JP3779214B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタとして機能する半導体装置に係り、特に、電流増幅率などの特性のバラツキの抑制対策に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、シリコン基板を利用して形成されるバイポーラトランジスタは、微細加工技術・セルフアライン技術の進歩によって微細化,高速化が図られている。一般なバイポーラトランジスタは、シリコン基板とシリコン基板の上にエピタキシャル成長されたシリコン単結晶層とを利用したいわゆるホモ接合型バイポーラトランジスタである。
【0003】
一方、より一層の高速動作化を目指すために、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(以下、「HBT」と記す)の研究開発が盛んに行われている。特に最近では、シリコン基板の上にシリコンとゲルマニウムとの混晶であるSiGe層をエピタキシャル成長させ、このSiGe層をベース層として用いたHBT(以下、「SiGe−HBT」と記す)の開発が積極的になされている。
【0004】
図8は、従来のSiGe−HBTの断面図である。同図に示すように、従来のSiGe−HBTは、Si基板101と、Si基板101の上にエピタキシャル成長されたSiエピタキシャル層102とを用いて形成されている。また、Si基板101とSiエピタキシャル層102との各一部に亘って設けられたN+ 型埋め込み層110と、Siエピタキシャル層102の一部に比較的高濃度のN型不純物を導入して設けられたN+ コレクタ引き出し層111とを備え、Siエピタキシャル層102のうちN+ コレクタ引き出し層111を除く部分は低濃度のN型不純物を含むN- コレクタ拡散層112となっている。また、Siエピタキシャル層102を各バイポーラトランジスタ形成領域ごとに区画するLOCOS分離116と、LOCOS分離116の下方に延びてSi基板101に達するディープトレンチ分離117とが設けられている。ただし、バイポーラトランジスタ形成領域内において、N+ コレクタ引き出し層111とN- コレクタ拡散層112とを区画するLOCOS分離116の下方にはディープトレンチ分離117は設けられていない。
【0005】
さらに、Siエピタキシャル層102のN- コレクタ拡散層112の上には、P型不純物を含むSiGe混晶半導体層からなるSiGe膜108と、キャップ層となるSi膜109とがそれぞれエピタキシャル成長により形成されている。また、SiGe膜108及びSi膜109の側面からSi膜109の上面に亘る領域上に形成され高濃度のP型不純物を含むP+ ベースポリシリコン膜114と、P+ ベースポリシリコン膜114に形成された開口の上に設けられ高濃度のN型不純物を含むN+ エミッタポリシリコン膜113とを備えている。ただし、P+ ベースポリシリコン膜114とN+ エミッタポリシリコン膜113とは、絶縁膜により互いに電気的に分離されている。
【0006】
ここで、SiGe膜108およびSi膜109は、MBE法,UHV−CVD法またはLP−CVD法を用いてエピタキシャル成長されている。そして、Si膜109のうちN+ ポリシリコン膜113の直下方の領域には、N+ エミッタポリシリコン膜113からRTAにより拡散されたN型不純物(リン,砒素など)がドープされている。つまり、Si膜109のうちのN+ 型領域がNPNバイポーラトランジスタのエミッタ領域として機能し、SiGe膜108のP+ 型領域がNPNバイポーラトランジスタのベース領域として機能し、N- コレクタ拡散層112,N+ 型埋め込み層110及びN+ コレクタ引き出し層111がNPNバイポーラトランジスタのコレクタ領域として機能する。
【0007】
半導体装置の製造プロセスにおいて、Siエピタキシャル層102の上にSiGe膜108をエピタキシャル成長させた後、SiGe膜108の上にSi膜109を連続的にエピタキシャル成長させる。Si膜109は、主にSiGeエピタキシャル成長後の後工程において、製造ラインへのGe汚染を防止するためにも必要とされるが、このSi膜109の膜厚とエミッタポリシリコン膜113中のN型不純物の濃度とに応じて、N型不純物を拡散させる熱処理条件を適宜選択することにより、Si膜109の所望の深さ位置にエミッタ・ベース接合部(以下、「EB接合部」という)を形成することができる。
【0008】
このように形成された従来のSiGe−HBTは、Si層のみからなるホモ接合バイポーラトランジスタに比べて、エミッタ領域に不純物を高濃度にドープしなくてもエミッタ注入効率が大きいという利点があり、高い電流増幅率(hFE)とが期待される。
【0009】
図9は、傾斜組成を有するSi/SiGeヘテロ接合型バイポーラトランジスタ(SiGe−HBT)とSiホモ接合型バイポーラトランジスタ(Si−BT)とのバンド構造を比較するためのエネルギーバンド図である。SiGe−HBTにおいては、ベース領域からエミッタ領域に注入される正孔に対する障壁の高さを、エミッタ領域からベース領域へ注入される電子に対する障壁の高さよりも大きくすることができる。このため、エミッタ領域の不純物濃度を低くし、ベース領域の不純物濃度を高くしても、エミッタ注入効率は低下しない。
【0010】
言い換えると、SiGe−HBTでは、SiGeのナローバンドギャップ性を利用して、Si−BTに比べて、エミッタ領域を高濃度にドープしなくても高い電流増幅率を実現することができる。
【0011】
また、SiおよびGeのバンドギャップはそれぞれ約1.1eV、約0.7eVであり、Ge含有率が10〜15%のSiGe膜の場合、バンドギャップはSiとGeの間の1.0eV程度となる。このため、SiGe膜108中のGeの含有率をエミッタ側からコレクタ側に向かって単調に増大させる(傾斜組成)ことにより、図9の実線部分に示すごとく、エネルギーバンドギャップEgがエミッタ側からコレクタ側に向かって連続的に小さくなる傾斜構造となる。このため、下記式(1)
E(eV)=(1.1−1.0)/qW (1)
(q:電荷量、W:ベース幅)によって表される内蔵電界Eがベース層に発生し、エミッタからベースに注入された少数キャリアを電界Eにより加速させることができる。したがって、拡散のみによって少数キャリアがベース領域を走行する従来のSi−BTに比べて、動作の高速化を容易に実現することができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のSiGe−HBTにおいては、以下のような不具合も存在する。
【0013】
図10は、図8に示すX-X 線断面における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。同図に示すように、SiGe膜108は、アンドープ層であるSiGeバッファ層108xと、高濃度のP型不純物が導入されかつバンドギャップが連続的に変化するSiGe傾斜組成層108yとに区画される。ベース領域となるP型不純物拡散領域132は、SiGe膜108の上部に形成されているが、エミッタ領域となるN型不純物拡散領域131は、Si膜109からSiGe膜108の一部に亘って形成されている。つまり、P型不純物拡散領域132とN型不純物拡散領域131とがオーバーラップしている。その理由は、エミッタ領域の形成のための熱処理の際、N型不純物は、エミッタポリシリコン膜113からSi膜109だけでなく、その下方のSiGe膜108の一部にまで達している。
【0014】
図11は、SiGe傾斜組成層108yでのN型不純物の拡散深さのバラツキを説明するための図である。同図に示すように、熱処理条件によって、EB接合部133を規定するN型不純物の拡散深さも大きくばらつくことから、EB接合部133の位置を精密に制御し、且つ、その位置のバラツキをなくすことは非常に困難である。
【0015】
以上のように、従来のSiGe−HBTにおいては、エミッタ領域の拡散深さが変動するので、実質的にEB接合部133におけるGe含有率が変動してしまう。その結果、例えばEB接合部133におけるGe含有率が増大すると、EB接合部133におけるバンドギャップが小さくなるためコレクタ電流が増加し、結果的に電流増幅率が増加するという現象を生じる。つまり、EB接合部133でのGe含有率の微少な変動が電流増幅率の大きな変動を引き起こすので、電流増幅率が一定でバラツキの少ないトランジスタを得ることが困難になる。
【0016】
特に、トランジスタの高速化を図るためにベース層を薄膜化すると、Geの含有率変化の傾きが大きくなるので、EB接合部133の位置の微妙な変動による電流増幅率のバラツキへの影響が顕著になる。
【0017】
一方、EB接合部133がSiGe膜108中でなくSi膜109中に形成されてしまうと、EB接合部133がヘテロ接合部からはずれてナローバンドギャップの効果が失われるために、高い電流増幅率を得られなくなり、ヘテロ接合本来の効果を得られなくなる。
【0018】
また、従来のSiGeHBTにおいては、ベース領域中のボロン(B)の濃度の制御が困難であるという不具合もあった。
【0019】
例えばBのソースガスとしてB26 を用いた場合、SiGe膜を堆積している間のB26 の流量が一定であっても、Ge含有率の減少に伴って膜中のB濃度が減少する(Bの取り込まれ率が減少する)ことが知られている。つまり、SiGe傾斜組成を有している場合には、Geの傾斜と同じ向きにB濃度の傾斜が生じる。
【0020】
図12は、B26 の流量が一定であるとした場合の従来のSiGe−HBTにおける深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。同図に示すように、SiGe傾斜組成層108yのGe含有率の減少に伴って、P型不純物拡散領域132のB濃度は減少する。そして、EB接合部133の位置にバラツキが生じると、EB接合部133におけるB濃度のバラツキが大きくなり、その結果、EB耐圧特性のバラツキが大きくなってしまう。
【0021】
ところで、SiGe−HBTにおいては、通常のSi−BJTに比較して、ベース領域中のB濃度を高くする(場合によっては、エミッタ領域のN型不純物濃度よりも高くする)ことにより、ベース抵抗の低減を図っている。一方で、ベース領域のB濃度を高くしすぎるとEB耐圧を低下させるので、B濃度はベース抵抗とEB耐圧とが所望の範囲に収まるように、調整する必要がある。しかし、SiGe−HBTにおいて、EB耐圧のバラツキが大きくなると、設計マージンが狭められ、ベース抵抗とEB耐圧とを所望の範囲に収めるためのB濃度の調整が困難となるおそれがある。
【0022】
一方、SiGe膜中のGe含有率は、Ge用のソースガス(例えばGeH4 )の流量によって制御されるので、Ge含有率の低下(GeH4 流量の低下)に伴うBの取り込まれ量の低下を補償するように、B26 の流量を増大させることにより、SiGe膜中のB濃度を一定に維持することは原理的には可能である。しかし、実際には、GeH4 流量とSiGe膜中のGe含有率とが比例するわけではなく、B26 の流量とSiGe膜中のB濃度とが比例するわけでもないので、このようなガス流量の制御は、プロセスの複雑化を招くことになる。
【0023】
本発明の主たる目的は、キャリア加速のためにバンドギャップを傾斜させた構造を有するヘテロ接合型バイポーラトランジスタにおいて、製造時にEB接合部の位置が変動しても、EB接合部におけるバンドギャップのバラツキを抑制する手段を講ずることにより、高速動作を維持しつつ、高い電流増幅率を安定して発揮させることにある。さらに、本発明では、プロセスの複雑化を回避しつつ、EB耐圧のバラツキの抑制を図っている。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の半導体装置は、第1の半導体層を有する基板と、上記第1の半導体層の上に設けられ、上記第1の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、混晶半導体からなる第2の半導体層と、上記第2の半導体層の上に設けられ、上記第2の半導体層よりもバンドギャップが大きい第3の半導体層とを備え、上記第1の半導体層の少なくとも一部が第1導電型不純物を含むコレクタ領域であり、上記第2の半導体層の少なくとも一部が第2導電型不純物を含むベース領域であり、上記第3の半導体層の少なくとも一部が第1導電型不純物を含むエミッタ領域であるヘテロ接合バイポーラトランジスタとして機能する半導体装置であって、上記第2の半導体層は、上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップが大きくなる組成を有する傾斜組成層と、バンドギャップの変化率が上記傾斜組成層のバンドギャップの変化率よりも小さくなる組成を有する上部層とを有し、エミッタ・ベース接合部が上記第2の半導体層の上記上部層中に形成されている。
【0025】
これにより、エミッタ・ベース接合部が混晶半導体からなる第2の半導体層の上部層中に形成されているので、ナローバンドギャップによる高い電流増幅率を発揮することができる。また、第2の半導体層の上部層は傾斜組成層よりもバンドギャップの変化率が小さいので、エミッタ領域形成のための第1導電型不純物の導入範囲が変動しても、エミッタ・ベース接合部におけるバンドギャップのバラツキが小さくなり、電流増幅率の変動などバイポーラトランジスタの特性の変動幅を抑制することができる。
【0026】
上記第2の半導体層のうち上部層における混晶半導体の組成がほぼ一定であり、上記上部層におけるバンドギャップがほぼ一定であることにより、エミッタ領域形成のための第1導電型不純物の導入範囲が変動しても、バイポーラトランジスタの特性の変動をより小さく抑制することができる。
【0027】
上記第2の半導体層のうち上部層における混晶半導体の組成がほぼ連続的に変化しており、上記上部層のバンドギャップが上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向に大きくなるように変化していることにより、ベース層全体におおいて、内蔵電界によるキャリアの加速機能をより効果的に発揮することができる。
【0028】
上記第2の半導体層が、上記上部層の上に、バンドギャップが上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向に大きくなり、かつ、その変化率が上記上部層のバンドギャップの変化率よりも大きい最上部層をさらに有していることにより、第2の半導体層と第3の半導体層との境界部における格子定数の差に起因する格子歪みが小さくなるので、第2及び第3の半導体層における格子歪みに起因する結晶欠陥の発生を抑制することができる。
【0029】
また、上記第2の半導体層がSiGe層であり、上記第3の半導体層がSi層であって、上記第2の半導体層の上部層におけるGe含有率が2%以上で8%以下の範囲にあることにより、混晶半導体からなる第2の半導体層のナローバンドギャップによる高い電流増幅率と、傾斜組成によるベース走行の高速化との双方を実現することが容易となる。
【0030】
上記第2の半導体層がSiGe層であり、上記第3の半導体層がSi層であって、上記第2の半導体層の上部層におけるGe含有率の変化幅が4%以内であることにより、結晶欠陥の発生を抑制しつつ、混晶半導体からなる第2の半導体層のナローバンドギャップによる高い電流増幅率を実現することが容易となる。
【0031】
上記第2の半導体層は、Si,Ge及びCを含む3元系の混晶半導体層であり、上記第3の半導体層はSi層であってもよい。
【0032】
上記エミッタ・ベース接合部は、上記第2の半導体層の上記上部層のほぼ中央に位置していることが好ましい。
【0033】
上記第2の半導体層の傾斜組成層中の不純物濃度は、上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップの増大とともに減少し、上記第2の半導体層の上記上部層中の不純物濃度はほぼ一定であることにより、EB耐圧のバラツキを抑制することができる。
【0034】
上記第2の半導体層はSiGe層で、上記第2の半導体層中の上記不純物がボロン(B)であることにより、本発明の著効を発揮することができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態におけるSiGe−HBTの断面図である。同図に示すように、本実施形態のSiGe−HBTは、Si基板11と、Si基板11の上にエピタキシャル成長されたSiエピタキシャル層12とを用いて形成されている。また、Si基板11とSiエピタキシャル層12との各一部に亘って設けられたN+ 型埋め込み層20と、Siエピタキシャル層12の一部に比較的高濃度のN型不純物を導入して設けられたN+ コレクタ引き出し層21とを備え、Siエピタキシャル層12のうちN+ コレクタ引き出し層21を除く部分は低濃度のN型不純物を含むN- コレクタ拡散層22となっている。また、Siエピタキシャル層12を各バイポーラトランジスタ形成領域ごとに区画するLOCOS分離26と、LOCOS分離26の下方に延びてSi基板11に達するディープトレンチ分離27とが設けられている。ただし、バイポーラトランジスタ形成領域内において、N+ コレクタ引き出し層21とN- コレクタ拡散層22とを区画するLOCOS分離26の下方にはディープトレンチ分離27は設けられていない。
【0036】
さらに、Siエピタキシャル層12のN- コレクタ拡散層22の上には、P型不純物を含むSiGe混晶半導体層からなるSiGe膜18と、キャップ層となるSi膜19とがそれぞれエピタキシャル成長により形成されている。また、SiGe膜18及びSi膜19の側面からSi膜19の上面に亘る領域上に形成され高濃度のP型不純物を含むP+ ベースポリシリコン膜24と、P+ ベースポリシリコン膜24に形成された開口の上に設けられ高濃度のN型不純物を含むN+ エミッタポリシリコン膜23とを備えている。ただし、P+ ベースポリシリコン膜24とN+ エミッタポリシリコン膜23とは、絶縁膜により互いに電気的に分離されている。
【0037】
ここで、SiGe膜18およびSi膜19は、MBE法,UHV−CVD法またはLP−CVD法を用いてエピタキシャル成長されている。そして、Si膜19のうちN+ ポリシリコン膜23の直下方の領域には、N+ エミッタポリシリコン膜23からRTAにより拡散されたN型不純物(リン,砒素など)がドープされている。つまり、Si膜19のうちのN+ 型領域が主としてNPNバイポーラトランジスタのエミッタ領域として機能し、SiGe膜18のP+ 型領域が主としてNPNバイポーラトランジスタのベース領域として機能し、N- コレクタ拡散層22,N+ 型埋め込み層20及びN+ コレクタ引き出し層21がNPNバイポーラトランジスタのコレクタ領域として機能する。
【0038】
半導体装置の製造プロセスにおいて、Siエピタキシャル層12の上にSiGe膜18をエピタキシャル成長させた後、SiGe膜18の上にSi膜19を連続的にエピタキシャル成長させる。Si膜19は、主にSiGeエピタキシャル成長後の後工程において、製造ラインへのGe汚染を防止するためにも必要とされるが、このSi膜19の膜厚とエミッタポリシリコン膜23中のN型不純物の濃度とに応じて、N型不純物を拡散させる熱処理条件を適宜選択することにより、Si膜19の所望の深さ位置にエミッタ・ベース接合部(以下、「EB接合部」という)を形成することができる。
【0039】
図2は、本発明の第1の実施形態に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1参照)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。同図に示すように、本実施形態においては、SiGe膜18が、アンドープ層であるSiGeバッファ層18xと、Ge含有率が単調に連続的に変化するSiGe傾斜組成層18aと、Ge含有率がほぼ一定のSiGe上部層18bとによって構成されている。この点が、本実施形態の特徴である。すなわち、SiGe傾斜組成層18aにおいては、Ge含有率が最小値(例えば2%〜8%の値)になり、エミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向に増大して、SiGeバッファ層18xに達したときにGe含有率が最大値(例えば20%〜30%の値)となる。つまり、SiGe傾斜組成層18a中においては、エミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向にバンドギャップが減少し、これによりキャリアを加速するように構成されている。そして、SiGe上部層18bにおいては、Ge含有率はほぼ一定値となっている。
【0040】
一方、ベースとなるP型不純物拡散領域32は、SiGe傾斜組成層18aとSiGe上部層18bとに亘って形成されている。また、N型不純物拡散領域31は、Si膜19からSiGe上部層18bの一部に亘って形成されている。つまり、P型不純物拡散領域32とN型不純物拡散領域31との境界部であるEB接合部33は、SiGe上部層18b中の一部位に存在するように構成されている。つまり、エミッタ領域の形成のための熱処理の際、N型不純物は、エミッタポリシリコン膜23からSi膜19だけでなく、その下方のSiGe膜18にまで達するが、製造プロセス条件の変動やバラツキによってEB接合部33の位置が変動しても、EB接合部33がSiGe上部層18b中の一部位にあるように、SiGe傾斜組成層18a,SiGe上部層18b及びSi膜19の厚みがそれぞれ設定されている。
【0041】
つまり、製造プロセス条件の変動やバラツキにより、製造ロット間、ウエハ間及びウエハ面内で、N+ 型エミッタポリシリコン膜23からのN型不純物の拡散深さが変動するが、変動範囲はプロセス条件から経験的にわかるので、N型不純物の拡散深さの変動幅よりもSiGe上部層18bの厚みを大きくしておけば、EB接合部33がほぼ確実にSiGe上部層18b中に形成されるように設定することができる。
【0042】
特に、SiGe上部層18bの厚さ方向の中央位置と、N型不純物がエミッタポリシリコン膜23から拡散する深さの変動範囲の中心とがほぼ一致するように設定することが好ましい。また、一般にSiGe膜中のGe含有率の上限が30%付近であることから、SiGeのナローバンドギャップによる高い電流増幅率と、傾斜組成によるベース走行の高速化との双方を実現するためには、SiGe上部層18bのGe含有率は、2〜8%の範囲であることが好ましい。
【0043】
本実施形態によると、製造プロセス条件の変動やバラツキによってEB接合部33の位置が変動しても、EB接合部33が、Ge含有率がほぼ一定であるSiGe上部層18b中に形成されるように構成されているので、EB接合部33におけるGe含有率はほぼ一定に保たれる。したがって、本実施形態のSiGe−HBTは、EB接合部33がSiGe上部層18bに存在することで、ナローバンドギャップによる高い電流増幅率hFEを維持しつつ、比較的安定した電流増幅率を発揮することができる。
【0044】
なお、Geの含有率の分布状態は、SiGe層のエピタキシャル成長を行う時に、Ge及びSiの各ソースガス(例えば、GeH4 とSiH4 )の分圧比を制御することで、任意のパターンに容易に制御することができる。
【0045】
また、SiGe膜18上に形成されているSi膜19の代わりに、微量のGeが一定量含まれるSiGe膜を設けても、本実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【0046】
(第2の実施形態)
上述の第1の実施形態においては、エミッタ領域からベース領域に注入された少数キャリア(電子)は、ベース領域のうちGe含有率が変化する領域(SiGe傾斜組成層18a)に達するまでのSiGe上部層18bを走行している間は拡散によってのみ移動するため、その間は内蔵電界による加速の効果が得られず、高速動作という観点からは、若干不利である。
【0047】
本発明の第2の実施形態のSiGe−HBTは、上記第1の実施形態におけるこの不利益を解消するための手段を設けたものである。すなわち、内蔵電界による少数キャリアの加速機能を全ベース領域において維持しつつ、EB接合位置の変動により生じる電流増幅率のバラツキを抑制するための構造に関する。
【0048】
図3は、本発明の第2の実施形態に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1参照)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。本実施形態のSiGe−HBTの基本的な構造は、第1の実施形態における図1に示すとおりである。
【0049】
図3に示すように、本実施形態に係るSiGe−HBTにおいては、SiGe上部層18bにおけるGe含有率が一定ではなく、エミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向に緩やかに増大している。つまり、SiGe上部層18bにおけるバンドギャップがエミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向に緩やかに減少しており、これによりキャリアの加速機能が強化されている。そして、EB接合部33がSiGe上部層18b中に形成されていること、SiGe傾斜組成層18aのGe含有率がコレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向に大きく変化していることは、第1の実施形態と同様である。
【0050】
本実施形態においても、製造プロセス条件の変動やバラツキによってEB接合部33の位置が変動しても、EB接合部33がSiGe上部層18b中の一部位にあるように、SiGe傾斜組成層18a,SiGe上部層18b及びSi膜19の厚みがそれぞれ設定されている。
【0051】
そして、製造プロセス条件の変動やバラツキにより、製造ロット間、ウエハ間及びウエハ面内で、N+ 型エミッタポリシリコン膜23からのN型不純物の拡散深さが変動するが、変動範囲はプロセス条件から経験的にわかるので、N型不純物の拡散深さの変動幅よりもSiGe上部層18bの厚みを大きくしておけば、EB接合部33がほぼ確実にSiGe上部層18b中に形成されるように設定することができる。
【0052】
特に、SiGe上部層18bの厚さ方向の中央位置と、N型不純物がエミッタポリシリコン膜23から拡散する深さの変動範囲の中心とがほぼ一致するように設定することが好ましい。なお、一般にSiGe膜中のGe含有率の上限が30%付近であることから、SiGeのナローバンドギャップによる高い電流増幅率と、傾斜組成によるベース走行の高速化との双方を実現するためには、SiGe上部層18bのGe含有率は、2〜8%の範囲で変化し、含有率の変化幅は4%以内であることが好ましい。
【0053】
本実施形態においては、上述の第1の実施形態と同様に、EB接合33をSiGe上部層18b中に形成し、ナローバンドギャップによる高い電流増幅率hFEを維持することができる。また、エミッタポリシリコン膜23からのN型不純物の拡散深さが変動しても、SiGe上部層18bにおけるGe含有率の変化は比較的小さいので、SiGe上部層18bのEB接合部33の位置の変動によるGe含有率のバラツキを抑制することができる。しかも、SiGe上部層18bに少数キャリア(電子)が注入されると、傾斜組成を有するSiGe上部層18bを走行する際にも、内蔵電界による少数キャリアの加速機能が得られるので、本実施形態のSiGe−HBTは、第1の実施形態に比べてさらに動作速度の向上を図ることができる。
【0054】
なお、本実施形態においては、SiGe膜18のうちSiGe傾斜組成層18aとSiGe上部層18bとの境界部でGe含有率の変化線に折れ曲がり点があるが、両者の境界部においてGe含有率を連続的に変化させることにより、Ge含有率の変化線に折れ曲がり点が生じないようにすることもできる。このような構造を有することにより、内蔵電界によるキャリアの加速機能がより効果的に発揮される。
【0055】
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態のSiGe−HBTは、第1および第2の実施形態と同様に、EB接合部の位置の変動により生じる電流増幅率のバラツキを抑えつつ、さらに、SiGe膜とSi膜との間の結晶欠陥の発生を抑制するための手段を設けたものである。
【0056】
図4は、本発明の第3の実施形態に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1参照)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。本実施形態のSiGe−HBTの基本的な構造は、第1の実施形態における図1に示すとおりである。
【0057】
本実施形態に係るSiGe−HBTにおいては、SiGe膜18が、SiGe傾斜組成層18aと、SiGe上部層18bとに加えて、SiGe最上部層18cを有している。そして、SiGe上部層18bのGe含有率はほぼ一定であり、SiGe最上部層18cのGe含有率はコレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向に急激に減少してSi膜19と隣接する部分でほぼ0になっている。つまり、SiGe最上部層18cにおけるGe含有率はエミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向に急激に減少して、SiGe最上部層18cの上端においては、Siと同じバンドギャップになっている。そして、EB接合部33はSiGe上部層18b中に形成されている。また、P型不純物(ボロン)は、SiGe傾斜組成層18a及びSiGe上部層18bに導入されており、SiGe最上部層18cにはほとんど導入されていない。SiGe傾斜組成層18aのGe含有率がエミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向に増大していることは、第1及び第2のの実施形態と同様である。
【0058】
本実施形態においても、製造プロセス条件の変動やバラツキによってEB接合部33の位置が変動しても、EB接合部33がSiGe上部層18b中の一部位にあるように、SiGe傾斜組成層18a,SiGe上部層18b,SiGe最上部層18c及びSi膜19の厚みがそれぞれ設定されている。
【0059】
そして、製造プロセス条件の変動やバラツキにより、製造ロット間、ウエハ間及びウエハ面内で、N+ 型エミッタポリシリコン膜23からのN型不純物の拡散深さが変動するが、変動範囲はプロセス条件から経験的にわかるので、N型不純物の拡散深さの変動幅よりもSiGe上部層18bの厚みを大きくしておけば、EB接合部33がほぼ確実にSiGe上部層18b中に形成されるように設定することができる。
【0060】
本実施形態においても、SiGe上部層18bの厚さ方向の中央位置と、N型不純物がエミッタポリシリコン膜23から拡散する深さの変動範囲の中心とがほぼ一致するように設定することが好ましい。なお、一般にSiGe膜中のGe含有率の上限が30%付近であることから、SiGeのナローバンドギャップによる高い電流増幅率と、傾斜組成によるベース走行の高速化との双方を実現するためには、SiGe上部層18bのGe含有率は、2%以上で8%以下の範囲であることが好ましい。
【0061】
本実施形態においては、第1の実施形態と同様に、EB接合部33におけるGe含有率がほぼ一定であることから、第1の実施形態と同様の効果を得ることができるできる。加えて、SiGe最上部層18cにおけるGe含有率が上方に連続的に小さくなって、Si膜19と隣接する部分で0になっていることから、以下のような効果をも発揮することができる。
【0062】
第1および第2の実施形態の場合、SiGe膜18(SiGe上部層18b)の上端部におけるGe含有率が0ではなく一定の値を有している。ところが、SiとGeとでは格子定数が4%程度相異なるので、SiGe上部層18bとSi膜19との間に格子不整合が存在し、その結果、Si膜19やSiGe膜18中に格子歪みによる結晶欠陥を生じるおそれがある。
【0063】
それに対し、本実施形態においては、SiGe膜18(SiGe最上部層18c)の上端部とSi膜19との間に格子不整合がほとんど存在しないので、SiGe膜18及びSi膜19中に格子歪みに起因する結晶欠陥が発生するのを効果的に抑制することができる。
【0064】
−変形例−
図5は、本発明の第3の実施形態の変形例に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1参照)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。本変形例のSiGe−HBTの基本的な構造は、第1の実施形態における図1に示すとおりである。
【0065】
この変形例では、SiGe上部層18bにおけるGe含有率が一定ではなく、エミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向に緩やかに増大していて、バンドギャップの減少によるキャリアの加速機能を強化するように構成されている。そして、EB接合部33がSiGe上部層18b中に形成されていること、SiGe最上部層18cのGe含有率がコレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向に急激に減少してSi膜19に隣接する部分でほぼ0になっていることは、第3の実施形態と同様である。
【0066】
本変形例においては、上述の第3の実施形態と同じ効果に加えて、SiGe上部層18bにおける内蔵電界により、第2の実施形態と同様にエミッタ領域からベース領域に注入された少数キャリア(電子)に対する加速機能を向上させることができる。
【0067】
結晶欠陥の発生を抑制しつつ、SiGeのナローバンドギャップによる高い電流増幅率と、傾斜組成によるベース走行の高速化との双方を実現するためには、SiGe上部層18bのGe含有率は、2%以上で8%以下の範囲であり、かつ、SiGe上部層18bにおけるGe含有率の変化幅が4%以内であるが好ましい。
【0068】
なお、第3の実施形態又はその変形例におけるSiGe最上部層18cのSi膜19に接する部分のGe含有率は必ずしも0でなくてもよく、0に近い値であれば格子歪みによる結晶欠陥の発生を抑制する効果は得られるが、より効果的に本実施形態の効果を発揮するためには、SiGe最上部層18cのSi膜19に隣接する部分のGe含有率が0であることが好ましい。
【0069】
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態のSiGe−HBTは、第1〜第3の実施形態と同様に、EB接合部の位置の変動により生じる電流増幅率のバラツキを抑えつつ、さらに、EB耐圧のバラツキを抑制するための手段を設けたものである。
【0070】
図6は、本発明の第4の実施形態に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1参照)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。本実施形態のSiGe−HBTの基本的な構造は、第1の実施形態における図1に示すとおりである。
【0071】
同図に示すように、本実施形態においては、SiGe膜18が、アンドープ層であるSiGeバッファ層18xと、Ge含有率が単調に連続的に変化するSiGe傾斜組成層18aと、Ge含有率がほぼ一定のSiGe上部層18bとによって構成されている。そして、SiGe傾斜組成層18aにおいては、Ge含有率が最小値(例えば2%〜8%の値)になり、エミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向に連続的に増大して、SiGeバッファ層18xに達したときにGe含有率が最大値(例えば20%〜30%の値)となる。そして、SiGe上部層18bにおいては、Ge含有率はほぼ一定値となっている。
【0072】
また、ベースとなるP型不純物拡散領域32は、SiGe傾斜組成層18aとSiGe上部層18bとに亘って形成されている。また、N型不純物拡散領域31は、Si膜19からSiGe上部層18bの一部に亘って形成されている。つまり、P型不純物拡散領域32とN型不純物拡散領域31との境界部であるEB接合部33は、SiGe上部層18b中の一部位に存在するように構成されている。つまり、エミッタ領域の形成のための熱処理の際、N型不純物は、エミッタポリシリコン膜23からSi膜19だけでなく、その下方のSiGe膜18にまで達するが、製造プロセス条件の変動やバラツキによってEB接合部33の位置が変動しても、EB接合部33がSiGe上部層18b中の一部位にあるように、SiGe傾斜組成層18a,SiGe上部層18b及びSi膜19の厚みがそれぞれ設定されている。
【0073】
つまり、製造プロセス条件の変動やバラツキにより、製造ロット間、ウエハ間及びウエハ面内で、N+ 型エミッタポリシリコン膜23からのN型不純物の拡散深さが変動するが、変動範囲はプロセス条件から経験的にわかるので、N型不純物の拡散深さの変動幅よりもSiGe上部層18bの厚みを大きくしておけば、EB接合部33がほぼ確実にSiGe上部層18b中に形成されるように設定することができる。
【0074】
ところが、本実施形態においては、SiGe膜18のSiGe傾斜組成層18a中のGe含有率がエミッタ側に向かって大きく減少するのに伴い、SiGe傾斜組成層18a中のB濃度含有率も低減している。しかし、SiGe上部層18bにおいては、Ge含有率がほぼ一定であるので、SiGe上部層18b中のB濃度はほぼ一定に保たれている。
【0075】
本実施形態においても、SiGe上部層18bの厚さ方向の中央位置と、N型不純物がエミッタポリシリコン膜23から拡散する深さの変動範囲の中心とがほぼ一致するように設定することが好ましい。
【0076】
本実施形態においては、第1の実施形態と同様に、EB接合部33におけるGe含有率がほぼ一定であることから、第1の実施形態と同様に、N型不純物の拡散深さのバラツキを考慮しても、Ge含有率がほぼ一定であるSiGe上部層18bの中にEB接合部33が存在するように各層の膜厚を調整することが容易である。加えて、SiGe上部層18bにおけるB濃度がほぼ一定に維持されているので、製造プロセス条件の変動やバラツキがあっても、EB接合部33におけるB濃度Ge含有率をほぼ一定に維持することができる。よって、EB耐圧のバラツキを抑制することができる。
【0077】
一方、Ge含有率の低下(GeH4 流量の低下)につれてBの取り込まれ量を補償するようにB26 の流量を増大させることにより、SiGe膜中のB濃度を一定に維持することは原理的には可能であるが、この方法ではプロセスの複雑化を招く。
【0078】
それに対し、本実施形態の場合には、SiGe膜を形成する際のB用のソースガス(B26 )の流量をほぼ一定にするだけでよいので、簡素なプロセスによって、EB耐圧のバラツキを確実に抑制することができる。
【0079】
−変形例−
図7は、本発明の第4の実施形態の変形例に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1参照)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。本変形例のSiGe−HBTの基本的な構造は、第1の実施形態における図1に示すとおりである。
【0080】
この変形例では、SiGe上部層18bにおけるGe含有率が一定ではなく、エミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向に緩やかに増大していて、バンドギャップの減少によるキャリアの加速機能を強化するように構成されている。そして、EB接合部33がSiGe上部層18b中に形成されていることは、第4の実施形態と同様である。
【0081】
本変形例においては、上述の第4の実施形態と同じ効果に加えて、SiGe上部層18bにおける内蔵電界により、第2の実施形態と同様にエミッタ領域からベース領域に注入された少数キャリア(電子)に対する加速機能を向上させることができる。
【0082】
一方、SiGe上部層18bにおいては、Ge含有率の変化に伴いB濃度も変化するが、SiGe上部層18b中のGe含有率の変化はSiGe傾斜組成層18a中のGe含有率の変化に比べて小さいので、SiGe上部層18bにおけるB濃度の変化も小さい。よって、本変形例によっても、EB耐圧のバラツキを抑制することができる。
【0083】
なお、第4の実施形態又はその変形例においても、第3の実施形態のようなGeの傾斜組成を有するSiGe最上部層18cを設けることができる。
【0084】
(その他の実施形態)
上記第1〜第4の実施形態においては、本発明をSi/SiGeヘテロ接合を有するバイポーラトランジスタ(SiGe−HBT)に適用した例について説明したが、本発明を、Si/SiGeC又はSiGe/SiGeCヘテロ接合を有するバイポーラトランジスタに適用しても、上記第1〜第4の実施形態と同様の効果を発揮することができる。その場合、ベース層をSiとGeとカーボン(C)とを含む3元系の混晶半導体層とすることになる。
【0085】
さらに、本発明を、上記第1〜第4の実施形態のような混晶半導体層を有するHBTではなく、例えば、インジウム(In)とガリウム(Ga)とPとを含む化合物半導体層を有するHBTに適用しても、上記第1〜第4の実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【0086】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、キャリア加速のためにベース領域のバンドギャップを傾斜させた構造を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、EB接合部の位置が変動しても、EB接合部におけるバンドギャップのバラツキを抑制することができ、よって、高速動作を維持しつつ、高い電流増幅率を安定して発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態におけるSiGe−HBTの断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。
【図4】本発明の第3の実施形態に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。
【図5】本発明の第3の実施形態の変形例に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。
【図6】本発明の第4の実施形態に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。
【図7】本発明の第4の実施形態の変形例に係るSiGe−HBTのIa-Ia 線断面(図1)における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。
【図8】従来のSiGe−HBTの断面図である。
【図9】傾斜組成を有するSiGe−HBTとSi−BTとのバンド構造を比較するためのエネルギーバンド図である。
【図10】図8に示すX-X 線断面における深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。
【図11】SiGe傾斜組成層でのN型不純物の拡散深さのバラツキを説明するための図である。
【図12】B26 の流量が一定であるとした場合の従来のSiGe−HBTにおける深さ方向の不純物濃度分布とGe含有率変化とを示す図である。
【符号の説明】
11 Si基板
12 Siエピタキシャル層
18 SiGe膜
18a SiGe傾斜組成層
18b SiGe上部層
18c SiGe最上部層
18x SiGeバッファ層
19 Si膜
20 N+ 型埋め込み層
21 N+ 型コレクタ引き出し層
22 N- 型コレクタ拡散層
23 N+ 型エミッタポリシリコン膜
24 P+ 型ベースポリシリコン膜
26 LOCOS分離
27 ディープトレンチ分離
31 N型不純物拡散領域
32 P型不純物拡散領域
33 EB接合部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device that functions as a heterojunction bipolar transistor, and more particularly, to a countermeasure for suppressing variation in characteristics such as current amplification factor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, bipolar transistors formed using a silicon substrate have been miniaturized and speeded up by progress in microfabrication technology and self-alignment technology. A general bipolar transistor is a so-called homojunction bipolar transistor using a silicon substrate and a silicon single crystal layer epitaxially grown on the silicon substrate.
[0003]
On the other hand, in order to achieve higher speed operation, research and development of heterojunction bipolar transistors (hereinafter referred to as “HBT”) are being actively conducted. Particularly recently, the development of an HBT (hereinafter referred to as “SiGe-HBT”) using a SiGe layer as a base layer by epitaxially growing a SiGe layer, which is a mixed crystal of silicon and germanium, on a silicon substrate has been actively conducted. Has been made.
[0004]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional SiGe-HBT. As shown in the figure, the conventional SiGe-HBT is formed using a Si substrate 101 and a Si epitaxial layer 102 epitaxially grown on the Si substrate 101. Further, N provided over each part of the Si substrate 101 and the Si epitaxial layer 102. + N-type impurity introduced into the buried type layer 110 and part of the Si epitaxial layer 102 by introducing a relatively high concentration of N-type impurities + A collector lead layer 111, and N of the Si epitaxial layer 102 + The portion excluding the collector extraction layer 111 is N containing low-concentration N-type impurities. - A collector diffusion layer 112 is formed. Further, a LOCOS isolation 116 that partitions the Si epitaxial layer 102 for each bipolar transistor formation region and a deep trench isolation 117 that extends below the LOCOS isolation 116 and reaches the Si substrate 101 are provided. However, in the bipolar transistor formation region, N + Collector extraction layer 111 and N - The deep trench isolation 117 is not provided below the LOCOS isolation 116 that partitions the collector diffusion layer 112.
[0005]
Further, N of the Si epitaxial layer 102 - On the collector diffusion layer 112, an SiGe film 108 made of a SiGe mixed crystal semiconductor layer containing a P-type impurity and an Si film 109 serving as a cap layer are formed by epitaxial growth. In addition, a P containing a high-concentration P-type impurity formed on a region extending from the side surface of the SiGe film 108 and the Si film 109 to the upper surface of the Si film 109. + Base polysilicon film 114 and P + N provided on the opening formed in the base polysilicon film 114 and containing high-concentration N-type impurities + And an emitter polysilicon film 113. However, P + Base polysilicon film 114 and N + The emitter polysilicon film 113 is electrically isolated from each other by an insulating film.
[0006]
Here, the SiGe film 108 and the Si film 109 are epitaxially grown using the MBE method, the UHV-CVD method, or the LP-CVD method. In the Si film 109, N + In the region immediately below the polysilicon film 113, N + N-type impurities (phosphorus, arsenic, etc.) diffused by RTA from the emitter polysilicon film 113 are doped. That is, N in the Si film 109 + The mold region functions as the emitter region of the NPN bipolar transistor, and the P region of the SiGe film 108 + The mold region functions as the base region of the NPN bipolar transistor, and N - Collector diffusion layer 112, N + Mold buried layer 110 and N + The collector lead layer 111 functions as a collector region of the NPN bipolar transistor.
[0007]
In the semiconductor device manufacturing process, after the SiGe film 108 is epitaxially grown on the Si epitaxial layer 102, the Si film 109 is continuously epitaxially grown on the SiGe film 108. The Si film 109 is mainly required in the subsequent process after the SiGe epitaxial growth in order to prevent Ge contamination on the production line. The film thickness of the Si film 109 and the N-type in the emitter polysilicon film 113 are used. An emitter-base junction (hereinafter referred to as “EB junction”) is formed at a desired depth position of the Si film 109 by appropriately selecting a heat treatment condition for diffusing the N-type impurity according to the impurity concentration. can do.
[0008]
The conventional SiGe-HBT formed in this way has an advantage that the emitter injection efficiency is high even if the emitter region is not doped with a high concentration, compared with a homojunction bipolar transistor consisting only of the Si layer. Current gain (h FE ) Is expected.
[0009]
FIG. 9 is an energy band diagram for comparing the band structures of a Si / SiGe heterojunction bipolar transistor (SiGe-HBT) having a graded composition and a Si homojunction bipolar transistor (Si-BT). In SiGe-HBT, the height of the barrier against holes injected from the base region into the emitter region can be made larger than the height of the barrier against electrons injected from the emitter region into the base region. Therefore, even if the impurity concentration in the emitter region is lowered and the impurity concentration in the base region is increased, the emitter injection efficiency does not decrease.
[0010]
In other words, SiGe-HBT can realize a higher current amplification factor without doping the emitter region at a higher concentration than Si-BT by utilizing the narrow band gap property of SiGe.
[0011]
The band gaps of Si and Ge are about 1.1 eV and about 0.7 eV, respectively. In the case of a SiGe film having a Ge content of 10 to 15%, the band gap is about 1.0 eV between Si and Ge. Become. Therefore, by increasing the Ge content in the SiGe film 108 monotonously from the emitter side toward the collector side (gradient composition), the energy band gap Eg is increased from the emitter side to the collector as shown by the solid line portion in FIG. The inclined structure is continuously reduced toward the side. Therefore, the following formula (1)
E (eV) = (1.1−1.0) / qW (1)
A built-in electric field E represented by (q: charge amount, W: base width) is generated in the base layer, and minority carriers injected from the emitter to the base can be accelerated by the electric field E. Therefore, the operation speed can be easily increased as compared with the conventional Si-BT in which minority carriers travel in the base region only by diffusion.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional SiGe-HBT has the following problems.
[0013]
FIG. 10 is a diagram showing the impurity concentration distribution in the depth direction and the Ge content rate change in the XX line cross section shown in FIG. As shown in the figure, the SiGe film 108 is partitioned into a SiGe buffer layer 108x that is an undoped layer and a SiGe graded composition layer 108y in which a high-concentration P-type impurity is introduced and the band gap changes continuously. . The P-type impurity diffusion region 132 serving as the base region is formed above the SiGe film 108, while the N-type impurity diffusion region 131 serving as the emitter region is formed from the Si film 109 to a part of the SiGe film 108. Has been. That is, the P-type impurity diffusion region 132 and the N-type impurity diffusion region 131 overlap. The reason is that during the heat treatment for forming the emitter region, the N-type impurities reach not only the Si film 109 but also a part of the SiGe film 108 below the emitter polysilicon film 113.
[0014]
FIG. 11 is a diagram for explaining the variation in the diffusion depth of the N-type impurity in the SiGe graded composition layer 108y. As shown in the figure, the diffusion depth of the N-type impurity that defines the EB junction 133 varies greatly depending on the heat treatment conditions, so that the position of the EB junction 133 is precisely controlled and the variation in the position is eliminated. It is very difficult.
[0015]
As described above, in the conventional SiGe-HBT, since the diffusion depth of the emitter region varies, the Ge content in the EB junction 133 varies substantially. As a result, for example, when the Ge content in the EB junction 133 is increased, the band gap in the EB junction 133 is reduced, so that the collector current is increased, resulting in a phenomenon that the current amplification factor is increased. That is, a slight variation in the Ge content at the EB junction 133 causes a large variation in the current amplification factor, making it difficult to obtain a transistor with a constant current amplification factor and little variation.
[0016]
In particular, if the base layer is thinned in order to increase the speed of the transistor, the slope of the change in the Ge content increases, so the effect of variations in the current amplification factor due to subtle variations in the position of the EB junction 133 is significant. become.
[0017]
On the other hand, if the EB junction 133 is formed not in the SiGe film 108 but in the Si film 109, the EB junction 133 is separated from the hetero junction and the effect of the narrow band gap is lost. It cannot be obtained, and the original effect of the heterojunction cannot be obtained.
[0018]
Further, the conventional SiGeHBT has a problem that it is difficult to control the concentration of boron (B) in the base region.
[0019]
For example, B as a source gas of B 2 H 6 When B is used, B during the deposition of the SiGe film 2 H 6 It is known that the B concentration in the film decreases (the B incorporation rate decreases) as the Ge content decreases, even if the flow rate of is constant. That is, in the case of having a SiGe gradient composition, a B concentration gradient occurs in the same direction as the Ge gradient.
[0020]
FIG. 2 H 6 It is a figure which shows the impurity concentration distribution of the depth direction in conventional SiGe-HBT, and Ge content rate change when supposing that the flow volume of is constant. As shown in the figure, the B concentration of the P-type impurity diffusion region 132 decreases as the Ge content of the SiGe graded composition layer 108y decreases. When the EB junction part 133 has a variation in position, the EB junction part 133 has a large variation in B concentration. As a result, the EB breakdown voltage characteristic varies greatly.
[0021]
By the way, in SiGe-HBT, the base resistance is increased by increasing the B concentration in the base region (in some cases, higher than the N-type impurity concentration in the emitter region) as compared with normal Si-BJT. We are trying to reduce it. On the other hand, if the B concentration in the base region is too high, the EB breakdown voltage is lowered. Therefore, it is necessary to adjust the B concentration so that the base resistance and the EB breakdown voltage are within a desired range. However, in the SiGe-HBT, when the variation in the EB breakdown voltage increases, the design margin may be narrowed, and it may be difficult to adjust the B concentration to keep the base resistance and the EB breakdown voltage within a desired range.
[0022]
On the other hand, the Ge content in the SiGe film depends on the source gas for Ge (for example, GeH Four ), The Ge content is reduced (GeH Four In order to compensate for the decrease in the amount of B taken in with the decrease in flow rate) 2 H 6 In principle, it is possible to keep the B concentration in the SiGe film constant by increasing the flow rate of. However, in reality, GeH Four The flow rate is not proportional to the Ge content in the SiGe film. 2 H 6 Since the flow rate of B is not proportional to the B concentration in the SiGe film, such control of the gas flow rate leads to a complicated process.
[0023]
The main object of the present invention is to provide a heterojunction bipolar transistor having a structure in which the band gap is inclined for carrier acceleration, even if the position of the EB junction varies during manufacturing, and the variation in the band gap at the EB junction is reduced. By taking measures to suppress, it is to stably exhibit a high current gain while maintaining high-speed operation. Furthermore, in the present invention, variations in the EB breakdown voltage are suppressed while avoiding complication of the process.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
A first semiconductor device of the present invention includes a substrate having a first semiconductor layer, a band gap smaller than that of the first semiconductor layer, and a mixed crystal semiconductor provided on the first semiconductor layer. And a third semiconductor layer provided on the second semiconductor layer and having a band gap larger than that of the second semiconductor layer, wherein at least one of the first semiconductor layers is provided. A part is a collector region containing a first conductivity type impurity, at least a part of the second semiconductor layer is a base region containing a second conductivity type impurity, and at least a part of the third semiconductor layer is a first region. A semiconductor device that functions as a heterojunction bipolar transistor that is an emitter region containing one conductivity type impurity, wherein the second semiconductor layer has a band gap in a direction from the collector region toward the emitter region. And an upper layer having a composition in which the change rate of the band gap is smaller than the change rate of the band gap of the gradient composition layer, and the emitter-base junction is the second layer It is formed in the upper layer of the semiconductor layer.
[0025]
Thus, since the emitter-base junction is formed in the upper layer of the second semiconductor layer made of a mixed crystal semiconductor, a high current amplification factor due to the narrow band gap can be exhibited. In addition, since the upper layer of the second semiconductor layer has a smaller band gap change rate than the graded composition layer, even if the introduction range of the first conductivity type impurity for forming the emitter region varies, the emitter-base junction portion The variation of the band gap in the transistor is reduced, and the fluctuation range of the characteristics of the bipolar transistor such as the fluctuation of the current amplification factor can be suppressed.
[0026]
The composition range of the mixed crystal semiconductor in the upper layer of the second semiconductor layer is substantially constant, and the band gap in the upper layer is substantially constant, so that the first conductivity type impurity introduction range for forming the emitter region is obtained. Even if fluctuates, fluctuations in characteristics of the bipolar transistor can be further suppressed.
[0027]
The composition of the mixed crystal semiconductor in the upper layer of the second semiconductor layer changes substantially continuously, and the band gap of the upper layer changes so as to increase in the direction from the collector region to the emitter region. Therefore, the carrier acceleration function by the built-in electric field can be more effectively exhibited in the entire base layer.
[0028]
The second semiconductor layer has a band gap that is larger on the upper layer in a direction from the collector region to the emitter region, and the rate of change is larger than the rate of change of the band gap of the upper layer. By further including the upper layer, the lattice distortion caused by the difference in lattice constant at the boundary between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer is reduced, so that the second and third semiconductor layers Generation of crystal defects due to lattice distortion can be suppressed.
[0029]
The second semiconductor layer is a SiGe layer, the third semiconductor layer is a Si layer, and the Ge content in the upper layer of the second semiconductor layer is 2% or more and 8% or less. Therefore, it is easy to realize both a high current amplification factor due to the narrow band gap of the second semiconductor layer made of a mixed crystal semiconductor and a high-speed base running due to the gradient composition.
[0030]
The second semiconductor layer is a SiGe layer, the third semiconductor layer is a Si layer, and the change width of the Ge content in the upper layer of the second semiconductor layer is within 4%, It is easy to realize a high current amplification factor due to the narrow band gap of the second semiconductor layer made of a mixed crystal semiconductor while suppressing the generation of crystal defects.
[0031]
The second semiconductor layer may be a ternary mixed crystal semiconductor layer containing Si, Ge, and C, and the third semiconductor layer may be a Si layer.
[0032]
It is preferable that the emitter-base junction is located approximately at the center of the upper layer of the second semiconductor layer.
[0033]
The impurity concentration in the graded composition layer of the second semiconductor layer decreases as the band gap increases in the direction from the collector region to the emitter region, and the impurity concentration in the upper layer of the second semiconductor layer is approximately By being constant, variations in the EB breakdown voltage can be suppressed.
[0034]
The second semiconductor layer is a SiGe layer, and the impurity of the second semiconductor layer is boron (B), so that the remarkable effect of the present invention can be exhibited.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a SiGe-HBT according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the SiGe-HBT of this embodiment is formed using a Si substrate 11 and a Si epitaxial layer 12 epitaxially grown on the Si substrate 11. Further, N provided over each part of the Si substrate 11 and the Si epitaxial layer 12. + N buried by introducing a relatively high concentration N-type impurity into part of the buried layer 20 and the Si epitaxial layer 12 + A collector extraction layer 21, and N of the Si epitaxial layer 12 + The portion excluding the collector extraction layer 21 is N containing low-concentration N-type impurities. - A collector diffusion layer 22 is formed. Further, a LOCOS isolation 26 that partitions the Si epitaxial layer 12 into each bipolar transistor formation region and a deep trench isolation 27 that extends below the LOCOS isolation 26 and reaches the Si substrate 11 are provided. However, in the bipolar transistor formation region, N + Collector extraction layer 21 and N - A deep trench isolation 27 is not provided below the LOCOS isolation 26 that partitions the collector diffusion layer 22.
[0036]
Further, N of the Si epitaxial layer 12 - On the collector diffusion layer 22, an SiGe film 18 made of a SiGe mixed crystal semiconductor layer containing a P-type impurity and an Si film 19 serving as a cap layer are formed by epitaxial growth. Further, P formed on the region extending from the side surface of the SiGe film 18 and the Si film 19 to the upper surface of the Si film 19 and containing a high concentration of P-type impurities + Base polysilicon film 24 and P + N provided on the opening formed in the base polysilicon film 24 and containing high-concentration N-type impurities + And an emitter polysilicon film 23. However, P + Base polysilicon film 24 and N + The emitter polysilicon film 23 is electrically isolated from each other by an insulating film.
[0037]
Here, the SiGe film 18 and the Si film 19 are epitaxially grown using the MBE method, the UHV-CVD method, or the LP-CVD method. In the Si film 19, N + In the region immediately below the polysilicon film 23, N + N-type impurities (phosphorus, arsenic, etc.) diffused from the emitter polysilicon film 23 by RTA are doped. That is, N in the Si film 19 + The mold region mainly functions as the emitter region of the NPN bipolar transistor, and the P region of the SiGe film 18 + The mold region mainly functions as the base region of the NPN bipolar transistor, and N - Collector diffusion layer 22, N + Mold buried layer 20 and N + The collector lead layer 21 functions as a collector region of the NPN bipolar transistor.
[0038]
In the semiconductor device manufacturing process, after the SiGe film 18 is epitaxially grown on the Si epitaxial layer 12, the Si film 19 is continuously epitaxially grown on the SiGe film 18. The Si film 19 is mainly required in order to prevent Ge contamination on the production line in the post-process after the SiGe epitaxial growth. The film thickness of the Si film 19 and the N-type in the emitter polysilicon film 23 are used. An emitter-base junction (hereinafter referred to as “EB junction”) is formed at a desired depth position of the Si film 19 by appropriately selecting a heat treatment condition for diffusing the N-type impurity in accordance with the impurity concentration. can do.
[0039]
FIG. 2 is a diagram showing an impurity concentration distribution in the depth direction and a change in Ge content in a cross section taken along the line Ia-Ia of the SiGe-HBT according to the first embodiment of the present invention (see FIG. 1). As shown in the figure, in the present embodiment, the SiGe film 18 includes an undoped SiGe buffer layer 18x, a SiGe graded composition layer 18a in which the Ge content changes monotonously and continuously, and the Ge content is It is constituted by a substantially constant SiGe upper layer 18b. This is a feature of this embodiment. That is, in the SiGe graded composition layer 18a, when the Ge content becomes the minimum value (for example, a value of 2% to 8%) and increases in the direction from the emitter region to the collector region, and reaches the SiGe buffer layer 18x. In addition, the Ge content becomes a maximum value (for example, a value of 20% to 30%). That is, in the SiGe graded composition layer 18a, the band gap decreases in the direction from the emitter region to the collector region, thereby accelerating carriers. In the SiGe upper layer 18b, the Ge content is substantially constant.
[0040]
On the other hand, the base P-type impurity diffusion region 32 is formed across the SiGe gradient composition layer 18a and the SiGe upper layer 18b. The N-type impurity diffusion region 31 is formed from the Si film 19 to a part of the SiGe upper layer 18b. That is, the EB junction 33 that is the boundary between the P-type impurity diffusion region 32 and the N-type impurity diffusion region 31 is configured to exist at one site in the SiGe upper layer 18b. That is, during the heat treatment for forming the emitter region, the N-type impurity reaches not only from the emitter polysilicon film 23 to the Si film 19 but also to the SiGe film 18 therebelow. However, due to variations in manufacturing process conditions and variations, Even if the position of the EB junction 33 varies, the thicknesses of the SiGe gradient composition layer 18a, the SiGe upper layer 18b, and the Si film 19 are set so that the EB junction 33 is in one part of the SiGe upper layer 18b. ing.
[0041]
In other words, due to fluctuations and variations in manufacturing process conditions, N + The diffusion depth of the N-type impurity from the n-type emitter polysilicon film 23 varies, but the variation range is empirically known from the process conditions, so the thickness of the SiGe upper layer 18b is larger than the variation width of the N-type impurity diffusion depth. Can be set so that the EB junction 33 is formed in the SiGe upper layer 18b almost certainly.
[0042]
In particular, it is preferable to set so that the center position in the thickness direction of the SiGe upper layer 18b and the center of the variation range of the depth at which the N-type impurity diffuses from the emitter polysilicon film 23 substantially coincide. In addition, since the upper limit of the Ge content in the SiGe film is generally around 30%, in order to realize both a high current amplification factor due to the narrow band gap of SiGe and a high-speed base running due to the gradient composition, The Ge content of the SiGe upper layer 18b is preferably in the range of 2 to 8%.
[0043]
According to the present embodiment, even if the position of the EB junction 33 varies due to variations or variations in manufacturing process conditions, the EB junction 33 is formed in the SiGe upper layer 18b having a substantially constant Ge content. Thus, the Ge content in the EB junction 33 is kept substantially constant. Therefore, the SiGe-HBT of the present embodiment has a high current gain h due to the narrow band gap because the EB junction 33 is present in the SiGe upper layer 18b. FE While maintaining a relatively stable current amplification factor.
[0044]
In addition, the distribution state of the Ge content is determined when each of Ge and Si source gases (for example, GeH) is used when epitaxially growing the SiGe layer. Four And SiH Four ) Can be easily controlled to an arbitrary pattern.
[0045]
Even if a SiGe film containing a small amount of Ge instead of the Si film 19 formed on the SiGe film 18 is provided, the same effect as in the present embodiment can be exhibited.
[0046]
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the minority carriers (electrons) injected from the emitter region into the base region reach the region (SiGe graded composition layer 18a) in which the Ge content changes in the base region. While traveling through the layer 18b, it moves only by diffusion, and during that time, the effect of acceleration by the built-in electric field cannot be obtained, which is slightly disadvantageous from the viewpoint of high-speed operation.
[0047]
The SiGe-HBT of the second embodiment of the present invention is provided with means for eliminating this disadvantage in the first embodiment. That is, the present invention relates to a structure for suppressing variations in current gain caused by fluctuations in the EB junction position while maintaining the minority carrier acceleration function by the built-in electric field in the entire base region.
[0048]
FIG. 3 is a diagram showing an impurity concentration distribution in the depth direction and a change in Ge content in a cross section taken along the line Ia-Ia of the SiGe-HBT according to the second embodiment of the present invention (see FIG. 1). The basic structure of the SiGe-HBT of this embodiment is as shown in FIG. 1 in the first embodiment.
[0049]
As shown in FIG. 3, in the SiGe-HBT according to the present embodiment, the Ge content in the SiGe upper layer 18b is not constant and gradually increases in the direction from the emitter region to the collector region. That is, the band gap in the SiGe upper layer 18b gradually decreases in the direction from the emitter region to the collector region, thereby enhancing the carrier acceleration function. The fact that the EB junction portion 33 is formed in the SiGe upper layer 18b and that the Ge content of the SiGe gradient composition layer 18a is greatly changed in the direction from the collector region to the emitter region is the first embodiment. It is the same as the form.
[0050]
Also in the present embodiment, even if the position of the EB junction 33 varies due to variations or variations in manufacturing process conditions, the SiGe graded composition layer 18a, The thicknesses of the SiGe upper layer 18b and the Si film 19 are set.
[0051]
Then, due to fluctuations and variations in manufacturing process conditions, N + The diffusion depth of the N-type impurity from the n-type emitter polysilicon film 23 varies, but the variation range is empirically known from the process conditions, so the thickness of the SiGe upper layer 18b is larger than the variation width of the N-type impurity diffusion depth Can be set so that the EB junction 33 is formed in the SiGe upper layer 18b almost certainly.
[0052]
In particular, it is preferable to set so that the center position in the thickness direction of the SiGe upper layer 18b and the center of the variation range of the depth at which the N-type impurity diffuses from the emitter polysilicon film 23 substantially coincide. In general, since the upper limit of the Ge content in the SiGe film is around 30%, in order to realize both a high current amplification factor due to the narrow band gap of SiGe and a high-speed base running due to the gradient composition, The Ge content of the SiGe upper layer 18b varies in the range of 2 to 8%, and the variation width of the content is preferably within 4%.
[0053]
In the present embodiment, as in the first embodiment described above, the EB junction 33 is formed in the SiGe upper layer 18b, and a high current gain h due to the narrow band gap is obtained. FE Can be maintained. Even if the diffusion depth of the N-type impurity from the emitter polysilicon film 23 varies, the change in the Ge content in the SiGe upper layer 18b is relatively small, so that the position of the EB junction 33 in the SiGe upper layer 18b is Variations in the Ge content due to fluctuations can be suppressed. In addition, when minority carriers (electrons) are injected into the SiGe upper layer 18b, the minority carrier acceleration function by the built-in electric field can be obtained even when traveling through the SiGe upper layer 18b having a gradient composition. The operation speed of SiGe-HBT can be further improved compared to the first embodiment.
[0054]
In the present embodiment, there is a bending point in the change line of the Ge content rate at the boundary between the SiGe graded composition layer 18a and the SiGe upper layer 18b in the SiGe film 18, but the Ge content is reduced at the boundary between the two. By continuously changing, it is possible to prevent a bent point from being generated in the change line of the Ge content. By having such a structure, the carrier acceleration function by the built-in electric field is more effectively exhibited.
[0055]
(Third embodiment)
Similar to the first and second embodiments, the SiGe-HBT of the third embodiment of the present invention further suppresses variations in the current amplification factor caused by the variation in the position of the EB junction, and further, the SiGe film and the SiGe Means are provided for suppressing the occurrence of crystal defects between the film.
[0056]
FIG. 4 is a diagram showing an impurity concentration distribution in the depth direction and a change in Ge content in a cross section taken along the line Ia-Ia (see FIG. 1) of SiGe-HBT according to the third embodiment of the present invention. The basic structure of the SiGe-HBT of this embodiment is as shown in FIG. 1 in the first embodiment.
[0057]
In the SiGe-HBT according to the present embodiment, the SiGe film 18 includes the SiGe uppermost layer 18c in addition to the SiGe gradient composition layer 18a and the SiGe upper layer 18b. The Ge content of the SiGe upper layer 18b is substantially constant, and the Ge content of the SiGe uppermost layer 18c decreases rapidly in the direction from the collector region to the emitter region, and is substantially 0 in the portion adjacent to the Si film 19. It has become. That is, the Ge content in the SiGe uppermost layer 18c rapidly decreases in the direction from the emitter region toward the collector region, and the upper end of the SiGe uppermost layer 18c has the same band gap as Si. The EB junction 33 is formed in the SiGe upper layer 18b. Further, the P-type impurity (boron) is introduced into the SiGe graded composition layer 18a and the SiGe upper layer 18b, and is hardly introduced into the SiGe uppermost layer 18c. Similar to the first and second embodiments, the Ge content of the SiGe graded composition layer 18a increases in the direction from the emitter region to the collector region.
[0058]
Also in the present embodiment, even if the position of the EB junction 33 varies due to variations or variations in manufacturing process conditions, the SiGe graded composition layer 18a, The thicknesses of the SiGe upper layer 18b, the SiGe uppermost layer 18c, and the Si film 19 are set.
[0059]
Then, due to fluctuations and variations in manufacturing process conditions, N + The diffusion depth of the N-type impurity from the n-type emitter polysilicon film 23 varies, but the variation range is empirically known from the process conditions, so the thickness of the SiGe upper layer 18b is larger than the variation width of the N-type impurity diffusion depth Can be set so that the EB junction 33 is formed in the SiGe upper layer 18b almost certainly.
[0060]
Also in this embodiment, it is preferable to set the center position in the thickness direction of the SiGe upper layer 18b so that the center of the variation range of the depth at which the N-type impurity diffuses from the emitter polysilicon film 23 substantially coincides. . In general, since the upper limit of the Ge content in the SiGe film is around 30%, in order to realize both a high current amplification factor due to the narrow band gap of SiGe and a high-speed base running due to the gradient composition, The Ge content of the SiGe upper layer 18b is preferably in the range of 2% to 8%.
[0061]
In the present embodiment, as in the first embodiment, the Ge content in the EB junction portion 33 is substantially constant, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained. In addition, since the Ge content in the SiGe uppermost layer 18c is continuously reduced upward and becomes 0 in the portion adjacent to the Si film 19, the following effects can also be exhibited. .
[0062]
In the case of the first and second embodiments, the Ge content in the upper end portion of the SiGe film 18 (SiGe upper layer 18b) is not 0 but has a constant value. However, since the lattice constants of Si and Ge are different by about 4%, there is a lattice mismatch between the SiGe upper layer 18b and the Si film 19, and as a result, lattice distortion occurs in the Si film 19 and the SiGe film 18. May cause crystal defects.
[0063]
On the other hand, in the present embodiment, since there is almost no lattice mismatch between the upper end of the SiGe film 18 (SiGe uppermost layer 18c) and the Si film 19, lattice distortion occurs in the SiGe film 18 and the Si film 19. It is possible to effectively suppress the occurrence of crystal defects due to the above.
[0064]
-Modification-
FIG. 5 is a diagram showing an impurity concentration distribution in the depth direction and a change in Ge content in an Ia-Ia cross section (see FIG. 1) of SiGe-HBT according to a modification of the third embodiment of the present invention. . The basic structure of the SiGe-HBT of this modification is as shown in FIG. 1 in the first embodiment.
[0065]
In this modification, the Ge content in the SiGe upper layer 18b is not constant, but gradually increases in the direction from the emitter region to the collector region, and is configured to enhance the carrier acceleration function by reducing the band gap. ing. Then, the EB junction portion 33 is formed in the SiGe upper layer 18b, and the Ge content of the SiGe uppermost layer 18c rapidly decreases in the direction from the collector region to the emitter region and is adjacent to the Si film 19. As in the third embodiment, the value is almost zero.
[0066]
In this modification, in addition to the same effects as those of the third embodiment described above, minority carriers (electrons) injected from the emitter region to the base region by the built-in electric field in the SiGe upper layer 18b as in the second embodiment. ) Acceleration function can be improved.
[0067]
In order to achieve both a high current amplification factor due to the narrow band gap of SiGe and a high-speed base running due to the gradient composition while suppressing the occurrence of crystal defects, the Ge content of the SiGe upper layer 18b is 2% The above range is preferably 8% or less, and the change width of the Ge content in the SiGe upper layer 18b is preferably within 4%.
[0068]
Note that the Ge content of the portion of the SiGe uppermost layer 18c in contact with the Si film 19 in the third embodiment or its modification does not necessarily have to be 0. If the value is close to 0, crystal defects due to lattice distortion may occur. Although the effect of suppressing the generation can be obtained, in order to exhibit the effect of this embodiment more effectively, the Ge content of the portion adjacent to the Si film 19 of the SiGe uppermost layer 18c is preferably 0. .
[0069]
(Fourth embodiment)
Similar to the first to third embodiments, the SiGe-HBT according to the fourth embodiment of the present invention suppresses the variation in current amplification factor caused by the variation in the position of the EB junction, and further varies the EB breakdown voltage. Means for suppressing this are provided.
[0070]
FIG. 6 is a diagram showing an impurity concentration distribution in the depth direction and a change in Ge content in a cross section taken along the line Ia-Ia (see FIG. 1) of SiGe-HBT according to the fourth embodiment of the present invention. The basic structure of the SiGe-HBT of this embodiment is as shown in FIG. 1 in the first embodiment.
[0071]
As shown in the figure, in the present embodiment, the SiGe film 18 includes an undoped SiGe buffer layer 18x, a SiGe graded composition layer 18a in which the Ge content changes monotonously and continuously, and the Ge content is It is constituted by a substantially constant SiGe upper layer 18b. In the SiGe graded composition layer 18a, the Ge content becomes a minimum value (for example, a value of 2% to 8%), and continuously increases in the direction from the emitter region to the collector region. When reached, the Ge content becomes the maximum value (for example, a value of 20% to 30%). In the SiGe upper layer 18b, the Ge content is substantially constant.
[0072]
The P-type impurity diffusion region 32 serving as a base is formed across the SiGe gradient composition layer 18a and the SiGe upper layer 18b. The N-type impurity diffusion region 31 is formed from the Si film 19 to a part of the SiGe upper layer 18b. That is, the EB junction 33 that is the boundary between the P-type impurity diffusion region 32 and the N-type impurity diffusion region 31 is configured to exist at one site in the SiGe upper layer 18b. That is, during the heat treatment for forming the emitter region, the N-type impurity reaches not only from the emitter polysilicon film 23 to the Si film 19 but also to the SiGe film 18 therebelow. However, due to variations in manufacturing process conditions and variations, Even if the position of the EB junction 33 varies, the thicknesses of the SiGe gradient composition layer 18a, the SiGe upper layer 18b, and the Si film 19 are set so that the EB junction 33 is in one part of the SiGe upper layer 18b. ing.
[0073]
In other words, due to fluctuations and variations in manufacturing process conditions, N + The diffusion depth of the N-type impurity from the n-type emitter polysilicon film 23 varies, but the variation range is empirically known from the process conditions, so the thickness of the SiGe upper layer 18b is larger than the variation width of the N-type impurity diffusion depth Can be set so that the EB junction 33 is formed in the SiGe upper layer 18b almost certainly.
[0074]
However, in the present embodiment, as the Ge content in the SiGe graded composition layer 18a of the SiGe film 18 greatly decreases toward the emitter side, the B concentration content in the SiGe graded composition layer 18a also decreases. Yes. However, since the Ge content is substantially constant in the SiGe upper layer 18b, the B concentration in the SiGe upper layer 18b is kept substantially constant.
[0075]
Also in this embodiment, it is preferable to set the center position in the thickness direction of the SiGe upper layer 18b so that the center of the variation range of the depth at which the N-type impurity diffuses from the emitter polysilicon film 23 substantially coincides. .
[0076]
In the present embodiment, as in the first embodiment, the Ge content in the EB junction portion 33 is substantially constant. Therefore, as in the first embodiment, the variation in the diffusion depth of the N-type impurity is reduced. Even if it considers, it is easy to adjust the film thickness of each layer so that the EB junction part 33 exists in the SiGe upper layer 18b whose Ge content rate is substantially constant. In addition, since the B concentration in the SiGe upper layer 18b is maintained substantially constant, the B concentration Ge content in the EB junction 33 can be maintained substantially constant even if there are fluctuations and variations in manufacturing process conditions. it can. Therefore, variation in EB breakdown voltage can be suppressed.
[0077]
On the other hand, the decrease in Ge content (GeH Four B to compensate for the amount of B taken in as the flow rate decreases) 2 H 6 In principle, it is possible to keep the B concentration in the SiGe film constant by increasing the flow rate of the SiGe film. However, in this method, the process becomes complicated.
[0078]
On the other hand, in the case of this embodiment, the source gas for B (B 2 H 6 ), The variation in the EB breakdown voltage can be reliably suppressed by a simple process.
[0079]
-Modification-
FIG. 7 is a diagram showing an impurity concentration distribution in the depth direction and a change in Ge content in a cross section taken along line Ia-Ia (see FIG. 1) of SiGe-HBT according to a modification of the fourth embodiment of the present invention. . The basic structure of the SiGe-HBT of this modification is as shown in FIG. 1 in the first embodiment.
[0080]
In this modification, the Ge content in the SiGe upper layer 18b is not constant, but gradually increases in the direction from the emitter region to the collector region, and is configured to enhance the carrier acceleration function by reducing the band gap. ing. The EB junction portion 33 is formed in the SiGe upper layer 18b as in the fourth embodiment.
[0081]
In this modification, in addition to the same effects as those of the fourth embodiment described above, minority carriers (electrons) injected from the emitter region to the base region by the built-in electric field in the SiGe upper layer 18b as in the second embodiment. ) Acceleration function can be improved.
[0082]
On the other hand, in the SiGe upper layer 18b, the B concentration also changes with the change in the Ge content. However, the change in the Ge content in the SiGe upper layer 18b is larger than the change in the Ge content in the SiGe gradient composition layer 18a. Since it is small, the change in the B concentration in the SiGe upper layer 18b is also small. Therefore, the variation in the EB breakdown voltage can also be suppressed by this modification.
[0083]
In the fourth embodiment or its modification, the SiGe uppermost layer 18c having the Ge gradient composition as in the third embodiment can be provided.
[0084]
(Other embodiments)
In the first to fourth embodiments, the example in which the present invention is applied to the bipolar transistor (SiGe-HBT) having the Si / SiGe heterojunction has been described. However, the present invention is not limited to the Si / SiGeC or SiGe / SiGeC heterojunction. Even when applied to a bipolar transistor having a junction, the same effects as those of the first to fourth embodiments can be exhibited. In that case, the base layer is a ternary mixed crystal semiconductor layer containing Si, Ge, and carbon (C).
[0085]
Furthermore, the present invention is not an HBT having a mixed crystal semiconductor layer as in the first to fourth embodiments, but an HBT having a compound semiconductor layer containing, for example, indium (In), gallium (Ga), and P. Even if it applies to, the effect similar to the said 1st-4th embodiment can be exhibited.
[0086]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device of the present invention, in a heterojunction bipolar transistor having a structure in which the band gap of the base region is inclined for carrier acceleration, even if the position of the EB junction varies, the band gap of the EB junction can be reduced. Variations can be suppressed, and thus a high current gain can be stably exhibited while maintaining high-speed operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a SiGe-HBT in a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an impurity concentration distribution in a depth direction and a Ge content change in a cross section (FIG. 1) of the SiGe-HBT according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an impurity concentration distribution in a depth direction and a Ge content change in an Ia-Ia line cross section (FIG. 1) of SiGe-HBT according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an impurity concentration distribution in a depth direction and a change in Ge content in an Ia-Ia line cross section (FIG. 1) of SiGe-HBT according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an impurity concentration distribution in a depth direction and a change in Ge content in a cross section (FIG. 1) of a SiGe-HBT according to a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an impurity concentration distribution in the depth direction and a change in Ge content in a cross section (FIG. 1) of a SiGe-HBT according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an impurity concentration distribution in a depth direction and a change in Ge content in a cross section (FIG. 1) of a SiGe-HBT according to a modification of the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional SiGe-HBT.
FIG. 9 is an energy band diagram for comparing band structures of SiGe-HBT and Si-BT having a gradient composition.
10 is a diagram showing an impurity concentration distribution in the depth direction and a change in Ge content in the XX line cross section shown in FIG. 8. FIG.
FIG. 11 is a diagram for explaining variation in diffusion depth of N-type impurities in a SiGe graded composition layer.
FIG. 12B 2 H 6 It is a figure which shows the impurity concentration distribution of the depth direction in conventional SiGe-HBT, and Ge content rate change when supposing that the flow volume of is constant.
[Explanation of symbols]
11 Si substrate
12 Si epitaxial layer
18 SiGe film
18a SiGe graded composition layer
18b SiGe top layer
18c SiGe top layer
18x SiGe buffer layer
19 Si film
20 N + Mold embedding layer
21 N + Type collector extraction layer
22 N - Type collector diffusion layer
23 N + Type emitter polysilicon film
24P + Type base polysilicon film
26 LOCOS separation
27 Deep trench isolation
31 N-type impurity diffusion region
32 P-type impurity diffusion region
33 EB joint

Claims (8)

第1の半導体層を有する基板と、
上記第1の半導体層の上に設けられ、上記第1の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、混晶半導体からなる第2の半導体層と、
上記第2の半導体層の上に設けられ、上記第2の半導体層よりもバンドギャップが大きい第3の半導体層とを備え、
上記第1の半導体層の少なくとも一部が第1導電型不純物を含むコレクタ領域であり、上記第2の半導体層の少なくとも一部が第2導電型不純物を含むベース領域であり、上記第3の半導体層の少なくとも一部が第1導電型不純物を含むエミッタ領域であるヘテロ接合バイポーラトランジスタとして機能する半導体装置であって、
上記第2の半導体層は、Si及びGeを含む混晶半導体からなり、上記ベース領域においてバンドギャップが上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向に連続的に大きくなる層であり、かつ、上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップが大きくなる組成を有する傾斜組成層と、該傾斜組成層の上に形成され上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップが大きくなると共に、該バンドギャップの変化率が上記傾斜組成層のバンドギャップの変化率よりも小さくなる組成を有する上部層とを含み、
上記傾斜組成層中の不純物濃度は、上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップの増大に従い減少し、
上記上部層中には、エミッタ・ベース接合部が形成され、
上記上部層内おけるGe含有率の変化幅は、4%以内であり、
上記上部層中の不純物濃度は、該上部層におけるGe含有率が、上記コレクタ領域から上記エミッタ領域に向かって減少するのに伴い減少し、かつ、上記上部層中の不純物濃度の変化は上記傾斜組成層中の不純物濃度の変化と比べて小さいことを特徴とする半導体装置。
A substrate having a first semiconductor layer;
A second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first semiconductor layer and made of a mixed crystal semiconductor;
A third semiconductor layer provided on the second semiconductor layer and having a larger band gap than the second semiconductor layer;
At least a part of the first semiconductor layer is a collector region containing a first conductivity type impurity, at least a part of the second semiconductor layer is a base region containing a second conductivity type impurity, the third semiconductor layer A semiconductor device that functions as a heterojunction bipolar transistor in which at least a part of a semiconductor layer is an emitter region containing a first conductivity type impurity,
The second semiconductor layer is a layer made of a mixed crystal semiconductor containing Si and Ge, and has a band gap that continuously increases in a direction from the collector region to the emitter region in the base region, and the collector region A graded composition layer having a composition that increases the band gap in the direction from the emitter region to the emitter region; An upper layer having a composition in which the rate of change is smaller than the rate of change of the band gap of the gradient composition layer,
The impurity concentration in the gradient composition layer decreases as the band gap increases in the direction from the collector region to the emitter region,
In the upper layer, an emitter-base junction is formed,
The variation width of the Ge content in the upper layer is within 4%,
The impurity concentration of the upper layer is, Ge content in the upper layer, decreases with the above collector region to decrease toward the emitter region, and the change of the impurity concentration of the upper layer is the inclination A semiconductor device characterized by being smaller than a change in impurity concentration in a composition layer.
第1の半導体層を有する基板と、
上記第1の半導体層の上に設けられ、上記第1の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、混晶半導体からなる第2の半導体層と、
上記第2の半導体層の上に設けられ、上記第2の半導体層よりもバンドギャップが大きい第3の半導体層とを備え、
上記第1の半導体層の少なくとも一部が第1導電型不純物を含むコレクタ領域であり、上記第2の半導体層の少なくとも一部が第2導電型不純物を含むベース領域であり、上記第3の半導体層の少なくとも一部が第1導電型不純物を含むエミッタ領域であるヘテロ接合バイポーラトランジスタとして機能する半導体装置であって、
上記第2の半導体層は、Si及びGeを含む混晶半導体からなり、上記ベース領域においてバンドギャップが上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向に連続的に大きくなる層であり、かつ、上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップが大きくなる組成を有する傾斜組成層と、該傾斜組成層の上に形成され上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップが大きくなると共に、該バンドギャップの変化率が上記傾斜組成層のバンドギャップの変化率よりも小さくなる組成を有する上部層と、該上部層の上に形成され上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップが大きくなると共に、該バンドギャップの変化率が上記上部層のバンドギャップの変化率よりも大きくなる組成を有する最上部層とを含み、
上記上部層中には、エミッタ・ベース接合部が形成され、
上記上部層内におけるGe含有率の変化幅は、4%以内であることを特徴とする半導体装置。
A substrate having a first semiconductor layer;
A second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first semiconductor layer and made of a mixed crystal semiconductor;
A third semiconductor layer provided on the second semiconductor layer and having a larger band gap than the second semiconductor layer;
At least a part of the first semiconductor layer is a collector region containing a first conductivity type impurity, at least a part of the second semiconductor layer is a base region containing a second conductivity type impurity, the third semiconductor layer A semiconductor device that functions as a heterojunction bipolar transistor in which at least a part of a semiconductor layer is an emitter region containing a first conductivity type impurity,
The second semiconductor layer is a layer made of a mixed crystal semiconductor containing Si and Ge, and has a band gap that continuously increases in a direction from the collector region to the emitter region in the base region, and the collector region A graded composition layer having a composition in which the band gap increases in the direction from the emitter region to the emitter region, and the band gap increases in the direction from the collector region to the emitter region formed on the graded composition layer. An upper layer having a composition in which the rate of change is smaller than the rate of change of the band gap of the gradient composition layer; and the band gap is increased in the direction from the collector region to the emitter region, A composition in which the change rate of the band gap is larger than the change rate of the band gap of the upper layer. And a top layer having,
In the upper layer, an emitter-base junction is formed,
The width of change of the Ge content in the upper layer is within 4%.
請求項1に記載の半導体装置において、
上記第2の半導体層は、上記上部層の上に、上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップが大きくなると共に、該バンドギャップの変化率が上記上部層のバンドギャップの変化率よりも大きくなる組成を有する最上部層を含むことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 ,
The second semiconductor layer has a band gap larger on the upper layer in a direction from the collector region to the emitter region, and the rate of change of the band gap is higher than the rate of change of the band gap of the upper layer. A semiconductor device comprising an uppermost layer having an increasing composition.
請求項1又は2に記載の半導体装置であって、
上記第3の半導体層はSi層であり、
上記第2の半導体層の上部層におけるGe含有率が2%以上で8%以下の範囲にあることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
The third semiconductor layer is a Si layer;
A semiconductor device characterized in that the Ge content in the upper layer of the second semiconductor layer is in the range of 2% to 8%.
請求項1又は2に記載の半導体装置であって、
上記第2の半導体層は、Si、Ge及びCを含む3元系の混晶半導体層であり、
上記傾斜組成層中のGe含有率が、上記コレクタ領域から上記エミッタ領域に向かって減少することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
The second semiconductor layer, Ri mixed crystal semiconductor layer der ternary containing Si, Ge, and C,
A semiconductor device, wherein a Ge content in the graded composition layer decreases from the collector region toward the emitter region .
請求項1又は2に記載の半導体装置であって、
上記エミッタ・ベース接合部は、上記上部層の厚さ方向の中央に位置していることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the emitter-base junction is located at the center of the upper layer in the thickness direction .
請求項に記載の半導体装置であって、
上記傾斜組成層中の不純物濃度は、上記コレクタ領域からエミッタ領域に向かう方向にバンドギャップの増大と共に減少し、
上記上部層中の不純物濃度は、上記上部層におけるGe含有率が、上記コレクタ領域から上記エミッタ領域に向かって減少するのに伴い減少し、
上記上部層中の不純物濃度の変化は、上記傾斜組成層中の不純物濃度の変化と比べて小さいことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2 ,
The impurity concentration in the gradient composition layer decreases as the band gap increases in the direction from the collector region to the emitter region,
The impurity concentration in the upper layer decreases as the Ge content in the upper layer decreases from the collector region toward the emitter region ,
A change in impurity concentration in the upper layer is smaller than a change in impurity concentration in the gradient composition layer.
請求項1又は7に記載の半導体装置であって、
上記第2の半導体層中の不純物はボロン(B)であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device according to claim 1 or 7 ,
The semiconductor device, wherein the impurity in the second semiconductor layer is boron (B).
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