JP2015073001A - 半導体素子 - Google Patents

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良雄 高原
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Abstract

【課題】接合容量を減らすことができるとともに半導体層の側面が安定化された半導体素子を提供する。【解決手段】半導体素子１０は、高濃度Ｎ型半導体層で形成されるコレクタコンタクト層１６を備えている。コレクタコンタクト層１６には、Ｎ型のコレクタ層１５と、コレクタ層１５に積層され上面１４ａを備えた高濃度Ｐ型半導体層であるベース層１４と、上面１４ａの一部に積層されたＮ型のエミッタ層１１とが積層されている。ベース層１４とコレクタ層１５の接合面に、ベースコレクタ層接合部１８が形成されている。不活性部１９が、平面視で上面１４ａにおけるベース電極１３の外側端部よりも外側に設けられている。不活性部１９は、ヘリウムおよびアルゴンからなる群から選択した１の元素が第１、２半導体層にイオン注入されることで形成される。不活性部１９は、上面１４ａからベースコレクタ層接合部１８よりも下方まで伸びている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子に関する。
従来の高周波電力増幅器に用いられるヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴ）は一般的に図５の様に構成されている。図５は、本発明の課題を説明するための典型的なＨＢＴ構造を有する半導体素子を示す図である。図５に示すＨＢＴは、Ｎ型半導体で形成されたエミッタ層１１１と、エミッタ電極１１２と、ベース電極１１３と、高濃度Ｐ型半導体で形成されたベース層１１４と、Ｎ型半導体で形成されたコレクタ層１１５と、高濃度Ｎ型半導体で形成されたコレクタオーミック層１１６と、コレクタ電極１１７とを備えている。
このＨＢＴにおいて、Ｐ型のベース層１１４とＮ型のコレクタ層１１５との間には、ベースコレクタ接合部１１８が形成される。接合容量（Ｃｂｃ）を低容量化し高周波特性（最大発振周波数ｆｍａｘ等）を向上させるためには、このベースコレクタ接合部１１８が可能な限り小さいことが好ましい。そのため、ベース電極１１３の外側に位置するＰＮ接合端部１１９を極力減らすことが好ましい。
ウェットエッチング又はドライエッチングでベース層のエッチングを行うことが考えられる。ウェットエッチングを利用する場合には、酒石酸過水、又は燐酸過水を用いることが考えられるが、このベース層加工を行う場合、ベース電極は被エッチング領域から避けなければならないという点を注意しなければならない。このためある程度ベース電極から離れた位置にエッチング端を形成しなければならず、具体的にはエッチング時に使用するレジストの寸法制御性およびベース電極との合わせ精度の課題から、０．５μｍ以上の間隔を設ける設計を行う必要があった。このように、ＰＮ接合端部１１９をベース電極１１３直下にエッチング端を設けることは事実上不可能であった。
なお、ドライエッチングを利用する場合には、ベース電極をマスクとしてセルフアラインにてベース層をドライエッチングにて加工し、最小面積のベースコレクタ接合面積を得られる手法もある。しかし、ベース電極材料には一般的にＡｕが使用されていて、この場合にはＡｕをマスクにエッチングすることになる。すると、ドライエッチング装置のＡｕ汚染の問題、あるいはエッチング時にデバイス自身がＡｕに汚染されるなどの問題が生じるのでドライエッチングは大量生産が可能なプロセスではなく、大量生産現場では上述したウェットエッチングが主流である。
また、図５に示すＨＢＴ構造においては、端部１１１０の様にベースコレクタ接合がベース層を加工した端部の表面に露出する。このため、表面順位が安定せず、ベースコレクタ間のリーク電流が安定しないなどの問題があった。
この点に関し、例えば、特開昭６０−１６４３５８号公報に開示されているように、ベース電極の外側に形成されるベースコレクタ半導体層に、ベース電極をマスクとするイオン注入を行うことによって不活性化を行う技術がある。
特開昭６０−１６４３５８号公報
しかしながら、上記従来技術では、ベース電極の外側に形成されるベースコレクタ半導体層に水素イオン（Ｈ＋）、酸素イオン（Ｏ＋）、硼素イオン（Ｂ＋）を注入することにより、高抵抗化による不活性化を達成している。例えばベース層に残留するＨ＋はベース層の不純物に影響を及ぼし、ＨＢＴの電流利得βが変動する要因となる。またＯ＋およびＢ＋は不純物となり絶縁性に問題がある。このように、上記従来の不活性化技術は、半導体層の側面を安定化することにより半導体素子の信頼性を確保する観点からは、未だ改善点を残すものであった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、接合容量を減らすことができるとともに半導体層の側面が安定化された半導体素子を提供することを目的とする。
本発明にかかる半導体素子は、
第１側面を備え、第１導電型を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層に積層され、上面と第２側面を備え、前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層と、
前記上面の一部に積層され、前記第１導電型を有する第３半導体層と、
前記第１半導体層と電気的に接続する第１電極と、
前記第３半導体層を囲うように前記上面の他の一部に設けられた第２電極と、
前記第３半導体層に設けられた第３電極と、
を備え、
平面視で前記上面における前記第２電極の外側端部よりも外側に、ヘリウムおよびアルゴンからなる群から選択した１の元素が前記第１、２半導体層にイオン注入されることで、前記上面から前記第１、２半導体層の接合部よりも下方まで伸びる不活性部が設けられたことを特徴とする。
本発明によれば、第１、２半導体層接合部の面積を減らして接合容量を減らすことができるとともに、第１、２半導体層の側面を安定化することができる。
本発明の実施の形態にかかる半導体素子を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体素子を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体素子を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体素子を示す図である。 本発明の課題を説明するための典型的なＨＢＴ構造を有する半導体素子を示す図である。
図１は、本発明の実施の形態にかかる半導体素子１０を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態にかかる半導体素子１０を示す平面図である。図１は、図２のＡ−Ａ´線に沿って半導体素子１０を切断したものである。
半導体素子１０は、高周波電力増幅器に用いられるＧａＡｓ系のヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）である。半導体素子１０は、高濃度Ｎ型半導体層で形成されるコレクタコンタクト層１６を備えている。コレクタコンタクト層１６には、Ｎ型のコレクタ層１５と、コレクタ層１５に積層され上面１４ａを備えた高濃度Ｐ型半導体層であるベース層１４と、上面１４ａの一部に積層されたＮ型のエミッタ層１１とが積層されている。ベース層１４とコレクタ層１５の接合面に、ベースコレクタ層接合部１８が形成されている。
コレクタコンタクト層１６の上には、コレクタ層１５を挟み込むように２つのコレクタ電極１７が設けられている。エミッタ層１１の上には、エミッタ電極１２が設けられている。エミッタ層１１を囲うように、上面１４ａの他の一部にベース電極１３が設けられている。
不活性部１９が、平面視で上面１４ａにおけるベース電極１３の外側端部よりも外側に設けられている。不活性部１９は、ベース層１４を不活性化したベース不活性部１９ａと、コレクタ層１５を不活性化したコレクタ不活性部１９ｂからなる。不活性部１９は、ヘリウムおよびアルゴンからなる群から選択した１の元素が第１、２半導体層にイオン注入されることで形成される。不活性部１９は、上面１４ａからベースコレクタ層接合部１８よりも下方まで伸びている。
特に、実施の形態１では、図１の断面図からわかるように、断面視でベース層１４の側面の上端からコレクタ層１５の側面の途中まで、不活性部１９が設けられている。従って、不活性部１９の端部は、コレクタ層１５の中央部付近で終端している。
さらに、図２の平面図からわかるように、不活性部１９は、平面視でベース電極１３の周りを連続的に囲う。
本実施の形態によれば、ベース電極の外側に設けられる半導体層接合部であるベースコレクタ層接合部に対して、ヘリウムおよびアルゴンからなる群から選択した１の元素をイオン注入された不活性部が設けられている。これにより、ベースコレクタ層接合部の面積を減らして接合容量（Ｃｂｃ）を減らすことができるとともに、ベースコレクタ層接合部の側面を安定化することができる。
不活性部１９は絶縁状態となるので、ベースコレクタ層接合部１８の外周端部にはＰＮ接合は存在しない。そのため、ベースコレクタ層接合部１８の面積を低減することができ、実効ＰＮ接合面積を縮小化できる。また半導体層表面は、不活性化前ではＰＮ接合部が露出している。このため、ベースコレクタ接合に電界がかかった場合は、半導体界面部においてはプロセスのバラツキにより電界依存性を受けやすい。この点、本実施の形態によれば、絶縁注入を行うことで電界による影響を安定化させることができる。
本実施の形態では、不活性イオンのヘリウムイオン（Ｈｅ＋）やアルゴンイオン（Ａｒ＋）による絶縁注入により、不活性部１９を設ける。これらの不活性元素のイオン注入を使用することにより、信頼性低下もない安定的な不活性部１９を形成することができる。
本実施の形態では、不活性部１９を形成するイオン注入の際には、高濃度Ｎ型半導体層であるコレクタコンタクト層１６に不活性部１９を到達させない。これは、コレクタ層１５中からベース層１４を絶縁する注入加速エネルギーおよび注入量にて形成すればよい。これにより、ＨＢＴの電気的特性の低下を抑制することができる。
ＨＢＴの電気的特性の低下抑制について説明すると、まずＨＢＴの一般的な動作として、エミッタをＧＮＤ電位としベース電極に電流を印加し、コレクタ電圧をかける。この場合、コレクタ電流の流れはコレクタ電極１７、高濃度Ｎ型半導体のコレクタコンタクト層１６、Ｎ型半導体からなるコレクタ層１５→Ｐ型半導体からなるベース層１４→Ｎ型半導体からなるエミッタ層１１→エミッタ電極１２、という経路で流れる。
ここで、もし高濃度Ｎ型半導体のコレクタコンタクト層１６にいたる絶縁注入が施された場合、低抵抗を目的に高濃度化されたコレクタコンタクト層１６が高抵抗となってしまう。そうすると、ＨＢＴのコレクタエミッタ間の抵抗が高くなり、特にオン抵抗が上昇し、トランジスタ特性低下してしまう。本実施の形態では、不活性部１９がコレクタコンタクト層１６には到達しないようにしているので、ＨＢＴの電気的特性の低下を抑制できる。
高周波特性の指標である最大発振周波数ｆｍａｘは次式で表される。
ｆｍａｘ ∝ （１／Ｃｂｃ）１／２
ＰＮ接合面積Ｓを縮小化することによりベースコレクタ層接合部１８の接合容量（Ｃｂｃ）を減少させることができる。他のＨＢＴ活性領域には影響がないため、ＨＢＴ単体の主要特性はそのままで高速化、低消費電力化等の高周波特性の向上が見込める。また、不安定な半導体界面順位が安定化する事によって、ベースコレクタ間の表面が不安定であることに起因するリーク電流の抑制が可能となり、低消費電力化が見込める。
図３は、本発明の実施の形態にかかる半導体素子を示す図である。図３に示す変形例では、不活性部２９が、コレクタコンタクト層１６とコレクタ層１５の境界まで設けられている。つまり、コレクタ層１５の側面が全て不活性化されている。不活性部２９は、ベース層１４を不活性化したベース不活性部２９ａと、コレクタ層１５の側面側を全て不活性化したコレクタ不活性部２９ｂからなる。なお、平面視した形状は図２と同じである。
図４は、本発明の実施の形態にかかる半導体素子を示す図である。図４に示す変形例では、不活性部３９が、コレクタコンタクト層１６の内部まで設けられている。つまり、ベース層１４の側面、コレクタ層１５の側面、およびコレクタコンタクト層１６の上面の一部が不活性化されている。不活性部３９は、ベース層１４を不活性化したベース不活性部３９ａと、コレクタ層１５を不活性化したコレクタ不活性部３９ｂと、コレクタコンタクト層１６を不活性化したコレクタコンタクト不活性部３９ｃからなる。なお、平面視した形状は図２と同じである。
１０ 半導体素子、１１ エミッタ層、１２ エミッタ電極、１３ ベース電極、１４ａ 上面、１４ ベース層、１５ コレクタ層、１６ コレクタコンタクト層、１７ コレクタ電極、１８ ベースコレクタ層接合部、１９ 不活性部、２９ 不活性部、３９ 不活性部、１１１ エミッタ層、１１２ エミッタ電極、１１３ ベース電極、１１４ ベース層、１１５ コレクタ層、１１６ コレクタオーミック層、１１７ コレクタ電極、１１８ 接合部、１１９ 接合端部、１１１０ 端部

Claims (4)

  1. 第１側面を備え、第１導電型を有する第１半導体層と、
    前記第１半導体層に積層され、上面と第２側面を備え、前記第１導電型と反対の第２導電型を有する第２半導体層と、
    前記上面の一部に積層され、前記第１導電型を有する第３半導体層と、
    前記第１半導体層と電気的に接続する第１電極と、
    前記第３半導体層を囲うように前記上面の他の一部に設けられた第２電極と、
    前記第３半導体層に設けられた第３電極と、
    を備え、
    平面視で前記上面における前記第２電極の外側端部よりも外側に、ヘリウムおよびアルゴンからなる群から選択した１の元素が前記第１、２半導体層にイオン注入されることで、前記上面から前記第１、２半導体層の接合部よりも下方まで伸びる不活性部が設けられたことを特徴とする半導体素子。
  2. 断面視で前記第２側面の上端から前記第１側面の途中まで、前記不活性部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  3. 平面視で前記不活性部が前記第２電極の周りを連続的に囲うことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
  4. 前記第１半導体層がコレクタ層であり、前記第２半導体層がベース層であり、前記第３半導体層がエミッタ層であり、前記第１電極がコレクタ電極であり、前記第２電極がベース電極であり、前記第３電極がエミッタ電極であるヘテロ接合型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子。
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