JP4092598B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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(heterojunction bipolar transistor:HBT)を含む半導体装置の製造方法の改良に関する。
【0002】
現在、化合物半導体HBT、なかでもInGaAsからなるベース層をもつHBT、例えば、InPエミッタ層/InGaAsベース層をもったHBT、或いは、InAlAsエミッタ層/InGaAsベース層をもったHBTなどが、その高速動作性の面で注目されている。
【0003】
然しながら、素子間分離構造に起因して、寄生容量、特にベース・コレクタ容量CbCを小さくすることができず、高速動作性が妨げられているので、これを打開する必要があり、本発明では、その一手段を開示する。
【0004】
【従来の技術】
通常、InGaAsを材料とするベース層をもつHBTでは、コレクタ・コンタクトの為のサブ・コレクタ層としてInGaAs或いはInPを用いる為、例えばAlGaAsエミッタ層/GaAsベース層、或いは、InGaPエミッタ層/GaAsベース層をもつHBTのようにイオン注入に依ってサブ・コレクタ層を不活性化することができない。
【0005】
従って、メサ・エッチングに依存した素子間分離構造を用いたものが主流になっていて、その為、寄生容量、特にベース・コレクタ容量Cbcを小さくすることができず、高速動作性能が犠牲になっていた。
【0006】
このような問題を解消する為、ベース電極下の外部ベース領域の一部及びその下のコレクタ層をアンダ・カットした構造、即ち、ベース電極をマスクにして、ベース層及びコレクタ層をサイド・エッチングした構造をもつHBTが知られている(要すれば、「InAlAs/InGaAs−InP HBT:1997GaAs IC Symposium(p.141)TRW K.W.Kobayashi等」、「AlGaAs/GaAs HBT:1996 GaAs IC Symposium(p.167)TI W.Liu等」、「特開平9−36131号公報」、「特開平7−245317号公報」、などを参照)。
【0007】
また、ベース・コレクタ容量Cbcを低減する為、▲1▼ ベース電極引き出し部に於いて、ベース層の除去、絶縁膜の形成、コレクタ層並びにサブ・コレクタ層へのイオン注入に依る高抵抗化、また、▲2▼ 外部ベース領域下へのイオン注入に依る外部コレクタ領域の高抵抗化、などを行なうことが知られている(要すれば、「特開平5−198586号公報」、を参照)。
【0008】
図14はベース電極下の外部ベース領域の一部及びその下のコレクタ層をアンダ・カットした構造を説明する為のHBTを表す要部説明図であり、(A)は要部平面を、(B)は線X−Xに沿う要部断面を、(C)は線Y−Yに沿う要部断面をそれぞれ示している。
【0009】
図に於いて、1はサブ・コレクタ層、2はコレクタ層、3はベース層、3Aは真性ベース領域、3Bは外部ベース領域、4はエミッタ層、5はエミッタ・キャップ層、6はエミッタ電極、7はベース電極、7Aはベース電極引き出し部、8はコレクタ電極、9は層間絶縁膜、9Aは電極コンタクト・ホール、10はエミッタ引き出し配線、11はベース引き出し配線、12はコレクタ引き出し配線をそれぞれ示している。
【0010】
図14(C)を見ると明らかであるが、破線で示してあるように、外部ベース領域3Bの一部及びその下のコレクタ層2の一部をベース電極7をマスクにサイド・エッチングして除去することで寄生容量の低減を図っている。
【0011】
然しながら、このHBTでは、ベース電極引き出し部7Aに於ける寄生容量の低減について殆ど考慮していない。
【0012】
即ち、前記したように、外部ベース領域3Bの一部及びその下のコレクタ層2の一部を除去する際、ベース電極引き出し部7Aに於いても、同じようにサイド・エッチングが行なわれて、その一部は除去されるのであるが、ベース電極引き出し部7Aに存在する各半導体層は、ベース電極7とベース引き出し配線11とのコンタクト部分を支える働きはしているものの、その他には何等の役割も果たすことなく、寄生容量源になっているだけである。しかも、通常、ベース電極引き出し部7Aは、電極コンタクト・ホール9Aを形成する関係で、その近傍は拡大された構造になっているので、前記サイド・エッチングを行なっても、その深さは他と同じであって、殆どが残っている状態になってしまい、寄生容量の低減に寄与することろは少ない。
【0013】
また、ベース電極引き出し部7Aに於ける寄生容量を充分に低減させようとして、その部分の各半導体層を殆ど除去した場合、外部ベース領域3Bなども同様にサイド・エッチングされるから、HBTが正常に機能しないような状態になってしまう。これを回避する為には、外部ベース領域3Bの幅とベース電極引き出し部7Aの幅と同じにすれば可能であろうが、面積を全体的に大きくしなければならず、高集積化の面で不利になる。
【0014】
前記した問題は、図示説明した外部ベース領域3Bの一部及びその下のコレクタ層2の一部を除去する手段と類似の手段を採る従来のHBTに共通して存在するところであり、また、ベース電極引き出し部に於いて、ベース層の除去、絶縁膜の形成、コレクタ層及びサブ・コレクタ層へのイオン注入に依る高抵抗化などを実施する特開平5−198586号公報に見られる手段をとることは、研究段階では別として、実用ベースに馴染まないほど製造工程が複雑化する。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
簡単な工程で、ベース電極引き出し部に於けるベース層及びコレクタ層などの半導体部分を除去し、ベース・コレクタ容量Cbcを大きく低減させ、HBTの特性、特に、高速動作性を更に向上しようとする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ベース電極引き出し部に於いて、ベース電極とベース層とが接触しない構造、換言すると、ベース電極下にベース層やコレクタ層が存在しない構造とし、ベース・コレクタ容量Cbcを低減させることが基本になっていて、ベース電極とベース層とが接触しない構造を実現するには何通りかの手段がある。
【0017】
図1は本発明を説明する為の原理的なHBTの構造を表す要部切断側面図である。
【0018】
図に於いて、21はサブ・コレクタ層、22はコレクタ層、23はベース層、24はエミッタ層、25はエミッタ・キャップ層、26はエミッタ電極、27はベース電極、27Aはベース電極引き出し部、28はコレクタ電極、29はポリイミドからなる層間絶縁膜、30はエミッタ引き出し配線、31はベース引き出し配線、32はコレクタ引き出し配線をそれぞれ示している。
【0019】
図から明らかなように、ベース電極引き出し部27Aはベース層23の表面から屈曲して持ち上がった形状をなし、また、その下方には、ベース層23やコレクタ層22は存在しない構造になっている。
【0020】
このような構造を得るには、ベース電極27を形成する際、ベース電極引き出し部27Aとなるべき部分の下にベース層23の表面からベース電極引き出し部27Aを引き離す形状をもった構造物、即ち、台座を予め形成しておき、ベース電極27を形成後、ベース・メサ・エッチングを行なう際に前記台座も除去すれば、図示のような形状が得られる。
【0021】
その際、ベース電極引き出し部27Aの下に在るベース層23の部分は、表面が露出されている為、サイド・エッチングなどの場合と異なり、多くの領域を容易且つ簡単に除去することができる。
【0022】
前記台座は、ベース電極27を形成する前の段階に於いて、絶縁膜で形成したり、InPやInAlAsからなるエミッタ層を利用して形成することも可能である。
【0023】
図2は本発明を説明する為の原理的な別のHBTの構造を表す要部切断側面図であり、図1に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0024】
図に於いて、33は層間絶縁膜、33Aはベース電極引き出し部27Aの下に生成された空洞をそれぞれ示している。
【0025】
このような構成を実現するには、コレクタ電極28をコレクタ層22と略同じ厚さに形成して、その後、層間絶縁膜33を形成すれば、空洞33Aが生成されるものであり、空洞33A内の比誘電率(εr )は1であるから、寄生容量の低減が可能になると共にベース電極引き出し部27Aの支持を強化することができる。層間絶縁膜33に空洞33Aがなく、密実な状態であれば、ベース電極引き出し部27Aの支持強度は高められるが、寄生容量は増大する。
【0026】
前記したところから、本発明に依る半導体装置の製造方法に於いては、
(1)
半導体基板(例えば基板20)上に一導電型コレクタ層(例えばコレクタ層22)及び反対導電型ベース層(例えばベース層23)及び一導電型エミッタ層(例えばエミッタ層24)を積層形成する工程と、次いで、前記一導電型エミッタ層をメサ化する工程と、次いで、前記メサ化された一導電型エミッタ層の側方にベース電極引き出し部(例えばベース電極引き出し部27A)を前記反対導電型ベース層の表面から離隔する方向に持ち上げて屈曲した形状にする為の台座(例えば台座42A)を形成する工程と、次いで、前記ベース電極引き出し部を含むベース電極(例えばベース電極27)を形成する工程と、次いで、前記台座及び前記ベース電極引き出し部下方の前記反対導電型ベース層を除去する工程とが含まれてなることを特徴とするか、又は、
(2)
前記(1)に於いて、反対導電型ベース層の除去に引き続いてベース電極引き出し部下方のコレクタ層(例えばコレクタ層22)を除去する工程が含まれてなることを特徴とするか、又は、
(3)
半導体基板(例えば基板20)上に一導電型コレクタ層(例えばコレクタ層22)及び反対導電型ベース層(例えばベース層23)及び一導電型エミッタ層(例えばエミッタ層24)を積層形成する工程と、次いで、前記一導電型エミッタ層をエッチングしてメサ化すると共にそのメサの側方にベース電極引き出し部(例えばベース電極引き出し部27A)を前記反対導電型ベース層の表面から離隔する方向に持ち上げて屈曲した形状にする為の台座(例えば台座42A)を同じ一導電型エミッタ層を利用して形成する工程と、次いで、前記ベース電極引き出し部を含むベース電極(例えばベース電極27)を形成する工程と、次いで、前記台座及び前記ベース電極引き出し部下方の少なくとも前記反対導電型ベース層を除去する工程とが含まれてなることを特徴とするか、又は、
(4)
前記(3)に於いて、台座の側面に順メサのなだらかな傾斜が付与されるエッチングを施すことを特徴とする。
【0034】
前記手段を採ることに依り、簡単な工程で、ベース引き出し部に於けるベース層及びコレクタ層などの半導体部分を除去し、ベース・コレクタ容量Cbcを大きく低減させ、HBTの特性、特に、高速動作性を更に向することができる。
【0035】
因みに、本発明のHBTでは除去されるベース電極引き出し部下方に於けるベース層及びコレクタ層が残っていると仮定した場合、比誘電率はInGaAsで約13.9、InPで約12.4であるが、本発明の実施の形態に見られるように、当該部分を除去してからポリイミドからなる層間絶縁膜を埋め込んだ場合、比誘電率は約4であり、しかも、サブ・コレクタ層表面からの距離が(台座+ベース層)の厚さ分が増加するから、寄生容量は更に低減される。
【0036】
また、層間絶縁膜中に空洞が生成されるものに於いては、ベース・コレクタ容量Cbcが増加することなく、ベース電極引き出し部の支持強度を向上させることができるので、機械的に安定な構造を実現することができる。
【0037】
この場合、ベース電極引き出し部の下方は一部が絶縁膜で覆われるが、大部分は中空状態であり、空気の比誘電率は1であるから、SiO2 =3.9、SiON=約6、SiN=7.5などと比較すると著しく小さい。
【0038】
【発明の実施の形態】
図3乃至図5は本発明に於ける一実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【0039】
この実施の形態は、ベース層23の表面からベース電極引き出し部27Aを引き離す為、絶縁物からなる台座を利用する例であり、以下、図を参照しつつ説明する。
【0040】
図3(A)参照
3−(1)
MOCVD(metalorganic chemical vapourdeposition)法を適用することに依り、基板20上にサブ・コレクタ層21、コレクタ層22、ベース層23、エミッタ層24、エミッタ・キャップ層25を成長させる。
【0041】
ここで、各半導体部分に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
(1) 基板20について
材料:半絶縁性InP
(2) サブ・コレクタ層21について
材料:n+ −InGaAs
不純物濃度:4×1019〔cm-3〕
厚さ:4000〔Å〕
(3) コレクタ層22について
材料:n- −InGaAs
不純物濃度:1×1017〔cm-3〕以下
厚さ:5000〔Å〕
(4) ベース層23について
材料:p+ −InGaAs
不純物濃度:4×1019〔cm-3〕
厚さ:500〔Å〕
(5) エミッタ層24について
材料:n−InP
不純物濃度:4×1017〔cm-3〕
厚さ:2000〔Å〕
(6) エミッタ・キャップ層25について
材料:n+ −InGaAs
不純物濃度:4×1019〔cm-3〕
厚さ:1000〔Å〕
【0042】
3−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、エミッタ・キャップ層25上にエミッタ形成予定部分を覆うレジスト膜41を形成する。
【0043】
3−(3)
エッチャントを例えばH3 PO4 :H2 O2 :H2 O=1:1:50(InGaAs用)及びHCl:H3 PO4 =1:5(InP用)とするウエット・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜41をマスクとしてエミッタ・キャップ層25及びエミッタ層24のメサ・エッチングを行なう。尚、図には、エミッタ・キャップ層25がエッチングされた状態を示してある。
【0044】
この場合のエッチングには、勿論、ドライ・エッチング法を適用することができる。
【0045】
図3(B)参照
3−(4)
レジスト膜41を除去してから、CVD(chemical vapordeposition)法を適用することに依り、厚さ例えば1000〔Å〕〜3000〔Å〕のSiO2 からなる絶縁膜42を形成する。尚、SiO2 はSiONなどに代替しても良い。
【0046】
3−(5)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、ベース電極引き出し部をベース層から引き離す構成を得る為の台座形成予定部分にレジスト膜43を形成する。
【0047】
図4(A)参照
4−(1)
フッ酸或いは緩衝フッ酸をエッチャントとするウエット・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜43をマスクとして絶縁膜42のエッチングを行なって台座42Aを形成する。
【0048】
4−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、真空蒸着法、リフト・オフ法を適用することに依り、Ti/Pt/Auからなるエミッタ電極26を形成し、次いで、同じ手段を用いてTi/Pt/Auからなるベース電極27を形成する。尚、ベース電極27には、ベース電極引き出し部27Aが一体になって含まれていることは云うまでもなく、また、ベース電極引き出し部27Aの下地、即ち、台座42Aは、ベース電極引き出し部27Aの範囲を越えて一部が表出されている。
【0049】
この工程に於いて、エミッタ電極26とベース電極27の形成順序は逆にしても良く、また、材料も、前記の他にエミッタ電極26としてWSiを用いたり、ベース電極27としてWSiやAuZn/Auを用いることができる。
【0050】
図4(B)参照
4−(3)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、エミッタ領域を覆うレジスト膜44を形成する。
【0051】
4−(4)
エッチャントを緩衝フッ酸とするウエット・エッチング法を適用することに依り、台座42Aの全部及びベース層23とコレクタ層22の一部、即ち、図に網目で表示した部分を除去する。
【0052】
図5(A)参照
5−(1)
図5(A)には、台座42Aの全部及びベース層23とコレクタ層22の一部が除去された状態が示され、これから明らかなように、ベース電極引き出し部27Aの下地は、ベース層23は露出された表面からエッチングされる為、大きくアンダ・カットすることができる。
【0053】
5−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、真空蒸着法、リフト・オフ法を適用することに依り、AuGe/Ni/Auからなるコレクタ電極28を形成する。
【0054】
5−(3)
この後、通常の技法を適用し、層間絶縁膜の形成、電極コンタクト・ホールの形成、引き出し配線の形成などを行なって、図1に見られるような構成のHBTを完成させれば良い。
【0055】
図5(B)は、前記工程5−(1)に於いて、台座42Aの全部及びベース層23の一部を除去した状態で、リソグラフィ技術を適用し、コレクタ層22の一部を除去してサブ・コレクタ層21のコレクタ電極形成予定部分を表出させ、コレクタ電極28を形成した例であり、このようにした場合、ベース層23の一部は除去されるが、コレクタ層22が大きく残っているので、寄生容量の低減度合いは少ないが、強度は大きいから、耐衝撃性は高くなる。
【0056】
図6乃至図9は本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。尚、図1乃至図5に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0057】
この実施の形態は、ベース層23の表面からベース電極引き出し部27Aを引き離す為、台座としてエミッタ層の一部を利用し、又、エミッタ電極に対してベース電極やコレクタ電極をセルフ・アライメント的に形成する例であり、以下、図を参照しつつ説明する。
【0058】
図6(A)参照
6−(1)
基板20上にサブ・コレクタ層21などの所要半導体層を形成する工程は、さきに説明した実施の形態と全く同じである。
【0059】
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、真空蒸着法、リフト・オフ法を適用することに依り、厚さが例えば2000〔Å〕乃至4000〔Å〕のTi/Pt/Au或いはWSiからなるエミッタ電極26を形成する。尚、エミッタ電極26の形成は、ウエット或いはドライのエッチング手段に依っても良い。
【0060】
6−(2)
ウエット・エッチング法を適用することに依り、エミッタ電極26をマスクとしてエミッタ・キャップ層25のエッチングを行なう。
【0061】
図6(B)参照
6−(3)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、エミッタ層24上のベース電極引き出し部の形成予定部分にレジスト膜45を形成する。
【0062】
6−(4)
ウエット・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜45及びエミッタ電極26をマスクとしてエミッタ層24のエッチングを行なって、エミッタ電極26の直下に在るエミッタ層24のメサ化及びベース電極引き出し部27Aをベース層23の表面から屈曲して持ち上げる形状にする為の台座24Aを形成する。尚、このエッチングでは、ベース電極27をセルフ・アライメント方法で形成する際の分離を容易にする為、若干のサイド・エッチングを加えることが望ましく、また、前記ウエット・エッチング法はドライ・エッチング法に代えても良い。
【0063】
図7(A)参照
7−(1)
レジスト膜45を除去してから、真空蒸着法を適用することに依り、Au系或いは高融点金属系のベース電極材料膜を形成する。
【0064】
図7(B)参照
7−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、ベース電極27及びベース電極引き出し部27Aを含むベース電極パターンのレジスト膜46を形成する。
【0065】
7−(3)
イオン・ミリング法(Au系材料の場合)を適用することに依り、ベース電極材料膜のエッチングを行なってベース電極27を形成する。尚、ベース電極材料膜が高融点金属系材料である場合には、エッチング手段としてRIE(reactive ion etching)法を適用すると良い。
【0066】
ベース電極27にはベース電極引き出し部27Aが含まれていることは他の実施の形態と同様であり、また、この場合も台座24Aは、ベース電極引き出し部27Aの範囲を越えて一部が表出されている。
【0067】
7−(4)
レジスト膜46を残したままの状態で、台座24Aの全部及びベース層23とコレクタ層22の一部、即ち、図に網目で表示した部分を除去する。
【0068】
図8(A)参照
8−(1)
図8(A)には、台座24Aの全部及びベース層23とコレクタ層22の一部が除去された状態が示され、ベース電極引き出し部27Aの下地は、ベース層23が露出された表面からエッチングされる為、大きなアンダ・カットが実現されている。
【0069】
レジスト膜46を残したままの状態で、真空蒸着法を適用することに依り、コレクタ電極材料膜を全面に形成する。尚、真空蒸着法はスパッタリング法に代替しても良い。
【0070】
図8(B)参照
8−(2)
レジスト膜46を溶解除去するリフト・オフ法を適用することに依り、レジスト膜46上のコレクタ電極材料膜を除去する。
【0071】
8−(3)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、コレクタ電極パターンのレジスト膜47を形成する。
【0072】
図9参照
9−(1)
イオン・ミリング法或いはRIE法を適用することに依り、レジスト膜47をマスクとしてコレクタ電極材料膜の不要部分を除去し、コレクタ電極28を形成する。
【0073】
9−(2)
引き続き、イオン・ミリングを継続し、サブ・コレクタ層21のメサ化を行なう。
【0074】
9−(3)
この後、レジスト膜47を除去してから、通常の技法を適用し、層間絶縁膜の形成、電極コンタクト・ホールの形成、引き出し配線の形成を行なって、図1に見られるような構成のHBTを完成させる。
【0075】
このようにして完成されたHBTでは、ベース電極27などがセルフ・アライメント的に形成されることから、平面で見た占有面積を限界的に小さくすることが可能であり、寄生容量や寄生抵抗の低減に有効である。
【0076】
図10及び図11は本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。尚、図1乃至図9に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0077】
この実施の形態は、ベース電極引き出し部27Aをベース層23の表面から屈曲して持ち上げる形状をなだらかにして断線を防ぐようにした例であり、以下、図を参照しつつ説明する。
【0078】
図10(A)参照
10−(1)
基板20上にサブ・コレクタ層21などの所要半導体層を形成してから、エミッタ電極26の形成、エミッタ・キャップ層25のエッチング、エミッタ層24上のベース電極引き出し部の形成予定部分にレジスト膜45の形成まではさきの実施の形態と全く同じである。
【0079】
10−(2)
エッチャントをHCl:H3 PO4 =1:5とするウエット・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜45及びエミッタ電極26をマスクとしてエミッタ層24のエッチングを行なって、エミッタ電極26の直下に在るエミッタ層24のメサ化及びベース電極引き出し部27Aをベース層23の表面から屈曲して持ち上げる形状にする為の台座24Aを形成する。
【0080】
このエッチングに依れば、ベース電極27の長手方向、即ち、ベース電極引き出し部27Aが延在する方向と交差する台座24Aの面が順方向テーパをなすようにメサを形成することができる。
【0081】
図10(B)参照
10−(3)
レジスト膜45の除去、ベース電極材料膜の形成を行なう。
【0082】
図11参照
11−(1)
ベース電極27の形成、台座24Aの全部及びベース層23とコレクタ層22の一部の除去、コレクタ電極28の形成を行なう。
【0083】
11−(2)
この後、通常の技法を適用し、層間絶縁膜の形成、電極コンタクト・ホールの形成、引き出し配線の形成を行なってHBTを完成させる。
【0084】
このようにして完成されたHBTでは、ベース電極引き出し部27Aをベース層23の表面から屈曲して持ち上げる形状がなだらかになっていることから、断線防止に有効である。
【0085】
図12は本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。尚、図1乃至図11に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0086】
この実施の形態は、ベース電極引き出し部27A下方のアンダ・カットを更に大きくして寄生容量を低減させた例である。以下、図を参照しつつ説明する。
【0087】
前記各実施の形態では、コレクタ層22の材料にInGaAsを用いたHBTについて説明したが、コレクタ層22の材料をInPにしたダブル・ヘテロ構造のHBTの場合には、ベース層23をメサ化した後、コレクタ層22のみのエッチングを選択的に行なうことができる為、他の部分とは係わりなく、深いアンダ・カットを施し、図12に見られるように、例えばエミッタ直下の真性領域のみ残し、ベース電極27の下までも除去することができるので、寄生容量は著しく小さくなる。
【0088】
図13は本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。尚、図1乃至図12に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0089】
この実施の形態は、エミッタ電極26、ベース電極27、コレクタ電極28を形成した後、全体を層間絶縁膜で覆うことで、ベース層23の表面から離隔されたベース電極引き出し部27Aの剛性を比較的高く維持しながらも、下方のアンダ・カット部分には空洞を生成させて寄生容量の増加を抑止した例であって、以下、図を参照しつつ説明する。
【0090】
図13(A)参照
13−(1)
ここに見られるHBTは、図11に見られる状態のHBTと同様であるが、コレクタ電極28の厚さがベース層23と接触しない範囲で最大、従って、コレクタ層22の厚さと略等しい厚さに形成されている点で異なっている。
【0091】
図13(B)参照
13−(2)
CVD法を適用することに依り、厚さ例えば500〔nm〕〜1000〔nm〕であるSiO2 からなる層間絶縁膜33を形成する。尚、層間絶縁膜33の材料としては、SiO2 に限られず、他にSiONやSiNなどを用いることができる。
【0092】
前記構成、即ち、コレクタ層22を厚くして層間絶縁膜33を形成すると、ベース電極引き出し部27Aの下方に於ける層間絶縁膜33中に自然発生的に空洞33Aが生成される。
【0093】
従って、寄生容量を増大させることなく、ベース電極引き出し部27Aの支持を強化することができる。勿論、空洞33Aを発生させることなく、密実な層間絶縁膜33を形成すれば、支持の強度は高められるが、寄生容量は大きくなる。
【0094】
本発明は、前記説明した実施の形態に限られることなく、他に多くの改変を実現することができ、例えば、前記実施の形態では、主としてInP(エミッタ)/InGaAs(ベース)系、及び、InAlAs(エミッタ)/InGaAs(ベース)系のHBTについて説明したが、他の系の材料を用いたHBT、例えばAlGaAs(エミッタ)/GaAs(ベース)系、InGaP(エミッタ)/GaAs(ベース)系のHBTに実施することができる。
【0095】
【発明の効果】
本発明に依る半導体装置の製造方法に於いては、半導体基板上に一導電型コレクタ層及び反対導電型ベース層及び一導電型エミッタ層を積層形成する工程と、次いで、前記一導電型エミッタ層をメサ化する工程と、次いで、前記メサ化された一導電型エミッタ層の側方にベース電極引き出し部を前記反対導電型ベース層の表面から離隔する方向に持ち上げて屈曲した形状にする為の台座を形成する工程と、次いで、前記ベース電極引き出し部を含むベース電極を形成する工程と、次いで、前記台座及び前記ベース電極引き出し部下方の前記反対導電型ベース層を除去する工程とが含まれてなることが基本になっている。
【0096】
前記構成を採ることに依り、簡単な工程で、ベース引き出し部に於けるベース層及びコレクタ層などの半導体部分を除去し、ベース・コレクタ容量Cbcを大きく低減させ、HBTの特性、特に、高速動作性を更に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を説明する為の原理的なHBTの構造を表す要部切断側面図である。
【図2】本発明を説明する為の原理的な別のHBTの構造を表す要部切断側面図である。
【図3】本発明に於ける一実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図4】本発明に於ける一実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図5】本発明に於ける一実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図6】本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図7】本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図8】本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図9】本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図10】本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図11】本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図12】本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図13】本発明の他の実施の形態を説明する為の工程要所に於けるHBTを表す要部切断側面図である。
【図14】ベース電極下の外部ベース領域の一部及びその下のコレクタ層をアンダ・カットした構造を説明する為のHBTを表す要部説明図である。
【符号の説明】
21 サブ・コレクタ層
22 コレクタ層
23 ベース層
24 エミッタ層
25 エミッタ・キャップ層
26 エミッタ電極
27 ベース電極
27A ベース電極引き出し部
28 コレクタ電極
29 ポリイミドからなる層間絶縁膜
30 エミッタ引き出し配線
31 ベース引き出し配線
32 コレクタ引き出し配線
33 層間絶縁膜
33A ベース電極引き出し部27Aの下に生成された空洞[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor (HBT) using a compound semiconductor.SetThe present invention relates to an improvement of a manufacturing method.
[0002]
Currently, a compound semiconductor HBT, particularly an HBT having a base layer made of InGaAs, for example, an HBT having an InP emitter layer / InGaAs base layer, or an HBT having an InAlAs emitter layer / InGaAs base layer, is operated at high speed. It is attracting attention in terms of sex.
[0003]
However, due to the element isolation structure, parasitic capacitance, especially base-collector capacitance CbCTherefore, it is necessary to overcome this problem. In the present invention, one means is disclosed.
[0004]
[Prior art]
Usually, in an HBT having a base layer made of InGaAs, InGaAs or InP is used as a sub-collector layer for a collector contact. For example, an AlGaAs emitter layer / GaAs base layer or an InGaP emitter layer / GaAs base layer is used. The sub-collector layer cannot be deactivated by ion implantation as in the case of HBTs having
[0005]
Therefore, the one using an element isolation structure depending on mesa etching has become the mainstream, and as a result, parasitic capacitance, especially base-collector capacitance CbcCannot be made small, and high-speed operation performance has been sacrificed.
[0006]
In order to solve such a problem, a structure in which a part of the external base region under the base electrode and the collector layer under the base electrode are undercut, that is, the base layer and the collector layer are side-etched using the base electrode as a mask. HBTs having the structure described above are known (InAlAs / InGaAs-InP HBT: 1997 GaAs IC Symposium (p. 141) TRW KW Kobayashi et al.), “AlGaAs / GaAs HBT: 1996 GaAs IC Symposium. (P.167) TI W. Liu et al., “JP 9-36131 A”, “JP 7-245317 A”, etc.).
[0007]
Base collector capacity Cbc(1) In the base electrode lead-out portion, the resistance is increased by removing the base layer, forming the insulating film, ion implantation into the collector layer and the sub-collector layer, and (2) external base. It is known to increase the resistance of the external collector region by ion implantation under the region (refer to “Japanese Patent Laid-Open No. 5-198586” if necessary).
[0008]
FIG. 14 is a main part explanatory view showing an HBT for explaining a structure in which a part of the external base region under the base electrode and the collector layer under the base electrode are undercut, and FIG. B) shows a cross section of the main part along the line XX, and (C) shows a cross section of the main part along the line Y-Y.
[0009]
In the figure, 1 is a sub-collector layer, 2 is a collector layer, 3 is a base layer, 3A is an intrinsic base region, 3B is an external base region, 4 is an emitter layer, 5 is an emitter cap layer, and 6 is an emitter electrode. , 7 is a base electrode, 7A is a base electrode lead portion, 8 is a collector electrode, 9 is an interlayer insulating film, 9A is an electrode contact hole, 10 is an emitter lead wire, 11 is a base lead wire, and 12 is a collector lead wire. Show.
[0010]
As is apparent from FIG. 14C, as shown by the broken line, a part of the
[0011]
However, this HBT hardly considers the reduction of the parasitic capacitance in the base electrode lead portion 7A.
[0012]
That is, as described above, when part of the
[0013]
Further, in order to sufficiently reduce the parasitic capacitance in the base electrode lead-out portion 7A, when the respective semiconductor layers in the portion are almost removed, the
[0014]
The above-described problem exists in common with conventional HBTs that adopt a means similar to the means for removing a part of the
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
In a simple process, the semiconductor parts such as the base layer and the collector layer in the base electrode lead-out portion are removed, and the base-collector capacitance CbcThe characteristics of the HBT, particularly the high-speed operability, are further improved.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the base electrode lead-out portion has a structure in which the base electrode and the base layer do not contact each other, in other words, a structure in which the base layer and the collector layer do not exist under the base electrode.bcIn order to realize a structure in which the base electrode and the base layer do not contact each other, there are several means.
[0017]
FIG. 1 is a cut-away side view of the principal part showing the basic HBT structure for explaining the present invention.
[0018]
In the figure, 21 is a sub-collector layer, 22 is a collector layer, 23 is a base layer, 24 is an emitter layer, 25 is an emitter cap layer, 26 is an emitter electrode, 27 is a base electrode, and 27A is a base electrode lead-out portion. , 28 are collector electrodes, 29 is an interlayer insulating film made of polyimide, 30 is an emitter lead wire, 31 is a base lead wire, and 32 is a collector lead wire.
[0019]
As is apparent from the figure, the base electrode lead-out
[0020]
In order to obtain such a structure, when the
[0021]
At this time, since the surface of the portion of the
[0022]
The pedestal can be formed of an insulating film or an emitter layer made of InP or InAlAs before the
[0023]
FIG. 2 is a cutaway side view showing the principal part of another HBT structure in principle for explaining the present invention. The same symbols as those used in FIG. 1 represent the same parts or have the same meanings. Shall.
[0024]
In the figure, 33 indicates an interlayer insulating film, and 33A indicates a cavity generated under the base
[0025]
In order to realize such a configuration, if the
[0026]
From the above, the semiconductor device according to the present invention.SetIn the manufacturing method,
(1)
Forming a one-conductivity-type collector layer (eg, collector layer 22), an opposite-conductivity-type base layer (eg, base layer 23), and a one-conductivity-type emitter layer (eg, emitter layer 24) on a semiconductor substrate (eg, substrate 20); Next, a step of mesa-forming the one-conductivity-type emitter layer, and then a base electrode lead-out portion (for example, the base electrode lead-out
(2)
In the above (1), the method further comprises the step of removing the collector layer (for example, the collector layer 22) below the base electrode lead-out portion following the removal of the opposite conductivity type base layer, or
(3)
Forming a one-conductivity-type collector layer (eg, collector layer 22), an opposite-conductivity-type base layer (eg, base layer 23), and a one-conductivity-type emitter layer (eg, emitter layer 24) on a semiconductor substrate (eg, substrate 20); Next, the one conductivity type emitter layer is etched to form a mesa, and a base electrode lead portion (for example, the base
(4)
In the above (3), the side surface of the pedestal is etched to give a gentle inclination of the forward mesa.
[0034]
By adopting the above-mentioned means, the semiconductor portion such as the base layer and the collector layer in the base lead-out portion is removed by a simple process, and the base-collector capacitance CbcCan be greatly reduced, and the characteristics of the HBT, in particular, high-speed operability can be further improved.
[0035]
Incidentally, in the HBT of the present invention, when it is assumed that the base layer and the collector layer remain below the base electrode lead portion to be removed, the relative dielectric constant is about 13.9 for InGaAs and about 12.4 for InP. However, as seen in the embodiment of the present invention, when the interlayer insulating film made of polyimide is embedded after removing the portion, the relative dielectric constant is about 4, and from the surface of the sub-collector layer Therefore, the parasitic capacitance is further reduced.
[0036]
In the case where a cavity is generated in the interlayer insulating film, the base-collector capacitance CbcSince the support strength of the base electrode lead-out portion can be improved without increasing, a mechanically stable structure can be realized.
[0037]
In this case, the lower part of the base electrode lead-out part is partially covered with an insulating film, but most is hollow and the relative permittivity of air is 1.2= 3.9, SiON = about 6, SiN = 7.5, and so on.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 3 to FIG. 5 are main part cut side views showing the HBT at the main points of the process for explaining one embodiment of the present invention.
[0039]
This embodiment is an example in which a base made of an insulator is used to separate the base
[0040]
Refer to FIG.
3- (1)
A
[0041]
Here, main data regarding each semiconductor portion is exemplified as follows.
(1) About the
Material: Semi-insulating InP
(2)
Material: n+-InGaAs
Impurity concentration: 4 × 1019〔cm-3]
Thickness: 4000 [Å]
(3) About the
Material: n--InGaAs
Impurity concentration: 1 × 1017〔cm-3〕Less than
Thickness: 5000 [Å]
(4) About the
Material: p+-InGaAs
Impurity concentration: 4 × 1019〔cm-3]
Thickness: 500 [Å]
(5) About the
Material: n-InP
Impurity concentration: 4 × 1017〔cm-3]
Thickness: 2000 [Å]
(6)
Material: n+-InGaAs
Impurity concentration: 4 × 1019〔cm-3]
Thickness: 1000 [Å]
[0042]
3- (2)
By applying a resist process in the lithography technique, a resist
[0043]
3- (3)
Etchant for example HThreePOFour: H2O2: H2O = 1: 1: 50 (for InGaAs) and HCl: HThreePOFourBy applying a wet etching method of 1: 5 (for InP), mesa etching of the
[0044]
Of course, a dry etching method can be applied to the etching in this case.
[0045]
Refer to FIG.
3- (4)
By removing the resist
[0046]
3- (5)
By applying a resist process in lithography technology, a resist
[0047]
Refer to FIG.
4- (1)
By applying a wet etching method using hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid as an etchant, the insulating
[0048]
4- (2)
The
[0049]
In this step, the order of forming the
[0050]
Refer to FIG.
4- (3)
By applying a resist process in the lithography technique, a resist
[0051]
4- (4)
By applying a wet etching method using an etchant as a buffered hydrofluoric acid, all of the
[0052]
Refer to FIG.
5- (1)
FIG. 5A shows a state in which all of the
[0053]
5- (2)
The
[0054]
5- (3)
Thereafter, an ordinary technique may be applied to form an interlayer insulating film, electrode contacts / holes, lead wirings, and the like to complete the HBT having the structure shown in FIG.
[0055]
FIG. 5B shows a state in which all of the
[0056]
FIGS. 6 to 9 are side sectional views showing the main part of the HBT in the main process steps for explaining another embodiment of the present invention. The symbols used in FIGS. 1 to 5 represent the same parts or have the same meaning.
[0057]
In this embodiment, in order to separate the base
[0058]
Refer to FIG.
6- (1)
The process of forming a required semiconductor layer such as the
[0059]
The
[0060]
6- (2)
By applying the wet etching method, the
[0061]
Refer to FIG.
6- (3)
By applying a resist process in lithography technology, a resist
[0062]
6- (4)
By applying the wet etching method, the
[0063]
Refer to FIG.
7- (1)
After removing the resist
[0064]
Refer to FIG.
7- (2)
By applying a resist process in the lithography technique, a base electrode pattern resist
[0065]
7- (3)
By applying an ion milling method (in the case of Au-based material), the base electrode material film is etched to form the
[0066]
The
[0067]
7- (4)
With the resist
[0068]
Refer to FIG.
8- (1)
FIG. 8A shows a state in which all of the
[0069]
A collector electrode material film is formed on the entire surface by applying a vacuum vapor deposition method with the resist
[0070]
Refer to FIG.
8- (2)
By applying a lift-off method for dissolving and removing the resist
[0071]
8- (3)
A resist
[0072]
See FIG.
9- (1)
By applying an ion milling method or an RIE method, unnecessary portions of the collector electrode material film are removed using the resist
[0073]
9- (2)
Subsequently, ion milling is continued to make the
[0074]
9- (3)
Thereafter, the resist
[0075]
In the completed HBT, since the
[0076]
FIG. 10 and FIG. 11 are main part cut side views showing the HBT at the main points of the process for explaining another embodiment of the present invention. The symbols used in FIG. 1 to FIG. 9 represent the same parts or have the same meaning.
[0077]
This embodiment is an example in which the base
[0078]
Refer to FIG.
10- (1)
After a required semiconductor layer such as the
[0079]
10- (2)
Etchant is HCl: HThreePOFourBy applying the wet etching method of 1: 5, etching of the
[0080]
According to this etching, the mesa can be formed so that the longitudinal direction of the
[0081]
Refer to FIG.
10- (3)
The resist
[0082]
See FIG.
11- (1)
Formation of the
[0083]
11- (2)
Thereafter, an ordinary technique is applied to form an interlayer insulating film, electrode contacts and holes, and lead wirings to complete the HBT.
[0084]
The completed HBT is effective in preventing disconnection because the base
[0085]
FIG. 12 is a cutaway side view of the main part showing the HBT at the main points of the process for explaining another embodiment of the present invention. The symbols used in FIGS. 1 to 11 represent the same parts or have the same meaning.
[0086]
In this embodiment, the undercut under the base
[0087]
In each of the above embodiments, the HBT using InGaAs as the material of the
[0088]
FIG. 13 is a cutaway side view of an essential part showing an HBT at a process point for explaining another embodiment of the present invention. The symbols used in FIGS. 1 to 12 represent the same parts or have the same meaning.
[0089]
In this embodiment, after the
[0090]
Refer to FIG.
13- (1)
The HBT seen here is similar to the HBT in the state seen in FIG. 11, but the thickness of the
[0091]
Refer to FIG.
13- (2)
By applying the CVD method, SiO having a thickness of, for example, 500 [nm] to 1000 [nm]2An
[0092]
When the
[0093]
Therefore, the support of the base
[0094]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and many other modifications can be realized. For example, in the above-described embodiment, an InP (emitter) / InGaAs (base) system, and Although the InAlAs (emitter) / InGaAs (base) HBT has been described, HBTs using other materials such as AlGaAs (emitter) / GaAs (base), InGaP (emitter) / GaAs (base) Can be implemented in HBT.
[0095]
【The invention's effect】
Semiconductor device according to the inventionSetIn the manufacturing method, a one conductivity type collector layer, an opposite conductivity type base layer, and a one conductivity type emitter layer are formed on a semiconductor substrate.And then forming a mesa of the one-conductivity type emitter layer, and then forming a base electrode lead-out portion on the side of the mesa-conducted one-conductivity type emitter layer. A step of forming a pedestal for forming a bent shape by lifting in a direction away from the surface, a step of forming a base electrode including the base electrode lead portion, and a lower portion of the pedestal and the base electrode lead portion The step of removing the opposite conductivity type base layer is basically included.
[0096]
By adopting the above-mentioned configuration, the semiconductor portion such as the base layer and the collector layer in the base leading portion is removed by a simple process, and the base-collector capacitance CbcGreatly reducing the characteristics of HBT, especially high-speed operationImprovementcan do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cut-away side view of a principal part showing a fundamental HBT structure for explaining the present invention.
FIG. 2 is a cut-away side view of a principal part showing another fundamental HBT structure for explaining the present invention.
FIG. 3 is a cutaway side view of a main part showing an HBT at a process key point for explaining an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cutaway side view of an essential part showing an HBT at a process point for explaining an embodiment in the present invention.
FIG. 5 is a cut-away side view of a main part showing an HBT at a process key point for explaining an embodiment in the present invention.
FIG. 6 is a cut-away side view of a main part showing an HBT at a process point for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cut-away side view of a main part showing an HBT at a process point for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cutaway side view of a main part showing an HBT at a process point for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cutaway side view of a main part showing an HBT at a process point for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cutaway side view of a main part showing an HBT at a process point for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cutaway side view of an essential part showing an HBT at a process point for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cutaway side view of an essential part showing an HBT at a process point for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cutaway side view of an essential part showing an HBT at a process point for explaining another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a main part explanatory view showing an HBT for explaining a structure in which a part of an external base region under a base electrode and a collector layer thereunder are undercut.
[Explanation of symbols]
21 Sub-collector layer
22 Collector layer
23 Base layer
24 Emitter layer
25 Emitter cap layer
26 Emitter electrode
27 Base electrode
27A Base electrode lead-out part
28 Collector electrode
29 Interlayer insulation film made of polyimide
30 Emitter lead wiring
31 Base drawer wiring
32 Collector lead wiring
33 Interlayer insulation film
33A Cavity generated under
Claims (4)
次いで、前記一導電型エミッタ層をメサ化する工程と、
次いで、前記メサ化された一導電型エミッタ層の側方にベース電極引き出し部を前記反対導電型ベース層の表面から離隔する方向に持ち上げて屈曲した形状にする為の台座を形成する工程と、
次いで、前記ベース電極引き出し部を含むベース電極を形成する工程と、
次いで、前記台座及び前記ベース電極引き出し部下方の前記反対導電型ベース層を除去する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a one-conductivity type collector layer, an opposite-conductivity type base layer, and a one-conductivity type emitter layer on a semiconductor substrate;
Next, a step of mesa-forming the one conductivity type emitter layer;
Next, forming a base for forming a bent shape by lifting the base electrode lead-out portion in a direction away from the surface of the opposite conductivity type base layer to the side of the mesa-formed one conductivity type emitter layer;
A step of forming a base electrode including the base electrode lead portion;
And a step of removing the opposite conductivity type base layer below the base and the base electrode lead-out portion.
が含まれてなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, characterized in that contains the step of removing the collector layer of the base electrode lead-out men side following the removal of the opposite conductivity type base layer.
次いで、前記一導電型エミッタ層をエッチングしてメサ化すると共にそのメサの側方にベース電極引き出し部を前記反対導電型ベース層の表面から離隔する方向に持ち上げて屈曲した形状にする為の台座を同じ一導電型エミッタ層を利用して形成する工程と、
次いで、前記ベース電極引き出し部を含むベース電極を形成する工程と、
次いで、前記台座及び前記ベース電極引き出し部下方の少なくとも前記反対導電型ベース層を除去する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a one-conductivity type collector layer, an opposite-conductivity type base layer, and a one-conductivity type emitter layer on a semiconductor substrate;
Next, the one-conductivity-type emitter layer is etched to form a mesa, and a base for forming a bent shape by lifting a base electrode lead-out portion in a direction away from the surface of the opposite-conductivity-type base layer to the side of the mesa Forming using the same one conductivity type emitter layer,
A step of forming a base electrode including the base electrode lead portion;
And a step of removing at least the opposite conductivity type base layer below the base and the base electrode lead-out portion.
を特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3 , wherein etching is performed so that a gentle slope of a forward mesa is applied to a side surface of the pedestal.
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