JPH02140940A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JPH02140940A JPH02140940A JP63295071A JP29507188A JPH02140940A JP H02140940 A JPH02140940 A JP H02140940A JP 63295071 A JP63295071 A JP 63295071A JP 29507188 A JP29507188 A JP 29507188A JP H02140940 A JPH02140940 A JP H02140940A
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Landscapes
- Bipolar Transistors (AREA)
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。
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、半導体装置に関する。
[従来の技術]
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(以下、HBT)は
、エミッタ領域の禁制帯幅をベース領域の禁制帯幅より
も大きくとることにより、ベースからエミツタへキャリ
アの注入を阻止すると同時にベースのドーピング濃度を
高くしてベース抵抗を低減できるため、トランジスタの
増幅率と動作速度を増大させることができる。このため
近年HBTの開発が盛んになってきた。例えば、 「電
子材料J 1987年1月号pp、71に示すようなA
lGaAs/GaAs系HB T%AppliedPh
ysics Letters vol、52 (10)
、 PP、822 (1988)に示すような G a
A s / S i系HBT、 I EEEEl
ectron Device Letters v
ol、 9 (4)、 165(1988)、 Ap
plied Physics Letters vol
、52 (11)。
、エミッタ領域の禁制帯幅をベース領域の禁制帯幅より
も大きくとることにより、ベースからエミツタへキャリ
アの注入を阻止すると同時にベースのドーピング濃度を
高くしてベース抵抗を低減できるため、トランジスタの
増幅率と動作速度を増大させることができる。このため
近年HBTの開発が盛んになってきた。例えば、 「電
子材料J 1987年1月号pp、71に示すようなA
lGaAs/GaAs系HB T%AppliedPh
ysics Letters vol、52 (10)
、 PP、822 (1988)に示すような G a
A s / S i系HBT、 I EEEEl
ectron Device Letters v
ol、 9 (4)、 165(1988)、 Ap
plied Physics Letters vol
、52 (11)。
pp、895 (198B)等に示すような Si/G
eSi系HBT、 IEEE Electron De
vice Letters vol、9(2)、 87
(1988)に示すようなβ−8iC/Si系HBT
等様々なHBTの試作が行われている。
eSi系HBT、 IEEE Electron De
vice Letters vol、9(2)、 87
(1988)に示すようなβ−8iC/Si系HBT
等様々なHBTの試作が行われている。
[発明が解決しようとする課題]
A I G a A s / G a A s系等の化
合物半導体HBTでは、ワイドバンドギャップエミッタ
の作製に、分子線気相成長法(MBE)、有機金属化学
気相成長法(λl0CVD)等を用いて結晶性の高いエ
ミッタを作製しているので高性能のHBTを作製可能な
反面、既存のSi半導体プロセスとは馴染み難く、作製
装置も高価であるという問題点を有していた。 一方
、 1987 IEDM TechnicalDig
est pp、186−193、 19841EDH
TechnicalDigest pp、746等に示
すように、ワイドバンドギャップエミッタを、非晶質S
i、非晶質SiCや微結晶Siで作製する試みもある。
合物半導体HBTでは、ワイドバンドギャップエミッタ
の作製に、分子線気相成長法(MBE)、有機金属化学
気相成長法(λl0CVD)等を用いて結晶性の高いエ
ミッタを作製しているので高性能のHBTを作製可能な
反面、既存のSi半導体プロセスとは馴染み難く、作製
装置も高価であるという問題点を有していた。 一方
、 1987 IEDM TechnicalDig
est pp、186−193、 19841EDH
TechnicalDigest pp、746等に示
すように、ワイドバンドギャップエミッタを、非晶質S
i、非晶質SiCや微結晶Siで作製する試みもある。
この試みでは非晶質Si、非晶質SiCや微結晶Siの
作製をプラズマCVD法を用いているので比較的安価に
HBTを作製できる。しかし、非晶質Si、非晶1si
cや微結晶Siはキャリアの移動度が小さく、しかもエ
ミッタ・ベース界面に欠陥準位が多数存在するため、エ
ミッタ材料として用いるには好適でないという問題点が
あった。
作製をプラズマCVD法を用いているので比較的安価に
HBTを作製できる。しかし、非晶質Si、非晶1si
cや微結晶Siはキャリアの移動度が小さく、しかもエ
ミッタ・ベース界面に欠陥準位が多数存在するため、エ
ミッタ材料として用いるには好適でないという問題点が
あった。
本発明は以上の問題点を解決するもので、その目的は低
コストで高性能のHBTを提供することにある。
コストで高性能のHBTを提供することにある。
[課題を解決するための手段]
本発明の半導体装置は、
エミッタ領域、ベース領域、コレクタ領域を有する半導
体装置において、 (1)前記エミッタ領域を超格子構造としたことを特徴
とする。
体装置において、 (1)前記エミッタ領域を超格子構造としたことを特徴
とする。
(2)前記超格子構造において、少なくとも障壁層の禁
制帯幅は前記ベース領域の禁制帯幅よりも大きいことを
特徴とする。
制帯幅は前記ベース領域の禁制帯幅よりも大きいことを
特徴とする。
(3)前記超格子構造は非晶質半導体超格子構造である
ことを特徴とする。
ことを特徴とする。
(4Lai子の障壁層または井戸層の少なくとも一方に
不純物を混入したことを特徴とする。
不純物を混入したことを特徴とする。
[実施例]
第1図に本発明のHBTの製造工程図を示す。
HBTの作製には標準的なSiプロセスを適用した。以
下にNPN型HBTを例に取2ノ、製造工程を説明する
。7層cm (111)、n/n=のSi基板100を
熱酸化し、酸化膜102を形成する。
下にNPN型HBTを例に取2ノ、製造工程を説明する
。7層cm (111)、n/n=のSi基板100を
熱酸化し、酸化膜102を形成する。
ベース領域に対応する場所の酸化膜をフォトエツチング
で除き開口部を作る。 B゛イオン 5×1O12〜
1xlOI5/Cm2の濃度でイオン打ち込みし、90
0〜1200℃で30分再び熱酸化してイオンを活性化
させ、ベース領域101を作る(第1図(a))。次に
エミッタ領域の酸化膜をフォトエツチングで除き、この
上に超格子領域103を作製する。ベース表面の自然酸
化膜を除去するため、エミッタ成膜装置内導入直前にH
Fでライトエツチングを施した。
で除き開口部を作る。 B゛イオン 5×1O12〜
1xlOI5/Cm2の濃度でイオン打ち込みし、90
0〜1200℃で30分再び熱酸化してイオンを活性化
させ、ベース領域101を作る(第1図(a))。次に
エミッタ領域の酸化膜をフォトエツチングで除き、この
上に超格子領域103を作製する。ベース表面の自然酸
化膜を除去するため、エミッタ成膜装置内導入直前にH
Fでライトエツチングを施した。
エミッタは非晶質Si(以下、a−8i)と非晶質炭化
Si(以下、a−SiC)とを交互に積層した非晶質超
格子構造とした。a−8iN(井戸層)には5iHaガ
スとH2ガス、a−SiC層(障壁層)には5iHaガ
ス、CHaガスの混合ガスを用いてプラズマCVD法で
作製した。装置は通常の平行平板型プラズマCVD装置
を用い、井戸層と障壁層の切り替えはガスの切り替えに
よって行った。井戸層と障壁層間のガスの混入を防ぐた
め1層ごとに放電を停止し、真空引きをおこなった。プ
ラズマ放電用のRfパワーは成膜時のダメージを可能な
限り低減するため、IOW以下で行った。超格子成膜時
、a−8i層、a−3iCの少なくとも一方の層にP
Hiガス約1%を混入させ、n型のエミッタにする。
本実施例ではa −3iC層のみにP H3ガスを混
入した。場合によってはa−8i層のみ、或は a−8
i層と a−6iCの両方をn型にドーピングしてもよ
い。a−8il、a−3i(Jfの膜厚は10〜100
人で[a−Si/a−SiC]構造を10〜20周期積
層して超格子領域103を作製した。井戸層の光学ギャ
ップは1.75eV、障壁層の光学ギャップは2.2e
Vだった。本実施例ではベース領域には井戸層が接して
いるが、障壁層が接するようにしてもよい。HBTの特
性は、エミッタ・ベース間のflli電子帯、伝導帯の
接合状態に大きく左右される。超格子の場合、ベースと
エミッタとの価電子帯、伝導帯の不連続量を井戸層の膜
厚と、不純物のドーピング量で制御できるので最適なエ
ミッタ・ベース接合特性を実現できる。本実施例の場合
は第2図に示すように、超格子構造中の伝導帯の不連続
量を小さくし、価電子帯の不連続量を大きくしである。
Si(以下、a−SiC)とを交互に積層した非晶質超
格子構造とした。a−8iN(井戸層)には5iHaガ
スとH2ガス、a−SiC層(障壁層)には5iHaガ
ス、CHaガスの混合ガスを用いてプラズマCVD法で
作製した。装置は通常の平行平板型プラズマCVD装置
を用い、井戸層と障壁層の切り替えはガスの切り替えに
よって行った。井戸層と障壁層間のガスの混入を防ぐた
め1層ごとに放電を停止し、真空引きをおこなった。プ
ラズマ放電用のRfパワーは成膜時のダメージを可能な
限り低減するため、IOW以下で行った。超格子成膜時
、a−8i層、a−3iCの少なくとも一方の層にP
Hiガス約1%を混入させ、n型のエミッタにする。
本実施例ではa −3iC層のみにP H3ガスを混
入した。場合によってはa−8i層のみ、或は a−8
i層と a−6iCの両方をn型にドーピングしてもよ
い。a−8il、a−3i(Jfの膜厚は10〜100
人で[a−Si/a−SiC]構造を10〜20周期積
層して超格子領域103を作製した。井戸層の光学ギャ
ップは1.75eV、障壁層の光学ギャップは2.2e
Vだった。本実施例ではベース領域には井戸層が接して
いるが、障壁層が接するようにしてもよい。HBTの特
性は、エミッタ・ベース間のflli電子帯、伝導帯の
接合状態に大きく左右される。超格子の場合、ベースと
エミッタとの価電子帯、伝導帯の不連続量を井戸層の膜
厚と、不純物のドーピング量で制御できるので最適なエ
ミッタ・ベース接合特性を実現できる。本実施例の場合
は第2図に示すように、超格子構造中の伝導帯の不連続
量を小さくし、価電子帯の不連続量を大きくしである。
このため伝導帯の井戸層における電子の波動関数は互い
に重なり合い電子は伝導帯中を自由に動ける。これに対
し価電子帯の正孔の波動関数は井戸層中に束縛され自由
に動けない。従って電子の流れを妨げずにベースからエ
ミッタに注入される正孔を阻止することができる。
に重なり合い電子は伝導帯中を自由に動ける。これに対
し価電子帯の正孔の波動関数は井戸層中に束縛され自由
に動けない。従って電子の流れを妨げずにベースからエ
ミッタに注入される正孔を阻止することができる。
超格子領域103作製j&、超格子の上部に1000〜
3000人のn型a−3i104を連続して形成し、エ
ミッタを完成する。エミッタをCF aプラズマの気相
エツチングによりパタニングした後、ベース領域とのコ
ンタクトホールを空け、電極取り出し用A1をスパッタ
し、フォトリソグラフィでパタニングしてHBTの完成
となる(第1図(C))。105はエミッタ電極、10
6はベース電極、107はコレクタ電極を示す。
3000人のn型a−3i104を連続して形成し、エ
ミッタを完成する。エミッタをCF aプラズマの気相
エツチングによりパタニングした後、ベース領域とのコ
ンタクトホールを空け、電極取り出し用A1をスパッタ
し、フォトリソグラフィでパタニングしてHBTの完成
となる(第1図(C))。105はエミッタ電極、10
6はベース電極、107はコレクタ電極を示す。
第2図に本実施例のHBTのバンド構造を示す。
201は伝導帯、202は価電子帯である。矢印203
.204はそれぞれ電子、正孔の流れを示す。第2図で
は、ベース・エミッタ間に順バイアス、ベース・コレク
タ間に逆バイアスが印加された活性領域動作の場合であ
る。第2図にしめず破線の内側が超格子の領域である。
.204はそれぞれ電子、正孔の流れを示す。第2図で
は、ベース・エミッタ間に順バイアス、ベース・コレク
タ間に逆バイアスが印加された活性領域動作の場合であ
る。第2図にしめず破線の内側が超格子の領域である。
No、Nbをそれぞれエミッタ、ベース領域の不純物濃
度、ベースとエミッタとの禁制帯幅の差をΔE、とする
と、ベース・エミッタ接合を通過する電子電流工。と正
孔電流工、の比(電流増幅率の最大値に相当)は、−般
に 工。/I、=A・ (N、/Nb) xexp (ΔE、/kT) で表される。Aは比例定数、kはボルツマン定数、Tは
絶対温度である。 本実施例の場合、超格子エミッタの
禁制帯幅(この場合は光学ギャップ)は1.75〜2.
2eV、ベース領域の禁制帯幅は1.1eVだから、
ΔE9=0. 65〜1. 1eVとなる。従って、
300にでは exp(ΔEQ/kT)>10’
l になる。 このため、N e / N bの値
が小さい、即ち高濃度のベース濃度であっても高い電流
増幅率が得られる。
度、ベースとエミッタとの禁制帯幅の差をΔE、とする
と、ベース・エミッタ接合を通過する電子電流工。と正
孔電流工、の比(電流増幅率の最大値に相当)は、−般
に 工。/I、=A・ (N、/Nb) xexp (ΔE、/kT) で表される。Aは比例定数、kはボルツマン定数、Tは
絶対温度である。 本実施例の場合、超格子エミッタの
禁制帯幅(この場合は光学ギャップ)は1.75〜2.
2eV、ベース領域の禁制帯幅は1.1eVだから、
ΔE9=0. 65〜1. 1eVとなる。従って、
300にでは exp(ΔEQ/kT)>10’
l になる。 このため、N e / N bの値
が小さい、即ち高濃度のベース濃度であっても高い電流
増幅率が得られる。
本実施例では非晶質超格子の作製にPCVD法を用いた
が、光CVD法を用いることも可能である。また、障壁
層にはa−8iCを用いたが、非晶質窒化Si(以下、
a−6iN)を障壁層に用いた[a−8i/a−3iN
]構造を超格子構造に適用してもよい。a−3iNの場
合は、CH,ガスの代わりにN Haガス、N2ガス、
N20ガス等を用いる。本実施例ではNPN型HBTの
作製を例にとったが、基板にpウェル構造を用い、イオ
ン打ち込み工程ををP゛イオンして、超格子作製時のド
ーピングガスを例えばB 2 Hsにすれば、PNP型
HBTも同様に作製できる。
が、光CVD法を用いることも可能である。また、障壁
層にはa−8iCを用いたが、非晶質窒化Si(以下、
a−6iN)を障壁層に用いた[a−8i/a−3iN
]構造を超格子構造に適用してもよい。a−3iNの場
合は、CH,ガスの代わりにN Haガス、N2ガス、
N20ガス等を用いる。本実施例ではNPN型HBTの
作製を例にとったが、基板にpウェル構造を用い、イオ
ン打ち込み工程ををP゛イオンして、超格子作製時のド
ーピングガスを例えばB 2 Hsにすれば、PNP型
HBTも同様に作製できる。
[発明の効果]
本発明によれば、Si系HBTのへテロエミッタに非晶
質超格子構造を用いることにより、欠陥の少ない良好な
エミッタ・ベース界面を実現できる。しかもエミッタ成
膜にプラズマCVD法や、光CVD法などのような、M
BE法に比べると比較的低コストで成膜できる方法を適
用できる。更に超格子の井戸層、障壁層の膜厚、組成を
変化させたり、井戸層、障壁層のいずれが一方に不純物
をドーピングする変調ドーピング法などを応用すること
により、比較的自由にバンド構造を制御できる。即ち、
電子の波動関数は束縛せずに正孔の波動関数だけを量子
井戸中に閉じ込めることも可能となる。従って、HBT
の性能が飛躍的に向上する。この様な超格子エンジニア
リングは本発明のような非晶質超格子に限るわけではな
く、GaAs系や、5iGe系超格子のような結晶超格
子にも応用することができる。
質超格子構造を用いることにより、欠陥の少ない良好な
エミッタ・ベース界面を実現できる。しかもエミッタ成
膜にプラズマCVD法や、光CVD法などのような、M
BE法に比べると比較的低コストで成膜できる方法を適
用できる。更に超格子の井戸層、障壁層の膜厚、組成を
変化させたり、井戸層、障壁層のいずれが一方に不純物
をドーピングする変調ドーピング法などを応用すること
により、比較的自由にバンド構造を制御できる。即ち、
電子の波動関数は束縛せずに正孔の波動関数だけを量子
井戸中に閉じ込めることも可能となる。従って、HBT
の性能が飛躍的に向上する。この様な超格子エンジニア
リングは本発明のような非晶質超格子に限るわけではな
く、GaAs系や、5iGe系超格子のような結晶超格
子にも応用することができる。
本発明の半導体装置は以上のような利点があり、バイポ
ーラトランジスタ、光電変換素子をはじめとする半導体
素子全般に応用が可能である。
ーラトランジスタ、光電変換素子をはじめとする半導体
素子全般に応用が可能である。
第1図(a)〜(C)は本発明の半導体装置の製造工程
図。 第2図は本発明の半導体装置のパン 100はn / n″″Si″S iウエハ101領域 102は5iCh膜 103は超格子エミッタ 104はn型a−3i 105はエミッタ電極 106はベース電極 107はコレクタ電極 201は伝導帯 202は価電子帯 203は電子の流れ 204は正孔の流れ ド構造図。 以上 出願人セイコーエプソン株式会社 代理人弁理士上柳雅誉(他1名) (a) (b) (c)
図。 第2図は本発明の半導体装置のパン 100はn / n″″Si″S iウエハ101領域 102は5iCh膜 103は超格子エミッタ 104はn型a−3i 105はエミッタ電極 106はベース電極 107はコレクタ電極 201は伝導帯 202は価電子帯 203は電子の流れ 204は正孔の流れ ド構造図。 以上 出願人セイコーエプソン株式会社 代理人弁理士上柳雅誉(他1名) (a) (b) (c)
Claims (4)
- (1)エミッタ領域、ベース領域、コレクタ領域を有す
る半導体装置において、 前記エミッタ領域を超格子構造としたことを特徴とする
半導体装置。 - (2)前記超格子構造において、少なくとも障壁層の禁
制帯幅は前記ベース領域の禁制帯幅よりも大きいことを
特徴とする第1項記載の半導体装置。 - (3)前記超格子構造は非晶質半導体超格子構造である
ことを特徴とする第1項記載の半導体装置。 - (4)超格子の障壁層または井戸層の少なくとも一方に
不純物を混入したことを特徴とする第1項記載の半導体
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63295071A JPH02140940A (ja) | 1988-11-22 | 1988-11-22 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63295071A JPH02140940A (ja) | 1988-11-22 | 1988-11-22 | 半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02140940A true JPH02140940A (ja) | 1990-05-30 |
Family
ID=17815942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63295071A Pending JPH02140940A (ja) | 1988-11-22 | 1988-11-22 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02140940A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5414273A (en) * | 1993-03-05 | 1995-05-09 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Heterojunction bipolar transistor |
-
1988
- 1988-11-22 JP JP63295071A patent/JPH02140940A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5414273A (en) * | 1993-03-05 | 1995-05-09 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Heterojunction bipolar transistor |
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