JPH03244133A

JPH03244133A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH03244133A
Application number: JP4206790A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Morishita; 正和森下
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1991-10-30
Anticipated expiration: 2015-01-24
Also published as: JP3001600B2

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、基板上に集積回路等を形成した半導体装置に
関するものであり、さらに詳細には該集積回路を構成す
る横形バイポーラトランジスタを有する半導体装置に関
するものである。

［従来の技術］従来より、電流の流れる方向が横方向、すなわち基板面
に沿う方向である横形バイポーラトランジスタ（以下Ｂ
ＰＴという）が知られているが、該横形ＢＰＴは、電流
の流れる方向が縦方向、すなわち基板の深さ方向である
縦型ＢＰＴと容易に共存（なお、例えば横形ＢＰＴの伝
導型配列がｐｎｐである場合、縦型ＢＰＴのそれは逆形
の伝導型配列であるｎｐｎとして共載）できるという有
利性を備えている等から広く用いられている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、従来の横形ＢＰＴは以下の理由により電
流増幅率（ｈ　Ｆｌｙ）を大きくできないという欠点が
ある。

すなわち、横形ＢＰＴは、工主ツタ領域とコレクタ領域
とが対称となっているので、エミッタコレクタ耐圧が低
く、ベース幅がコレクタ電圧の影響を受は易くなってい
わゆるアーリー効果（空乏層広がり効果）が発生し易い
こと、そして、エミッタからベースに注入される電流が
広く内部に広がるので、ベース領域内での再結合電流が
支配的になり、ヘース電流が犬となって電流＃Ｉｆｔ＠
率（ｈ　Ｆりの低下が著しくなること等の問題がある。

本発明は、上記従来技術の課題を解決すべくなされたも
のであり、横形ＢＰＴの電流増幅率を容易に増大させる
ことができる半導体装置を提供すことを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記目的を遠戚すべく、請求項１の発明は第１伝導型の
工よツタ領域及びコレクタ領域と、第２伝導型のベース
領域とを横型構造に形成して成る半導体装置において、
少なくとも、ベース領域の一部に、前記二くツタ領域か
ら注入される前記ベース領域の少数キャリアに対し前記
ベース領域の深さ方向に障壁として作用する半導体層を
形成したことを特徴とする請求項２の発明は、請求項１の半導体装置において、前
記障壁の高さが当該温度の熱エネルギー相当以上である
ことを特徴とする請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の半導体
装置において、前記障壁がヘテロ接合で形成されたこと
を特徴とする請求項４の発明は、請求項１〜請求項３までのいずれか
１項に記載の半導体装置において、前記障壁を有する領
域がエミッタ領域及びコレクタ領域を含むと共に、該エ
ミッタ領域から前記障壁を有する界面までの距離が少な
くとも少数キャリアの拡散長に比べて短かく設定されて
いることを特徴とする請求項５の発明は、請求項１〜請求項３までのいずれか
１項に記載の半導体装置において、前記障壁を有する領
域が、少なくともエミッタ領域、ベース領域、及びコレ
クタ領域の一部を含むことを特徴とする。

［作用］請求項１の構成では、ベース領域の中にヘテロ接合を形
成することにより、該エミッタ領域の深さ方向にベース
領域の少数キャリアに対する電位障壁か形成され、エミ
ッタから注入されたキャリアを基板内部に拡散させない
ようにし、もって、横形ＢＰＴの電流増幅率（ｈ　ＦＥ
）の増大を図る。

請求項２の構成ては、障壁は当該室温でも十分に機能す
る。

請求項３の構成では、工契ツタ電流が基板の深さ方向に
拡散するのを防止できる障壁を容易に形成できる。

請求項４の構成では、正孔の再結合電流を激減させ得る
。

請求項５の構成では、各領域のコンタクト抵抗を一様に
低下させる。

［実施例］第１図は本発明の第１実施例を示している。

同図中、１はＰ型Ｓｔ基板であり、該Ｓｉ基板１はボロ
ン（Ｂ）等Ｐ型不純物をトープしたＰ型Ｓｉ基板である
。

２は埋め込み領域であり、該埋め込み領域２は、例えば
不純物濃度が１０１６〜１０２０［ｃｍ−３］のものか
ら成るものである。

３はベース領域ＢＲの一部としてのｎ型領域であり、該
ｎ型領域３はエピタキシャル技術等で形成された不純物
濃度の低いもの（例えば、１０１４〜５　ｘ　１０　’
　　［ｃｍ″３］程度のもの）から成る。

４は本発明において重要な構成部分となるｎ型領域であ
り、該ｎ型領域４は禁止帯幅の狭い混晶５ｉｔ−ＸＧｅ
ｘにより形成され、ベース領域ＢＲを構成する。

５．５°はＰ′″領域であり、該両Ｐ１領域５．５″は
前記ｎ型領域４内に形成され、夫々上くツタ領域ＥＲと
コレクタ領域ＣＲを構成する。

６はｎ１領域であり、該ｎ＋領領域は横形ＢＰＴのベー
ス抵抗を下げるべく、前記埋め込み領域２と金属電極で
あるベース電極２０１とを接続するものである。

７．８は、夫々チャネル・ストップとなるｎ領域、ｐ領
域である。

３０は酸化膜、ｉｏｏは素子分離用領域、１１０は電極
間を分離する絶縁領域である。

なお、２０１．２０２は夫々金属電極であるへ一ス電極
、コレクタ電極である。

第２図（ｂ）に示すように、第１図のＢ−Ｂ線に沿う電
位は通常のＢＰＴと同様な電位を示し、コレクタ電流１
ｃはベース領域ＢＨの濃度Ｎ、と、ベース幅Ｗ、て決ま
るので容易に算出することかできる。ところが、横形Ｂ
ＰＴは、エミッタ領域とコレクタ領域が相対している部
分が極めて少ないのに対し、基板の面に沿って広がる部
分が極めて多いので、上葉ツタ領域Ｆ、Ｒからベース領
域Ｂ、に基板の深さ方向に沿って注入される正孔が寄与
する電流と、ベース領域からエミッタ領域に流れる電子
が寄与する拡散電流とが支配的になり、その電流増幅率
ｈＦＥは増大化に制約を受ける。

そのために、本発明では、エミッタ領域から注入される
正孔の基板深さ方向への拡散を阻止すべく、ｎ型領域３
及び領域４とのへテロ界面をｈの深さに形成させている
。

次に、横形ＢＰＴの各成分について説明する。

（イ）コレクタ電流Ｉｃコレクタ電流ＩＣは、相対向するエミッタ−コレクタ間
において下記（１）式で略決定されるものである。

なお、エミッタ深さを工５、エミッタ長さをＬとすると
、横形ＢＰＴにおけるコレクタ領域と相対向するエミッ
タ＠域の面積は近似的に］、−Ｌで表すことができる。

（ｂ）、エミッタ領域ＥＲから縦方向に流れる正孔の再
結合電流ＩＢ２・・・　（１）但し、ｑは紫電荷量［Ｃ］、ＤＰは正孔の拡散係数［ｃ
ｍ２／　ｓ　］　、Ｌｐは正孔の拡散距離［ｃｍコｎｌ
　は真性キャリア密度［ｃｍ−３］　、　　ＶＢＥはエ
ミッタ、ベース間印加電圧、ＷＢはベース幅［ｃｍ］、
Ｎ、はベース不純物密度［ｃｍ−３］　、工、はエミッ
タ深さ、Ｌはエミッタ長さ、ｋはボルツマン定数［Ｊ／
Ｋ］　、Ｔは絶対温度［Ｋ］である。

（ロ）ベース電流■。

ベース電流ＩＢは、以下のように主として下記（２）〜
（４）式に示す３つの成分からなる。

（ａ）、エミッタ領域Ｅ、ｌから横方向に流れる正孔に
よるベース領域ＢＲ中での再結合電流１１１１・［ｅｘ
ｐ　（−）　−１１（２）１？Ｔ但し、工８はエミッタ領域ＥＲから深さ方向に沿う距離
、Ｗ６はエミツタ幅である。

（Ｃ）　　ベース領域ＢＲからエミッタ領域Ｅｌｌへの
電子の拡散電流ＩＢ３但し、Ｎ６はエミッタ領域Ｅ３の不純物密度、Ｌ、は電
子の拡散距離、Ｄ、は電子の拡散係数である。

本発明において上記各式のうち特に留意すべきものは、
（３）式のベース電流成分ＩＢ２である。

従来の横形ＢＰＴでは、エミッタ領域ＥＲから注入され
た正孔の殆どは縦方向に流れて再結合してベース電流と
なるのに対し、本発明では、エミッタ領域ＥＲからの距
離りにポテンシャル障壁△φ８を形成し、この障壁によ
り注入キャリアが阻止されるようにする。

そして、この障壁△φＢを越える確率は、ｅｘｐ　　（
−△φＢ／］？Ｔ）となる。

該確率は、室温の場合△φ、＝０．１　［ｅＶ］で、従
来の横形ＢＰＴに比べ約１１５４になる。

上記（３）式で、工。（ＬＰが成立すると、ｔａｎｈ（
工ａ／Ｌｐ　）４工ｅ／Ｌｐであるのて、従来の横形Ｂ
ＰＴに比へ、本発明の横形ＢＰＴでは、ｒａｚが著しく
減少する。

次に、ｎ型領域中の正孔の拡散距離り、について述べる
。

ところで、正孔の移動度μ２については、ｎ型不純物濃
度Ｎ。の広い範囲に渡って、次式か成立する。

従ってこの（５）式から理解できるように、不純物濃度
ＮＤが小さくなると、移動度μ２は５００［ｃｍ２／　
Ｖ　−ｓｅｃ　］という一定値に近づくようになる。ま
た、不純物濃度が１０　”　［ｃｍ−３］以上になると
、移動度μ２は不純物濃度Ｎ。の関数となる。

一方、少数キャリアの寿命τＰは、不純物濃度が１０　
”　［ｃｍ−３］以上の場合次式の関係て示される。

不純物濃度が１０　”　［ｃｍ−３］以上になると、移
動度μｐはＮ。の関数となる。

方、少数キャリアの寿命で、は、不純物濃度が１０　”
　［ｃｍ−３］以上では次式で示される。

前記移動度μ、及び寿命で、から正孔の拡散距離り、は
、−船釣に次式で示される。

第３図は、ｎ型Ｓ１の場合における、少数キャリアであ
る正孔の移動度μＰ　（曲線Ｆ３）、寿命で、（曲線Ｆ
、）、拡散距離ＬＰ　　（曲線Ｆ２）を、夫々上記（５
）（６）（７）式に基いて得た１計算値としてＮＤが１０　”　〜１０　”　［ｃｍ−３
コの範囲について示したものである。

第３図にて明らかな如く、正孔の拡散距離り。

は極めて長く、ＮＤ＝１０”［ｃｍ−３］では、Ｌ、〜
１２０［μｍ］に達する。なお、不純物濃度Ｎｏが１０
１８［ｃｍ−３コであっても、ＬＰ”〜３０［μｍ］で
ある。

通常、ｎｐｎタイプの縦型ＢＰＴと同一基板に形成され
るｐｎｐタイプの横形ＢＰＴの場合、ベース領域の不純
物濃度は、ｎｐｎタイプの縦型ＢＰＴのコレクタＭ域の
不純物濃度と同じになるので小さいものとなり、例えは
１０１４〜５×１０［ｃｍ””］程度となる。そのため
、工。＜ｔ−ｐの関係は容易に成立させることかできる
が、工８≦Ｌ、／１０程度であれば望ましい。

かかる条件下では前記再結合電流ＩＢ２が激減するのて
、ベース電？Ｋ　Ｉ　ＢはＩＢＩ、Ｉｎ２が支配的にな
り、電流増幅率ｈＦＥを縦形ＢＰＴのそれに近づけるこ
とがてきる。なお、５ｉｔ−ＸＧｅつの混晶の場合、合
金効果によりキャリアの移動度が減少２するが、不純物濃度の高い領域（例えば１ｏ１８［ｃｍ
−３］以上の範囲）になると、不純物効果の影響が大き
くなり、該混晶とＳｔ単結晶とはほとんど同様のものと
なる。

前記再結合電流ＩＢ２が減少すると、ベース電流成分ハ
Ｉ　ａａ）　Ｉ　ｎ＋の関係があるので、横形ＢＰＴの
電流増幅率ｈＦＥを増加させるには、ＷＥ（ＬＰが成立
していれば、で示される比を犬にすればよい。この（８）式において
設計上の問題として容易に設定できるのは、Ｘｔ／Ｗｒ
、を犬、Ｎ　ｅ　／　Ｎ　Ｂを大にすることである。な
お、Ｎ　Ｅ　／　Ｎ　ａを犬にすることは、通常のＢＰ
Ｔと同様であるがＸＥ／ＷＥを犬にすることは横形ＢＰ
Ｔに特有のものである。

次に、第１図に示した第１実施例の製造プロセスについ
て説明する。

■Ｐ型の伝導型のＳｆ基Ｆｉ、１に、第Ｖ族元素である
Ａｓ、Ｓｂ、Ｐ等をイオン注入（不純物拡散等でもよい
）することにより、不純物濃度が例えば１０１５〜１０
１９［ｃｍ−３］のｎ″″埋め込み領域２を形成する。

■エピタキシャル技術等により、不純物濃度が例えば１
０１４〜１０　”　［Ｃ１１−３コのｎ型領域３を形成
する。

■ベースの抵抗を減少させるためのｎ＋領域６（不純物
濃度を例えば１０１７〜１０２０［Ｃｍ−３］とする）
を形成する。

■素子分離用の絶縁膜１００を、選択酸化法、ＣＶＤ法
等により作成し、該絶縁膜ｉｏｏの下部にチャネル・ス
トップ領域７を形成させる。

■Ｓｔ基板１に選択的にＧｅを、例えば、濃度ＩＸ　１
０１６〜１ｘ　ｉ　ｏ　”［ｃｍ−２］でイオン注入し
、熱処理してＳ　１　＋　−ｘ　Ｇ　ｅ　ｘのｎ型領域
４を作成する。

■エミッタ・コレクタ領域となるＰ＋領域５．５′を、
Ｉ　Ｘ　１０１５［ｃｍ−２］　のＢ＋をイオン注入法
をした後、熱処理して作成する。

■絶縁膜１１０を堆積し、これをアニールした後、コン
タクトの開口を行う。

■電極２００，２０１．２０２となるＡＡ−Ｓｉ（１％
）をスパッタし、°その後、Ａｎ−Ｓｔのパターン化を
行う。

■前記Ａｎ−３ｉの電極のアロイを、例えば、４５０［
’Ｃ］で３０分行った後、パッシベーション膜を形成す
る。

第４図は５ｉｔ−ｘＧｅ、の混晶のバンド・ギャップの
変化を示したものである。

第４図中、横軸はＧｅの混晶率（混入量ｘ×１００％）
を示し、縦軸はＳｉ単結晶に比較したバンド・ギャップ
減少量−△Ｅを示している。同図中曲線Ｈ８は歪なし状
態、及び曲線Ｈｕは歪状態を夫々しているが、半導体装
置中では歪状態のものをとる。

同図により、バンド・ギャップ減少量−△Ｅ。

’＝０．１　［ｅＶ’ｌは前記混入量Ｘ＝０．１２程度
のときに対応し、このとき障壁０．１　　［ｅＶ］が形
成される。

Ｇｅを濃度１　ｘ　１０１６［ｃｍ−２］であって、加
速５電圧１５０　［ｋｅＶ］の条件でイオン注入した場合、
ピーク濃度は、約Ｉ　Ｘ　１０　”　［ｃｍ−３］　に
なる。従って、該Ｇｅの混入量は単結晶Ｓ１の密度が５
　Ｘ　１０２２［ｃｍ−３］　であるので約２％となる
。

Ｘ＝０．１２は例えばＧｅの濃度が６×１０′６［ｃｍ
””］程度で遠戚できる。

［他の実施例］第５図は第２実施例を示すものである。

本実施例では、５ｉｔ−ＸＧｅ、の混晶から成るｎ型領
域４か、上記第１実施例に比べて少い範囲に限定されて
いる。すなわち、該ｎ型領域４の深さは、エミッタ領域
及びコレクタ領域であるＰ＋領域５．５“の深さと略々
同程度である。

本発明ては、ｎ型領域４とＰ′″領域５の間のｐｎ接合
は、Ｐ′″領域５とｎ型領域３のｐｎ接合に比へて半導
体のバンドギャップか小さくなることから、ｐ−ｎ注入
効率が変化する現象を利用している。

なお、本第２実施例では、コレクタ電流■。は上記（１
）式において、ｅｘｐ　　（△Ｅ／ｌ？Ｔ）の係６数を乗する必要があること、そして、上記（２）式の再
結合電流ＩＢ＋においても、前記と同様にｅｘｐ　　（
△Ｅ／ｌ？Ｔ）を乗する必要があることが第１実施例と
異なる。かかる特徴点に基づいて電流増幅率ｈＦＥを増
大させる。

なお、本実施例ではコレクタ電流を表面付近に封し込め
ることが木質的に重要な点である。この点から領域４の
深さは領域５．５°より浅くしてもよい。

他の構成、作用は上記第１実施例と同様であるので説明
を省略する。

第６図は第３実施例を示すものである。

本実施例では、Ｓ１＋−ｘＧｅｇの混晶から成るｎ型領
域層４をイオン注入法で形成させるのてなく、エピタキ
シャル法で成長させた後、その内部にエミッタ・コレク
タ部となるＰ１領域５．５を作成する。この場合、ベー
ス領域のコンタクト部も、５ｔ−Ｇｅの混晶により形成
されているがこれは木質的な問題ではない。また、領域
４は領域５．５゛より浅く作成されていても、パントギ
ャップ差によりコレクタ電流が領域４に閉じこめられて
いれはよい。

上記第１、第２実施例においてもベース取り出し部をＳ
ｉ　　Ｇｅの混晶にて形成してもよいことは同様である
。これにより、各領域のコンタクト抵抗が一様に低下す
る。

上述の各実施例においては、ｐｎｐタイプの横形ＢＰＴ
に適用する場合について説明したが、ｎｐｎ形タイプの
横形ＢＰＴに適用してもよいことは勿論である。

［発明の効果］以上のように、請求項１の構成によれば、第１伝導型の
エミッタ領域及びコレクタ領域と、第２伝導型のベース
領域とを横型構造に形成して威る半導体装置において、
少なくとも、エミッタ領域の一部に、前記ベース領域の
少数キャリアに対し前記エミッタ領域の深さ方向に障壁
として作用する半導体層を形成したことを特徴とするの
で、簡単な構成により、容易に横形ＢＰＴの電流増幅率
の増大化を実現できる。

また、従来の集積回路の量産技術を流用できるので、安
価に提供できる。さらには、他のＭＯ３構造トランジス
タ等を同時に集積できるので、半導体装置としての応用
範囲が広い。

請求項２の構成によれば、請求項１の半導体装置におい
て、前記障壁の高さが当該温度の熱エネルギー相当以上
であることを特徴とするので、障壁は当該室温でも十分
に機能する。

請求項３の構成によれば、請求項１又は請求項２記載の
半導体装置において、エミッタ電流を基板の深さ方向に
拡散させるのを防止できる前記障壁の形成が容易となる
。

請求項４の構成によれば、請求項１〜請求項３までのい
ずれか１項に記載の半導体装置において、前記障壁を有
する領域がエミッタ領域及びコレクタ領域を含むと共に
、該工稟ツタ領域から前記障壁を有する界面までの距離
が少なくとも少数キャリアの拡散長に比べて短かく設定
されでいることを特徴とするので、正孔の再結合電流を
激減させることができ、さらに電流増幅率の増大化を９実現できる。

請求項５の構成によれば、請求項１〜請求項３までのい
ずれか１項に記載の半導体装置において、前記障壁を有
する領域が、少なくともエミッタ領域、ベース領域、及
びコレクタ領域の一部を含むことを特徴とするので、こ
れら各領域のコンタクト抵抗を一様に低下させ得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す断面図、第２図（
ａ）は、第１図のＡ−Ａ’線に沿う断面における電位を
示す模式図、第２図（ｂ）は、第１図のＢ−Ｂ’線に沿
う断面における電位を示す模式図、第３図はｎ型不純物
濃度に対する正孔の移動度、寿命、拡散距離の変化を示
すグラフ、第４図は５ｔ１−、−Ｇｅｘの混晶率に対す
るバンド・ギャップの変化を示すグラフ、第５図は第２
実施例を示す断面図、第６図は第３実施例を−示す断面
図である。４・・・ｎ型領域（半導体層）、５・・・Ｐ＋型領域（
工主ツタ領域）、ＥＲ・・・エミッタ領域、ＢＲ・・・
０ベース領域、ＣＲ・・・コレクタ領域、ΔφＢ・・・障
壁の電位。第２（ｂ）特開平３２４４１３３　（８）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１伝導型のエミッタ領域及びコレクタ領域と、
第２伝導型のベース領域とを横型構造に形成して成る半
導体装置において、少なくとも、ベース領域の一部に、前記エミッタ領域か
ら注入される前記ベース領域の少数キャリアに対し前記
ベース領域の深さ方向に障壁として作用する半導体層を
形成したことを特徴とする半導体装置。
（２）請求項１の半導体装置において、前記障壁の電位
の大きさが当該温度の熱エネルギー相当以上であること
を特徴とする半導体装置。
（３）請求項１又は請求項２記載の半導体装置において
、前記障壁がヘテロ接合で形成されたことを特徴とする
半導体装置。
（４）請求項１〜請求項３までのいずれか１項に記載の
半導体装置において、前記障壁を有する領域がエミッタ
領域及びコレクタ領域を含むと共に、該エミッタ領域か
ら前記障壁を有する界面までの距離が少なくとも少数キ
ャリアの拡散長に比べて短かく設定されていることを特
徴とする半導体装置。
（５）請求項１〜請求項３までのいずれか１項に記載の
半導体装置において、前記障壁を有する領域が、少なく
ともエミッタ領域、ベース領域、及びコレクタ領域の一
部を含むことを特徴とする半導体装置。