JP2019192721A - 集積回路およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱伝導率の高い基板の上にヘテロ接合バイポーラトランジスタおよび抵抗素子を集積させた集積回路の製造工程を、より短くできるようにする。【解決手段】基板101の上に形成された抵抗材料層102と、抵抗材料層102の上に形成された金属層103と、基板101の上に形成されたバイポーラトランジスタ104と、基板101の上に形成された抵抗素子105とを備える。バイポーラトランジスタ104は、第1領域151における金属層103をサブコレクタ層107とし、また、サブコレクタ層107の上に形成されたコレクタ層108を備える。抵抗素子105は、第2領域152における抵抗材料層102から構成されている。【選択図】 図1

Description

本発明は、バイポーラトランジスタと抵抗素子とが集積された集積回路およびその製造方法に関する。
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの高速動作化を図るためには、素子の内部容量の充放電時間を短縮させることが重要となり、このためには、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの動作電流を増加させることが効果的である。しかしながら、動作電流を増加させると、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ内での自己発熱によって素子温度が上昇する。
素子温度の上昇は、素子内での電子輸送特性の劣化を招き、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの電子走行時間の増大を招き、高電流注入による充放電時間短縮の効果をある程度打ち消してしまうことになる。更に、素子温度の上昇は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの動作寿命を短縮させてしまうという深刻な問題も生じさせる。
よって、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの動作電流を増加させる場合は、放熱が円滑に行われる構造となるように配慮する必要がある。
通常、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ素子で発生する熱は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに接続された配線や、素子直下の基板を通じて散逸させている。特に、基板を通じての放熱が重要であり、この対策として熱伝導率の高い基板を用いることが有効である。例えば、InP系やGaAs系の半導体から構成したヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合、InPより熱伝導率が高いSi基板の上に、上述した半導体をエピタキシャル成長させてヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成する試みが報告されている。
しかしながら、異種基板上へのエピタキシャル成長は、格子定数や熱膨張係数が異なることに起因して転移や欠陥が発生して十分な結晶品質が得られないという問題が生じる。異種基板上に品質の良い結晶成長を行うには、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造をエピタキシャル成長する前に格子定数差を緩和するためのバッファ層を厚く成長する必要が生じる。このようなバッファ層は、基板よりも熱伝導率が低いため、結果的に結晶品質と高い放熱性は両立できないという本質的な問題がある。
良好な結晶品質と高放熱性を両立可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタの結晶構造を得る方法として、次に示す方法が提案されている。まず、格子整合する化合物半導体基板の上に、上下反転でサブコレクタ層を除くヘテロ接合バイポーラトランジスタ層構造のエピタキシャル成長を行う。次に、これらを、高放熱基板にウエハレベルで貼り付け、化合物半導体基板を除去し、層構造を加工してヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成する(非特許文献1参照)。
この方法では、通常のヘテロ接合バイポーラトランジスタではエピタキシャル成長層で構成されるサブコレクタ層を、高熱伝導率の金属から構成し、金属から構成したサブコレクタ層を接着(接合)層として用いることにより、良好な貼り合わせ特性を得ている。
このヘテロ接合バイポーラトランジスタが集積された集積回路の一例について、図4を参照して説明する(特許文献1参照)。この集積回路は、高放熱基板301の上に、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ302と、抵抗素子303とを集積している。ヘテロ接合バイポーラトランジスタ302は、金属から構成したサブコレクタ層304、コレクタ層305、ベース層306、エミッタ層307、エミッタキャップ層308、エミッタ電極309、ベース電極310を備える。また、抵抗素子303には、配線311、配線312が接続している。
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ302は、素子保護膜313で覆われて保護されている。また、素子保護膜313で覆われたヘテロ接合バイポーラトランジスタ302、および抵抗素子303は、層間絶縁膜314に覆われている。素子保護膜313および層間絶縁膜314は、例えば有機樹脂から構成されている。
また、層間絶縁膜314の上には、貫通孔を介してエミッタ電極309および配線311に接続する接続配線315、貫通孔を介して配線312に接続する引き出し配線316などが形成されている。
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの内部では、主にコレクタ層において自己発熱が発生するが、これに接して形成されているサブコレクタ層、更にサブコレクタ層に接している基板が、ともに高熱伝導材料となっているため、結果的に極めて良好な放熱特性が得られている。また、素子部を構成する化合物半導体の結晶品質についても、格子整合する化合物半導体基板上にエピタキシャル成長を行うため全く問題が生じない。
特開2001−077204号公報
A. Thiam et al., "InP HBT Thermal Management by Transferring to High Thermal Conductivity Silicon Substrate", IEEE Electron Device Letters, vol. 35, no. 10, pp. 1010-1012, 2014.
金属サブコレクタ層を接着層に用いて、高熱伝導支持基板とヘテロ接合バイポーラトランジスタ層構造を堆積したウエハを貼り合わせる方法は、良好な結晶品質と高い放熱特性を両立するのに有効な手段であるが、通常のヘテロ接合バイポーラトランジスタ作製工程と比較すると、サブコレクタ層用の金属膜の堆積、貼り合わせ、化合物半導体基板のエッチングなどの工程が追加となっており、作製工程が長くなるという問題がある。
また、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに抵抗素子などを集積した集積回路を作製する場合、更に工程が長くなるという問題がある。前述したように、抵抗素子を集積する場合、一般には、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを作製した後、窒化タングステン・ケイ素(WSiN)などの抵抗材料を、基板の全域に堆積して抵抗材料層を形成し、この抵抗材料層をパターニングして抵抗素子を形成している。抵抗材料層は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに接触させることはできないので、図4を用いて説明したように、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ302を覆う素子保護膜313を形成した後、抵抗材料層を形成して抵抗素子303を形成している。
このように、従来では、良好な放熱性を得るために熱伝導率の高い基板の上にヘテロ接合バイポーラトランジスタを作製し、更に抵抗素子などを集積させる場合、工程が増加して製造工程が長くなるという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、熱伝導率の高い基板の上にヘテロ接合バイポーラトランジスタおよび抵抗素子を集積させた集積回路の製造工程を、より短くできるようにすることを目的とする。
本発明に係る集積回路は、基板の上に形成されて、各々独立した第1領域および第2領域を備え、抵抗材料から構成された抵抗材料層と、第1領域と、第2領域の中の一部の第3領域とにおいて、抵抗材料層の上に接して形成されて金属から構成された金属層と、第1領域における金属層をサブコレクタ層としてサブコレクタ層の上に形成されたコレクタ層を備えるバイポーラトランジスタと、第2領域における抵抗材料層からなる抵抗素子と、第3領域における金属層からなり、抵抗素子に接続する配線とを備える。
上記集積回路において、基板は、バイポーラトランジスタを構成する半導体より高い放熱性を有している材料から構成されていればよい。
上記集積回路において、金属は、金から構成されているとよい。
上記集積回路において、抵抗材料は、タングステンを含んだ材料から構成されているとよい。
また、本発明に係る集積回路の製造方法は、基板の上に抵抗材料から構成された抵抗材料層を形成する第1工程と、金属から構成された金属層を抵抗材料層の上に接した状態で形成する第2工程と、第1領域における抵抗材料層の上に、コレクタ層を備えるバイポーラトランジスタを形成する第3工程と、第1領域においてコレクタ層に接続するサブコレクタ層、および第1領域とは異なる第2領域の範囲の一部の第3領域に配置される配線を、金属層をパターニングして形成する第4工程と、サブコレクタ層および配線を形成した後で、第2領域において配線に接続する抵抗素子を、抵抗材料層をパターニングして形成する第5工程とを備える。
上記集積回路の製造方法において、基板は、バイポーラトランジスタを構成する半導体より高い放熱性を備える材料から構成すればよい。
上記集積回路の製造方法において、金属は、金から構成するとよい。
上記集積回路の製造方法において、抵抗材料は、タングステンを含んだ材料から構成するとよい。
以上説明したように、本発明によれば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタより基板の側に配置している抵抗材料層より抵抗素子を構成するので、熱伝導率の高い基板の上にヘテロ接合バイポーラトランジスタおよび抵抗素子を集積させた集積回路の製造工程が、より短くできるという優れた効果が得られる。
図1は、本発明の実施の形態における集積回路の構成を示す断面図である。 図2Aは、本発明の実施の形態おける集積回路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図2Bは、本発明の実施の形態おける集積回路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図2Cは、本発明の実施の形態おける集積回路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図2Dは、本発明の実施の形態おける集積回路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図2Eは、本発明の実施の形態おける集積回路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図3Aは、本発明の実施の形態おける集積回路の他の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図3Bは、本発明の実施の形態おける集積回路の他の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図3Cは、本発明の実施の形態おける集積回路の他の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図3Dは、本発明の実施の形態おける集積回路の他の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。 図4は、従来の集積回路の構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態おける集積回路について図1を参照して説明する。この集積回路は、基板101と、基板101の上に形成された抵抗材料層102と、抵抗材料層102の上に形成された金属層103と、基板101の上に形成されたバイポーラトランジスタ104と、基板101の上に形成された抵抗素子105とを備える。
抵抗材料層102は、後述する抵抗素子105を構成するための抵抗材料から構成されたものであり、例えば、WSiNなどのタングステンを含む材料などから構成されている。また、抵抗材料層102は、各々独立した第1領域151および第2領域152に形成されている。
金属層103は、Auなどの金属から構成され、抵抗材料層102の上に接して形成されている。また、金属層103は、第1領域151と、第2領域152の中の一部の第3領域153に形成されている。また、実施の形態では、金属層103は、第2領域152の中の一部の第4領域154にも形成されている。第3領域153は、第2領域152より小さい面積で、第2領域152の領域内に形成されている。
バイポーラトランジスタ104は、第1領域151に形成されている。バイポーラトランジスタ104は、サブコレクタ層107、コレクタ層108、ベース層109,エミッタ層110、エミッタキャップ層111を備えている。また、エミッタキャップ層111の上には、エミッタ電極112が形成され、エミッタ層110の周囲のベース層109の上には、ベース電極113が形成されている。また、サブコレクタ層107は、第1領域151における金属層103から構成されている。バイポーラトランジスタ104は、公知の化合物半導体から構成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタである。
抵抗素子105は、第2領域152における抵抗材料層102から構成されている。なお、サブコレクタ層107の下には、第1領域151における抵抗材料層102から構成された抵抗層102aが形成されている。また、配線106は、第3領域153における金属層103からなり、抵抗素子105の一端に接続している。また、実施の形態では、抵抗素子105の他端に、配線116が接続している。配線116は、第4領域154における抵抗材料層102から構成されている。
また、実施の形態では、バイポーラトランジスタ104、抵抗素子105、配線106、および配線116を覆って形成された層間絶縁膜115を備える。また、層間絶縁膜115の上には、層間絶縁膜115に形成されている貫通孔を介し、エミッタ電極112および配線106に接続する接続配線117が形成されている。また、層間絶縁膜115の上には、層間絶縁膜115に形成されている貫通孔を介し、配線116に接続する引き出し配線118が形成されている。
次に、本発明の実施の形態における集積回路の製造方法について、図2A〜図2Eを参照して説明する。
まず、図2Aに示すように、InPやGaAsなどの化合物半導体からなる成長基板201を用意し、成長基板201の上に、第1半導体層202、第2半導体層203、第3半導体層204、第4半導体層205、第5半導体層206を順次に形成する。
第1半導体層202は、成長基板201の側をInGaAsの層から構成し、第2半導体層203の側をInPの層から構成する。第1半導体層202は、エッチング停止のための層である。第2半導体層203は、エミッタキャップ層とする層であり、例えば、高濃度にn型ドープされたInGaAsから構成する。第3半導体層204は、エミッタ層とする層であり、例えばInPから構成する。第4半導体層205は、ベース層とする層であり、例えば、高濃度にp型ドープされたInGaAsから構成する。第5半導体層206は、コレクタ層とする層であり、例えばInPから構成する。これらは、よく知られた有機金属気相成長法により、順次にエピタキシャル成長させることで形成すればよい。
また、第5半導体層206に上に、第1金属層103aを形成する。第1金属層103aは、サブコレクタ層107とするための層であり、例えば、AuまたはAuの合金から構成する。また、第1金属層103aは、複数の種類の金属による合金から構成してもよく、複数の金属による多層膜でも良い。特に、コレクタ層となる第5半導体層206に接する側は、半導体と良好なコンタクト特性が得られる材料から構成するとよく、例えば、チタンや、白金、タングステン、モリブデンやそれらが含まれる合金から構成するとよい。一方、第1金属層103aの表面側は、後述する貼り合わせのための面(貼り合わせ面)となるため、良好な密着性が得られやすいAuやAuの合金から構成するとよい。第1金属層103aは、スパッタリング法もしくは真空蒸着法により形成すればよい。
一方、図2Bに示すように、基板101の上に、抵抗材料層102を形成する(第1工程)。基板101は、高抵抗で熱伝導率が高いSiやSiCから構成する。基板101は、バイポーラトランジスタを構成する半導体より高い放熱性(熱伝導率)を有した材料から構成すればよい。抵抗材料層102は、WSiNなどのタングステンを含む材料を、スパッタリング法などにより堆積することで形成すればよい。
次に、抵抗材料層102の上に接して第2金属層103bを形成する。第2金属層103bは、第1金属層103aと同様であり、AuやAuの合金から構成するとよい。特に、貼り合わせ面となる表面側は、良好な密着性が得られやすいAuやAuの合金から構成するとよい。
次に、図2Cに示すように、第1金属層103aと第2金属層103bとを接合することで、成長基板201と基板101とを貼り合わせる。例えば、よく知られた表面活性化接合法により、上述した接合を実施すればよい。この接合により、基板101の上には、接合した第1金属層103aと第2金属層103bとによる金属層103が形成された状態となる(第2工程)。
次に、成長基板201を除去する。例えば、塩酸系のエッチャントを用い、InPからなる成長基板201を選択的にエッチング除去する。このエッチング処理では、第1半導体層202の成長基板201の側のInGaAsの層が、エッチング停止層として機能する。なお、よく知られた研磨法などにより成長基板201を研削研磨してある程度薄くした後で、上述した選択エッチングを実施してもよい。次に、クエン酸系エッチング液を用い、第1半導体層202のInGaAsの層を選択的にエッチング除去する。このエッチングでは、第1半導体層202のInPの層がエッチング停止層となる。次に、再度、塩酸系のエッチャントを用い、第1半導体層202のInPの層を選択的にエッチング除去する。このエッチングでは、InGaAsからなる第2半導体層203がエッチング停止層となる。
次に、第1半導体層202、第2半導体層203、第3半導体層204、第4半導体層205、第5半導体層206の各々を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、図2Dに示すように、コレクタ層108、ベース層109,エミッタ層110、エミッタキャップ層111を形成する。各層のエッチング処理は、選択ウエットエッチング法や誘導結合プラズマ(ICP)エッチング法などを用いればよい。また、エミッタ電極112、ベース電極113を形成し、バイポーラトランジスタ104を形成する(第3工程)。エミッタ電極112、ベース電極113の形成は、例えば、真空蒸着法とリフトオフ法を用いればよい。
次に、金属層103をパターニングすることで、サブコレクタ層107、配線106、および配線116を同時に形成する(第4工程)。前述したように、サブコレクタ層107は、第1領域151においてコレクタ層108に接続し、配線106は、第3領域153に配置される。
このパターニングで用いるエッチング処理では、下層の抵抗材料層102がエッチングされない十分な選択比が得られるエッチング方法を用いることが重要である。例えば、金属層103をAuから構成し、抵抗材料層102を、タングステンを主成分とした合金から構成する場合、アルゴンガスと酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、金属層103が選択的にエッチングされるようにする。また、選択ウエットエッチングを用いても良い。
以上のようにサブコレクタ層107、配線106、および配線116を形成した後で、抵抗材料層102をパターニングすることで、図2Eに示すように、第2領域152において配線106に接続する抵抗素子105を形成する(第5工程)。このパターニングで用いるエッチング処理には、例えば、よく知られた反応性イオンエッチングを用いればよい。なお、このパターニングでは、サブコレクタ層107の下に、第1領域151における抵抗材料層102から構成された抵抗層102aが形成される。
以上のように、バイポーラトランジスタ104、配線106(配線116)、および抵抗素子105を形成した後、図1に示すように、層間絶縁膜115を形成し、層間絶縁膜115の所定箇所のコンタクトホールを形成し、この後、接続配線117,引き出し配線を形成する。これらは、よく知られた半導体装置の製造方法により作製すればよい。
上述したように、実施の形態によれば、すでに抵抗材料層102が形成されている状態で、バイポーラトランジスタ104を作製するので、バイポーラトランジスタ104の素子部のみを保護するための素子保護膜を形成する必要が無く、この作製工程を省略することができる。この結果、熱伝導率の高い基板の上にヘテロ接合バイポーラトランジスタおよび抵抗素子を集積させた集積回路の製造工程を、より短くできる。
次に、本発明の実施の形態における集積回路の他の製造方法について、図3A〜図3Dを参照して説明する。
まず、図3Aに示すように、InPやGaAsなどの化合物半導体からなる成長基板201を用意し、成長基板201の上に、第1半導体層202、第2半導体層203、第3半導体層204、第4半導体層205、第5半導体層206を順次に形成する。これは、図2Aを用いて説明した製造方法と同様である。この例では、第5半導体層206に上に、金属層103を形成する。
次に、金属層103をパターニングすることで、図3Bに示すように、サブコレクタ層107、配線106、および配線116を同時に形成する。
一方、図3Cに示すように、基板101の上に、抵抗材料層102を形成する。
次に、図3Dに示すように、サブコレクタ層107、配線106、および配線116が形成されている金属層103と、抵抗材料層102とを接合することで、成長基板201と基板101とを貼り合わせる。十分な密着性が得られる場合は、このように、サブコレクタ層107、配線106、および配線116が形成されている金属層103と、抵抗材料層102とを接合すようにしてもよい。この例では、図2Bを用いて説明した第2金属層103bの形成が必要ないため、皿の工程の短縮が見込める。
次に、前述同様に、成長基板201を除去し、第1半導体層202を除去する。次に、前述同様に、第1半導体層202、第2半導体層203、第3半導体層204、第4半導体層205、第5半導体層206の各々を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、エミッタ電極112、ベース電極113を形成することで、バイポーラトランジスタ104を形成する。この例では、この段階で、すでに、サブコレクタ層107、配線106、および配線116が形成されている。
次に、前述同様に、抵抗材料層102をパターニングすることで、配線106に接続する抵抗素子105を形成し、層間絶縁膜115を形成し、層間絶縁膜115の所定箇所のコンタクトホールを形成し、この後、接続配線117,引き出し配線118を形成する。
この製造法例においても、すでに抵抗材料層102が形成されている状態で、バイポーラトランジスタ104を作製するので、バイポーラトランジスタ104の素子部のみを保護するための素子保護膜を形成する必要が無く、この作製工程を省略することができる。この結果、熱伝導率の高い基板の上にヘテロ接合バイポーラトランジスタおよび抵抗素子を集積させた集積回路の製造工程を、より短くできる。
以上に説明したように、本発明によれば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタより基板の側に配置している抵抗材料層より抵抗素子を構成するので、熱伝導率の高い基板の上にヘテロ接合バイポーラトランジスタおよび抵抗素子を集積させた集積回路の製造工程が、より短くできるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
101…基板、102…抵抗材料層、102a…抵抗層、103…金属層、104…バイポーラトランジスタ、105…抵抗素子、106…配線、107…サブコレクタ層、108…コレクタ層、109…ベース層、110…エミッタ層、111…エミッタキャップ層、112…エミッタ電極、113…ベース電極、115…層間絶縁膜、116…配線、117…接続配線、118…引き出し配線、151…第1領域、152…第2領域、153…第3領域、154…第4領域。

Claims (8)

  1. 基板の上に形成されて、各々独立した第1領域および第2領域を備え、抵抗材料から構成された抵抗材料層と、
    前記第1領域と、前記第2領域の中の一部の第3領域とにおいて、前記抵抗材料層の上に接して形成されて金属から構成された金属層と、
    前記第1領域における前記金属層をサブコレクタ層として前記サブコレクタ層の上に形成されたコレクタ層を備えるバイポーラトランジスタと、
    前記第2領域における前記抵抗材料層からなる抵抗素子と、
    前記第3領域における前記金属層からなり、前記抵抗素子に接続する配線と
    を備えることを特徴とする集積回路。
  2. 請求項1記載の集積回路において、
    前記基板は、前記バイポーラトランジスタを構成する半導体より高い放熱性を有している材料から構成されていることを特徴とする集積回路。
  3. 請求項1または2記載の集積回路において、
    前記金属は、金から構成されていることを特徴とする集積回路。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の集積回路において、
    前記抵抗材料は、タングステンを含んだ材料から構成されている特徴とする集積回路。
  5. 基板の上に抵抗材料から構成された抵抗材料層を形成する第1工程と、
    金属から構成された金属層を前記抵抗材料層の上に接した状態で形成する第2工程と、
    第1領域における前記抵抗材料層の上に、コレクタ層を備えるバイポーラトランジスタを形成する第3工程と、
    前記第1領域において前記コレクタ層に接続するサブコレクタ層、および前記第1領域とは異なる第2領域の範囲の一部の第3領域に配置される配線を、前記金属層をパターニングして形成する第4工程と、
    前記サブコレクタ層および前記配線を形成した後で、前記第2領域において前記配線に接続する抵抗素子を、前記抵抗材料層をパターニングして形成する第5工程と
    を備えることを特徴とする集積回路の製造方法。
  6. 請求項5記載の集積回路の製造方法において、
    前記基板は、前記バイポーラトランジスタを構成する半導体より高い放熱性を備える材料から構成することを特徴とする集積回路の製造方法。
  7. 請求項5または6記載の集積回路の製造方法において、
    前記金属は、金から構成することを特徴とする集積回路の製造方法。
  8. 請求項5〜7のいずれか1項に記載の集積回路の製造方法において、
    前記抵抗材料は、タングステンを含んだ材料から構成することを特徴とする集積回路の製造方法。
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