JPH0415927A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法 - 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、超高速及びパワー用ヘテロ接合バイポーラト
ランジスタの製造方法に関するものである。

（従来の技術） メサ型構造を有する縦型バイポーラトランジスタは、エ
ミッタが半導体表面側に設けられたエミッタアップ構造
と、コレクタが半導体表面側に設けられたコレクタアッ
プ構造とに大別される。

バイポーラトランジスタの高周波、高速性能を決める主
要な指数である電流利得遮断周波数ｆ。

及び最高発振周波数ｆ、□の向上を図るには、ヘースー
コレクタ接合容量ＣＩＣの低減が不可欠であるが、寄生
容量が著しく少ないコレクタアップ構造が００の低減に
は極めて存利である（例えば、ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ
　ＯＦ　ＴＨＥ　ＩＥＥＥ、　ｖｏｌ、　７０．　Ｎｏ
、１．　ｐ、１３〜ｐ、２４）　、これに加えて、コレ
クタアップ構造は、エミッタを半導体基板側に設けるこ
とができるため、集積化や実装上問題になる表面配線等
の影響がエミッタアップ構造に較べて少ないという利点
も有する。従って、超高速化や高集積化を目指すにはコ
レクタアップ構造が最適である。また、ｆ　ｍａｔの向
上を図れることからミリ波・マイクロ波帯高出力アンプ
への応用も期待される。

この様に、コレクタアップ構造は、超高速素子パワー用
素子として優れた特徴を有しているが、素子製作上真性
トランジスタ以外の領域へのキャリア注入を抑制するた
めの外部ベース領域を形成する必要があり、コレクタア
ップ構造の利点を生かし、その性能向上を図るには、高
品質な外部ベース頭載の形成が要求される。

例えば、■−Ｖ族化合物半導体を用いたヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと呼ぶ）においては
、外部ベース領域のＰ−Ｎ接合をベース層下のワイドバ
ンドギャップ半導体（エミッタ）層中に形成することに
より、真性トランジスタ部分のヘテロＰ−Ｎ接合の障壁
電位とワイドバンドギャップ中ホモＰ−Ｎ接合の障壁電
位の差を利用して、外部ベース領域へのキャリア注入を
抑制することができる。特に、最も研究が進んでいるｎ
−ｐ−ｎ形ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ　ＨＢ　Ｔでは、Ｃ
ＢｅやＭｇ等のアクセプタ不純物をイオン注入すること
によりワイドバンドギャップＡｌＧａＡｓエミンタ中に
Ｐ−Ｎ接合を形成し、素子製作が行われている（例えば
、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　ｖｏｌ
、　２２．　ｐ、３１５〜３１６．１９８６　’）　。

第３図は、従来の典型的なコレクタアップ構造のｎ−ｐ
−Ｑ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢ　Ｔの断面構造図を
示したものである。半絶縁性のＧａＡｓ基板１上にｎ　
−ＧａＡｓ　（Ｓｉドーピング濃度：　３　ＸＩＯ”ｃ
ｍ−”）層２を０．７ｎ、、　Ｎ−Ａｌｏ、ｙＧａｏ、
、Ａｓ　（Ｓｉドーピング濃度：　Ｉ　Ｘｌ０１？ｃｍ
−３）層３を０．５ｎ、Ｂｅをドーピングしたｐ”　−
ＧａＡｓ　（濃度：　２．５Ｘ１０”ｃ＋ｗ−”）層４
を０．１ｎ、　ｎ　−ＧａＡｓ　（Ｓｉドーピング濃度
：　Ｉ　ＸＩＯ”ｃｍ−’）層５を０．３ｎ、　ｎ　−
ＧａＡｓ　（Ｓｉドーピング濃度：　５　ＸＩＯ”ｃｍ
−”）層６を０．１５ｍ分子線エピタキシャル成長（Ｍ
ＢＥ）法により順次エピタキシャル成長させたウェハを
用いて、カーボンとフッ素の二重イオン注入（その後８
５０″Ｃでランプアニルを行い活性化させた）でＮ　　
Ａｌｏ、１Ｇａｔ、ＪＳエミッタ中にｐ−ｎ接合を形成
し、さらにＺｎ拡散を行い、図中７で示した外部ベース
領域を形成する。

その後ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／ＰＬ／Ａｕコレクタ電極
】０、Ｔｉ／　Ｐ　ｔ　／　Ａ　ｕ　ヘース電ｉｌｌ、
＾ｕＧｅ／　Ｎｉ　／　Ｔｉ　／　Ｐｔ／　Ａｕエミッ
タ電極１２を設け、素子間分離を行いトランジスタを製
作した。メサエッチング等半導体加工技術はドライエツ
チング法を用いた。

第４図は、第３図に示した様なりｅドープベース（ベー
ス濃度２　Ｘ１８ｃｍ−”）の従来型コレクタアンフ形
ＨＢＴについて、電流増幅率のコレクタ面積依存性を示
しているが、超高速素子として用いる場合の実用的なコ
レクタ面積である１０〜２０ｎ”で電流増幅率がｌＯ以
下となり急激な減少が見られる。

この様に、ペースドーパントとして従来のＢｅあるいは
Ｍｇを用いた場合、コレクタ面積の減少に伴い電流増幅
率が低下する、いわゆるサイズ効果が現れ、素子特性の
向上に大きな妨げとなっていた。

ところで、このサイズ効果はエミッタアップ構造におけ
るサイズ効果とは異なりコレクタアップ構造に特有であ
る。エミッタアップ構造ＨＢＴでは、エミッタメサ段差
部でＥＢ接合が結晶外部に露出するために、その部分で
の再結合を流が増大し、ｔｉ増幅率が低下する。一方、
コレクタアップ構造では、Ｇｕｍｍｅｌ　　Ｐｌｏｔを
用いたコレクタ電流のエミッターベース間電圧依存性の
解析より、コレクタサイズの減少に伴い、ＥＢ接合が見
がけ上ワイドバンドギャノブエミッタ（＠ｂ＝ソフトす
ることが原因であると思われる。これは、コレクタメサ
部周辺において、注入したｐ形ト′〜バントのＡ１．Ｇ
ａＡｓ層中横方向拡散、あるいはヘースドーバントのＡ
Ｉ、Ｇａ、□＾Ｓエミッタ層中での異常拡散が生じてい
ることを示唆する。この内、注入ドーパントの横方向拡
散に関しては、拡散係数の極めて小さいカーボンを用い
ることで容易に解決できるので、ペースドーパントの異
常拡散がサイズ効果を引き起こす主な原因と思われる。

以下、この問題について詳しく述べる。

Ｎ形ＡｌＧａＡｓ層エミンタ中にアクセプタ不純物のイ
オン注入及び活性化高温アニール（エビ結晶成長温度以
上）によりｐ形外部ヘースを形成する際、ベース中にド
ーピングされている８ｅやｑｇが注入ダメージにより導
入された点欠陥を関与してＡｌＧａＡｓ層エミッタ中に
異常拡散してしまい、真性エミ。

ターヘース（ＥＢ）接合がＡ　ｌＧａＡｓ層エミンタエ
ミッタルことによりホモ接合になってしまう。このため
、ｔｆＬ増幅率が素子サイズの縮小とともに著しく減少
する。この様なベースドーパントの異常拡散はイオン注
入された外部ベース領域の周辺部から起こり始める。従
って、素子寸法が小さくなれば周辺領域の影響が強くな
り、電流増幅率が低下することになる。

第５図は、ＢｅやＭ、等のｐ形ペースドーパントがイオ
ン注入と高温アニールを行った後Ａ１．Ｇａ、□Ａｓエ
ミッタ領域へ拡散し、真性ＥＢ接合（ヘテロ接合）が周
辺部分からホモ接合に変わる様子を模式的に示した概略
図である。

第５図（ａ）は、イオン注入を行う前の状態を示してお
り、第５図（ｂ）は、イオン注入および高温アニールを
行った後、ペースドーパントが異常拡散し、ホモ接合化
する様子を概念的に示している。第５図より、素子寸法
（コレクタサイズ）が縮小されると、ホモ接合の占める
割合が増し、を流増幅率が低下することは明らかである
。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもので
、従来のＢｅやＭｇをペースドーパントとして用い、外
部ベースをＢｅ、　Ｍｇ、　　Ｃ等のイオン注入とこれ
ら注入イオンをｐ形ドーパントとして活性化させるため
の高温アニールによって製作したコレクタアップ構造の
ＨＢＴにおいては、コレクタ面積が減少するに伴い、電
流増幅率が急激に低下するという問題が顕在化していた
。素子寸法の微細化を図り、特性向上を目指す上で、こ
の電流増幅率のコレクタサイズ効果は致命的な問題とな
りうる。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するため本発明は、ｎ形の導電形を有
する第１の半導体層から成るエミッタ層、前記エミッタ
層上に形成された前記第１の半導体層よりもバンドギャ
ップの小さい、ｎ形の導電形を有する第２の半導体層か
ら成るベース層、及び前記ベース層上に形成されたｎ形
の導電形を有する第３の半導体層から成るコレクタ層を
含む半導体層から構成されたコレクタアップ構造のｎ−
ｐｎ形ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前
記ベース層中のｐ形ドーパントが熱拡散係数が著しく小
さなカーボンであること及び外部ベース領域を単独イオ
ン注入あるいは多重イオン注入と注入イオンをｐ形ドー
パントとして活性化させるための高温アニールにより形
成させることを特徴とするコレクタアップ構造ヘテロ接
合バイポーラトランジスタの製造方法を発明の要旨とす
るものである。

電流増幅率のサイズ効果を引き起こす原因としては、コ
レクタメサ段差の近傍において、ペースドーパントのＡ
ｌヨＧａ１−オ＾Ｓエミッタ側への拡散により真性ＥＢ
接合がホモ接合になるためと考えられる。また、第５図
で示した成因メカニズムを表す簡単な説明からもペース
ドーパントのＡｌｘＧａ、−、Ａｓエミッタ側への拡散
が電流増幅率の低下に関与していることは明らかである
。外部ベース形成用イオン注入のドーパントとして拡散
係数が極めて小さいカーボン（Ｃ）を用いているので、
圧入ドーパントのみが横方向に広がり真性エミッタ中に
ホモ接合を形成する可能性は低いと思われる（８００℃
におけるＢｅとＣの拡散係数はそれぞれｌＸＩＯ２Ｘｌ
０−”ｃｍ”／　ｓでありＣの方がはるかに小さい）か
らである。

（作用） 電流増幅率のサイズ効果に伴う問題点を解決するために
、本発明では、ペースドーパントとして拡散係数の小さ
なカーボンを用いることで、ペースドーパントの注入ダ
メージ及びその後に行う活性化高温アニールによる異常
拡散に起因する電流増幅率の低下を抑制でき、良好なト
ランジスタ特性を有するコレクタアップ構造のＨＢＴを
提供することができる。

（実施例） 以下、図面に基づき実施例について説明する。

また、本実施例はあくまでも一つの例示であって、本発
明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更あるいは改良を
行いうろことは言うまでもない。

第１図は、本発明によるｎ−ｐ−Ｑ型コレクタアップ構
造ＨＢＴ中外部ベース領域の製造工程を図示したもので
あり、全て素子断面構造図を示している。この実施例で
は、トランジスタの結晶材料として、半絶縁性ＧａＡｓ
基板上にエピタキシャル成長したＡｔＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ半導体結晶を例にとって説明する。

第１図（ａ）は、半絶縁性のＧａＡｓ基板１上に　ｎ−
ＧａＡｓ　（Ｓｉミド−ピング度’　３×１０　’　”
（−３）層２を０．１ｎ、Ｎ−＾ｌＧａＡｓ　（Ｓｉド
ーピング濃度：　Ｉ　ＸＩＯ”ｃｍ−”）層３を０．５
ｎ、　ｐ　−ＧａＡｓ　（Ｃドーピング濃度：　２．５
Ｘ１０”ｃｍ−３）層＝ｉ’＆ｏ、Ｉｎ、　ｎ　−Ｇａ
Ａｓ（Ｓｉ　Ｆ　−ヒ７グ濃度：　Ｉ　ＸＩＯ”ａｍ−
’）層５を０．３ｎ、　ｎ”　−ＧａＡｓ　（Ｓｉドー
ピング濃度：　５　ＸＩＯ”ｃｍ−”）層６を０．１５
ｍ分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法により順次エ
ピタキシャル成長させたウェハ全面にＳｉＯ□膜８をプ
ラズマＣＶＤ法により堆積させた工程を示したものであ
る。

第１図（ｂ）は、フォトリソグラフィによりパタニング
を行い、このパタニングしたフォトレジスト（ＰＲ）９
をマスクに、上記５ｉ０２膜をＣ２Ｆ’ｆガスＲＩＥ法
によりエンチングし、更に同しマスクで図中６，５のコ
レクタ層をＣ１□ガスＥＣＲプラズマＲＪＥ法でエツチ
ングを行い、ｐ’−ＧａＡｓベース層４上にコレクタ層
を０．０５ｎ残し、ＣとＦの二重イオン注入（Ｃ／Ｆ）
を行い、更に８５０℃の活性化ランプアニールを５秒間
施し外部ベース領域７を形成する工程を示したものであ
る。

素子工程はその後ＳｉＮ／５ｉＯｚｌｌのサイドウオー
ルを形成しベース電極のオーミックコンタクト抵抗を低
減するためにＺｎ拡散を行い、外部ベース領域の表面を
高濃度化する。外部ベース面積の縮小を図るために外部
ベース領域の外回りにＥＣＲプラズマＣＶＤにより５ｉ
（ｈ膜を埋め込み、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕのベース電極を形
成する。眉間絶縁膜を堆積し、スペーサリフトオフ法に
よりエミッタ電極を形成し、さらにコレクタ部にフォト
リングラフィによりパタニングを行い、層間絶縁膜をエ
ツチングすることによりｒ＋’−ＧａＡｓ層の面出しを
行いコレクタＸｉを形成する。この実施例では、エミ、
７り電極及びコレクタ電極用の１ｉ橋金属として＾ｕＧ
ｅ　／Ｎ　ｉ　、／　Ｔ　ｉ　／　Ｐ　ｔ　／　Ａ　ｕ
を用いた。その後、アロイオーミ７り処理を３６０℃で
行い、更に素子間分離のためにＨ゛を注入する。

パッド配線を施し素子製作工程は終了する。

第２図は、本発明で製作したコレクタアップ構造ＨＢＴ
に関して、コレクタ１ｉ流密度ｌＸｌ０’＾／ｃｍ”に
おけるｉｔ増幅率のコレクタ面積依存性を示している。

横軸にコレクタ面積、縦軸に規格化ｗｉｔ増幅率をとっ
である。実線が本発明によるカーボンドープベースの場
合で、破線が従来のＢｅドープベースである。なお、比
較のため電流増幅率は最大値で規格化しである。　Ｂｅ
ドープの場合コレクタ面積が２Ｏｎ”付近で電流増幅率
が１　／１０に低下するが、一方Ｃドープベースでは４
ｎ”でも半分程度にしか低下しない、第２図より本発明
によるカーボンドープベース及び外部ベース領域形成用
のカーボン系二重イオン注入法が電流増幅率低下抑制に
掻めて有効であることがわかる。

この実施例の記載では、外部ベース形成にＣ／Ｆの二重
イオン注入法を用いたが、ＡｌＧａＡｓワイドギヤノブ
エミッタ中にＰ　−Ｎ接合が形成されるならばＣｏの単
独注入でも可能である。

この実施例の記載では、コレクタアップ構造のＨＢＴに
ついて説明したが、本発明はエミッタアップ構造のＨＢ
Ｔの外部ベース製作にも通用可能である。

（発明の効果） 軟土のように、本発明によれば、コレクタアップ構造Ｈ
ＢＴのＰ形ベースドーバントに拡散係数の小さなカーボ
ン（Ｃ）を用い、更に外部ベース頭載形成において、イ
オン注入及び活性化のための４１アニールを行うことに
より、ベースドーパントのＡｌＧａＡｓ中での異常拡散
に起因する電流増幅率のサイズ効果が抑制でき、ＩＩ電
流増幅率高周波特性に優れた良好なコレクタアップ構造
ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ　ＨＢ　Ｔをうることができる
ようになる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明によるｎ−ｐ−ｎ型コ
レクタアップ構造ＨＢＴ外部ベースの製造工程を図示し
たものであり、全て素子断面構造図、第２図は、コレク
タ電流密度Ｉ　Ｘ　１０’Ａ／ｃｍ”における最大値で
規格化した電流増幅率のコレクタ面積依存性、第３図は
、従来の典型的なコレクタアップ構造のｎ−ｐ−ｎ型Ａ
ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢ　Ｔ　（Ｂｅドーブヘベー、
ドーピング濃度２　Ｘ１８ｃｍ−”）の断面構造図、第
４図は、従来型コレクタ電流密度ＨＢＴについて、を流
増幅率のコレクタ面積依存性を示し、第５図（ａ）、ら
）は、ＢｅやＭ、等のｐ形ペースドーパントがイオン注
入と高温アニールを行った後Ａ１１ｌＧａ＋□Ａｓエミ
ッタ領域へ拡散し、真性ＥＢ接合（ペテロ接合）が周辺
部分からホモ接合に変わる状態を模式的に示す。 １・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板 ２　’　・・ｎ’　　ＧａＡｓ　（Ｓａｐ−ピンク濃度
：　３　ＸＩＯ”Ｃ１３）層 ３　　・−Ｎ　−ＡＩＧａＡｓ　（Ｓｉミド−ピング度
’　１　ｘｌｏｌｔｃｍ−’　）　　層 ４　・・−ｐ’　−ＧａＡｓ　（Ｂｅドーピング濃度：
　２　ＸＩＯ”ｃｒ’）　Ｉｉ！ ４　ａ　・・ｐ’　−ＧａＡｓ　（Ｃドーピング濃度：
　２．５Ｘ１０”ｃ＋ｗ−’）層 ５−−　・ｎ　−ＧａＡｓ　（Ｓｉドーピング濃度：　
Ｉ　ＸＩＯ”ｃ１’）層 ５−　・−ｎ”　−ＧａＡｓ　（Ｓｉドーピング濃度：
ｓｘ工ｏ’″ｃＩ−’）層 ７・・・Ｃ／Ｆ二重イオン注入と高温ランプアニールで
形成した外部ベース ８・・・プラズマＣＶ　Ｄ　５ｉＣｈ膜９・・・フォト
レジスト（ＰＲ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ｎ形の導電形を有する第１の半導体層から成るエミッ
   タ層、前記エミッタ層上に形成された前記第１の半導体
   層よりもバンドギャップの小さい、ｐ形の導電形を有す
   る第２の半導体層から成るベース層、及び前記ベース層
   上に形成されたｎ形の導電形を有する第３の半導体層か
   ら成るコレクタ層を含む半導体層から構成されたコレク
   タアップ構造のｎ−ｐ−ｎ形ヘテロ接合バイポーラトラ
   ンジスタにおいて、前記ベース層中のｐ形ドーパントが
   熱拡散係数が著しく小さなカーボンであること及び外部
   ベース領域を単独イオン注入あるいは多重イオン注入と
   注入イオンをｐ形ドーパントとして活性化させるための
   高温アニールにより形成させることを特徴とするコレク
   タアップ構造ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造
   方法。