JP3228431B2 - Method of manufacturing collector-up structure heterojunction bipolar transistor - Google Patents

Method of manufacturing collector-up structure heterojunction bipolar transistor

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JP3228431B2
JP3228431B2 JP11678192A JP11678192A JP3228431B2 JP 3228431 B2 JP3228431 B2 JP 3228431B2 JP 11678192 A JP11678192 A JP 11678192A JP 11678192 A JP11678192 A JP 11678192A JP 3228431 B2 JP3228431 B2 JP 3228431B2
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章司 山幡
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、超高速ヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタの製造方法に関し、特にコレクタア
ップ構造のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing an ultra-high-speed heterojunction bipolar transistor, and more particularly to a method for manufacturing a heterojunction bipolar transistor having a collector-up structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】III −V族化合物半導体を用いたヘテロ
接合バイポーラトランジスタ(以下HBTと略す)は、
基本的にはメサ型構造を有する縦型トランジスタであ
り、エミッタが半導体表面側に設けられたエミッタアッ
プ構造と、コレクタが半導体表面側に設けられたコレク
タアップ構造に大別される。HBTはメサ型構造である
ためコレクタ面積の小さいコレクタアップの方がエミッ
タアップよりもベース・コレクタ接合容量CBCが小さ
い。特にエミッタアップ構造では、素子寸法が微細にな
るほどベース・エミッタ接合面積に占める外部ベースの
割合が急激に増加するため、CBCを低下させるにはコレ
クタアップ構造が圧倒的に有利である。
2. Description of the Related Art A heterojunction bipolar transistor (hereinafter abbreviated as HBT) using a group III-V compound semiconductor is known.
Basically, it is a vertical transistor having a mesa structure, and is roughly classified into an emitter-up structure in which an emitter is provided on the semiconductor surface side and a collector-up structure in which a collector is provided on the semiconductor surface side. Since the HBT has a mesa structure, the base-collector junction capacitance C BC is smaller in a collector-up with a small collector area than in an emitter-up. Especially in the emitter-up structure, the ratio of the external base element dimensions occupies the base-emitter junction area the more finely rapidly increases, it is overwhelmingly advantageous collector-up structure to reduce the C BC.

【0003】HBTの高周波特性は、真性トランジスタ
及び外部寄生効果も含めた等価回路から理解できる。超
高周波特性の性能指数は、電流利得遮断周波数fT と最
高発振周波数fmax であるが、この内fT は、少数キャ
リアがエミッタからコレクタへ流れていくときの遅延時
間と関係があり、(1)式で表される。
The high frequency characteristics of the HBT can be understood from an equivalent circuit including an intrinsic transistor and an external parasitic effect. The figure of merit of the ultra-high frequency characteristic is a current gain cutoff frequency f T and a maximum oscillation frequency f max , wherein f T is related to a delay time when minority carriers flow from the emitter to the collector, It is expressed by the expression 1).

【数1】 fT =1/(2π・τEC) =1/2π〔rE (CBE+CBC)+(RE +RC )CBC +τB +τC 〕 ………(1) ここで、rE は内部エミッタ抵抗でエミッタ電流量に依
存する。 BE はベース・エミッタ間の接合容量である。
E ,RC は端子からみた真性トランジスタへ付加する
抵抗成分であり、内部で分布しているものを合わせた等
価的な抵抗である。τB ,τC はそれぞれベース,コレ
クタ走行時間で、主にベース,エミッタ各層の構造,
, 不純物濃度で決定されるので、エミッタアップでも
コレクタアップでもその値は構造にほとんど関係しな
い。結局、構造に依存する成分は(1)式の第2項のみ
であり、RE ,RC は構造の対称性から差はなく、CBC
が圧倒的に小さいコレクタアップ構造が遅延時間の縮
小、fT の増大に有利であることがわかる。
F T = 1 / (2π · τ EC ) = 1 / 2π [r E (C BE + C BC ) + ( RE + R C ) C BC + τ B + τ C ] (1) , R E are internal emitter resistances and depend on the amount of emitter current. C BE is the junction capacitance between the base and the emitter.
R E and R C are resistance components added to the intrinsic transistor as viewed from the terminals, and are equivalent resistances including those distributed inside. τ B and τ C are the base and collector transit times, respectively, and are determined mainly by the structure , film thickness , and impurity concentration of each of the base and emitter layers. After all, the component dependent on the structure is only the second term of equation (1), R E, R C is no difference from the symmetry of the structure, C BC
Overwhelmingly small collector-up structure is reduced delay time, which is advantageous to an increase in f T.

【0004】一方、fmax は、(2)式で表されるよう
にベース抵抗RB ,CBCに大きく依存している。
On the other hand, f max greatly depends on the base resistances R B and C BC as expressed by equation (2).

【数2】 fmax =(fT /8πRB BC1/2 ………(2) B は内部真性ベースのシート抵抗,外部ベースのシー
ト抵抗とコンタクト抵抗で決まり、エミッタアップでも
コレクタアップでも構造上差はない。従って、CBCの小
さいコレクタアップ構造の方がfmax の増大に極めて有
利である。これに加えて、コレクタアップ構造は、エミ
ッタを半導体基板側に設けることができるため、集積化
や実装上問題になる表面配線等の影響が少ないという利
点も有する。
F max = (f T / 8πR B C BC ) 1/2 (2) R B is determined by the sheet resistance of the internal intrinsic base, the sheet resistance of the external base, and the contact resistance. There is no structural difference in the up. Therefore, a collector-up structure with a small C BC is extremely advantageous for increasing f max . In addition to this, the collector-up structure has an advantage that the emitter can be provided on the semiconductor substrate side, so that there is little influence of surface wiring or the like which poses a problem in integration and mounting.

【0005】このように、コレクタアップ構造は、超高
速化,高集積化に優れており、また、fmax が高いこと
からパワー用トランジスタとして期待できるが、前述し
たようにエミッタ面積がコレクタ面積よりも大きくなっ
てしまうため、エミッタアップ構造に比べて電流増幅率
が低くなってしまう。また、外部ベース下部に蓄積する
キャリアによりCBCが増大する問題も生じる。これらの
問題点を解決するためには、エミッタから外部ベース領
域へのキャリア注入を抑制することが第1である。例え
ば、最も研究が盛んであるn−p−n型AlGaAs/
GaAsHBTでは、Be,Mg,C等のアクセプタ不
純物を外部ベース上からイオン注入することによりワイ
ドバンドギャップエミッタ層中にP−N接合を形成し、
真性トランジスタ部分のヘテロP−N接合との障壁電位
の差を利用して、外部エミッタ・ベース接合へのキャリ
ア注入を抑制することができる。
As described above, the collector-up structure is excellent in ultra-high speed and high integration, and can be expected as a power transistor because of its high f max. However, as described above, the emitter area is larger than the collector area. Therefore, the current amplification factor is lower than that of the emitter-up structure. Further, also occurs a problem that C BC is increased by carriers stored in the external base lower. In order to solve these problems, it is first necessary to suppress carrier injection from the emitter to the external base region. For example, npn-type AlGaAs /
In a GaAs HBT, a PN junction is formed in a wide band gap emitter layer by ion-implanting an acceptor impurity such as Be, Mg, or C from an external base.
By utilizing the difference in barrier potential between the intrinsic transistor portion and the hetero PN junction, carrier injection into the external emitter-base junction can be suppressed.

【0006】しかしながら、AlGaAsワイドエミッ
タ中にイオン注入法で形成されたP−N接合は、エピタ
キシャル成長法により形成された接合に比べ、P−N接
合の性能指数である理想計数n値が高く、再結合電流成
分が多い。コレクタアップ構造では、外部ベース下部の
P−N接合はトランジスタ動作時には順方向にバイアス
されており、高電流密度領域では再結合電流に起因する
リーク電流が増大し、トランジスタ特性が著しく低下す
る。エミッタ・ベース接合部が順方向バイアス状態下に
あっても、トランジスタが正常動作をするためには、電
気的に絶縁化された高抵抗バリア層を外部エミッタ・ベ
ース接合中に設けることが最も有効な方策である。特
に、ワイドバンドギャップの高抵抗半導体層は、電子,
正孔いずれに対しても高いヘテロ障壁が生じており、キ
ャリア注入の抑制には効果的である。このような高抵抗
領域は、プロトンや酸素,アルゴン等の不活性ガスをイ
オン注入法で形成する方法が実用上最も簡便で、信頼性
に優れているが、とりわけ酸素イオン注入で形成した高
抵抗層が熱安定性に優れており、素子間分離に用いられ
るようになりつつある。この点に関しては、例えば、S.
J. Pearton 等による論文、〔Formation of thermally
stable high-resistivity AlGaAs by Oxygen-Implantat
ion 〕(Appl. Phys. Lett. , 52.pp.395 〜397 、198
8) において開示されている通りである。
However, a PN junction formed by ion implantation in an AlGaAs wide emitter has a higher ideal count n value, which is a figure of merit of a PN junction, than a junction formed by an epitaxial growth method. Many coupling current components. In the collector-up structure, the PN junction under the external base is forward-biased during the operation of the transistor, and in a high current density region, the leakage current due to the recombination current increases, and the transistor characteristics are remarkably deteriorated. Even if the emitter-base junction is under forward bias, it is most effective to provide an electrically insulated high resistance barrier layer in the external emitter-base junction for the transistor to operate normally. It is a measure. In particular, a high-resistance semiconductor layer having a wide band gap has electrons,
A high hetero barrier is generated for all holes, which is effective for suppressing carrier injection. In such a high resistance region, a method of forming an inert gas such as proton, oxygen, or argon by an ion implantation method is the simplest in practice and has excellent reliability. Layers have excellent thermal stability and are being used for element isolation. In this regard, for example, S.
A paper by J. Pearton et al.
stable high-resistivity AlGaAs by Oxygen-Implantat
ion] (Appl. Phys. Lett., 52.pp. 395-397, 198
As disclosed in 8).

【0007】ところで、前述したように、fmax の向上
には、CBCはもとよりRB の低減が重要であるが、酸素
イオン注入を外部ベース層を通して行うと、放射損傷に
よる欠陥によりベース抵抗RB が著しく増大し、正常な
トランジスタ動作を示さなくなる。このため、酸素イオ
ン注入後に更にp型不純物を導入し、表面濃度を高める
ことが不可欠となるが、このためには亜鉛拡散が最も有
効である。実際、酸素イオン注入後に亜鉛拡散を行うこ
とにより、かなりの程度までベース抵抗が改善され、正
常なトランジスタ動作を示すようになる。しかし、外部
ベース層に亜鉛拡散を導入しても、やはり酸素イオン注
入を行った影響は残り、RB の低減には限界がある。ま
た、亜鉛は他のp型ドーパントと比べて拡散係数が大き
く、過剰の亜鉛が真性トランジスタ領域へも拡散してし
まい、トランジスタ特性を劣化させる。従って、亜鉛拡
散は必要最低限であることが望ましい。信頼性に富み、
かつより高速のトランジスタ動作を実現させるには、亜
鉛拡散を用いないで更にRB を低減させる必要がある。
As described above, to improve f max , it is important to reduce not only C BC but also R B. However, if oxygen ion implantation is performed through an external base layer, the base resistance R due to defects due to radiation damage is reduced. B increases significantly and does not exhibit normal transistor operation. For this reason, it is essential to further introduce a p-type impurity after oxygen ion implantation to increase the surface concentration. For this purpose, zinc diffusion is most effective. Indeed, performing the zinc diffusion after the oxygen ion implantation improves the base resistance to a considerable extent, indicating normal transistor operation. However, by introducing zinc diffusion outside the base layer, the rest also influence performing oxygen ion implantation, the reduction of R B is limited. Further, zinc has a larger diffusion coefficient than other p-type dopants, and excessive zinc diffuses into the intrinsic transistor region, thereby deteriorating transistor characteristics. Therefore, it is desirable that the diffusion of zinc be the minimum necessary. Reliable,
And to thereby achieve a faster transistor operation, it is necessary to further reduce the R B without using zinc diffusion.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】以上の問題点を更に図
面を用いて具体的に説明する。図10は、酸素イオン注
入により高抵抗化したAlGaAs外部エミッタ層を形
成後、亜鉛拡散を行った高濃度p−GaAs外部ベース
層を形成した従来の典型的なコレクタアップ構造のn−
p−n型AlGaAs/GaAsHBTの断面構造図を
示したものである。半絶縁GaAs基板1上に、Siド
ープn−GaAs(Siドーピング濃度;5×1018cm
-3)バッファ層2を0.7μm、SiドープN−AlG
aAs(Siドーピング濃度;2×1018cm-3〜3×1
17、Al−As組成;0〜0.3)エミッタ層3を
0.4μm、Cドープp−GaAs(Cドーピング濃
度;2.5×1018cm-3)ベース層4を0.08μm、
Siドープn−GaAs(Siドーピング濃度;5×1
16cm-3〜2×1017)コレクタ層10を0.5μm、
Siドープn−GaAs(Siドーピング濃度;5×1
18cm-3)キャップ層11を0.1μm、それぞれ分子
線エピタキシャル成長(MBE)法により順次エピタキ
シャル成長させたウェハを用いて、酸素イオンを加速電
圧100keVで注入し、N−AlGaAs外部エミッ
タ層を高抵抗化し、更に、外部ベース層16上に亜鉛拡
散550℃、3分間開管法で行い、表面濃度を高めた。
その後、AuGe/Ni/Ti/Pt/Auのコレクタ
電極13、Ti/Pt/Auのノンアロイベース電極1
4、AuGe/Ni/Ti/Pt/Auのエミッタ電極
15を設け、素子分離を行いトランジスタを作製し
た。メサエッチング等半導体加工技術はドライエッチン
グ法を用いた。
The above problems will be further described with reference to the drawings. FIG. 10 shows an n-type conventional conventional collector-up structure in which a high-concentration p-GaAs external base layer formed by diffusion of zinc is formed after forming an AlGaAs external emitter layer having increased resistance by oxygen ion implantation.
FIG. 2 is a cross-sectional structural view of a pn-type AlGaAs / GaAs HBT. On a semi-insulating GaAs substrate 1, Si-doped n-GaAs (Si doping concentration; 5 × 10 18 cm)
-3 ) 0.7 μm buffer layer 2 and Si-doped N-AlG
aAs (Si doping concentration; 2 × 10 18 cm −3 to 3 × 1
0 17 , Al-As composition; 0 to 0.3) The emitter layer 3 is 0.4 μm, the C-doped p-GaAs (C doping concentration: 2.5 × 10 18 cm −3 ) base layer 4 is 0.08 μm,
Si-doped n-GaAs (Si doping concentration; 5 × 1
0 16 cm −3 to 2 × 10 17 ) The collector layer 10 is 0.5 μm,
Si-doped n-GaAs (Si doping concentration; 5 × 1
0 18 cm -3 ) Oxygen ions are implanted at an accelerating voltage of 100 keV by using a wafer in which the cap layer 11 is 0.1 μm and each of which is epitaxially grown by the molecular beam epitaxial growth (MBE) method, and the N-AlGaAs external emitter layer is raised. Resistance was further increased, and zinc diffusion was performed on the external base layer 16 at 550 ° C. for 3 minutes by an open tube method to increase the surface concentration.
Thereafter, a collector electrode 13 of AuGe / Ni / Ti / Pt / Au and a non-alloy base electrode 1 of Ti / Pt / Au
4, the AuGe / Ni / Ti / Pt / Au emitter electrode 15 is provided, to produce a transistor performs inter-element isolation. The semiconductor processing technology such as mesa etching uses a dry etching method.

【0009】図11は、図10で示した従来型コレクタ
アップHBTについて、素子寸法2μm×10μm、コ
レクタ電流密度2.5×104 A/cm2 におけるfT
max の酸素イオン注入ドーズ量依存性を示している。
黒丸がfT 、白丸がfmax を表している。酸素イオン注
入ドーズ量が増えるとN−AlGaAs外部エミッタ層
の高抵抗化が促進され、亜鉛拡散を行った高濃度p−G
aAs外部ベース層14へキャリア注入が抑制され、C
BCが低減されることによって、fT が増加し、注入ドー
ズ量1.5×1014cm-2でほぼfT =50GHzの値に
飽和する。一方、fmax は、このドーズ量を越えるとR
B の増大により低下し始める。
FIG. 11 shows the conventional collector-up HBT shown in FIG. 10 at f T , at an element size of 2 μm × 10 μm and a collector current density of 2.5 × 10 4 A / cm 2 .
The graph shows the dependence of f max on the dose of oxygen ion implantation dose.
Black circles represent f T and white circles represent f max . When the oxygen ion implantation dose is increased, the resistance of the N-AlGaAs external emitter layer is increased, and the high concentration p-G diffused by zinc.
Carrier injection into the aAs external base layer 14 is suppressed, and C
As BC is reduced, f T increases and saturates to a value of approximately f T = 50 GHz at an implantation dose of 1.5 × 10 14 cm −2 . On the other hand, if f max exceeds this dose, R
It starts to decrease as B increases.

【0010】図12は、Transmission Line Model (T
LM)法で求めた酸素イオン注入、亜鉛拡散を行った高
濃度p−GaAs外部ベース層14のシート抵抗RS
及びコンタクト抵抗率ρC の酸素注入ドーズ量依存性を
示している。注入ドーズ量の増幅に伴い、RS ,ρC
もに増大することが一目瞭然であり、従って、図11中
で示したfmax の注入ドーズ量1.5×1014cm-2以上
の低下は、明らかに外部ベース抵抗の増大に起因してい
ることがわかる。酸素イオン注入を行わないGaAs中
に亜鉛拡散を同条件で行うとき、RS は、260Ω/sq
となり、図11中に示した注入ドーズ量が最も少ない場
合(5×1013cm-2)でもRS はその3倍にも増大して
しまう。これ以下の注入ドーズ量では、酸素イオン注入
を導入した本来の目的である外部エミッタ・ベース接合
へのキャリア注入の抑制を充分に行うことができず、ト
ランジスタ特性の劣化を招いてしまう。結局、酸素イオ
ン注入と亜鉛拡散を用いてもその高周波特性fmax には
限界があり、コレクタアップHBTの性能を充分に引き
出すに至っていないのが現状である。
FIG. 12 shows a transmission line model (T
The sheet resistance R S of the high-concentration p-GaAs external base layer 14 subjected to oxygen ion implantation and zinc diffusion obtained by the LM) method,
The graph also shows the dependence of the contact resistivity ρ C on the oxygen implantation dose. It is evident that both R S and ρ C increase with an increase in the implantation dose. Therefore, the decrease in the implantation dose of f max of 1.5 × 10 14 cm −2 or more shown in FIG. It is apparent that this is apparently caused by an increase in the external base resistance. When zinc diffusion is performed under the same conditions in GaAs where oxygen ion implantation is not performed, R S is 260 Ω / sq.
Even when the implantation dose shown in FIG. 11 is the smallest (5 × 10 13 cm −2 ), R S increases three times as much. If the implantation dose is less than this, it is not possible to sufficiently suppress the carrier injection into the external emitter-base junction, which is the original purpose of introducing the oxygen ion implantation, and the transistor characteristics will be deteriorated. As a result, even if oxygen ion implantation and zinc diffusion are used, the high-frequency characteristics f max have a limit, and at present, the performance of the collector-up HBT has not been sufficiently brought out.

【0011】以上述べたように、従来の酸素イオン注入
によりN−AlGaAs外部エミッタ層を高抵抗化し、
亜鉛拡散で高濃度p−GaAs外部ベース層を形成する
方法では、RB の低減に限界があり、高周波特性、特に
max の向上が望めない。コレクタアップHBTのポテ
ンシャルを引き出す上でRB の改善は不可欠である。同
時に、エミッタアップ構造のHBTにおいても従来の外
部ベース層を形成する方法では、コレクタアップ構造と
同様な問題点が生ずることも明らかである。
As described above, the resistance of the N-AlGaAs external emitter layer is increased by the conventional oxygen ion implantation.
In the method of forming a high-concentration p-GaAs external base layer by diffusing zinc, there is a limit to the reduction of R B, high-frequency characteristics, can not be expected, especially the improvement of f max. Improvement of R B on pulling out the potential of the collector-up HBT is essential. At the same time, it is also apparent that the conventional method of forming the external base layer in the HBT having the emitter-up structure has the same problem as the collector-up structure.

【0012】本発明は、上記の欠点を改善するために提
案されたもので、寄生リーク電流を充分に低減し、更に
ベース抵抗の大幅な低減化により高周波特性、特にf
max の向上が図れるようなコレクタアップ構造のヘテロ
接合バイポーラトランジスタの製造方法を提供するもの
である。
The present invention has been proposed in order to improve the above-mentioned drawbacks, and it has been proposed to sufficiently reduce the parasitic leakage current and further reduce the base resistance to achieve high-frequency characteristics, especially f
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a heterojunction bipolar transistor having a collector-up structure capable of improving max .

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明は、基板上に、n型の導電型を有する第1の半
導体層からなるエミッタ層と、該エミッタ層上に形成さ
れた前記第1の半導体層よりもバンドギャップの小さい
p型の導電型を有する第2の半導体層からなるベース層
とを備えた半導体積層構造の形成において、前記ベース
層上に第1の絶縁膜を堆積し、パタニングされた第1の
フォトレジストパタンをマスクとするエッチング処理に
よって選択的に前記第1の絶縁膜を除去する工程と、前
記パタニングされた第1のフォトレジスト及び第1の絶
縁膜をマスクとするエッチング処理によって前記ベース
層の一部または全部を除去してメサ型構造を形成する工
程と、前記パタニングされた第1のフォトレジスト及び
第1の絶縁膜をマスクとする酸素イオン注入によって前
記n型の導電型を有する第1の半導体層からなるエミッ
タ層中に選択的に高抵抗領域を形成する工程と、前記第
1のフォトレジストを除去した後、前記第1の絶縁膜を
マスクとするエピタキシャル再成長法によって、超高濃
度にドーピングしたp型の導電型を有する第3の半導体
層を、前記酸素イオン注入によって高抵抗化した外部エ
ミッタ層上に前記第2の半導体層からなるベース層及び
前記第1の絶縁層に連続して接触するように選択的に、
しかも前記第1の絶縁膜と同程度の高さになるように堆
積する工程と、前記再成長した第3の半導体層からなる
外部ベース層及び前記第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を
堆積し、前記第1のフォトレジストパタンの内側になる
ように形成された開孔パタンをマスクとするエッチング
処理により、前記第2の絶縁膜を選択的に除去するとと
もに、前記第3の半導体層の内壁に一部が残存するよう
に前記第1の絶縁膜をエッチングして、前記第2の半導
体層からなる内部真性ベース層を露出させる工程と、前
記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜をマスクとするエ
ピタキシャル再成長によって、n型の導電型を有する第
4の半導体層またはアンドープの第4の半導体層からな
るコレクタ層を前記露出した第2の半導体層からなるベ
ース層上に選択的に、しかも前記第2の絶縁膜と同程度
の高さになるように堆積する工程と、前記第4の半導体
層からなるコレクタ層及び前記第2の絶縁膜上に、コレ
クタ電極を形成し、前記コレクタ電極をマスクとするエ
ッチング処理により、前記第2の絶縁膜を選択的に除去
し、前記第3の半導体層からなる外部ベース層を露出さ
せ、露出された外部ベース層上に自己整合的にベース電
極を形成する工程とを含むことを特徴とするコレクタア
ップ構造ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法
である。
According to the present invention, there is provided an emitter layer comprising a first semiconductor layer having n-type conductivity on a substrate, and an emitter layer formed on the emitter layer. A second insulating layer having a p-type second semiconductor layer having a band gap smaller than that of the first semiconductor layer; and forming a first insulating film on the base layer. Selectively removing the first insulating film by an etching process using the deposited and patterned first photoresist pattern as a mask; and removing the patterned first photoresist and the first insulating film. Removing a part or the entirety of the base layer by an etching process using a mask to form a mesa structure; and masking the patterned first photoresist and first insulating film. Selectively forming a high-resistance region in the emitter layer made of the first semiconductor layer having the n-type conductivity by oxygen ion implantation to remove the first photoresist; An epitaxially regrowth method using the first insulating film as a mask forms an ultra-highly doped third semiconductor layer having a p-type conductivity on the external emitter layer having a high resistance by the oxygen ion implantation. base layer made of the second semiconductor layer and
Selectively contacting the first insulating layer continuously ;
In addition, a step of depositing the first insulating film so as to have the same height as the first insulating film, and a second insulating film on the external base layer made of the regrown third semiconductor layer and the first insulating film deposited, by the etching process to the first photoresist pattern mask formed opening pattern so that the inside of, selectively removing then preparative said second insulating film
In particular, a portion is left on the inner wall of the third semiconductor layer.
Etching the first insulating film to expose an internal intrinsic base layer made of the second semiconductor layer; and epitaxially regrowing using the second insulating film and the first insulating film as a mask. Thus, a collector layer made of a fourth semiconductor layer having an n-type conductivity or an undoped fourth semiconductor layer is selectively formed on the exposed base layer made of the second semiconductor layer, and furthermore, the second semiconductor layer is formed. Depositing the same height as the insulating film; and forming a collector electrode on the collector layer including the fourth semiconductor layer and the second insulating film, using the collector electrode as a mask. by etching, the second insulating film is selectively removed, the third consisting of a semiconductor layer to expose the external base layer, forming a self-aligned manner the base electrode on the exposed external base layer It is a manufacturing method of the collector-up structure heterojunction bipolar transistor, which comprises a.

【0014】上記ベース抵抗に伴う問題点を解決するた
めには、N−AlGaAs外部エミッタ層を高抵抗化す
るために行う酸素イオン注入の外部ベース層に与える影
響を完全に取り除く必要がある。そのためには、高抵抗
化のための酸素イオン注入を外部ベース層を通して行う
のではなく、予め外部ベース層をエッチング処理により
除去しておき、酸素イオン注入後選択成長技術により新
たに超高濃度のp形不純物をドーピングしたGaAs層
を埋め込む。この方法により、酸素イオン注入の影響を
全く受けない外部ベース層の形成が可能になる。また、
従来のエミッタ,ベース,コレクタの順に成長させたエ
ピタキシャル結晶を用いて、上記外部ベース層の選択再
成長を行う場合、コレクタ層と外部ベース層を予めエッ
チング処理で取り除く必要があるが、この場合、コレク
タ層の厚さが増すとエッチングの制御が難しくなる。加
えて、エッチングされたコレクタメサの側面と再成長し
た外部ベースとが接触しないようにコレクタメサの側面
に設けた保護膜により内部ベースと外部ベースが連続的
に接触しない等の問題点が生ずる。一方、ベース層まで
成長させたエピタキシャル結晶を用いて同様な再成長法
を行うと、外部ベース層のみを予めエッチング処理で取
り除くだけでよいので、エッチングの制御が容易で、そ
の後の選択再成長した外部ベース層と内部ベース層の接
触も全く問題がない。
In order to solve the problem associated with the base resistance, it is necessary to completely eliminate the effect of oxygen ion implantation for increasing the resistance of the N-AlGaAs external emitter layer on the external base layer. For this purpose, instead of performing oxygen ion implantation for increasing the resistance through the external base layer, the external base layer is removed in advance by etching, and after the oxygen ion implantation, a new ultra-high concentration A GaAs layer doped with a p-type impurity is embedded. This method allows the formation of an external base layer that is completely unaffected by oxygen ion implantation. Also,
When the external base layer is selectively regrown using the conventional epitaxial crystal grown in the order of emitter, base, and collector, the collector layer and the external base layer must be removed by etching beforehand. As the thickness of the collector layer increases, it becomes difficult to control the etching. In addition, there is a problem that the inner base and the outer base do not continuously contact with each other due to the protective film provided on the side of the collector mesa so that the etched side surface of the collector mesa does not contact the regrown external base. On the other hand, when a similar regrowth method is performed using the epitaxial crystal grown up to the base layer, only the external base layer needs to be removed in advance by etching, so that the control of etching is easy, and the selective regrowth after that is performed. There is no problem in contact between the outer base layer and the inner base layer.

【0015】[0015]

【作用】本発明で形成される超高濃度外部ベースは、そ
の下のAlGaAs外部エミッタ層を高抵抗化させるた
めに行う酸素イオン注入の影響を全く受けることなく、
かつ、内部ベース層とも連続的にスムーズに接続できる
ため、真性ベース層と外部ベース間の接触抵抗を低くす
ることができる。これに加えて、コレクタ層も再成長法
でエピタキシャル成長させるために、コレクタ電極をマ
スクとした自己整合技術によりベース電極をコレクタメ
サに極めて近接して形成することが可能になり、フォト
リソグラフィ技術を用いて形成した場合よりも引出し領
域の抵抗が激減する。従って、全体のベース抵抗が従来
法に比べ飛躍的に低減する。更に、AlGaAs外部エ
ミッタ層の高抵抗化に関しては、酸素イオン注入ドーズ
量を更に増やすことが可能になり、信頼性に優れた高抵
抗層を形成することができる。これにより、高周波特
性,信頼性に優れたコレクタアップ構造のヘテロ接合バ
イポーラトランジスタの提供が可能である。
The ultra-high-concentration external base formed in the present invention is not affected by oxygen ion implantation for increasing the resistance of the underlying AlGaAs external emitter layer at all.
In addition, since the connection can also be made smoothly and continuously with the inner base layer, the contact resistance between the intrinsic base layer and the outer base can be reduced. In addition, since the collector layer is also epitaxially grown by the regrowth method, the base electrode can be formed very close to the collector mesa by the self-alignment technique using the collector electrode as a mask. The resistance of the lead-out region is drastically reduced as compared with the case where it is formed. Therefore, the overall base resistance is dramatically reduced as compared with the conventional method. Further, with respect to increasing the resistance of the AlGaAs external emitter layer, the dose of oxygen ion implantation can be further increased, and a highly reliable high resistance layer can be formed. As a result, it is possible to provide a hetero-junction bipolar transistor having a collector-up structure excellent in high-frequency characteristics and reliability.

【0016】[0016]

【実施例】以下、図面に基づき実施例について説明す
る。なお、実施例はあくまでも一つの例示であって、本
発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更あるいは改良
を行いうることは言うまでもない。図1〜図9は、本発
明によるn−p−nコレクタアップ構造HBTの製造工
程を図示したものであり、全て断面構造図を示してい
る。本実施例では、トランジスタの結晶材料として、半
絶縁性のGaAs基板上にエピタキシャル成長したAl
GaAs/GaAs半導体結晶を例にとって説明する。
An embodiment will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the embodiments are merely examples, and it is needless to say that various changes or improvements can be made without departing from the gist of the present invention. 1 to 9 illustrate a manufacturing process of an npn collector-up structure HBT according to the present invention, and all show sectional structural views. In this embodiment, as a crystal material of a transistor, Al is epitaxially grown on a semi-insulating GaAs substrate.
A description will be given by taking a GaAs / GaAs semiconductor crystal as an example.

【0017】図1は、半絶縁GaAs基板1上に、Si
ドープn−GaAs(Siドーピング濃度;5×1018
cm-3)バッファ層2を0.7μm、SiドープN−Al
GaAs(Siドーピング濃度;3×1017cm-3、Al
−As組成;0〜0.3)エミッタ層3を0.3μm、
Cドープp−GaAs(Cドーピング濃度;5×1019
cm-3)ベース層4を0.05μm有機金属熱分解(MO
CVD)法により順次エピタキシャル成長させたウェハ
全面に、第1のシリコン窒化膜(Si3 4 )5をプラ
ズマCVD法により0.15μm堆積させた後、第1の
フォトリソグラフィによりパタニングを行い、このパタ
ニングしたフォトレジスト(厚さ1.1μm程度)6を
マスクに上記Si3 4 膜5をC2 6 ガス反応イオン
エッチング(RIE)及びSF6 ガスRIEによりエッ
チングし、p−GaAsベース層4を露出させる工程を
示したものである。本実施例では、上記シリコン窒化膜
5をプラズマCVD法で堆積させるが、堆積させる半導
体層に与えるダメージがより少ない光CVD法でも堆積
可能である。本実施例では、ベース層のドーピング濃度
を高めるためにMOCVD法を用いてエピタキシャル成
長を行ったが、MOMBE法を用いることも可能であ
る。MOMBE法は、原料にガスソースを用い、MBE
法とMOCVD法の中間領域の真空度(10-5Torr前
後)で行うので、ガスソースMBE法,真空MOCVD
法,化学ビームエピタキシ(CBE)法とも呼ばれてい
る。
FIG. 1 shows that a semi-insulating GaAs substrate 1
Doped n-GaAs (Si doping concentration; 5 × 10 18)
cm -3 ) 0.7 μm buffer layer 2 and Si-doped N-Al
GaAs (Si doping concentration; 3 × 10 17 cm −3 , Al
-As composition; 0 to 0.3) 0.3 μm
C-doped p-GaAs (C doping concentration: 5 × 10 19
cm -3 ) 0.05 μm organic metal pyrolysis (MO)
After a first silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 5 is deposited by a plasma CVD method to a thickness of 0.15 μm on the entire surface of a wafer which has been sequentially epitaxially grown by a CVD method, patterning is performed by a first photolithography. The Si 3 N 4 film 5 is etched by C 2 F 6 gas reactive ion etching (RIE) and SF 6 gas RIE using the photoresist (thickness: about 1.1 μm) 6 as a mask to form the p-GaAs base layer 4. This is a view showing a step of exposing. In this embodiment, the silicon nitride film 5 is deposited by the plasma CVD method. However, the silicon nitride film 5 can be deposited by an optical CVD method that causes less damage to the semiconductor layer to be deposited. In this embodiment, the epitaxial growth is performed by using the MOCVD method in order to increase the doping concentration of the base layer. However, the MOMBE method can be used. The MOMBE method uses a gas source as a raw material,
The gas source MBE method and vacuum MOCVD method are performed at a degree of vacuum (about 10 −5 Torr) in the intermediate region between the MOCVD method and MOCVD method.
The method is also called a chemical beam epitaxy (CBE) method.

【0018】図2は、上記フォトレジスト6及び上記S
34 膜をマスクとして、露出した上記p−GaAs
ベース層4をサイドエッチング量の少ないドライエッチ
ング法で除去したのち、同じマスクで、酸素イオン注入
を行いN−AlGaAsエミッタ層3を高抵抗化し、選
択的にバリアとなる外部エミッタ層7を形成する工程を
示したものである。本実施例では、ドライエッチング法
として、電子サイクロトロン共鳴(ECR)を利用した
RIEを用いた。反応ガス塩素Cl2 で、このECR−
RIE装置を用いると、エッチングした半導体表面のダ
メージが少ないという利点がある。また、酸素イオン注
入の加速電圧はエミッタ層厚により変わるが(外部エミ
ッタ層全域に亘って高抵抗化するため)、本実施例では
100kevとする。この時の射影飛程RP は、0.1
5μm程度である。注入ドーズ量は2×1014cm-2で、
この注入条件により外部エミッタ層は、図中7で示され
るように全域に亘って高抵抗化される。注入ドーズ量
は、この値よりも多くても同様な効果が期待できる。
FIG. 2 shows the photoresist 6 and the S
Using the i 3 N 4 film as a mask, the exposed p-GaAs
After the base layer 4 is removed by a dry etching method with a small side etching amount, oxygen ions are implanted with the same mask to increase the resistance of the N-AlGaAs emitter layer 3 and selectively form the external emitter layer 7 serving as a barrier. 4 shows a process. In this embodiment, RIE using electron cyclotron resonance (ECR) is used as a dry etching method. In the reaction gas chlorine Cl 2, the ECR-
The use of the RIE apparatus has an advantage that the etched semiconductor surface is less damaged. The acceleration voltage for oxygen ion implantation varies with the thickness of the emitter layer (to increase the resistance over the entire area of the external emitter layer), but is set to 100 keV in this embodiment. R P projected range at this time, 0.1
It is about 5 μm. The implantation dose is 2 × 10 14 cm -2 ,
Under these implantation conditions, the resistance of the external emitter layer is increased over the entire area as shown by 7 in the figure. The same effect can be expected if the implantation dose is larger than this value.

【0019】図3は、フォトレジスト6を除去し、酸素
イオン注入した外部エミッタ層7の表面を洗浄した後、
MOMBE法により、トリメチルガリウム(TMG)、
As4 を成長原料として成長温度450〜550℃でC
ドープ超高濃度p−GaAs外部ベース層8を外部エミ
ッタ層7上に0.2μm再成長させる工程を示したもの
である。この場合、外部ベース層8は、ベース層4と絶
縁層5とに連続して接触するように形成される。キャリ
ア濃度の制御は、TMG供給量を一定として、As4
を制御することで行う。本実施例では、再成長の方法と
してMOMBE法を用いたが、MOCVD法を用いるこ
とも可能であり、どちらを用いても上記Si34 膜5
の上には半導体層は堆積されず、優れた選択性がある。
特に、MOMBE法では、p型ドーパントにCを用いる
ことにより正孔濃度が1×1021cm-3を越える。この点
に関しては、例えば、T. Yamada らによる論文〔Heavil
y Carbon Doped p-Type GaAsAnd GaAlAs Grown Metalor
ganic Molecular Beam Epitaxy 〕(J. Cryst. Growth.
95, p.p. 145〜149, 1989 )において開示されている
通りである。このようにGaAs中に超高濃度にドーパ
ントが導入されても、拡散係数の極めて小さいCを用い
ているのでエミッタ層、及びコレクタ層へ拡散する問題
はない。また、図中再成長させたp−GaAs外部ベー
ス層8の膜厚は、上記Si34 膜5と上記真性ベース
層4の膜厚を合わせた厚さと同程度になるように設定さ
れる。
FIG. 3 shows that after removing the photoresist 6 and cleaning the surface of the external emitter layer 7 into which oxygen ions have been implanted,
By the MOMBE method, trimethylgallium (TMG),
Using As 4 as a growth material, C at a growth temperature of 450 to 550 ° C.
This shows a step of regrowing the doped ultra-high concentration p-GaAs external base layer 8 on the external emitter layer 7 by 0.2 μm. In this case, the outer base layer 8 is insulated from the base layer 4.
It is formed so as to be in continuous contact with the edge layer 5. The control of the carrier concentration is performed by controlling the As 4 pressure while keeping the TMG supply amount constant. In this embodiment, using the MOMBE method as a method for regrowth, it is also possible to use a MOCVD method, the the Si 3 N 4 film 5 With either
No semiconductor layer is deposited on top of this and has excellent selectivity.
In particular, in the MOMBE method, the hole concentration exceeds 1 × 10 21 cm −3 by using C as the p-type dopant. In this regard, for example, a paper by T. Yamada et al. [Heavil
y Carbon Doped p-Type GaAsAnd GaAlAs Grown Metalor
ganic Molecular Beam Epitaxy] (J. Cryst. Growth.
95, pp. 145-149, 1989). Thus, even if the dopant is introduced into GaAs at an extremely high concentration, there is no problem of diffusion into the emitter layer and the collector layer because C having an extremely small diffusion coefficient is used. In addition, the thickness of the regrown p-GaAs external base layer 8 in the figure is set to be substantially the same as the combined thickness of the Si 3 N 4 film 5 and the intrinsic base layer 4. .

【0020】図4は、上記p−GaAs外部ベース層8
及びSi3 4 膜5の上に、プラズマCVD法により第
2のSi3 4 膜9を0.4μm堆積させる工程を示し
たものである。
FIG. 4 shows the p-GaAs external base layer 8.
And a step of depositing a 0.4 μm second Si 3 N 4 film 9 on the Si 3 N 4 film 5 by a plasma CVD method.

【0021】図5は、上記第2のSi34 膜9上に
ォトレジスト6のパタンの内側になる開口パタンを形成
する第2のフォトリソグラフィを行い、パタニングされ
たフォトレジストをマスクとして、第2のSi34
9及び第1のSi34 膜5の一部をC26 ガスRI
E及びSF6 ガスRIEによりエッチングし、p−Ga
As真性ベース層4を露出させる工程を示したものであ
る。このエッチングにより外部ベース層8の側壁に残さ
れた第1のSi34 膜5の横幅は、上記第2のフォト
リソグラフィとSF6 ガスRIE(等方的にエッチング
される)により、0.2μm程度になるように調整す
る。
[0021] Figure 5 is off on the second Si 3 N 4 film 9
Forming an opening pattern inside the pattern of photoresist 6
The second performs a photolithography as a mask patterned photoresist, a part of the second Si 3 N 4 film 9 and the first Si 3 N 4 film 5 C 2 F 6 gas RI to
Etching by E and SF 6 gas RIE, p-Ga
This shows a step of exposing the As intrinsic base layer 4. The lateral width of the first Si 3 N 4 film 5 left on the side wall of the external base layer 8 by this etching is set to 0.1 mm by the second photolithography and SF 6 gas RIE (isotropically etched). Adjust so as to be about 2 μm.

【0022】図6は、上記露出したp−GaAs真性ベ
ース層4上に表面を洗浄した後、MOMBE法によりト
リメチルガリウム(TMG)、AS4 を成長原料として
Siドープn−GaAsコレクタ層(ドーピング濃度3
×1016cm-3)10を0.4μm、Siドープ高濃度n
−GaAs層(ドーピング濃度5×1018cm-3)11を
0.05μm、Siドープ高濃度n−InGaAsキャ
ップ層(ドーピング濃度2×1019cm-3,In−As組
成0.6)12を0.1μmの順に再成長させる工程を
示したものである。InGaAsキャップ層12を再成
長させるときの成長温度は450℃、原料はTMG,ト
リメチルイジウム(TMI),As4 であり、ドーパン
ガスとしてジシラン(Si2 6 )を用いた。再成長の
方法は、勿論MOCVDでも可能である。一般に、再成
長したpn接合特性は再結合電流の割合が高くなるが、
GaAs中に設けられたベース・コレクタ間pn接合は
比較的良好であり、更に通常のトランジスタ動作におい
ては、ベース・コレクタ間のpn接合は逆方向にバイア
スされているので、順方向にバイアスされるベース・エ
ミッタpn接合特性に比べて再結合電流の増加はそれほ
ど重要ではない。また、パワー用トランジスタへの適用
を図るとき、コレクタ耐圧を高めるためには、コレクタ
層10の膜厚を厚くすることが不可欠であるが、この場
合、第2のSi3 4 膜9の膜厚を調整することで、第
2のSi3 4 膜9と再成長したn−InGaAsキャ
ップ層12の高さを同じ程度にすることは可能である。
[0022] Figure 6, after cleaning the surface on the p-GaAs intrinsic base layer 4 mentioned above exposed, trimethyl gallium (TMG) by MOMBE method, Si-doped n-GaAs collector layer as the growth material AS 4 (doping concentration 3
× 10 16 cm −3 ) 10 is 0.4 μm, Si-doped high concentration n
The -GaAs layer (doping concentration 5 × 10 18 cm −3 ) 11 is 0.05 μm, and the Si-doped high concentration n-InGaAs cap layer (doping concentration 2 × 10 19 cm −3 , In-As composition 0.6) 12 is 12 μm. This shows the step of regrowth in the order of 0.1 μm. The growth temperature when the InGaAs cap layer 12 was regrown was 450 ° C., the raw materials were TMG, trimethyl iridium (TMI) and As 4 , and disilane (Si 2 H 6 ) was used as a dopan gas. The method of regrowth is, of course, also possible by MOCVD. In general, the regrown pn junction characteristic has a higher recombination current ratio,
The base-collector pn junction provided in GaAs is relatively good, and in normal transistor operation, the base-collector pn junction is reverse-biased and therefore forward-biased. The increase in recombination current is not so important as compared to the base-emitter pn junction characteristics. In order to increase the collector breakdown voltage when applying to a power transistor, it is indispensable to increase the thickness of the collector layer 10. In this case, the second Si 3 N 4 film 9 is used. By adjusting the thickness, the height of the second Si 3 N 4 film 9 and the height of the regrown n-InGaAs cap layer 12 can be made approximately the same.

【0023】図7は、再成長したn−InGaAsキャ
ップ層12及び第2のSi3 4 膜9の上に第3のフォ
トリソグラフィを行い、通常のリフトオフ法によりコレ
クタ電極Ti/Pt/Au13を形成する工程を示した
ものである。本実施例では、上記コレクタ電極13が、
上記再成長したn−InGaAsキャップ層12よりも
0.3μm程度外側に広がるように第3のフォトリソグ
ラフィを行う。本実施例で用いたコレクタ電極の膜厚
は、Ti20nm,Pt20nm,Au150nmである。
FIG. 7 shows that a third photolithography is performed on the regrown n-InGaAs cap layer 12 and the second Si 3 N 4 film 9 to form a collector electrode Ti / Pt / Au 13 by a normal lift-off method. 3 shows a forming process. In this embodiment, the collector electrode 13
Third photolithography is performed so as to extend outward by about 0.3 μm from the regrown n-InGaAs cap layer 12. The film thickness of the collector electrode used in this embodiment is Ti 20 nm, Pt 20 nm, and Au 150 nm.

【0024】図8は、上記コレクタ電極13をマスクと
して、上記第2のSi3 4 膜9をC2 6 ガスRIE
及びSF6 ガスRIEによりエッチングし、超高濃度p
−GaAs外部ベース層8を露出させた後、電子ビーム
蒸着法によりベース電極Pt/Ti/Pt/Au14を
自己整合的に形成する工程を示したものである。図中に
示したように、等方的にエッチングされるSF6 −RI
Eエッチング時間を長くすることにより第2のSi3
4 膜9を横方向にエッチングし、T字形のコレクタ電極
/コレクタメサ構造を実現することで、容易にコレクタ
電極とベース電極が接触しないように自己整合的にベー
ス電極が形成可能である。本実施例で用いたベース電極
の膜、Pt10nm,Ti20nm,Pt50nm,Au15
0nmである。また、Ti/Pt/Auノンアロイベース
電極も使用可能である。
FIG. 8 shows that the collector film 13 is used as a mask to form the second Si 3 N 4 film 9 on a C 2 F 6 gas RIE.
And SF 6 gas RIE to etch ultra-high concentration p
FIG. 6 shows a step of forming a base electrode Pt / Ti / Pt / Au14 in a self-aligned manner by an electron beam evaporation method after exposing the GaAs external base layer 8; As shown in the figure, isotropically etched SF 6 -RI
By increasing the E etching time, the second Si 3 N
By etching the four films 9 in the lateral direction to realize a T-shaped collector electrode / collector mesa structure, a base electrode can be easily formed in a self-aligned manner so that the collector electrode and the base electrode do not come into contact with each other. The base electrode film used in this embodiment, Pt 10 nm, Ti 20 nm, Pt 50 nm, Au15
0 nm. Also, a Ti / Pt / Au non-alloy base electrode can be used.

【0025】図9は、第5のフォトリソグラフィを行
い、上記ベース電極14と上記コレクタ電極13の間に
ある半導体層上をフォトレジストで覆った後、ドライエ
ッチング法により外部ベース層8及び酸素イオン注入し
た高抵抗AlGaAs外部エミッタ層を除去し、n−G
aAsバッファ層2を露出させ、第6のフォトリソグラ
フィ及び通常のリフトオフ法によりエミッタ電極AuG
e/Ni/Ti/Pt/Au15を形成する工程を示し
たものである。本実施例で用いたエミッタ電極の膜厚
は、AuGe85nm,Ni15nm,Ti100nm,Pt
20nm,Au150nmである。オーミック処理を360
℃、N2 ガス雰囲気中で行う。その後、SiO2 層間絶
縁膜をプラズマCVD法で堆積させる。素子間分離を行
った後、RIEで各電極部の開孔(スルーホール)を行
い、最後に配線を施して素子製作工程は終了する。
FIG. 9 shows that the fifth photolithography is performed to cover the semiconductor layer between the base electrode 14 and the collector electrode 13 with a photoresist, and then the external base layer 8 and the oxygen ions are dry-etched. The implanted high-resistance AlGaAs external emitter layer is removed, and n-G
The aAs buffer layer 2 is exposed, and the emitter electrode AuG is formed by the sixth photolithography and the normal lift-off method.
5 shows a step of forming e / Ni / Ti / Pt / Au 15 . The thickness of the emitter electrode used in this embodiment is AuGe 85 nm, Ni 15 nm, Ti 100 nm, Pt
20 nm and Au 150 nm. 360 Ohmic treatment
C. in an N 2 gas atmosphere. Thereafter, an SiO 2 interlayer insulating film is deposited by a plasma CVD method. After separation between the elements, holes (through holes) are formed in the respective electrode portions by RIE, and wiring is finally provided to complete the element manufacturing process.

【0026】本発明では,外部AlGaAsエミッタ層
の高抵抗化を酸素イオン注入を用いて行ったが、他のド
ーパント種のイオン注入により形成された高抵抗層は、
比較的高温の再成長プロセス(500〜550℃)によ
り容易にその効果が消滅する。その理由は、酸素イオン
以外のドーパントのイオン注入により形成された高抵抗
層は、放射損傷によるダメージに起因しており、アニー
ル温度の上昇に伴いダメージが回復するためである。一
方、AlGaAs層中に酸素イオンを注入した層も放射
損傷ダメージによる高抵抗性はプロセス温度の上昇とと
もに回復するが、新たに深い準位に起因する高抵抗性を
示すようになる。この深い準位に起因する高抵抗層は、
AlGaAs層中にドープされた酸素イオンに特有なも
ので、熱安定性に断然優れており、デバイス性能はもと
よりデバイスの信頼性の面からも有効である。この点に
関しては、例えば、S. J. Pearton らによる論文、〔Fo
rmation of thethermally stable high-resistivity Al
GaAs by Oxygen Implantation〕(Appl. Phys. Lett.,
52, p.p.395〜397, 1988 )において開示されている通
りである。
In the present invention, the resistance of the external AlGaAs emitter layer is increased by oxygen ion implantation, but the high resistance layer formed by ion implantation of another dopant species is
The effect is easily extinguished by the relatively high temperature regrowth process (500-550 ° C.). The reason is that the high-resistance layer formed by ion implantation of a dopant other than oxygen ions is caused by damage due to radiation damage, and the damage is recovered as the annealing temperature increases. On the other hand, the layer in which oxygen ions are implanted in the AlGaAs layer also recovers high resistance due to radiation damage as the process temperature rises, but newly shows high resistance due to a deep level. The high resistance layer caused by this deep level
It is peculiar to oxygen ions doped in the AlGaAs layer and has excellent thermal stability. It is effective not only in device performance but also in device reliability. In this regard, for example, a paper by SJ Pearton et al., [Fo
rmation of thethermally stable high-resistivity Al
GaAs by Oxygen Implantation] (Appl. Phys. Lett.,
52, pp. 395-397, 1988).

【0027】外部エミッタ層である高抵抗AlGaAs
層(図1〜図9中7に該当する領域)は、選択再成長法
でも形成可能である。図2の工程において、フォトレジ
スト6及び第1のSi3 4 膜5をマスクとして、IC
R−RIE法を用いたドライエッチングにより、外部領
域のp−GaAsベース層4、及びN−AlGaAsエ
ミッタ層3を選択的に除去し、MOMBEまたはMOC
VD法でアンドープAlGaAs外部エミッタ層、高濃
度外部ベース層の順で再成長することで図3に示したの
と同様な構造を形成することができる。しかし、成長原
料として、トリメチルアルミニウム(TMA),TM
G,AS4 またはアルジンを用いてアンドープAlGa
As外部エミッタ層を成長させた場合、メチル基のCが
多量に結晶内に入り込みp形ドーパントの挙動を示し、
高抵抗化が難しい。また、比較的Cが入り込みずらいと
されるトリエチルアルミニウム(TEA)を用いても酸
素イオン注入法で達成できるような高抵抗AlGaAs
外部エミッタ層(シート抵抗108 Ω/sq程度)の実現
は難しい。加えて、再成長法では、アンドープAlGa
As外部エミッタ層、高濃度p−GaAs外部ベース層
の膜厚制御が難しく、簡便に、かつ均一性良く高抵抗層
が形成できる酸素イオン注入の方がスループットの向
上,信頼性の面から有利である。
High resistance AlGaAs as an external emitter layer
The layer (the region corresponding to 7 in FIGS. 1 to 9) can also be formed by the selective regrowth method. In the process shown in FIG. 2, the photoresist 6 and the first Si 3 N 4 film 5 are used as masks to form an IC.
The p-GaAs base layer 4 and the N-AlGaAs emitter layer 3 in the external region are selectively removed by dry etching using the R-RIE method,
By regrowing the undoped AlGaAs external emitter layer and the high-concentration external base layer in this order by the VD method, a structure similar to that shown in FIG. 3 can be formed. However, trimethyl aluminum (TMA), TM
Undoped AlGa using G, AS 4 or Algin
When an As external emitter layer is grown, a large amount of C of methyl group enters the crystal and shows the behavior of a p-type dopant.
It is difficult to increase resistance. In addition, even if triethylaluminum (TEA), in which C is relatively hard to enter, is made of a high-resistance AlGaAs that can be achieved by an oxygen ion implantation method.
It is difficult to realize an external emitter layer (sheet resistance of about 10 8 Ω / sq). In addition, the undoped AlGa
It is difficult to control the thickness of the As external emitter layer and the high-concentration p-GaAs external base layer, and the oxygen ion implantation that can easily and uniformly form a high-resistance layer is more advantageous in terms of improvement in throughput and reliability. is there.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、コレクタア
ップ構造AlGaAs/GaAsヘテロ接合バイポーラ
トランジスタの外部ベース領域形成において、本発明に
よれば、正孔濃度1×1021cm-3以上の超高濃度p−G
aAs外部ベース層を再成長法で、酸素イオン注入によ
り高抵抗化したAlGaAs外部エミッタ層上に堆積さ
せることで、酸素イオン注入の影響を受けない超高濃度
の外部ベース層を形成することが可能になった。特に、
外部ベース層を再成長法で形成するときの最大の課題
は、真性ベース層と連続的に接続するように、しかもコ
レクタ層とは接触しないように再成長させることである
が、本発明では、予めp−GaAsベース層まで成長さ
せたエピタキシャル結晶を用いて外部ベース層を再成長
させるため、上記問題点が解決される。しかも、再成長
のときにマスク材料として用いるSi3 4 の膜厚を調
整することにより、外部ベース層及び再成長によるコレ
クタ層の膜厚を任意に変えても、本発明で示したプロセ
ス工程を容易に実行することが可能である。この結果、
ベース電極を自己整合的に真性ベース層に極めて近接し
て形成できることになり、超高濃度外部ベースの形成と
合わせて、ベース抵抗を著しく低減できるようになり、
高いコレクタ電流密度領域での電流増幅率の改善,高周
波特性,特にfmax の向上,信頼性に優れたコレクタア
ップ構造AlGaAs/GaAsヘテロ接合のバイポー
ラトランジスタを提供することができるという効果を有
する。
As described above in detail, according to the present invention, in forming the external base region of the collector-up structure AlGaAs / GaAs heterojunction bipolar transistor, the hole concentration is 1 × 10 21 cm −3 or more. Concentration p-G
By depositing the aAs external base layer on the AlGaAs external emitter layer whose resistance has been increased by oxygen ion implantation by the regrowth method, it is possible to form an ultra-high-concentration external base layer unaffected by oxygen ion implantation. Became. In particular,
The biggest problem when forming the external base layer by the regrowth method is to regrow so as to be continuously connected to the intrinsic base layer and not to be in contact with the collector layer. Since the external base layer is regrown using the epitaxial crystal which has been grown up to the p-GaAs base layer in advance, the above problem is solved. In addition, by adjusting the film thickness of Si 3 N 4 used as a mask material at the time of regrowth, even if the film thickness of the external base layer and the collector layer by regrowth are arbitrarily changed, the process steps shown in the present invention can be performed Can be easily executed. As a result,
The base electrode can be formed in close proximity to the intrinsic base layer in a self-aligned manner, and together with the formation of the ultra-high concentration external base, the base resistance can be significantly reduced,
Improvement of the current amplification factor at high collector current density region has the effect that the high-frequency characteristics, in particular the improvement of f max, it is possible to provide a bipolar transistor the collector-up structure AlGaAs / GaAs heterojunction excellent reliability.

【0029】例えば、本発明により製造したコレクタア
ップ構造AlGaAs/GaAsHBTでは、2×10
μmの素子寸法でベース抵抗は従来例の1/20に相当
する5Ω程度に低減され、この結果fmax =200GH
が達成され、高周波特性の目覚しい向上が実現される。
本実施例では、AlGaAs/GaAsヘテロ構造材料
について説明したが、本発明は、結晶材料を選ばず、例
えばInP/InGaAs,InAlAs/InGaA
s等のIII −V族化合物半導体、及びII−VI族化合物半
導体にも適用可能である。
For example, in the collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT manufactured according to the present invention, 2 × 10
With an element size of μm, the base resistance is reduced to about 5Ω corresponding to 1/20 of the conventional example, and as a result, f max = 200 GH
Is achieved, and a remarkable improvement in high frequency characteristics is realized.
In this embodiment, an AlGaAs / GaAs heterostructure material has been described. However, the present invention does not limit the choice of crystal material, and may be, for example, InP / InGaAs, InAlAs / InGaAs.
It is also applicable to III-V group compound semiconductors such as s and II-VI group compound semiconductors.

【0030】また、本発明によるHBTの製造方法によ
れば、コレクタアップ構造HBT素子特性が格段に改善
されるため、エミッタアップ構造の素子と同時に集積化
形成を期待することができる。すなわち、本発明の製造
方法は、コレクタアップ構造にも、エミッタアップ構造
にも適用することができるため、これら2つの素子を組
合せる論理回路構成を有効に実現することができる。例
えば、両構造のトランジスタを集積化することにより、
2 L/MTL,STL,ECL/CML相当の論理回
路の性能を大幅に改善することができる。また、導電型
を反対にして構成することにより、コンプリメンタリー
構成の論理回路等も構成することができる。更に、また
PINフォトダイオード,APD等の受光素子や、LE
D,レーザダイオード等の発光素子と集積化構成をする
ことにより、光電子集積回路(OEIC)の製造方法に
も適用することができる。更にまた、本発明によるHB
Tの製造方法によってこれらのHBTを並列化構成する
ことによって超高周波高出力のパワーバイポーラトラン
ジスタを実現することもできる。
Further, according to the method of manufacturing an HBT according to the present invention, since the characteristics of the HBT device having the collector-up structure are remarkably improved, it is possible to expect the integrated formation at the same time as the device having the emitter-up structure. That is, since the manufacturing method of the present invention can be applied to both the collector-up structure and the emitter-up structure, a logic circuit configuration combining these two elements can be effectively realized. For example, by integrating transistors of both structures,
The performance of a logic circuit equivalent to I 2 L / MTL, STL, ECL / CML can be greatly improved. Further, by configuring the conductivity type to be opposite, a logic circuit or the like having a complementary configuration can also be configured. Further, light receiving elements such as PIN photodiodes and APDs, and LEs
By integrating with a light emitting element such as a laser diode or a laser diode, the present invention can be applied to a method of manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC). Furthermore, the HB according to the invention
By superposing these HBTs in parallel according to the manufacturing method of T, it is possible to realize a power bipolar transistor having an ultra-high frequency and high output.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 1 is an element cross-sectional structure diagram showing a manufacturing process of an npn-type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図2】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 2 is an element cross-sectional view showing a manufacturing process of an npn-type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図3】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 3 is a cross-sectional structural view of an element showing a manufacturing process of an npn-type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図4】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 4 is an element cross-sectional view showing a manufacturing process of an npn-type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図5】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 5 is a cross-sectional structural view of a device showing a manufacturing process of an npn-type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図6】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 6 is a sectional view showing an element in a manufacturing process of an npn-type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図7】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 7 is an element cross-sectional structure diagram showing a manufacturing process of an npn-type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図8】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 8 is an element cross-sectional view showing a manufacturing process of an npn-type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図9】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 9 is an element cross-sectional view showing a manufacturing process of an npn-type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図10】従来の典型的なn−p−n型コレクタアップ
構造AlGaAs/GaAsHBTの素子断面構造図で
ある。
FIG. 10 is a cross-sectional structural view of a conventional typical npn type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT.

【図11】素子寸法2μm×10μmの従来の典型的な
コレクタアップ構造HBTにおける電流利得遮断周波数
T (GHz)と最高発振周波数fmax (GHz)の酸
素イオン注入ドーズ量依存性を示した特性図である。
FIG. 11 is a characteristic showing the dependency of the current gain cutoff frequency f T (GHz) and the maximum oscillation frequency f max (GHz) on the oxygen ion implantation dose in a conventional typical collector-up structure HBT having an element size of 2 μm × 10 μm. FIG.

【図12】酸素イオン注入後亜鉛拡散を行った外部ベー
スに相当するCドープp型GaAs層のTLM法から求
めたシート抵抗RS とコンタクト抵抗率ρC の酸素イオ
ン注入ドーズ量依存性を示した特性図である。
FIG. 12 shows the dependence of the sheet resistance R S and the contact resistivity ρ C of the C-doped p-type GaAs layer corresponding to the external base, which was subjected to zinc diffusion after oxygen ion implantation, on the oxygen ion implantation dose, as determined by the TLM method. FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半絶縁性GaAs基板 2 Siドープn型GaAsバッファ層 3 SiドープN型AlGaAsエミッタ層 4 Cドープp型GaAsベース層 5 第1のプラズマCVDシリコン窒化膜(Si
3 4 ) 6 フォトレジスト 7 酸素イオン注入により高抵抗化したAlGaAs外
部エミッタ領域 8 選択再成長した超高濃度p−GaAs外部ベース層 9 第2のプラズマCVDシリコン窒化膜(Si
3 4 ) 10 選択再成長したSiドープn型GaAsコレクタ
層 11 選択再成長した高濃度SiドープGaAsキャッ
プ層 12 選択再成長した高濃度SiドープInGaAsキ
ャップ層 13 Ti/Pt/Auコレクタ電極 14 Pt/Ti/Pt/Auベース電極 15 AuGe/Ni/Ti/Pt/Auエミッタ電極 16 亜鉛拡散を行った高濃度p−GaAs外部ベース
Reference Signs List 1 semi-insulating GaAs substrate 2 Si-doped n-type GaAs buffer layer 3 Si-doped N-type AlGaAs emitter layer 4 C-doped p-type GaAs base layer 5 first plasma CVD silicon nitride film (Si
3 N 4 ) 6 Photoresist 7 AlGaAs external emitter region whose resistance is increased by oxygen ion implantation 8 Ultra-high concentration p-GaAs external base layer selectively regrown 9 Second plasma CVD silicon nitride film (Si
3 N 4 ) 10 Selectively regrown Si-doped n-type GaAs collector layer 11 Selectively regrown high-concentration Si-doped GaAs cap layer 12 Selectively regrown high-concentration Si-doped InGaAs cap layer 13 Ti / Pt / Au collector electrode 14 Pt / Ti / Pt / Au base electrode 15 AuGe / Ni / Ti / Pt / Au emitter electrode 16 High concentration p-GaAs external base layer with zinc diffusion

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−251660(JP,A) 特開 昭63−263761(JP,A) 特開 昭63−16665(JP,A) 特開 昭62−47158(JP,A) 特開 昭62−18762(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/737 H01L 21/331 H01L 29/205 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-1-251660 (JP, A) JP-A-63-263761 (JP, A) JP-A-63-16665 (JP, A) JP-A-62 47158 (JP, A) JP-A-62-18762 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 29/737 H01L 21/331 H01L 29/205

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に、n型の導電型を有する第1の
半導体層からなるエミッタ層と、該エミッタ層上に形成
された前記第1の半導体層よりもバンドギャップの小さ
いp型の導電型を有する第2の半導体層からなるベース
層とを備えた半導体積層構造の形成において、 前記ベース層上に第1の絶縁膜を堆積し、パタニングさ
れた第1のフォトレジストパタンをマスクとするエッチ
ング処理によって選択的に前記第1の絶縁膜を除去する
工程と、 前記パタニングされた第1のフォトレジスト及び第1の
絶縁膜をマスクとするエッチング処理によって前記ベー
ス層の一部または全部を除去してメサ型構造を形成する
工程と、 前記パタニングされた第1のフォトレジスト及び第1の
絶縁膜をマスクとする酸素イオン注入によって前記n型
の導電型を有する第1の半導体層からなるエミッタ層中
に選択的に高抵抗領域を形成する工程と、 前記第1のフォトレジストを除去した後、前記第1の絶
縁膜をマスクとするエピタキシャル再成長法によって、
超高濃度にドーピングしたp型の導電型を有する第3の
半導体層を、前記酸素イオン注入によって高抵抗化した
外部エミッタ層上に前記第2の半導体層からなるベース
及び前記第1の絶縁層に連続して接触するように選択
的に、しかも前記第1の絶縁膜と同程度の高さになるよ
うに堆積する工程と、 前記再成長した第3の半導体層からなる外部ベース層及
び前記第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を堆積し、前記第
1のフォトレジストパタンの内側になるように形成され
開孔パタンをマスクとするエッチング処理により、前
記第2の絶縁膜を選択的に除去するとともに、前記第3
の半導体層の内壁に一部が残存するように前記第1の絶
縁膜をエッチングして、前記第2の半導体層からなる内
部真性ベース層を露出させる工程と、 前記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜をマスクとする
エピタキシャル再成長によって、n型の導電型を有する
第4の半導体層またはアンドープの第4の半導体層から
なるコレクタ層を前記露出した第2の半導体層からなる
ベース層上に選択的に、しかも前記第2の絶縁膜と同程
度の高さになるように堆積する工程と、 前記第4の半導体層からなるコレクタ層及び前記第2の
絶縁膜上に、コレクタ電極を形成し、前記コレクタ電極
をマスクとするエッチング処理により、前記第2の絶縁
膜を選択的に除去し、前記第3の半導体層からなる外部
ベース層を露出させ、露出された外部ベース層上に自己
整合的にベース電極を形成する工程とを含むことを特徴
とするコレクタアップ構造ヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタの製造方法。
1. An emitter layer comprising a first semiconductor layer having n-type conductivity on a substrate, and a p-type emitter having a band gap smaller than that of the first semiconductor layer formed on the emitter layer. In forming a semiconductor laminated structure including a base layer made of a second semiconductor layer having a conductivity type, a first insulating film is deposited on the base layer, and a patterned first photoresist pattern is used as a mask. Selectively removing the first insulating film by performing an etching process, and partially or entirely removing the base layer by performing an etching process using the patterned first photoresist and the first insulating film as a mask. Removing to form a mesa structure; and implanting oxygen ions using the patterned first photoresist and first insulating film as a mask. Selectively forming a high-resistance region in an emitter layer made of a first semiconductor layer having: a) removing the first photoresist and then using an epitaxial regrowth method using the first insulating film as a mask By
A third semiconductor layer having a p-type conductivity type doped with an ultra-high concentration is provided on an external emitter layer having a high resistance by the oxygen ion implantation, a base layer made of the second semiconductor layer, and the first insulating layer. Depositing selectively so as to make continuous contact with the layer and at the same height as the first insulating film; and an external base layer comprising the regrown third semiconductor layer; wherein the first insulating film by depositing a second insulating film, the etching process of the first photoresist pattern mask formed opening pattern so that the inside of the second insulating film Is selectively removed , and the third
The first insulating layer so that a part thereof remains on the inner wall of the semiconductor layer.
Etching the edge film to expose the internal intrinsic base layer made of the second semiconductor layer; and epitaxially growing again using the second insulating film and the first insulating film as a mask, thereby forming an n-type A collector layer made of a fourth semiconductor layer having a conductivity type or an undoped fourth semiconductor layer is selectively formed on the exposed base layer made of the second semiconductor layer, and at the same level as the second insulating film. A collector electrode is formed on the collector layer made of the fourth semiconductor layer and the second insulating film, and the etching process is performed using the collector electrode as a mask. a second insulating film is selectively removed, exposing the external base layer made of the third semiconductor layer, and a step of forming a self-aligned manner the base electrode on the exposed external base layer Method of manufacturing a collector-up structure heterojunction bipolar transistor according to claim.
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