JPH0483345A

JPH0483345A - バイポーラトランジスタおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0483345A
Application number: JP19710290A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Shimawaki; 秀徳嶋脇
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-07-25
Filing date: 1990-07-25
Publication date: 1992-03-17
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JP2890729B2

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）バイポーラトランジスタは電界効果トランジスタに比べ
て電流駆動能力が大きいという優れた特徴を有している
。このため、近年、ＳｉのみならずＧａＡｓなとの化合
物半導体を用いたパイポーラトランジスタの研究開発が
盛んに行われてしする。特に、化合物半導体を用いたバ
イポーラトランジスタは、エミッタ・ベース接合をペテ
ロ接合に構成でき、ベースを高濃度にしてもエミッタ注
入効率を大きく保てるなど利点は大きい。

第３図は従来のバイポーラトランジスタの構造を説明す
るための半導体チップの断面図である。

この半導体チップは、ＧａＡｓからなる半絶縁性基板１
と、ｎ　−ＧａＡｓからなるコレクタ層３と、ｐ　−Ｇ
ａＡｓからなるベース層４と、ｎ−Ａｌｏ２５Ｇａｏ、
７．ＡＳからなるエミッタ層５と、ＡｕＧｅＮｉからな
るエミ・ツタ電極９と、ＡｕＺｎＮｉからｄるベース電
極１８と、ＡｕＧｅＮｉからなるコレクタ電極１１とか
ら構成されて！／）る。

通常、ベース層は、トランジスタを高速動作させるため
に厚さを７０〜１１００ｎ、　ｐ型不純物濃度を１０　
ｃｍ　　台に設定することが多い。ｐ型不純物としテハ
、例えば分子線エピタキシー法（以降、ＭＢＥ法と称す
）によりベース層を形成する場合には、Ｂｅ′！Ｊτ用
いられることが多い。第３図では、エミ・ツタ・ベース
接合部が階段接合型となっているが、この他にエミッタ
・ベース接合部において、ＡｌｘＧａ１−ｘＡＳエミッ
タ層のＡＩ組成Ｘを徐々に変化させて傾斜接合型とした
ものもよく用いられる。

第４図（ａ）〜（Ｃ）は、上述の従来のバイポーラトラ
ンジスタの製造方法を説明するための工程順に示した半
導体チップの断面図である。

この従来例では、まず、第４図（ａ）に示すように、Ｇ
ａＡｓからなる半絶縁性基板１上にｎ　−ＧａＡｓ層３
、ｐ−ＧａＡｓ層４およびｎ　　Ａｌｏ、２．Ｇａｏ７
５Ａ８層５を順次、ＭＢＥ法により形成する。

次に第４図（ｂ）に示すように、所定のパターンのＡｕ
ＧｅＮｉからなるエミッタ電極９およびその上のＳｉＯ
２膜１２全１２した後、これをマスクとしてｎ−Ａｌ。

、２．Ｇａｏ、７．Ａｓ層５をエツチングして除去しｐ
　−ＧａＡｓ層４を露出すると同時にエミッタ層を形成
する。続いてＳｉＯ２膜１２全１２クとしてｐ　−Ｇａ
Ａｓ層４上にＡｕＺｎＮ４１８を自己整合的に形成する
。

次に第４図（Ｃ）に示すように、所定のパターンのホト
レジスト膜１７を形成し、これをマスクとして、ＡｕＺ
ｎＮｉ層１８をエツチングしてベース電極を形成した後
、エツチングによりｐ　−ＧａＡｓ層４とｎ　−ＧａＡ
ｓ層３の表面を除去し、さらにホトレジスト膜１７をマ
スクとしてｎ　−ＧａＡｓ層３の表面にオーミック金属
のＡｕＧｅＮｉ層１１を上方から蒸着する。

次に、有機溶剤中でホトレジスト膜１７を溶かしリフト
オフを行ってエミッタ電極を形成し、第３図に示すよう
な構造のバイポーラトランジスタができる。

（発明が解決しようとする課題）バイポーラトランジスタの遮断周波数らおよび最と表せ
る。（１）式においてτはエミッタ時定数、τ８はベー
ス走行時間、τ。はコレクタ走行時間、τ。。はコレク
タ時定数であり、（２）式においてｒｂはベース抵抗、
ＣＢｏはベース・コレクタ間容量である。

（１）、（２）式よ鴨を増大させるためにはτ８の低減
が、また、ｆ　を増大させるためには几の低減が有効で
あることがわかるがミベース層厚についてみればこの両
者は相反する要求である。つまり、ベース層を薄くする
ことにより、τ８を低減しらを増大させた場合には、ｒ
、が増大してｆｍａｘが著しく劣化してしまうため、従
来、ｒ　を低下させずにベース層を〜７０ｎｍ以下の厚
さにするのは非常に困難であった。

また、上述した従来例においては、ｎ　Ａｌｏ、ｓ＋。

Ｇａｏ、７５Ａｓ層５をエツチングしてｐ−ＧａＡｓ層
４を露出することによりエミッタ層を形成する工程（ベ
ース面出し工程）が非常に重要な工程の一つである。つ
まり、ｐ　−ＧａＡｓ層４が充分に露出されない場合に
は、ベース層とベース電極との間のコンタクト抵抗が高
く、そのためベース抵抗が高くなってしまう。

一方、ｐ　−ＧａＡｓ層４をオーバーエツチングしてし
まうと、ベース層が薄くなってしまい、これもまたベー
ス抵抗を増大させる原因となる。従来、ベース抵抗を増
大させずにベース面出し工程を行うことは非常に困難で
あった。さらに、ベース層が非常に薄くなった場合には
、ベース電極金属１８が拡散してコレクタ層まで到達し
てしまうという問題も生じてくる。

本発明の目的は、このような問題点を解決し、ｒ、を著
しく低減して、それによってベース層厚を〜７０ｎｍ以
下に薄層化するのを可能とし、高速・高周波特性の著し
く改善されたバイポーラトランジスタおよびその製造方
法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明は、半絶縁性基板上にコレクタ層、ベース層およ
びエミッタ層（もしくはエミッタ層、ベース層、コレク
タ層）が順次形成されたバイポーラトランジスタにおい
て、ｐ型ベース層が、ＩＩＩ族元素としてＧａ、　ＡＩ
、　Ｉｎの少なくとも一種、Ｖ族元素としてＡｓ、　Ｐ
の中の少なくとも一種を有するＩＩＩ　−Ｖ族化合物半
導体からなり、ベース電極との間に前記ベース層と同等
もしくは前記ベース層よりも大なる正孔濃度を有するＣ
ドープＧａＡｓからなるコンタクト層を有することを特
徴としている。

また、本発明のバイポーラトランジスタの製造方法は、
半絶縁性基板上に第１導電型の第１の半導体層、第２導
電型の第２の半導体層および第１導電型の第３の半導体
層を順次積層させる工程と、前記第３の半導体層上に第
１の絶縁体からなる所定のパターンのマスクを形成する
工程と、前記マスクを用いて前記第３の半導体層をエツ
チングにより所定の厚さになるまで除去した後、第２の
絶縁体からなる側壁を形成する工程と、前記第１および
第２の絶縁体をマスクとして、前記第３の半導体層、も
しくは前記第３の半導体層および前記第２の半導体層の
一部、をエツチングにより除去した後、少なくとも原料
ガスの一つに有機ＩＩＩ族元素原料を含む分子線エピタ
キシー法により、前記第２の半導体層上に第２導電型の
第４の半導体層を選択的に形成する工程とを含むことを
特徴としている。

（作用）・・・・・・・・・・　（３）と表せる。（３）式においてＲはベース層のシート抵抗
、Ｗはエミッタ幅、Ｌはエミッタ長、”ＥＢはエミッタ
メサとベース電極間距離、ρ。はベース電極にはＲおよ
び、ｅを低減することが必要であるが、実際の素子にお
いては（３）式の右辺第３項の占める割合が非常に大き
く、Ｐｃの低減が特に重要な課題である。

、Ｃを低減するために、ベース層のＰ型不純物濃度を増
加させるのが一つの手段である。ＭＢＥ法は成長膜厚お
よび不純物濃度の制御性、均一性に優れることから、特
に化合物半導体のバイポーラトランジスタの結晶成長に
非常に有効であるが、ＭＢＥ法によりベース層を形成す
る場合、通常、ｐ型不純物として用いられるＢｅが〜５
Ｘ１０　ａｍ　　以上の濃度になると、エミッタ側成長
結晶中への拡散が増大してしまうという問題がある（ワ
イ・シー・パオ他（Ｙ、　Ｃ。

Ｐａｏ　ｅｔ　ａｌ、）、ジャーナル・オブ・アプライ
ド・フィツクス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅ
ｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）、６０巻、１９８６年２０１頁に
報告されている）。

上記の問題を解決しつつＰｃの低減をはかるためには、
外部ベース層とベース電極の間に高不純物濃度のベース
コンタクト層を形成するのが有効である。特に、ＩＩＩ
族原料に有機金属を使用した分子線エピタキシー法（以
降、ＭＯＭＢＥ法と称す）を用いれば、〜１０　ｃｍ　
　のＣ濃度を有する高濃度ｐ型ＧａＡｓ層が比較的容易
に形成できることが、例えばティー。

ヤマダ他（Ｔ、　Ｙａｍａｄａ　ｅｔ　ａｌ、）、ジャ
ーナル・オブ・クリスタル°グロウス（Ｊｏｕｒｎａｌ
　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ）、９５巻、１
９８９年、１４５頁に報告されており、しかも選択成長
が可能であることがら、このベースコンタクト層の形成
に非常に適していると考えられる。

下記の表に異なるｐ型不純物濃度を有するＧａＡｓ層に
ついて、オーミック金属（Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕおよびＡｕ
Ｍｎ／Ａｕ）に対する接触抵抗率を測定した結果を示す
。

上表において、ＢｅドープＧａＡｓ層はＭＢＥ法、（：
ドープＧａＡｓ層はＭＯＭＢＥ法により形成した。接触
抵抗率はいずれもノンアロイの結果である。ＭＯＭＢＥ
法により高Ｃ濃度のｐ型ＧａＡｓ層を形成することによ
って、アロイを行っていないにもかかわらず、非常に低
い接触抵抗率が得られることがわかる。

本発明のように、ベース電極とベース層との間に、選択
再成長等によりベースコンタクト層を設けた場合に特に
問題となるのは、ベース層とベースコンタクト層の接合
界面における接触抵抗である。下記にＭＢＥ法により形
成したＢｅドープｐ−ＧａＡｓ層（ベース層に相当する
）とＭＯＭＢＥ法によりその上に選択再成長したＣドー
プｐ　−ＧａＡｓ層（ベースコンタクト層に相当する）
との接合界面における接触抵抗率１’ｅｉの評価結果を
示す。

上表より、ベース層とベースコンタクト層の接触抵抗は
非常に小さく、従来例におけるベース層とベース電極金
属との間の接触抵抗よりも充分に小さい値に抑え得るこ
とがわかる。

以上、説明したように、本発明のバイポーラトランジス
タにおいては、ベース抵抗が著しく低減されると期待で
きる。第５図にベース層厚ＷＢとベース抵抗ｒ、の関係
を求め、本発明と従来のバイポーラトランジスタについ
て比較して示した。エミッタサイズは１μｍ×１０μｍ
、ベース電極幅は、５□ｍ、エミッタメサとベース電極
間の距離を０．２μｍとし、ベース電極金属としてはＴ
ｉＰｔＡｕを想定してノンアロイの場合について求めた
。ベース不純物濃度はとした。第５図より、本発明にお
いてはベース抵抗が著しく低減されていることがわかる
。

第６図はベース層厚ＷＢが４０ｎｍおよび８０ｎｍの場
合について、ベース電極幅ＬＥとベース抵抗ｒ、の関係
を本発明と従来のバイポーラトランジスタについて比較
したものである。第６図に示すように、ベース抵抗低減
の効果は特にベース電極幅が小さくなるにつれて、即ち
、素子が微細化されるにつれて顕著になっており、これ
はバイポーラトランジスタの特性向上をはかる上で非常
に好都合である。

このように、ベース抵抗が著しく低減されるため、さら
に、ｆ　を劣化させることなくベース層をａｘ薄層化してｆｌを増大させることが可能となる。また、
ベースコンタクト層の厚さをある程度厚くしとやれば、
ベース電極金属が拡散してコレクタ層まで到達してしま
うような問題も回避できるとともに、エミッタ・ベース
を平坦化して配線の段切れを低減することもできる。

（実施例）以下に、本発明の実施例について図面を用いて説明する
。

第１図は本発明の一実施例であるバイポーラトランジス
タを説明するための半導体チップの断面図である。

この半導体チップは、ＧａＡｓからなる半絶縁性基板１
と、ｎ　−ＧａＡｓからなるコレクタコンタクト層（３
Ｘ１０　ｃｍ　　、４００ｎｍ）２と、ｎ　−ＧａＡｓ
からなるコレクタ層（５刈Ｏｃｍ　　、４００ｎｍ）３
と、ｐ　−ＧａＡｓからなド層（３Ｘ１０　ｃｍ　　、
５０ｎｍ）６と、ｎ−ＧａＡｓからなるエミッタコンタ
クト層（３Ｘ１０　ｃｍ　　、５０ｎｍ）７と・ｐ−Ｇ
ａＡｓからなるベースコンタクト層（４Ｘ１０　ｃｍ３
００ｎｍ）８と、ＡｕＧｅＮｉからなるエミッタ電極９
と、ＴｉＰｔＡｕからなるベース電極１ｏと、ＡｕＧｅ
Ｎｉからなるコレクタ電極１１と、５１０２膜１２．１
３と、絶縁領域１４トにより構成されている。

次に、このバイポーラトランジスタの製造方法を説明す
る。

第２図は製造方法を説明するための工程順に示した半導
体チップの断面図である。

まず、第２図（ａ）に示すように、ＧａＡｓからなる半
絶縁性基板１上にｎ　−ＧａＡｓ層２および３、ｐ　−
ＧａＡｓ層４、ｎ−Ａｌｏ２．Ｇａｏ、７．Ａｓ層５、
ｎ　−ＡｌｘＧａ、Ａｓグレーデツド層（ｘ：０．２５
−＋Ｏ）６、ｎ　−ＧａＡｓ層７をＭＢＥ法により、成
長温度６００°Ｃで順次形成した後、バイポーラトラン
ジスタを形成する部分を除いた他の部分にＨを注入し絶
縁領域１４を形成する。

次に、第２図（ｂ）に示すように、ｎ　−ＧａＡｓ層７
上にオーミック金属のＡｕＧｅＮｉ層９を蒸着し、５ｔ
Ｏ２膜１２と所定のパターンを有するホトレジスト膜１
５を順次形成した後、このホトレジスト膜１５をマスク
として、５１０２膜１２を反応性イオンビームエツチン
グ、ＡｕＧｅＮｉ層９をイオンミリング法により順次、
除去する。

次に、第２図（Ｃ）に示すように、有機溶剤による洗浄
を行ないホトレジスト膜１５を除去した後、ＳｉＯ２膜
１２全１２クとして、ｎ　−ＧａＡｓ層７、ｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ８Ａｓ層６をＣ１２をエツチングガスに用いた反
応性イオンビームエツチングにより除去し、さらに所定
の厚さになるまで同様にしてｎ　　Ａ１０．２ｓＧａｏ
、７５ＡＳ層５をエツチングする。続いて、全面にＳｉ
Ｏ２膜１３全１３した後、これをＣＦ４をエツチングガ
スに用いた反応性イオンビームエツチングで除去するこ
とにより、ｎ−ＧａＡｓ層７、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡ
ｓ層６およびｎ−Ａｌｏ、２５Ｇａｏ、７．ＡＳ層５の
側面に８１０２膜１３からなる側壁を形成する。この場
合、５ｔｏ２膜１３の下の薄いｎ”０．２５Ｇａｏ、７
ｓＡｓ層５は完全に空乏化することが望ましく、厚さと
しては数１０ｎｍ程度に設定すれば保護層として機能す
る。その効果については、例えば、羽山他、電子情報通
信学会技術報告、ＥＤ８９−１４７巻、１９８９年、６
７頁に報告されている。また、この薄いｎ　Ａｌｏ、２
ｓＧａｏ、７．Ａｓ層５は、ベース層のシート抵抗がＳ
ｉＯ２膜１３全１３において局部的に増大するのを防ぐ
機能も果たしている。

次に、第２図（ｄ）に示すように、５１０２膜１２およ
び１３をマスクとして、リン酸、過酸化水素および水の
混合液によりｎ　−Ａｌｏ、２５Ｇａｏ７５Ａｓ層５を
エツチングして除去し、ｐ　−ＧａＡｓ層４表面を露出
した後、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨａ）ａ）およ
び固体Ａｓを成長原料に用いたＭＯＭＢＥ法により、５
１０２１２および１３をマスクとして、ｐ　−ＧａＡｓ
層４上にｐ　−ＧａＡｓ層８を成長温度４５０°Ｃで選
択的に形成する。続いて、バイポーラトランジスタの活
性領域を覆う所定のパターンのホトレジスト膜を形成し
、それをマスクとして絶縁領域１４上のｐ　−ＧａＡｓ
層８および４を順次エツチングして除去した後、ホトレ
ジスト膜１６を形成し、さらに上方より、ＴｉＰｔＡｕ
層１ｏを蒸着する。

次に、第２図（ｅ）に示すように、有機溶剤による洗浄
を行ないホトレジスト膜１６を除去した後、所定のパタ
ーンのホトレジスト膜１７を形成し、ベース電極の幅が
所定の値に成るようにする。続いて、ホトレジスト膜１
７をマスクとしてイオンミリング法によりＴｉＰｔＡｕ
層１０をエツチングして除去し、さらに、リン酸、過酸
化水素および水の混合液によりｐ　−ＧａＡｓ層８．４
およびｎ　−ＧａＡｓ層３をｊ頃次エツチングにより除
去してｎ　−ＧａＡｓ層２表面を露出する。

続いて、ホトレジスト膜１７をマスクとしてｎ−ＧａＡ
ｓ層２のオーミック金属であるＡｕＧｅＮｉ層１１を上
方から蒸着する。

最後に、有機溶剤中でホトレジスト膜１７を溶がしりフ
トオフを行なって、第１図に示すような構造のバイポー
ラトランジスタができる。

なお、上述の実施例においては、ベース層がｐ−ＧａＡ
ｓからなるものについて述べたが、本発明はこれに限定
されず、例えばｐ　−ＡｌＧａＡｓからなるベース層の
Ａ１組成を徐々に変化させてグレーデッドベース構造と
したもの、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系やＩｎＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓ系へテロ接合バイポーラトランジスタの場合
のようにベース層がｐ　−ＩｎＧａＡｓからなるもの、
あるいはｐ　−ＡｌＩｎＧａＡｓやｐ　−ＩｎＧａＡｓ
Ｐ等からなるものについても同様に適用でき、効果は同
様である。

また、上述の実施例においては、エミッタアップ型のも
のについて述べたが、本発明はこれに限定されず、コレ
クタアップ型のものについても同様に適用できる。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、従来、ベース抵抗
の多くを占めていたベース層とベース電極金属との間の
接触抵抗が著しく低減されるとともに、ベース面出し工
程の際のオーバーエツチング等に起因するベース抵抗増
大の影響が低減されるため、ベース抵抗を著しく低減さ
せることができる。それに伴いベース層の薄膜化が可能
となることから、最大発振周波数のみならず遮断周波数
をも増大させることができる。その結果、ウェハー全体
にわたって高速・高周波特性の優れた化合物半導体バイ
ポーラトランジスタを実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるバイポーラトランジスタの一実
施例の構造を説明するための半導体チップの断面図、第
２図（ａ）〜（ｅ）は第１図のバイポーラトランジスタ
の製造方法を説明するための工程順に示した半導体チッ
プの断面図、第３図は従来のバイポーラトランジスタの
構造を説明するための半導体チップの断面図、第４図（
ａ）〜（ｃ）は第３図のバイポーラトランジスタの製造
方法を説明するための工程順に示した半導体チップの断
面図、第５図は本発明および従来のバイポーラトランジ
スタにおけるベース抵抗とベース層厚との関係を示すた
めの図、第６図は本発明および従来のバイポーラトラン
ジスタにおけるベース抵抗とベース電極幅との関係を示
すための図である。各図において、１・・・半絶縁性基板（ＧａＡｓ）、２
・・−ｎ　−ＧａＡｓコレクタコンタクト層、３・・−
ｎ　−ＧａＡｓコレクタ層、４．ｐ　−ＧａＡｓベース
層、５”’ｎ　　Ａｌｏ、２．Ｇａｏ７５ＡＳエミッタ
層、６・・−ｎ−ＡｌｘＧａｘ＋、Ａｓグレーデツぐ層
（ｘ：０．２５−＋０）、７−ｎ　−ＧａＡｓエミッタ
コンタクト層、８−−９ｐ　−ＧａＡｓベースコンタク
ト層、９−ＡｕＧｅＮｘ　エミッタ電極、１０・ＴｉＰ
ｔＡｕベース電極、１ｌ−＝ＡｕＧｅＮｉコレクタ電極
、１２．１３・・・５１０２膜、１４・・・絶縁領域、
１５゜１６、１７・・・ホトレジスト膜、１８・・・Ａ
ｕＺｎＮＪ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半絶縁性基板上にコレクタ層、ベース層およびエ
ミッタ層（もしくはエミッタ層、ベース層、コレクタ層
）が順次形成されたバイポーラトランジスタにおいて、
ｐ型ベース層が、III族元素としてＧａ、Ａｌ、Ｉｎの
少なくとも一種、Ｖ族元素としてＡｓ、Ｐの中の少なく
とも一種を有するIII−Ｖ族化合物半導体からなり、ベ
ース電極との間に前記ベース層と同等もしくは前記ベー
ス層よりも大なる正孔濃度を有するＣドープＧａＡｓか
らなるコンタクト層を有することを特徴とするバイポー
ラトランジスタ。
（２）半絶縁性基板上に第１導電型の第１の半導体層、
第２導電型の第２の半導体層および第１導電型の第３の
半導体層を順次積層させる工程と、前記第３の半導体層
上に第１の絶縁体からなる所定のパターンのマスクを形
成する工程と、前記マスクを用いて前記第３の半導体層
をエッチングにより所定の厚さになるまで除去した後、
第２の絶縁体からなる側壁を形成する工程と、前記第１
および第２の絶縁体をマスクとして、前記第３の半導体
層、もしくは前記第３の半導体層および前記第２の半導
体層の一部、をエッチングにより除去した後、少なくと
も原料ガスの一つに有機III族元素原料を含む分子線エ
ピタキシー法により、前記第２の半導体層上に第２導電
型の第４の半導体層を選択的に形成する工程とを含むこ
とを特徴とするバイポーラトランジスタの製造方法。