JP3719985B2 - ヘテロ接合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、ベース層寄りのエミッタ層としてベースよりもバンドギャップエネルギーが大きい半導体材料を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと記す）の信頼性を向上させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体を用いた旧来のＨＢＴでは、高温通電試験を行なうと、短時間のうちにベース電流が増大して、電流増幅率が低下してしまい、信頼性が低いという問題があった。
【０００３】
これを解決するために、近年では、バンドギャップエネルギーの大きいエミッタ層の周縁部分を、エミッタ層と、エミッタ層の上のエミッタコンタクト層と、エミッタコンタクト層の上のエミッタ電極とで階層化された部分（エミッタメサという）の周辺に空乏化したエミッタ層、即ちリッジ（ガードリングとも言う）として残し、エミッタメサ近傍でのキャリアの再結合によるリーク電流の増大を防いでいる。
【０００４】
特に、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）の基板上に形成したＨＢＴでは、リッジを含むエミッタ層をＩｎＧａＰ（インジウムガリウムリン）で形成することにより、実用上十分に長い寿命を得ることができ、移動体通信用の高周波増幅器等のデバイスに使用されている。
【０００５】
また、超高速光通信用集積回路等で用いられるＨＢＴにおいては、高周波特性をより向上させることが必要であり、このために、リッジを含むエミッタ層をエッチングして露出させたベース層の上にベース電極を形成して、ベース電極の接触抵抗を下げている。
【０００６】
次に、上記のことを考慮した従来のＨＢＴの製造工程を図６〜図１３に基づいて説明する。
【０００７】
始めに、図６に示しているように、半絶縁性のＧａＡｓ基板１を最下層とし、その上にｎ^＋−ＧａＡｓからなる抵抗率が低いコレクタコンタクト層２が設けられ、コレクタコンタクト層２の上にｎ⁻−ＧａＡｓからなるコレクタ層３が設けられ、コレクタ層３の上にｐ^＋−ＧａＡｓからなるベース層４が設けられ、ベース層４の上にベース層４よりバンドギャップエネルギーの大きいｎ−ＩｎＧａＰからなる第１のエミッタ層５が設けられ、第１のエミッタ層５の上にｎ−ＧａＡｓからなる第２のエミッタ層６が設けられ、第２のエミッタ層６の上にｎ^＋−ＩｎＧａＡｓからなる抵抗率が低いエミッタコンタクト層７が設けられて７層構造となる積層基板１０をエピタキシャル形成する。
【０００８】
この積層基板１０は、多数のトランジスタ素子を形成することができる大きさを有しており、以下に説明する工程も積層基板１０の異なる位置で同時に行なわれて、同一特性のトランジスタ素子が複数同時に製造されるが、ここでは、その一つの箇所における工程のみを説明する。
【０００９】
上記のように形成された積層基板１０のエミッタコンタクト層７の上にＷＳｉ（珪化タングステン）からなるエミッタ電極１１をパターン形成する。
【００１０】
次に、図７に示しているように、エミッタコンタクト層７および第２のエミッタ層６のうち、エミッタ電極１１と重なり合う部分以外を、塩素系ガスドライエッチングやウエットエッチングによって除去する。
【００１１】
次に、図８に示しているように、積層基板１０の表面全体をＳｉＮ（チッ化珪素）からなる絶縁膜１２で覆い、ＧａＡｓ基板１、コレクタコンタクト層２およびコレクタ層３の素子境界部（ハッチングで示す）に酸素（もしくはボロン、フッ素、プロトン、ヘリウム等）のイオンを注入して素子間分離を行なう。
【００１２】
次に、図９に示しているように、フォトリソグラフィーにより、エミッタ電極１１の表面と外周面、エミッタコンタクト層７、第２のエミッタ層６の外周面および第１のエミッタ層５の周縁部の表面を残して、絶縁膜１２を除去する。なお、残った絶縁膜１２のうち、第１のエミッタ層５の周縁部の表面の絶縁膜は、リッジ形成用マスク１３となる。
【００１３】
次に、図１０に示しているように、第１のエミッタ層５に対して、残った絶縁膜１２をマスクとしてエッチングを行い、第２のエミッタ層６と重なり合う部分とこの部分を囲むリッジ１４を形成する。
【００１４】
次に、図１１に示しているように、ベース層４の上にＷＳｉからなるベース電極１５をパターン形成し、続いて、フォトリソグラフィにより、図１２に示しているように、ベース層４およびコレクタ層３の縁側の不要部分を除去し、さらに、図１３に示しているように、コレクタコンタクト層２の上に、ＡｕＧｅとＮｉの２層からなるコレクタ電極１６をパターン形成する。
【００１５】
このようにして製造されたＨＢＴは、リッジ１４を含む第１のエミッタ層５をエッチングしてベース層４を露出させ、その上に直接ベース電極１５をパターン形成しているのでベース電極の接触抵抗が下がり、高周波特性が向上する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記工程で製造されたＨＢＴでは、各工程で行なう水洗処理によって不動作品が発生したり、図１４に示すように高温通電試験で短時間のうちにベース電流が増大する素子が発生する場合がある。
【００１７】
なお、高温通電試験は、エミッタ電流密度５０ｋＡ／ｃｍ^２、接合部温度２７５°Ｃで、通電時間２０時間という条件で行なったものであり、図１４で特性Ａは試験前のベースエミッタ間電圧Ｖｂｅに対するベース電流Ｉｂの変化を表し、特性Ａ′は試験後のベースエミッタ間電圧Ｖｂｅに対するベース電流Ｉｂの変化を表している。
【００１８】
この不動作品やベース電流が増大する素子を調べると、図１５に示すように、のリッジ１４とベース電極１５の間に露出しているベース層４の消失や劣化によるものであることが判り、このベース層４の消失や劣化は、リッジ１４の幅が小さく且つベース電極１５との隙間の長さＬｇが小さいときに発生し易いことが判った。
【００１９】
したがって、リッジ１４とベース電極１５との隙間を十分広くしておけば上記のような問題は発生しないが、リッジ１４とベース電極１５の隙間を大きくすると、ベース層４およびコレクタ層３を大きくしなければならず、ベース層４およびコレクタ層３を大きくすると、ベース抵抗が増大したり、ベースコレクタ接合容量が大きくなり、素子の性能が劣化してしまう。
【００２０】
本発明は、この課題を解決して、高性能で信頼性が高いヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、
半導体基板の上にコレクタコンタクト層が形成され、該コレクタコンタクト層の上にコクレタ層が形成され、該コクレタ層の上にコレクタ電極とベース層が形成され、該ベース層の上に前記ベース層よりバンドギャップエネルギーが大きい材料からなるエミッタ層が形成され、該エミッタ層の上にエミッタコンタクト層が形成され、該エミッタコンタクト層の上にエミッタ電極が形成され、前記ベース層上で且つ前記エミッタ電極の側面の直下位置から離れた位置にベース電極が形成され、前記エミッタ層の前記ベース層に接している部分のうちの前記エミッタ電極と重なり合う領域より外側の部分がリッジとして延設されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記リッジの長さが０．２〜０．５μｍの範囲で、且つ前記ベース電極が、前記リッジに対してその外側から前記リッジの長さの１／２の範囲内でオーバラップするように形成されていることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の請求項２のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記リッジの表面に絶縁膜が形成され、
前記ベース電極は、前記絶縁膜を挟んで前記リッジにオーバラップしていることを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態のＨＢＴ２０の構造を示している。
【００２４】
図１において、ＨＢＴ２０は、前記した従来のＨＢＴと同様に、最下層の厚さ約６２５μｍのＧａＡｓ基板１の上に、ｎ^＋−ＧａＡｓからなる抵抗率が低いコレクタコンタクト層２が例えば厚さ約０．５μｍで形成され、コレクタコンタクト層２の上の中央に、ｎ⁻−ＧａＡｓからなるコクレタ層３が例えば厚さ約０．３μｍで形成され、その両側にＡｕＧｅ／Ｎｉからなるコレクタ電極１６、１６が例えば厚さ約０．４５μｍで形成されている。コレクタ電極１６、１６は、コレクタコンタクト層２にオーミック接続されている。
【００２５】
また、コクレタ層３の上にｐ^＋−ＧａＡｓからなるベース層４が例えば厚さ約０．０５μｍで形成され、このベース層４の上の中央にベース層４よりバンドギャップエネルギーが大きいｎ−ＩｎＧａＰからなる第１のエミッタ層５が、例えば厚さ約０．０６μｍで形成されている。
【００２６】
第１のエミッタ層５の上の中央には、第１のエミッタ層５より外形が小さいｎ−ＧａＡｓからなる第２のエミッタ層６が、例えば厚さ約０．１μｍ、幅約１．４μｍで形成され、第２のエミッタ層６の上にｎ^＋−ＩｎＧａＡｓからなる抵抗率が低いエミッタコンタクト層７が、例えば厚さ約０．１μｍ、幅約１．４μｍで形成され、エミッタコンタクト層７の上にＷＳｉからなるエミッタ電極１１が例えば厚さ約０．２μｍ、幅約１．４μｍで形成されている。エミッタ電極１１は、エミッタコンタクト層７にオーミック接続されている。
【００２７】
また、エミッタ電極１１の表面と外周面、エミッタコンタクト層７と第２のエミッタ層６の外周面および第２のエミッタ層５の外縁のリッジ１４の表面は、ＳｉＮからなる厚さ約０．１μｍの絶縁膜１２で覆われている。
【００２８】
また、ベース層４の上の両側に設けられているベース電極２５、２５の第１のエミッタ層５寄りの端部は、図２に示しているように、第１のエミッタ層５の周縁部に長さＬａ（例えば０．３μｍ）で形成されたリッジ１４に対して、絶縁膜１２を挟んで長さＬｂ（例えば０．１μｍ）の範囲でオーバラップしている。
【００２９】
このように、ベース電極２５がリッジ１４にオーバラップしているので、このベース電極２５とリッジ１４との間でベース層４は露出されないため、ベース電極２５を形成した後の水洗工程等でベース層４の消失や劣化は発生せず、信頼性が格段に向上する。
【００３０】
また、ベース電極２５をリッジ１４とオーバーラップさせているので、素子の外形が大きくならずに済み、前記したベース抵抗やベースコレクタ接合容量の増大による性能低下が生じない。
【００３１】
なお、上記構成のＨＢＴ２０は、前記した図６〜図１３の工程のうち、図１１のベース電極形成工程の代わりに、図３に示しているようにベース電極２５をリッジ１４にオーバーラップさせるように設けることで製造できる。
【００３２】
なお、このＨＢＴ２０ではリッジ１４の長さＬａ＝０．３μｍに対して、ベース電極２５のオーバラップ長Ｌｂを０．１μｍにしているが、これは本発明を限定するものではなく、リッジ１４の長さＬａを０．３μｍより長くしてもよく、また、オーバラップ長Ｌｂは、０．０５〜０．２μｍの範囲で変えてもよい。
【００３３】
ただし、ベース電極２５をエミッタメサ側に近づけてオーバラップ長Ｌｂを大きくすると、ベース抵抗が増加して高周波特性が悪化する恐れがある。また、リッジ１４の長さＬａを大きくしてオーバラップ長Ｌｂを０．０５μｍ未満にすると工程間のアライメントずれによりオーバラップされない部分が発生して前記した従来の問題が発生したり、ベース抵抗やベースコレクタ接合容量が増えて性能が低下する恐れがある。
【００３４】
したがって、上記した各層、各電極の寸法例では、リッジ長Ｌａを０．２〜０．５μｍの範囲、オーバラップ長Ｌｂを０．０５〜Ｌａ／２の範囲に設定すればよい。
【００３５】
なお、上記構成のＨＢＴ２０について、前記した条件と同一条件で高温通電試験を行なった結果、図４に示す特性が得られた。
【００３６】
図４で特性Ｂは試験前のベースエミッタ間電圧Ｖｂｅに対するベース電流Ｉｂの変化を表し、特性Ｂ′は試験後のベースエミッタ間電圧Ｖｂｅに対するベース電流Ｉｂの変化を表している。
【００３７】
この図４から明らかなように、上記構成のＨＢＴ２０の高温通電試験後のベース電流は、試験前のベース電流に対してほとんど変化しておらず（むしろ若干減少している）、図１４に示した従来のＨＢＴの特性と比較すると、格段に信頼性が向上したことが判る。
【００３８】
また、前記したＨＢＴ２０では、ベース電極２５が絶縁膜１２を挟んでリッジ１４にオーバラップしていたが、図５に示すのように、ベース電極２５を、リッジ１４の表面に直接接触するようにオーバラップさせてもよい。
【００３９】
また、前記したＨＢＴ２０では、エミッタ層が２層化されていたがエミッタ層が単層のＨＢＴの場合にも本発明を適用できる。この場合、ベース層よりバンドキャップエネルギーが大きい材料からなる単層構造のエミッタ層の周縁部のリッジにベース電極をオーバラップさせればよい。
【００４０】
また、前記したＨＢＴ２０は、ＧａＡｓ基板１上に形成されたものについて説明したが、他の半導体基板（例えばＩｎｐＰ基板）上に形成されるＨＢＴについても本発明を適用できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ベース電極がリッジにオーバラップする構造であるので、製造過程の中の水洗工程でベース層の消失や劣化が起こらず、高性能で高い信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図
【図２】実施形態の要部の拡大図
【図３】実施形態の製造工程の一部を示す図
【図４】実施形態の特性を示す図
【図５】他の実施形態を示す図
【図６】従来のＨＢＴの製造工程の一部を示す図
【図７】従来のＨＢＴの製造工程の一部を示す図
【図８】従来のＨＢＴの製造工程の一部を示す図
【図９】従来のＨＢＴの製造工程の一部を示す図
【図１０】従来のＨＢＴの製造工程の一部を示す図
【図１１】従来のＨＢＴの製造工程の一部を示す図
【図１２】従来のＨＢＴの製造工程の一部を示す図
【図１３】従来のＨＢＴの製造工程の一部を示す図
【図１４】従来のＨＢＴの特性を示す図
【図１５】劣化したＨＢＴの要部の拡大図
【符号の説明】
１……ＧａＡｓ基板、２……コレクタコンタクト層、３……コレクタ層、４……ベース層、５……第１のエミッタ層、６……第２のエミッタ層、７……エミッタコンタクト層、１０……積層基板、１１……エミッタ電極、１２……絶縁膜、１３……リッジ形成用マスク、１４……リッジ、１６……コレクタ電極、２０……ＨＢＴ、２５……ベース電極

Claims (2)

1. 半導体基板の上にコレクタコンタクト層が形成され、該コレクタコンタクト層の上にコクレタ層が形成され、該コクレタ層の上にコレクタ電極とベース層が形成され、該ベース層の上に前記ベース層よりバンドギャップエネルギーが大きい材料からなるエミッタ層が形成され、該エミッタ層の上にエミッタコンタクト層が形成され、該エミッタコンタクト層の上にエミッタ電極が形成され、前記ベース層上で且つ前記エミッタ電極の側面の直下位置から離れた位置にベース電極が形成され、前記エミッタ層の前記ベース層に接している部分のうちの前記エミッタ電極と重なり合う領域より外側の部分がリッジとして延設されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
   前記リッジの長さが０．２〜０．５μｍの範囲で、且つ前記ベース電極が、前記リッジに対してその外側から前記リッジの長さの１／２の範囲内でオーバラップするように形成されていることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
2. 前記リッジの表面に絶縁膜が形成され、
   前記ベース電極は、前記絶縁膜を挟んで前記リッジにオーバラップしていることを特徴とする請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。

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