JPH10107042A - 化合物半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＭＭＩＣに内蔵された抵抗素子の抵抗値のバ
ラツキを減らし、その製造を容易なものとして、良好な
製造歩留で製造することができる化合物半導体装置を提
供する。 【解決手段】 ヘテロ接合バイポーラトランジスタ３０
と抵抗素子３１とを半絶縁性化合物半導体基板１１上に
形成した化合物半導体装置において、前記抵抗素子３１
は前記へテロ接合バイポーラトランジスタのサブコレク
タ層と同一の材質の抵抗体１９からなるものであり、前
記サブコレクタ層１２，１９はコレクタ層側表面に異材
質の薄いエッチングストップ層２０を備え、該エッチン
グストップ層は異材質層２０Ａの片側又は両側に、コレ
クタ層、又は、サブコレクタ層の組成に連続的に変化す
る遷移層２０Ｂ，２０Ｃを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体装置
に係り、特にヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ）と抵抗素子とを、半絶縁性化合物半導体基板上に搭
載したマイクロウェーブモノリシックＩＣに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話等の超高周波帯で動作す
る機器の普及に伴い、ＧＨｚ帯で動作する高出力素子の
開発が要請されている。ヘテロ接合バイポーラトランジ
スタ（ＨＢＴ）は、例えばエミッタ／ベース接合に、Ａ
ｌＧａＡｓ又はＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ等の異材質の接合
を用いることにより、電子の移動度が高く且つエミッタ
のバンドギャップがベースのバンドギャップより大きい
ことから電子の注入効率が高く取れる。このためＧＨｚ
帯で数Ｗ程度の高出力特性が得られ、上記要請に適合す
るものとして注目されている。

【０００３】例えば、文献（IEEE ELECTRON DEVICE LET
TERS, Vol 14, No10, October 1990PP493〜495）、特許
第２５２２２８０号公報等によれば、化合物半導体材料
を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタの一例が開
示されている。これは半絶縁性ＧａＡｓ基板上にｎ＋-
ＧａＡｓサブコレクタ層、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層、ｐ
＋-ＧａＡｓベース層、ｎ−ＡｌＧａＡｓエミッタ層、
ｎ＋-ＧａＡｓエミッタコンタクト層等が積層されてい
る。

【０００４】ところで、このようなヘテロ接合バイポー
ラトランジスタに抵抗素子を組み込み、モノリシックＩ
Ｃ化される傾向にある。モノリシックＩＣ化される場合
には、サブコレクタ層は不純物濃度が高いため、ＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕ等の配線金属と容易にオーミック接触が
とれるので、抵抗素子の抵抗体としてはサブコレクタ層
が所要の寸法にパターン加工されて用いられる。又、サ
ブコレクタ層は不純物濃度の制御も容易であるため、シ
ート抵抗は数十Ω／□程度に制御でき、パターン形状の
選択により任意の抵抗値の抵抗体を形成することが可能
である。

【０００５】図３は、係る従来のヘテロ接合バイポーラ
トランジスタと抵抗素子とを集積化したマイクロウェー
ブモノリシックＩＣの断面構造の一例を示す。半絶縁性
ＧａＡｓ基板１１上にヘテロ接合バイポーラトランジス
タ３０と抵抗素子３１とが形成されている。ヘテロ接合
バイポーラトランジスタ３０は、ｎ＋型ＧａＡｓ層から
なるサブコレクタ層１２上に、ｎ型ＧａＡｓ層からなる
コレクタ層１３が形成され、その上層はｐ型ＧａＡｓ層
からなるベース層１４が形成され、更にその上層には異
種材料であるｎ型ＡｌＧａＡｓ層からなるエミッタ層１
６が形成されている。電極２１，２１はコレクタ層の取
り出し電極であり、電極２２，２２はベースの取り出し
電極であり、電極２３はエミッタ層の取り出し電極であ
る。

【０００６】一方で抵抗素子３１は、ヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタのサブコレクタ層１２と同一材質の層
を用いて抵抗体１９が形成され、電極２４，２４がその
取り出し電極となっている。尚、この図においては、ト
ランジスタと抵抗素子の接続配線は図示が省略されてい
る。

【０００７】図４は、ヘテロ接合バイポーラトランジス
タ及び抵抗素子を形成する前の化合物半導体基板を示
す。この基板は、下側より半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上
に、サブコレクタ層となるｎ＋型ＧａＡｓ層１２、コレ
クタ層となるｎ型ＧａＡｓ層１３、ベース層となるｐ型
ＧａＡｓ層１４、エミッタ層となるｎ型ＡｌＧａＡｓ層
１６等がそれぞれエピ成長により積層されている。図３
に示すヘテロ接合バイポーラトランジスタ３０及び抵抗
素子３１は各エピ成長層が段階的にホトリソグラフィに
より、パターニングされ、エッチングされてメサ状に形
成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヘテロ
接合バイポーラトランジスタのサブコレクタ層を用いて
抵抗体１９を形成するためには、エッチングによりその
上層であるコレクタ層となるｎ型ＧａＡｓ層１３を除去
しなければならない。ところが、コレクタ層１３とサブ
コレクタ層１２とはいずれも同材質のｎ型ＧａＡｓ層か
ら構成されており、その濃度が異なるのみである。この
ため、エッチングの終点検出が難しく、オーバエッチに
なると抵抗体１９の厚みが薄くなりすぎ、抵抗値を狂わ
せる原因となる。また、アンダーエッチの場合にはｎ型
ＧａＡｓ層が残ることになり、抵抗の取り出し電極２
４，２４と抵抗体１９とのオーミック接触が取れなくな
り、同様に抵抗値を狂わせる原因となる。

【０００９】このため、従来のヘテロ接合バイポーラト
ランジスタと抵抗素子とを集積したマイクロウェーブモ
ノリシックＩＣにおいては、抵抗素子の抵抗値のバラツ
キが大きく、その許容範囲を逸脱する場合もあり、製造
歩留の低下の一因となっていた。

【００１０】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、ヘテロ接合バイポーラトランジスタと抵抗素子と
を集積したマイクロウェーブモノリシックＩＣにおい
て、抵抗素子の抵抗値のバラツキを減らし、その製造を
容易なものとして、良好な製造歩留で製造することがで
きる化合物半導体装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の化合物半導体装
置は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタと抵抗素子と
を半絶縁性化合物半導体基板上に形成した化合物半導体
装置において、前記へテロ接合バイポーラトランジスタ
は、コレクタ層と、該コレクタ層と同一導電型で高濃度
のサブコレクタ層とを備え、前記抵抗素子は前記へテロ
接合バイポーラトランジスタのサブコレクタ層と同一の
材質からなるものであり、前記サブコレクタ層はコレク
タ層側表面に異材質の薄いエッチングストップ層を備
え、該エッチングストップ層はその片側又は両側に、コ
レクタ層、又は、サブコレクタ層の組成に連続的に変化
する遷移層を設けたことを特徴とする。

【００１２】上述した本発明の構成によれば、抵抗体を
構成するトランジスタのサブコレクタ層がそのコレクタ
層側表面に異材質の薄いエッチングストップ層を備えた
ので、コレクタ層をエッチングするエッチャントは、サ
ブコレクタ層を構成する半導体層をエッチングしないよ
うに、異材質のエッチングストップ層でエッチングの進
行を止めることができる。このようなエッチャントのエ
ッチング材質の選択性により、コレクタ層のエッチング
はスムーズに進行して、コレクタ層のエッチングが終了
すると異材質のエッチングストップ層が表面に露出す
る。この層はエッチングされないので、当該エッチャン
トによるエッチングはそこで終了させることができる。
これにより、オーバエッチでサブコレクタ層、即ち、抵
抗体の厚みが変動することなく、又、アンダーエッチに
よるコレクタ層の残留物で接触不良が生じることなく、
サブコレクタ層が本来有するシート抵抗値に基づく抵抗
体の抵抗値が得られる。

【００１３】尚、エッチングストップ層はコレクタ層及
びサブコレクタ層と異材質であるので、その部分でバン
ドギャップが異なる。しかしながら、その片側又は両側
に、その組成がエッチングストップ層の組成からコレク
タ層又はサブコレクタ層の組成に連続的に変化する遷移
層を設けたので、バンドギャップを滑らかに連続的にエ
ッチングストップ層の周辺で変化させることができる。
このため、ドリフト電界により走行してくる電子はその
バンドギャップの変化部分を滑らかに通り抜けることが
出来る。このため、異材質のエッチングストップ層の存
在にもかかわらず、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ
のコレクタ抵抗の増大を防止でき、高周波特性が劣化し
ないようにすることができる。又、エッチングストップ
層は抵抗素子の抵抗体表面にも存在するが、不純物濃度
をサブコレクタ層と合わせることにより、良好なオーミ
ック接触が得られ、抵抗値の上昇という問題を生じな
い。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００１５】図１（Ａ）は、本発明の一実施形態の化合
物半導体装置の一断面構成を示し、（Ｂ）は（Ａ）にお
けるエッチングストップ層２０の拡大断面を示す。半絶
縁性ＧａＡｓ基板１１上にヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタ３０と抵抗素子３１とが搭載されている点は、従
来の技術と同様である。ヘテロ接合バイポーラトランジ
スタ３０のサブコレクタ層と抵抗素子３１の抵抗体１９
とはコレクタ層と同材質のＧａＡｓで構成されている。
この層は、ｎ＋型の３ｘ１０１８/cm３程度の不純物濃
度を有したもので、厚さ１０，０００Å程度である。

【００１６】サブコレクタ層１２のコレクタ層側表面に
は、異材質であるＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓのエッチ
ングストップ層２０を備えている。この層は、異材質層
２０ＡであるＧａ０．５１Iｎ０．４９P又はＡｌ０．２
５Gａ０．７５Aｓ層と、その組成が異材質層２０Ａの組
成からコレクタ層又はサブコレクタ層の組成であるＧａ
１．００Aｓ１．００に滑らかに連続的に変化する遷移
層２０Ｂ，２０Ｃとから構成されている。異材質層２０
Ａの厚さは１００Å程度と極めて薄く、遷移層２０Ｂ，
２０Ｃの厚さはそれぞれ３００Å程度である。各層２０
Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの不純物濃度は３ｘ１０１８/cm３
程度のｎ＋型であり、サブコレクタ層１２と同一の濃度
である。このエッチングストップ層２０は、ＧａＡｓ層
をエッチングするエッチャントの選択性により、コレク
タ層１３のエッチングがサブコレクタ層１２に進行する
のを止めるためのものである。

【００１７】コレクタ層１３及びベース層１４は、共に
ＧａＡｓで構成され、その厚さはコレクタ層１３は５，
０００Åであり、ベース層１４は１，０００Åである。
コレクタ層は５ｘ１０１６/cm３のｎ型の不純物濃度を
有し、ベース層は４ｘ１０１９/cm３のｐ型の不純物濃
度を有する。

【００１８】エミッタ層１６はベース層１４とヘテロ接
合を形成する異材質の層であり、ベース層のＧａＡｓよ
りバンドギャップの大きなＡｌＧａＡｓが用いられてい
る。具体的には、Ａｌ０．２５Gａ０．７５Aｓのｎ型の
４ｘ１０１７/cm３程度の不純物濃度を有する層であ
り、その両側にＧａＡｓへの遷移層１５，１７を有して
いる。それぞれの遷移層１５，１７の厚みは３００Å、
５００Å程度である。

【００１９】エミッタ層の最上層はキャップ層１８であ
り、材料はＧａＡｓであり、不純物濃度５ｘ１０１８/c
m３のｎ＋型であり、厚さが１，０００Å程度である。
この層はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるエミッタ電極２
３とオーミック接触を取るための層である。ベース層１
４にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるベース電極２２，２２
が配置され、サブコレクタ層１２にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／
Ａｕで構成されるコレクタ層の取り出し電極２１，２１
が配置されている。抵抗体１９の両端部にもＡｕＧｅ／
Ｎｉ／Ａｕからなる取り出し電極２４，２４が配置され
ている。

【００２０】サブコレクタ層１９の本来有するシート抵
抗値は、エピ成長技術の進歩により、１％程度の誤差で
制御可能である。上記構造によれば、コレクタ層のエッ
チングの際にサブコレクタ層（抵抗体１９）がエッチン
グされることが無いので、抵抗素子３１の抵抗値はサブ
コレクタ層１２のシート抵抗値と横方向のホトリソグラ
フィの誤差のみで決まってくる。従って、抵抗値のバラ
ツキを小さく抑え、良好な再現性で製造することができ
る。又、トランジスタ３０は化合物半導体のヘテロ接合
構造を有するので、ＧＨｚ帯で１〜２Ｗ程度の高出力特
性を得ることが可能である。

【００２１】次にこの化合物半導体装置の製造方法につ
いて説明する。まず図２（Ａ）に示す半絶縁性基板上に
各種化合物半導体材料をエピタキシャル成長した基板を
準備する。この基板は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に
サブコレクタ層１２となるＧａＡｓ層がエピ成長され、
そのコレクタ側表面に薄いエッチングストップ層２０と
なるＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓ層がエピ成長され、更
にその上層にコレクタ層１３となるｎ型ＧａＡｓ層がエ
ピ成長され、更にその上層にベース層１４となるｐ型Ｇ
ａＡｓ層がエピ成長されたものである。エッチングスト
ップ層２０は、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓ層（異材質
層）２０Ａと、この両側に積層されたＧａＡｓへ組成が
連続的に変化する遷移層２０Ｂ，２０Ｃとから構成され
ている。

【００２２】更にベース層１４の上層にはＧａＡｓ層か
らＡｌＧａＡｓ層への遷移層１５がエピ成長され、更に
その上層にはヘテロ接合バイポーラトランジスタの核心
となるベース層と比較してバンドギャップの大きなｎ型
ＡｌＧａＡｓ層がエピ成長され、その上層はＧａＡｓへ
の遷移層１６がエピ成長され、更にその上層にはキャッ
プ層１８となるｎ＋型ＧａＡｓ層がエピ成長されてい
る。

【００２３】次に図２（Ｂ）に示すように、ホトリソグ
ラフィでパターニングして、エミッタ領域を形成するた
めの層１５，１６，１７，１８のメサエッチを行う。次
に、図２（Ｃ）に示すようにベース層１４及びコレクタ
層１３を同様にホトリソグラフィでパターニングして、
メサエッチを行う。

【００２４】このエッチングは、ベース層１４及びコレ
クタ層１３の材料であるＧａＡｓをエッチングし、エッ
チングストップ層２０を構成するＩｎＧａＰ又はＡｌＧ
ａＡｓ層をエッチングしない、選択性を有するエッチャ
ントを用いる。例えばＧａＡｓをエッチングし、ＩｎＧ
ａＰをエッチングしないエッチャントとしては、硫酸系
或いはリン酸系のエッチャントが好適である。また、Ｇ
ａＡｓをエッチングし、ＡｌＧａＡｓをエッチングしな
いエッチャントとしては、クエン酸系のエッチャントが
ある。これらの選択性を有するエッチャントを用いるこ
とにより、コレクタ層１３のエッチングが十分に進行す
ると、エッチングストップ層２０が表面に露出し、サブ
コレクタ層１２をエッチングすることなく、そこでエッ
チングの進行を完全に停止することができる。

【００２５】次にサブコレクタ層１２及び抵抗体１９を
形成するためのメサエッチを行う。この工程もレジスト
塗布後ホトリソグラフィでパターニングして、まずエッ
チングストップ層２０をエッチングするエッチャントを
用いてこの部分を除去してから、ＧａＡｓ層からなるサ
ブコレクタ層１２をエッチングするエッチャントを用い
てメサエッチを行う。

【００２６】次に図１に示すように、エミッタ電極、コ
レクタ電極、抵抗電極等の電極付けを行う。これはホト
レジストを塗布後、ホトリソグラフィでパターニングを
行い、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、リフトオフによ
り所定の電極２２，２３，２４を形成する。そして、ア
ロイにより半導体層との接触を確実にする。この際、サ
ブコレクタ層１２及び抵抗体１９の表面には、ｎ型Ｇａ
ＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓからなる層２０が存在するが、
この層の不純物濃度はサブコレクタ層１２と等しいた
め、抵抗値の増大等の問題を生じない。

【００２７】次にベース電極の電極付けを行う。これも
同様にホトリソグラフィでレジストに所定のパターンを
形成後、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、リフトオフにより
所定の電極２１を形成し、アロイにより半導体層との接
触を確実にする。

【００２８】更に、全面にＣＶＤで例えばＳｉＮ膜を
２，０００Å程度被着して、ホトリソグラフィによりコ
ンタクト部分を開口するパターニングを行う。更に同様
にホトリソグラフィにより配線パターンのパターニング
を行った後に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、リフトオフ
により配線電極及びボンディングパッド電極等を形成す
る。これにより、ヘテロ接合バイポーラトランジスタと
抵抗素子間の配線接続等が行われ、マイクロウェーブモ
ノリシックＩＣが完成する。

【００２９】尚、以上の実施形態は、エッチングストッ
プ層２０を異材質層２０Ａとその両側に遷移層２０Ｂ，
２０Ｃを設けたものであるが、遷移層はコレクタ層側又
はサブコレクタ層側の片側のみに設けるようにしてもよ
い。

【００３０】又、コレクタ層、サブコレクタ層としてＧ
ａＡｓを用い、エッチングストップ層にＩｎＧａＰ又は
ＡｌＧａＡｓからなる異材質を用いた例について説明し
たが、本発明の趣旨はこれに限定されるものではない。
コレクタ層を構成する材料をエッチングし、エッチング
ストップ層を構成する材料をエッチングしない選択性を
有するエッチャントを用いることが可能であり、異材質
のエッチングストップ層でコレクタ層のエッチングの終
了を容易に且つ確実に行うことができる材料の組合せで
あれば、本発明の趣旨が適用可能なことは勿論である。
このように、本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の
変形実施例が可能である。

【００３１】

【発明の効果】本発明は上述したようにヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタと抵抗素子とを半絶縁性化合物半導
体基板上に形成した半導体装置において、ヘテロ接合バ
イポーラトランジスタのコレクタ層とサブコレクタ層の
間に異材質のエッチングストップ層を設けたものであ
る。これにより、サブコレクタ層を用いて抵抗素子を形
成する際に、サブコレクタ層をエッチングすることなく
コレクタ層のみを完全にエッチング除去することができ
る。従って、サブコレクタ層と同材質の材料をもって形
成される抵抗体のシート抵抗の変動を抑えることがで
き、容易に抵抗値が許容範囲に入る抵抗素子を形成する
ことができる。

【００３２】サブコレクタ層とコレクタ層の間に異材質
のエッチングストップ層を有するが、この層はその組成
がコレクタ層又はサブコレクタ層の組成に連続的に変化
する遷移層を備えるので、この部分でバンドギャップを
滑らかに連続的に変化させることができる。従ってコレ
クタ領域をドリフト電界で高速走行する電子を、滑らか
にバンドギャップの変化部分を通り抜けさせることがで
きる。これにより、コレクタ抵抗の増大を防止すること
ができ、バンドギャップの異なる異材質の間挿に伴う高
周波特性の劣化を防止することができる。

【００３３】それ故、ＧＨｚ帯でワットオーダの出力を
有するヘテロ接合バイポーラトランジスタと抵抗素子と
を搭載したマイクロウェーブモノリシックＩＣを、容易
に、且つ良好な歩留で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）本発明の一実施形態の化合物半導体装置
の断面図、（Ｂ）そのエッチングストップ層の拡大図。

【図２】上記化合物半導体装置の製造工程を示す説明
図。

【図３】従来の化合物半導体装置の断面図。

【図４】従来のエピ成長基板の説明図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヘテロ接合バイポーラトランジスタと抵
   抗素子とを半絶縁性化合物半導体基板上に形成した化合
   物半導体装置において、前記へテロ接合バイポーラトラ
   ンジスタは、コレクタ層と、該コレクタ層と同一導電型
   で高濃度のサブコレクタ層とを備え、前記抵抗素子は前
   記へテロ接合バイポーラトランジスタのサブコレクタ層
   と同一の材質からなるものであり、前記サブコレクタ層
   はコレクタ層側表面に異材質のエッチングストップ層を
   備え、該エッチングストップ層はその片側又は両側に、
   コレクタ層、又は、サブコレクタ層のバンドギャップ又
   は組成に連続的に変化する遷移層を設けたことを特徴と
   する化合物半導体装置。