JPH03250737A - 半導体装置およびその半導体装置を使用する電子装置 - 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、半導体装置、特にバイポーラトランジスタの
構造、およびその応用例としての電子装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 従来より、トンネル電流が流れる薄膜をエミッタに有す
るもの、例えばトンネル電流を流し得るｉｓとしての絶
縁膜が形成されたＭＩ　Ｓ　（メタル／絶縁＠／半導体
）構造のバイポーラトランジスタ（ＢＰＴ）や、マイク
ｄ・クリスタル（μＣ）をエミッタに用いたヘテロバイ
ポーラトランジスタ（ＨＢＴ）等が知られている。

この場合、前記ＢＰＴでは、トンネル電流が流れる薄膜
での電子と正孔のトンネル確率の差を利用して、ベース
からの正孔を前記薄膜で阻止することによりベース電流
の低減を図るようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来構造のＭＩＳ構造のＢＰ’Ｔは
、特に微少電流領域において酸化膜中における再結合電
流が支配的でベース電流が増大するので、低電流側での
電流増幅率り２．（押１ｃ／Ｉａ）が低下し、極端な場
合、１以下の大きさとなる。また、かかる構造の場合、
メタルと絶縁膜とが反応し易く信頼性に欠ける。さらに
は、絶縁膜が相当の厚みを有しているので、直列抵抗が
大きいものとなりている。また、酸化膜の厚みにより、
正孔と電子のトンネル確率を決めているため、厚みが敏
感に前記ｈＦＥに反映されてしまい、個々のＢＰＴの特
性バラツキを生しる。なお、直列抵抗も同様に変化する
。すなわち、すべての酸化膜を安定に人オーダーで作成
することは困難を伴う。

他方、従来のμＣを用いたＨＢＴては、エミッタ・ベー
ス接合、すなわちμｃ−５ｉを用いたエミッタとベース
との界面が熱処理に対し不安定で変動し易く、安定した
製造を行い難い。これは、μＣ自体の不安定性や単結晶
シリコンとの界面における不安定性に基づくこと、さら
には、通常のμＣでは多量の水素を含んでいるので、結
晶の不安定性を助長していること等に起因する。加えて
、μＣを用いたものは、製造工程のみならず動作中に特
性劣化が生じ易い。

本発明は、上記事情に鑑み、コレクタ電流の広い範囲に
渡って高い電流増幅率を確保することができ、特性のバ
ラツキが少く、熱処理に耐え、ｎｐｎおよびｐｎｐのい
ずれのタイプの接合トランジスタにも適用できる等とし
た半導体装置、および、その応用例としての電子装置を
提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成すべく、請求項１の発明は、第１伝導形
のコレクタ領域と、第２伝導形のベース領域と、第１伝
導形のエミッタ領域と、該エミッタ領域上に形成されト
ンネル電流を流し得る薄膜とを少くとも設けて成る半導
体装置において、該薄膜を超ｆｉｉ膜に形成し、該超薄
膜上に積層される第１伝導形の多結晶層を設けて、該多
結晶層と前記エミッタ領域との間に電位障壁を形成し、
該電位薄壁の高さを当該温度の熱エネルギーに比べて大
きく設定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
記エミッタ領域の不純物濃度をＮε１とし、前記多結晶
層の不純物濃度をＮＥ２とし自然数をｅとしたとき、Ｎ
Ｅ　２　＞　ｅ　Ｎ　Ｅ　ｌの関係が成立することを特
徴とする 請求項３の発明は、請求項１または請求項２の半導体装
置において、前記超薄膜は電子及び正孔のいずれのキャ
リアに対してもトンネル電流を流し得る厚みに設定され
ている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、前言己エミッタ領域は、前記ベース領域から注入さ
れる少数キャリアの拡散長よりも薄い厚みに設定されて
いることを特徴とする 請求項５の発明は、請求項１〜４の半導体装置を、少な
くとも光電変換素子として用いていることを特徴とする
。

［作用］ 超薄膜がエミッタ領域上に形成されることにより正孔お
よび電子の両方のトンネル確率が同程度になり、電流増
幅率の増大化を実現できる。

また、エミッタ領域上の超薄膜上に高濃度の多結晶層を
形成しているので、ベース領域から注入された少数キャ
リアの障壁が形成され、これがベース電流の低減に寄与
し、電流増幅率の増大化を実現する。

さらに、′！７結晶は超薄膜を介して単結晶上に形成さ
れるので、単結晶上に直接形成する場合に比べて熱に強
く、粒径か一定化し界面も安定したものとなる。

また、超薄膜にしたため、正孔、電子は充分トンネルし
、酸化膜によりＢＰＴの電流、電圧特性に影響しない。

すなわち、コレクタ電流は、ベースのみにより決まり、
ベース電流の値はトンネル膜下のエミッタ濃度、深さに
よフて決めることができるので、トンネル膜の厚みによ
り、ＢＰＴのｈ−の変化は生じない。

換言すれば、バラツキの小さい安定なｈＦｔを有したＢ
ＰＴとなる。

また、エミッタ・ベース接合が、単結晶中に作成される
と、微少電流領域におけるベース電流の増加を抑えるこ
とができる。

［実施例］ 第１図は本発明の半導体装置の第１実施例を示すもので
ある。

同図において、１はシリコン基板であり、該基板１は、
リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（ｓｂ＞等の不
純物をトープしてｎ形としたもの、あるいはホロン（Ｂ
）、アルミニウム（ＡＩｌ）　、ガリウム（Ｇａ）等の
不純物をトープしてｐ形としたものから成る。

２はｎ＋埋め込み領域であり、該ｎ＋埋め込み領域２は
、例えば不純物濃度１０′６〜１０２０［ｃｍ−３］か
ら成るものである。

３はコレクタ領域の一部としてのｎ影領域てあり、該ｎ
影領域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１０１３〜５Ｘ　１０”［ｃ
ｍ−’］程度のもの）から成る。

４はベース領域としてのｐ影領域であり、該ｐ影領域４
は、例えば不純物濃度１０１５〜１０２０［ｃｍ−’コ
のものから成る。

５はＰ“領域であり、該Ｐ４領域５はベース抵抗を下げ
るために、例えば不純物濃度１０′７〜１、ｏ２０［。

ｍ−３］のものから成る。

６　ハｎ“エミッタ領域である。

７はｎ＋領領域あり、該ｎ″″″領域コレクタ抵抗を下
げるべく、後記コレクタ電極２０２と前記埋め込み領域
２とを接続するものである。

８は半導体材料層である高濃度の不純物を添加した多結
晶層であり、該多結晶層８は、ベース領域から注入され
たキャリアを阻止する。

３０は薄膜であり、該薄膜３０はトンネル電流を流すた
めの薄い絶縁材料から成る。

１０１．１０２．１０３は、電極、素子間、配線間を分
離するための絶縁膜である。

２００．２０１、および２０２は夫々エミッタ電極、ベ
ース電極、およびコレクタ電極であり、各’１４８ｉ２
００．２０１．２０２は、金属、シリサイド等により形
成される。

なお、前記薄膜３０は極めて薄く（従来のＭＩＳ構造Ｂ
ＰＴよりも薄く）形成し、正孔及び電子のキャ失アの両
トンネル確率の差がほとんどないようにする。少くとも
正孔も電流のキャリアとして十分に寄与する。そして、
該薄膜３０を通過した正孔は多結晶層８で阻止される。

次に、前記多結晶層８について述べる。

多結晶は、ある大きさの分布をもった単結晶が集合した
もので、それらの結晶粒が一足の結晶方位を有しないも
のである。そして、結晶粒界を持ち、著しい格子の乱れ
をその部分において有している。従って、結晶粒界の存
在が、単結晶と異なる電気特性を有する原因である。

前記電気特性は、結晶粒径および結晶粒界の格子欠陥密
度によって大きく影響される。また、該結晶粒界に存在
する格子欠陥は、深いアクセプタまたはトナー準位とし
て、自由キャリアの捕獲中心となり、禁制茶巾に電荷を
捕獲する。それにより結晶粒界の周囲に空乏層領域を生
じポテンシャルが変化し、該ポテンシャルの変化はキャ
リアに対して障壁のように作用する。

多結晶は、その粒径Ｌ　［ｃｍｌ　、不純物濃度Ｎ　ｉ
　　［ｃｍ−’］　、結晶粒界におけるトラップ準位密
度Ｑｔ　［ｃｍ−２］により、その特性が変化するが、
多結晶シリコンを例として該特性変化につき以下に説明
する。

第２図は、Ｑｔ＞Ｌ−Ｎｉの場合のエネルギーバンド図
（第２図（ａ））と、薄膜Ｎ形多結晶シリコン中の結晶
粒界Ｂｃ、’空乏層Ｅ、の広がり（第２図（ｂ））を示
すものである。

第３図は、Ｑ　ｔ　＜　Ｌ−Ｎ　ｉの場合のエネルギー
バンド図（第３図（ａ））と、薄膜Ｎ形多結晶シリコン
中の結晶粒界ＢＣ，空乏層Ｅ、の広がり（第３図（ｂ）
）を示すものである。

すなわち、Ｑ　ｔ　＞　Ｌ−Ｎ　ｉでは多結晶シリコン
中が全て空乏化する一方、Ｑｔ＜Ｌ−Ｎｔでは、結晶粒
界の近傍のみに空乏層領域が広がり、多結晶シリコン中
に中性領域を歿している。換言すれば、様子をあられし
ているｓ　Ｑ　ｔ　＞　Ｌ−Ｎ　ｉになると抵抗が極め
て高くなる。

第４図には、トラップ準位密度Ｑｔを一定として、粒径
りを２００，４２０．１２２０　［人コと変えた場合に
おける不純物濃度Ｎｉに対する比抵抗ρの一例が示され
ている。

ここで、領域■はＱ　ｔ　＞　Ｌ−Ｎ　ｉの場合、領域
■はＱｔ＜Ｌ−Ｎｉの場合を表わしている。

また、領域■は、不純物濃度が高く、第３図に示す障壁
φ、が極めて薄くなる場合であり、キャリアが障壁をト
ンネル現象により通過するために、実賀的に障壁がなく
なり、ｊｌＬ結晶に近い比抵抗を有するようになる。

本発明の多結晶シリコンは領域■の不純物濃度領域を用
いており、粒界における空乏層幅Ｗは近似的に次式で示
される。

Ｗ　　２Ｑｔ　　　　　　　　　　　、、、（１゜Ｎｉ 通常、電子、正孔のトンネル現象は薄膜の膜厚が５０［
入コ以下で生じ易くなるので、例えばトラップ準位密度
Ｑｔを５ｘ　１０１２［ｃｍ−２］とすると、不純物濃
度Ｎｉは４Ｘ１０１９［ｃｍ−’コ以上である必要があ
る。トンネル薄膜の膜厚を５０ｃ人］以下とすると不純
物濃度ＮｉはＱｔに依存するが、下記のように、 Ｑｔ Ｎｉ２５ｘｌＯ−’　　＝　４Ｘ１（１’Ｑｔ　［’ｃ
ｍ−’］・・・（２）が成立するときは、領域■に対応
する。

第５図は第１図のＡ−Ａ’線に沿う断面における電位図
を示すものであり、ベース幅はＷＢ、単結晶エミッタ深
さはＷ、。、超薄膜の膜厚はδで示されている。本発明
で最も重要であるのは、単結晶エミッタと多結晶エミッ
タとの間の障壁の高さ△φ、である。

この障壁の高さ△φ、は、ベース領域から注入された正
孔の障壁として、ベース電流を低減させる。ベース領域
から注入された正孔は、トンネル薄膜を通過した後、さ
らに、 ｅｘｐ　（−△φａ　／　ｋ　Ｔ　）に減少するが、前
記障壁の高さ△φ６がｋＴであるとｅ−１の値になる。

従って該障壁の高さΔφ６が当該温度Ｔの熱エネルギー
であるｋＴ以上あればベース電流減少の効果は生じてく
る。

この障壁の高さΔφ、は、本発明においては、単結晶の
エミッタ領域と多結晶領域とのフェルミ準位の差によっ
て生じさせる。

この効果により、エミッタ領域にペテロ接合的な効果が
生じ、電流増幅率ｈｒｔの増大を図ることができる。

設計上の問題としては、上記構成はｎ＋エミッタ領域６
の濃度を多結晶層８のそれに比べて小とすることにより
実現できる。

半導体の電子のエネルギーＥ、とフェルミレベルＥ、と
の関係は近似的に次式で表わされる。

ｎ型半導体　　ＥＰ−Ｅｌ　−ｋＴｆ　ｎ　”−・＝　
（３）Ｎｉ ｐ型半導体　　Ｅｉ−Ｅｒ　−ｋＴｕ　ｎ　Ｎ！−−（
４）Ｎｉ ここで、ＮＤ、ＮＡは夫々ｎ形、ｐ形不純物密度、ｎ、
は真性半導体キャリア密度である。

ところで、上式はポルツマン統計が通用できる範囲であ
るが、キャリア密度ｎ、が高濃度になったときは、フェ
ルミデイラック統計が通用されるので上式を用いること
はできない。

第６図は、半導体シリコンにおけるフェルミレベルＥ、
とキャリア密度ｎ、の関係を示す。同図の横軸は、ｋＴ
で規格化されたエネルギー、すなわちｎ形半導体の場合
（ＥＦ　−Ｅｃ　）／ｋＴを、ｐ形半導体の場合（ＥＶ
　−ＥＦ　）ｉｋ−ｒを夫々示すものであり、また、そ
の縦軸は、キャリア密度ｎｉ　　［ｃｍ−３３を示す。

なお、ｎｌは常温では不純物密度とほば等しい値である
。

上記横軸を示す式において、Ｅｃ、Ｅｖは夫々伝導ＩＦ
端、価電子ｆ端のエネルギーであり、規格化エネルギー
が零であることは、フェルミレベルＥｒがＥ。、ＥＶと
一致するということである。

かかる一致したときに比ベキャリア密度ｎｌが高密度で
あると、Ｅｌは禁止帯の中にはなく、ｎ形では伝導帯、
ｐ形では価電子帯の中に入り込むことを意味している。

このときの不純物濃度は、ｎ形の場合２．Ｉ　Ｘｉ　Ｏ
”［ｃｍ”−’］　、ｐ形の場合８ｘｌＯ”［ｃｍ−３
コとなる。

第６図中、１　点ｔｅｌ　Ｍ　Ｙ：　ｙ　シタｊＪ　（
曲ｉＢＤ、、直線ＢＤ、）はボルツマン統計を通用した
例であり、破線で示した！ｊｉ！（曲線ＦＤＩ　、直線
ＦＤ、）はフェルミ・デイラック統計を適用した例であ
るが、規格化エネルギーが−１より大きい範囲では両統
針の間で違いが生じる。すなわち、規格化エネルギーが
−１より大きくなったときは、フェルミ・デイラック統
計を使わないと、フェルミエネルギーは正確に評価でき
ない。なお、同図においてＯ印のプロットはｎ形半導体
の場合を、ｘ印のプロットはｐ形半導体の場合を示して
いる。

ｎ形半導体とｐ形半導体との間で違いが生じるのは、バ
ンド構造や、有効買置の差から生ずる。

勿論、他の材料であれば、この値は異るものとなる。

エミッターベース領域の近傍の濃度をＮＥｌ、高濃度多
結晶領域のそれをＮｉ２とすると上記（３）式より近似
的に Ｎ、２≧ｅＮＥ、　　　　　　　　　　　−（５）ここ
で、ｅは自然数（４２，７１８）である。

の条件で△φ、≧ｋＴとなる。正確にはｖＳ６図のデー
タを使いＮ　Ｅｌ＋　Ｎ　！２を決定することになる。

なお、△φ、≧２ｋＴが成立する場合は、ＮＥ２≧ｅ’
Ｎｚ１という関係となる。

′ｔＳ５図は、第１図のＡ−Ａ’断面における電位図を
示すものである。本発明においては、同図で示すように
、エミッタ領域ＥＲの厚みｗｃｏや濃度ＮＤもベース電
流を低減させるには重要な要素となる。なお、同図にお
いで、ＥＲはエミッタ領域を、Ｂ、ｌはベース領域を、
そして、ＣＲはコレクタ領域を表す。

通常、前記薄膜３０は２０［入］以下であり、ｎ３エミ
ツタ領域６の厚みに比較して小さいので、エミッタ・ベ
ース接合部から多結晶層８までの距＊　Ｗ　ｔは、 Ｗ、舛Ｗ、。＋６　・・・　　　　　　　　　（６゛）
にて表され、はとんどＷ、。に等しくなる。

一方、本発明において他の重要な要素、すなわちベース
から注入される少数キャリアの阻止は、多結晶層８と薄
膜３０と界面で行われる。勿論、トンネル膜での電子及
び正孔のトンネル確率は電子の方が犬であるので、該ト
ンネル効果と共に前記阻止効果も生じている。

次に、前記ＢＰＴの電流成分について述べる。

コレクタ電流Ｊｃは、近似的に下記の（６）式％式％ ただし、電子の拡散距離はベース幅よりも長いものとす
る。なお、Ｎ８はベース濃度、Ｗ、はベース幅、Ｄｎは
電子の拡散距離、ｎｌはＳｉの真性キャリア密度、Ｖｌ
ｌ＋！はベース・エミッタ印加電圧である。

また、ベース電流は、エミッタから注入された電子のベ
ース中での再結合電流Ｊａｒｓｃと、ベースからエミッ
タに注入される正孔の拡散電流Ｊ　１ｌｄｌｆ　とから
成る。

ここで、再結合電流Ｊ！ｆｒｅｅは、 で表される。ただし、Ｌ、は電子の拡散距離である。

従来のホモ接合形ＢＰＴではＪｌｌｄｌｆｆが主成分で
あり、高電流利得を得ることができない。

従来のホモＢＰＴにおける拡散電流Ｊ　１ｌｄｌｆｆ＋
は、正孔の拡散長り、がエミッタ厚みＷ、より小の場合 （ケース１） （ｔ−ｐ ＣＷ。

） で表される。

一方、高集積化に伴なうエミッタ接合の浅化がおこなわ
れると、ＬＰ　＞ｗ、となり（ケース２）拡散電流Ｊｌ
ｌｄｌｆｆ２は、 で表される。従って、この（９）式から明らかなように
、ざらに拡散電流が大となり、ＢＰＴの電流増幅率ｈｒ
ｉが減少する。

本発明の場合、前記薄膜３０と単結晶との界面での再結
合速度を無視し得る値に設定すると、拡散電流Ｊ　ａｃ
Ｈｆｆ３は下記の（１０）式で表される。

（Ｌｐ　＞Ｗｃ　） 本発明のＢＰＴでは、前記ケース１において、従来のホ
モ接合形ＢＰＴに対して、拡散を流Ｊ　ｌ１ｄｌｆｆは
ＷＥ／ＬＰ倍となる。

さらに、前記ケース２に対し、拡散電流Ｊａｄ＋ｒｒは
（Ｗｒ／Ｌｐ）’倍となる。

このように、本実施例では拡散電流ＪＢｄイ、を飛躍的
に減少させることができる。換言すれは、電流増幅率ｈ
ＦＥを飛躍的に増加させることができる。

なお、従来のＭｉｓ構造ＢＰＴは、Ｗ、＝Ｏであるので
拡散電流Ｊ　ｌ１ｄｌｆｆは存在しないか、他の電流成
分が存在する。

第７図は、トランジスタの電流、電圧特性を模式的に示
したグラフであり、横軸はベース、エミッタ間電圧Ｖｌ
ｌ！、縦軸はベース′ｒＬ流Ｉ１１コレクタ電流ｒｃを
対数表示したものである。本発明のＢＰＴでは、コレク
タ電流ＩＣとベース電流ＩＩ！ｌとがほぼ平行になり、
微小電流領域（ＨＰ　）においても、電流増幅率ｈｐＥ
（４Ｉｃ　／Ｉｎ　）は一定値となるが、従来のＭＩＳ
構造ＢＰＴでは、微小電流領域（Ｈｏ）で過剰電流が流
れる。

本発明に係るＢＰＴのベース電流は、前記（７）式で示
される再結合電流が主となり、この場合の電流増幅率の
最大値Ｆｌｒ！＋＋□は、ｈ　Ｆ）：−−−＝　２　（
Ｌｏ／　Ｗａ　）２−　　（１１）となり、ベース条件
のみ辷よってｈＦＥの上限が決まる。なお、本発明によ
るｈＦＥは１００００以上となる。

第８図は、前記ｎ０エミツタ領域６における不純物濃度
Ｎ０と少数キャリア（正孔）の拡散距離ＬＰおよび該少
数キャリア（正孔）の寿命で、との関係を示すものであ
る。この関係から、エミッタ深さは、少なくとも正孔の
拡散距離の１１５程度にした方がよい。

次に、第１図に示した半導体装置の製造プロセスについ
て説明する。

■所定の伝導形（ｐ型あるいはｎ型）の基板１に、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１０１５〜１０１９［ｃｍ
−’コの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１０　”
〜１０　Ｉ７［ｃｍ−’コのｎ影領域３を形成する。

■コレクタの抵抗を減少させるためのｎ“領域７（不純
物濃度が１０　”　〜１０２０［Ｃｌ１１−”コ）を形
成する。

■素子分離用の絶縁膜１０２を、選択酸化法、あるいは
ＣＶＤ法等により作成する。

■活性領域中に、ｐ“領域５及びベース領域であるｐ領
域４をイオン注入法等により形成する。

■絶縁＠１０１にエミッタコンタクトを開口した後、Ａ
ｓ、Ｓｂ、Ｐ等をドープしたｎ“エミッタ領域６（不純
物濃度５ｘｉｏ”〜５Ｘ１０１９［ｃｍ−３１）をイオ
ン注入法あるいは熱拡散法により形成する。

■薄膜３０を、５００℃〜６ｓｏ［ｔ］の低温による酸
化若しくは急速熱加速（ＲＴＡ）による熱酸化によって
作成する。

■ＬＰＣＶＤ法により多結晶シリコンを堆積した後、イ
オン注入法によりＡｓあるいはＰＯｎ形不純物を高濃度
（５ｘ　１０　”　［ｃｍ−’］以上）で添加し、熱処
理をして活性化する。但し、熱処理は多結晶シリコン層
の下部のｎ１工ミツタ層６に拡散させないように、低温
度（８５０［ｔｌ：］以下）で行うか、急速熱加熱によ
り短時間で行う。その後、多結晶層８をバターニングし
、エミッタ電極とする。

■絶縁膜１０３を堆積し、これをアニールした後、コン
タクトの開口を行なう。

［相］電極２００となるＡｌ−５ｉ（１％）をスパッタ
し、その後、Ａｌ−３ｉのパターン化を行なう。

■Ａｊ２−３ｉ電極のアロイ後、パッシベーション膜を
形成する。

上記手順により、本発明のＢＰＴが完成する。

上記製造プロセスにおいて重要なことは、■の薄膜３０
の作成、■、■のエミッタ濃度の設定に関してである。

■における単結晶エミッタは上記（１０）式により決定
されるベース電流を極小にすべく、接合の深さおよび濃
度を設定する必要がある。

エミッタ濃度を高くし、浅化をすることが１つの手段で
あるが、該濃度が１０　”　［ｃ　ｍ−３」以上になる
と、不純物によるバンド・テーリング効果が生じ、少数
キャリアかｅｘｐ　（ΔＥ／ｋＴ）に比例して増加する
ので、上記（１０）式により示すベース電流が増加し始
める。また、濃度が高くなると、製造プロセス上におい
ても浅い接合が困難となる。これは、不純物濃度が高く
なると不純物拡散係数も大きくなるためである。

従って、単結晶であるエミッタ領域はその濃度を１０１
９［ｃｍ””］近傍での接合深さとする。

一方、多結晶層の濃度は、少くとも単結晶エミッタ領域
より１桁程度高く設定する。従来のトンネル薄膜を有し
ないＢＰＴでは、熱処理中に拡散するため、製造を困難
なものにしていたが、本発明では超薄膜３０が介在して
いるので、該薄膜中の不純物の拡散速度は単結晶に比べ
て１〜２桁遅くなりかかる問題を解決している。

他方、多結晶の粒界を介在させた不純物の拡散は、単結
晶中に比べて１〜２桁速いことから安定したＢＰＴの製
造を行える。

前屈Ｆｉ＠３０の他の特徴的な機能は、多結晶層８とエ
ミッタ領域６の単結晶たるｎ“領域６を分離すると共に
、その界面を平坦化し、かつ、多結晶層８の安定化を図
ることである。

すなわち、車に単結晶たるｎ３領域６上に多結晶層８を
堆積すると、単結晶の上に多結晶の粒径程度の結晶がエ
ピタキシャル的に成長して本来の単結晶との界面が変化
して波状になり、常に一定の形状を保持することができ
ない。この場合、自然酸化膜上に多結晶を堆積して熱処
理すると、その酸化膜が部分的に破れて、局所的にエピ
タキシャル成長する。著しい場合は、自然酸化膜はボー
ル状になり、多結晶が単結晶的に再結晶化する。

このように従来構造の場合は、いずれも、単結晶と多結
晶の界面が平坦でなくなり、ＢＰＴの特性のバラツキの
原因となる。

すなわち、ベースからエミッタに注入されたキャリアが
エミッタ内で再結合する場合に、エミッタ内が不均一に
なるので、作成された個々のＢＰＴにおいて、ベース電
流値が一定でなく、各ＢＰＴ間でバラツキが犬となる。

本発明では、単結晶たるｎ゛領域６上に薄＠３０を作成
し、該薄膜上（本実施例では酸化シリコン膜）に、多結
晶１ｉ８を形成させているので、その界面は、原子オー
ダーで平坦である。また、多結晶層８は安定な薄膜３０
を介して堆積されるので、熱処理による多結晶の再配列
が容易にはおこらず、後の熱処理においても安定である
。従来のマイクロ・クリスタルＳｉ、アモルファスＳｉ
等では（堆積温度１００〜３００［ｔコ）４００〜６０
０［ｔｌの熱処理によりその特性が容易に変化し、電流
増幅率ｈｒｔの劣化が起こり易い。

本発明では、多結晶であるために堆積温度は高くなり、
例えば、多結晶Ｓｉでは、５５０〜６５０［ｔ］程度で
あるので結晶粒径が大である他、水素はほとんど含有さ
れてなく、その後の工程における結晶粒径の変化が少な
い上、水素の脱離による変化が生じない。多結晶Ｓｉの
場合、９００［ｔ］程度までは、十分に耐えられるもの
となり、極めて安定なりＰＴが得られる。

また、多結晶層８の界面は薄膜３０との界面に存在する
ので、単結晶たるエミッタ領域に対する界面は極めて平
坦なものとなる。これはＢＰＴ特性の安定化を図るのに
極めて重要な要素となる。

上記の記述から明らかなように、前記薄膜３０の材料は
、安定なものである必要があるので、例えば、５ｉ０２
　、Ｓｉ、Ｎ、、ＳｉＣ。

Ａｌ１２０３等化学的に安定な材料が望ましい。

さらに付言すると、薄膜３０と単結晶との界面も極めて
重要であり、界面の再結合準位は低くする必要がある。

また、ＳｉＣ等を用いて、トンネル形障壁となる構造と
してもよい０例えば、ＳｉＣは、Ｓｉと比べると、伝導
帯エネルギー差△Ｅｖ＃０．５３［ｅ　Ｖ］　、価電子
帯差△Ｅ、４０．５５［ｅＶコ、バンドギヤ’／プＥ　
ｇ　”？　２．２　［ｅ　Ｖ　］程度であり、ＳｉＣと
Ｓｉとが共にｎ形で階段的に接合する場合には、半導体
／絶縁体接合とは異なる構造となる。

３４９図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は、同一の伝導形（こ
の場合ｎ形）同志、すなわちアイソタイプのへテロ接合
のバンド構造を示している。

第９図（ａ）は、ｎ形Ｓｉおよびｎ形ＳｉＣの接合を示
すものであり、△ＥＣ，△Ｅｖが夫々上下に表われ、伝
導帯側にはノツチと呼ばれる障壁φ０ができる一方、価
電子帯側には、 △Ｅ、＋△Ｅｖ−△Ｅｆ のエネルギー差が生ずる。

また、ｎ型Ｓ１、ｎ型Ｓ　ｉ　Ｃ，およびｎ型Ｓ１を接
合すると、第１１図（ｂ）に示すようなエネルギー準位
となる。

そして、ＳｉＣを薄膜化するとＳｉＣ層は空乏化し絶縁
物と同様になり、第９図（Ｃ）のようなエネルギー準位
となる。

第９図（ｂ）に示すような構造でも本発明の効果を得る
ことはできるが、第９図（Ｃ）に示したような構造の方
が、より、電子電流を大きくすることができる。なお、
第９図では、ＳｉＣを用し）た場合の例を示したが、他
の広い禁制帯幅の材料を用いてもよいことは明らかであ
る。

トンネル用薄膜３０の障壁の高さφ、は、低くなる程直
接のトンネル確率が高くなり、電流が多く流れる。すな
わち、エミッタ抵抗が低くなるので、好適なものとなる
。なお、該薄膜３０の材料としては安定でかつ禁制帯幅
が狭いものが望ましい 次に、第１０図は、本発明の第２実施例に係る半導体装
置を示すものである。本実施例は上記第１実施例におけ
るエミッタ領域６をエピタキシャル成長により形成し、
さらにその上部にトンネル用薄［３０と高濃度多結晶層
８を積層させるようにしたものである。かかる構成によ
ると、ニミッタ゛領域６がベース領域と平面で接触し、
ベース領域へのエミッタ領域からのキャリアの拡散がほ
とんど抑制されるので、エミッタ領域での横方向電流が
少くエミッタの寸法精度による電流増幅率への影響を低
減させることができる。従って、半導体装置の微細化、
高集積化した光電変換装置に通用して有用である。

他の構成、作用は上記３４１実施例と同様であるので重
複した説明を省略する。

第１１図は本発明の第３実施例を示すものである。

本実施例では、第１実施における高濃度多結晶層８と電
極２００との間に、拡散１１ｍ壁として作用するＴｉＮ
、ＴｉＷ、Ｍｏ、Ｗ等のいわゆるバリアメタル層１０を
形成し、多結晶と電極（Ａｆｌ）との反応を抑制し、安
定でバラツキの少い半導体装置を製造し得るようにした
ものである。なお、電極（Ａｆｌ）は多結晶内を拡散し
易いので、場合によってはＢＰＴの特性に影響する。

他の構成、作用は上記第１実施例と同様であるので、重
複した説明を省略する。

第１２図は上記実施例に係る半導体装置の応用例として
の電子装置の一実施例を示す回路図である。すなわち、
本出願人が特願昭６２−３２１４２３号において開示し
た固体撮像装置に、上記実施例１に示したＢＰＴを用い
た場合を示すものである。

すなわち、第１２図において、エリアセンサーＡＳ（７
）ｔｙンサーセルｃ１１、Ｃ１２、−＋ＣＩ１．ｎを構
成するトランジスタＴｒは上記第１実施例に示すＭＩＳ
型ＢＰＴを用いる。

なお、第】２図に示すエリアセンサーＡＳをカラーカメ
ラとして使用する場合には、同一の光電変換素子の光情
報を複数回読み出す動作を行なう。この場合、同一素子
から複数回読み比すために、１回目読み出し時と２回目
以降の読み出し時の電気出力の比が問題となるが、この
比の値が小さくなったときには補正が必要となる。

上記１回目と２回目との読み出し出力の比を非破壊度と
定義すると、非破壊度は次式で表わされる。

非破壊度＝　（Ｃｔａｔ　Ｘ　ｈｒｚ）／　（Ｃｔｏｔ
Ｘ　ｔ＋ｒＩ：＋　（：ｖ）ここで、Ｃｔａｔは第１２
図に示すトランジスタＴｒのベースに接続されている全
容量を示し、ベース・コレクタ間容量ＣｂｅとＣ０Ｘに
より決まる。また、ＣｖはＶＬ、・・・　ｖＬｎで示さ
れる読み出し線路の浮遊容量である。ただし、Ｃｏｘは
回路方式によっては存在しない場合もある。

従って、前記非破壊度は電流増幅率ｈＦＥを大きくする
ことにより容易に改善できる。すなわち、ｈｌを大きく
することにより非破壊度を大きくすることができる。

ここで、ＨＤ　（Ｈｉｇｈ　　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）対応
、すなわちハイビジョン対応のエリアセンサーでは、Ｃ
ｔｏｔ　”１０　［ｐＦｌ　、　Ｃｖ　＝２．　５［ｐ
Ｆｌであるので、例えば、非破壊度を０．９０以上とす
るためにはｈＦＥは２２５０以上必要となる。十分な非
破壊度を得るためには、ｈＦＥは２０００以上必要であ
ると推測される。

これに対し、従来、例えば、ホモ接合ＢＰＴでは、ｈＦ
Ｅは１０００程度であるから、十分な非破壊度を得るこ
とができないが、本発明の半導体装置では、ｈＦＥを十
分大きくすることができるので、優れた非破壊度を得る
ことができる。

さらに、望ましくは、非破壊度は０．９８以上であると
よい。この場合、ｈＦＥは１００００程度必要となるが
、従来のホモ接合ＢＰＴでは、かかる値を得ることはで
きない。

なお、第１２図に示す実施例においてはエリアセンサー
を例示したが、ラインセンサーにも応用できることは勿
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伝導形の
コレクタ領域と、第２伝導形のベース領域と、第１伝導
形のエミッタ領域と、該エミッタ領域上に形成されトン
ネル電流を流し得る薄膜とを少くとも設けて成る半導体
装置において、該薄膜を超薄膜に形成し、該超薄膜上に
積層される第１伝導形の多結晶層を設けて、該多結晶層
と前記エミッタ領域との間に電位障壁を形成し、該電位
障壁の高さを当該温度の熱エネルギーに比べて大きく設
定したことを特徴とするので、コレクタ電流の微小電流
領域でベース電流の増加を抑えることができ、コレクタ
電流の広い領域に渡って著しく高い電流増幅率を確保し
得る。また水素含有量の少い安定な多結晶を用い、かつ
、その多結晶の下部に耐熱性の超薄膜を形成させている
ので、９００［’Ｃ］程度までの熱処理には十分耐える
ものとなる。

さらに、多結晶層と単結晶層との間に超薄膜を介在させ
ることにより、エミッタ領域の界面の安定化を図ること
ができ、高い電流増幅率（ｉｏ。

００以上）ＢＰＴの特性のバラツキを少くすることがで
き、少くとも固定化したパターンの雑音の低減を図るこ
とができる。

加えて、正孔及び電子のいずれのキャリアに対しても一
定な薄膜を設けているので、ｎｐｎタイプ、ｐｎｐタイ
プのいずれのトランジスタにも適用することができ、ま
た、従来の量産技術を流用することができ安価に提供で
きる。

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、前記エミッタ領域の不純物濃度をＮＣ＋とじ、前記
多結晶層の不純物濃度をＮＣ２とし自然数をｅとしたと
き、Ｎ　Ｃ２＞　ｅ　Ｎ　Ｅｌの関係が成立することを
特徴とするので、多結晶層と前記エミッタ領域との間に
形成される電位障壁の高さを当該温度の熱エネルギー相
当に比べて大きく設定することを容易に実現できる。

請求項３の構成によれば、請求項１または請求項２の半
導体装置において、前記超薄膜は電子及び正孔のいずれ
のキャリアに対してもトンネル電流を流し得る厚みに設
定されていることを特徴とするので、請求項１又は請求
項２の半導体装置において、前記多結晶層は、そのフェ
ルミ準位が添加される不純物濃度によって変動するもの
であることを特徴とするので、該多結晶層がベース領域
から注入される正孔に対して障壁として作用し、ベース
電流の低減ひいては電流増幅率の増大に貢献する。

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、前記エミッ
タ領域は、前記ベース領域から注入される少数キャリア
の拡散長よりも薄い厚みに設定されていることを特徴と
するので、ベースからエミッタへの拡散電流の極小化が
図れ、電流増幅率をさらに飛躍的に増大することができ
る。

また、請求項５の構成によれば、請求項１〜錆求項４の
半導体装置を、少なくとも光電変換素子として用いる構
成としたので、該光電変換素子としてのトランジスタの
電流増幅率を向上させ、旦つ、電流増幅率のコレクタ電
流に対する依存性をなくすことができ、もって、光入力
に対する圧力の線形性を保つことかでき、開電流が少な
く、且つ、高い信号／雑音比（Ｓ／Ｎ比）を有する電子
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置に係る第１実施例を示す半
導体装置の断面図、 第２図はＱ　ｔ　＞　Ｌ−Ｎ　ｉの場合における多結晶
層のエネルギー準位図、 第３図はＱ　ｔ　＜　Ｌ−Ｎ　１の場合における多結晶
層のエネルギー準位図、 第４図は多結晶の不純物濃度に対する比抵抗の関係を示
すグラフ、 第５図はエミッタ領域である第１図のＡ−Ａ線に沿う電
位を示す図、 第６図は半導体シリコンにおける規格化エネルギーに対
するキャリア密度の関係を示すグラフ、第７図はベース
、エミッタ間電圧に対するベース電流、コレクタ電流を
従来構造の場合と比較して説明するグラフ、 第８図はＮ形不純物濃度に対する少数キャリアの拡散距
離および寿命の関係を示すグラフ、第９図（ａ）（ｂ）
（ｃ）は接合のエネルギー準位を示す模式図、 第１０図は本発明の第２実施例を示す断面図、第１１図
は本発明の第３実施例を示す断面図、第１２図は本発明
に係る前記半導体装置を用いた電子装置の一実施例を示
す回路図である。 （符号の説明） １・・・基板、 ２・・・埋込領域、 ３・・・ｎ型領域、 ４・・・ｐ型頭域、 ５・・・ｐ°領域１． ６・・・ｎ′″エミッタ領域、 ７・・・ｎ゛領域 ８・・・高濃度多結晶層、 ０・・・超Ｆｉｔ＠、 Ｏｆ、　　１０２　１０３・・・絶縁膜、００・・・電
極、 ｒ・・・ＢＰＴ（光電変換素子） 第 ２ 図 第 図 図面の浄書 第 図 ０１７ ０１８ ０１９ ０２０ ０２１ Ｎｉ　（ｃｍ−３） 第 ５ 図 第 図 ＢＥ 第８図 Ｎｊ）（ｃｍ伺 第 図（０） 第 図（ｂ） −ｓ −５ｉＣ −９ｉＣ −５ 第９　図（ｃ） 第 ２ 図 手続補正書 事件の表示 平成２年特許願第４８３２１、 発明の名称 半導体装置およびその半導体装置を使用する電子装置 補正をする者 事件との関係　持前出願人 住　　所　東京都大田区下丸子 ３丁目３０番２号 名　　称　（１００）キャノン株式会社代表者　山路敬
三 代　　理　　人　〒１１１０　電話０３　（３５８）　
８８４０７　補正の内容 別紙の通り

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１伝導形のコレクタ領域と、第２伝導形のベー
   ス領域と、第１伝導形のエミッタ領域と、該エミッタ領
   域上に形成されトンネル電流を流し得る薄膜とを少くと
   も設けて成る半導体装置において、前記薄膜を超薄膜に
   形成し、該超薄膜上に積層される第１伝導形の多結晶層
   を設けて、該多結晶層と前記エミッタ領域との間に電位
   障壁を形成し、該電位障壁の高さを当該温度に対応する
   熱エネルギーに比べて大きく設定したことを特徴とする
   半導体装置。
2. （２）請求項１の半導体装置において、前記エミッタ領
   域の不純物濃度をＮ＿Ｅ＿１とし、前記多結晶層の不純
   物濃度をＮ＿Ｅ＿２とし自然数をｅとしたとき、Ｎ＿Ｅ
   ＿２＞ｅＮ＿Ｅ＿１の関係が成立することを特徴とする
   半導体装置。
3. （３）請求項１または請求項２の半導体装置において、
   前記超薄膜は電子及び正孔のいずれのキャリアに対して
   もトンネル電流を流し得る厚みに設定されていることを
   特徴とする半導体装置。
4. （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、前記エミッタ領域は、前記ベース
   領域から注入される少数キャリアの拡散長よりも薄い厚
   みに設定されていることを特徴とする半導体装置。
5. （５）請求項１〜４の半導体装置を、少なくとも光電変
   換素子として用いていることを特徴とする電子装置。