JP2006203036A

JP2006203036A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2006203036A
Application number: JP2005013956A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Tanpo; 敏治反保
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】エミッタ、ベース、コレクタ電極を同一にすることで大幅な工程削減と微細化を実現するとともに、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ特性の安定化を実現した半導体装置を提供する。
【解決手段】エミッタ構造、ベース構造、コレクタ構造の１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のｎ++ＩnＧaＡs層１０４，４０８、ｐ+ＧaＡs層３０２のノンアロイ層を配することで各電極構造を同一構造化することが可能となり、また各電極構造の各半導体層のキャリアの高濃度と低濃度もしくは混晶比の連続性を持たせることによりヘテロ接合型バイポーラトランジスタ特性の安定化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタにおけるエミッタ、ベース、コレクタ電極を同時形成を可能とし、これらに伴う半導体層構造に関わる半導体装置に関するものである。

近年、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと称する）において、エミッタ／ベース接合がＩｎＧａＰ／ＧａＡｓであるヘテロ接合型バイポーラトランジスタがデバイス特性向上や信頼性向上の観点から研究開発されている（特許文献１参照）。

従来の技術においてはＨＢＴのエミッタ電極、ベース電極、コレクタ電極の材料を別々もしくはエミッタ電極とベース電極が同一金属層で形成し、コレクタ電極を別の金属層で形成したり、エミッタ電極とコレクタ電極を同一金属層で形成し、ベース電極を別の金属層で形成されている。
特開２００２−７６０１５号公報

しかしながら、従来の技術では３回もしくは２回の電極形成工程が必要となり各電極間のクリアランスの余裕はなく、微細化、高性能化が困難となる。また従来、コレクタ電極に用いられる電極は電極に接する半導体と合金化反応をさせコンタクトをとるため微細化した場合、合金化層の均一な薄層化が困難である。

本発明は、このような問題点を解決し、エミッタ、ベース、コレクタ電極を同一にすることで大幅な工程削減と微細化を実現するとともに、ＨＢＴ特性の安定化を実現した半導体装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタにおいて少なくとも２層以上の積層構造を有する金属からなる電極を配し、かつエミッタ電極、ベース電極、コレクタ電極それぞれに同一構造を有してなる半導体装置において、前記２層以上の積層構造を有する金属の下層金属は、この下層金属に接する半導体層と熱処理による合金化もしくは拡散反応するものとし、エミッタ層が、キャリア濃度１Ｅ１９／ｃｍ^３以上の濃度からなる第１の半導体層と、前記第１の半導体層と同一元素からなり下層となる第３の半導体層の元素構成となるように前記半導体層の特定元素を減少し混晶比を変化せしめ、キャリア濃度も同様に前記第３の半導体層の濃度に前記第１の半導体層の濃度から減少させた第２の半導体層と、前記第１の半導体層よりバンドギャプが大きくかつ３Ｅ１８〜１Ｅ１６／ｃｍ^３の範囲のキャリア濃度を上層となる前記第２の半導体層から減少せしめた前記第３の半導体層と、前記第３の半導体層と同一元素からなり下層となる第５の半導体層のキャリア濃度となるよう前記第３の半導体層のキャリア濃度から増加せしめた第４の半導体層と、キャリア濃度が１〜３Ｅ１８ｃｍ^３からなる前記第５の半導体層と、上層となる前記第１から第４の半導体層よりバンドギャップの大きい半導体からなりキャリア濃度が１Ｅ１６〜１Ｅ１７／ｃｍ^３の範囲で徐々に減少せしめた第６の半導体層と、前記第６の半導体層と同一元素でキャリア濃度が１〜５Ｅ１７／ｃｍ^３の範囲の第７の半導体層とからなることを特徴とする。

また本発明は、ベース層が、前記第６もしくは第７の半導体層のバンドギャップより小さくかつ反対極性でキャリア濃度もしくは構成元素が上部もしくは下部の半導体に対して徐々に増加もしくは減少せしめ、キャリア濃度もしくは構成元素の少なくとも一方に連続性を有することを特徴とする。

また本発明は、前記ベース層は、前記エミッタ層の前記第７の半導体層と接し、かつキャリア濃度が１Ｅ１６／ｃｍ^３以下の第１の半導体層と、キャリア濃度が１Ｅ１６〜１Ｅ１９／ｃｍ^３の範囲で徐々に増加せしめた第２の半導体層と、キャリア濃度が１Ｅ１９／ｃｍ^３以上の第３の半導体層と、キャリア濃度が１Ｅ１６〜１Ｅ１９／ｃｍ^３の範囲で徐々に減少せしめた第４の半導体層からなることを特徴とする。

また本発明は、コレクタ層は、キャリア濃度もしくは構成元素が上部もしくは下部の半導体に対して徐々に増加もしくは減少せしめ、キャリア濃度もしくは構成元素の少なくとも一方の連続性を有することを特徴とする。

また本発明は、前記コレクタ層は、前記ベース構造の半導体のバンドギャップと同等もしくは大きくかつ反対極性および前記エミッタ構造の半導体と同一の極性からなる第１の半導体層と、キャリア濃度が１Ｅ１６〜５Ｅ１８／ｃｍ^３の範囲で下層となる第３の半導体層のキャリア濃度まで徐々に減少せしめた第２の半導体層と、キャリア濃度が１〜５Ｅ１６／ｃｍ^３の範囲の前記第３の半導体層と、前記第３の半導体層のバンドギャップより大きくかつキャリア濃度が下層となる第５の半導体層のキャリア濃度まで徐々に増加せしめた第４の半導体層、キャリア濃度が１Ｅ１９／ｃｍ^３以上でバンドギャップが下層となる第６の半導体層より小さい前記第５の半導体層と、キャリア濃度が前記第５の半導体層と同等以下である前記第６の半導体層からなることを特徴とする。

また本発明は、前記ベース電極は、前記エミッタ層における前記第６もしくは第７の半導体層上に形成され、前記第６もしくは前記第７の半導体層を貫通し、前記ベース層における前記第２の半導体層に達していることを特徴とする
また本発明は、前記コレクタ電極は、前記ベース層における前記第５の半導体層上に形成され、前記第５の半導体層を貫通し、下層となる前記第６の半導体層に達していることを特徴とする。

すなわち本発明は、ＨＢＴのエミッタ、ベース、コレクタ構造の半導体層に１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のコンタクト層を配し、各電極を前記コンタクト層上に形成したものであり、このような構成により、同一電極構造とすることによって同時形成が可能となるとともに、各電極間のクリアランスの微細化により高性能化が容易となる。

本発明によれば、ＨＢＴにおけるエミッタ、ベース、コレクタ電極を同一にすることで大幅な工程削減と微細化が可能となる。また本発明のエミッタ構造、ベース構造、コレクタ構造を採用することでキャリアの散乱が抑制され、理想のＰＮ接合からなる高性能、高信頼性のＨＢＴが提供できる。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１の実施形態におけるＨＢＴを構成する半導体装置の断面構造を示す模式図である。エミッタ電極１０１、ベース電極１０２、コレクタ電極１０３はＡu／Ｔi／Ｐtの同一構造からなり、エミッタ電極１０１はキャリア濃度が１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のｎ++ＩnＧaＡs層１０４に接し、オーミック性接合となっている。ベース電極１０２は、エミッタ層のｎ-ＩnＧaＰ層１０５を貫通して下層のキャリア濃度が１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のｐ++ＧaＡs層１０６に接し、オーミック性接合となっている。コレクタ電極１０３は、ｎ-ＩnＧaＰ層１０７を貫通して下層のキャリア濃度が１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のｎ++ＩnＧaＡs層１０８に接し、オーミック性接合となっている。

ベース電極１０２がｎ-ＩnＧaＰ層１０５を介してｐ++ＧaＡs層１０６とオーミック性接合を形成しているので、ｐ++ＧaＡs層１０６表面再結合が抑制され、ｎ-ＩnＧaＰ層１０５／ｐ++ＧaＡs層１０６のＰＮ接合のホール生成を抑制し、ＨＢＴのベース低電流側のリーク電流が抑制できるため、電流変換効率が劣化しない。このことにより低ベース電流領域の電流増幅率（β）が劣化せず理想のＨＢＴ特性を実現できる。また、コレクタ電極１０３がｎ-ＩnＧaＰ層１０７を介してｎ++ＩnＧaＡs層１０８とオーミック性接合しているので、ベース電極１０２の下と構造が同じになり、ベース電極１０２およびコレクタ電極１０３の同時形成が可能となる。しかも、コンタクト層であるｎ++ＩnＧaＡs層１０８の表面の平坦性を保てる成長の臨界膜厚で成長させるためＩnＧaＡs上の結晶欠陥を緩和することが可能になり、さらにキャリア濃度の不連続性の緩和することでベース・コレクタ間に局所的な電解集中を起こさせない構造とすることができる。

図２は本実施形態の詳細なエミッタ構造を示す断面図である。Ａu／Ｔi／Ｐtのエミッタ電極２０１下にキャリア濃度１〜４Ｅ１９／ｃｍ^３のＩn_０．５Ｇa_０．５Ａs層２０２を５０ｎｍ、その下に１Ｅ１９／ｃｍ^３から３Ｅ１８／ｃｍ^３と徐々にキャリア濃度を減少させ、Ｉnの混晶比を０．５から０に徐々に減少させる５０ｎｍのグレーディッド型ＩnＧaＡs層２０３、キャリア濃度を３Ｅ１８／ｃｍ^３から１Ｅ１６／ｃｍ^３と徐々に減少させたＧaＡs層２０４、１Ｅ１６／ｃｍ^３から３Ｅ１８／ｃｍ^３と徐々にキャリア濃度を増加させたＧaＡs層２０５とキャリア濃度１〜３Ｅ１８／ｃｍ^３のＧaＡs層２０５’と、３Ｅ１８／ｃｍ^３から３Ｅ１７／ｃｍ^３と徐々にキャリア濃度を減少させたＩｎ_０．４８Ｇa_０．５２Ｐ層２０６と１０ｎｍ以下の膜厚からなるノンドープＩnＧaＰ層２０７で形成されるエミッタ構造である。本実施形態のエミッタ構造によれば、エミッタ電極２０１のＩnＧaＡs層（Ｉn_０．５Ｇa_０．５Ａs層２０２）から最下層のノンドープＩnＧaＰ層２０７までキャリア濃度が連続的に変化しており、エミッタ層へ注入される電子の流れをスムーズにし、途中のドリフト散乱を抑制できるためエミッタ抵抗の減少を実現できる。またエミッタ層下に配されるｐ++ＧaＡs層１０６であるベース層とのＰＮ接合をエミッタ最下層のノンドープＩnＧaＰ層２０７の薄層の厚さで制御できる利点がある。このことはエミッタ／ベース間の逆方向耐圧の向上と高制御が可能となる。

図３は本実施形態の詳細なベース構造を示す断面図である。エミッタ最下層のＩnＧaＰ層３０１下に１０ｎｍ以下のキャリア濃度を１Ｅ１６／ｃｍ^３から４Ｅ１９／ｃｍ^３に徐々に増加させたｐ-ＧaＡs層３０２とキャリア濃度が４Ｅ１９／ｃｍ^３で１００ｎｍ厚さのｐ++ＧaＡs層３０３と１０ｎｍ以下のキャリア濃度を４Ｅ１９／ｃｍ^３から１Ｅ１６／ｃｍ^３に徐々に減少させたｐ-ＧaＡs層３０４からなるベース構造である。ベース電極３０５はエミッタ最下層のＩnＧaＰ層３０１を貫通し、ベース構造のｐ++ＧaＡs層３０３に達しオーミック性接合を得る。本実施形態におけるベース構造によれば、上層のエミッタ側ｎ-ＩnＧaＰ層３０１と図４に示す下層のコレクタ側ｎ-ＧaＡs４０２層とのＰＮ接合を接合界面の空乏層の安定化がはかれるためより理想的なＰＮ接合を提供できる。

図４は本実施形態の詳細なコレクタ構造を示す断面図である。ベース層の下層となるｐ-ＧaＡs層４０１の下に１０ｎｍ以下のキャリア濃度を１Ｅ１６／ｃｍ^３から３Ｅ１８／ｃｍ^３に徐々に増加させたｎ-ＧaＡs層４０２と、１５ｎｍ厚のキャリア濃度３Ｅ１８／ｃｍ^３のｎ+ＧaＡs層４０３、とキャリア濃度を３Ｅ１８／ｃｍ^３から１Ｅ１５／ｃｍ^３に徐々に減少させたｎ-ＧaＡs層４０４と、１Ｅ１５／ｃｍ^３以下のｉ-ＧaＡs層４０５と、１０ｎｍ以下のキャリア濃度を１Ｅ１６／ｃｍ^３から５Ｅ１８／ｃｍ^３に徐々に増加させたｎ-Ｉn_０．４８Ｇa_０．５２Ｐ層４０６と１０ｎｍ以下のキャリア濃度が３〜５Ｅ１８／ｃｍ^３のｎ+Ｉn_０．４８Ｇa_０．５２Ｐ層４０７と１０ｎｍ以上のキャリア濃度１Ｅ１９／ｃｍ^３以上でＩｎ混晶比が０．２以下のｎ++ＩnＧaＡs層４０８とキャリア濃度が５Ｅ１８／ｃｍ^３のｎ++ＧaＡs層４０９からなるコレクタ構造である。

コレクタ電極４１０はｎ+ＩnＧaＰ層４０７を貫通してｎ++ＩnＧaＡs層４０８に達し、オーミック性接触を得る構造としている。通常、オーミックはＡuＧeＮi系でとることが一般的あるがＧe-ＧaＡsの反応系は合金層の安定性に欠けるため微細化の妨げとなっている。そこで本実施形態のコレクタ構造によれば、ｎ++ＩnＧaＡs層４０８を挿入し、コンタクトをノンアロイで形成できる点にある。またｎ++ＩnＧaＡs層４０８の上層であるＩnＧaＰ層４０６，４０７はＩnＧaＡs層４０８のストッパ層としての役割も果たしている。また、各層の界面の濃度勾配の緩和によりエミッタ構造同様電子のドリフト走行を安定化させる点は言うまでもない。

なお、本発明の実施形態においては、ＩnＧaＰ／ＧaＡs系ＨＢＴを用いたが、ＩnＧaＮＡs系、ＧaＡｓＳb系においても同様である。

また、コレクタ構造のｎ−ＧａＡｓ層４０２とｎ＋ＧａＡｓ層４０３とｎ−ＧｓＡｓ層４０４とｉ−ＧａＡｓ層４０５をキャリア濃度１〜５Ｅ１６／ｃｍ^３のｎ−ＧａＡｓ層としてもよい。

本発明は、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタを用いた電子機器の分野に有用である。

本発明の実施形態のＨＢＴ構造を示す断面図本発明の実施形態のＨＢＴのエミッタ構造を示す断面図本発明の実施形態のＨＢＴのベース構造を示す断面図本発明の実施形態のＨＢＴのコレクタ構造を示す断面図

符号の説明

１０１，２０１エミッタ電極
１０２，３０５ベース電極
１０３コレクタ電極
１０４，１０８，４０８ｎ++ＩnＧaＡs層
１０５，１０７ｎ-ＩnＧaＰ層
１０６，３０３ｐ++ＧaＡs層
２０２Ｉn０．５Ｇa０．５Ａs層
２０３ＩnＧaＡs層
２０４，２０５，２０５’ ＧaＡs層
２０６Ｉｎ０．４８Ｇa０．５２Ｐ層
２０７ノンドープＩnＧaＰ層
３０１ＩnＧaＰ層
３０２，３０４ｐ-ＧaＡs層
４０１ｐ-ＧaＡs層
４０２，４０４ｎ-ＧaＡs層
４０３ｎ+ＧaＡs層
４０５ｉ-ＧaＡs層
４０６ｎ-Ｉn０．４８Ｇa０．５２Ｐ層
４０７ｎ+Ｉn０．４８Ｇa０．５２Ｐ層

Claims

ヘテロ接合型バイポーラトランジスタにおいて少なくとも２層以上の積層構造を有する金属からなる電極を配し、かつエミッタ電極、ベース電極、コレクタ電極それぞれに同一構造を有してなる半導体装置において、
前記２層以上の積層構造を有する金属の下層金属は、この下層金属に接する半導体層と熱処理による合金化もしくは拡散反応するものとし、
エミッタ層が、キャリア濃度１Ｅ１９／ｃｍ^３以上の濃度からなる第１の半導体層と、前記第１の半導体層と同一元素からなり下層となる第３の半導体層の元素構成となるように前記半導体層の特定元素を減少し混晶比を変化せしめ、キャリア濃度も同様に前記第３の半導体層の濃度に前記第１の半導体層の濃度から減少させた第２の半導体層と、前記第１の半導体層よりバンドギャプが大きくかつ３Ｅ１８〜１Ｅ１６／ｃｍ^３の範囲のキャリア濃度を上層となる前記第２の半導体層から減少せしめた前記第３の半導体層と、前記第３の半導体層と同一元素からなり下層となる第５の半導体層のキャリア濃度となるよう前記第３の半導体層のキャリア濃度から増加せしめた第４の半導体層と、キャリア濃度が１〜３Ｅ１８ｃｍ^３からなる前記第５の半導体層と、上層となる前記第１から第４の半導体層よりバンドギャップの大きい半導体からなりキャリア濃度が１Ｅ１６〜１Ｅ１７／ｃｍ^３の範囲で徐々に減少せしめた第６の半導体層と、前記第６の半導体層と同一元素でキャリア濃度が１〜５Ｅ１７／ｃｍ^３の範囲の第７の半導体層とからなることを特徴とする半導体装置。
ベース層が、前記第６もしくは第７の半導体層のバンドギャップより小さくかつ反対極性でキャリア濃度もしくは構成元素が上部もしくは下部の半導体に対して徐々に増加もしくは減少せしめ、キャリア濃度もしくは構成元素の少なくとも一方に連続性を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記ベース層は、前記エミッタ層の前記第７の半導体層と接し、かつキャリア濃度が１Ｅ１６／ｃｍ^３以下の第１の半導体層と、キャリア濃度が１Ｅ１６〜１Ｅ１９／ｃｍ^３の範囲で徐々に増加せしめた第２の半導体層と、キャリア濃度が１Ｅ１９／ｃｍ^３以上の第３の半導体層と、キャリア濃度が１Ｅ１６〜１Ｅ１９／ｃｍ^３の範囲で徐々に減少せしめた第４の半導体層からなることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
コレクタ層は、キャリア濃度もしくは構成元素が上部もしくは下部の半導体に対して徐々に増加もしくは減少せしめ、キャリア濃度もしくは構成元素の少なくとも一方の連続性を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体装置。
前記コレクタ層は、前記ベース構造の半導体のバンドギャップと同等もしくは大きくかつ反対極性および前記エミッタ構造の半導体と同一の極性からなる第１の半導体層と、キャリア濃度が１Ｅ１６〜５Ｅ１８／ｃｍ^３の範囲で下層となる第３の半導体層のキャリア濃度まで徐々に減少せしめた第２の半導体層と、キャリア濃度が１〜５Ｅ１６／ｃｍ^３の範囲の前記第３の半導体層と、前記第３の半導体層のバンドギャップより大きくかつキャリア濃度が下層となる第５の半導体層のキャリア濃度まで徐々に増加せしめた第４の半導体層、キャリア濃度が１Ｅ１９／ｃｍ^３以上でバンドギャップが下層となる第６の半導体層より小さい前記第５の半導体層と、キャリア濃度が前記第５の半導体層と同等以下である前記第６の半導体層からなることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
前記ベース電極は、前記エミッタ層における前記第６もしくは第７の半導体層上に形成され、前記第６もしくは前記第７の半導体層を貫通し、前記ベース層における前記第２の半導体層に達していることを特徴とする請求項１または３記載の半導体装置。
前記コレクタ電極は、前記ベース層における前記第５の半導体層上に形成され、前記第５の半導体層を貫通し、下層となる前記第６の半導体層に達していることを特徴とする請求項１または５記載の半導体装置。