JPH0845951A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アーリー電圧および遮断周波数を可及的に高
くすることを可能にする。 【構成】 第１導電型の半導体基板上に形成される第１
導電型とは異なる第２導電型の第１の半導体層４と、こ
の第１の半導体層上に形成される第２の導電型の第２の
半導体層３と、この第２の半導体層上に形成される第１
導電型の第３の半導体層２と、この第３の半導体層上に
形成される第２導電型の第４の半導体層１とを備えてい
る半導体装置において、第２の半導体層の不純物濃度は
前記第３の半導体層との接合面から離れるにつれて上昇
し、そのピーク値は第１の半導体層のピーク値よりも低
く、第３の半導体層の不純物濃度は第４の半導体層との
接合面から、第３の半導体層の深さ方向に一定の濃度を
有する領域を備え、第２の半導体層との接合面に近づく
につれて減少していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バイポーラトランジス
タを有する半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
高速ＬＳＩを実現するために高速シリコンバイポーラ技
術の開発が進められている。そして高い遮断周波数を達
成するために、図１２に示すようにベース層２の不純物
濃度をエミッタ層１からコレクタ層３にかけて減少させ
る、いわゆる傾斜型のプロファイルを形成することが行
われている。このような傾斜型のプロファイルにするこ
とによって、エミッタ１から注入された小数キャリア
（例えばＮＰＮ型トランジスタの場合は電子）はベース
層２内の不純物イオンによって発生される内部電界によ
って加速され、これによりベース走行時間が短縮されて
高速動作を可能としていた。なお、図１２に示す符号４
はコレクタ埋め込み層を示している。

【０００３】しかしながら、このようなベースプロファ
イルを有するトランジスタにおいては、高い遮断周波数
を得ることができるものの、ベース抵抗の増大、エミッ
タ・コレクタ間耐圧の低下、およびアナログ回路設計の
際に重要となるアーリー電圧の低下を招いていた。ま
た、図１２に示すようにコレクタ層３の不純物濃度のプ
ロファイルが平坦で、濃度が低い場合はベース層２の見
かけの幅が広がる、いわゆるベース押出し効果を抑える
ことができず、遮断周波数が下がることになる。そして
このベース押出し効果を抑えるために（遮断周波数を上
げるために）、コレクタ層３の不純物濃度を上げると、
ベース・コレクタ間容量が増大して、信号の伝幡遅延時
間が長くなり、高速化が妨げられるという問題があっ
た。

【０００４】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
であって、アーリー電圧および遮断周波数を可及的に高
くすることのできる半導体装置を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
は、第１導電型の半導体基板上に形成される第１導電型
とは異なる第２導電型の第１の半導体層と、この第１の
半導体層上に形成される第２の導電型の第２の半導体層
と、この第２の半導体層上に形成される第１導電型の第
３の半導体層と、この第３の半導体層上に形成される第
２導電型の第４の半導体層とを備えている半導体装置に
おいて、第２の半導体層の不純物濃度は第３の半導体層
との接合面から離れるにつれて上昇し、そのピーク値は
前記第１の半導体層のピーク値よりも低く、第３の半導
体層の不純物濃度は第４の半導体層との接合面から、第
３の半導体層の深さ方向に一定の濃度を有する領域を備
え、第２の半導体層との接合面に近づくにつれて減少し
ていることを特徴とする。

【０００６】

【作用】このように構成された本発明の半導体装置によ
れば、第３の半導体層の不純物濃度はその深さ方向に一
定である領域を有し、第２の半導体層の不純物濃度は第
３の半導体層との接合面から離れるにつれて上昇する。
このような不純物濃度プロファイルを有する半導体装置
を製作し、実験した結果により、アーリー電圧および遮
断周波数を可及的に高くすることができる。

【０００７】

【実施例】本発明による半導体装置の一実施例を図１乃
至図１１を参照して説明する。まず、ベース層とコレク
タ層の最適な不純物プロファイルを見出すためにシミュ
レーションを行なったが、このシミュレーションに用い
たバイポーラトランジスタの断面図を図２に示す。図２
において、図示しないシリコン基板上に低抵抗のコレク
タ接続層となる、厚さが０．２μｍの埋め込み層４と厚
さが０．６５μｍのコレクタ層３が形成されている。そ
してこのコレクタ層３上には厚さ（幅）が０．０５μｍ
のベース層２が形成され、このベース層２上には厚さが
０．１μｍのエミッタ層１が形成されている。なお、エ
ミッタ層１の幅は０．２μｍで、長さは５μｍ（図示せ
ず）である。これらの埋め込み層４、ベース層２、およ
びエミッタ層１には各々金属電極３８、３７および３９
が設けられている。なお、図２において、符号１０は例
えばＳｉＯ_２からなる幅が０．１μｍの素子分離領域で
あり、符号１２はベース電極３７とエミッタ電極３９と
を電気的に絶縁する、例えばＳｉＯ_２から絶縁層であ
る。

【０００８】また上記シミュレーションに用いた上記ト
ランジスタの各層の標準不純物プロファイルを図３に示
す。この標準プロファイルは図１２に示す従来のトラン
ジスタの不純物プロファイルとは、コレクタ層３の濃度
が異なる以外はほぼ同じものである。図３に示すプロフ
ァイルのコレクタ層３の不純物濃度は１×１０¹⁷（原子
／cm³ ）であり、図１２に示すプロファイルのそれは２
×１０¹⁶（原子／cm³）である。この図３に示す標準プ
ロファイルを基本にしてベースおよびコレクタのプロフ
ァイルを変化させてこの変化がトランジスタの特性（特
にアーリー電圧と、遮断周波数）に与える影響を調査し
た。

【０００９】ベースプロファイルがトランジスタの特性
に与える影響を調べるために、ベースプロファイルのみ
を図４に示すようにプロファイル１，２，３，４，５と
変化させた。このときベース層の深さ（幅）は０．０５
μｍと一定にしてある。図４において、プロファイル１
はベース層２の不純物濃度を一定（１×１０¹⁸（原子／
cm³ ）以上の値）にしたものであり、プロファイル２は
エミッタ層１との接合面から約０．０３７μｍの深さま
ではプロファイル１と同様に一定の不純物濃度をを有
し、それ以降の深さではコレクタ層３との接合面に近づ
くにつれて不純物濃度が減少するプロファイルとなって
いる。プロファイル３はエミッタ層１との接合面から約
０．０２５μｍの深さまではプロファイル１と同様に一
定の不純物濃度を有し、それ以降の深さではコレクタ層
３との接合面に近づくにつれて不純物濃度が減少し、プ
ロファイル４はエミッタ層１との接合面から約０．０１
８μｍの深さまではプロファイル１と同様に一定の不純
物濃度を有し、それ以降の深さではコレクタ層３との接
合面に近づくにつれて不純物濃度が減少するプロファイ
ルとなっている。また、プロファイル５はエミッタ層３
との接合面においてはプロファイル１と同じ濃度を有
し、コレクタ層３との接合面に近づくにつれて不純物濃
度が減少するプロファイルとなっている。

【００１０】これらのプロファイル１乃至プロファイル
５を有するトランジスタのシミュレーション結果を図５
に示す。この図５から分かるように遮断周波数の最高値
ｆＴmax （ＧＨＺ）を上げるためには、ベースプロファ
イルに傾斜を持たせれば良いが、アーリー電圧を上げる
ためには矩形のベースプロファイル（プロファイル１）
にする必要があることが理解される。

【００１１】次に、プロファイル１を基本にし、コレク
タプロファイルのみを図６に示すようにプロファイル
６、プロファイル７、プロファイル８と変化させた場合
を考える。すなわちベースプロファイルはプロファイル
１と同一の矩形となっている。プロファイル６はコレク
タ層３の濃度を１×１０¹⁶（原子／cm³ ）としたもので
ある。このプロファイル６のコレクタ層３の濃度はプロ
ファイル１のそれに比べて１桁小さい。プロファイル７
はベース層２との接合面における不純物濃度がプロファ
イル１と同一で、上記接合面から離れるに従って増加
し、埋め込み層４との接合面において１×１０¹⁷（原子
／cm³ ）となっている。プロファイル８はベース層２と
の接合面における不純物濃度がプロファイル１とのそれ
と同一で、上記接合面から離れるに従って増加し、埋め
込み層との接合面において、１×１０¹⁸（原子／cm³ ）
となっている。これらのプロファイル６，７，８を有す
るトランジスタのシミュレーション結果を図７に示す。
この図７から分かるように、コレクタ濃度を上げるとと
もに、ベース・コレクタ接合面のコレクタ側の濃度を下
げると、アーリー電圧および遮断周波数をともに上げる
ことができることが理解される。

【００１２】上記シミュレーションの結果を実際に確か
めるために、図８に示す構造のＮＰＮ型バイポーラトラ
ンジスタを試作した。図８において、シリコン基板３０
上にｎ型の低抵抗のコレクタ接続層となる埋め込み層４
が形成され、この埋め込み層４上にコレクタ層３が形成
されている。そして、これらの埋め込み層４およびコレ
クタ層３は、シャロウトレンチ４１とディープトレンチ
４２によって構成される素子分離領域によって分離され
ている。また、コレクタ層３上にｐ型のベース層２をエ
ピタキシャル成長させ、このベース層２上に酸化膜４５
を形成してパターニングする。次に、ベース引き出し電
極となるポリシリコン４４を堆積し、所定の形状にパタ
ーニングした後、ＳｉＯ_２およびＳｉ_３Ｎ_４からなる絶
縁膜５１，５２を堆積し、エミッタ形成用の開孔を開け
る。続いてエミッタポリシリコン４６を堆積しｎ型の不
純物をイオン注入し、熱処理することによりエミッタ層
１が形成される。最後にベース、コレクタ、およびエミ
ッタの金属電極４７，４８、および４９を形成してトラ
ンジスタを完成する。

【００１３】この図８に示す構造のトランジスタに対し
て、切断線Ａ−Ａ′で切断した断面の不純物のプロファ
イルが図９に示すように４種類のプロファイル、すなわ
ちプロファイル１１、プロファイル１２、プロファイル
１３、プロファイル１４となるトランジスタを製作し
た。これらの４種類のプロファイルはベースプロファイ
ルが共通であり、この共通のベースプロファイルはエミ
ッタ層１との接合面での不純物濃度は１×１０¹⁸（原子
／cm³ ）以上のある値であり、そして、ベース層２の幅
（深さ）の半分以上にわたって上記ある値を維持し、コ
レクタ層３に近づくにつれて減少する。プロファイル１
１のコレクタプロファイルは不純物濃度がほぼ１×１０
¹⁶（原子／cm³ ）で一定である。プロファイル１２のコ
レクタプロファイルはベース層２との接合面における不
純物濃度はプロファイル１１のそれとほぼ同一であっ
て、深さが深くなるにつれ不純物濃度も上昇し、埋め込
み層４との接合面においてほぼ１×１０¹⁷（原子／c
m³ ）となっている。またプロファイル１３のコレクタ
プロファイルは、ベース層２との接合面における不純物
濃度は、ほぼ１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸（原子／cm³ ）の
間であって、深さが深くなるにつれて減少し、埋め込み
層４との接合面ではほぽ１×１０¹⁶〜１×１０¹⁷（原子
／cm³ ）の間である。プロファイル１４のコレクタプロ
ファイルは、ベース層２との接合面における不純物濃度
は１×１０¹⁶〜１×１０¹⁷（原子／cm³ ）の間であっ
て、深さが深くなるにつれて上昇し、埋め込み層４との
接合面においてはほぼ１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸（原子／
cm³ ）である。

【００１４】これらのプロファイル１１、プロファイル
１２、プロファイル１３、プロファイル１４を有するト
ランジスタのコレクタ電流Ｉｃに対する遮断周波数ｆＴ
の特性を図１０に示す。この図１０から、プロファイル
１１、プロファイル１３、プロファイル１２、プロファ
イル１４となるにつれて遮断周波数の最高値ｆＴmaxが
高くなっていくことが分かる。なお、この特性はコレク
タ・エミッタ間のＤＣ電圧を２Ｖとして測定したもので
ある。

【００１５】また、上記各プロファイルに対応するトラ
ンジスタの遮断周波数の最高値ｆＴmax 、コレクタ・エ
ミッタ間の耐圧ＢＶceo 、およびアーリー電圧を測定し
た結果を図１１に示す。この図１１から分かるようにプ
ロファイル１４を有するトランジスタは他のプロファイ
ルを有するトランジスタに比べて遮断周波数の最高値ｆ
Ｔmax も一番高く、コレクタ・エミッタ間の耐圧も３．
５Ｖとすることができるとともにアーリー電圧も２６．
５Ｖとかなり高くすることができる。このような優れた
性能は本発明者によって初めて得られたものである。こ
のためプロファイル１４を本実施例の半導体装置のプロ
ファイルとし、このプロファイルを図１に示す。

【００１６】以上説明したように、アーリー電圧、およ
びエミッタ・コレクタ間耐圧を可及的に高くすることが
できる。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、遮断周波数、アーリー
電圧、およびエミッタ・コレクタ間耐圧を可及的に高く
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体装置の一実施例の不純物濃
度プロファイルを示すグラフ。

【図２】シミュレーションに用いられたトランジスタの
模式的な断面図。

【図３】シミュレーションに用いた標準プロファイルを
示すグラフ。

【図４】シミュレーションに用いられた複数のベースプ
ロファイルを示すグラフ。

【図５】図４に示すベースプロファイルを有するトラン
ジスタのシミュレーションによって得られたアーリー電
圧と遮断周波数の最高値を示す図表。

【図６】シミュレーションに用いられた複数のコレクタ
プロファイルを示すグラフ。

【図７】図６に示すコレクタプロファイルを有するトラ
ンジスタの、シミュレーションによって得られたアーリ
ー電圧と遮断周波数の最高値を示す図表。

【図８】性能を確認するために製作されたトランジスタ
の構造を示す断面図。

【図９】性能を確認するために製作されたトランジスタ
の、複数の不純物プロファイルを示すグラフ。

【図１０】図９に示すプロファイルを有するトランジス
タのコレクタ電流に対する遮断周波数の特性を示すグラ
フ。

【図１１】図９に示すプロファイルを有するトランジス
タの遮断周波数の最高値、コレクタ・エミッタ間耐圧、
およびアーリー電圧を示す図表。

【図１２】従来の半導体装置の不純物濃度プロファイル
を示すグラフ。

【符号の説明】

１ エミッタ層 ２ ベース層 ３ コレクタ層 ４ 埋め込み層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩 井 洋 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 杉 山 直 治 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型の半導体基板上に形成される前
   記第１導電型とは異なる第２導電型の第１の半導体層
   と、この第１の半導体層上に形成される第２の導電型の
   第２の半導体層と、この第２の半導体層上に形成される
   第１導電型の第３の半導体層と、この第３の半導体層上
   に形成される第２導電型の第４の半導体層とを備えてい
   る半導体装置において、 前記第２の半導体層の不純物濃度は前記第３の半導体層
   との接合面から離れるにつれて上昇し、そのピーク値は
   前記第１の半導体層のピーク値よりも低く、 前記第３の半導体層の不純物濃度は前記第４の半導体層
   との接合面から、前記第３の半導体層の深さ方向に一定
   の濃度を有する領域を備え、前記第２の半導体層との接
   合面に近づくにつれて減少していることを特徴とする半
   導体装置。
2. 【請求項２】前記第２の半導体層の不純物濃度は第３の
   半導体層との接合面においては１×１０¹⁷（原子／c
   m³ ）以下であり、そのピーク値は１×１０¹⁷（原子／c
   m³ ）を超え、 前記第３の半導体層の前記一定の濃度は１×１０¹⁸（原
   子／cm³ ）以上の値であることを特徴とする請求項１記
   載の半導体装置。
3. 【請求項３】前記一定の濃度を有する領域は、第３の半
   導体層の深さの半分以上であることを特徴とする請求項
   １記載の半導体装置。