【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタおよびそれを用いた半導体集積回路に関するもので、同一基板上に二つ以上作製した際の電流利得のばらつきが小さいバイポーラトランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ベース層にシリコンゲルマニウム(SiGe)半導体を用いたヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（HBT）が実現されるようになり、移動体通信機器などのアナログ高周波回路においてもシリコン系半導体デバイスが用いられるようになった。それにともない、このようなバイポーラトランジスタに対し、より一層の高周波特性向上が求められるようになり、ベース層の薄層化、高濃度化がすすめられている。ベース層を薄くするときの問題のひとつに、トランジスタ特性のばらつきがあり、より均一で精度の高いトランジスタを得るために、Geプロファイルやドーピングプロファイルの最適化が行われている。
【０００３】
図１は代表的な傾斜型のGeプロファイルをもつヘテロ接合型バイポーラトランジスタの構造断面図である。
【０００４】
ここに、１はSi半導体基板、２はSi半導体からなるｎ型コレクタ層、３はSiGe半導体からなるノンドープスペーサ層、４はSiGe半導体からなるｐ型ベース層、５はSiGe半導体からなるｎ型エミッタ層、６はSi半導体からなるｎ型エミッタ層、７は多結晶シリコンからなるｎ型エミッタ層、８はコレクタ電極、９はベース電極、１０はエミッタ電極、１１はトレンチ分離領域、１２は多結晶シリコンからなるｐ型外部ベース層である。
【０００５】
通常、SiGe層はｎ型コレクタ層上にエピタキシャル成長で形成され、その上に、ｎ型ドーパントがドープされた多結晶シリコンからなるエミッタ層が形成され、熱拡散で多結晶シリコン中のｎ型ドーパントをSiGeベース層に拡散させて、エミッタ・ベース接合を形成する。熱拡散でエミッタ・ベース間のｐｎ接合を形成しているのは、同時にｎ型とｐ型をエピタキシャル成長できないからであり、エミッタ層に多結晶シリコンを用いているのは、多結晶シリコンの方が成長速度が速いからである。Ge汚染を避けたい場合には、本従来例のように、SiGe層を結晶成長する最後にSi層を積んで、SiGe層を覆う構造をとる。 SiGe層のGe組成はエミッタ側からコレクタ側に向かうにともなって増大するように構成されていて、Ge組成を増やすことで縮小するバンドギャップで、コンダクションバンドを傾斜させている。この傾斜により、ベース層を走行する電子がドリフト電界で加速され、高速にベース領域をエミッタ領域側からコレクタ領域側へと通り抜けられるようになり、トランジスタが高速で動作可能となる。
【０００６】
図９は図１に示すSiGeヘテロ接合型バイポーラトランジスタの深さ方向のGeプロファイルを示したもので、高速かつ高精度な特性をえられるように既に提案された従来のトランジスタ構造を示したものである（たとえば特許文献１参照）。
【０００７】
横軸は結晶体中の深さ、縦軸はゲルマニウムの比率（％）を示す。図中にエミッタ、ベース、コレクタおよび各接合領域での空乏層の各領域を表示した。
【０００８】
この従来のトランジスタは、ベース領域のバンドギャップが、エミッタ、コレクタのバンドギャップより小さく、かつエミッタとの接合部近傍で一定で、コレクタとの接合部に向かって減少する分布を有することを特徴としており、ベース・エミッタ接合部にできる空乏層のベース側の端部位置EBｂ０が、バンドギャップが一定の領域に位置するように構成されている。
【０００９】
従来のこのトランジスタ構造は、エミッタ領域の深さがプロセスのばらつきによって変化して、空乏層のベース側の端部位置EBｂ０が変化した場合でも、Geの組成が一定の位置にあることから、コレクタ電流がばらつきにくいという利点があった。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−６８４８０号公報、２０頁図１
【特許文献２】
特開平１−２９６６６４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようして形成されたヘテロ接合型バイポーラトランジスタは、コレクタ電流のばらつきを抑えることができるものの、ベース電流のばらつきを抑えることできない。そのため、ベース電流とコレクタ電流の比である電流利得（hfe）のばらつきを改善する効果が小さいという問題があった。
【００１２】
同一基板上に作製されるトランジスタ間の電流利得のばらつきは、製品の歩留まりに直接影響する。特に、差動回路によって構成される半導体回路では、隣接する二つのトランジスタの特性が均一であることがのぞまれており、コレクタ電流だけでなく、同時にベース電流のばらつきを低減することが重要である。
【００１３】
従来、作製されているSiGeヘテロ接合型バイポーラトランジスタの多くは、先に説明したように、たとえばｎ型のSi半導体からなるコレクタ層上に反対導電型のｐ型のSiGe半導体からなるベース層をエピタキシャル成長して、更にその上にｎ型の多結晶シリコンからなるエミッタ層を堆積して、熱拡散で多結晶シリコンからｎ型のドーパントをベース側に拡散させてｐｎ接合を形成して作製している。熱拡散でエミッタ・ベース間のｐｎ接合を形成しているのは、同時にｎ型とｐ型をエピタキシャル成長できないからであり、エミッタ層に多結晶シリコンを用いているのは、多結晶シリコンの方が成長速度が速いからである。
【００１４】
このようにして作製したトランジスタは、多結晶シリコンとシリコン半導体の界面にたとえば酸化物などの不純物が付着したり、平坦性が失われたりするなどして、ベース電流がばらつく問題があった。
【００１５】
従来例のヘテロ接合型バイポーラトランジスタのように、コレクタ電流のばらつきを抑えても、ベース電流のばらつきを抑えられなくては、電流利得（hfe）のばらつきをおさえることはできない。
【００１６】
本発明は、ベース電流、コレクタ電流両方のばらつきを抑え、電流利得（hfe）のばらつきの小さいヘテロ接合型バイポーラトランジスタに関する半導体装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による半導体装置は、第１導電型半導体からなるエミッタ領域およびコレクタ領域と、第２導電型半導体からなるベース領域を有し、前記ベース領域にバンドギャップの狭い領域を有するヘテロ接合型バイポーラトランジスタであって、前記ベース領域とエミッタ領域の接合部近傍のエミッタ領域に所定の厚さ以上の電子と正孔が再結合する中性領域が存在するバンドギャップの小さい領域を有することを特徴とする。
【００１８】
この構成により、コレクタ電流とベース電流のばらつきを一緒に抑えて、電流利得（hfe）のばらつきを小さくすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１に、第１の実施形態におけるSiGeヘテロ接合型バイポーラトランジスタの構造断面図を示す。
【００２１】
ここに、１はSi半導体基板、２はSi半導体からなるｎ型コレクタ層、３はSiGe半導体からなるノンドープスペーサ層、４はSiGe半導体からなるｐ型ベース層、５はSiGe半導体からなるｎ型エミッタ層、６はSi半導体からなるｎ型エミッタ層、７は多結晶シリコンからなるｎ型エミッタ層、８はコレクタ電極、９はベース電極、１０はエミッタ電極、１１はトレンチ分離領域、１２は多結晶シリコンからなるｐ型外部ベース層である。
【００２２】
SiGe層はｎ型コレクタ層上にエピタキシャル成長で形成され、その上に、ｎ型ドーパントがドープされた多結晶シリコンからなるエミッタ層が形成され、熱拡散で多結晶シリコン中のｎ型ドーパントをSiGeベース層に拡散させて、エミッタ・ベース接合を形成している。この構造断面図は、従来の形態と同様である。
【００２３】
図２に、本実施形態におけるSiGeヘテロ接合型バイポーラトランジスタの深さ方向のGeプロファイルと不純物プロファイルを示したものである。
【００２４】
横軸は結晶体中の深さ、縦軸はゲルマニウムの比率（％）と不純物濃度（cm-3）を対数で表示したものである。
【００２５】
Geはエミッタ側からコレクタ側にむけて徐々に増加する傾斜型プロファイルで、エミッタ内部にも深くGeが分布している。Ge組成比は、ベース内部でたとえば１５％から２７％まで増加しており、エミッタ・ベース接合近傍でたとえば１５％の一定の値で分布している。
【００２６】
本実施例の構成により、Geの組成比が一定（１５％）に分布しているところにベース・エミッタ接合があり、従来例でいうところの接合近傍に形成される空乏層の端部AとBはGe組成比が一定（１５％）の領域に分布している。更には、本実施形態の特徴である、エミッタ・ベース接合のエミッタ側に形成される中性領域も、Ge組成比が一定（１５％）の領域に分布している。
【００２７】
SiGe半導体とSi半導体のヘテロ接合は、SiGe半導体の方がバンドギャップが狭く、その差は殆どバレンスバンド側に現れる。本実施例のSiGeエミッタはGeが１５％含まれているので、Siエミッタの場合と比べてバレンスバンドが上がり、正孔が蓄積しやすくなっている。図３は、エミッタにGe組成比１５％のSiGe半導体があるときのバンド図、キャリア密度分布図を示しており、SiGeエミッタ部分の正孔密度が高くなっていることがわかる。よって、エミッタ・ベース接合のエミッタ側に形成される中性領域がSiGe半導体中に分布している本実施例のトランジスタでは、中性領域内部のバンドギャップが狭く、少数キャリアの正孔密度が高いことから、再結合確率があがり、ベース電流が増大する。
【００２８】
図４は本実施例におけるベース電流とSiGeエミッタの厚さの関係を示したものである。横軸が深さで、エミッタ・ベース接合がある位置を原点とした。縦軸はベース電流とGe組成比で、ボロン（B）とリン（P）の不純物プロファイルの模式図もあわせて記載した。ベース層のボロンはおよそ３Ｅ１９ｃｍ-3ほどをp-base部分に成長時にドープしてある。このp-baseから多結晶シリコン膜までの膜厚を３０ｎｍに固定して、SiGe半導体とSi半導体を５ｎｍ／２５ｎｍ，１０ｎｍ／２０ｎｍ，１５ｎｍ／１５ｎｍ，２０ｎｍ／１０ｎｍ，２５ｎｍ／５ｎｍとなるように変化させてベース電流を比較した。これによると、エミッタ・ベース接合のエミッタ側がSiGeであるほうがベース電流が増大した。また、SiGeエミッタ膜厚が１０ｎｍを超えると更に増大している。これは、SiGeエミッタ部分に中性領域が含まれるようになったために増加した再結合電流によるものである。定量的にはベース電圧が０．７V,コレクタ電圧が１．５Vのときの、エミッタ面積1μｍ２あたりのベース電流が０．３A以上のときに効果が現れる。
【００２９】
多結晶シリコンをエミッタに用いたバイポーラトランジスタのベース電流および電流利得（hfe）のばらつきは、エミッタの多結晶シリコンの界面に形成される界面酸化物や他の不純物の存在などが原因であると考えられている。それは、現状のプロセスによってばらつくベース電流の値と作製されるトランジスタの真性半導体部分によって流れるベース電流の値とが比較的近いことが原因であり、多結晶シリコン形成前の表面処理などによって改善されることもあるが、原因がはっきりしていないこともあり、今以上高精度に制御することは困難であった。よって、本実施例で行ったようにして、ベース電流を増大させれば、従来のばらつきが目立たなくなり、ベース電流のばらつきを低減させることができる。
【００３０】
また、本実施例のトランジスタは、従来例と同様に、コレクタ電流のばらつきも小さいので、電流利得（hfe）のばらつきも低減、向上させることができる。
【００３１】
さらに、エミッタ・ベース接合がバンドギャップの小さいSiGe半導体中に形成されるので、低いベース電圧でもオンすることができるので、トランジスタの低電圧化が可能で、低消費電力回路にも適している。
【００３２】
上記の実施形態においては、Si半導体とSiGe半導体のヘテロ接合型バイポーラトランジスタを例に説明したが、SiGeC半導体、SiC半導体など他の半導体材料を組み合わせて、同様のエネルギーバンド構造ができるように形成されたものでも、同様の効果がえられるのでよい。
【００３３】
以下に、ＳｉＧｅＣ半導体層の結晶成長例について説明する。
【００３４】
SiGe層は超高真空化学気相成長装置（UHV-CVD装置）を用いて、10-8Torr以下の超高真空背圧下で結晶成長を行って形成される。原料ガスとしては、例えば、Siの原料としてSi2H6ガス、Geの原料としてGeH4ガス、Cの原料としてSiH3CH3ガスを用いる。例えば、490℃で各ガスの圧力をSi2H6ガスが7×10-5Torr、GeH4ガスが1.7×10-4Torr、SiH3CH3ガスが5×10-6Torrとして結晶成長をおこなうとGe濃度が22%、格子位置C濃度が0.8%を含有するSiGeC結晶を成長することができる。
【００３５】
ＳｉＧｅエミッタ領域のＧｅの組成比は、たとえば５％などの低い組成比よりもここに示した１５％のほうが正孔の蓄積が多くなるので、再結合電流が顕著に増える７％以上の組成比がのぞましい。
【００３６】
また、ＳｉＧｅエミッタ領域部のＳｉＧｅに酸素を添加すると、再結合中心ができてキャリアライフタイムが短縮するので、再結合電流を促して同様の効果を得ることができる。図５は、Ｇｅ組成比が１５％から３０％のときのＳｉＧｅのキャリアライフタイムの酸素含有濃度依存性をしめしたものである。酸素を含有することで、キャリアライフタイムが短くなっている。
【００３７】
また、ＳｉＧｅエミッタ領域部のＳｉＧｅのかわりに、ＳｉＧｅＣ半導体を用いても、格子間カーボンに起因した再結合中心ができて、キャリアライフタイムを短縮させることができるので、再結合電流を促して同様の効果を得ることができる。図６は従来のSiGeHBTにおいてベース領域のSiGeにカーボンを混ぜてSiGeCHBTとしたときのベース電流のカーボン組成依存性を示したものである。たとえば０．２％から１．３％の範囲でカーボン組成をあげるにしたがって、再結合電流に起因するベース電流が増大している。
【００３８】
また、ＳｉＧｅエミッタ中性領域部分に、シリコンカーバイドを用いると、バンドギャップは広いが、キャリアライフタイムが短いので、再結合電流を増大させることができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図７、図８は、本発明に係るバイポーラトランジスタの実施の形態を示す図であり、移動体通信システムおよび光通信システムにおいて用いられる増幅回路の回路図である。本発明の電流利得のばらつきの小さいバイポーラトランジスタをもちいることで、特性および歩留まりのよい集積回路を得ることができる。
【００４０】
また、図示した増幅器だけでなく、発振器、シンセサイザ、PLL（phase Locked Loop）、ミキサー、マルチプレクサ、デマルチプレクサなど、通信システムを構成する他のブロックの集積回路に適応しても、高精度な回路特性を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、エミッタ・ベース接合のエミッタ側に、再結合電流が大きくなるバンドギャップの狭い材料（例えば、ＳｉＧｅ）やライフタイムやの短い材料を分布させることで、ベース電流を増大させることができ、その結果、コレクタ電流、ベース電流ともにばらつきを抑えることができるので、電流利得(hfe)のばらつきを低減することができる。なお、本明細書においてバンドギャップが狭い、広いと言った場合、その比較の対象が特に明示されていなければ、Ｓｉと比較して狭い、広いという意味である。
【００４２】
以上から、本発明によれば、電流利得(hfe)ばらつきの小さい本ヘテロ接合型バイポーラトランジスタをもちいた集積回路は高歩留まり、高特性を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態におけるSiGeHBTの断面図
【図２】本発明の第一の実施形態におけるSiGeヘテロ接合型バイポーラトランジスタの深さ方向のGeプロファイルと不純物プロファイル図
【図３】本発明の第一の実施形態におけるSiGeHBTのGeプロファイル、キャリアプロファイルおよびバンド図
【図４】本発明の第一の実施形態におけるSiGeHBTのベース電流のSiGeエミッタ厚さ依存性を示す図
【図５】本発明の第一の実施形態におけるＳｉＧｅＨＢＴのＳｉＧｅのキャリアライフタイムの酸素含有量依存性を示す図
【図６】 SiGeにカーボンを混ぜてSiGeCHBTとしたときのベース電流のカーボン組成依存性を示す図
【図７】本発明の第二の実施形態におけるSiGeHBTの第一の増幅回路を示す図
【図８】本発明の第二の実施形態におけるSiGeHBTの第二の増幅回路を示す図
【図９】従来のSiGeヘテロ接合型バイポーラトランジスタの深さ方向のGeプロファイル図
【符号の説明】
１ Si半導体基板
２ ｎ型Siコレクタ層
３ SiGeノンドープスペーサ層
４ ｐ型SiGeベース層
５ n型SiGeエミッタ層
６ n型Siエミッタ層
７ ｎ型多結晶Siエミッタ層
８ コレクタ電極
９ ベース電極
１０ エミッタ電極
１１ トレンチ分離領域
１２ ｐ型多結晶シリコン外部ベース層
１０１〜１０６ トランジスタ
１０７、１０８ 抵抗
１０９ 電流源
１１０〜１１５ 端子
２０１、２０２ トランジスタ
２０３〜２０５ 抵抗
２０６ ダイオード
２０７、２０８ 端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor and a semiconductor integrated circuit using the heterojunction bipolar transistor, and more particularly to a bipolar transistor in which variation in current gain is small when two or more are formed on the same substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, heterojunction bipolar transistors (HBT) using a silicon germanium (SiGe) semiconductor as a base layer have been realized, and silicon-based semiconductor devices are also used in analog high-frequency circuits such as mobile communication devices. became. Accordingly, further improvement of the high frequency characteristics has been demanded for such a bipolar transistor, and the base layer has been made thinner and higher in concentration. One of the problems when thinning the base layer is variation in transistor characteristics, and Ge profiles and doping profiles are optimized in order to obtain more uniform and accurate transistors.
[0003]
FIG. 1 is a structural cross-sectional view of a heterojunction bipolar transistor having a typical graded Ge profile.
[0004]
Here, 1 is a Si semiconductor substrate, 2 is an n-type collector layer made of Si semiconductor, 3 is a non-doped spacer layer made of SiGe semiconductor, 4 is a p-type base layer made of SiGe semiconductor, and 5 is an n-type emitter made of SiGe semiconductor. Layer, 6 is an n-type emitter layer made of Si semiconductor, 7 is an n-type emitter layer made of polycrystalline silicon, 8 is a collector electrode, 9 is a base electrode, 10 is an emitter electrode, 11 is a trench isolation region, and 12 is polycrystalline A p-type external base layer made of silicon.
[0005]
Usually, a SiGe layer is formed by epitaxial growth on an n-type collector layer, and an emitter layer made of polycrystalline silicon doped with an n-type dopant is formed on the SiGe layer, and an n-type dopant in the polycrystalline silicon is formed by thermal diffusion. An emitter-base junction is formed by diffusing into the SiGe base layer. The reason why the pn junction between the emitter and the base is formed by thermal diffusion is that n-type and p-type cannot be epitaxially grown at the same time. Polycrystalline silicon is used in the emitter layer because polycrystalline silicon is used. This is because the growth rate is fast. When it is desired to avoid Ge contamination, the SiGe layer is stacked at the end of crystal growth of the SiGe layer as in the conventional example, and the SiGe layer is covered. The Ge composition of the SiGe layer is configured to increase from the emitter side toward the collector side, and the conduction band is inclined with a band gap that decreases as the Ge composition increases. By this inclination, electrons traveling in the base layer are accelerated by the drift electric field, and can pass through the base region from the emitter region side to the collector region side at high speed, and the transistor can operate at high speed.
[0006]
FIG. 9 shows the Ge profile in the depth direction of the SiGe heterojunction bipolar transistor shown in FIG. 1, and shows a conventional transistor structure that has been proposed so as to obtain high-speed and high-accuracy characteristics. Yes (see, for example, Patent Document 1).
[0007]
The horizontal axis represents the depth in the crystal, and the vertical axis represents the germanium ratio (%). Each region of the depletion layer in the emitter, base, collector, and each junction region is shown in the figure.
[0008]
This conventional transistor has a distribution in which the band gap of the base region is smaller than the band gaps of the emitter and collector, is constant in the vicinity of the junction with the emitter, and decreases toward the junction with the collector. In addition, the end position EBb0 on the base side of the depletion layer formed at the base-emitter junction is configured to be located in a region where the band gap is constant.
[0009]
In this conventional transistor structure, even if the depth of the emitter region changes due to process variations and the end position EBb0 on the base side of the depletion layer changes, the composition of Ge remains at a constant position. There was an advantage that the current was difficult to vary.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-68480, page 20 FIG.
[Patent Document 2]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1-296664
[Problems to be solved by the invention]
However, the heterojunction bipolar transistor formed in this way can suppress variations in collector current, but cannot suppress variations in base current. Therefore, there has been a problem that the effect of improving the variation in current gain (hfe), which is the ratio between the base current and the collector current, is small.
[0012]
Variations in current gain between transistors fabricated on the same substrate directly affect product yield. In particular, in a semiconductor circuit constituted by a differential circuit, it is desired that the characteristics of two adjacent transistors be uniform, and it is important to reduce not only the collector current but also the base current variation at the same time. is there.
[0013]
Many of the SiGe heterojunction bipolar transistors that have been manufactured in the past are epitaxially grown on a collector layer made of, for example, an n-type Si semiconductor, and a base layer made of a p-type SiGe semiconductor of the opposite conductivity type, as described above. Further, an emitter layer made of n-type polycrystalline silicon is further deposited thereon, and an n-type dopant is diffused from the polycrystalline silicon to the base side by thermal diffusion to form a pn junction. . The reason why the pn junction between the emitter and the base is formed by thermal diffusion is that n-type and p-type cannot be epitaxially grown at the same time. Polycrystalline silicon is used in the emitter layer because polycrystalline silicon is used. This is because the growth rate is fast.
[0014]
The transistor manufactured in this manner has a problem that the base current varies due to impurities such as oxides adhering to the interface between the polycrystalline silicon and the silicon semiconductor or loss of flatness.
[0015]
Even if the collector current variation is suppressed as in the conventional heterojunction bipolar transistor, the current gain (hfe) variation cannot be suppressed unless the base current variation is suppressed.
[0016]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device related to a heterojunction bipolar transistor in which variations in both base current and collector current are suppressed and current gain (hfe) is small.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention has an emitter region and a collector region made of a first conductivity type semiconductor, and a base region made of a second conductivity type semiconductor, and has a narrow band gap in the base region. A heterojunction bipolar transistor having a region, wherein a neutral region in which electrons and holes of a predetermined thickness or more are recombined exists in an emitter region in the vicinity of a junction between the base region and the emitter region and has a small band gap It has a region.
[0018]
With this configuration, variations in collector current and base current can be suppressed together, and variations in current gain (hfe) can be reduced.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
FIG. 1 is a structural cross-sectional view of a SiGe heterojunction bipolar transistor according to the first embodiment.
[0021]
Here, 1 is a Si semiconductor substrate, 2 is an n-type collector layer made of Si semiconductor, 3 is a non-doped spacer layer made of SiGe semiconductor, 4 is a p-type base layer made of SiGe semiconductor, and 5 is an n-type emitter made of SiGe semiconductor. Layer, 6 is an n-type emitter layer made of Si semiconductor, 7 is an n-type emitter layer made of polycrystalline silicon, 8 is a collector electrode, 9 is a base electrode, 10 is an emitter electrode, 11 is a trench isolation region, and 12 is polycrystalline A p-type external base layer made of silicon.
[0022]
The SiGe layer is formed on the n-type collector layer by epitaxial growth, on which an emitter layer made of polycrystalline silicon doped with an n-type dopant is formed, and the n-type dopant in the polycrystalline silicon is SiGe-based by thermal diffusion. Diffusion into the layers forms an emitter-base junction. This structural cross-sectional view is the same as the conventional embodiment.
[0023]
FIG. 2 shows the Ge profile and impurity profile in the depth direction of the SiGe heterojunction bipolar transistor according to this embodiment.
[0024]
The horizontal axis represents the depth in the crystal, and the vertical axis represents the germanium ratio (%) and the impurity concentration (cm -3 ) in logarithm.
[0025]
Ge is an inclined profile that gradually increases from the emitter side to the collector side, and Ge is also deeply distributed inside the emitter. The Ge composition ratio increases from, for example, 15% to 27% inside the base, and is distributed at a constant value of, for example, 15% near the emitter-base junction.
[0026]
With the configuration of this example, there is a base-emitter junction where the composition ratio of Ge is distributed at a constant (15%), and the end A of the depletion layer formed in the vicinity of the junction in the conventional example B is distributed in a region where the Ge composition ratio is constant (15%). Furthermore, the neutral region formed on the emitter side of the emitter-base junction, which is a feature of this embodiment, is also distributed in a region where the Ge composition ratio is constant (15%).
[0027]
The SiGe semiconductor heterojunction has a narrower band gap than the SiGe semiconductor, and the difference appears almost on the valence band side. Since the SiGe emitter of this example contains 15% Ge, the valence band is higher than that of the Si emitter, and holes are easily accumulated. FIG. 3 shows a band diagram and a carrier density distribution diagram when the emitter has a SiGe semiconductor with a Ge composition ratio of 15%, and it can be seen that the hole density in the SiGe emitter portion is high. Therefore, in the transistor of this example in which the neutral region formed on the emitter side of the emitter-base junction is distributed in the SiGe semiconductor, the band gap inside the neutral region is narrow and the hole density of minority carriers is high. This increases the recombination probability and increases the base current.
[0028]
FIG. 4 shows the relationship between the base current and the thickness of the SiGe emitter in this example. The horizontal axis is the depth, and the position where the emitter-base junction is located is the origin. The vertical axis represents the base current and the Ge composition ratio, and a schematic diagram of the impurity profile of boron (B) and phosphorus (P) is also shown. About 3E19 cm −3 of boron in the base layer is doped in the p-base portion during growth. The film thickness from this p-base to the polycrystalline silicon film is fixed to 30 nm, and the SiGe semiconductor and the Si semiconductor are changed to 5 nm / 25 nm, 10 nm / 20 nm, 15 nm / 15 nm, 20 nm / 10 nm, and 25 nm / 5 nm. The base current was compared. According to this, the base current increased when the emitter side of the emitter-base junction was SiGe. Moreover, it further increases when the SiGe emitter film thickness exceeds 10 nm. This is due to an increased recombination current due to the inclusion of a neutral region in the SiGe emitter portion. Quantitatively, the effect appears when the base current per emitter area of 1 μm 2 is 0.3 A or more when the base voltage is 0.7 V and the collector voltage is 1.5 V.
[0029]
The variations in base current and current gain (hfe) of bipolar transistors using polycrystalline silicon as the emitter are considered to be caused by the presence of interface oxides and other impurities formed at the polycrystalline silicon interface of the emitter. It has been. This is because the value of the base current that varies depending on the current process is relatively close to the value of the base current that flows through the intrinsic semiconductor portion of the transistor to be manufactured, which can be improved by surface treatment before forming polycrystalline silicon. Sometimes, the cause is not clear, and it has been difficult to control with higher accuracy. Therefore, if the base current is increased as in the present embodiment, the conventional variation becomes inconspicuous, and the variation in the base current can be reduced.
[0030]
In addition, since the transistor of this embodiment has a small collector current variation as in the conventional example, the variation in current gain (hfe) can be reduced and improved.
[0031]
Furthermore, since the emitter-base junction is formed in a SiGe semiconductor having a small band gap, it can be turned on even with a low base voltage, so that the voltage of the transistor can be reduced and is suitable for a low power consumption circuit.
[0032]
In the above embodiment, the heterojunction bipolar transistor of Si semiconductor and SiGe semiconductor has been described as an example. However, it is formed so that a similar energy band structure can be formed by combining other semiconductor materials such as SiGeC semiconductor and SiC semiconductor. It is good because the same effect can be obtained even with
[0033]
Hereinafter, an example of crystal growth of the SiGeC semiconductor layer will be described.
[0034]
The SiGe layer is formed by crystal growth using an ultrahigh vacuum chemical vapor deposition apparatus (UHV-CVD apparatus) under an ultrahigh vacuum back pressure of 10 −8 Torr or less. As the source gas, for example, Si 2 H 6 gas is used as the Si source, GeH 4 gas is used as the Ge source, and SiH 3 CH 3 gas is used as the C source. For example, when crystal growth is performed at 490 ° C, the pressure of each gas is 7 x 10-5 Torr for Si 2 H 6 gas, 1.7 x 10 -4 Torr for GeH 4 gas, and 5 x 10 -6 Torr for SiH 3 CH 3 gas A SiGeC crystal containing a Ge concentration of 22% and a lattice position C concentration of 0.8% can be grown.
[0035]
The composition ratio of Ge in the SiGe emitter region is higher than 7%, such as 5%. As shown here, the accumulation of holes is larger at 15%, so that the recombination current is significantly increased. Is not good.
[0036]
Further, when oxygen is added to SiGe in the SiGe emitter region, a recombination center is formed and the carrier lifetime is shortened, so that a recombination current can be promoted to obtain the same effect. FIG. 5 shows the dependency of SiGe carrier lifetime on the oxygen-containing concentration when the Ge composition ratio is 15% to 30%. By containing oxygen, the carrier lifetime is shortened.
[0037]
Even if a SiGeC semiconductor is used in place of SiGe in the SiGe emitter region, recombination centers due to interstitial carbon can be formed and the carrier lifetime can be shortened. The effect of can be obtained. FIG. 6 shows the carbon composition dependence of the base current when SiGeCHBT is formed by mixing carbon with SiGe in the base region in the conventional SiGeHBT. For example, as the carbon composition is increased in the range of 0.2% to 1.3%, the base current due to the recombination current increases.
[0038]
In addition, when silicon carbide is used for the neutral region of the SiGe emitter, the recombination current can be increased because the band gap is wide but the carrier lifetime is short.
[0039]
(Second Embodiment)
7 and 8 are diagrams showing an embodiment of a bipolar transistor according to the present invention, and are circuit diagrams of an amplifier circuit used in a mobile communication system and an optical communication system. By using the bipolar transistor with small variation in current gain according to the present invention, an integrated circuit with good characteristics and yield can be obtained.
[0040]
In addition to the amplifier shown in the figure, high-accuracy circuit characteristics can be applied to integrated circuits in other blocks that make up a communication system, such as oscillators, synthesizers, PLLs (phase locked loops), mixers, multiplexers, and demultiplexers. Can be obtained.
[0041]
【The invention's effect】
According to the present invention, a base current can be increased by distributing a material with a narrow band gap (for example, SiGe) or a material having a short lifetime that increases the recombination current on the emitter side of the emitter-base junction. As a result, variations in both the collector current and the base current can be suppressed, and variations in the current gain (hfe) can be reduced. In the present specification, when the band gap is narrow and wide, it means that the band gap is narrow and wide compared to Si unless the object of comparison is particularly specified.
[0042]
As described above, according to the present invention, an integrated circuit using this heterojunction bipolar transistor with small current gain (hfe) variation can achieve high yield and high characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a SiGeHBT according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a Ge profile in the depth direction and an impurity profile diagram of a SiGe heterojunction bipolar transistor according to the first embodiment of the present invention. ] Ge profile, carrier profile, and band diagram of SiGeHBT in the first embodiment of the present invention. [FIG. 4] A diagram showing the SiGe emitter thickness dependence of the base current of SiGeHBT in the first embodiment of the present invention. FIG. 6 shows the oxygen content dependence of SiGe carrier lifetime of SiGeHBT in the first embodiment of the present invention. FIG. 6 shows the carbon composition dependence of base current when SiGe is mixed with carbon to form SiGeCHBT. FIG. 7 is a diagram showing a first amplifier circuit of SiGeHBT in the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a diagram showing a second increase in SiGeHBT in the second embodiment of the present invention. Figure 9 is a Ge profile view in the depth direction of the conventional SiGe heterojunction bipolar transistor of a circuit EXPLANATION OF REFERENCE NUMERALS
1 Si semiconductor substrate 2 n-type Si collector layer 3 SiGe non-doped spacer layer 4 p-type SiGe base layer 5 n-type SiGe emitter layer 6 n-type Si emitter layer 7 n-type polycrystalline Si emitter layer 8 collector electrode 9 base electrode 10 emitter electrode 11 Trench isolation region 12 p-type polycrystalline silicon external base layer 101-106 transistor 107, 108 resistor 109 current source 110-115 terminal 201, 202 transistor 203-205 resistor 206 diode 207, 208 terminal
