JPH0437143A - 半導体装置 - 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】 〔概　要〕 バイポーラトランジスタを備えた半導体装置の製造方法
に関し、 バイポーラトランジスタのベース抵抗を低くするととも
に、ベース走行時間をより小さくすることを目的とし、 不純物濃度分布をガウス分布にすればエミッタ層との接
合面にトンネル電流が流れる厚さに形成されたベース層
の不純物濃度を、ベース幅の方向に均一に分布させたバ
イポーラトランジスタを含み構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは
、バイポーラトランジスタを備えた半導体装１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においては、第６図に示すよう
に、コレクタとなる半導体層６２に不純物をイオン注入
してベース層６１を形成することにより、ベース層６１
の不純物濃度分布を第５図（ａ）に示すようなガウス分
布にし、ベース層６１内で電位差を生しさせてドリフト
速度を増加させるとともに、そのベース幅Ｗ、を狭くし
てキ中リアの走行時間を短縮化することが行われ、これ
により、トランジスタの高速化を図るようにしている。

ところで、ベース幅Ｗ、を狭くすると、ベース抵抗が増
加して高速化に支障をきたすので、これを解消するため
に、ベース層６１の不純物濃度を高くして抵抗率を低減
することが行われている。

なお、図中符号６３は、ベース層６１の上に形成された
エミッタ層、６４はベース引出電極、６５は層間絶縁膜
、６６はエミッタ引出電極、６７は埋込層、６８は半導
体基板を示している。

〔発明が解決しようとする８１題） しかし、ベース層６１の不純物濃度が所定の値よりも高
くなると、高不純物濃度のエミッタ層６３との接合面に
トンネル効果による電流が流れるようになり、トランジ
スタが正常に動作しなくなる。

例えば、ベース抵抗が５にΩ一定となるようにベース層
６１の不純物濃度を調整しながらベース幅を変えてみる
と、第２図の一点鎖線で示すようにベース幅Ｗ、が４５
ｎｍ前後になった場合に、エミッタ層６３との接合面近
傍においてベース不純物濃度は１０　”／ｃ−ｄ程度と
なってトンネル電流が生じ易くなり、ベース抵抗を低く
保持したまでそれ以下のベース走行時間を得ることがで
きないといった問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって
、バイポーラトランジスタのベース抵抗を低くするとと
もに、ベース走行時間をより小さくできる半導体装置の
製造方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記した課題は、不純物濃度分布をガウス分布にすれば
エミッタ層との接合面にトンネル電流が流れる厚さに形
成されたベース層の不純物濃度を、ベース幅の方向に均
一に分布したバイポーラトランジスタを有することを特
徴とする半導体装置、又は、ベース幅が３０ｎｍ以下と
なるベース層の不純物濃度を、ベース幅の方向に均一に
分布したバイポーラトランジスタを有することを特徴と
する半導体装置によって達成する。

〔作　用〕

本発明によれば、バイポーラトランジスタのベース層に
おける不純物濃度分布をガウス分布にするればエミッタ
層との接合面にトンネル電流が生じるという場合に、そ
の分布をＢＯＸ分布にして、エミッタ層との接合面近傍
の不純物濃度を低くするようにしている。

ところで、不純物濃度をガウス分布にすれば、第５図（
ａ）に示すように、コレクタ層に近づくにつれ、その濃
度が小さくなって抵抗成分が増加するが、ＢＯＸ分布に
よれば第１．２図に示すようにエミッタ層との接合面か
らコレクタ層との接合面まで不純物濃度が一定であり、
その抵抗成分は均一となる。このため、不純物濃度の高
いエミッタ層との接合面近傍においてベース層の不純物
濃度が同じであっても、ＢＯＸ分布分布法るベース層の
ほうが全体の濃度が高くなってベース抵抗は低くなる。

したがって、ＢＯＸ分布となるベース層と、ガウス分布
となるベース層の各々のヘース抵抗を同一にしてトンフ
ル効果が生しない限界の膜厚を不めると、ＢＯＸ分布に
よる方が清くなってトンネル電流が流れないベース幅を
小さくできる。

他方、ＢＯＸ分布によれば、ベース層内では深さ方向の
不純物濃度に相違がなく電位差が生しないため、電界に
よるキャリア走行時間の短縮化が図れない。

しかし、ベース走行時間τは、τ−ＷＲｚ／ηＤとしで
表されるためにベース幅Ｗ、の二乗に比例することにな
り（η；分布定数、Ｄ；拡散係数）、ベース層Ｂ内で電
界を生しさせるよりもベース幅を清くする方がベース走
行時間τの短縮化に寄与することζこなる。

この結果、ベース幅Ｗ、を小さ（してその不純物濃度分
布をＢＯＸにすれば、ベース走行時間τを小さくできる
ことになり、その−例を示すと、第３．４図の実線に示
すようになる。

また、ベース幅を３０ｎ＊以下にする場合に、その不純
物濃度分布をＢＯＸにすれば、トンネル電流の発生を阻
止して、ベース走行時間を小さくすることが可能になる
。

〔実施例〕

そこで、以下に本発明の詳細を図面に基づいて説明する
。

第１図は、本発明の一実施例装置の形成工程を示す断面
図であって、図中符号１は、ｎ型半導体基板２の上に形
成された高濃度のｎ゛型の埋込層で、この上には、ｎ型
不純物濃度が５Ｘ１０”／ｄとなるコレクタ層３がエピ
タキシャル成長法により形成されている。

また、コレクタ層３の上には、シリコン酸化（ＳｉＯ□
）膜４及びｎ型の多結晶シリコン膜５が形成され、これ
らの膜４．５のうちベース形成領域にはフォトリソグラ
フィー法によって開口部６が形成されている。

このような状態で、ＭＢＥ法によって硼素等のｎ型不純
物濃度分布が均一になるようにシリコン膜７を堆積する
。これによって、開ロ部６底面のシリコン膜７を選択的
に単結晶とするとともに、その周辺部分を多結晶とする
（第１図（ｂ））。

そして、この後にシリコン膜７及び多結晶シリコン膜５
をフォトリソグラフィー法によってパターニングし、開
口部６及びその周辺だけにそれらの膜５．７を残存させ
、シリコン膜７のうちコレクタ層３に積層された単結晶
の部分をベース層Ｂとして使用し、また、ベース層Ｂの
周辺のシリコン膜７とその下の多結晶シリコン膜５をベ
ース引出電極８として用いる（第１図（ｃ））。

次に、全体にＳｉＯ□膜９を積層した後、ベース層Ｂの
中央に窓１０を設け、１０”／ｃｉｉの不純物濃度を有
するｎ型のシリコン膜１１をＭＢＥ法によって形成する
と、そのシリコン膜１１は、ベース層Ｂ上では単結晶と
なり、その他の領域では多結晶となる（第１図（ｄ））
。

そして、シリコン膜１１をパターニングすることにより
窓１０の内部とその周辺以外の部分を除去し、そのうち
ベース層Ｂ上の膜をエミッタ層已にするとともに、その
他の部分をエミッタ引出電極１２として用いる（第１図
（ｅ））。

この後に、全体に眉間絶縁膜１３を形成し、これにコン
タクトホール１４＝１６を設け、また、エミッタ引出電
極１２、ベース引出電極８及びコレクタ引出層１７にそ
れぞれ繋がるアルミニウム電極１８〜２０をコンタクト
ホール１４〜１６を通して形成する。

ところで、上記したベース層Ｂとなるシリコン膜７は、
ＭＢＥ法により不純物濃度が深さ方向に均一に分布する
ように形成され、その関係を示すと第２図に示すような
矩形状になるので、この分布は一般にＢＯＸ分布といわ
れている。

このような不純物分布のベース層Ｂにおいて、ベース抵
抗を一定の値に保持しつつベース層Ｂの膜厚とその不純
物濃度を変えてみると、ベース層Ｂの膜厚、即ちベース
幅Ｗ、とキャリアのベース走行時間τとの関係は第３．
４図に例示するようになる。

例えば、ベース抵抗が５にΩ／口となるように不純物濃
度とベース幅ＷＩを調整すると、第３図の実線に示すよ
うに、ベース幅Ｗ、が２Ｏｎ−の場合にベース走行時間
がｏ、ｓｐｓとなり、ベース幅をそれ以下にするとトン
ネル電流が流れる。

これに対して、ベース層の不純物濃度を第５図（ａ）に
示すようなガウス分布にすれば、第３図の一点鎖線で示
すように、ベース抵抗５にΩ／口、ベース幅Ｗｓ４５ｎ
ｍの場合に、ベース走行時間は１．５ｐｓとなり、それ
以下のベース幅Ｗ、にすればベース層Ｂの上部において
不純物濃度が高くなり過ぎてトンネル電流が流れてしま
い、ガウス分布ではこれ以上の高速化が図れなくなる。

したがって、ベース抵抗を５にΩ／口にして、１．５ｐ
ｓ以下のベース走行時間を得ようとする場合には、ベー
ス幅Ｗ、を３Ｏｎｍ以下にして不純物濃度分布をＢＯＸ
分布にすればよいことがわかる。

これは、次のような理由によると考えられる。

即ち、ベース抵抗を一定にするためには、ベース幅Ｗ、
を狭くするほど不純物濃度を高くする必要があり、この
場合、エミッタ層Ｅとの接合面では１０”／ｄが限界と
なり、それ以上の濃度とすれば、エミッタ層Ｅとの接合
面にトンネル電流が発生することになる。

ところで、不純物濃度をガウス分布にすれば、第５図（
ａ）に示すように、コレクタ層３に近づくにつれ、その
濃度が小さくなって抵抗成分が増加するが、ＢＯＸ分布
によれば第２図に示すようにエミッタ層Ｅとの接合面か
らコレクタ層３との接合面まで不純物濃度が一定であり
、その抵抗成分は均一となる。このため、不純物濃度の
高いエミッタ層Ｅとの接合面近傍においてベース層Ｂの
不純物濃度が同じであっても、ＢＯＸ分布によるベース
層Ｂのぼうが全体の濃度が高くなってベース抵抗は低く
なる。

したがって、ＢＯＸ分布となるベース層Ｂと、ガウス分
布となるベース層Ｂの各々のベース抵抗を同一にしてト
ンネル効果が生じない限界の膜厚を調べると、ＢＯＸ分
布による方が薄くなってトンネル電流が流れないベース
幅Ｗ１を小さくできる。

他方、ＢＯＸ分布によれば、ベース層Ｂ内では深さ方向
の不純物濃度に相違がなく電位差が生じないため、電界
によるキャリア走行時間の短縮化が図れない。

しかし、ベース走行時間τは、τ＝＝Ｗ、！／ηＤの式
で表されるためにベース幅Ｗ、の二乗に比例することに
なり（η；分布定数、Ｄ；拡散係数）、ベース層Ｂ内で
電界を生じさせるよりもベース幅を薄くする方がベース
走行時間τの短縮化に寄与することになる。

そして、第３図から明らかなように、ベース走行時間τ
を１．５ｐｓ以下にする場合には、ベース幅Ｗ、を３Ｏ
ｎ−以下にしてその不純物濃度分布をＢＯＸ分布とすれ
ばよい。

また、第４図に示すように、ベース抵抗を１０にΩ／口
にする場合に、ガウス分布によれば走行時間０．５ｐｓ
が限界となり、それ以下ではトンネル効果流が生してし
まう、これに対して、ＢＯＸ分布によれば、ベース幅Ｗ
ｌをＩｏｎ−程度まで小さくでき、そのベース走行時間
τを０．２ｐｓまで小さくすることが可能になる。

なお、不純物濃度分布を第５図（ｂ）に示すような指数
分布にすると、コレクタ層に近づくにつれて濃度が急激
に低減するため、第３．４図の二点［１ｓで示すような
特性が得られ、ベース抵抗を５にΩ／口とする場合には
、ベース幅Ｗ＊　７５　ｎ−、ベース走行時間２．０ｐ
ｓ以下になるとトンネル電流が発生し、才た、ベース抵
抗をＩＯｋΩ／口にする場合には、ベース幅Ｗｍ３５ｒ
ｖ、ベース走行時間０．５ｐｓ以下になるとトンネル電
流が流れるために、ベース幅の縮小化には有効ではない
。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、バイポーラトランジ
スタのベース層における不純物濃度分布をガウス分布に
するればエミッタ層との接合面にトンネル電流が生じる
という場合に、その分布をＢＯＸ分布にして接合面近傍
の不純物濃度を低くするようにしたので、エミッタ層と
の接合面からコレクタ層との接合面にかけて不純物濃度
が一定となり、ガウス分布の場合に比べてベース抵抗が
低くなるために、エミッタ層との接合面の不純物濃度を
下げることが可能になり、その分だけベース幅を小さく
してキャリアのベース走行時間を短縮化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例装置の形成工程例を示す断
面図、 第２図は本発明の一実施例装置におけるベース層の不純
物濃度分布図、 第３図は、本発明の一実施例装置におけるベース幅とベ
ース走行時間との関係の第１の例を、従来との比較にお
いて示す特性図、 第４図は、本発明の一実施例装置におけるベース幅とベ
ース走行時間との関係の第２の例を、従来との比較にお
いて示す特性図、 第５図は、従来装置のベース層の不純物濃度分右図、 第６図は、従来装置の一例を示す断面図である。 （符号の説明） ｌ・・・埋込層、 ３・・・コレクタ層、 ７・・・シリコン膜、 Ｂ・・・ベース層、 Ｅ・・・エミッタ層。 富士通株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）不純物濃度分布をガウス分布にすればエミッタ層
   との接合面にトンネル電流が流れる厚さに形成されたベ
   ース層の不純物濃度を、ベース幅の方向に均一に分布し
   たバイポーラトランジスタを有することを特徴とする半
   導体装置。
2. （２）ベース幅が３０ｎｍ以下となるベース層の不純物
   濃度を、ベース幅の方向に均一に分布したバイポーラト
   ランジスタを有することを特徴とする半導体装置。