JP4170228B2 - 高電圧ヘテロ接合バイポーラトランジスタの有効なエッジ終端を生成するためのイオン注入および浅いエツチング - Google Patents

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Description

本発明は、GaAsヘテロ接合バイポーラトランジスタに関し、特にそのような装置のエッジ終端を製造する方法に関する。
重ねて配置された異なった導電型の半導体層からなるような半導体装置の性能は、装置のエッジに依存している。エッジの特性は典型的に装置のバルク部分とは異なっており、望ましくない効果を生成する。そのような望ましくない効果の1例はダイオードまたはバイポーラトランジスタの逆方向バイアスされたpn接合のエッジ絶縁破壊である。接合のエッジにおける局部的な電界は接合のバルク中の部分よりもはるかに高くなる可能性があり、装置の最大電圧能力を劣化させるように作用する。
GaAsのような半導体では、エッジ終端は装置の絶縁破壊電圧を著しく劣化させると考えられている。それ故、エッジにおける電界を減少させる技術を発見することが要望されている。
改良された従来技術の幾つかは次の文献に記載されている。
F.Ren 外、“GaAs−AlGaAsヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造のイオン注入分離”Applied Physics Letters ,56巻 9号 860乃至862 頁(1990年2月26日)
F.Ren 外はヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)中のエッジ終端に対するイオン注入損傷の使用について記載している。イオン注入はMESFET(金属・半導体電界効果トランジスタ)およびHEMT(高電子またはホール移動度トランジスタ)において広く使用され、それにおいては終端される層は比較的浅い。しかしながら、イオン注入は半導体の厚い層が分離される場合には適合が困難になる。またイオン注入のみの使用はHBTのような高ドープ層が存在し、装置が高い電圧に耐えることが期待されている場合にはエッジ終端装置を形成するのに不十分である。
メサ処理は技術文献でよく知られており、HBTについては種々の文献で十分な情報が与えられている。
現在エッジ終端は、装置を最初にマスクし、それから装置の周囲の半導体材料をエツチングして除去し、約2乃至3マイクロメータの高さのメサ構造を生成することによって形成されている。パッシベーションされていない装置における絶縁破壊電圧はメサの深さおよびエッジ特性の敏感な関数である。そのため製造された装置の絶縁破壊電圧には基体を横切って大きな変化が存在する。絶縁破壊電圧は汚染に敏感であり、容易に劣化する。
したがって、そのような装置でエッジ終端を改善し、その一方で所望の高いレベルに絶縁破壊電圧を維持する方法を提供することが必要とされている。
本発明の目的は、絶縁破壊電圧を劣化させることなく、高電圧HBT装置におけるエッジ終端を行うことである。2次的な、しかし重要な目的は、装置の平坦性を保持することである。これらの装置の絶縁破壊電圧はエッジの特性によって現在は制限されており、メサプロセスはパッシベーションが困難であるプレーナ型ではない装置を生じる。
本発明によれば、理論的限界またはその付近に半導体装置の破壊電圧を維持しながら、半導体装置のエッジ終端を改善する方法が提供される。その方法は、イオン注入を使用して前記半導体装置の周囲に補償された領域を生成し、それに続いて化学的湿式エツチングにより0.2乃至0.3μmのオーダーのメサを形成する。
本発明は、装置のエッジにおいてほぼ理想的な電気特性を得るために、一般的に半導体装置およびGaAsヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)のようなpn接合を使用する装置におけるエッジ終端を形成する簡単であるが、優れた方法を提供する。研磨、サンドブラスト、またはマスクを使用するメサエツチングのような伝統的なエッジベベリング技術の代わりに、本発明の技術はイオン注入を使用して装置を囲む補償された領域を生成し、化学的湿式エツチングエツチングを使用して浅いメサを形成する。
垂直メサはこれらの装置における最も有効なメサ終端であると考えられる。露出されたエッジのパッシベーションおよび装置の平坦性が重要であると考えられる場合には、イオン注入が良好な装置の終端を得るために使用される。マイロクメータ範囲の大きい値の厚さのコレクタを含む電力用HBTでは、2つの方法のいずれも満足できない。本発明は高電圧HBTの核心である技術を提供し、有効なエッジ終端を得るために原理的に任意のHBT装置に適用可能である。“高電圧”は100V以上、好ましくは200乃至700Vの電圧を意味するが、30Vに低下した低い電圧の装置もここで説明した技術により有効に改良される。“有効なエッジ終端”は、装置のエッジの特性が動作電圧で制限されないエッジ終端を意味している。有効にエッジ終端された装置では、動作電圧は装置のバルクの特性によって決定される。
ここに開示された技術は、理論的最大値に非常に近い破壊電圧を有する装置を製作することを可能にする。これは2乃至3μm程度の深いメサを必要としないで行われることができる。今迄測定された最良の装置ではメサの深さは0.2乃至0.3μmで最大の破壊電圧に到達するのに十分であった。破壊電圧は次の処理工程後も安定している。メサのエッジはその後、窒化シリコン薄膜を使用して密封される。
本発明は高電圧スイッチングトランジスタに適用可能である。この装置はVHF電力コンバータに適用可能な技術であるが、他の形式の電力コンバータで使用されることも可能である。
一般的に、本発明は、ここで説明したようなエッジ終端が必要とされる全ての半導体装置に適用可能である。
図1および2はそれぞれメサ分離およびイオン注入から得られた従来技術のHBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)を示している。
前者の場合には、基体12は基体上に形成されたコレクタ層16を含むメサ14およびコレクタ層16上に形成されたベース層18を有している。エミッタ層20はメサの上部に形成されている。適当な電気接続(図示せず)がよく知られているように3つの層に対して形成されている。
後者の場合には、前者の場合と同様に基体12は基体上に形成されたコレクタ層16およびベース層18を有している。エミッタ層20は前者の場合と同様にベース層18上に形成されている。しかしながらメサ14の代わりに、コレクタ層16およびベース層18の一部分はイオン注入に曝されてイオン注入された領域22が形成され、それは必要な分離を行うように機能する。再び、適当な電気接続(図示せず)がよく知られているように3つの層に対して形成される。
図3の(a)は本発明者のベースラインエッジ終端処理(それについて本発明が改善を行う)を示し、図3の(b)はそれにより得られる逆方向破壊特性を示している。200Vにおける破壊電圧は典型的な装置よりは良好であるこの装置では理論的最大値の80%に過ぎない。典型的にそれは遥かに悪い。局部的な高い電界およびエッジの高い表面状態密度はエッジにおける早期の絶縁破壊に応答するためと思われる。
図4乃至7は本発明のプロセスで使用される製造シーケンスを示している。
最初に図4の(a)、(b)およびの図5の(a)を参照すると、HBT100 (図4のe)は図4のaに示されたように適当なリフト・オフ法を使用する金属被覆処理方法により層20(エミッタ層20のソースである)上にパターン化される。従来技術の装置のように技術的によく知られている技術およびプロセスを使用してコレクタ層16は基体12上に形成され、ベース層18がコレクタ層16上に形成され、エミッタ層20がベース層18上に形成される。N+型エミッタ半導体層20がエミッタ金属条帯30によりマスクされた領域を除いてエツチングされて除去される。エツチング剤の作用によりエミッタ半導体20はアンダーカットされてそにより図4の(b)に示されるように自己整列された金属マスク34が形成される。図5の(a)はこの工程においてコレクタ半導体層16上のエミッタ金属条帯30の平面図である。金属形成およびパターン化工程(図4のa)および半導体エツチング工程(図4のb)はこの技術でよく知られている処理手順および材料を使用して行われる。
図4の(c)、(d)およびの図5の(b)を参照すると、次にマスクとしてエミッタ金属条帯30を使用してベース金属が付着されて、図4の(c)に示されるようにエミッタ金属条帯を囲んでベース金属条帯36が形成される。
装置区域プラス装置100 の周囲全体を囲む狭い領域はマスク層38によりマスクされ、矢印40により示されるように酸素イオン注入が行われてマスクされた領域を除くベース層18およびコレクタ層全体が損傷を受ける。マスクおよびイオン注入は図4の(d)に示されている。マスク工程およびイオン注入工程はこの技術でよく知られている処理手順および材料を使用して行われる。酸素イオン注入が好ましいが、当業者はその他のイオン注入技術が代わりに使用されてもよいことを認識するであろう。このようなイオン注入のための適切なエネルギの選択は当業者よく知られている。
次にマスク38は除去される。別のマスク(図示せず)が使用されて装置100 を保護し、そのマスクのエッジはイオン注入された区域140 中まで若干の距離で延在している。クエン酸ベースのエツチング溶液が使用されて基体のマスクされていない部分がエツチングで除去され、約0.2μmの深さまでコレクタ層の表面が除去される。これは図4のeに示されるように必要なメサ114 を形成する。図5の(b)はこの工程後のエミッタ金属条帯30とベース金属条帯36との平面図を示している。この金属形成はこの技術でよく知られている処理手順および材料を使用して行われる。
装置100 のエッジ42におけるベース18の部分的に補償された領域140 の存在はエッジにおける電界を緩和する作用を行い、結果的に窒化シリコンのような保護密封材料(図示せず)が付着されたその後、絶縁破壊電圧はエッジによって限定されないで安定させることができる。高い絶縁破壊電圧は浅いたった0.2乃至0.3μmののメサによって達成される。これに比較してイオン注入が使用されないときには1乃至3μmのメサが必要とされる。
本発明は、補償ベース領域140 が事実装置100 のエッジ42における電界を緩和することを示すために数値計算が使用された。
図6の(a)および(b)は通常のメサのエッジにおける電界(図6のa)と、本発明のベースメサ装置100 における補償された電界(図6のb)とを示している。図6の(a)に示される通常のメサ装置では、矢印44で示されるピーク電界は装置100 のエッジに位置していることが認められる。本発明によりベース層18が部分的に補償されているならば、ピーク電界44はメサのエッジから離れて位置される。上述したようにそのような補償は製造された装置中のイオン注入によって生成される。したがって、通常のメサ装置に対しては電界はメサのエッジに集中しており、早期の絶縁破壊の原因となることが認められる。製造された装置中のイオン注入された浅いメサに類似している本発明による補償されたベースメサでは、電界はメサで緩和されている。
従来技術の方法は、次のいずれかに依存している。
(1)図1に示されたメサ終端を生成するためにコレクタ層を基体までエツチングするか、または、
(2)図2に示されているようにイオン注入を使用して装置のエッジを越えて領域を絶縁性にする。
約2μmより厚いコレクタ層を使用する装置に対しては上記の従来技術は使用が困難であり、使用した場合にはエッジが不安定となり、動作電圧を設計値より下に低下させる。さらに、100V以上の動作電圧に対して必要な5μmより厚いコレクタ層に対しては、従来技術の方法の(2)はイオン注入技術上の制限によって使用されることができない。従来技術の方法の(1)は原理的には使用可能であるが、装置の製造を困難にする望ましくない地形形態を生成する。本発明によるベース層の部分的補償は従来技術の方法に関連した問題を克服することが認められる。
図7は上述した本発明によるプロセスを使用して形成されたGaAsHBTの逆方向破壊電圧を示している。破壊電圧は240Vであり、それは同じ垂直方向の半導体層の組合わせの無限の広さの接合部から期待される値の100%にほとんど等しい。比較するために、単純なメサを使用する装置(図1のような)の逆方向破壊電圧特性は図8に示されている。
本発明の方法は高電圧(≧100V)のヘテロ接合バイポーラトランジスタの破壊電圧を改善するための使用を発見することが期待されている。
メサ分離を示したヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)の概略側面図。 イオン注入分離を示した図1のものに類似しているHBTトランジスタの側面図。 通常のメサ終端HBTの断面走査電子顕微鏡写真および通常のメサ終端HBTの逆方向電流・電圧(I−V)特性図。 本発明の方法の基本的な工程を示した側面図。 図4の(b)および(c)に示された工程に続く処理後の装置の上面図。 従来技術のメサ分離されたHBTと本発明により製造されたHBTとの数値計算された電界を示した図。 本発明により製造されたスイッチHBTの破壊電圧を示した電流・電圧特性図。 従来技術のメサ分離されたHBTの破壊電圧を示した電流・電圧特性図。

Claims (3)

  1. 基板 (12) を設け、
    前記基板 (12) 上にコレクタ層 (16) を形成し、
    前記コレクタ層 (16) 上にベース層 (18) を形成し、
    前記ベース層 (18) 上にエミッタ層 (20) を形成し、
    前記エミッタ層 (20) にエミッタ領域を形成し、そのエミッタ領域を覆って第1のマスク層 (38) を形成し、
    イオン注入(40)を使用して前記第1のマスク層によって覆われていない前記エミッタ領域を囲む前記ベース層の部分に補償された領域(140) を成し、
    前記第1のマスク層を除去し、第1のマスク層の覆った範囲よりも広く前記イオン注入された領域 (140) の一部まで延在する第2のマスク層を前記エミッタ領域および前記ベース層の一部を覆って形成し、
    化学的湿式エツチングを使用して前記第2のマスク層で覆われていない前記ベース層の部分および前記コレクタ層の一部分を除去して0.2乃至0.3μmの高さのメサ(114) を形成するバイポーラトランジスタの製造方法。
  2. 前記エミッタ層 (20) にエミッタ領域を形成し、そのエミッタ領域を覆って第1のマスク層を形成する工程は、
    前記第1のマスク層を形成する前処理として前記エミッタ領域上にエミッタ金属条帯を形成し、
    前記エミッタ金属条帯をパターン化してマスクを形成し、
    前記エミッタ金属条帯によりマスクされた領域を除く前記エミッタ層の部分をエツチングして除去して自己整列した金属マスクを形成し、
    前記自己整列した金属マスクを使用してベース金属を付着させ、前記エミッタ金属条帯の周囲にベース金属条帯を形成してそのベース金属条帯と前記エミッタ金属条帯によりバイポーラトランジスタのベース領域を規定し、
    前記ベース領域を覆って第1のマスク層を形成する工程を含んでいる請求項1記載の方法。
  3. (a)半導体基板(12)と、
    (b)前記基板(12)上に形成されたコレクタ層(16)と、
    (c)前記コレクタ層(16)上に形成されたベース層(18)と、
    (d)前記ベース層(18)上に形成されたエミッタ層(20)とを具備し、
    前記エミッタ層(20)はエミッタ領域を規定するためにパターン化されており、別々の金属コンタクト(36, 30)が前記ベース層(18)の一部分と前記エミッタ (20)とに形成されて能動装置領域が規定されているヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
    前記能動装置領域の周囲の周縁領域を規定するように前記ベース層(18)および前記コレクタ層 (16)に形成されたイオン注入領域(140) と、前記能動装置領域の縁部から外側の前記周縁領域にエツチングにより形成されたメサ (114) とを具備し、前記メサ (114) は前記能動装置領域を囲んでそれから前記イオン注入領域(140) によって分離された位置に0.2乃至0.3μmの高さ形成されているヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
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