JPH01175256A - ヘテロ構造バイポーラ・トランジスタおよびその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は砒化ガリウムをコレクタ層、ゲルマニウムをベ
ース層とするヘテロ構造バイポーラ・トランジスタおよ
びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

ゲルマニウムをＰ型ベース層、砒化ガリウムをＮ型コレ
クタ層とするヘテロ構造バイポーラ・トランジスタは、
例えば特願昭６１−８５８７号明細書に記載されている
ように公知である。この従来のバイポーラ・トランジス
タにおいては、ベース層に正孔の移動度の高いゲルマニ
ウムが用いられているため低いベース抵抗が実現でき、
またコレクタ層に電子移動度の高い砒化ガリウムが用い
られているため、コレクク走行時間が短く、カーク効果
が起こりにくいという特性が実現でき、超高速のトラン
ジスタとして使用できる。

第５図はこの従来のトランジスタの断面図を模式的に示
したものである。半絶縁性砒化ガリウム基板１の上に、
シリコンを不純物として不純物書・度５　ＸＩＯ”ｃｍ
−’のＮ型にドープされた砒化ガリウム・コレクタ電極
コンタクト層２、同じくシリコンを不純物として不純物
密度５　ＸＩＯ”ｃｍ−’のＮ型にドープされた砒化ガ
リウム・コレクタ層３、ガリウムを不純物として不純物
密度５　ＸＩＯ”ｃｍ−’のＰ型にドープされたゲルマ
ニウム・ベース層４、砒素を不純物として不純物密度Ｉ
　Ｘ　１０”ｃｍ−’のＮ型にドープされたゲルマニウ
ム・エミツタ層５、同じく砒素を不純物として不純物密
度５　Ｘ　１０”ｃｍ−’のＮ型にドープされたゲルマ
ニウム・エミッタ電極コンタクト層６が各々設けられて
いる。エミッタ電極コンタクト層６にはエミッタ電極７
が、ベース層４にはベース電極８が、コレクタ電極コン
タクト層２にはコレクタ電極９がそれぞれオーミック接
触している。また電極間のアイソレーションには二酸化
シリコンによる絶縁膜１０が用いられている。　　　　
。

バイポーラ・トランジスタをディジタル集積回路に応用
した時のスイッチング・スピードτ３は文献ソリッド・
ステート・エレクトロニクス誌（Ｓｏｌｉｄ　５ｔａｔ
ｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）１５巻、１２号、　１３
２９頁〜１３３４頁によれば、 ＋　（，３Ｃｃ＋ＣＬ）Ｒｔ　　　　・・・　（１）こ
こでＲ１はベース抵抗、Ｃｃはベース・コレクタ接合容
量、ＲＬは負荷抵抗、τ、はベース走行時間、ＣＬは配
線容量である。

以上のことからスイッチング・スピードτＳの短縮には
、ベース・コレクタ接合容量Ｃ６の縮小が重要な要素と
なっていることがわかる。第５図に示した構造では、ベ
ース・コレクタ接合容量は電子が実際に走行する真性の
ベース・コレクタ空乏層領域（真性ベース・コレクタ接
合）１１からの寄与と、ベース電極８の接触部下に広が
る寄生のベース・コレクタ空乏Ｎ領域（寄生ベース・コ
レクタ接合）１２からの寄与とに分けることができる。

このバイポーラ・トランジスタの高速化をねらい、素子
の微細化、具体的にはエミッタ・ストライブ長の短縮化
を行っていくと、真性の空乏層領域１１からの接合容量
Ｃｃへの寄与は小さくすることはできるが、寄生の空乏
層領域１２からの寄与を小さ（することはできない。寄
生の空乏層領域１２からの接合容量Ｃ９への寄与を小さ
くするには、ベース電極の大きさを小さくすることによ
り可能となるが、これは同時にベース電極の接触抵抗増
大によるベース抵抗Ｒｈの増大を招き、前記第（１）式
を参照すれば分かるごとく、素子の高速化を図ることは
不可能である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のごとく、ゲルマニウムをベース層、砒化ガリウム
をコレクタ層とするバイポーラ・トランジスタの高速化
にとり、必要となるベース・コレクタ接合容量の縮小に
は、エミッタ・ストライブ長の縮小による真性のベース
・コレクタ空乏層領域から生ずる容量の縮小のみならず
、ベース電極接触部下の寄生のベース・コレクタ空乏層
領域から生ずる容量の縮小も必要となる。これはベース
電極接触部の面積を縮小することにより可能となるが、
同時にベース電極接触抵抗、すなわちベース抵抗の増大
を招いてしまう。

本発明の目的は、従来のバイポーラ・トランジスタの持
つこれら欠点を除去し、新規なヘテロ構造バイポーラ・
トランジスタのベース電極取り出し部の構造およびその
製造方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１の発明は、砒化ガリウムをコレクタ層、ゲルマニウ
ムをベース層とするヘテロ構造バイポーラ・トランジス
タにおいて、ベース電極取り出し部を形成するゲルマニ
ウム層はガリウムあるいはボロンを不純物とするＰ型高
濃度層であり、前記Ｐ型高濃度層の下部に位置する砒化
ガリウム層は高抵抗層であることを特徴としている。

第２の発明は、砒化ガリウムをコレクタ層、ゲルマニウ
ムをベース層とするヘテロ構造バイポーラ・トランジス
タの製造方法において、半導体基板を被う絶縁膜に設け
た開口部を通じてガリウムあるいはボロンをイオン注入
することにより、ゲルマニウム層の一部をＮ型高濃度層
に、砒化ガリ′ウム層の一部を高抵抗層にする工程を含
むことを特徴としている。

〔作用〕

ガリウム、ボロンはゲルマニウムのＰ型不純物として知
られ、ゲルマニウム中に１０”ｃｍ−’程度の高濃度に
ドープできる。一方、文献ジャーナル・オブ・バキュー
ム・サイエンス・アンド・テクノロジー誌（Ｊｏｕｒｎ
ａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　５ｃｉｅｎｃｅ　＆　Ｔｅ
ｃｈｎ。

１ｏｇｙ）第５巻、１号、２０３頁〜２０６頁によれば
、砒化ガリウムにガリウムをイオン注入すると、イオン
注入されたＭ域は高抵抗層となることが知られている。

このイオン注入層の絶縁性は注入するガリウムの量が多
ければ多いほど、またアニール温度が低ければ低いほど
良好である。

また文献ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・
アンド・テクノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃ
ｕｕｍ　５ｃｉｅｎｃｅ　＆　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）
　Ｂ　３巻、１号、５４頁〜５７頁によれば、ボロンの
砒化ガリウムへのイオン注入によっても同様に砒化ガリ
ウムを高抵抗層化することが可能となる。

従って砒化ガリウムをコレクタ層、ゲルマニウムをベー
ス層とするペテロ構造バイポーラ・トランジスタにおい
て、ベース電極取り出し部が開口部となるようにして半
導体基板を絶縁膜で被い、開口部よりガリ、ウムまたは
ボロンをイオン注入することで、ゲルマニウム層は高濃
度のＰ型にドープされ、砒化ガリウム層は高抵抗層とな
る。イオン注入されたゲルマニウムのアニール温度は４
００℃程度と、砒化ガリウムのイオン注入層の典型的な
アニール温度８００℃よりも低く、従ってガリウムある
いはボロンのイオン注入後のアニール温度を４００℃程
度に設定することで、砒化ガリウム中にイオン注入され
た領域の絶縁性は極めて良好となる。

前記の構造のゲート電極取り出し部を持つバイポーラ・
トランジスタにおいては、ベース電極取り出し部面下の
コレクタ層は高抵抗層となるため、そこの接合容量は高
抵抗層のない、例えば電子が実際にベースからコレクタ
に流れる真性のベース・コレクタＰＮ接合空乏層領域に
生ずる接合容量゛に比べ大幅に低減され、従ってベース
・コレクタ接合容量Ｃ６の大幅な低減が可能である。接
合容量Ｃ６の低減にはベース電極接触部の面積を小さく
することを必要とせず、むしろ逆にベース電極直下のベ
ース層のＰ型不純物層の濃度をイオン注入により増大さ
せるため、ベース抵抗の低減も同時に達成でき、バイポ
ーラ・トランジスタの高速化に寄与することは多大であ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明のゲルマニウムをベース層とするペテロ
構造バイポーラ・トランジスタの一実施例を示した断面
図である。このバイポーラ・トランジスタは、半絶縁性
砒化ガリウム基板１の上に、シリコンを不純物としてＮ
型にドープされた砒化ガリウム・コレクタ電極コンタク
ト層２（不純物密度５　ＸＩＯ”ｃｍ−”）　、同じく
シリコンを不純物としてＮ型にドープされた砒化ガリウ
ム・コレクタ層３　（不純物密度５　Ｘｌ０１６ｃｍ−
３）、ガリウムを不純物としてＰ型にドープされたゲル
マニウム・ベース層４（不純物密度５×１０ＩｌｌＣＩ
Ｉ＋−３）、砒素を不純物としてＮ型にドープされたゲ
ルマニウム・エミツタ層５（不純物密度Ｉ　ＸＩＯ”ｃ
ｏ＋−’）　、砒素を不純物としてＮ型にドープされた
ゲルマニウム・エミッタ電極コンタクト層６（不純物密
度５Ｘ１０２０ａｍ−″）が各々役けられている。

ベース層４の一部の領域１３はガリウムのイオン注入に
より、高濃度（Ｉ　ＸＩＯ”ｃｍ−３）のＰ型となって
いる。領域１３の直下にあるコレクタ層３の一部の領域
１４は同じくガリウムのイオン注入により高抵抗層とな
っている。エミッタ電極コンタクト層６にはエミッタ電
極７が、ベース層４に設けたＰ型窩濃度領域１３にはベ
ース電極８が、コレクタ電極コンタクト層２にはコレク
タ電極９がそれぞれオーミック接触している。また電極
間のアイソレーションには二酸化シリコンによる絶縁［
１０が用いられている。

本実施例によるペテロ構造バイポーラ・トランジスタに
おいては、ベース電極８は高濃度（１×１０”ｃｍ−３
）のＰ型ゲルマニウム・ベース領域１３と接触しており
、低抵抗のオーミック接触が実現で・きる。また、ベー
ス領域１３の直下の砒化ガリウム・コレクタ層は高抵抗
層１４となっており、ベース電極取り出し部に生ずる寄
生のベース・コレクタ接合１２の接合容量は極めて小さ
くなり、ベース・コレクタ接合容量Ｃ１は主に電子が実
際に流れる真性のベース・コレクタ接合空乏層領域（真
性ベース・コレクタ接合）１１から生ずる容量となり、
大幅なベース・コレクタ接合容量Ｃ８の低減が可能とな
る。このようにベース抵抗Ｒ５の低減、ベース・コレク
タ接合容量Ｃｃの大幅な低減により、バイポーラ・トラ
ンジスタの高速化が可能となる。

第２図は本発明のゲルマニウムをベース層とするヘテロ
構造バイポーラ・トランジスタの他の実施例を示した断
面図である。このバイポーラ・トランジスタは半絶縁性
砒化ガリウム基板ｌの上に、シリコンを不純物としてＮ
型にドープされた砒化ガリウム・コレクタ電極コンタク
ト層２（不純物密度５　ＸＩＯ”ｃｍ−’）　、同じく
シリコンを不純物としてＮ型にドープされた砒化ガリウ
ム・コレクタＮ３　（不純物密度５　ｘｌＱ”ｃｍ−’
）　、ボロンを不純物としてＰ型にドープされたゲルマ
ニウム・ベース層１６（不純物密度５　ＸＩＯ”ｃｎ＋
−’）　、砒素を不純物として不純物密度Ｉ　ＸＩＯ”
ｃｍ−’のＮ型にドープしたシリコンとゲルマニウムの
混晶を用いたゲルマニウム・シリ、コン・エミツタ層１
５、砒素を不純物としてＮ型にドープされたゲルマニウ
ム・エミッタ電極コンタクト層６（不純物密度５　Ｘ　
１０”ｃｍ−３）が各々設けられている。

本実施例ではエミツタ層１５の材料としてシリコンとゲ
ルマニウムの混晶を用いているが、シリコンとゲルマニ
ウムの混晶はゲルマニウムに比べ広いバンド・ギャップ
を持っているため前記特願昭６１−８５８７号明細書に
述べられているごとく、注入効率の改善が図れる。この
ため本実施例ではエミツタ層１５の不純物密度をＩ　Ｘ
ＩＯ”ｃｍ−”と薄く設計している。本実施例ではボロ
ンをエミツタ層１５の上からイオン注入し、エミッタ層
１５．ベース層１６の一部を不純物密度Ｉ　ＸＩＯ”ｃ
ｎ＋−’のＰ型高濃度領域１７にしている。シリコンも
ゲルマニウムと同様４族の半導体であるためボロンはＰ
型の不純物と。

なっている、また砒化ガリウムからなるコレクタ層３に
ボロンの打ち込まれた領域は高抵抗７１１Ｂとなる。

本実施例ではベース電極８はエミツタ層１５中に形成さ
れた高濃度領域１７上に設けられる。エミツタ層１５は
最初薄いＮ型にドープされているが、Ｐ型の不純物を大
量にイオン注入することで補償することができる。

本実施例においては第１図の実施例と異なり、エミツタ
層１５の上からベース電極８とオーミック接触を取って
いるため、ベース層４の走行時間短縮をねらってベース
層を薄くしてもベース電極８との電気的接触がとりやす
い。またエミッタ電極７とベース電極８との間に生ずる
段差が小さくなり、エミッタ電極とベース電極との自己
整合を図るプロセスが導入しやすい等の利点がある。そ
の他、ベース抵抗の低減が図れる、またベース・コレク
タ接合容量の低減が図れること等は第１図の実施例と同
様である。

次に、本発明のへテロ構造バイポーラ・トランジスタの
製造方法の実施例を説明する。

第３図は第１図のへテロ構造バイポーラ・トランジスタ
の製造方法を示すプロセスフロー図である。まず、砒化
ガリウム基板１上に砒化ガリウム・コレクタ電極コンタ
クト層２、砒化ガリウム・コレクタ層３、ゲルマニウム
・ベース層４、ゲルマニウム・エミツタ層５、ゲルマニ
ウム・エミッタ電極コンタクト層６を連続エピタキシャ
ル成長する（第３図（ａ））。次に、コンタクト層６゜
エミツタ層５をメサエッチングした後、フォトレジスト
膜（絶縁膜）２０により、ベース電極取り出し部に対応
する領域に設けられる開口部２１を除いて他を被い、ガ
リウムのイオン注入を行う（第３図（ｂ））。図中、ゲ
ルマニウム・ベース層４のイオン注入領域を１３で、砒
化ガリウム・コレクタ層３のイオン注入領域を１４で示
している。イオン注入後のアニールを４００℃の温度で
行い、ゲルマニウム・ベース層注入領域１３の活性化を
行う。この状態で砒化ガリウム・コレクタ層３中のイオ
ン注入領域１４は高抵抗層となる。しかる後に、ベース
層４、コレクタ層３のメサエッチングを行う（第３図（
Ｃ））。続いて各電極形成部を残し他をシリコン酸化膜
１０で被い、エミッタ電極７．ベース電極８．コレクタ
電極９の形成を蒸着法で行う（第３図（ｄ））。以上に
より第１図に示したゲルマニウムをベース層とするヘテ
ロ構造バイポーラ・トランジスタが形成できる。

第４図は第２図のへテロ構造バイポーラ・トランジスタ
の製造方法を示すプロセスフロー図である。まず、砒化
ガリウム基板１上に砒化ガリウム・コレクタ電極コンタ
クト層２、砒化ガリウム・コレクタ層３、ゲルマニウム
・ベース層１６、シリコンとゲルマニウムの混晶からな
るエミツタ層１５、ゲルマニウム・エミッタ電極コンタ
クト層６を連続エピタキシャル成長する（第４図（ａ）
）。次に、コンタクト層６をメサエッチングした後、ベ
ース電極取り出し部に対応する領域に設けられる開口部
２１を除いて他をフォトレジスト膜（絶縁膜）２０で被
い、ボロンのイオン注入を高エネルギー（４００ｋｅＶ
）と低エネルギー（２００ｋｅＶ）で２度行う（第４図
（ｂ））。図中、イオン注入層を２２で示している。イ
オン注入後のアニールを４００℃の温度で行い、しかる
後にエミッタ７１１５．ベースＮ１６゜コレクタ層３の
メサエッチングを行う（第４図（Ｃ））。続いて電極ア
イソレーションのため二酸化シリコン膜ｌＯを気相成長
法で、エミッタ電極７、ベース電極８．コレクタ電極９
を蒸着法で形成する（第４図（ｄ））。

以上により第２図に示すゲルマニウムをベース層とする
ヘテロ構造バイポーラ・トランジスタが形成できる。

本実施例では高エネルギーのボロン注入により、ボロン
を主にコレクタ層３に注入し、砒化ガリウム・コレクタ
層３中のイオン注入領域１８を高抵抗層化し、低エネル
ギーのボロン注入により、ボロンを主にベース層１６に
注入し、ゲルマニウム・ベース層１６の一部をＰ型高濃
度層にする。

〔発明の効果〕

以上説明したように、ゲルマニウムをベース層、砒化ガ
リウムをコレクタ層とするバイポーラ・トランジスタに
ガリウムまたはボロンをイオン注入することにより、ベ
ース電極接触部直下の砒化ガリウム・コレクタ層の高抵
抗化と、同じくベース電極直下のゲルマニウム・ベース
層のＰ型不純物の高濃度化を同時に達成する。これによ
り、ベース電極接触抵抗の低減化とベース・コレクタ接
合容量の低減化が同時に達成され、バイポーラ・トラン
ジスタの高速化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のゲルマニウムをベース層とするヘテロ
構造バイポーラ・トランジスタの一実施例を示す断面図
、 第２図は本発明のゲルマニウムをベース層とするバイポ
ーラ・トランジスタの他の実施例を示す断面図、 第３図は第１図のゲルマニウムをベース層とするヘテロ
構造バイポーラ・トランジスタの製造方法を示すプロセ
スフロー図、 第４図は第２図のゲルマニウムをベース層とするバイポ
ーラ・トランジスタの製造方法を示すプロセスフロー図
、 第５図はゲルマニウムをベース層とするヘテロ構造バイ
ポーラ・トランジスタの従来例を示す断面図である。 １・・・半絶縁性砒化ガリウム基板 ２・・・砒化ガリウム・コレクタ電極コンタクト層 ３・・・砒化ガリウム・コレクタ層 ４．１６・・・ゲルマニウム・ベース層５・・・ゲルマ
ニウム・エミツタ層 ６・・・ゲルマニウム・エミッタ電極３２２２６層 ７・・・エミッタ電極 ８・・・ベース電極 ９・・・コレクタ電極 １０・・・絶縁膜 １１・・・真性ベース・コレクタ接合 １２・・・寄生ベース・コレクタ接合 １３、１７・・・Ｐ型高濃度領域 １４、１８・・・高抵抗層 １５・・・ゲルマニウム・シリコン・エミツタ層 ２０・・・フォトレジスト膜 ２１・・・開口 代理人　弁理士　　岩　佐　　義　幸 （ａ） （ｂ） ＋３Ｐ型高濃度領域 （Ｃ） 第３図 第３図 （ａ） ボロン （ｂ） ＋７Ｐ型高濃度領域 （Ｃ） 第４図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）砒化ガリウムをコレクタ層、ゲルマニウムをベー
   ス層とするヘテロ構造バイポーラ・トランジスタにおい
   て、ベース電極取り出し部を形成するゲルマニウム層は
   ガリウムあるいはボロンを不純物とするＰ型高濃度層で
   あり、前記Ｐ型高濃度層の下部に位置する砒化ガリウム
   層は高抵抗層であることを特徴とするヘテロ構造バイポ
   ーラ・トランジスタ。
2. （２）砒化ガリウムをコレクタ層、ゲルマニウムをベー
   ス層とするヘテロ構造バイポーラ・トランジスタの製造
   方法において、半導体基板を被う絶縁膜に設けた開口部
   を通じてガリウムあるいはボロンをイオン注入すること
   により、ゲルマニウム層の一部をＰ型高濃度層に、砒化
   ガリウム層の一部を高抵抗層にする工程を含むことを特
   徴とするヘテロ構造バイポーラ・トランジスタの製造方
   法。