JP2006310519A - Heterojunction bipolar transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はヘテロ接合バイポーラトランジスタに関する。 The present invention relates to heterojunction bipolar transistors.
本発明は、超高速集積回路を実現する上で有用なヘテロ接合バイポーラトランジスタ(Heterojunction Bipolar Transistor:HBT)の高信頼化に関するものである。ここでは特に、産業上重要なnpn形InP/InGaAs系HBTを例に挙げて説明する。 The present invention relates to high reliability of a heterojunction bipolar transistor (HBT) useful for realizing an ultrahigh-speed integrated circuit. Here, an npn type InP / InGaAs-based HBT that is industrially important will be described as an example.
HBTは超高速集積回路への応用が期待されている素子であるが、その実用化には、他のデバイスと同様、長時間動作しても特性変動や経時劣化が少ないことが求められる。HBTの経時劣化としては電流利得の減少が報告されており、これは、電流注入によって結晶欠陥などが発生し、再結合電流が増加することに起因している(例えば、下記非特許文献1、2参照)。
An HBT is an element expected to be applied to an ultra-high-speed integrated circuit, but its practical use is required to have little characteristic variation and deterioration with time even if it is operated for a long time like other devices. A decrease in current gain has been reported as the degradation of HBT over time, and this is due to the occurrence of crystal defects and the like due to current injection, resulting in an increase in recombination current (for example, Non-Patent
図5に、基本的なHBT構造の断面図を示す。同図において、1は半絶縁性InP基板、2はn+型InPサブコレクタ層、3はn−型InGaAsコレクタ層、4はp+型InGaAsベース層、5はn型InPエミッタ層、6はn+型InGaAsエミッタキャップ層であり、7はコレクタ電極、8はベース電極、9はエミッタ電極である。また、10はHBT素子表面を保護する、BCBやポリイミドなど、半導体表面への欠陥導入が少ない絶縁保護膜であり、11はエミッタ電極へ接続する配線層である。
FIG. 5 shows a cross-sectional view of a basic HBT structure. In the figure, 1 is a semi-insulating InP substrate, 2 is an n + type InP subcollector layer, 3 is an n − type InGaAs collector layer, 4 is a p + type InGaAs base layer, 5 is an n type InP emitter layer, and 6 is An n + -type InGaAs emitter cap layer, 7 is a collector electrode, 8 is a base electrode, and 9 is an emitter electrode.
図6に、再結合電流が発生する、エミッタメサならびにベース層4の(エミッタ層5と接していない)外部ベース領域付近の様子を拡大して示す。図において、絶縁保護膜10には、配線層11とHBT素子との電気的絶縁を確保するとともに、HBT素子表面を保護する役目がある。この絶縁保護膜10の材料としては、一般に、BCB(ベンゾシクロブテン、Benzocyclobutene)、ポリイミド、SiN(窒化珪素)、SiO2などが用いられている。このうち、BCBやポリイミドは、回転塗布法により形成することができ、素子表面に対するダメージを最小限に抑えることができる。そのため、半導体表面と絶縁保護膜との界面で発生する再結合電流を十分に小さくすることが可能となる。一方、SiNやSiO2は、一般に、化学気相堆積法(CVD)やスパッタ法などによって形成される。これらの絶縁保護膜を用いると、BCBやポリイミドよりも効果的に、半導体表面におけるダングリング・ボンドやキャリア捕獲準位などを終端化させることができ、半導体表面を電気的に不活性化させることが可能となる。しかしながら、一方で、その形成条件や被覆する半導体の種類によっては、多量の結晶欠陥や、それに伴う界面準位を導入してしまい、素子表面におけるフェルミ準位をピニング(Fermi level pinning)してしまうこともある。このようになると、素子表面におけるキャリア濃度が電圧印加条件に依存しなくなるので、ある意味で、安定な状態が実現されることになるのであるが、HBTの電流利得は、この表面フェルミ準位のエネルギ位置にも強く影響されるので、注意が必要となる。例えば、npn形HBTのエミッタメサ表面についてみると、フェルミ準位が価電子帯端側(の適当な位置)にピニングされると、表面空乏層が形成され、エミッタメサ表面における電子濃度が激減する。その結果、界面準位が存在しているにも関わらず、キャリア自体が枯渇しているために、再結合電流が発生しにくい状態が実現される。一方、フェルミ準位が伝導帯端側にピニングされると、逆に、エミッタメサ表面付近に電子蓄積層が生じてしまい、表面電子濃度が激増する。その結果、正孔が多量に存在している外部ベース層表面付近、すなわちエミッタメサぎわにおいて、再結合電流の増加を招くことになる。また、外部ベース層表面のフェルミ準位が伝導帯端側にピニングされるようなことが起こると、ベース中性領域に存在している多数正孔との再結合が著しく促進されてしまい、致命的な電流利得劣化をもたらすこともある。
FIG. 6 shows an enlarged view of the emitter mesa and the
以上を端的にいえば、BCBやポリイミドなどの絶縁保護膜は、結晶表面にダメージを与えることはないが、表面を効果的に不活性化させることは難しい。逆に、SiNやSiO2は、結晶表面を効果的に不活性化させることはできるが、場合によっては、欠陥や界面準位なども多量に発生させてしまうこともあるので、注意を要する。 In short, an insulating protective film such as BCB or polyimide does not damage the crystal surface, but it is difficult to effectively inactivate the surface. On the other hand, SiN and SiO 2 can effectively inactivate the crystal surface, but depending on the case, a large amount of defects and interface states may be generated.
InP/InGaAs系HBTでは、図6に示すような単純なメサ構造を用いた場合、SiNやSiO2などの絶縁保護膜を用いると電流利得が著しく低下してしまうことが報告されている(例えば、下記非特許文献3参照)。これは、ベース層に使われているInGaAsなどの狭バンドギャップ材料では、一般に、欠陥や界面準位が導入されやすく、さらに、フェルミ準位が伝導帯端側にピニングされてしまう傾向があるためである。このため、外部ベース層表面において多量の再結合中心が発生するばかりか、電子蓄積層まで形成されてしまい、再結合電流の増加を招く。ひどい場合には、エミッタメサぎわにおける表面ポテンシャルが複雑に変化し、表面リークチャネルが形成されてしまうこともある。このようになると、エミッタ中性領域から外部ベース表面へと多数電子が直接注入されてしまい、致命的な電流利得劣化をもたらすことになる。このような理由から、図6に示すような単純なメサ構造では、素子表面へのダメージが少ないBCBやポリイミドなどが絶縁保護膜として用いられることが多い。
In InP / InGaAs-based HBTs, it has been reported that when a simple mesa structure as shown in FIG. 6 is used, if an insulating protective film such as SiN or SiO 2 is used, the current gain is significantly reduced (for example, Non-patent
しかしながら、こうしたHBTでも、通電ストレス試験を行うと、時間とともに急激に電流利得が減少してしまうことが報告されている(例えば、下記非特許文献2参照)。
However, even with such an HBT, it has been reported that when an energization stress test is performed, the current gain decreases rapidly with time (see, for example, Non-Patent
図7に、図6に示すHBT構造を用いて本発明者らが行った通電ストレス試験の結果を示す。縦軸には、室温で測定した電流利得の相対変化を、横軸には、ストレス経過時間を対数表示で示している。通電ストレス条件は、環境温度175℃、注入電流密度1mA/μm2であり、試験したHBTの初期状態における電流利得は、36.5(平均値)±2.1(標準偏差)であった。なお電流利得は、コレクタ電流密度が1mA/μm2のときの値である。同図から、数十時間で電流利得が急激に減少し、一旦は劣化が飽和するものの、数百時間後には再びゆっくりと減少してゆく様子がうかがえる。この現象は、エミッタメサ表面や外部ベース層表面には(電気的に中性の)捕獲準位や欠陥前駆体などが既に存在しており、電荷を与えることによって欠陥などが新たに形成されてしまうことを示唆している。また、表面再結合自体が、新たな再結合中心を発生させている可能性もある(再結合促進欠陥の発生)。いずれにしても、図5に示したHBT構造では、経時劣化の少ない高信頼な素子が得られにくいのが実状である。 FIG. 7 shows the result of an energization stress test conducted by the present inventors using the HBT structure shown in FIG. The vertical axis shows the relative change in the current gain measured at room temperature, and the horizontal axis shows the stress elapsed time in logarithmic display. The energization stress conditions were an environmental temperature of 175 ° C., an injection current density of 1 mA / μm 2 , and the current gain of the tested HBT in the initial state was 36.5 (average value) ± 2.1 (standard deviation). The current gain is a value when the collector current density is 1 mA / μm 2 . From the figure, it can be seen that the current gain suddenly decreases in several tens of hours and once the deterioration is saturated, but gradually decreases again after several hundred hours. This phenomenon is due to the fact that (electrically neutral) trap levels and defect precursors already exist on the emitter mesa surface and the external base layer surface, and new defects are formed by applying electric charges. Suggests that. Further, the surface recombination itself may generate new recombination centers (occurrence of recombination promoting defects). In any case, in the HBT structure shown in FIG. 5, it is difficult to obtain a highly reliable element with little deterioration with time.
上述した電流利得劣化を防ぐためには、エミッタメサ表面と絶縁保護膜との界面における界面準位や再結合中心、あるいは、それら欠陥前駆体を十分に低減させておくことが重要となる。あるいは、界面準位や再結合中心、欠陥前駆体を除去することが困難な場合は、再結合に関与するキャリア自体をこうした欠陥に近づけさせないよう工夫を施す必要がある。これを実現する手法として、1980年代後半に、エミッタメサ周辺部にエミッタ層の一部を残して張り出させた表面パッシベーション構造が考案された(例えば、下記非特許文献4参照)。そして、1990年代には、このパッシベーション構造が、初期特性の改善や通電ストレス劣化の防止に対して極めて有効であることが、多くの研究機関によって実証されている(例えば、下記非特許文献5、6参照)。考案当初は、このパッシベーション構造を“ガードリング構造”と呼んだり、こうした構造を形成する技術を“Emitter Edge Thinning”などと呼んだりしていた。最近では、残されたエミッタ層のことを、“レッジ(Ledge)”と呼ぶことが多い。
In order to prevent the current gain deterioration described above, it is important to sufficiently reduce the interface states and recombination centers at the interface between the emitter mesa surface and the insulating protective film, or their defect precursors. Alternatively, when it is difficult to remove interface states, recombination centers, and defect precursors, it is necessary to devise measures so that the carriers themselves involved in recombination do not approach such defects. As a method for realizing this, in the late 1980s, a surface passivation structure was devised in which a part of the emitter layer was left on the periphery of the emitter mesa (see, for example, Non-Patent
図8に、レッジを有する典型的なエミッタメサ構造を示す。エピタキシャル層からなるInPレッジ構造12によりp+型InGaAsベース層4が被覆される結果、ベース層4表面における再結合電流は大幅に低減される。また、レッジ構造12内には、ある程度の表面空乏層が生じているので、電子の横方向拡散に対して抵抗が生じる。このため、エミッタ中性領域からレッジ、そしてレッジから外部ベース層表面への電子注入も抑制されることになる。その結果、レッジ表面やレッジに被覆されていない外部ベース層表面での電子蓄積や再結合を著しく低減することが可能となる。すなわち、素子表面での結晶劣化が発生しにくい環境が実現される。
FIG. 8 shows a typical emitter mesa structure having a ledge. As a result of covering the p + -type
図9は、ガードリング構造の別の形態を示したものである(類似の構造は、例えば、下記非特許文献7に見られる)。この構造では、ベース電極8がレッジ構造12上に形成されており、ベース層4表面が完全にレッジ層(12)で被覆されている。ここで、ベース電極8からベース層4へのコンタクトは、熱拡散処理などを施すことによって実現される。この構造では、外部ベース層表面が絶縁保護膜に暴露されている領域が全く無いので、外部ベース層表面における再結合電流を完全に除去できるという長所がある。ただし、レッジ層を完全に空乏化させておかないと、エミッタ層5からベース電極8へと、レッジ構造12を介して電子が直接流れ込む危険がある。従って、このような構造においては、レッジ構造12表面を電気的に不活性化しておくか、あるいは、表面フェルミ準位を価電子帯端側にピニングし、レッジ構造12の空乏化を安定に維持させておくよう配慮する必要がある。このため、絶縁保護膜13としては、SiN、SiO2など、半導体表面の電気的不活性化に有利な絶縁保護膜が適しているものと考えられる。
FIG. 9 shows another form of the guard ring structure (a similar structure can be found in Non-Patent Document 7 below, for example). In this structure, the
さらに、図9に示した構造と同様の構造として、図10のようなものもある(例えば、下記非特許文献8参照)。この構造は、エミッタ層5自体が薄く(10nm程度)、エミッタメサ外周部において、エミッタ層5を薄く加工する必要がないという製造上の長所がある。
Furthermore, there is a structure similar to that shown in FIG. 9 as shown in FIG. 10 (see, for example,
上記、図8〜図10に示したエミッタメサ構造を用いることによって、電流利得の経時変化が著しく緩和されることが報告されている。しかしながら、このような従来構造には以下に述べる問題があり、まだ改善の余地があることも事実である。これらの問題を解決し、HBTの信頼性をより一層向上させることは、このデバイスの実用化領域を広げる意味で極めて重要なことである。 It has been reported that the use of the emitter mesa structure shown in FIG. 8 to FIG. However, such a conventional structure has the following problems and there is still room for improvement. Solving these problems and further improving the reliability of the HBT is extremely important in terms of expanding the practical application area of this device.
前述した従来構造は、外部ベース層表面が暴露された領域が有るもの(図8に示した構造)と、無いもの(図9、図10に示した構造)に分けられる。最初に、外部ベース層表面が暴露された領域が有るもの(図8に示した構造)について問題点を指摘する。この構造で重要な点は、InPレッジ構造12表面とInGaAs外部ベース層表面が隣接する領域(レッジぎわ)や外部べース層表面が暴露している領域が依然として存在していることである。従って、図6に示したエミッタメサ構造と同様に、SiNやSiO2などの絶縁保護膜を用いると、こうした領域において再結合中心が導入されるばかりか再結合に関与する電子蓄積層も形成されてしまうおそれがある。すなわち、レッジぎわで再結合が促進されてしまい、レッジ自体を形成する意味を失ってしまう。従って、図8に示す構造では、図6に示す構造と同様、BCBやポリイミドなど結晶欠陥が導入されにくい絶縁保護膜が使用されることが多い。しかしながら、こうした絶縁保護膜では、半導体表面を電気的に不活性化させることが難しく、レッジを安定に空乏化させておくことが困難となる。その結果、通電ストレスを与えると、ゆっくりではあるが、エミッタからレッジへの電子注入が進んでいく。そして長期的にみれば、レッジ表面における電子捕獲などが生じ、これに伴い、レッジ層の表面劣化や表面ポテンシャルの変調が発生する。こうした変化により、表面付近における再結合電流が増加し、長期劣化につながる。
The conventional structure described above can be divided into those having a region where the surface of the external base layer is exposed (structure shown in FIG. 8) and those having no region (structure shown in FIGS. 9 and 10). First, a problem will be pointed out with respect to what has a region where the surface of the outer base layer is exposed (structure shown in FIG. 8). The important point in this structure is that there are still areas where the surface of the
一方、外部ベース層表面が暴露された領域が無い構造(図9、図10に示した構造)では、外部ベース層表面における結晶性劣化を危倶する必要は全くない。しかしながら、レッジ層表面を確実に空乏化させておかないと、レッジ層自体が表面リークチャネルとして働いてしまうので、注意が必要である。また、このような構造では、ベース電極8がレッジ層(12)上に形成されているために、ベース接触抵抗が高い。そのため、HBTの高周波性能が低下することが危惧される。ベース接触抵抗を低くするにはレッジ層厚を薄くすればよいが、こうすると、今度は絶縁保護膜形成時に導入されるダメージがベース層まで侵入し、ベース層自体の結晶品質を損なうおそれがある。こうなると、中性ベース領域における再結合電流が増加してしまい電流利得の低下を招く。従って、こうした構造を用いる場合は、絶縁保護膜の形成条件などに特に注意する必要がある。また、レッジ層を薄くするにしても限度があるので、図8に示した構造に比べれば、どうしてもベース接触抵抗は高くなってしまう。さらに図10に示す構造では、エミッタ層自体が薄いためにエミッタ接合容量も大きくなり、やはりHBTの高周波性能を損なう。以上をまとめると、高信頼化が達成できたとしても、高周波特性をある程度犠牲にする必要があるといえる。
On the other hand, in the structure where there is no region where the surface of the external base layer is exposed (the structure shown in FIGS. 9 and 10), there is no need to jeopardize the deterioration of crystallinity on the surface of the external base layer. However, care must be taken because the ledge layer itself will act as a surface leak channel unless the ledge layer surface is depleted reliably. Moreover, in such a structure, since the
本発明が解決しようとする課題は、図8に示す従来構造の問題点を改善することによって、高周波性能を犠牲にすることなく、より一層の高信頼化が達成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a heterojunction bipolar transistor in which higher reliability is achieved without sacrificing high-frequency performance by improving the problems of the conventional structure shown in FIG. There is to do.
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項1に記載のように、
半導体基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層、べース層、メサ形状を有するエミッタ層、および、エミッタキャップ層がこの順序で順次積層されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ層のメサ周辺部にレッジ構造が形成され、前記ベース層の上部表面上にベース電極が直接形成され、前記レッジ構造の上部表面が第1の絶縁保護膜で被覆されており、前記レッジ構造の側壁表面と、前記ベース層の、前記エミッタ層およびレッジ構造に接していない上部表面とが、前記第1の絶縁保護膜とは異なる材質の第2の絶縁保護膜で被覆されていることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
In order to solve the above problems, in the present invention, as described in
In a heterojunction bipolar transistor in which a subcollector layer, a collector layer, a base layer, an emitter layer having a mesa shape, and an emitter cap layer are sequentially stacked in this order on a semiconductor substrate, a mesa peripheral portion of the emitter layer A ledge structure is formed, a base electrode is directly formed on the upper surface of the base layer, the upper surface of the ledge structure is covered with a first insulating protective film, and the sidewall surface of the ledge structure; A heterojunction bipolar characterized in that an upper surface of the base layer not contacting the emitter layer and the ledge structure is covered with a second insulating protective film made of a material different from the first insulating protective film. A transistor is formed.
また、本発明においては、請求項2に記載のように、
請求項1記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ層の材料として、InP、InAlP、InGaP、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAsのいずれかが用いられ、前記ベース層の材料として、InGaAs、InGaAsP、InAlGaAs、GaAsSb、InGaAsSb、AlGaAsSbのいずれかが用いられ、前記第1の絶縁保護膜の材料として、SiN、SiO2のいずれかが用いられ、前記第2の絶縁保護膜の材料として、BCB、ポリイミドのいずれかが用いられていることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
In the present invention, as described in
2. The heterojunction bipolar transistor according to
本発明の実施によって、高周波性能を犠牲にすることなく、より一層の高信頼化が達成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することが可能となる。 By implementing the present invention, it is possible to provide a heterojunction bipolar transistor in which higher reliability is achieved without sacrificing high-frequency performance.
本発明では、レッジ上部表面と、レッジ側壁表面ならびに外部ベース層表面に対して、各々、最適な絶縁保護膜を形成することを提案する。すなわち、レッジ上部表面には、半導体表面を電気的に不活性化させるか、あるいは、価電子帯端側に界面準位を形成しレッジを安定に空乏化させることができる、SiNやSiO2などの絶縁保護膜を用いる。一方、ダメージに弱いレッジ側壁や外部ベース層表面には、結晶欠陥や界面準位を導入しにくい、BCBやポリイミドなどの絶縁保護膜を用いる。以上のように絶縁保護膜を選択的に適用することによって、レッジぎわや外部ベース層表面における結晶劣化を回避しつつ、レッジ層の表面空乏化を安定に維持することが可能となる。その結果、レッジへの電子注入が長期的にも阻害され、レッジ表面における結晶劣化を回避することが可能となる。 In the present invention, it is proposed to form optimum insulating protective films on the upper surface of the ledge, the surface of the ledge side wall and the surface of the external base layer, respectively. That is, the semiconductor surface can be electrically inactivated on the upper surface of the ledge, or an interface state can be formed on the valence band edge side to stably deplete the ledge, such as SiN or SiO 2 The insulating protective film is used. On the other hand, an insulating protective film such as BCB or polyimide that hardly introduces crystal defects and interface states is used on the ledge sidewalls and the surface of the external base layer that are vulnerable to damage. As described above, by selectively applying the insulating protective film, it is possible to stably maintain depletion of the surface of the ledge layer while avoiding crease and crystal deterioration on the surface of the external base layer. As a result, electron injection into the ledge is inhibited even for a long time, and crystal deterioration on the ledge surface can be avoided.
本発明に係るHBTの構造の一実施形態を図1に示す。このHBTは、半導体基板であるInP基板(図示せず)上に形成されたサブコレクタ層(図示せず)上に形成されており、図において、n−型InGaAsコレクタ層3、p+型InGaAsベース層4、メサ形状を有するn型InPエミッタ層5、および、n+型InGaAsエミッタキャップ層6がこの順序で順次積層され、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成している。さらに、エミッタ層5のメサ周辺部にエミッタ層5の一部が張り出して成るレッジ構造12が形成されており、ベース層4の上部(すなわち、InP基板から遠い側の)表面上にベース電極8が直接形成され、レッジ構造12の上部表面が第1の絶縁保護膜である、半導体表面の電気的不活性化に有利な絶縁保護膜13で被覆されており、レッジ構造12の側壁表面と、エミッタ層5およびレッジ構造12に接していないベース層4の上部表面とが、前記第1の絶縁保護膜とは異なる材質の第2の絶縁保護膜である、半導体表面への欠陥導入が少ない絶縁保護膜10で被覆されている。
One embodiment of the structure of the HBT according to the present invention is shown in FIG. This HBT is formed on a subcollector layer (not shown) formed on an InP substrate (not shown), which is a semiconductor substrate, and in the figure, an n − type
絶縁保護膜13として、プラズマCVDによりSiNが堆積されており、レッジ構造12の上部表面を電気的に不活性化させている。一方、レッジ構造12の側壁表面とベース層4の上部表面は、絶縁保護膜10であるBCBにより被覆されており、結晶欠陥や界面準位が形成されないよう配慮されている。
As the insulating
上記の構成とそれによって得られる効果を一般化して記述すれば、レッジ構造の上部表面には、半導体表面を電気的に不活性化させるような、あるいは、フェルミ準位をピニングさせ、レッジ層を安定に空乏化させるような絶縁保護膜を使用する。一方、ダメージに弱いレッジ側壁表面ならびにベース層上部表面に対しては、結晶欠陥や界面準位が発生しにくい絶縁保護膜を使用する。これにより、レッジぎわやベース層上部表面における結晶劣化を回避し、同時に、レッジの表面空乏化を安定化させることが可能となる。このようにすれば、エミッタからレッジへの電子注入が十分に抑制され、レッジ表面における結晶劣化が回避される。その結果、長期的な電流利得劣化も回避することが可能となる。 The above structure and the effects obtained thereby can be generalized to describe the ledge layer on the upper surface of the ledge structure by electrically inactivating the semiconductor surface or by pinning the Fermi level. Use an insulating protective film that depletes stably. On the other hand, an insulating protective film that hardly causes crystal defects and interface states is used for the surface of the ledge sidewall that is vulnerable to damage and the upper surface of the base layer. As a result, it is possible to avoid ledge wrinkles and crystal deterioration on the upper surface of the base layer, and at the same time stabilize the surface depletion of the ledge. In this way, electron injection from the emitter to the ledge is sufficiently suppressed, and crystal degradation on the ledge surface is avoided. As a result, it is possible to avoid long-term current gain degradation.
図2、3は、図1に示すガードリング構造を実現するプロセス工程の一例を示したものである。エミッタ層5の厚さは70nm、レッジ構造12の厚さは20nmであり、エミッタメサ幅は1μm、レッジ幅は0.3μmである。ここでは、レッジ層厚を高精度に制御するために、エミッタ/べース層界面から20nm離れ位置(キャップ/エミッタ層界面から50nm離れた位置)に、層厚2nmの極薄InGaAsエッチストッパー層14が挿入されている。
2 and 3 show an example of process steps for realizing the guard ring structure shown in FIG. The
HBT構造の形成工程は以下の通りである。 The process for forming the HBT structure is as follows.
まず、エミッタ電極9を形成し、エミッタメサを形成するためのレジストマスク15を形成する[図2の(a)]。しかる後に、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)などのドライエッチング法により、InGaAsエミッタキャップ層6をエッチングし、さらに、InPエミッタ層5を20nm程度エッチングする。そして、塩酸系ウエットエッチャントを用いて残されたInP層を選択的にエッチングし、次に、クエン酸系ウエットエッチャントを用いてInGaAsエッチストッパー層14を選択的にエッチングする。しかる後に、レジストマスクを除去し、プラズマCVD法によりSiN膜をウエハ全面に堆積する[図2の(b)]。
First, an emitter electrode 9 is formed, and a resist
次に、エミッタメサ形成用のレジストマスクよりも片側が0.3μm大きいレジストマスク16を形成する。そして、このレジストマスク16を用いて、RIE法などによりSiN膜(13)を除去する。その後、残されたSiN膜(13)をマスクにして、InP層(12)をウエットエッチャントにより選択的に除去し、InGaAsベース層4上部表面を暴露する[図3の(c)]。そして、ベース電極8をリフトオフ法により形成し、通常用いられている方法によってHBTメサ構造を完成させる。その後、回転塗布法によりBCB膜を形成し、配線層11を形成すれば、所望のHBT構造が得られる[図3の(d)]。
Next, a resist
なお、従来レッジ構造を形成する場合は、InGaAsエッチストッパー層14を暴露した後にレジストマスクを形成し、2nmのInGaAsエッチストッパー層14と30nmのInP層(12)を除去すればよい。ここでは、この後、レッジ層上の極薄エッチストッパー層14も除去し、新構造(本実施形態の構造)と同様に、レッジ表面がInPとなるようにしている。
In the case of forming a conventional ledge structure, a resist mask is formed after exposing the InGaAs
ちなみに、レッジ層厚を(例えば1nmオーダーで)高精度に制御する必要がない場合は、InGaAsエッストッパー層14を設けずにRIEのエッチング時間を制御するだけでもよいことを指摘しておく。本実施形態においては、同一寸法のレッジ構造を有する従来構造と新構造とを実現するために、InGaAsエッチストッパー層14を設けた。HBTの通電劣化はレッジ構造の寸法にも依存するので、従来構造と新構造を平等に比較するためには、同一寸法のレッジ構造を用意しておく必要があることを注意しておく。
Incidentally, it is pointed out that when the ledge layer thickness does not need to be controlled with high accuracy (for example, on the order of 1 nm), the RIE etching time may be controlled without providing the InGaAs
上記工程により、図8に示した従来HBTと図1に示した本発明によるHBTとを作製し、通電ストレス試験を行った。ここで従来HBTと本発明によるHBTは、同一の分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)装置で、同時に成長したエピタキシャルウエハを用いて製造されている。すなわち、両者の間に結晶品質の優位差はない。さらに、従来HBTも本発明によるHBTも、同時に同一のプロセス装置を用いて製造されたことを付記しておく。 Through the above steps, the conventional HBT shown in FIG. 8 and the HBT according to the present invention shown in FIG. 1 were produced, and an energization stress test was performed. Here, the conventional HBT and the HBT according to the present invention are manufactured using the same molecular beam epitaxy (MBE) apparatus using epitaxial wafers grown simultaneously. That is, there is no difference in crystal quality between the two. Furthermore, it should be noted that both the conventional HBT and the HBT according to the present invention were simultaneously manufactured using the same process apparatus.
図4に、従来HBTと本発明によるHBTの通電ストレス試験結果を示す。縦軸には、室温で測定した電流利得の相対変化を、横軸には、ストレス経過時間を対数表示で示している。通電ストレス条件は、環境温度175℃、注入電流密度1mA/μm2であり、試験したHBTの初期状態における電流利得は、本発明によるHBTでは57.4(平均値)±1.5(標準偏差)、従来HBTでは56.2(平均値)±0.8(標準偏差)であった。なお電流利得は、コレクタ電流密度が1mA/μm2のときの値である。図7に示した(レッジ構造を有しないHBTの)通電ストレス試験結果と比較すると、従来構造でも電流利得の経時劣化をかなり抑制できていることが分かる。しかしながら、長期的なスパンでみると、10000時間(417日)後には、電流利得が20%程度も減少している。これに対して、本発明による構造では、10000時間後の電流利得変化は10%以下に抑えられていることが分かる。別な見方をすると、電流利得が90%まで減少するのに必要な通電ストレス時間は、従来構造では1000時間程度であるのに対して、本発明による構造では10000時間以上となる。従って、本発明によるHBTでは、従来HBTに比べて、劣化寿命が1桁以上改善されていることになる。 FIG. 4 shows the results of the energization stress test of the conventional HBT and the HBT according to the present invention. The vertical axis shows the relative change in the current gain measured at room temperature, and the horizontal axis shows the stress elapsed time in logarithmic display. The energization stress conditions are an environmental temperature of 175 ° C., an injection current density of 1 mA / μm 2 , and the current gain of the tested HBT in the initial state is 57.4 (average value) ± 1.5 (standard deviation) in the HBT according to the present invention. ), 56.2 (average value) ± 0.8 (standard deviation) in the conventional HBT. The current gain is a value when the collector current density is 1 mA / μm 2 . Compared with the energization stress test result (for the HBT having no ledge structure) shown in FIG. 7, it can be seen that the time-dependent deterioration of the current gain can be significantly suppressed even in the conventional structure. However, in a long-term span, the current gain decreases by about 20% after 10,000 hours (417 days). On the other hand, in the structure according to the present invention, it can be seen that the change in current gain after 10,000 hours is suppressed to 10% or less. From another point of view, the energization stress time required to reduce the current gain to 90% is about 1000 hours in the conventional structure, but is 10,000 hours or more in the structure according to the present invention. Therefore, in the HBT according to the present invention, the deterioration life is improved by one digit or more as compared with the conventional HBT.
上述した通電ストレス試験の結果から、本発明によるHBT構造の効果は明らかである。本発明を用いることによって、従来HBT構造と比べて飛躍的に通電劣化寿命を増加させることができる。これにより、HBT集積回路の信頼性も向上し、HBTの大規模集積化に有利となる。その結果、HBT集積回路の応用範囲が広がるという波及効果をもたらす。 From the result of the energization stress test described above, the effect of the HBT structure according to the present invention is clear. By using the present invention, it is possible to dramatically increase the energization deterioration life compared to the conventional HBT structure. This also improves the reliability of the HBT integrated circuit, which is advantageous for large-scale integration of the HBT. As a result, the ripple effect that the application range of the HBT integrated circuit is expanded is brought about.
なお上記実施形態の説明においては、高速回路を実現する上で有望なnpn形InP/InGaAs系HBTについて詳細に述べたが、同様な効果は、ベース層に狭バンドギャップ材料であるGaAsSb系材料を用いたHBTに対しても期待することができる。また、pnp型HBTについても同様の提案を行うことができる。一般に、上記実施形態を含めて、エミッタ層の材料として、InP、InAlP、InGaP、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAsのいずれかを用い、ベース層の材料として、InGaAs、InGaAsP、InAlGaAs、GaAsSb、InGaAsSb、AlGaAsSbのいずれかがを用い、第1の絶縁保護膜の材料として、SiN、SiO2のいずれかを用い、第2の絶縁保護膜の材料として、BCB、ポリイミドのいずれかを用いてよい。 In the description of the above embodiment, the npn InP / InGaAs HBT that is promising for realizing a high-speed circuit has been described in detail. However, the same effect can be obtained by using a GaAsSb material, which is a narrow band gap material, in the base layer. It can also be expected for the HBT used. Similar proposals can be made for pnp type HBTs. In general, including the above-described embodiments, any of InP, InAlP, InGaP, InGaAsP, InAlAs, and InAlGaAs is used as the material for the emitter layer, and InGaAs, InGaAsP, InAlGaAs, GaAsSb, InGaAsSb, and AlGaAsSb are used as the material for the base layer. One of them may be used, either SiN or SiO 2 may be used as the material of the first insulating protective film, and either BCB or polyimide may be used as the material of the second insulating protective film.
1:半絶縁性InP基板、2:n+型InPサブコレクタ層、3:n−型InGaAsコレクタ層、4:p+型InGaAsベース層、5:n型InPエミッタ層、6:n+型InGaAsエミッタキャップ層、7:コレクタ電極、8:ベース電極、9:エミッタ電極、10:半導体表面への欠陥導入が少ない絶縁保護膜、11:配線層、12:InPレッジ構造、13:半導体表面の電気的不活性化に有利な絶縁保護膜、14:エッチストッパー層、15、16:レジストマスク。 1: semi-insulating InP substrate, 2: n + type InP subcollector layer, 3: n − type InGaAs collector layer, 4: p + type InGaAs base layer, 5: n type InP emitter layer, 6: n + type InGaAs Emitter cap layer, 7: Collector electrode, 8: Base electrode, 9: Emitter electrode, 10: Insulating protective film with less defect introduction to the semiconductor surface, 11: Wiring layer, 12: InP ledge structure, 13: Electricity on the semiconductor surface Insulating protective film advantageous for mechanical deactivation, 14: etch stopper layer, 15, 16: resist mask.
Claims (2)
前記エミッタ層のメサ周辺部にレッジ構造が形成され、
前記ベース層の上部表面上にベース電極が直接形成され、
前記レッジ構造の上部表面が第1の絶縁保護膜で被覆されており、
前記レッジ構造の側壁表面と、前記ベース層の、前記エミッタ層およびレッジ構造に接していない上部表面とが、前記第1の絶縁保護膜とは異なる材質の第2の絶縁保護膜で被覆されていることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 In a heterojunction bipolar transistor in which a subcollector layer, a collector layer, a base layer, an emitter layer having a mesa shape, and an emitter cap layer are sequentially stacked in this order on a semiconductor substrate,
A ledge structure is formed around the mesa of the emitter layer,
A base electrode is directly formed on the upper surface of the base layer;
An upper surface of the ledge structure is covered with a first insulating protective film;
The sidewall surface of the ledge structure and the upper surface of the base layer that is not in contact with the emitter layer and the ledge structure are covered with a second insulating protective film made of a material different from the first insulating protective film. A heterojunction bipolar transistor characterized by comprising:
前記エミッタ層の材料として、InP、InAlP、InGaP、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAsのいずれかが用いられ、
前記ベース層の材料として、InGaAs、InGaAsP、InAlGaAs、GaAsSb、InGaAsSb、AlGaAsSbのいずれかが用いられ、
前記第1の絶縁保護膜の材料として、SiN、SiO2のいずれかが用いられ、
前記第2の絶縁保護膜の材料として、BCB、ポリイミドのいずれかが用いられていることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 The heterojunction bipolar transistor according to claim 1, wherein
As the material of the emitter layer, any of InP, InAlP, InGaP, InGaAsP, InAlAs, and InAlGaAs is used.
As the material of the base layer, any of InGaAs, InGaAsP, InAlGaAs, GaAsSb, InGaAsSb, and AlGaAsSb is used.
As the material of the first insulating protective film, either SiN or SiO 2 is used,
A heterojunction bipolar transistor characterized in that either BCB or polyimide is used as a material of the second insulating protective film.
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