化する。ベース領域をこのような組成で形成すると、エ
ミッタとベースとの接合面の深さが変化したとしても、
コレクタ電流の変化があまり起こらない。従って、バイ
アス電圧の偏差が小さいバイポーラトランジスタやその
差動対が得られ、回路設計が容易になり、また、回路が
偏差の影響を受けずに動作可能となる。

【００２７】本発明の第５の観点に係るバイポーラトラ
ンジスタの製造方法は、コレクタとして機能する半導体
層上に、真性キャリア濃度の２乗が、深さに対して、傾
きが負の一次関数的に変化するプロファイルを有し、ベ
ースとして機能する単結晶半導体層を形成し、形成され
たベース層に不純物を添加してエミッタ領域として機能
する単結晶半導体層を形成する、ことを特徴とする。

【００２８】また、本発明の第６の観点に係るバイポー
ラトランジスタの製造方法は、コレクタとして機能する
半導体層上に、シリコンとゲルマニウムとの合金から成
る半導体材料から構成され、少なくともエミッタ領域に
接する部分のベース領域においてゲルマニウムの割合
が、深さ方向に対して、対数関数的に変化するプロファ
イルを有することを特徴とする。

【００２９】また、本発明の第７の観点に係るバイポー
ラトランジスタの製造方法は、半導体基板上に、シリコ
ンとゲルマニウムとの合金Ｓｉ_１−ａＧｅ_ａから成る半
導体材料から構成され、少なくともエミッタ領域に接す
る部分のベース領域においてゲルマニウムの組成比ａ
が、前記数式２に示すプロファイルを有する合成半導体
層を形成し、この合成半導体層の表面領域に不純物を拡
散してエミッタ領域を形成する、ことを特徴とする。

【００３０】前記ベース領域は、例えば、エピタキシャ
ル成長により形成される。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
１〜３を用いて説明する。

【００３２】図１は、本実施の形態のベース半導体材料
組成のプロファイルを示す。図２は、本実施の形態の真
性キャリア濃度のプロファイルを示す。図３は、本実施
の形態における半導体装置の製造工程の断面図である。

【００３３】本実施の形態に係るトランジスタは、ベー
ス半導体材料にＳｉ（シリコン）とＧｅ（ゲルマニウ
ム）とからなるＳｉＧｅ合金が用いられているｎｐｎ型
バイポーラトランジスタ（以下、トランジスタ）であ
る。ベース領域にはＢ（ボロン）がドープされており、
エミッタ領域にはＰ（リン）がドープされている。

【００３４】まず、多段接続の差動増幅回路において、
差動対の切替電圧Ｖ_ｆが偏差を持たないようにするため
に、同一のコレクタ電流Ｉ_Ｃを得るための原理について
説明する。

【００３５】トランジスタのエミッタ接地電流増幅率ｈ
_ＦＥは、７０〜２００程度の値を有するので、トランジ
スタ単体において、その電流増幅率ｈ_ＦＥをｈ_ＦＥ≒１
００とすると、（コレクタ電流Ｉ_Ｃ）＝（エミッタ電流
Ｉ_Ｅ）−（ベース電流Ｉ_Ｂ）≒（エミッタ電流Ｉ_Ｅ）と
みなすことができ、数式３が成立する。

【数３】 ここで、Ａ_Ｅ：エミッタ接合面積、ｑ：電気素量、
Ｗ_Ｂ：ベース幅、Ｎ_Ｂ（ｘ）：深さｘにおけるベース不
純物濃度、Ｄ_ｎ（ｘ）：深さｘにおける少数キャリアの
拡散定数、ｎ_ｉ（ｘ）：深さｘにおける真性キャリア濃
度、Ｖ_ＢＥ：バイアス電圧、ｘ：ベース領域中における
位置（即ち、エミッタ接合面からの深さ）とする。

【００３６】ここで、理解を容易にするために、中性ベ
ース領域のうちエミッタに接触している領域の真性キャ
リア濃度をｎ_ｉ、ベース中の少数キャリア拡散定数の平
均的な値をＤ_ｎ、ベース不純物濃度の平均的な値をＮ_Ｂ
とすると、数式３は、数式４に近似できる。

【数４】

【００３７】差動対の切替電圧Ｖ_ｆが偏差を持たないよ
うにするためには、ベース幅Ｗ_ＢがばらつきΔＷ_Ｂを持
っても、数式４に示すＩ_Ｃが変動しないようにすればよ
い。

【００３８】そこで、エミッタ接合が最も浅いトランジ
スタのエミッタ接合の位置を基準とし、最も浅いエミッ
タ接合位置と最も深いエミッタ接合位置の幅をｄとし、
最も浅いエミッタ接合を有するトランジスタのベース幅
をＷ_Ｂとする。最も浅いエミッタ接合位置と最も深いエ
ミッタ接合位置の幅ｄは、最も浅いエミッタ接合の位置
を基準としているため、トランジスタが形成される基板
（ウエハ）によって、それぞれ異なる値を有する。

【００３９】上記条件としたとき、数式５が満たされれ
ばよい。

【数５】

【００４０】数式５の条件が満たされれば、トランジス
タの出来上がり時のベース幅Ｗ_Ｂにばらつきが生じてい
ても、数式２に示すコレクタ電流Ｉ_Ｃを一定とすること
ができる。即ち、数式５が満たされれば、バイアス電圧
Ｖ_ＢＥをトランジスタに印加したときに、同一のコレク
タ電流Ｉ_Ｃを得ることができる。そのため、差動対の切
替電圧Ｖ_ｆの偏差を抑えることができる。また、この条
件を完全に満足しなくとも、この条件に近ければＶ_ｆの
ばらつきを小さくできる。

【００４１】次に、数式５の条件を満たすための真性キ
ャリア濃度ｎ_ｉのプロファイルを求める。

【００４２】数式５を変形すると、数式６が成立する。

【数６】

【００４３】ここで、ベース領域中の不純物濃度Ｎ_Ｂを
深さ方向で一定であるとし、数式６にＮ_Ｂ（ｄ）／Ｎ_Ｂ
（０）＝１を代入すると、数式７が成立する。

【数７】

【００４４】数式７において、変数ｄは、エミッタ接合
が最も浅いトランジスタのエミッタ接合の位置を基準と
したときの、最も浅いエミッタ接合位置と最も深いエミ
ッタ接合位置の幅を表している。数式７は、最も浅いエ
ミッタ接合の位置と、最も深いエミッタ接合の位置との
間における真性キャリア濃度を表す式である。ここで、
トランジスタの真性領域（単結晶領域）の深さ方向にお
ける真性キャリア濃度ｎ_ｉを表す式を導くために、変数
ｄを、トランジスタの真性領域の深さ方向を変数とする
変数ｘに置き換える。数式７において、最も浅いエミッ
タ接合の位置における真性キャリア濃度ｎ_ｉ ^２（０）は
定数であるため、変数ｄを変数ｘに置き換えることによ
り、トランジスタの真性領域の深さ方向における真性キ
ャリア濃度ｎ_ｉを表す式として数式８が得られる。

【数８】 ｎ_ｉ ^２（ｘ）≫ｎ_ｉ ^２（０）・（１−ｘ／Ｗ_Ｂ）

【００４５】よって、数式８の条件を満たすための真性
キャリア濃度ｎ_ｉのプロファイルは図２に示すようにな
る。

【００４６】少なくとも不純物の拡散によってエミッタ
が形成される領域付近で数式７で表されるような真性キ
ャリア濃度ｎ_ｉが得られればよいので、本実施の形態で
は、ヘテロ接合面からベース・コレクタ接合面、つまり
ｘ＝０からｘ＝Ｗ_Ｂの領域で数式８に従うプロファイル
を示す。よって、ｘ＝０からｘ＝Ｗ_Ｂの間で数式８が満
たされれば、コレクタ電流Ｉ_Ｃが一定となる条件が得ら
れる。即ち、多段接続の差動増幅回路において、ベース
幅Ｗ_Ｂにばらつきが生じていても、同一のコレクタ電流
Ｉ_Ｃを得ることができ、差動対の切替電圧Ｖ_ｆの偏差を
抑えることができる。

【００４７】次に、ベース領域中の真性キャリア濃度ｎ
_ｉが数式７の関係を満たすようなベース半導体材料組成
のプロファイルを求める。

【００４８】半導体の真性キャリア濃度ｎ_ｉと禁制帯幅
Ｅ_ｇとの間には、一般的に、数式９に示す関係が成立す
る。

【数９】 Ｎ_Ｖ：価電子帯の有効状態密度、Ｎ_Ｃ：伝導帯の有効状
態密度

【００４９】即ち、数式９を変形して数式１０が得られ
る。

【数１０】Ｅ_ｇ＝−（ｋＴ／ｑ）・ｌｎ（ｎ_ｉ ^２／（Ｎ
_Ｖ・Ｎ_Ｃ））

【００５０】前述のように、最も浅いエミッタ接合を有
するトランジスタのエミッタ接合の位置を基準とし、最
も浅いエミッタ接合位置と最も深いエミッタ接合位置の
幅をｄとしたとき、最も浅いエミッタ接合位置における
禁制帯幅と、最も深いエミッタ接合位置における禁制帯
幅をそれぞれＥ_ｇ（０）、Ｅ_ｇ（０）＋ΔＥ_ｇ（ｄ）と
すると、数式７と数式１０より、数式１１が成立する。

【数１１】

【００５１】本実施の形態に係るトランジスタのベース
半導体材料に用いられているＳｉとＧｅとの格子定数
は、Ｓiが０．５４ｎｍ、Ｇｅが０．５５ｎｍである。
一般的に、混合物から成る半導体と単元素半導体とが接
する場合、両者の格子定数が一致していないと、原子間
に応力が加わる。また、半導体の禁制帯幅は、格子定数
と原子核のポテンシャル分布との影響を受けて決まる物
理量である。即ち、格子定数が変わると、半導体の禁制
帯幅も変化するので、ＳｉＧｅ合金の禁制帯幅は、両者
の混合比およびＳｉＧｅ合金にかかる応力によって決定
される。

【００５２】室温におけるＳｉの禁制帯幅は約１．１２
４ｅＶ、Ｇｅの禁制帯幅は約０．６７ｅＶである。Ｓｉ
Ｇｅ合金に占めるＧｅの割合をａ、Ｓｉの割合を１−ａ
とすると、Ｇｅの含有量が少ない場合（即ち、ａが、１
−ａに比して充分に小さい場合）、ＳｉＧｅ合金の禁制
帯幅Ｅ_ｇは、数式１２で近似できる。

【数１２】Ｅ_ｇ（Ｓi_１−ａＧｅ_ａ）＝Ｅ_ｇ（Ｓi）−
０．７６×ａ （０≦ａ≦０．１）

【００５３】即ち、Ｓｉ_１−ａＧｅ_ａ合金中におけるＧ
ｅの組成比として数式１３を得る。

【数１３】ａ＝（Ｅ_ｇ（Ｓｉ）−Ｅ_ｇ（Ｓｉ_１−ａＧｅ
_ａ））／０．７６

【００５４】よって、数式１１と数式１３より、数式１
４が導かれる。

【数１４】ａ（ｄ）≒（ｋＴ／ｑ）・（１／０．７６）
・ｌｎ（Ｗ_Ｂ／（Ｗ_Ｂ−ｄ））

【００５５】数式１４において、変数ｄは、エミッタ接
合が最も浅いトランジスタのエミッタ接合の位置を基準
としたときの、最も浅いエミッタ接合位置と最も深いエ
ミッタ接合位置の幅を表している。数式１４は、最も浅
いエミッタ接合の位置と、最も深いエミッタ接合の位置
との間におけるＧｅの組成比を表す式である。ここで、
トランジスタの真性領域（単結晶領域）の深さ方向にお
けるＧｅの組成比を表す式を導くために、変数ｄを、ト
ランジスタの真性領域の深さ方向を変数とした変数ｘに
置き換える。よって、トランジスタの真性領域の深さ方
向におけるＳｉ _１−ａＧｅ_ａ合金中におけるＧｅの組成
比ａを表す関係式として数式１５が得られる。

【数式１５】ａ（ｘ）≒（ｋＴ／ｑ）・（１／０．７
６）・ｌｎ（Ｗ_Ｂ／（Ｗ_Ｂ−ｘ））

【００５６】室温では、ｋＴ／ｑ＝０．０２５であるか
ら、これを数式１５に代入することにより数式１６が得
られる。

【数１６】 ａ（ｘ）≒（１／３０）・ｌｎ（Ｗ_Ｂ／（Ｗ_Ｂ−ｘ））

【００５７】数式１６より、深さｘ＝０では、Ｇｅの組
成比はａ＝０となる。つまり、ヘテロ界面では、Ｇｅの
組成比が０となる。また、深さｘ＝Ｗ_Ｂでは、自然対数
が無限大となってしまうが、不純物拡散によってエミッ
タが形成される領域付近のＧｅ濃度が数式１６で表され
るプロファイルとなればよい。そのため、本実施の形態
では、深さｘ＝０からｘ＝Ｗ_Ｂ／２の領域で数式１６に
従うプロファイルを作成する。

【００５８】数式１６に、ｘ＝Ｗ_Ｂ／２を代入すると、
ａ≒０．０２３となる。即ち、ベース幅の中間付近にお
けるＳｉＧｅ中のＧｅモル濃度は約２．３％となる。

【００５９】よって、ベース領域中の真性キャリア濃度
ｎ_ｉが数式８の関係を満たすようなベース半導体材料組
成のプロファイルは、図１に示すようになる。

【００６０】従って、ベースエピタキシャル層の表面近
傍から深さ方向に向かって、Ｇｅの割合ａが対数関数的
に増加するように、ＳｉとＧｅの組成を調整することに
より、エミッタ接合の深さに偏差が生じていても、コレ
クタ電流Ｉ_Ｃを同一にすることができる。その結果、差
動対の切替電圧Ｖ_fの偏差を抑えることができる。ま
た、この条件を完全に満足しないまでも、この条件に近
いベース・プロファイルを実現できればＶ_ｆのばらつき
を小さくできる。

【００６１】次に、上記構成のバイポーラトランジスタ
の製造方法について説明する。

【００６２】まず、図３（ａ）に示すように、コレクタ
として機能するｎ型シリコン基板１を用意する（ｐ型シ
リコン基板に、ｎ型のコレクタ領域を形成したものでも
よい）。ｎ型シリコン基板１上に酸化膜２を形成し、リ
ソグラフィ工程によってベース形成予定領域上の部分を
除去し、開口を形成する。

【００６３】次に、酸化膜２を除去した領域に、ＳｉＧ
ｅ合金をエピタキシャル成長させ、ベース領域３を形成
する。

【００６４】例えば、ＳｉＧｅ合金を気相エピタキシャ
ル成長させるとき、Ｓｉ系の反応ガスとＧｅ系の反応ガ
スの成分を時間の経過と共に変化させる。すなわち、エ
ピタキシャル層の成長に応じてＧｅ系ガスの割合を低下
させる。例えば、Ｓｉ系の反応ガスとしてＳｉ_２Ｈ_６を
用い、Ｇｅ系の反応ガスとしてＧｅＨ_４を用いる。図１
に示すプロファイルのように、コレクタ領域付近から約
０．２ｎｍの範囲内でＧｅの濃度が０％から約１０％に
上昇するようにＧｅＨ_４の供給量を増やしていき、ベー
ス層のほぼ中間付近までＳｉＧｅ合金を成長させる。そ
して、そこから約２．０ｎｍの厚さまで、Ｇｅ濃度が一
次関数的に減少し、さらにそこから約２．０ｎｍの厚さ
までＧｅ濃度が対数関数的に減少するように、ＧｅＨ_４
の供給量を減らしていく。このようにＧｅの濃度を変化
させつつ、エピタキシャル層を成長させる。

【００６５】即ち、ＳｉＧｅ合金をエピタキシャル成長
させるとき、Ｓｉ系の反応ガスとＧｅ系の反応ガスの成
分を時間の経過と共に変化させて（エピタキシャル層の
成長に応じてＧｅ系ガスの割合を低下させて）成長さ
せ、完成時のエピタキシャル層の表面（又は予想される
最も浅いエミッタ接合位置）から深さｄの位置では、Ｇ
ｅが数式１６に示す割合ａ（ｄ）で含まれているような
ＳｉＧｅ合金を結晶成長させる。

【００６６】なお、このとき、電気的に活性となる不純
物として約５×１０^１８ｃｍ^−３の濃度のホウ素を添加
する。

【００６７】従って、図１に示すようにホウ素の濃度が
深さにかかわらず一定であり、また、Ｇｅの割合が、エ
ピタキシャル層の表面から、距離の対数に応じて増加
し、続いて、直線的に（一次関数的に）増加するような
プロファイルのエピタキシャル層（ベース層）が得られ
る。

【００６８】以下に、具体的な結晶成長条件を示す。近
年、ＳｉＧｅ合金膜の精密な制御方法として注目されて
いる超高真空化学気相堆積法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）は、分
子線エピタキシー法と呼ばれる結晶成長方法と同様に、
超高真空チャンバを用いる方法である。その、バイポー
ラトランジスタへの応用は、本発明者により、F.satoet
al.,“A super self-aligned selectively grown SiGe
base (SSSB) bipolar transistor fabricated by cold
-wall type ”に開示されている。

【００６９】上記方法を用いてＳｉＧｅ合金ベースを形
成する場合、例えば、シリコン基板１の温度を６０５℃
とし、Ｓｉ_２Ｈ_６を３ｓｃｃｍ、ＧｅＨ_４を２ｓｃｃｍ
の割合で使用することにより、Ｇｅ濃度が１０％含有す
るＳｉＧｅ合金ベースが形成される。Ｇｅ濃度が０〜１
０％含有するようにするためには、ＧｅＨ_４を２ｓｃｃ
ｍ以下の範囲で調整すればよい。

【００７０】また、ホウ素をベース領域にドープするた
めの反応ガスには、Ｂ_２Ｈ_６を用いる。

【００７１】次に、ベース領域３の形成後、図３（ｂ）
に示すように、ウエハの全面に酸化膜４を形成する。

【００７２】その後、ベース電極を形成すべき領域以外
をフォトレジストのマスクで覆い、ホウ素をイオン注入
し、図３（ｃ）に示すように、拡散層５を形成する。続
いて、リソグラフィ工程によってエミッタ領域を形成す
べき領域上の酸化膜を除去し、図３（ｃ）に示すように
開口部を形成する。

【００７３】次に、図３（ｄ）に示すように、ポリシリ
コン膜６をＬＰＣＶＤ（低圧気相成長）法によって堆積
し、さらに、熱拡散又はイオン注入により、ベース領域
３中にリンを添加し、エミッタ領域７を形成する。この
とき、リンの添加は、ベース領域３を突き抜けないよう
に行う。

【００７４】このとき、エミッタ接合面（ベース・エミ
ッタの界面）の位置は若干ばらつくが、図１に示すよう
に、エミッタ接合面が形成される位置は、結晶中のＧｅ
の割合が対数関数的に変化している位置であり、また、
図２に示すように、真性キャリア濃度の２乗が深さに対
して一次関数的に減少している領域である。

【００７５】エミッタ領域７の形成後、ウエハ全面に酸
化膜８を形成し、リソグラフィ工程により、電極を形成
すべき領域上に孔を開け、スパッタリング等を用いて、
ウエハ全面に金属膜を形成する。

【００７６】そして、図３（ｅ）に示すように、ウエハ
全面に形成した金属膜をリソグラフィ工程により不要な
部分を除去し、電極９及び電極１０を形成する。

【００７７】即ち、上記製造方法を用いることにより、
エミッタ接合の深さに偏差が生じていても、同一のコレ
クタ電流Ｉ_Ｃを得ることができ、差動対の切り替え電圧
Ｖ_ｆ（バイアス電圧Ｖ_ｆ）に偏差が発生しないバイポー
ラトランジスタを製造することができる。

【００７８】

【実施例】本実施の形態のバイポーラトランジスタを実
際に製造し、従来のバイポーラトランジスタのバイアス
電圧Ｖ_ｆの偏差を比較した。ウエハ上にエミッタ面積が
０．６μｍ×８．０μｍのトランジスタを、上記実施の
形態の方法及び従来の製造方法をそれぞれ用いてマトリ
クス状に形成した。次に、ウエハ面内のトランジスタの
バイアス電圧Ｖ_ｆ１、Ｖ_ｆ２、Ｖ_ｆ３、・・・を測定
し、隣接するトランジスタのバイアス電圧の差｜Ｖ_ｆ１
−Ｖ_ｆ２｜、｜Ｖ_ｆ２−Ｖ_ｆ３｜、・・・を求め、その
標準偏差σを測定した。

【００７９】その結果、図４に示す従来のプロファイル
によるトランジスタは、σ＝１．４ｍＶであったが、本
実施の形態によるトランジスタは、σ＝１．１ｍＶであ
り、約２０％の改善がみられた。

【００８０】上記結果から明らかなように、本実施の形
態によるトランジスタを用いることにより、エミッタ接
合の深さに偏差が生じていても、バイアス電圧Ｖ_ｆの偏
差を抑えることができることが確認された。

【００８１】本実施の形態では、ベース領域に、２種類
以上の半導体材料としてＳｉＧｅ合金を用いたが、本発
明の原理を用いれば、他の組み合わせの半導体材料を用
いても可能である。

【００８２】例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）に
おけるＳｉとＣとの組成比を変化させてもよい。また、
ＳｉＧｅＣやＳｉＣとＳｉとからなるベース半導体材料
を用いても本実施の形態と同様の効果が得られる。

【００８３】また、本実施の形態では、ベース領域にホ
ウ素を、エミッタ領域にリンをドープしたが、他の不純
物をドープしてもよい。例えば、エミッタ領域の不純物
としてヒ素を用いてもよい。

【００８４】また、本実施の形態では、選択的エピタキ
シャル成長によってベース領域を形成する方法を用いて
いるが、非選択的エピタキシャル成長を用いてもよい。

【００８５】また、本実施の形態では、Ｇｅモル濃度を
２．３％から約１０％へと、ベース領域の深さが深くな
るにつれて増加させているが、これは、ベースを走行す
る電子に対して加速電界を形成させるためであるので、
このようなプロファイルとしなくてもよい。例えば、
２．３％のまま一定値としてもよい。

【００８６】また、ポリシリコンエミッタ技術を用いた
バイポーラトランジスタでは、エミッタ側の中性ベース
領域における禁制帯幅Ｅ_ｇが数式１７となるようなベー
ス半導体材料組成にすればよい。

【数１７】Ｅ_ｇ（ｄ）＝Ｅ_ｇ（０）・ｋＴ・ｌｎ（１−
ｄ／Ｗ_Ｂ）

【００８７】なお、この発明は、上記実施の形態に限定
されず、種々の応用及び変形が可能である。例えば、上
記実施の形態においては、ＮＰＮトランジスタを例に、
この発明を説明したが、例えば、ＰＮＰトランジスタに
も適用可能である。

【００８８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
見かけ上、バイアス電圧が偏差を持たないようなバイポ
ーラトランジスタを提供することができる。また、回路
設計が容易になり、その設計仕様に近い回路動作を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態のベース半導体材料組成のプロフ
ァイルを示す。

【図２】本実施の形態の真性キャリア濃度のプロファイ
ルを示す。

【図３】本実施の形態における半導体装置の製造工程の
断面図を示す。

【図４】従来のベース半導体材料組成のプロファイルを
示す。

【符号の説明】

１ ｎ型シリコン基板 ２、４、８ 酸化膜 ３ ベース領域 ５ 拡散層 ６ ポリシリコン膜 ７ エミッタ領域 ９ エミッタ電極 １０ ベース電極

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コレクタ領域と、ベース領域と、エミッタ
   領域とを備えるバイポーラトランジスタにおいて、 前記ベース領域のうち少なくともエミッタ領域に接する
   部分を含む領域は、真性キャリア濃度の２乗が、深さに
   対して、傾きが負の一次関数的に変化するプロファイル
   を有する、ことを特徴とするバイポーラトランジスタ。
2. 【請求項２】コレクタ領域と、ベース領域と、エミッタ
   領域とを備えるバイポーラトランジスタにおいて、 前記ベース領域のうち少なくともエミッタ領域に接する
   部分を含む領域は、その真性キャリア濃度ｎ_ｉが、近似
   的に数式１に示すプロファイルを有することを特徴とす
   るバイポーラトランジスタ。 【数１】ｎ_ｉ ^２（ｘ）≒ｎ_ｉ ^２（０）・（Ｎ_Ｂ（ｘ）／
   Ｎ_Ｂ（０））・（１−ｘ／Ｗ_Ｂ） ここで、ｘは、トランジスタの真性領域における深さ、 ｎ_ｉ（ｘ）は、深さがｘの位置での真性キャリア濃度、 Ｎ_Ｂ（ｘ）は、深さがｘの位置での不純物濃度、 ｎ_ｉ（０）、Ｎ_Ｂ（０）、Ｗ_Ｂは、それぞれ、定数であ
   る。
3. 【請求項３】コレクタ領域と、ベース領域と、エミッタ
   領域とを備えるバイポーラトランジスタにおいて、 前記ベース領域の一部又は全部は、シリコンとゲルマニ
   ウムとの合金から成る半導体材料から構成され、 少なくともエミッタ領域に接する部分のベース領域にお
   けるゲルマニウムの割合が、深さ方向に対して、対数関
   数的に変化するプロファイルを有することを特徴とする
   バイポーラトランジスタ。
4. 【請求項４】コレクタ領域と、ベース領域と、エミッタ
   領域とを備えるバイポーラトランジスタにおいて、 前記ベース領域の一部又は全部は、シリコンとゲルマニ
   ウムとの合金Ｓｉ_{１− ａ}Ｇｅ_ａから成る半導体材料から
   構成され、 少なくともエミッタ領域に接する部分のベース領域にお
   けるゲルマニウムの組成比ａが、数式２に示すプロファ
   イルを有することを特徴とするバイポーラトランジス
   タ。 【数２】 ａ（ｘ）≒（１／３０）・ｌｎ（Ｗ_Ｂ／（Ｗ_Ｂ−ｘ）） （室温におけるベース半導体材料組成のプロファイル） ここで、ｘはトランジスタの真性領域における深さ、 ａ（ｘ）は、深さがｘの位置でのゲルマニウムの濃度、 Ｗ_Ｂは、定数である。
5. 【請求項５】コレクタとして機能する半導体層上に、真
   性キャリア濃度の２乗が、深さに対して、傾きが負の一
   次関数的に変化するプロファイルを有し、ベースとして
   機能する領域を形成し、 形成されたベース層に不純物を添加してエミッタとして
   機能する領域を形成する、ことを特徴とするバイポーラ
   トランジスタの製造方法。
6. 【請求項６】コレクタとして機能する半導体層上に、一
   部又は全部がシリコンとゲルマニウムとの合金から成る
   半導体材料から構成され、ゲルマニウムの割合が、深さ
   方向に対して、対数関数的に変化するプロファイルを有
   し、ベースとして機能する領域を形成し、 形成された領域に不純物を添加してエミッタ領域を形成
   する、ことを特徴とするバイポーラトランジスタの製造
   方法。
7. 【請求項７】半導体基板上に、一部又は全部がシリコン
   とゲルマニウムとの合金Ｓｉ_１−ａＧｅ_ａから成る半導
   体材料から構成され、ゲルマニウムの組成比ａが、前記
   数式２に示すプロファイルを有する合成半導体層を形成
   し、 この合成半導体層の表面領域に不純物を拡散してエミッ
   タ領域を形成する、ことを特徴とするバイポーラトラン
   ジスタの製造方法。
8. 【請求項８】ベース領域をエピタキシャル成長により形
   成することを特徴とする請求項５、６又は７に記載のバ
   イポーラトランジスタの製造方法。