JP2670118B2 - 半導体装置およびこれを用いた光電変換装置 - Google Patents
半導体装置およびこれを用いた光電変換装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体装置およびこれを用いた光電変換装置
に関するものである。
に関するものである。
［従来の技術］ 従来の半導体装置として、ヘテロバイポーラトンジス
タ（以下、ヘテロBPT）を例にとって説明する。
タ（以下、ヘテロBPT）を例にとって説明する。
従来、ヘテロBPTとしては、ベース領域がほぼ均一なS
i1-xGexにより形成され、エミッタおよびコレクタがSi
により形成されたものが知られている。また、これらは
分子線エピタキシャル法（MBE法）により作成されるの
が一般的であった。
i1-xGexにより形成され、エミッタおよびコレクタがSi
により形成されたものが知られている。また、これらは
分子線エピタキシャル法（MBE法）により作成されるの
が一般的であった。
第12図は、従来のBPTの一例を示す断面図である。図
において、１は基板、２はn+埋め込み領域、３は不純物
濃度の低いn-領域、４はベース領域となるｐ領域、５は
エミッタ領域となるn+領域、６はチャネル・ストップと
なるｎ領域、７はバイポーラトランジスタのコレクタ抵
抗を下げるためのn+領域、101,102,103,104は素子、電
極および配線をそれぞれ分離するための絶縁膜、200は
金属、シリサイド、ポリサイド等により形成された電極
である。
において、１は基板、２はn+埋め込み領域、３は不純物
濃度の低いn-領域、４はベース領域となるｐ領域、５は
エミッタ領域となるn+領域、６はチャネル・ストップと
なるｎ領域、７はバイポーラトランジスタのコレクタ抵
抗を下げるためのn+領域、101,102,103,104は素子、電
極および配線をそれぞれ分離するための絶縁膜、200は
金属、シリサイド、ポリサイド等により形成された電極
である。
ここで、基板１は、リン（Ph）、アンチモン（Sb）、
ヒ素（As）等の不純物をドープしてｎ型とされるか、あ
るいは、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Al）、ガリウム
（Ga）等の不純物をドープしてｐ型とされている。埋め
込み領域２は、必ずしもある必要はない。ベース領域４
には、ボロン（Ｂ）、ガリウム（Ga）、アルミニウム
（Al）等とゲルマニウム（Ge）がドープされている。エ
ミッタ領域５としては、低圧化学蒸着（LPCVD）等によ
り形成されたポリシリコンが用いられる。
ヒ素（As）等の不純物をドープしてｎ型とされるか、あ
るいは、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Al）、ガリウム
（Ga）等の不純物をドープしてｐ型とされている。埋め
込み領域２は、必ずしもある必要はない。ベース領域４
には、ボロン（Ｂ）、ガリウム（Ga）、アルミニウム
（Al）等とゲルマニウム（Ge）がドープされている。エ
ミッタ領域５としては、低圧化学蒸着（LPCVD）等によ
り形成されたポリシリコンが用いられる。
ベース領域５は、シリコン（Si）とゲルマニウム（G
e）の混晶により形成されている。SiとGeは、ともに同
じダイヤモンド型結晶をとり、また、ともに完全固溶体
である。このため、Si1-xGexは、すべてのＸ（０〜１）
について完全なダイヤモンド型結晶になる。禁止帯幅Eg
は、Siでは約1.1eVであり、Geでは約0.7eVである。
e）の混晶により形成されている。SiとGeは、ともに同
じダイヤモンド型結晶をとり、また、ともに完全固溶体
である。このため、Si1-xGexは、すべてのＸ（０〜１）
について完全なダイヤモンド型結晶になる。禁止帯幅Eg
は、Siでは約1.1eVであり、Geでは約0.7eVである。
第13図は、Si1-xGexの混晶比Ｘと禁止帯幅Egとの関係
を示すグラフである。図において、横幅は混晶比Ｘを示
し、縦軸は禁止帯幅Eg、伝導帯側の減少幅ΔEcおよび価
電子帯側の減少幅ΔEvを示す。第13図から分かるよう
に、Si1-xGexのおけるバンドギャップの減少はほとんど
価電子帯で起こっている。このことは、ヘテロBPTにと
っては非常に都合のよいことである。なぜなら、このこ
とにより、エミッタからの電子のベースへの注入の障壁
にならないからである。
を示すグラフである。図において、横幅は混晶比Ｘを示
し、縦軸は禁止帯幅Eg、伝導帯側の減少幅ΔEcおよび価
電子帯側の減少幅ΔEvを示す。第13図から分かるよう
に、Si1-xGexのおけるバンドギャップの減少はほとんど
価電子帯で起こっている。このことは、ヘテロBPTにと
っては非常に都合のよいことである。なぜなら、このこ
とにより、エミッタからの電子のベースへの注入の障壁
にならないからである。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、このような従来のBPTは、エミッタ領域を形
成するSi結晶とベース領域を形成するSi1-xGex共晶との
界面に電気的再結合中心となる点欠陥あるいは格子不整
による転位が発生し、このため、エミッタ−ベース接合
近傍あるいはベース−コレクタ間に欠陥が生じ、BPTの
ベース電流が増加し、電流増幅率hFEが下がるという課
題を有していた。
成するSi結晶とベース領域を形成するSi1-xGex共晶との
界面に電気的再結合中心となる点欠陥あるいは格子不整
による転位が発生し、このため、エミッタ−ベース接合
近傍あるいはベース−コレクタ間に欠陥が生じ、BPTの
ベース電流が増加し、電流増幅率hFEが下がるという課
題を有していた。
また、点欠陥あるいは転位のhFEへの影響はコレクタ
電流の低電流側で著しく大きくなり、hFEは１近くまで
減少し、場合によっては１以下となる。
電流の低電流側で著しく大きくなり、hFEは１近くまで
減少し、場合によっては１以下となる。
以下、詳細に説明する。
Si結晶とSi1-xGex混晶との界面での点欠陥あるいは転
位は、SiとSi1-xGexとの格子定数の違いが原因となって
生ずるものである。
位は、SiとSi1-xGexとの格子定数の違いが原因となって
生ずるものである。
Siの格子定数はdSiB5.43086Å、Geの格子定数はdGe＝
5.65748Åでほぼ４％の格子定数の違いがある。したが
って、Si結晶とSi1-xGex混晶の格子定数は異なる値を示
す。このため、両者の界面ではストレスが生じ、界面で
元素間の化学結合が部分的にきれる。これが点欠陥であ
り、著しい場合は、転位が発生する。
5.65748Åでほぼ４％の格子定数の違いがある。したが
って、Si結晶とSi1-xGex混晶の格子定数は異なる値を示
す。このため、両者の界面ではストレスが生じ、界面で
元素間の化学結合が部分的にきれる。これが点欠陥であ
り、著しい場合は、転位が発生する。
なお、Geの混晶比Ｘと転位が発生しない層の厚みとの
間には一定の関係がある。第14図はこの関係を示すグラ
フである。なお、このデータはMBE法によってSi基板上
にSi1-xGexを堆積した場合について調べたものである。
510℃で成長を行っているため、Si1-xGexからSiへの遷
移領域の厚さは非常に薄い。
間には一定の関係がある。第14図はこの関係を示すグラ
フである。なお、このデータはMBE法によってSi基板上
にSi1-xGexを堆積した場合について調べたものである。
510℃で成長を行っているため、Si1-xGexからSiへの遷
移領域の厚さは非常に薄い。
混晶組成Ｘが均一な層では第14図の斜線領域以下の厚
さでないと、界面に転位が発生する。
さでないと、界面に転位が発生する。
本発明は、上記ヘテロ界面で、点欠陥および転位が発
生しない半導体装置を提供するものである。
生しない半導体装置を提供するものである。
［課題を解決するための手段］ 本発明の第１の要旨は、ベース領域、コレクタ領域及
びエミッタ領域を有する半導体装置において、 シリコンの第１領域、 シリコンゲルマニウム（Si1-xGex、０＜ｘ＜１）の領
域、 シリコンの第２の領域、 前記シリコンの第１の領域と前記シリコンゲルマニウ
ムの領域との間の第１のヘテロ接合を形成する第１の傾
斜型遷移領域、及び、 前記シリコンゲルマニウムの領域と前記シリコンの第
２領域との間の第２のヘテロ接合を形成する第２の傾斜
型遷移領域、とを有し、 前記半導体装置の前記ベース領域は前記シリコンゲル
マニウム（Si1-xGex）の領域中にあり、前記シリコンの
第１領域は前記コレクタ領域を、前記シリコンの第２領
域は前記エミッタ領域をそれぞれ含み、 少なくとも前記第１のヘテロ接合は前記コレクタ領域
中もしくは前記ベース領域と前記コレクタ領域との間に
形成される空乏層中に配されていることを特徴とする半
導体装置に存在する。
びエミッタ領域を有する半導体装置において、 シリコンの第１領域、 シリコンゲルマニウム（Si1-xGex、０＜ｘ＜１）の領
域、 シリコンの第２の領域、 前記シリコンの第１の領域と前記シリコンゲルマニウ
ムの領域との間の第１のヘテロ接合を形成する第１の傾
斜型遷移領域、及び、 前記シリコンゲルマニウムの領域と前記シリコンの第
２領域との間の第２のヘテロ接合を形成する第２の傾斜
型遷移領域、とを有し、 前記半導体装置の前記ベース領域は前記シリコンゲル
マニウム（Si1-xGex）の領域中にあり、前記シリコンの
第１領域は前記コレクタ領域を、前記シリコンの第２領
域は前記エミッタ領域をそれぞれ含み、 少なくとも前記第１のヘテロ接合は前記コレクタ領域
中もしくは前記ベース領域と前記コレクタ領域との間に
形成される空乏層中に配されていることを特徴とする半
導体装置に存在する。
本発明の第２の要旨は、前記Ｘが0.0625以上0.375以
下である上記第１の要旨をなす半導体装置に存在する。
下である上記第１の要旨をなす半導体装置に存在する。
本発明の第３の要旨は、前記シリコンゲルマニウムの
領域はゲルマニウム原子のイオン注入により形成されて
いる上記第１の要旨をなす半導体装置に存在する。
領域はゲルマニウム原子のイオン注入により形成されて
いる上記第１の要旨をなす半導体装置に存在する。
本発明の第４の要旨は、前記エミッタ領域及びコレク
タ領域はｎ型である上記第１の要旨をなす半導体装置に
存在する。
タ領域はｎ型である上記第１の要旨をなす半導体装置に
存在する。
本発明の第５の要旨は、上記第１乃至第４の要旨の何
れかをなす半導体装置の前記ベース領域を光入射領域と
して利用することを特徴とする光電変換装置に存在す
る。
れかをなす半導体装置の前記ベース領域を光入射領域と
して利用することを特徴とする光電変換装置に存在す
る。
［作用］ 本発明によれば、従来問題とされていた、エミッタ領
域を形成するSiとベース領域を形成するSi1-xGexとのヘ
テロ界面の点欠陥あるいは転位の発生を防ぐことがで
き、電流増幅率hFEおよび周波数fTを大きくすることが
できる。
域を形成するSiとベース領域を形成するSi1-xGexとのヘ
テロ界面の点欠陥あるいは転位の発生を防ぐことがで
き、電流増幅率hFEおよび周波数fTを大きくすることが
できる。
本発明においてはエミッタをSiとし、ベースをSi1-xG
exとしてから、SiのバンドギャップEgを基準として、Si
1-xGexはEg′＝Eg−ΔEgとなりΔEgだけバンドギャップ
が狭くなる。本発明のBPTでのベース電流、コレクター
電流の解析的理論式は次のようになる（ただし、エミッ
タの先は金属でコンタクトする）。
exとしてから、SiのバンドギャップEgを基準として、Si
1-xGexはEg′＝Eg−ΔEgとなりΔEgだけバンドギャップ
が狭くなる。本発明のBPTでのベース電流、コレクター
電流の解析的理論式は次のようになる（ただし、エミッ
タの先は金属でコンタクトする）。
まず、ベース電流は、主として、ベースからエミッタ
への正孔の拡散電流 JBinj＝（qni2DP/NELP） ×coth（WE/LP）［exp［VBE/kT）−１］ …（２） と、エミッタから注入された電子の再結合電流 JBrec＝（qni2Dnexp（ΔEg/kT）］ ×［−１＋cosh（WB/LN）］／［sinh（WB/LN］ ×［exp（VBE/kT）−１］ …（３） の２成分からなり、コレクタ電流は JC＝（qni2Dnexp（ΔEg/kT）］ ×［cosech（WB/LN）］ ×［exp（VBE/kT）−１］ …（４） となる。ただし、ｑは電荷、niは真性半導体電荷密度
（Si）、NEはエミッタの不純物密度、NBはベースの不純
物密度、DPは正孔の拡散係数、DNは電子の拡散係数、LP
は正孔の拡散長、（≒（DPτＰ）1/2）、LNは電子の拡
散長（≒（DNτＮ）1/2）,kはボルツマン定数、Ｔは絶
対温度、VBEはベース・エミッタ順バイアス電子、τＰ
およびτＮは正孔および電子の少数キャリア寿命であ
る。
への正孔の拡散電流 JBinj＝（qni2DP/NELP） ×coth（WE/LP）［exp［VBE/kT）−１］ …（２） と、エミッタから注入された電子の再結合電流 JBrec＝（qni2Dnexp（ΔEg/kT）］ ×［−１＋cosh（WB/LN）］／［sinh（WB/LN］ ×［exp（VBE/kT）−１］ …（３） の２成分からなり、コレクタ電流は JC＝（qni2Dnexp（ΔEg/kT）］ ×［cosech（WB/LN）］ ×［exp（VBE/kT）−１］ …（４） となる。ただし、ｑは電荷、niは真性半導体電荷密度
（Si）、NEはエミッタの不純物密度、NBはベースの不純
物密度、DPは正孔の拡散係数、DNは電子の拡散係数、LP
は正孔の拡散長、（≒（DPτＰ）1/2）、LNは電子の拡
散長（≒（DNτＮ）1/2）,kはボルツマン定数、Ｔは絶
対温度、VBEはベース・エミッタ順バイアス電子、τＰ
およびτＮは正孔および電子の少数キャリア寿命であ
る。
ここで、ΔEg/kT≫１になるとJBing≪JBrecとなり、
さらにWB≪LNとすると、hFEは、 hFE≒２（LN/WB）２ …（５） の式で決定されるようになり、ΔEgは大きくは影響しな
くなる。したがって、hFEは、（LN/WB）の値から一義的
に決まる。
さらにWB≪LNとすると、hFEは、 hFE≒２（LN/WB）２ …（５） の式で決定されるようになり、ΔEgは大きくは影響しな
くなる。したがって、hFEは、（LN/WB）の値から一義的
に決まる。
Si1-xGexの層がｐ型層より浅い場合のBPTのポテンシ
ャル図は、第８図のようになる。第８図に、エミッタ・
ベース間は順方向バイアス、ベースコレクタ間は逆方向
バイアスが印加され、ｐ型領域の途中までしかSi1-xGex
の層がないため、ベース中にΔEgの電位障壁が生じるこ
とを示した。第８図のような電位障壁ができると、まず
（４）式で示すコレクタ電流JCのexp（ΔEg/kT）の増加
分はなくなる。すなわち、第８図のＡ点における電位障
壁によりベース中を伝搬する少数キャリアが阻止され
る。障壁を越えるキャリアは、exp（−ΔEg/kT）とな
る。したがって、コレクタ電流は通常のホモ接合のBPT
と変りがないことになる。
ャル図は、第８図のようになる。第８図に、エミッタ・
ベース間は順方向バイアス、ベースコレクタ間は逆方向
バイアスが印加され、ｐ型領域の途中までしかSi1-xGex
の層がないため、ベース中にΔEgの電位障壁が生じるこ
とを示した。第８図のような電位障壁ができると、まず
（４）式で示すコレクタ電流JCのexp（ΔEg/kT）の増加
分はなくなる。すなわち、第８図のＡ点における電位障
壁によりベース中を伝搬する少数キャリアが阻止され
る。障壁を越えるキャリアは、exp（−ΔEg/kT）とな
る。したがって、コレクタ電流は通常のホモ接合のBPT
と変りがないことになる。
さらに、ベース中に注入される少数キャリアはSiに比
較して、exp（ΔEg/kT）倍になっているため、再結合電
流はホモ接合に比較して大となる。そのため、BPTのhFE
はホモ結合BPTより、小さくなってしまう。したがっ
て、Si1-xGexとSiの界面は、ベースとコレクタ接合の空
乏層中かコレクタ中にしなければならない。また、エミ
ッタとベースの空乏層の中かエミッタ側になければなら
ない。そうすれば、ベースからエミッタへ注入される少
数キャリアの拡散をヘテロ界面の障壁で阻止できる。す
なわち、SiとSi1-xGexのヘテロ界面はベースとなる領域
の中性領域にあってはならない。
較して、exp（ΔEg/kT）倍になっているため、再結合電
流はホモ接合に比較して大となる。そのため、BPTのhFE
はホモ結合BPTより、小さくなってしまう。したがっ
て、Si1-xGexとSiの界面は、ベースとコレクタ接合の空
乏層中かコレクタ中にしなければならない。また、エミ
ッタとベースの空乏層の中かエミッタ側になければなら
ない。そうすれば、ベースからエミッタへ注入される少
数キャリアの拡散をヘテロ界面の障壁で阻止できる。す
なわち、SiとSi1-xGexのヘテロ界面はベースとなる領域
の中性領域にあってはならない。
S1-xGexにおいては、Geの濃度Ｘは、 0.0625≦Ｘ≦0.375 であることが望ましい。
ベースに注入される電子の量は exp（ΔEg/kT） で表わされる。ここで、ΔEg/kT＝１であれば、ベース
に注入される電子の量は従来の2.7倍程度になり、hFEは
２倍程度になる。
に注入される電子の量は従来の2.7倍程度になり、hFEは
２倍程度になる。
したがって、充分な非破壊度を得るためには、ΔEg≧
kTであることが望ましい。常温の場合、ΔEg＞0.025eV
であるから、Geの濃度ｘ＝0.025/0.4＝0.0625となる。
したがって、Ｘは0.0625以上であることが望ましい。た
だし、低温で使用する場合は、Ｘがさらに小さくとも、
十分な特性が得られる。
kTであることが望ましい。常温の場合、ΔEg＞0.025eV
であるから、Geの濃度ｘ＝0.025/0.4＝0.0625となる。
したがって、Ｘは0.0625以上であることが望ましい。た
だし、低温で使用する場合は、Ｘがさらに小さくとも、
十分な特性が得られる。
一方、Ｘは、0.375以下であることが望ましい。
第９図は、ΔEgとfTの最大値（fTmax）との関係を表
すグラフである。第９図から分かるように、ΔEg＞0.15
eVではfTの改善はみられないので、ΔEgは0.15eV以下で
十分である。
すグラフである。第９図から分かるように、ΔEg＞0.15
eVではfTの改善はみられないので、ΔEgは0.15eV以下で
十分である。
ここで、ΔEg≦0.15eVとなるＸの値を計算すると、Ｘ
≦0.375となる。
≦0.375となる。
以上より、常温で使用する場合には、Geの濃度Ｘは、 0.0625≦Ｘ≦0.375 であることが望ましい。
本発明の半導体装置におけるGeの添加は、イオン注入
により作成することが望ましい。
により作成することが望ましい。
従来は、MBE法等で作成していたため、階段状にヘテ
ロができていた。
ロができていた。
すなわち、従来は、MBE法等により、ベースを規定す
るボロンとSi−Geの領域を同時に作成する。しかし、そ
の後、作成プロセスで熱処理すると、不純物のボロンと
Si−Geの領域が一致しなくなる。
るボロンとSi−Geの領域を同時に作成する。しかし、そ
の後、作成プロセスで熱処理すると、不純物のボロンと
Si−Geの領域が一致しなくなる。
本発明者の測定によれば、Si中のGeの拡散はきわめて
遅く、特に1000度以下ではほとんど拡散しないため測定
することができなかった。また、1000度でＤ＝３×10
-14cm3/sec程度であった。一方、第10図に示すように、
ｐ型不純物となるB,Ga,Al等の拡散係数は、Geの値に比
べてきわめて大である。第11図はGeの拡散係数を知るた
めに本発明者が取ったデータである。グラフの傾きから
拡散データを見積った結果、Geの拡散係数は、図10に示
したAsと同じ程度と考えられる。
遅く、特に1000度以下ではほとんど拡散しないため測定
することができなかった。また、1000度でＤ＝３×10
-14cm3/sec程度であった。一方、第10図に示すように、
ｐ型不純物となるB,Ga,Al等の拡散係数は、Geの値に比
べてきわめて大である。第11図はGeの拡散係数を知るた
めに本発明者が取ったデータである。グラフの傾きから
拡散データを見積った結果、Geの拡散係数は、図10に示
したAsと同じ程度と考えられる。
BPTの場合、エミッタの濃度が1017〜1021cm-3と非常
に高いので、熱処理を行うとエミッタからベース中に接
合が移動するが、ベースとコレクタの間の接合はｐ型が
Si−Geより深くなるため、BPTとしては不都合となる。
に高いので、熱処理を行うとエミッタからベース中に接
合が移動するが、ベースとコレクタの間の接合はｐ型が
Si−Geより深くなるため、BPTとしては不都合となる。
したがって、本発明の半導体装置におけるGeの添加
は、イオン注入により作成することが望ましい。
は、イオン注入により作成することが望ましい。
本発明によれば、光電変換装置のfTを向上させること
ができ、また、電流増幅率が高くなることにより非破壊
度を向上させることができる。
ができ、また、電流増幅率が高くなることにより非破壊
度を向上させることができる。
したがって、同一の素子から複数回読み出す必要があ
る場合においても補正の必要がなく、かつ、高速度の読
み取りが可能な固体撮像装置を得ることができる。
る場合においても補正の必要がなく、かつ、高速度の読
み取りが可能な固体撮像装置を得ることができる。
［実施例］ （実施例１） 本発明の１実施例として、第１図に示した構成のBPT
を、イオン注入法を用いて作成した。
を、イオン注入法を用いて作成した。
第２図は、第１図のＡ−Ａ′部の不純物分布Geの分布
の一例を示すグラフである。第４図において、横軸は深
さを示し、縦軸はGe,P,Bの不純物濃度の一例を示す。な
お、縦軸は対数表示であり、横軸は線形表示である。
の一例を示すグラフである。第４図において、横軸は深
さを示し、縦軸はGe,P,Bの不純物濃度の一例を示す。な
お、縦軸は対数表示であり、横軸は線形表示である。
リン（Ｐ）はエミッタ領域の不純物、Ｂはベース領域
の不純物であり、GeはSi1-xGexのSi中の濃度を示す。こ
こで、P,B,Geは必ずしも絶対的な関係を示していない。
の不純物であり、GeはSi1-xGexのSi中の濃度を示す。こ
こで、P,B,Geは必ずしも絶対的な関係を示していない。
なお、本実施例では不純物としてＰおよびＢを用いた
が、不純物はこれらに限るものではない。
が、不純物はこれらに限るものではない。
Siの密度は、ほぼ５×1022cm-3であるので、Ｘ＝0.1
の場合、Ge＝５×1021cm-3である。
の場合、Ge＝５×1021cm-3である。
例えば、SiO2＝200Å、Ge74が150keVでイオン注入
し、ドーズ量をGe＝５×1016cm-2とした場合、Siの表面
から700Å程度でGeのピーク値５×1021cm-3が得られ
る。
し、ドーズ量をGe＝５×1016cm-2とした場合、Siの表面
から700Å程度でGeのピーク値５×1021cm-3が得られ
る。
Geのピーク値の深さの関係は、ドーズ量と加速電圧と
の関係で一義的に決定される。また、SiとS1-xGexとの
遷移領域の厚さは、主として加速電圧とその後のプロセ
スの熱処理によって決定される。
の関係で一義的に決定される。また、SiとS1-xGexとの
遷移領域の厚さは、主として加速電圧とその後のプロセ
スの熱処理によって決定される。
エミッタとベースとの接合面（Ｅ−Ｂ面）は、Geのピ
ーク濃度付近がよい。
ーク濃度付近がよい。
Ｅ−Ｂ接合での、エミッタへの少数キャリアに対する
ベースへの少数キャリアの比γは、近似的には次式で表
すことができる。
ベースへの少数キャリアの比γは、近似的には次式で表
すことができる。
γ＝（LpDnND/WBDPNA）exp（ΔEg/kT） …（１） ND/NAはエミッタとベースのドーピング比、DN/DPはベ
ースとエミッタ中の少数キャリアの拡散係数比、WBはベ
ース幅、ΔEgはエミッタとベースのバンドギャップ減少
幅である。exp（ΔEg/kT）がＥ−Ｂ間ヘテロ接合の効果
である。ΔEg≒0.1Vとし、常温であるとすると、exp
（ΔEg/kT）≒54.5であり、またS1-xGexではΔEg≒０と
なるため、ΔEg≒ΔEvとなる。
ースとエミッタ中の少数キャリアの拡散係数比、WBはベ
ース幅、ΔEgはエミッタとベースのバンドギャップ減少
幅である。exp（ΔEg/kT）がＥ−Ｂ間ヘテロ接合の効果
である。ΔEg≒0.1Vとし、常温であるとすると、exp
（ΔEg/kT）≒54.5であり、またS1-xGexではΔEg≒０と
なるため、ΔEg≒ΔEvとなる。
通常のSiのみで構成されるBPTでは、ベース電流は、
エミッタからの電子の再結合電流JBrecとベースからエ
ミッタへの注入電流JBinjにより決まる。JB＝JBrec＋J
Binjであるから、JBrec≫JBinjの場合、hFE≒JC/JBrec
となり、ホモ結合のBPTに比べてhFEが増大する。しか
し、従来のSi1-xGexヘテロ結合BPTではストレスが多
く、かつ著しい場合は転位が生じ、S1-xGexとSiとの界
面に再結中心が多いため、過剰電流が流れ、低電流側で
はIBが増大し、ICが微小の領域ではhFEが著しく低くな
る。第３図に本発明による改善を示す。Ａが従来のHB
T、Ｂが本発明のHBTである。
エミッタからの電子の再結合電流JBrecとベースからエ
ミッタへの注入電流JBinjにより決まる。JB＝JBrec＋J
Binjであるから、JBrec≫JBinjの場合、hFE≒JC/JBrec
となり、ホモ結合のBPTに比べてhFEが増大する。しか
し、従来のSi1-xGexヘテロ結合BPTではストレスが多
く、かつ著しい場合は転位が生じ、S1-xGexとSiとの界
面に再結中心が多いため、過剰電流が流れ、低電流側で
はIBが増大し、ICが微小の領域ではhFEが著しく低くな
る。第３図に本発明による改善を示す。Ａが従来のHB
T、Ｂが本発明のHBTである。
なお、本実施例においては、Ｘは、0.5以下とするの
が好ましい。0.5を越えると良好なBPTは作製困難であ
り、また、BPTにおいては0.5以下で十分である。
が好ましい。0.5を越えると良好なBPTは作製困難であ
り、また、BPTにおいては0.5以下で十分である。
次に、本実施例のBPTの製造プロセスを示す。
（１）ｐ型あるいはｎ型基板１に、埋め込み領域（n+）
２を作製する。
２を作製する。
（２）エピタキシャル技術等によりn-領域を作製する。
（３）全面に酸化膜200Åおよび窒化膜1500Åを堆積さ
せる。
せる。
（４）窒素膜をパターニング化、エッチングすることに
より、素子分離領域101の凹部分を形成する。
より、素子分離領域101の凹部分を形成する。
（５）イオン注入により、チャンネルストップ６を形成
する。
する。
（６）上記凹部分のみを選択酸化することにより、素子
分離領域101を形成する。
分離領域101を形成する。
（７）窒化膜およびSiO2（200Å）を除去する。
（８）全面に、酸化膜102を形成する。
（９）全面にGeをイオン注入する（Ge濃度５×1016/150
keV）。Geは、酸化膜の薄い箇所にのみ侵入する。
keV）。Geは、酸化膜の薄い箇所にのみ侵入する。
（10）1100℃で１時間、アニールを行う（Ge深さxj＝0.
2μｍ）。
2μｍ）。
（11）全面にＢをイオン注入する（Ｂ濃度１×1014/5ke
V）。Ｂは、酸化膜の薄い箇所にのみ侵入する。
V）。Ｂは、酸化膜の薄い箇所にのみ侵入する。
（12）850℃で30分間アニールを行う（Ｂ深さxj＝0.1μ
ｍ）。
ｍ）。
（13）酸化膜をパターニング化、エッチングし、エミッ
タ５の部分の開口を行う。
タ５の部分の開口を行う。
（14）全面にポリシリコンの堆積行い、エミッタ５を形
成する。
成する。
（15）Ｐをイオン注入する（濃度５×1015/60keV）。
（16）アニールを行う。
（17）ポリシリコンを加工する。
（18）追加アニールを行う。
（19）SiO2103を形成する。
（20）SiO2103のコンタクト部分の開口を行う。
（21）コンタクト部分の開口に、Al−Siを堆積させる。
（22）堆積させたAl−Siを加工する。
（23）Al−Siを合金化する。
以上が本実施例の製造プロセスの概略であるが、本実
施例で最も重要であるのは、（５）に示したベース領域
の作製過程である。
施例で最も重要であるのは、（５）に示したベース領域
の作製過程である。
傾斜型遷移領域を有するヘテロ接合を作成すること
は、必ずしもイオン注入を用いなくても可能であるが、
イオン注入を用いることが望ましい。
は、必ずしもイオン注入を用いなくても可能であるが、
イオン注入を用いることが望ましい。
例えば、気相成長法であっても、傾斜型遷移領域を有
するヘテロ接合を作成することができる。この場合、例
えば、H2＋SiH2Cl2＋GeH4系等のガスを使い、GeH4のガ
ス濃度を連続的に変化させて、ベース領域を作成すれば
よい。この時、温度を900℃以下、ガス圧を100Torr以下
とし、さらに、エピ速度を500Å/min以下とすれば、い
っそう容易であろう。また、真空中でのエピタキシャル
技術でも可能であると考えられる。
するヘテロ接合を作成することができる。この場合、例
えば、H2＋SiH2Cl2＋GeH4系等のガスを使い、GeH4のガ
ス濃度を連続的に変化させて、ベース領域を作成すれば
よい。この時、温度を900℃以下、ガス圧を100Torr以下
とし、さらに、エピ速度を500Å/min以下とすれば、い
っそう容易であろう。また、真空中でのエピタキシャル
技術でも可能であると考えられる。
しかし、イオン注入法は、安定に混晶比を設定し、Ge
の濃度分布を正確に再現でき、かつ、量産性に富む点
で、他の方法に比べて非常に優れている。
の濃度分布を正確に再現でき、かつ、量産性に富む点
で、他の方法に比べて非常に優れている。
これに加えて、Siは、Geをイオン注入した後はアモル
ファス化しているため、容易に固相エンピタキシーする
ことができ、プロセスの低温化ができる。さらには、Ge
やSi中における拡散定数は小さく、1000℃以下の熱処理
工程の場合、イオン注入時のGe濃度分布がほとんど変化
しないという特徴も有している。
ファス化しているため、容易に固相エンピタキシーする
ことができ、プロセスの低温化ができる。さらには、Ge
やSi中における拡散定数は小さく、1000℃以下の熱処理
工程の場合、イオン注入時のGe濃度分布がほとんど変化
しないという特徴も有している。
このように、イオン注入によるS1-xGexの混晶の作製
は非常に多くの点ですぐれている。
は非常に多くの点ですぐれている。
なお、イオン注入時の半導体中での深さ方向Ｘに対す
る分布関数は近似的に次式で示される。
る分布関数は近似的に次式で示される。
Ｎ(Ｘ)≒(NO/2.5RP)exp(−(Ｘ−Rp)2/(ΔRP)２) …
（２） ここで、NOは単位面積当りのインプラ量、RPはピーク
になる位置、ΔRpはピークから１分散量（１σ）になる
距離である。RpおよびΔRpは加速電圧により変化する。
（２） ここで、NOは単位面積当りのインプラ量、RPはピーク
になる位置、ΔRpはピークから１分散量（１σ）になる
距離である。RpおよびΔRpは加速電圧により変化する。
以上説明したようにしてヘテロBPTを作成することに
より、ヘテロ界面での点欠陥および転位の発生を抑える
ことができ、電流増幅率hFEを大きくすることができ
た。
より、ヘテロ界面での点欠陥および転位の発生を抑える
ことができ、電流増幅率hFEを大きくすることができ
た。
（実施例２） 第４図は、本発明の他の実施例を示す図である。
本実施例に係るヘテロBPTは、エミッタが埋め込み構
造になっている点、基板１がｎ型である点および埋め込
み領域がない点で実施例１と異なる。
造になっている点、基板１がｎ型である点および埋め込
み領域がない点で実施例１と異なる。
このようなヘテロBPTにおいても、実施例１に示した
ヘテロBPTと同様、hFEを大きくすることができた。
ヘテロBPTと同様、hFEを大きくすることができた。
（実施例３） 第５図は、本発明の第３の実施例を示す図である。
本実施例に係るヘテロBPTは、n+コンタクト８が設け
られている点で、実施例１と異なる。n+コンタクト８を
設けたのは、エミッタ５のオーミック抵抗を下げるため
である。n+コンタクト８の不純物濃度としては、1019〜
1021cm-3程度が好ましい。
られている点で、実施例１と異なる。n+コンタクト８を
設けたのは、エミッタ５のオーミック抵抗を下げるため
である。n+コンタクト８の不純物濃度としては、1019〜
1021cm-3程度が好ましい。
このようなヘテロBPTにおいても、実施例１に示した
ヘテロBPTと同様、hFEを大きくすることができた。
ヘテロBPTと同様、hFEを大きくすることができた。
（実施例４） 第６図は、基板にエミッタ５を作成した例である。
このようなヘテロBPTにおいても、hFEを大きくするこ
とができた。
とができた。
（実施例５） 第７図は、本出願人が昭和62年12月21日に特許願
（２）において開示した固体撮像装置に、第１実施例に
示したヘテロBPTを用いたも場合を示す回路図である。
第７図において、Trで示した部分に、実施例１で示した
ヘテロBPTを使用した。
（２）において開示した固体撮像装置に、第１実施例に
示したヘテロBPTを用いたも場合を示す回路図である。
第７図において、Trで示した部分に、実施例１で示した
ヘテロBPTを使用した。
すなわち、本実施例では、ヘテロBPTを光電変換素子
として用いた。
として用いた。
本発明によれば、半導体装置のfT（周波数）を向上さ
せることができるので、光電変換装置に用いた場合、非
常に有効である。
せることができるので、光電変換装置に用いた場合、非
常に有効である。
光電変換装置におけるfTは読み出し速度から決まる。
現状の光電変換装置（エリアセンサ）は500×640素子
である。HD（High Division;ハイビジョン対応のエリア
センサ）では、1000×2000素子になる。現状のテレビの
動作では、水平操作時間はHT≒50μsec、水平ブランキ
ング期間HALKは、８〜10μsecであるが、これがHDにな
ると、HT3〜3.7μsec,HBLK＝26μsecとなる。水平操作
を考えると、従来、TH＝50μsec/640＝80nsecであるの
に対し、HDではTH＝26nsec/2000＝13nsecとなる。
である。HD（High Division;ハイビジョン対応のエリア
センサ）では、1000×2000素子になる。現状のテレビの
動作では、水平操作時間はHT≒50μsec、水平ブランキ
ング期間HALKは、８〜10μsecであるが、これがHDにな
ると、HT3〜3.7μsec,HBLK＝26μsecとなる。水平操作
を考えると、従来、TH＝50μsec/640＝80nsecであるの
に対し、HDではTH＝26nsec/2000＝13nsecとなる。
周波数は、少なくとも６倍以上必要となる。すなわ
ち、現状でfT≒１〜2GHZであるので、fT＞６〜16GHZ以
上必要となる。
ち、現状でfT≒１〜2GHZであるので、fT＞６〜16GHZ以
上必要となる。
また、ΔEgは，以上の理由から、0.15eV以下であるこ
とが望ましい。
とが望ましい。
次に第７図に示したエリアセンサをカラーカメラとし
て使用する場合には、同一の光電変換素子の光情報を複
数回読み出す動作を行う。この際、同一素子から複数回
読み出すために、１回目読み出し時と２回目以降の読み
出しの電気出力の比が問題となる。この値が小さくなる
と、補正が必要となる。
て使用する場合には、同一の光電変換素子の光情報を複
数回読み出す動作を行う。この際、同一素子から複数回
読み出すために、１回目読み出し時と２回目以降の読み
出しの電気出力の比が問題となる。この値が小さくなる
と、補正が必要となる。
上記１回目と２回目との読み出し出力の比を非破壊度
と定義する。
と定義する。
非破壊度は次式で表される。
非破壊度＝（Ctot×hFE）／（Ctot×hFE＋Cv） ここで、Ctotは第７図中Trで示される光電変換素子の
ベースに接続されている全容量を示し、ベース・エミッ
タ間容量Cbeとベース・コレクタ間容量CbcとCoxにより
決まる。CvはVL1・・・VLnで示される読み出し線路の浮
遊容量である。ただし、Coxは回路方式によっては存在
しない場合もある。
ベースに接続されている全容量を示し、ベース・エミッ
タ間容量Cbeとベース・コレクタ間容量CbcとCoxにより
決まる。CvはVL1・・・VLnで示される読み出し線路の浮
遊容量である。ただし、Coxは回路方式によっては存在
しない場合もある。
非破壊度はhFEを大きくすることにより容易に改善で
きる。すなわち、hFEを大きくすることにより非破壊度
を大きくすることができる。
きる。すなわち、hFEを大きくすることにより非破壊度
を大きくすることができる。
ここで、HD対応のエリアセンサでは、Ctot＝10fF,Cv
＝2.5PFであるので、例えば、非破壊度を0.90以上とす
るためには、hFEは2250以上必要となる。十分な非破壊
度を保障するためには、hFEは2000以上必要であると思
われる。
＝2.5PFであるので、例えば、非破壊度を0.90以上とす
るためには、hFEは2250以上必要となる。十分な非破壊
度を保障するためには、hFEは2000以上必要であると思
われる。
これに対して、従来、例えば、ホモ接合BPTでは、hFE
は1000程度であったため、充分な非破壊度を得ることが
できなかった。一方、本発明の半導体装置では、hFEを
十分大きくすることができるため、優れた非破壊度を得
ることができる。
は1000程度であったため、充分な非破壊度を得ることが
できなかった。一方、本発明の半導体装置では、hFEを
十分大きくすることができるため、優れた非破壊度を得
ることができる。
さらに望ましくは、非破壊度は0.98以上であるとよ
い。そのときはhFEは10000程度必要となる。従来のヘテ
ロBPTあるいはホモBPTにおいては、この値は達しえず、
本発明のヘテロBPTにおいてのみこの値は達し得ること
ができる。
い。そのときはhFEは10000程度必要となる。従来のヘテ
ロBPTあるいはホモBPTにおいては、この値は達しえず、
本発明のヘテロBPTにおいてのみこの値は達し得ること
ができる。
なお、本実施例においてはエリアセンサの場合を示し
たが、ラインセンサにも応用できることは明らかであ
る。
たが、ラインセンサにも応用できることは明らかであ
る。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、半導体装置の
S1-xGexと混晶とSiとの界面を傾斜的遷移領域を有する
ヘテロ結合にすることにより、点欠陥、転位を非常に少
なくすることができる。したがって、コレクタ電流の微
小領域で電流増幅率の著しく改善することができる。
S1-xGexと混晶とSiとの界面を傾斜的遷移領域を有する
ヘテロ結合にすることにより、点欠陥、転位を非常に少
なくすることができる。したがって、コレクタ電流の微
小領域で電流増幅率の著しく改善することができる。
また、本発明によれば、イオン注入法を用いているの
で、半導体装置の作製が非常に容易であり、優れた量産
性を確保することができる。
で、半導体装置の作製が非常に容易であり、優れた量産
性を確保することができる。
すなわち、本発明によれば、高性能の半導体装置およ
びこれを用いた光電変換装置を非常に安価に提供するこ
とができる。
びこれを用いた光電変換装置を非常に安価に提供するこ
とができる。
第１図は本発明の１実施例の係るBPTの構成を表わす断
面図、第２図は第１図のＡ−Ａ′部の不純物分布Geの一
例を示すグラフ、第３図は本発明によるBPTの特性の改
善を示す図、第４図は本発明の第２の実施例を示す図、
第５図は本発明の第３の実施例を示す図、第６図は本発
明の第４の実施例を示す図、第７図は、本発明に係る光
電変換装置を用いた固体撮像装置の回路図、第８図は従
来のヘテロBPTで問題とされた電位障壁を説明するため
の図、第９図はΔEgとfTの最大値（fTmax）との関係を
表すグラフ、第10図はｐ型不純物となるB,Ga,Al等の拡
散係数を示す図、第11図はGeの拡散係数を知るためのグ
ラフ、第12図は従来のBPTの一例を示す断面図、第13図
はS1-xGexの混晶比Ｘと禁止帯幅Egとの関係を示すグラ
フ、第14図はGeの混晶比Ｘと転位が発生しない層の厚み
との関係を示すグラフである。 １……基板、２……n+埋め込み領域、３……不純物濃度
の低いn-領域、４……ベース領域となるｐ領域、５……
エミッタ領域となるn+領域、６……チャネル・ストップ
となるｎ領域、７……バイポーラトランジスタのコレク
タ抵抗を下げるためのn+領域、101,102,103,104……素
子、電極および配線をそれぞれ分離するための絶縁膜、
200……金属、シリサイド、ポリサイド等により形成さ
れた電極。
面図、第２図は第１図のＡ−Ａ′部の不純物分布Geの一
例を示すグラフ、第３図は本発明によるBPTの特性の改
善を示す図、第４図は本発明の第２の実施例を示す図、
第５図は本発明の第３の実施例を示す図、第６図は本発
明の第４の実施例を示す図、第７図は、本発明に係る光
電変換装置を用いた固体撮像装置の回路図、第８図は従
来のヘテロBPTで問題とされた電位障壁を説明するため
の図、第９図はΔEgとfTの最大値（fTmax）との関係を
表すグラフ、第10図はｐ型不純物となるB,Ga,Al等の拡
散係数を示す図、第11図はGeの拡散係数を知るためのグ
ラフ、第12図は従来のBPTの一例を示す断面図、第13図
はS1-xGexの混晶比Ｘと禁止帯幅Egとの関係を示すグラ
フ、第14図はGeの混晶比Ｘと転位が発生しない層の厚み
との関係を示すグラフである。 １……基板、２……n+埋め込み領域、３……不純物濃度
の低いn-領域、４……ベース領域となるｐ領域、５……
エミッタ領域となるn+領域、６……チャネル・ストップ
となるｎ領域、７……バイポーラトランジスタのコレク
タ抵抗を下げるためのn+領域、101,102,103,104……素
子、電極および配線をそれぞれ分離するための絶縁膜、
200……金属、シリサイド、ポリサイド等により形成さ
れた電極。
Claims (5)
- 【請求項１】ベース領域、コレクタ領域及びエミッタ領
域を有する半導体装置において、 シリコンの第１領域、 シリコンゲルマニウム（Si1-xGex、０＜ｘ＜１）の領
域、 シリコンの第２の領域、 前記シリコンの第１の領域と前記シリコンゲルマニウム
の領域との間の第１のヘテロ接合を形成する第１の傾斜
型遷移領域、及び、 前記シリコンゲルマニウムの領域と前記シリコンの第２
領域との間の第２のヘテロ接合を形成する第２の傾斜型
遷移領域、とを有し、 前記半導体装置の前記ベース領域は前記シリコンゲルマ
ニウム（Si1-xGex）の領域中にあり、前記シリコンの第
１領域は前記コレクタ領域を、前記シリコンの第２領域
は前記エミッタ領域をそれぞれ含み、 少なくとも前記第１のヘテロ接合は前記コレクタ領域中
もしくは前記ベース領域と前記コレクタ領域との間に形
成される空乏層中に配されていることを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項２】前記Ｘが0.0625以上0.375以下である請求
項１に記載の半導体装置。 - 【請求項３】前記シリコンゲルマニウムの領域はゲルマ
ニウム原子のイオン注入により形成されている請求項１
に記載の半導体装置。 - 【請求項４】前記エミッタ領域及びコレクタ領域はｎ型
である請求項１に記載の半導体装置。 - 【請求項５】前記請求項１乃至４の何れか１項に記載の
半導体装置の前記ベース領域を光入射領域として利用す
ることを特徴とする光電変換装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63312725A JP2670118B2 (ja) | 1988-12-10 | 1988-12-10 | 半導体装置およびこれを用いた光電変換装置 |
| US07/448,211 US5159424A (en) | 1988-12-10 | 1989-12-08 | Semiconductor device having a high current gain and a higher ge amount at the base region than at the emitter and collector region, and photoelectric conversion apparatus using the device |
| EP19890312814 EP0373832A3 (en) | 1988-12-10 | 1989-12-08 | Semiconductor device and photoelectric conversion apparatus using the device |
| US08/348,073 US5691546A (en) | 1988-12-10 | 1994-11-23 | Semiconductor device having a high current gain and a higher Ge amount at the base region than at the emitter and collector regions, and photoelectric conversion apparatus using the device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63312725A JP2670118B2 (ja) | 1988-12-10 | 1988-12-10 | 半導体装置およびこれを用いた光電変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02158177A JPH02158177A (ja) | 1990-06-18 |
| JP2670118B2 true JP2670118B2 (ja) | 1997-10-29 |
Family
ID=18032670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63312725A Expired - Fee Related JP2670118B2 (ja) | 1988-12-10 | 1988-12-10 | 半導体装置およびこれを用いた光電変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2670118B2 (ja) |
-
1988
- 1988-12-10 JP JP63312725A patent/JP2670118B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02158177A (ja) | 1990-06-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |