JP3613103B2 - 半導体ウェハおよびそれを利用したヘテロバイポーラトランジスタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、超高速・大容量光通信等に用いられる半導体ウェハおよびそれを利用したヘテロバイポーラトランジスタに関し、特に電流利得が高いへテロバイポーラトランジスタおよびそれを作製するためのエピタキシャルウェハに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヘテロバイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴという）は、高効率、低歪、単一電源可能という特長を有することから、符号分割多元接続（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）等のデジタル携帯電話に用いられる出力増幅器として注目されている。
【０００３】
ＨＢＴは、エミッタ、ベース、コレクタの３部からなるエピタキシャルウェハを用いて作製される。特に、ガリウム・砒素（ＧａＡｓ）系ＨＢＴの場合、一般に、コレクタ層はｎ型のＧａＡｓ、ベース層はｐ型のＧａＡｓ、エミッタ層はｎ型のＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＰで構成される。
【０００４】
図３は、一般的なＧａＡｓ系ＨＢＴの構造を示す。
このＧａＡｓ系ＨＢＴ１は、ＧａＡｓでなる半絶縁基板１０上に、ｎ^＋ −ＧａＡｓ層でなるサブコレクタ層１１、ｎ⁻ −ＧａＡｓ層でなるコレクタ層１２、ｐ^＋ −ＧａＡｓ層でなるベース層１３、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層あるいはｎ−ＩｎＧａＰ層でなるエミッタ層１４、ｎ⁻ −ＧａＡｓ層でなるバラスト層１５、ｎ^＋ −ＧａＡｓ層でなるコンタクト層１６、ｎ^＋ −ＩｎＧａＡｓ層でなるノンアロイ層１７がこの順で形成され、サブコレクタ層１１上にコレクタ電極１８が、ベース層１３上にベース電極１９が、ノンアロイ層１７上にエミッタ電極２０がそれぞれ形成された構成となっている。
【０００５】
サブコレクタ層１１は、ｎ型の不純物としてシリカ（Ｓｉ）が添加され、キャリア濃度が通常は３×１０^１８ｃｍ^−３以上と高く、コレクタ層１２は、ｎ型不純物としてシリカ（Ｓｉ）が添加され、キャリア濃度が通常は５×１０^１６ｃｍ^−３以下と低い。ベース層１３は、ｐ型のアクセプタ不純物としてカーボン（Ｃ）やベリリウム（Ｂｅ））が添加され、キャリア濃度が通常は１×１０^１９ｃｍ^−３以上と高い。
【０００６】
一般的にＧａＡｓ系ＨＢＴ１においては、電流利得（コレクタ電流／ベース電流）βを高めて信頼性を向上させることが重要である。この電流利得βは、サブコレクタ層１１のキャリア濃度、ベース層１３の抵抗値、エピタキシャル層の結晶性等に大きく影響される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したＧａＡｓ系ＨＢＴ１では、サブコレクタ層１１のキャリア濃度の増加とともに、電流利得βが低下するという欠点がある。
図４は、ＧａＡｓ系ＨＢＴ１のサブコレクタ層１１のキャリア濃度と電流利得βとの関係を示す図である。この図から明らかなように、サブコレクタ層１１のキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３ときは電流利得βは１５１であったものが、サブコレクタ層１１のキャリア濃度の増加とともに電流利得βは低下し、サブコレクタ層１１のキャリア濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３ときは電流利得βは１０４まで下がっている。
【０００８】
半導体デバイス設計上、サブコレクタ層１１のキャリア濃度は種々考えられるが、それに応じて電流利得βが変動してしまうことは、回路設計上、大きな支障になるという問題がある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、サブコレクタ層のキャリア濃度を高めても電流利得の低下を抑えて信頼性を向上させることができる半導体ウェハおよびそれを利用したヘテロバイポーラトランジスタを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を実現するため、基板上に形成されたｎ型サブコレクタ層、ｎ型コレクタ層、ｐ型ベース層、およびｎ型エミッタ層を備え、
前記ｎ型サブコレクタ層は、カーボン（Ｃ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等から選択された少なくとも１つのアクセプタとなる不純物が添加されていることを特徴とするＧａＡｓ系半導体ウェハを提供する。さらには、前記アクセプタとなる不純物が５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上添加されていることを特徴とする前記ＧａＡｓ系半導体ウェハを提供する。
【００１１】
また、本発明は、上記目的を実現するため、基板上に形成されたｎ型サブコレクタ層、ｎ型コレクタ層、ｐ型ベース層、およびｎ型エミッタ層と、前記ｎ型サブコレクタ層に接続されたコレクタ電極、前記ｐ型ベース層に接続されたベース電極、および前記ｎ型エミッタ層に接続されたエミッタ電極を備え、前記ｎ型サブコレクタ層は、カーボン（Ｃ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等から選択された少なくとも１つのアクセプタとなる不純物が添加されていることを特徴とするＧａＡｓ系ヘテロバイポーラトランジスタを提供する。さらには、前記アクセプタとなる不純物が５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上添加されていることを特徴とする前記ＧａＡｓ系ヘテロバイポーラトランジスタを提供する。
【００１２】
上記構成によれば、高濃度のサブコレクタ層中に存在する複合欠陥が伝搬してベース層中やエミッタ層中で再結合中心となり、ベース電流を増大させ、その結果、電流利得を低下させるが、カーボン（Ｃ）のようなアクセプタ不純物を添加することにより、上記欠陥発生や欠陥伝搬を抑制することができ、電流利得の低下を防止することができ、半導体デバイスの信頼性を高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のＧａＡｓ系ＨＢＴを作製するための半導体ウェハの実施形態の構造を示す。
この半導体ウェハはＧａＡｓ系ＨＢＴを作製するためのエピタキシャルウェハ３であり、ＧａＡｓでなる半絶縁基板３０上に、ｎ^＋ −ＧａＡｓ層（３×１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３）でなる厚さ５００ｎｍのサブコレクタ層３１、ｎ⁻ −ＧａＡｓ層（２×１０^１６ｃｍ^−３）でなる厚さ５００ｎｍのコレクタ層３２、ｐ^＋ −ＧａＡｓ層（４×１０^１９ｃｍ^−３）でなる厚さ７５ｎｍのベース層３３、ｎ−Ａｌ_０．３ ＧａＡｓ層（３×１０^１７ｃｍ^−３）でなる厚さ７０ｎｍのエミッタ層３４、ｎ−Ａｌ_{０．３−０} ＧａＡｓ層（３×１０^１７ｃｍ^−３）でなる厚さ３０ｎｍのエミッタ層３５、ｎ−ＧａＡｓ層（３×１０^１７ｃｍ^−３）でなる厚さ２００ｎｍのエミッタキャップ層３６、ｎ^＋ −ＧａＡｓ層（５×１０^１８ｃｍ^−３）でなる厚さ１００ｎｍのエミッタキャップ層３７、ｎ^＋ −Ｉｎ_０ →_０．５ ＧａＡｓ層（３×１０^１９ｃｍ^−３）でなる厚さ４０ｎｍのエミッタキャップ層３８、ｎ^＋ −Ｉｎ_０．５ ＧａＡｓ層（３×１０^１９ｃｍ^−３）でなる厚さ４０ｎｍのエミッタキャップ層３９がこの順で形成された構成となっている。
【００１４】
本実施形態の特徴的な部分であるｎ^＋ −ＧａＡｓ層でなるサブコレクタ層３１には、ｎ型の不純物としてシリカ（Ｓｉ）が添加されていると同時に、カーボン（Ｃ）が添加されている。この場合、カーボン（Ｃ）はアクセプタとなるので、所定のキャリア濃度を得るために、添加したカーボン（Ｃ）濃度と同量のシリカ（Ｓｉ）を添加する必要がある。
【００１５】
このような構成のエピタキシャルウェハ３をサブコレクタ層３１のカーボン（Ｃ）濃度を変化させて複数枚作製し、それぞれを用いてＧａＡｓ系ＨＢＴを作製して電流利得βを測定し、サブコレクタ層３１のカーボン（Ｃ）濃度と電流利得βとの関係を調べた。
【００１６】
エピタキシャル成長法としては、減圧下での有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ、以下、ＭＯＶＰＥ法という）を用いた。そして、サブコレクタ層３１の成長中に、ＣＢｒ_４ ガスを流すことで、カーボン（Ｃ）を濃度が０、３×１０^１７ｃｍ^−３、５×１０^１７ｃｍ^−３、１０×１０^１７ｃｍ^−３、２０×１０^１７ｃｍ^−３となるように添加した。さらに、サブコレクタ層３１の自由電子濃度が、図４で明らかな電流利得βの低下が認められた５×１０^１８ｃｍ^−３となるように、シリカ（Ｓｉ）の添加量を調整した。
【００１７】
また、ベース層３３の成長中に、ＣＢｒ_４ ガスを流すことで、カーボン（Ｃ）を添加し、自由正孔濃度が４×１０^１９ｃｍ^−３となるように調整した。そして、半絶縁基板３０上にエミッタサイズ５０μｍ×５０μｍの大電極ＨＢＴを作製した。エミッタ電極およびベース電極の材料としては、Ａｕを用い、コレクタ電極の材料としては、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを用いた。そして、コレクタ層３２のみアロイ処理（５００°Ｃ×３ｍｉｎ）した。
【００１８】
このようして作製した各ＧａＡｓ系ＨＢＴに対して、パラメータアナライザ（ＨＰ４１４５Ｂ）を用いてガンメルプロットを測定し、コレクタ電流密度が１ｋＡ／ｃｍ^２ となるときの電流利得βを測定した。
図２は、上記ＧａＡｓ系ＨＢＴにおける電流利得βのサブコレクタ層３１のカーボン（Ｃ）濃度依存性を示す図である。
【００１９】
この図から明らかなように、サブコレクタ層３１のカーボン（Ｃ）濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３になると、電流利得βは急激に上昇して１３７を示し、サブコレクタ層３１のカーボン（Ｃ）濃度が１０×１０^１７ｃｍ^−３になると、電流利得βは１５１に上昇し、サブコレクタ層３１のカーボン（Ｃ）濃度が２０×１０^１７ｃｍ^−３になると、電流利得βは１５２とほぼ一定となった。このように、本実施形態のＧａＡｓ系ＨＢＴの電流利得βは、サブコレクタ層３１のキャリア濃度を高めても、従来のＧａＡｓ系ＨＢＴ１のサブコレクタ層１１のキャリア濃度を高めたときの電流利得βに比べて大幅に改善されていることが分かる。
【００２０】
従来のＧａＡｓ系ＨＢＴ１のサブコレクタ層１１のキャリア濃度を高めたとき、電流利得βが低下する原因は明らかになっていないが、１×１０^１８ｃｍ^−３を超える高濃度のｎ^＋ −ＧａＡｓ層中には、複合欠陥起因（Ｓｉ−Ｖ_Ｇａ）と思われる準位が存在することが知られている。この欠陥密度は、シリカ（Ｓｉ）の添加濃度の増加とともに増大する。そして、これらの欠陥が伝搬してベース層１３中やエミッタ層１４中で再結合中心となり、ベース電流を増大させ、その結果、電流利得βを低下させていると推定される。
【００２１】
本実施形態のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、詳しい機能は不明であるが、カーボン（Ｃ）のようなアクセプタ不純物を添加することにより、上記欠陥発生や欠陥伝搬を抑制することができ、電流利得βの上昇に有効であると推定される。上述した実験と同様の実験を、カーボン（Ｃ）の代わりにアクセプタ不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）を添加することにより行ったところ、同様の効果を得ることができたことからも、上記理由が推定される。
【００２２】
また、エミッタ層３４、３５をｎ−ＡｌＧａＡｓ層の代わりにｎ−ＩｎＧａＰ層で形成したＧａＡｓ系ＨＢＴを作製して上述した実験と同様の実験を行ったところ、同様の効果を得ることができた。また、ｎ型のサブコレクタ層３１にそれよりも濃度の低いｐ型不純物を添加しても、同様の効果を得ることができると考えられる。よって、サブコレクタ層３１に添加する不純物としては、カーボン（Ｃ）やマグネシウム（Ｍｇ）の他に、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等のアクセプタ不純物も適用可能である。
【００２３】
一般に、サブコレクタ層は、本来、コレクタ層とコレクタ電極の接触抵抗を低減することを目的に形成されるが、その抵抗値は回路設計上で重要なパラメータとなる。サブコレクタ層の厚さで抵抗値を調整する方法もあるが、その場合は素子間分離等のプロセス条件を変えなければならないため、キャリア濃度で抵抗値を調整する方法が最適である。本発明によれば、キャリア濃度を変えるのみで半導体デバイス設計の変更が可能となり、半導体デバイスの開発スピード向上に多大な効果をもたらす。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、サブコレクタ層のキャリア濃度を高めても電流利得の低下を防止することができ、半導体デバイスの信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＧａＡｓ系ＨＢＴを作製するための半導体ウェハの実施形態の構造を示す説明図である。
【図２】図１の半導体ウェハで作製したＧａＡｓ系ＨＢＴにおける電流利得のサブコレクタ層のカーボン（Ｃ）濃度依存性を示す図である。
【図３】一般的なＧａＡｓ系ＨＢＴの構造を示す説明図である。
【図４】図３のＧａＡｓ系ＨＢＴのサブコレクタ層のキャリア濃度と電流利得との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ ＧａＡｓ系ＨＢＴ
３ エピタキシャルウェハ
１０ 半絶縁基板
１１ サブコレクタ層
１２ コレクタ層
１３ ベース層
１４ エミッタ層
１５ バラスト層
１６ コンタクト層
１７ ノンアロイ層
１８ コレクタ電極
１９ ベース電極
２０ エミッタ電極
３０ 半絶縁基板
３１ サブコレクタ層
３２ コレクタ層
３３ ベース層
３４ エミッタ層
３５ エミッタ層
３６ エミッタキャップ層
３７ エミッタキャップ層
３８ エミッタキャップ層
３９ エミッタキャップ層

Claims (4)

1. 基板上に形成されたｎ型サブコレクタ層、ｎ型コレクタ層、ｐ型ベース層、およびｎ型エミッタ層を備え、
   前記ｎ型サブコレクタ層は、カーボン（Ｃ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等から選択された少なくとも１つのアクセプタとなる不純物が添加されていることを特徴とするＧａＡｓ系半導体ウェハ。
2. 前記アクセプタとなる不純物が５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上添加されていることを特徴とする請求項１に記載のＧａＡｓ系半導体ウェハ。
3. 基板上に形成されたｎ型サブコレクタ層、ｎ型コレクタ層、ｐ型ベース層、およびｎ型エミッタ層と、
   前記ｎ型サブコレクタ層に接続されたコレクタ電極、前記ｐ型ベース層に接続されたベース電極、および前記ｎ型エミッタ層に接続されたエミッタ電極を備え、
   前記ｎ型サブコレクタ層は、カーボン（Ｃ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）等から選択された少なくとも１つのアクセプタとなる不純物が添加されていることを特徴とするＧａＡｓ系ヘテロバイポーラトランジスタ。
4. 前記アクセプタとなる不純物が５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上添加されていることを特徴とする請求項３に記載のＧａＡｓ系ヘテロバイポーラトランジスタ。

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