JP4823154B2 - へテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents
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(1)第1の形態は、SiGeCベース、SiGeコレクタの例である。
(2)第2の形態は、SiGeC層をベースに、SiGeC/SiGe層をコレクタに用いた例である。
(4)第4の形態は、SiGe層をベースに、SiGeC/SiGe層をコレクタに用いた例である。
(5)第5の形態は、SiGe層或はSiGeC層をベースに、SiGeC/SiGe層をコレクタに用い、且つSiGeエミッタ層を用いた例である。
(6)第6の形態は、SiGe層或はSiGeC層をベースに、SiGeC/SiGe層をコレクタに用い、且つSi/SiCエミッタを用いた例である。
(7)第7の形態は、SiGe層或はSiGeC層をベースに、SiGeC/SiGe層をコレクタに用い、且つSi/SiGeCエミッタ層を用いた例である。
(8)第8の形態はSi/SiC/SiGeCエミッタを用いた例である。
<実施例1>
図1は、本願発明に係るHBTの一実施例を示すHBTにおける真性領域の断面構造である。図1において参照符号3はコレクタの一部となるn型単結晶Si層を示す。このn型単結晶Si層上にコレクタの一部となるn型単結晶SiGe層7、ベースとなる高濃度p型単結晶SiGeC層9、及びエミッタとなるn型単結晶Si層15を順次形成している。
<実施例2>
図7は、本願発明に係るHBTの第2の実施例を示すHBTの断面構造であり、図1に示したHBTの真性部分を自己整合的に形成したときのデバイス構造を示す。始めに、Si基板1上に、コレクタとなる高濃度n型単結晶Si層2、及びn型単結晶Si層3を順次形成する。次に、トランジスタの真性部分となる領域以外にコレクタ・ベース分離絶縁膜4を形成する。更に、各トランジスタの間の領域に溝を形成し、溝に絶縁膜5、及び絶縁膜20を埋め込むことによって、素子分離領域を形成する。次いで、基板上にコレクタ・ベース分離絶縁膜21、22、ベース引き出し層となるp型多結晶Si層23、エミッタ・ベース分離絶縁膜13を堆積する。この後、エミッタ・ベース分離絶縁膜13と多結晶Si層23に開口部を形成し、この側壁にエミッタ・ベース分離絶縁膜24を形成する。更に、開口部にイオン注入し、コレクタとなるn型単結晶Si層25を形成する。次いで、開口部内のコレクタ・ベース分離絶縁膜22、21をエッチング除去し、n型単結晶Si層3表面を露出させる。次に、この開口部のみに、コレクタとなるn型単結晶SiGe層7、ベースとなる高濃度p型単結晶SiGeC層9、及びエミッタとなるn型単結晶Si層11を順次選択エピタキシャル成長によって形成する。エミッタ引き出し層となる高濃度n型多結晶Si層14を形成した後、熱処理によりn型多結晶Si層14中のPをn型単結晶Si層11に拡散させることによりエミッタ15を形成する。基板全面に絶縁膜16を堆積し、コレクタ部分を開口した後、コレクタ引き出し層となる高濃度n型単結晶Si層6を形成する。最後に、エミッタ、ベース部分を開口し、エミッタ電極17、ベース電極18、コレクタ電極19を形成する。
<実施例3>
図10は本願発明に係るHBTの第3の実施例を示すHBTの真性部分の断面図である。実施例1との違いは、コレクタのn型単結晶SiGe層7とベースの高濃度p型単結晶SiGeC層9の間にコレクタの一部となるn型単結晶SiGeC層29を設けたことである。この時、コレクタのn型単結晶SiGeC層29とベースのp型単結晶SiGeC層9の界面において、n型単結晶SiGeC層29側のバンドギャップを小さくし、コレクタのn型単結晶SiGeC層29とn型単結晶SiGe層7の界面において、n型単結晶SiGe層7側のバンドギャップを小さくすればよい。
<実施例4>
図11は本願発明に係るHBTの第4の実施例を示すHBTの真性部分の断面図である。図11において参照符号3はコレクタの一部となるn型単結晶Si層を示し、この上に順にコレクタの一部となるn型単結晶SiGeC層29、ベースとなる高濃度p型単結晶SiGe層30、及びエミッタとなるn型単結晶Si層15を形成している。
<実施例5>
図12は本願発明に係るHBTの第5の実施例を示すHBTの真性部分の断面図である。実施例4との違いは、コレクタのn型単結晶Si層3とn型単結晶SiGeC層29の間にコレクタの一部となるn型単結晶SiGe層7を設けたことである。この時、コレクタのn型単結晶SiGeC層29とn型単結晶SiGe層7の界面において、n型単結晶SiGe層側のバンドギャップを小さくすればよい。
<実施例6>
図13は本願発明に係るHBTの第6の実施例を示すHBTの真性部分の断面図である。実施例1との違いは、ベースのp型単結晶SiGeC層9とエミッタのn型単結晶Si層15の間にエミッタの一部となるn型単結晶SiGe層31を設けたことである。この時、エミッタのn型単結晶SiGe層31とベースのp型単結晶SiGeC層9の界面において、p型単結晶SiGeC層9側のバンドギャップを小さくするように、ベース中のC組成比に応じたGe組成比の段差を設ければよい。エミッタ側から導入されたPは、n型単結晶SiGe層31において、拡散が抑制される。これにより、エミッタ・ベース接合の空乏層が拡大するとキャリアの走行時間が増大し、トランジスタの高速動作性能が低下する。従って、n型単結晶SiGe層31の膜厚は10nm以下が好適である。
<実施例7>
図15は本願発明のHBTの第7の実施例を示すHBTの真性部分の断面図である。実施例1との違いは、ベースのp型単結晶SiGeC層9とエミッタのn型単結晶Si層15の間にエミッタの一部となるn型単結晶SiC層32を設けたことである。この時、エミッタのn型単結晶SiC層32とベースのp型単結晶SiGeC層9の界面において、p型単結晶SiGeC層9側のバンドギャップを小さくするように、例えばベース中のGe組成比に応じたC組成比の段差を設けても良い。本実施例により、p型単結晶SiGeC層9のみならず、エミッタにおけるCによってベースからエミッタへのBの拡散が抑制されるため、実施例1の効果に加えて、更なる高速動作性能の向上が可能となる。又、エミッタのバンドギャップを単結晶Si層よりも大きくすることが可能となるため、実施例1よりも更にHBTの電流増幅率を増大させることが可能となる。
<実施例8>
図17は本願発明のHBTの第8の実施例を示すHBTの真性部分の断面図である。実施例1との違いは、ベースのp型単結晶SiGeC層9とエミッタのn型単結晶Si層15の間にエミッタの一部となるn型単結晶SiGeC層33を設けたことである。この時、エミッタのn型単結晶SiGeC層33とベースのp型単結晶SiGeC層9の界面において、p型単結晶SiGeC層9側のバンドギャップを小さくするようなGe組成比およびC組成比とすればよい。
<実施例9>
図18は本願発明のHBTの第6の実施例を示すHBTの真性部分の断面図である。実施例1との違いは、ベースのp型単結晶SiGeC層9とエミッタのn型単結晶Si層15の間にエミッタの一部となるn型単結晶SiGeC層33とn型単結晶SiC層32を設けたことである。この時、エミッタのn型単結晶SiGeC層33とベースのp型単結晶SiGeC層9の界面において、p型単結晶SiGeC層9側のバンドギャップを小さくするようなGe組成比およびC組成比とし、エミッタのn型単結晶SiC層32のベース側のバンドギャップがベースのp型単結晶SiGeC層9のエミッタ側のバンドギャップよりも大きくなるGe組成比およびC組成比とすればよい。更にGe組成比およびC組成比を変化させることにより、ヘテロ界面において転位や欠陥が発生しにくくなる。従って、これらを介したリーク電流や不純物の拡散が抑制されることから、HBTの歩留まり向上、及び特性のバラつき低減が実現される。
<実施例10>
図19は本願発明に係るHBTの第10の実施例を示すHBTのGeおよびC組成比分布である。実施例1との違いは、ベースおよびコレクタの少なくとも一部において、Ge組成比がエミッタ側からコレクタ側に向かって増加することである。
<実施例11>
図20は本願発明のHBTの第11の実施例を示すHBTのGeおよびC組成比分布である。実施例1との違いは、コレクタのn型単結晶SiGe層の少なくとも一部において、Ge組成比がエミッタ側からコレクタ側に向かって減少することである。
<実施例12>
図21は本願発明のHBTの第12の実施例を示すHBTのGeおよびC組成比分布である。実施例7との違いは、エミッタのn型単結晶SiC層32の少なくとも一部において、C組成比がエミッタ側からコレクタ側に向かって増加することである。
<実施例13>
図22は本願発明に係るHBTの第13の実施例を示すHBTのGeおよびC組成比分布である。実施例7との違いは、ベースのp型単結晶SiGeC層9の少なくとも一部において、C組成比がエミッタ側からコレクタ側に向かって減少することである。
<実施例14>
図23は本願発明のHBTの第14の実施例を示すHBTのGeおよびC組成比分布である。実施例1との違いは、エミッタ、ベース、コレクタの少なくとも一部において、Ge組成比がC組成比と5から20までの比率を保ちながら変化することである。この比率の範囲では、単結晶Si層上に成長した単結晶SiGeC層の格子定数がSiに近い。これにより、n型単結晶Si層3とn型単結晶SiGeC層29の間に挟まれたn型単結晶SiGe層7の歪みが低減されることから、エミッタを形成するときの熱処理において、n型単結晶Si層3とn型単結晶SiGe層7のヘテロ界面において、転位や欠陥が発生しにくくなり、これらを介したリーク電流や不純物の拡散が抑制されることから、HBTの歩留まり向上、及び信頼性向上が実現可能である。又、本実施例によれば、単結晶SiGeC層の表面ラフネスは0.20nm以下となり、同じGe組成比を有する単結晶SiGe層の表面ラフネスとほぼ同等になる。これにより、実施例2の場合と比べ、高濃度p型単結晶SiGeC層9と外部ベース層26の界面に発生する隙間が小さくなり、接触面積が増加する。これにより、ベース抵抗が減少することから、HBTのより一層の高速動作が実現できる。
<本願発明の一般的特徴のまとめ>
本願発明によれば、コレクタのn型単結晶Si層とベースのp型単結晶SiGeC層の間に、コレクタの単結晶SiGe層を設ける場合、単結晶SiGe層とp型単結晶SiGeC層のヘテロ界面において、単結晶SiGe層のバンドギャップがp型単結晶SiGeC層以下とすることにより、コレクタ電流が増加した場合でも、ベースから近い位置にエネルギー障壁が形成されないため、電子の走行が阻害されない。これにより、高コレクタ電流時であっても、低コレクタ電流時と同様のHBTの高い動作速度を維持することができる。又、コレクタに単結晶SiGe層を設けることにより、同程度の膜厚を有するSiGeC層を設ける場合と比べ、真性部分の形成時間が短縮することから、HBTの製造コストを削減できる。更に、HBTの真性部分を選択エピタキシャル成長を用いて形成するとき、絶縁膜上に多結晶半導体層が形成されにくくなる。この結果、ベース、エミッタ等でのショートの発生が少なくなり、HBTの信頼性が向上する。真性部分に設けた単結晶SiGeC層のGeとCの比率を5から20までの間とし、GeとCの組成比を連動させることにより、単結晶SiGeC層の表面ラフネスが小さくなることから、真性ベースのp型単結晶SiGeC層と外部ベース層の接触面積が増加し、ベース抵抗が下がる。これにより、HBTの動作速度を高めることができる。
(1)第1導電型単結晶Si層上に設けられた第1導電型単結晶SiGe層からなるコレクタと、前記第1導電型単結晶SiGeC上に設けられた前記第1導電型と反対導電型の第2導電型単結晶SiGeC層からなるベースと、前記第2導電型単結晶SiGeC層上に設けられた第2の第1導電型単結晶Si層からなるエミッタを有するヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、前記第1導電型単結晶SiGe層の第2導電型単結晶SiGeC層側のバンドギャップが前記第2導電型単結晶SiGeC層の第1導電型単結晶SiGe層側のバンドギャップと略等しいかもしくは小さい事を特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(2)前記第1導電型単結晶SiGe層と第2導電型単結晶SiGeC層の間に更にコレクタの一部となる第1導電型単結晶SiGeC層を有し、前記第1導電型単結晶SiGeC層の第1導電型単結晶SiGe層側のバンドギャップが前記第1導電型単結晶SiGe層の第1導電型単結晶SiGeC層側のバンドギャップと略等しいかもしくは大きく、且つ、前記第1導電型単結晶SiGeC層の第2導電型単結晶SiGeC層側のバンドギャップが前記第2導電型単結晶SiGeC層の第1導電型単結晶SiGeC層側のバンドギャップと略等しいかもしくは小さいことを特徴とする請求項1記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(3)第1導電型単結晶Si層上に設けられた第1導電型単結晶SiGeC層からなるコレクタと、前記第1導電型単結晶SiGeC上に設けられた前記第1導電型と反対導電型の第2導電型単結晶SiGe層からなるベースと、前記第2導電型単結晶SiGe層上に設けられた第2の第1導電型単結晶Si層からなるエミッタを有するヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、前記第1導電型単結晶SiGeC層の第2導電型単結晶SiGe層側のバンドギャップが前記第2導電型単結晶SiGe層の第1導電型単結晶SiGeC層側のバンドギャップと略等しいかもしくは小さい事を特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(4)前記第1導電型単結晶Si層と第1導電型単結晶SiGeC層の間に更にコレクタの一部となる第1導電型単結晶SiGe層を有し、前記第1導電型単結晶SiGe層の第1導電型単結晶SiGeC層側のバンドギャップが前記第1導電型単結晶SiGeC層の第1導電型単結晶SiGe層側のバンドギャップと略等しいかもしくは小さいことを特徴とする前項(3)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(5)前記第2導電型単結晶層と第2の第1導電型単結晶Si層の間に更にエミッタの一部となる第2の第1導電型単結晶SiGe層を有することを特徴とする前項(1)より(4)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(6)前記第2の第1導電型単結晶SiGe層の第2導電型単結晶層側のバンドギャップが前記第2導電型単結晶層の第2の第1導電型単結晶SiGe層側のバンドギャップと略等しいかもしくは大きいことを特徴とする前記(5)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(7)前記第2導電型単結晶層と第2の第1導電型単結晶Si層の間に更にエミッタの一部となる第1導電型単結晶SiC層を有することを特徴とする前項(1)より(4)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(8)前記第1導電型単結晶SiC層の第2導電型単結晶層側のバンドギャップが前記第2導電型単結晶層の第1導電型単結晶SiC層側のバンドギャップと略等しいかもしくは大きいことを特徴とする前記(7)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(9)前記第2導電型単結晶層と第2の第1導電型単結晶Si層の間に更にエミッタの一部となる第2の第1導電型単結晶SiGeC層を有することを特徴とする前項(1)より(4)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(10)前記第2の第1導電型単結晶SiGeC層の第2導電型単結晶層側のバンドギャップが前記第2導電型単結晶層の第2の第1導電型単結晶SiGeC層側のバンドギャップと略等しいかもしくは大きいことを特徴とする前項(9)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(11)前記第2導電型単結晶層と第2の第1導電型単結晶Si層の間において、前記第2導電型単結晶層上に設けられたエミッタの一部となる第2の第1導電型単結晶SiGeC層と、前記第1導電型単結晶SiGeC層上に設けられたエミッタの一部となる第1導電型単結晶SiC層を有することを特徴とする前項(1)より(4)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(12)前記第2の第1導電型単結晶SiGeC層の第2導電型単結晶層側のバンドギャップが第2導電型単結晶層の第2の第1導電型単結晶SiGeC層側のバンドギャップと略等しいかもしくは大きいことを特徴とする前項(11)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(13)前記第1導電型単結晶SiC層の第2導電型単結晶層側のバンドギャップが第2導電型単結晶層の第1導電型単結晶SiC層側のバンドギャップと略等しいかもしくは大きいことを特徴とする前項(11)又は(12)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(14)ベースとコレクタの少なくとも一部で、エミッタ側からコレクタ側に向かってGe組成比が増加する領域を有することを特徴とする前項(1)より(13)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(15)前記第2の第1導電型単結晶SiGe層中の少なくとも一部において、エミッタ側からコレクタ側に向かってGe組成比が増加する領域を有することを特徴とする前項(5)又は(6)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(16)前記第2の第1導電型単結晶SiGeC層中の少なくとも一部において、エミッタ側からコレクタ側に向かってGe組成比が増加する領域を有することを特徴とする前項(9)より(13)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(17)コレクタの少なくとも一部において、エミッタ側からコレクタ側に向かってGe組成比が減少する領域を有することを特徴とする前項(1)より(16)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(18)エミッタの少なくとも一部に、エミッタ側からコレクタ側に向かってC組成比が増加する領域を有することを特徴とする前項(5)より(17)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(19)ベースとコレクタの少なくとも一部に、エミッタ側からコレクタ側に向かってC組成比が減少する領域を有することを特徴とする前項(2)より(18)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(20)GeとCを共に含む単結晶層におけるGe組成のC組成に対する比が5以上20以下であることを特徴とする前項(1)より(2)及び(5)より(19)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(21)単結晶基板上に設けられた開口部を有する絶縁膜と、前記絶縁膜の開口部内に設けられたコレクタとなる第1導電型単結晶SiGe層と、前記第1導電型単結晶SiGe層上に設けられた第2導電型単結晶SiGeC層と、前記第2導電型単結晶SiGeC層上に設けられた第2の第1導電型単結晶Si層を有することを特徴とする前項(1)より(2)及び(5)より(20)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(22)単結晶基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に開口部を設ける工程と、前記開口部内のみにコレクタとなる第1導電型単結晶SiGe層を選択エピタキシャル成長により形成する工程と、前記開口部内のみに前記第1導電型単結晶SiGe層上に第2導電型単結晶SiGeC層を選択エピタキシャル成長により形成することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
(23)単結晶基板上に設けられた開口部を有する絶縁膜と、前記絶縁膜の開口部内に設けられたコレクタとなる第1導電型単結晶SiGeC層と、前記第1導電型単結晶SiGeC層上に設けられた第2導電型単結晶SiGe層と、前記第2導電型単結晶SiGe層上に設けられた第2の第1導電型単結晶Si層を有することを特徴とする前項(3)より(20)に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
(24)単結晶基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に開口部を設ける工程と、前記開口部内のみにコレクタとなる第1導電型単結晶SiGeC層を選択エピタキシャル成長により形成する工程と、前記開口部内のみに前記第1導電型単結晶SiGeC層上に第2導電型単結晶SiGe層を選択エピタキシャル成長により形成することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
Claims (4)
- 第1導電型の単結晶Si層上に設けられた第1導電型の単結晶SiGe層からなるコレクタと、前記第1導電型の単結晶SiGe層上に設けられた前記第1導電型と反対導電型の第2導電型の単結晶SiGeC層からなるベースと、前記第2導電型の単結晶SiGeC層上に設けられた第1導電型のエミッタとを有し、且つ、前記単結晶SiGeC層を構成するCの成分が前記ベースと前記コレクタとのヘテロ界面近傍で前記ベース側から前記コレクタ側に向かって減少していることによって前記第1導電型の単結晶SiGe層の前記第2導電型の単結晶SiGeC層側のバンドギャップが前記第2導電型の単結晶SiGeC層の第1導電型の単結晶SiGe層側のバンドギャップと等しいかもしくは小さく、
前記第1導電型の単結晶SiGe層と前記第2導電型の単結晶SiGeC層との間に、コレクタの一部となる第1導電型の単結晶SiGeC層を有し、前記第1導電型の単結晶SiGeC層の第1導電型の単結晶SiGe層側のバンドギャップが、前記第1導電型の単結晶SiGe層の第1導電型の単結晶SiGeC層側のバンドギャップと等しいかもしくは大きく、且つ、前記第1導電型の単結晶SiGeC層の第2導電型単結晶SiGeC層側のバンドギャップが、前記第2導電型の単結晶SiGeC層の第1導電型の単結晶SiGeC層側のバンドギャップと等しいか、もしくは小さいことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 - 第1導電型の単結晶Si層上に設けられた第1導電型の単結晶SiGeC層からなるコレクタと、前記第1導電型の単結晶SiGeC層上に設けられた前記第1導電型と反対導電型の第2導電型の単結晶SiGe層からなるベースと、前記第2導電型の単結晶SiGe層上に設けられた第1導電型のエミッタとを有し、且つ、前記単結晶SiGeC層を構成するCの成分が前記ベースと前記コレクタとのヘテロ界面近傍で前記コレクタ側から前記ベース側に向かって減少していることによって前記第1導電型の単結晶SiGeC層の第2導電型の単結晶SiGe層側のバンドギャップが、前記第2導電型の単結晶SiGe層の第1導電型の単結晶SiGeC層側のバンドギャップと等しいか、もしくは小さい事を特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
- 請求項2において、
前記第1導電型の単結晶Si層と第1導電型の単結晶SiGeC層の間にコレクタの一部となる第1導電型の単結晶SiGe層を有し、前記第1導電型の単結晶SiGe層の第1導電型の単結晶SiGeC層側のバンドギャップが、前記第1導電型の単結晶SiGeC層の第1導電型の単結晶SiGe層側のバンドギャップと等しいか、もしくは小さいことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 - 請求項2又は3において、
単結晶基板上に設けられた開口部を有する絶縁膜と、前記絶縁膜の開口部内に設けられたコレクタとなる第1導電型の単結晶SiGeC層と、前記第1導電型の単結晶SiGeC層上に設けられた第2導電型の単結晶SiGe層と、前記第2導電型の単結晶SiGe層上に設けられた第1導電型のエミッタを有することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
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