JPH01124254A - バイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 本発明はポリＳｉエミッタトランジスタの構造に関し、 そのｈＦＥの向上を目的とし、 例えばｎｐｎＴｒに於いて、エミッタ／ベース間に、Ｓ
ｉＮ、のような、正孔に対して高い障壁となり電子に対
しては低い障壁になる薄層を介在させて構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は多結晶シリコン（以下、ポリＳｔ）のエミッタ
を有するバイポーラトランジスタの構造に関わる。

集積回路に組み込まれるバイポーラトランジスタを高速
化する場合、そのエミツタ幅を縮小することは有効な処
置である。素子全体の小型化を含めてエミツタ幅の縮小
を実現する構造として、ＳＳ　Ｔ　（Ｓｕｐｅｒ　Ｓｅ
ｌｆ−ａｌｉｇｎ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）と呼ばれる
形状が提案されている。

これは第４図に断面形状が示されるように、単結晶Ｓｉ
基板内のｎ型コレクタ領域１１にｐ型不純物を選択的に
拡散してベース領域１２を形成し、ポリＳｔのベース引
出し電極１６を形成した後、第２のＳｉＯ□層１５層液
５形成し、その上にｎ型ポリＳｉ層を堆積してエミッタ
１３を形成したものである。

第２のＳ　ｉ　Ｏｚ層を堆積してベース拡散窓を自己整
合的に縮小し、エミッタ拡散窓とすることから上記の名
称が生まれたが、このような処理は例えばＲｒＥのよう
なエツチング法を利用することで可能であり、当業者に
は周知の技術である。

ＳＳＴはトランジスタの高速化に有効な技術であるが、
素子のｈＦＥを大にするものではない、ｈＩはコレクタ
電流とベース電流の比として定義されるが、コレクタ電
流はエミッタ電流からベース電流を差し引いたものであ
り、ベース電流に比ペエミンタ電流が十分大であればｈ
Ｆｔも大となる。

ｎｐｎ）ランジスタの場合、ベース電流はベースからエ
ミッタへの正孔の注入量によって、エミッタ電流はエミ
ッタからベースへの電子の注入量によって定まるから、
正孔の注入量を滅じ電子の注入量を増せば、エミッタ電
流は大、ベース電流は小となり、ｈｒｔは大となる。

第４図の構造の素子を形成する場合、ベース拡散の後、
大気中で処理することからエミッタ／ベース間に自然酸
化膜が介在することになる。この酸化膜（ＳｉＯ□）が
素子のｈｒｔを大ならしめているとする考えがあ名。

エミッタ／ベース間にＳｉＯ□の薄層が存在する場合の
エネルギ帯ダイヤグラムは第５図のようになり、エミッ
タからベースに注入される電子、ベースからエミッタに
注入される正孔の何れに対しても障壁が形成されたこと
になる。しかしながら、この障壁をキャリヤがトンネル
する確率を考えると、有効質量の小さい電子のトンネル
確率は有効質量の大きい正孔のトンネル確率よりも大で
あることから、相対的にエミッタからベースへの電子の
注入が増すことになり、トランジスタのり、えは大にな
ると見るのである。

なお、本明細書では伝導帯、価電子帯の何れの障壁であ
っても、キャリヤの移動を妨げる効果の大きい場合を、
障壁が「高い」と表現することにする。

〔従来技術と発明が解決しようとする問題点〕このよう
にエミッタ／ベース間に自然酸化膜が介在することは素
子のｈ□を大にする点では有効であるが、コレクタ電流
を大きく出来ないという問題がある。また、自然酸化膜
のように成り行きまかせでは、素子特性の再現性を良好
ならしめることはできない。

本発明は、Ｓｔ基板に形成されるポリＳｉエミッタトラ
ンジスタのエミッタ／ベース間に絶縁物等の薄層を積極
的に介在させることにより、素子のコレクタ電流を大き
くとることが出来、且つｈＦＥも大にする技術を提供す
るものである。

〔問題点を解決するための手段〕

ｎｐｎ型ポリＳｉエミッタトランジスタのり、アを大と
するため本発明では、エミッタ／ヘース間に禁制帯の幅
がＳ　ｉ　Ｏ！よりも狭＜Ｓｔよりも広い物質の薄層を
介在させる。

第１の実施例ではこれは不純物をドープしない５ｉｓＮ
ａであり、第２の実施例ではｎ型不純物を多量にドープ
したｓ＋Ｎ、（Ｘ−０，１〜１）である。

〔作　用〕

第１の実施例の場合、第２図に示されるように、伝導帯
に生ずる障壁の高さ及び価電子帯の障壁の高さはいずれ
も５ｔ（ｈのそれよりも低（なるが、伝導帯の障壁の方
が低くなる効果が顕著であり、相対的に電子のトンネル
確率が増加することになる。

また第２の実施例の場合、第３図に示されるように、伝
導帯に生ずる障壁を極めて低いものとすることが可能で
あり、電子はトンネルではな（ドリフトによってエミッ
タからベースに移動し、正孔は依然トンネルによってベ
ースからエミッタに移動することになる。第３図（ａ）
は電圧を印加しない状態のもの、同図山）は動作電圧を
印加した状態のものである。図の（１）はｎ型エミッタ
、（２）は５ｉＮ８、（３）はｐ型ベース、（４）はコ
レクタの範囲を示す。

いずれの場合も、本発明のような処置を講じない素子に
比べて、ｈ、アは大となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の素子の断面構造を示す模式図である。

全体の形状は第４図の従来型の素子に類催しており、各
部分の寸法も特に変わるところはない。本発明の素子に
於いては、ポリＳｔエミッタ１３の下に窒化シリコン膜
のようにＳ　ｉ　Ｏｔよりもバンドギャップが小である
皮Ｂ１７が設けられている点が特徴となっている。

第１の実施例では窒化シリコンはＳｉ３Ｎ４の如き化学
量論的組成で、不純物はドープされないものである。１
亥Ｓｉ３Ｎｇ膜１７の厚さは２０〜１００人で、このよ
うな皮膜はプラズマＣＶＤ法により、原料ガスとして５
ｉＨｅ、ＮＨｉを用い、成長温度３００〜５００℃、圧
力０．５〜１．５　ｔｏｒｒＳＲＦ出力０．１〜１．０
Ｗ／ａｍ”の条件で堆積することが出来る。

Ｓｉ３Ｎ、膜の成長法としてはこの他にスパンタ法、蒸
着法、熱ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法などが利用可能で
あるが、自然酸化膜の生成を極力抑えることが必要で、
大気中の作業時間は可能な限り短縮しなければならない
、或いは５ｉｚＮａ膜成長前のプラズマ処理によって自
然酸化膜を除去することも有効である。本実施例の素子
の他の部分は公知のＳＳＴ形成方法によって形成される
。

本実施例の素子の動作電圧を印加した状態のエネルギ帯
ダイヤグラムは第２図のようになる。図の＋１１はｎ型
エミッタ、（２）は５ｉ３Ｎａ、（３）はｐ型ベース、
（４１はｎ型コレクタの範囲を示す。

図から明らかなように、本実施例の素子に於いては伝導
帯、価電子帯の何れにも障壁が存在する。

しかしながら、その高さは伝導帯、価電子帯の何れに於
いてもＳ　ｉ　Ｏｔによる障壁よりも低い。そのためコ
レクタ電流を大とすることが可能になる。

また、伝導帯の障壁に着目すれば、５ｉＯｚの場合、そ
の高さは略３．５　ｅ　Ｖであるのに対し、５ｉｚＮ４
のそれは略２．ＯｅＶであり、電子のトンネル確率は大
幅に増大する。同時に価電子帯の障壁も低くなって正孔
のトンネル確率も増すが、電子のトンネル確率増加の方
がより効果的であり、素子のり、は大となる。

該実施例と同様の効果を示す障壁材料としては、５ｔｙ
ｘ、ＳｉＣ，、ＳｉＮ、Ｏｙなどがあり、夫々の組成は
、５ｉＯ１ｌがＳｉとＳｔｏｗの間、５ｉＣＸがＳｉと
ＳｉＣの間であれば良く、Ｓ　ｉＮ　ｘ　Ｏｖでは実現
可能な組成の禁制帯幅はＳｉｎｇのそれよりも狭い。

第２の実施例も断面構造は第１図に示されるものと同じ
であって、この実施例ではＳｉＮ、と表現される窒化シ
リコンＩＩ！１７の厚さは２０〜２００人、Ｘの値は０
．１〜１、不純物が燐の場合、Ｐ　／　Ｓ　ｉの組成比
は１０−４〜１０−１である。このような皮膜はプラズ
マＣＶＤ法により、原料ガスとしてＳ　ｉ　Ｈｓ　＋Ｎ
　Ｈ３＋　Ｐ　Ｈ５（Ａｓドープの場合はＡ３Ｈ３）を
用い、成長温度２５０〜５５０℃、圧力０．５〜１．５
　ｔｏｒｒ、　ＲＦ出力０．１〜’−ＯＷ　／　ｃｒｍ
　ｚの条件で堆積することが出来る。ＳｉＮ、膜の成長
法としてはこの他にスバッタ法、薄着法、熱ＣＶＤ法、
ＥＣＲ−ＣＶＤ法などが利用可能である０本実施例の素
子の他の部分は公知のＳＳＴ形成法によって形成される
。

該実施例のエネルギ帯ダイヤグラムは第３図に示される
。同図（ａｌは熱平衡状態に於けるダイヤグラムで・エ
ミッタ、ベース、コレクタはいづれもシリコンであるか
ら禁制帯幅は等しく、導電型によってフェルミレベルの
位置が異なっている。

ＳｉＮ、はこれ等より禁制帯幅が広く、ｎ型不純物を含
有するので、エネルギ帯ダイヤグラムは同図＋ａ）のよ
うに表される。

通常の動作のようにエミッタに負極性、ベースおよびコ
レクタに正極性の電圧を印加するとエネルギ帯ダイヤグ
ラムは（ｂ１図のようにバンドが変形するが、エミッタ
／ベース間に着目すると次のような特徴が認められる。

即ち、伝導帯には僅かな高低差が存在するのみで電子は
ドリフトによって極めて容易にエミッタからベースに移
動するのに対し、価電子帯はＳｉＮｘ９Ｍ域で大きく下
に突き出ており、正孔がベースからエミッタに移動する
には高い障壁をトンネルしなければならない。

このようにエミッタ／ベース間に特異な障壁が設けられ
た結果、ベースからエミッタへの正孔の注入であるベー
ス電流は小となり、エミッタからベースへの電子の注入
であるエミッタ電流は大となるので、先に述べたように
り、□が大となる。

上記再実施例に於いて、エミッタの材料としてはポリＳ
ｌの他に、シリコンカーバイドやマイクロクリスタルＳ
ｉと呼ばれるアモルファスに近いＳｉ層などを用いても
良い。

〔発明の効果〕

窒化シリコンのような障壁層が設けられた結果、エミッ
タからベースへの電子の注入はベースからエミッタへの
正孔の注入に比べて相対的に増加することになり、バイ
ポーラトランジスタのｈＦＥが大となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の素子の構造を示す模式断面図、第２図
は第１の実施例に於けるエネルギ帯ダイヤグラム、 第３図は第２の実施例に於けるエネルギ帯ダイヤグラム
、 第４図は従来の素子の構造を示す模式断面図第５図は従
来の素子に於けるエネルギ帯ダイヤグラム、 であって、 図に於いて １１　　はコレクタ、 １２　　はベース、 １３　　はエミッタ、 １４、１５は５ｉｆｔ、 １６　　はポリ５ｉ １７　　は窒化Ｓｉ である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体単結晶領域に第１導電型のコレクタ及び第
   ２導電型のベース領域が形成され、前記半導体単結晶に
   付加的に第１導電型のエミッタ領域が形成されて成るバ
   イポーラトランジスタであって、前記ベース領域と前記
   エミッタ領域との間に、二酸化シリコンの禁制帯幅より
   も狭く且つシリコンの禁制帯幅よりも広い禁制帯幅を有
   する材料の薄層が設けられて成ることを特徴とするバイ
   ポーラトランジスタ。
2. （２）前記ベース領域と前記エミッタ領域との間に設け
   られる前記範囲の禁制帯幅を有する材料は、第１及び第
   ２導電型のキャリヤに対して障壁となり、第１導電型の
   キャリヤのトンネル確率が第２導電型キャリヤのトンネ
   ル確率よりも大となる材料であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のバイポーラトランジスタ。
3. （３）前記エミッタ領域はｎ型多結晶シリコンであり、
   前記障壁層は不純物をドープしない窒化シリコンである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のバイポー
   ラトランジスタ。
4. （４）前記ベース領域と前記エミッタ領域との間に設け
   られる前記範囲の禁制帯幅を有する材料は第１導電型の
   不純物を高濃度にドープされ、第１導電型のキャリヤに
   対しては障壁を形成せず若しくは極めて低い障壁を形成
   し、且つ第２導電型のキャリヤに対しては高い障壁を形
   成する材料であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のバイポーラトランジスタ。
5. （５）前記エミッタ領域はｎ型多結晶シリコンであり、
   前記障壁層はｎ型不純物が多量にドープされた窒化シリ
   コンであることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   のバイポーラトランジスタ。