JP2006128528A - Hetero-junction type bipolar semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、超高速デジタル集積回路やマイクロ波アナログ集積回路、更に光信号増幅デバイス等に好適なヘテロ接合型バイポーラ半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a heterojunction bipolar semiconductor device suitable for, for example, an ultrahigh-speed digital integrated circuit, a microwave analog integrated circuit, an optical signal amplifying device, and the like, and a manufacturing method thereof.
従来、エミッタ層にワイドギャップの半導体を用いるヘテロ接合型バイポーラトランジスタ(以下、HBT(Hetero junction Bipolar Transistor)と称することがある。)は、エミッタ注入効率が高くて電流利得が高いこと、また、高い電流利得を維持しつつベース抵抗を小さくすることができることから、超高速デバイスとして有望なものである。 Conventionally, a heterojunction bipolar transistor (hereinafter sometimes referred to as HBT (Hetero junction Bipolar Transistor)) using a wide gap semiconductor for the emitter layer has a high emitter injection efficiency and a high current gain. Since the base resistance can be reduced while maintaining the current gain, it is promising as an ultrahigh-speed device.
また、単一電源動作が可能で、低消費電力、高線形性及び高電力密度等の特徴を有するため、携帯電話の電力増幅器用の素子として広く用いられるようになっている。更に、HBTの高速動作が可能という特性により、高速光通信向けのデジタルIC用の素子としても用いられている。これらの用途において素子には、高性能は勿論のことであるが、高い信頼性が要求される。 In addition, since it can operate as a single power source and has characteristics such as low power consumption, high linearity, and high power density, it is widely used as an element for a power amplifier of a mobile phone. Furthermore, it is also used as an element for a digital IC for high-speed optical communication because of the characteristic that the HBT can operate at high speed. In these applications, the device is required to have high reliability as well as high performance.
このような特性を有するHBTにおいては、ベース層を薄膜化してベース走行時間を低減することが、高周波特性向上の手段として行われている。しかし、ベース層の薄膜化を図ると、ベース抵抗が増加するため、ベース層のキャリア濃度を高める必要が生じる。 In the HBT having such characteristics, reducing the base travel time by reducing the thickness of the base layer is performed as a means for improving the high frequency characteristics. However, when the thickness of the base layer is reduced, the base resistance increases, so that it is necessary to increase the carrier concentration of the base layer.
ベース層のキャリア濃度を高めると、ベースシート抵抗が低下するのみならず、ベースコンタクト抵抗も下がるため、デバイス特性の向上に有効であるように考えられるが、一方で、ベース層からエミッタ層への正孔注入が抑制できなくなり、電流利得が低下してしまう。そのために、B.Jalali等の文献(後述の非特許文献1を参照)にも示されるように、InP/InGaAs系では1×1020cm-3程度がキャリア濃度の限界(固溶限)と考えられている。
Increasing the carrier concentration of the base layer not only reduces the base sheet resistance, but also reduces the base contact resistance, which seems to be effective in improving the device characteristics, but on the other hand, from the base layer to the emitter layer Hole injection cannot be suppressed, and current gain is reduced. Therefore, B.I. As shown in Jalali et al. (See
さて、上記の手段とは別に、コレクタ電流を増やしてHBTの高周波特性の向上を図ることも行われている。この場合、ひとつのHBTが大電流を消費すると、発熱が多くなるため、集積化が難しくなることから、エミッタ層を微細化して消費電力を下げることが重要となる。 Apart from the above means, the collector current is increased to improve the high-frequency characteristics of the HBT. In this case, if one HBT consumes a large current, heat generation increases, and integration becomes difficult. Therefore, it is important to reduce the power consumption by miniaturizing the emitter layer.
このようにエミッタ層を微細化すると、ベース抵抗のほとんどがコンタクト抵抗で決まるようになり、ここでもベース電極のコンタクト抵抗の低減が必要となってくる。 When the emitter layer is miniaturized as described above, most of the base resistance is determined by the contact resistance, and it is necessary to reduce the contact resistance of the base electrode.
図9(A)について、HBTの一例74aを説明する(後述の特許文献1を参照)。
With reference to FIG. 9A, an example of an HBT 74a will be described (see
このヘテロ接合型バイポーラ半導体装置74aにおいては、半絶縁性GaAs基板(図示せず)上に、n+型GaAsサブコレクタ層(図示せず)、n型GaAsコレクタ層53、p型GaAsベース層54、n型AlGaAsエミッタ層55、n+型GaAsエミッタコンタクト層55b、ベース電極65及びエミッタ電極66を積層して形成し、エミッタ層55、エミッタコンタクト層55b及びエミッタ電極66の側面を絶縁膜70で覆っている。
In this heterojunction bipolar semiconductor device 74a, an n + -type GaAs subcollector layer (not shown), an n-type
そして、コレクタ層53上のベース層中央部に、濃度が1×1020cm-3のカーボンが添加された真性ベース領域54bが形成されているが、このカーボンは水素によりパッシベーションされるため、正孔濃度は5×1019cm-3である。
In addition, an intrinsic base region 54b to which carbon having a concentration of 1 × 10 20 cm −3 is added is formed at the center of the base layer on the
更に、ベース層周辺の表面部には、同じく濃度が1×1020cm-3のカーボンが添加された外部ベース領域(ベースコンタクト領域)54cが形成されているが、このカーボンはほぼ100%活性化しているため、正孔濃度は1×1020cm-3になっている。なお、真性ベース領域54b上にエミッタ層55がヘテロ結合して形成され、外部ベース領域54c上に、ベース電極65がオーミック接触して形成されている。 Further, an external base region (base contact region) 54c to which carbon having a concentration of 1 × 10 20 cm −3 is added is formed on the surface around the base layer. This carbon is almost 100% active. Therefore, the hole concentration is 1 × 10 20 cm −3 . The emitter layer 55 is formed by hetero-coupling on the intrinsic base region 54b, and the base electrode 65 is formed in ohmic contact on the external base region 54c.
図9(B)には、ヘテロ接合型バイポーラ半導体装置の別の例74bが示されている(後述の特許文献2を参照)。
FIG. 9B shows another example 74b of a heterojunction bipolar semiconductor device (see
このヘテロ接合型バイポーラ半導体装置74bは、半絶縁性GaAs基板51上に、積層されたn型GaAsコレクタバッファ層53b、GaAsコレクタ層53、Cドープp型AlGaAs内部ベース層54d、低抵抗外部Cドープp型AlGaAsベース層54e、n型AlGaAsエミッタ層55、n型InGaAsエミッタキャップ層55c、コレクタ電極64、ベース電極65及びエミッタ電極66から構成されるものである。
The heterojunction bipolar semiconductor device 74b includes an n-type GaAs collector buffer layer 53b, a
そして、内部ベース層54d中に炭素濃度が10%以上の炭素−水素濃度を含ませ、この炭素−水素により、内部ベース層54d中にトラップを形成させる。 Then, a carbon-hydrogen concentration having a carbon concentration of 10% or more is included in the inner base layer 54d, and traps are formed in the inner base layer 54d by this carbon-hydrogen.
他方、再結合電流を抑制する目的で、ベース層の表面を露出させないようなエミッタレッジ(emitter ledge)構造が採用されている(例えば、特開2001−326229号公報参照)。これは、エミッタ層とベース層との接合部分が、ベース層にとっての少数キャリアである電子が多量にエミッタ層側から注入されて、電子と正孔との再結合が非常に生じやすい状態となるが、ベース層表面を露出させないことによって再結合電流の増大を防いでおり、この点でこのようなレッジ構造は非常に有効である。 On the other hand, for the purpose of suppressing the recombination current, an emitter ledge structure that does not expose the surface of the base layer is employed (see, for example, JP-A-2001-326229). This is because a large amount of electrons, which are minority carriers for the base layer, are injected from the emitter layer side at the junction between the emitter layer and the base layer, and recombination of electrons and holes is very likely to occur. However, the increase of the recombination current is prevented by not exposing the surface of the base layer, and such a ledge structure is very effective in this respect.
図10には、このような構造のヘテロ接合型バイポーラ半導体装置74cを示す(後述の特許文献3を参照)。
FIG. 10 shows a heterojunction bipolar semiconductor device 74c having such a structure (see
このヘテロ接合型バイポーラ半導体装置74cは、半絶縁性InP基板51上に積層された、n+型InGaAsサブコレクタ層52、n型InGaAsコレクタ層53、p+型InGaAsベース層54、Pt拡散領域(ベースコンタクト領域)73、ベース層54を被覆するn型InP単結晶部材72、n型InAlAsエミッタ層55、n+型InGaAsエミッタコンタクト層71、コレクタ電極64、ベース電極65及びエミッタ電極66から構成されるものである。この場合、InP基板51を用いるのは、インジウムの格子定数が大きいため、動作速度の大きいInGaAs層52等のエピタキシャル成長層を下層と良好に格子整合させ、欠陥少なく形成することができる(以下、同様)。
This heterojunction bipolar semiconductor device 74c includes an n + -type InGaAs subcollector layer 52, an n-type
しかし、図9(A)及び図9(B)に示すヘテロ接合型バイポーラ半導体装置74a及び74bの場合には、何れの構造においても、水素雰囲気下での処理によりベースコンタクト領域を形成しているので、ベース層が薄膜化したときには、ベースコンタクト領域の深さを制御するのが困難であり、ベースコンタクト領域を再現性良く安定して形成することが容易ではない。 However, in the case of the heterojunction bipolar semiconductor devices 74a and 74b shown in FIGS. 9A and 9B, the base contact region is formed by treatment in a hydrogen atmosphere in any structure. Therefore, when the base layer is thinned, it is difficult to control the depth of the base contact region, and it is not easy to stably form the base contact region with good reproducibility.
また、図10に示すヘテロ接合型バイポーラ半導体装置74cの場合には、例えば、Ti/Pt/Auからなる3層構造のメタルベース電極65の電極材料を、エミッタレッジ層(単結晶部材72)上から熱処理により拡散させ、ベース層54にオーミックコンタクト(Pt拡散領域73)を形成するので、この場合も、ベース層が薄膜化したときに、拡散係数が大きい(4×10-15cm2/sec)のメタルの拡散の制御性が低いことから、安定したベースコンタクトを得ることが難しい。 In the case of the heterojunction bipolar semiconductor device 74c shown in FIG. 10, for example, the electrode material of the metal base electrode 65 having a three-layer structure made of Ti / Pt / Au is used on the emitter ledge layer (single crystal member 72). Then, an ohmic contact (Pt diffusion region 73) is formed in the base layer 54, so that the diffusion coefficient is large (4 × 10 −15 cm 2 / sec) when the base layer is thinned. It is difficult to obtain a stable base contact because of low controllability of metal diffusion.
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ベースコンタクトを安定して形成し、高周波特性等の特性の向上を図ることができる、ヘテロ接合型バイポーラ半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a heterojunction bipolar semiconductor device capable of stably forming a base contact and improving characteristics such as high-frequency characteristics and the like. It is to provide a manufacturing method.
即ち、本発明は、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層をこの順に積層してなるヘテロ接合型バイポーラ半導体装置において、前記ベース層を外部と接続するためのベースコンタクト領域がイオン注入によって形成されていることを特徴とする、ヘテロ接合型バイポーラ半導体装置に係わるものである。 That is, according to the present invention, in a heterojunction bipolar semiconductor device in which a collector layer, a base layer, and an emitter layer are laminated in this order, a base contact region for connecting the base layer to the outside is formed by ion implantation. The present invention relates to a heterojunction bipolar semiconductor device.
本発明は又、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層をこの順に積層してなるヘテロ接合型バイポーラ半導体装置の製造方法において、前記ベース層と同一導電型の物質を前記ベース層にイオン注入する工程と、このイオン注入領域をアニールすることによって、前記ベース層を外部と接続するためのベースコンタクト領域を形成する工程とを有する、ヘテロ接合型バイポーラ半導体装置の製造方法に係わるものである。 The present invention also provides a method of manufacturing a heterojunction bipolar semiconductor device in which a collector layer, a base layer, and an emitter layer are laminated in this order, and a step of ion-implanting a substance having the same conductivity type as the base layer into the base layer; And a step of forming a base contact region for connecting the base layer to the outside by annealing the ion implantation region, and a method for manufacturing a heterojunction bipolar semiconductor device.
本発明のヘテロ接合型バイポーラ半導体装置によれば、前記ベース層を外部と接続するためのベースコンタクト領域がイオン注入によって形成されているために、ベース層を薄膜化したときでも、注入深さ及びドープ量の制御性に優れたイオン注入によって、前記ベースコンタクト領域を再現性よく安定して形成でき、安定したベースコンタクト抵抗を得ることができる。これによって、コレクタ電流を増やして高周波特性を向上させることのできるエミッタの微細化に十分に対応することができる。 According to the heterojunction bipolar semiconductor device of the present invention, since the base contact region for connecting the base layer to the outside is formed by ion implantation, even when the base layer is thinned, the implantation depth and By ion implantation with excellent controllability of the doping amount, the base contact region can be stably formed with good reproducibility, and a stable base contact resistance can be obtained. As a result, it is possible to sufficiently cope with the miniaturization of the emitter capable of increasing the collector current and improving the high-frequency characteristics.
また、本発明のヘテロ接合型バイポーラ半導体装置の製造方法によれば、前記ベース層と同一導電型の物質を前記ベース層にイオン注入する工程と、このイオン注入領域をアニールすることによって、前記ベース層を外部と接続するためのベースコンタクト領域を形成する工程とを有するために、イオン注入領域をアニールすることによって注入イオンを活性化し、ベースコンタクト領域の不純物濃度を高めてベースコンタクト抵抗を低減することができ、エミッタ微細化(ひいては高周波特性の向上)を図り易くなる。 According to the method of manufacturing a heterojunction bipolar semiconductor device of the present invention, a step of ion-implanting a material having the same conductivity type as the base layer into the base layer, and annealing the ion-implanted region, the base Forming a base contact region for connecting the layer to the outside, annealing the ion implantation region to activate the implanted ions, increasing the impurity concentration of the base contact region, and reducing the base contact resistance Therefore, it is easy to achieve miniaturization of the emitter (and hence improvement of high frequency characteristics).
本発明においては、イオン注入後の熱処理によるアニール時の拡散を抑える上で、炭素及び/又は亜鉛及び/又はマグネシウム、特に拡散係数が4×10-16cm2/sec以下と小さい炭素のイオン注入によって、前記ベースコンタクト領域を形成するのが望ましい。 In the present invention, in order to suppress diffusion during annealing by heat treatment after ion implantation, carbon and / or zinc and / or magnesium, particularly carbon ion implantation having a small diffusion coefficient of 4 × 10 −16 cm 2 / sec or less. Thus, it is desirable to form the base contact region.
また、少なくとも前記ベースコンタクト領域の表面を前記エミッタ層によって被覆し(即ち、エミッタレッジ構造において)、このエミッタ層を通して前記イオン注入による前記ベースコンタクト領域を形成し、前記ベースコンタクト領域における前記イオン注入のドープ量を前記エミッタ層の不純物濃度よりも多くするのが望ましい。これによって、前記エミッタ層の不純物濃度を相殺(compensate)してベースコンタクトに必要な逆導電型の不純物を高濃度にドープすることができる。 Further, at least a surface of the base contact region is covered with the emitter layer (that is, in an emitter ledge structure), the base contact region is formed by the ion implantation through the emitter layer, and the ion implantation in the base contact region is performed. It is desirable to make the doping amount larger than the impurity concentration of the emitter layer. As a result, the impurity concentration of the emitter layer can be compensated and the reverse conductivity type impurity necessary for the base contact can be doped at a high concentration.
また、前記イオン注入による前記ベースコンタクト領域を、前記ベース層の途中深さまで形成するのが望ましい。この深さは、濃度と共に、イオン注入によって制御性良く実現でき、イオン注入条件(特に加速エネルギー)によって常に目的とする設定深さを実現することができる。 In addition, it is preferable that the base contact region by the ion implantation is formed to a halfway depth of the base layer. This depth can be realized with good controllability by ion implantation together with the concentration, and a desired set depth can always be realized by ion implantation conditions (especially acceleration energy).
また、インジウムリンに格子整合した構成層を有するのが望ましく、この場合に、前記コレクタ層及び前記エミッタ層、更には前記コレクタ層下の基体が、インジウムリン(InP)層からなり、前記コレクタ層と前記基体との間のサブコレクタ層、前記ベース層及び前記エミッタ層上のキャップ層がインジウムを主成分とする化合物半導体層、例えばInGaAs層からなるのが望ましい。これは、InP層を下層とすれば、インジウムの格子定数が大きいため、動作速度の大きいInGaAs層等のエピタキシャル成長層を下層と良好に格子整合させ、欠陥少なく形成することができるからである。 Further, it is desirable to have a constituent layer lattice-matched to indium phosphide. In this case, the collector layer and the emitter layer, and further the substrate under the collector layer is composed of an indium phosphide (InP) layer, and the collector layer The sub-collector layer between the substrate and the base, the base layer, and the cap layer on the emitter layer are preferably composed of a compound semiconductor layer containing indium as a main component, for example, an InGaAs layer. This is because if the InP layer is the lower layer, the lattice constant of indium is large, and therefore an epitaxial growth layer such as an InGaAs layer having a high operating speed can be satisfactorily lattice-matched with the lower layer and can be formed with fewer defects.
また、前記イオン注入領域をRTA(Rapid Thermal Annealing)処理して、導入不純物を活性化し、イオン注入領域を低抵抗化するのが望ましい。このRTA処理は、高速、高温(例えば5sec、800℃)処理によって導入不純物の拡散を十二分に抑えながら効果的に活性化することができるものである。 Further, it is desirable that the ion implantation region is subjected to RTA (Rapid Thermal Annealing) treatment to activate the introduced impurities and to reduce the resistance of the ion implantation region. This RTA treatment can be effectively activated while suppressing the diffusion of introduced impurities sufficiently by high-speed, high-temperature (for example, 5 sec, 800 ° C.) treatment.
また、注入エネルギーを変えながら前記イオン注入を複数回行うのが望ましい。即ち、複数回のイオン注入によって各イオン飛程を変え、全体としてイオン注入領域の導入不純物濃度を平均化して、前記ベースコンタクト領域の全領域に渡って十分な不純物濃度が得られる。 Further, it is desirable to perform the ion implantation a plurality of times while changing the implantation energy. That is, each ion range is changed by a plurality of ion implantations, and the introduced impurity concentration in the ion implantation region as a whole is averaged to obtain a sufficient impurity concentration over the entire region of the base contact region.
また、コレクタ構成材料層、ベース構成材料層及びエミッタ構成材料層を順次成膜した後、前記エミッタ構成材料層をハーフエッチングして前記ベース層を被覆した前記エミッタ層(エミッタレッジ構造)を形成し、このベース被覆層を通して前記イオン注入を行って前記ベースコンタクト領域を形成し、この際、上記と同様の理由から、前記ベースコンタクト領域における前記イオン注入のドープ量を前記エミッタ層の不純物濃度よりも多くするのが望ましい。 In addition, after sequentially forming a collector constituent material layer, a base constituent material layer, and an emitter constituent material layer, the emitter constituent material layer is half-etched to form the emitter layer (emitter ledge structure) covering the base layer. Then, the ion implantation is performed through the base coating layer to form the base contact region. At this time, for the same reason as described above, the doping amount of the ion implantation in the base contact region is larger than the impurity concentration of the emitter layer. It is desirable to increase it.
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に詳細に説明する。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第1の実施の形態
図1〜図5は、本発明の第1の実施の形態を示すものである。
First Embodiment FIGS. 1 to 5 show a first embodiment of the present invention.
まず、図1(A)について、本実施の形態におけるヘテロ接合型バイポーラ半導体装置(HBT)20aの構造を説明すると、半絶縁性のInP基板(基体)1上に、膜厚300nm、不純物濃度1×1019cm-3のn+型InGaAsサブコレクタ層2と、高耐電圧化のための十分な膜厚300nm、不純物濃度1×1016cm-3のn型InPコレクタ層3と、膜厚50nm、不純物濃度3×1019cm-3のp+型InGaAsベース層4と、エミッタレッジ構造(ベース層4の被覆構造)をなすn型InPエミッタ薄層部5bと、膜厚100nm、不純物濃度1×1018cm-3のn型InPエミッタ層5と、膜厚50nm、不純物濃度1×1019cm-3のn+型InGaAsキャップ(コンタクト)層6とが順次積層され、それぞれの半導体層上に、コレクタ電極14、エミッタ電極16、ベース電極15が設けられ、これらの電極は絶縁層18のスルーホールに被着されたプラグ17を介して絶縁層18上の配線19にそれぞれ取り出されている。これらの電極はPt/Ti/Pt/Auの積層構造などで形成してよい。
First, the structure of the heterojunction bipolar semiconductor device (HBT) 20a in this embodiment will be described with reference to FIG. 1A. On a semi-insulating InP substrate (base) 1, a film thickness of 300 nm and an impurity concentration of 1 An n + -type
そして、注目すべきことは、ベース層4を外部と接続するために、ベース電極15下には、例えば炭素が高濃度にイオン注入されたベースオーミックコンタクト部(ベースコンタクト領域)13がエミッタ薄層部5bを通してベース層4の途中深さ、即ち設定された深さまで形成されていることである。
It should be noted that, in order to connect the
即ち、ベース層4の表面(又は少なくともベースオーミックコンタクト部13の表面)がエミッタ薄層部5bによって被覆されたエミッタレッジ構造において、エミッタ薄層部5bを通してイオン注入によってベースオーミックコンタクト部13がベース層4の途中深さまで形成されており、このベースオーミックコンタクト部13におけるイオン注入のドープ量(導入不純物量)が、エミッタ薄層部5bの不純物濃度を相殺する以上の高濃度となっている。
That is, in the emitter ledge structure in which the surface of the base layer 4 (or at least the surface of the base ohmic contact portion 13) is covered with the emitter
ベースオーミックコンタクト部13を形成するためには、イオン注入条件(特に加速エネルギー)を変えながら、エミッタ薄層部5bの上方からp型不純物、例えば炭素を複数回イオン注入するのが望ましい。これによって、エミッタ薄層部5bの上面からベース層4の途中深さにまで形成されたイオン注入領域の積算濃度を例えば1×1020cm-3と高濃度化することができる。
In order to form the base
これを図1(B)について説明すると、各半導体層の厚み方向において各回のイオン注入の飛程が例えばRp1、Rp2及びRp3となるように、互いに異なる加速エネルギーで複数回イオン注入すると、各イオン注入による導入不純物濃度分布がオーバーラップする。これによって、図中に破線で示すように、エミッタ薄層部5bの不純物濃度を相殺すると共にベース層4の途中深さまでコンタクトに必要な十分な不純物濃度を比較的均一に得ることができる。
This will be explained with reference to FIG. 1B. When ions are implanted a plurality of times with different acceleration energies so that the range of ion implantation of each time in the thickness direction of each semiconductor layer is, for example, Rp1, Rp2, and Rp3, Introduced impurity concentration distributions by implantation overlap. As a result, as indicated by a broken line in the figure, the impurity concentration of the emitter
なお、コレクタ層3及びエミッタ層5、更にはコレクタ層3下の基板1が、InP層からなり、コレクタ層3と基板1との間のサブコレクタ層2、ベース層4及びエミッタ層5上のキャップ層6がインジウムを主成分とするInGaAs層からなっている。
The
このように、InP層上にInGaAs層が交互に積層された構造としたのは、InP又はInGaAsの格子定数が大きいために、その上に積層されるInGaAs又はInPがエピタキシャル成長し易くなり、各層を格子整合性良く(結晶欠陥なしに)エピタキシャル成長させることができるからである。 As described above, the structure in which the InGaAs layers are alternately stacked on the InP layer is because the lattice constant of InP or InGaAs is large, so that the InGaAs or InP stacked on the InP layer is easily grown epitaxially. This is because epitaxial growth can be performed with good lattice matching (without crystal defects).
次に、図2〜図5について、HBT20aの製造方法の一例を説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the HBT 20a will be described with reference to FIGS.
まず、図2(a)及び図2(b)に示すように、半絶縁性InP基板1上に不純物濃度1×1019cm-3のn+型InGaAsサブコレクタ層2を化学的気相成長法(CVD)によって300nmの厚さに形成する。
First, as shown in FIGS. 2A and 2B, an n + -type
次いで、図2(c)に示すように、サブコレクタ層2上に不純物濃度1×1016cm-3のn型InPコレクタ材(コレクタ構成材料層)3aをCVDによって300nmの厚さにを形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, an n-type InP collector material (collector constituent material layer) 3a having an impurity concentration of 1 × 10 16 cm −3 is formed on the
次いで、図2(d)に示すように、コレクタ材3a上に不純物濃度3×1019cm-3のp+型InGaAsベース材(ベース構成材料層)4aをCVDによって50nmの厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 2D, a p + -type InGaAs base material (base constituent material layer) 4a having an impurity concentration of 3 × 10 19 cm −3 is formed on the
次いで、図2(e)に示すように、ベース材4a上に不純物濃度1×1018cm-3のn型InPエミッタ材(エミッタ構成材料層)5aをCVDによって100nmの厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 2E, an n-type InP emitter material (emitter constituent material layer) 5a having an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 is formed on the
次いで、図3(f)に示すように、エミッタ材5a上に不純物濃度1×1019cm-3のn+型InGaAsキャップ材(エミッタキャップ構成材料層)6aをCVDによって50nmの厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 3F, an n + -type InGaAs cap material (emitter cap constituent material layer) 6a having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 is formed on the
次いで、図3(g)に示すように、キャップ材6a上に、所定のパターンのフォトレジスト7を形成する。
Next, as shown in FIG. 3G, a
次いで、図3(h)に示すように、このフォトレジスト7をマスクとしてキャップ材6aをエッチングし、キャップ層6を所定位置に形成する。
Next, as shown in FIG. 3H, the cap material 6a is etched using the
次いで、図3(i)に示すように、フォトレジスト7を除去し、キャップ層6をマスクとして用いて、キャップ層6の下部以外のエミッタ材5aをその途中深さまでエッチングで除去(ハーフエッチング)し、ベース材4aを露出させないで十分に被覆する膜厚のエミッタ薄層部5b(ベース被覆層)を連設したエミッタ層5をメサ形状(エミッタレッジ構造)に形成する。
Next, as shown in FIG. 3I, the
こうして形成されたエミッタメサ領域においては、表面の劣化が起こらぬようにベース材4aの表面を露出させない厚さだけエミッタ材5aを除去する。これは、エミッタ層5(エミッタ材5a)とベース層4(ベース材4a)との接合部分においては、ベース層4にとっての少数キャリアである電子が多量にエミッタ層5から注入され、電子と正孔との再結合が非常に生じやすい領域となっているため、この部分を表面に露出させないことが再結合電流の増大を防ぐ重要なポイントであり、このようなレッジ構造が非常に有効であることを示している。
In the emitter mesa region thus formed, the
次いで、図4(j)に示すように、例えば、厚さが50nmのSiN膜8をCVDにより堆積し、マスク形状にエッチングする。即ち、次工程において炭素イオンC+をイオン注入するための領域を形成するために、SiN膜8の所定位置にエッチングにより開口部10を形成し、エミッタ薄層部5bの一部を露出させる。
Next, as shown in FIG. 4J, for example, a
次いで、図4(k)に示すように、SiN膜8をマスクとして、開口部10内のエミッタ薄層部5bの露出面を通してベース層4(ベース材4a)と同一導電型の物質である炭素イオン(C+)30をイオン注入する。
Next, as shown in FIG. 4 (k), using the
このイオン注入時の加速エネルギー及びイオン注入量(ドーズ量)は、例えば、50keV及び1×1013cm-2(体積換算で1×1020cm-3のドープ量)とし、注入イオンがコレクタ材3aに達せず、しかもエミッタ層の不純物濃度を相殺する濃度でイオン注入を行う。ここで、炭素は拡散係数が亜鉛ZnやマグネシウムMgよりも1桁以上小さい(例えば、4×10-16cm2/sec以下)ので、イオンが拡散し難く、制御性に優れたイオン注入が可能である。但し、ZnやMgも条件によってはイオン注入が可能である。 The acceleration energy and ion implantation amount (dose amount) at the time of this ion implantation are, for example, 50 keV and 1 × 10 13 cm −2 (a doping amount of 1 × 10 20 cm −3 in terms of volume), and the implanted ions are the collector material. Ion implantation is performed at a concentration that does not reach 3a and offsets the impurity concentration of the emitter layer. Here, since the diffusion coefficient of carbon is one digit or more smaller than that of zinc Zn or magnesium Mg (for example, 4 × 10 −16 cm 2 / sec or less), ions are difficult to diffuse and ion implantation with excellent controllability is possible. It is. However, Zn and Mg can be ion-implanted depending on conditions.
この場合、図1(B)で説明したように、加速エネルギーを変えてイオン注入を複数回行うことによって、注入不純物の積算濃度を高め、かつ濃度分布を平均化(平坦化)することができ、しかもイオン注入領域(ベースオーミックコンタクト部13)の深さ位置も高精度に確保することができる。 In this case, as described with reference to FIG. 1B, by performing ion implantation a plurality of times while changing the acceleration energy, the integrated concentration of implanted impurities can be increased and the concentration distribution can be averaged (flattened). Moreover, the depth position of the ion implantation region (base ohmic contact portion 13) can be ensured with high accuracy.
次いで、例えば、800℃で5秒のRTA(Rapid Thermal Annealing)(高速高温アニール)によって、注入したイオンを活性化させ、イオン注入領域の不純物濃度を高めて低抵抗化することによって、ベースオーミックコンタクト部13を形成し、低抵抗のベースオーミックコンタクトを実現することができる。
Next, the base ohmic contact is achieved by, for example, activating the implanted ions by increasing the impurity concentration in the ion implantation region and reducing the resistance by rapid thermal annealing (RTA) (rapid thermal annealing) at 800 ° C. for 5 seconds. The
このRTAは高温短時間の熱処理であり、高い活性化率を実現し、結晶の劣化を抑制するといった特徴を持つため、HBTのようなエピタキシャル構造を有するデバイスに適した熱処理方法である。また、このRTAによっては、注入されたイオンは殆ど拡散することはない。 This RTA is a heat treatment at a high temperature for a short time, and has a feature of realizing a high activation rate and suppressing the deterioration of crystals, and is therefore a heat treatment method suitable for a device having an epitaxial structure such as HBT. Further, with this RTA, the implanted ions hardly diffuse.
次いで、図4(l)に示すように、イオン注入マスクとしてのSiN膜8を除去した後に、ベースオーミックコンタクト部13、エミッタ薄層部5b及びキャップ層6上を覆う新たなSiN膜8’をエッチングにより所定形状に形成する。
Next, as shown in FIG. 4L, after removing the
続いて、SiN膜8’をマスクとしてその開口部12下のエミッタ材5a、ベース材4a及びコレクタ材3aをエッチングで除去することにより、エミッタ薄層部5bを有するエミッタ層5、ベース層4及びコレクタ層3を形成し、サブコレクタ層2の表面の一部を露出させる。
Subsequently, by using the
次いで、図5(m)に示すように、SiN膜8’を除去した後に、リフトオフ法や蒸着法等によって、Pt/Ti/Pt/Au等の積層膜を所定パターンに形成して、ベース電極15、エミッタ電極16及びコレクタ電極14をそれぞれ形成する。
Next, as shown in FIG. 5 (m), after the
そして、これらの各電極と半導体層との界面を合金化して接合強度を高めるために、例えば、300℃でRTAを行うか、或いは通常の加熱処理を行う。この場合、ベース電極15下のオーミックコンタクト部13中の不純物は拡散することはない。
Then, in order to alloy the interface between each of these electrodes and the semiconductor layer to increase the bonding strength, for example, RTA is performed at 300 ° C. or normal heat treatment is performed. In this case, the impurities in the
次いで、図1(A)に示したように、例えば寄生容量を少なくするlow−k材料であって塗布時に平坦性を出し易いポリイミド樹脂からなる絶縁層18を全面に形成し、この絶縁層に設けたスルーホール(ヴィアホール)に導電性プラグ17を形成し、更に絶縁層18上に所定パターンに配線19を形成して、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ(HBT)20aの作製を終了する。
Next, as shown in FIG. 1A, for example, an insulating
本実施の形態によれば、注入深さ及びドープ量の制御性に優れたイオン注入によって炭素イオンを注入してベースオーミックコンタクト部13を形成するので、ベース層4を薄膜化したときでも、設定された深さ及び注入量でベースオーミックコンタクト部13を再現性よく安定して形成でき、安定したベースコンタクト抵抗を得ることができる。これによって、HBTを集積化したときに、コレクタ電流を増やして高周波特性を向上させることのできるエミッタ微細化に十分に対応することができる。
According to the present embodiment, since the base
また、イオン注入領域をRTA処理することによって、注入したイオンを活性化し、不純物濃度を高めて、ベース電極15とベース層4との間のベースコンタクト抵抗の低減を実現することができ、エミッタの微細化(ひいては高周波特性を向上)を図り易くなる。その他、エミッタレッジ構造が有する利点等も、効果的に発揮することができる。
Also, by performing RTA treatment on the ion implantation region, the implanted ions are activated, the impurity concentration is increased, and the base contact resistance between the
第2の実施の形態
図6〜図8は、本発明の第2の実施の形態を示すものである。
Second Embodiment FIGS. 6 to 8 show a second embodiment of the present invention.
図6に示すように、本実施の形態におけるヘテロ接合型バイポーラ半導体装置(HBT)20bの構造によれば、ベースオーミックコンタクト部13が、エミッタ層5上のキャップ層6と同一材料及び同一レベル位置のキャップ層6Aを通してイオン注入を行うことにより形成されている以外は、上述の第1の実施の形態と同様である。
As shown in FIG. 6, according to the structure of the heterojunction bipolar semiconductor device (HBT) 20b in the present embodiment, the base
図7〜図8について、HBT20bの作製工程の一例を説明する。 An example of a manufacturing process of the HBT 20b will be described with reference to FIGS.
まず、図7(a)に示すように、図2(a)〜図3(f)に示した工程と同様の工程を経て、基板1上にサブコレクタ層2、コレクタ材3a、ベース材4a、エミッタ材5a及びキャップ材6aを順次積層する。
First, as shown in FIG. 7A, the
次いで、図7(b)に示すように、キャップ材6a上に所定のパターンのフォトレジスト7、7’を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B,
次いで、図7(c)に示すように、このフォトレジスト7、7’をマスクとしてキャップ材6aをエッチングし、キャップ層6と共にキャップ層6Aを所定位置に形成する。これらのキャップ層6及び6Aは同じレベル位置に形成されることになる。
Next, as shown in FIG. 7C, the cap material 6a is etched using the
次いで、図7(d)に示すように、キャップ層6及び6Aをマスクとして、キャップ層6及び6Aの下部以外のエミッタ材5aをその途中深さまでハーフエッチングして除去し、エミッタ薄層部5bを有するエミッタメサ領域を形成する。
Next, as shown in FIG. 7D, using the cap layers 6 and 6A as a mask, the
次いで、図8(e)に示すように、例えば、厚さが50nmのSiN膜8をCVD法により堆積し、所定パターンにエッチングする。これによって、キャップ層6Aを通してイオン注入するための開口部11をSiN膜8の所定位置に形成し、キャップ層6Aの一部を露出させる。
Next, as shown in FIG. 8E, for example, a
次いで、図8(f)に示すように、開口部11内のキャップ層6Aの露出面を通して、キャップ層6A及びエミッタ材5aからベース材4aの途中深さまで、拡散係数の小さい炭素C+等30をイオン注入し、ベースオーミックコンタクト部13を形成する。
Next, as shown in FIG. 8 (f), carbon C + or the like having a
このイオン注入時の加速エネルギー及び注入量は、例えば、150keV及び1×1013cm-2であり、注入イオンがコレクタ材3aに達しない加速エネルギーとする。このときも、上述したと同様に複数回イオン注入を行い、キャップ層6Aからベース層4の途中深さまで、キャップ層6A及びエミッタ材5aの不純物濃度を相殺する高濃度のイオン注入領域を形成する。
The acceleration energy and the implantation amount at the time of ion implantation are, for example, 150 keV and 1 × 10 13 cm −2 , and the acceleration energy is such that the implanted ions do not reach the
次いで、例えば、800℃で5秒のRTA(Rapid Thermal Annealing)で、注入したイオンを活性化させ、イオン注入領域の不純物濃度を高めて低抵抗化することによって、ベースオーミックコンタクト部13を形成することができる。このRTAによっては、注入されたイオンは殆ど拡散することはない。
Next, the base
次いで、図8(g)に示すように、上述の図4(l)〜図5(m)に示した工程とほぼ同様の工程を経て、エミッタ材5a、ベース材4a及びコレクタ材3aの一部を除去することにより、エミッタ薄層部5bを有するエミッタ層5、ベース層4及びコレクタ層3を形成し、サブコレクタ層2の表面の一部を露出させた後に、ベース電極15、エミッタ電極16及びコレクタ電極14をそれぞれ形成する。
Next, as shown in FIG. 8 (g), after substantially the same steps as those shown in FIGS. 4 (l) to 5 (m), one of the
ここで、例えば、300℃でRTAを行うか或いは通常の加熱処理による合金化を行うことができる。このとき、各電極と半導体層との界面を合金化する際、ベースオーミックコンタクト部13中の不純物は拡散することはない。
Here, for example, RTA can be performed at 300 ° C. or alloying by a normal heat treatment can be performed. At this time, when the interface between each electrode and the semiconductor layer is alloyed, impurities in the base
更に、図6に示したように、例えば、寄生容量を少なくするlow−k材料であるポリイミド樹脂からなる絶縁層18、プラグ17及び配線19を形成して、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ(HBT)20bの作製を終了する。
Further, as shown in FIG. 6, for example, an insulating
本実施の形態においては、エミッタ層5上のキャップ層6と、ベースオーミックコンタクト部13を形成したキャップ層6Aとが同じレベル位置に配置されるために、キャップ層6及び6A上の相互間の段差をなくして絶縁層18をより平坦化し易くなるので、プラグ17を形成するためのビアホール、更には絶縁層18上の配線19を形成し易くなる。
In the present embodiment, since the
その他、本実施の形態においては、上述の第1の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果が得られる。 In addition, in this embodiment, the same operations and effects as described in the first embodiment are obtained.
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these examples at all, and can be suitably changed in the range which does not deviate from the main point of invention.
例えば、イオン注入工程における注入物質、注入エネルギー強度及び注入時間、RTAにおける温度及び処理時間等は、イオン注入する層の特性及びベースオーミックコンタクト部13の形成範囲等の条件に応じて変えてもよい。
For example, the implantation material, implantation energy intensity and implantation time in the ion implantation step, temperature and processing time in the RTA, and the like may be changed according to conditions such as the characteristics of the layer to be ion-implanted and the formation range of the base
また、上述のヘテロ接合型バイポーラ半導体装置の層構成や構成材料を変更してよく、また各層間にエネルギーレベル調整用の他の層を形成してもよい。また、この半導体装置は、トランジスタ以外にも、ダイオード、抵抗等として使用してもよい。 In addition, the layer configuration and constituent materials of the heterojunction bipolar semiconductor device described above may be changed, and other layers for adjusting the energy level may be formed between the respective layers. In addition to the transistor, this semiconductor device may be used as a diode, a resistor, or the like.
また、本発明は、上述のエミッタレッジ構造に適用するのが有利ではあるが、レッジ構造のない通常のヘテロ接合型バイポーラ半導体装置に適用してもよい。 The present invention is advantageously applied to the above-described emitter ledge structure, but may be applied to a normal heterojunction bipolar semiconductor device having no ledge structure.
本発明のヘテロ接合型バイポーラ半導体装置及びその製造方法は、超高速デジタル集積回路やマイクロ波アナログ集積回路、更に光信号増幅デバイス等に適用可能である。 The heterojunction bipolar semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention can be applied to ultrahigh-speed digital integrated circuits, microwave analog integrated circuits, optical signal amplification devices, and the like.
1…基板、2…サブコレクタ層、3…コレクタ層、3a…コレクタ材、4…ベース層、4a…ベース材、5…エミッタ層、5a…エミッタ材、5b…エミッタ薄層部、
6、6A…キャップ層、6a…キャップ材、7、7’…フォトレジスト、
8、8’…SiN層、13…ベースオーミックコンタクト部、14…コレクタ電極、
15…ベース電極、16…エミッタ電極、17…プラグ、18…絶縁層、
20a、20b…ヘテロ接合型バイポーラ半導体装置、30…注入イオン
DESCRIPTION OF
6, 6A ... cap layer, 6a ... cap material, 7, 7 '... photoresist,
8, 8 '... SiN layer, 13 ... base ohmic contact, 14 ... collector electrode,
15 ... Base electrode, 16 ... Emitter electrode, 17 ... Plug, 18 ... Insulating layer,
20a, 20b ... heterojunction bipolar semiconductor device, 30 ... implanted ions
Claims (14)
The collector layer and the emitter layer, and further the substrate under the collector layer are formed of indium phosphide, and a subcollector layer between the collector layer and the substrate, the base layer, and a cap layer on the emitter layer are formed. The method of manufacturing a heterojunction bipolar semiconductor device according to claim 13, wherein the heterojunction bipolar semiconductor device is formed of a compound semiconductor layer containing indium as a main component.
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