JPH0618206B2 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、化合物半導体等のヘテロ接合を利用したヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタの製造方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体装置は、高集積化、高速化に向けて、精力
的な研究開発が進められている。特に化合物半導体等の
ヘテロ接合を利用したバイポーラトランジスタ（以下、
ＨＢＴと称す）は、エミッタ注入効率が高く、高利得か
つ高速化が期待され、次世代の半導体素子として注目さ
れている。このＨＢＴは分子線エピタキシャル成長法、
有機金属熱分解気相成長法等による化合物半導体の薄膜
多層結晶成長技術の進展に伴い、その実現が可能となっ
た。

このＨＢＴにおいて、高速・高周波特性を表わす一つの
指標である最大発振周波数ｆ_max は次式で示される。

ここで、ｆ_Ｔは電流利得遮断周波数、Ｒ_Ｂはベース抵
抗、Ｃ_BCはトランジスタの真性領域のベース・コレクタ
接合容量、Ｃ_bcはトランジスタの外部ベース領域のベー
ス・コレクタ寄生容量、ｇ_ｍはトランジスタの相互コン
ダクタンス、Ｃ_BEはトランジスタの真性領域のベース・
エミッタ容量である。

上式から明らかなように、ＨＢＴの高速動作を実現する
一つの手段として、ベース・コレクタ接合容量Ｃ_BC、ベ
ース・コレクタ寄生容量Ｃ_bc、ベースエミッタ容量Ｃ_BE
あるいはベース抵抗Ｒ_Ｂを極力小さくする必要がある。
従来、この高速動作を実現するために、トランジスタの
真性領域を微細化することによって、ベース・コレクタ
接合容量Ｃ_BC及びベース・エミッタ容量Ｃ_BEを低減する
とともに、トランジスタの外部ベース領域に選択的に高
エネルギーで酸素あるいは水素イオンを注入し、ベース
・コレクタ接合物を半絶縁化することによりベース・コ
レクタ寄生容量Ｃ_bcを低減していた。更に、これらの手
法に加え、外部ベース領域に、ベース層と同じ導電型で
高濃度の不純物を有するベースコンタクト層をイオン注
入及び熱処理工程で形成し、外部ベース層のシート抵抗
の低減と、ベース電極とのコンタクト抵抗の低減を図る
ことによりベース抵抗Ｒ_Ｂを低減させていた。

第２図はヘテロ接合としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを用
いた従来のＨＢＴの断面図を示している。

半絶縁性基板２１上にｎ型ＧａＡｓから成るコレクタ層
２２、ｐ型ＧａＡｓから成るベース層２６、ｎ型ＡｌＧ
ａＡｓから成るエミッタ層２７が形成されている。この
エミッタ層２７直下のベース層２６及びコレクタ層２２
は、トランジスタの真性領域を構成し、実際のトランジ
スタ動作を担う。この真性領域の外部領域においては、
エミッタ層２７上に予め設けられたマスク（図示せず）
を利用して、基板の表面から選択的に酸素イオン及びｐ
型導電性を形成するドーパント（例えばＭｇ）を順次イ
オン注入し熱処理することにより、イオン注入絶縁層２
１１及びｐ型ＧａＡｓから成るベース・コンタクト層２
１２が形成されている。かかる構成により、真性領域の
外部領域における、ベース・コレクタ寄生接合容量Ｃ_bc
を低減すると共に、ベース・コンタクト層２１２のシー
ト抵抗の低減及びベース電極２９とのコンタクト抵抗の
低減を同時にはかり、ベース抵抗Ｒ_Ｂを低減させてい
た。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような従来のＨＢＴにおいて、トランジスタの真性
領域は、エミッタ層２７上に設けられていたマスクによ
って規定されるため、真性領域の微細化は、このマスク
を形成する際のリソグラフィ技術によって制限される。
即ち、現状のホトリソグラフィ技術においては１μｍ以
下、又、電子線リソグラフィ技術においても０．５μｍ
以下の微細なマスクを再現性良く形成するのは困難であ
る。従って、真性領域におけるベース・エミッタ容量及
びベース・コレクタ接合容量の低減には限界があった。

更に、イオン注入絶縁層２１１及びベース・コンタクト
層２１を形成するための、イオン注入工程及びそれにと
もなう熱処理工程は、ベース・コンタクト層２１２への
結晶欠陥の誘起、及びトランジスタの各層の不純物を隣
接する層に拡散させていた。即ち、ベース・コンタクト
層２１２の結晶欠陥は、キャリヤのトラップをもたら
し、充分なベース抵抗の低減を妨げていた。又、不純物
の拡散、特に、ベース層２６の不純物がエミッタ層２７
に拡散することによって、再結合電流の増加をもたら
し、エミッタ注入効率を大幅に低下させていた。しか
も、この様なイオン注入によっても、ベース・コンタク
ト層２１２とコレクタ層２２は依然、対向した構成であ
るため、ベース・コレクタ寄生容量Ｃ_bcは、高々３０％
乃至４０％程度しか低減することができなかった。

本発明の目的は、前記問題点を誘起するイオン注入工程
を必要とせず、真性領域におけるベース・エミッタ容量
及びベース・コレクタ接合容量、ベース抵抗、ベース・
コレクタ寄生容量を大幅に低減することのできるヘテロ
接合バイポーラトランジスタの製造方法を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法
は、半絶縁性半導体基板上に第１の半導体材料からなる
コレクタ層を形成する工程と、前記コレクタ層上に所定
パターンのマスク及びこのマスクの側面に第１の側壁を
形成する工程と、前記マスク及び前記第１の側壁を用い
て、前記コレクタ層の露出部の一部又は全てをエッチン
グしてスペーサ領域を区画する工程と、前記エッチング
面上に絶縁材料もしくは半絶縁性半導体材料からなるス
ペーサ層及びこのスペーサ層上に第２の半導体材料から
なるベースコントクタ層を順次エピタキシャル成長させ
て前記スペーサ領域を埋戻す工程と、前記第１の側壁を
エッチングし、前記コレクタ層を露出する工程と、前記
ベースコンタクト層及び前記コレクタ層の露出部に第３
の半導体材料からなるベース層及び第４の半導体材料か
らなるエミッタ層を順次エピタキシャル成長する工程
と、前記マスクの露出した側面に第２の側壁を形成する
工程と、前記マスク及び前記第２側壁を用いて、前記エ
ミッタ層の露出部を選択的にエッチング除去するか、も
しくは絶縁化する工程とを含んで構成される。

〔作 用〕

本発明においては、コレクタ層とベース層の接合領域及
びベース層とコレクタ層の接合領域は、それぞれ第１の
側壁及び第２の側壁によって規定されるため、この側壁
の厚みを薄く設定することによって、真性領域における
ベース・コレクタ接合容量Ｃ_BC及びベース・エミッタ容
量Ｃ_BEを大幅に低減できる。

更に、本発明では、外部ベース領域直下のコレクタ層を
エッチングし、このエッチングされた領域に、エピタキ
シャル成長によって、絶縁材料もしくは半絶縁性半導体
材料からなるスペーサ層が形成されているため、このス
ペーサ層の厚みに応じて、ベース・コレクタ寄生容量Ｃ
_bcの大幅な低減あるいは、コレクタ層をエッチングし、
半絶縁性半導体基板上に直接、スペーサ層を形成するこ
とによって、ベース・コレクタ寄生容量Ｃ_bcをほとんど
零とすることができる。

又、外部ベース領域は、第２図の半導体材料からなるベ
ース・コンタクト層をエピタキシャル成長法によって形
成しているため、ベース・コンタクト層をドーピング濃
度もしくは厚みを調整することによってベース抵抗を大
幅に低減できる。

しかも、これ等各層は、エピタキシャル成長法で形成し
ているため、イオン注入工程及びそれにともなう熱処理
工程を必要とせず、結晶欠陥の誘起及び不純物の拡散が
防止できる。

〔実施例〕

以下、本発明のｎｐｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴ
を例にして図面を用いて説明する。

第１図（ａ）乃至第１図（ｅ）は、本発明の一実施例を
製造工程順に説明するための素子断面図である。まず、
第１図（ａ）に示すように、ＧａＡｓから成る半絶縁性
基板１１上にドナー（例えばＳｉ）をドープしたｎ型Ｇ
ａＡｓから成るコレクタ層１２を厚さ０．５μｍ乃至
１．０μｍに分子線エピタキシャル成長法、あるいは有
機金属熱分解気相成長法等を用いて成長させた後、Ｓｉ
Ｏ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４等の絶縁体から成り、基板に対して略
垂直なエッチング断面を有する厚み１．０μｍ乃至２．
０μｍ程度のマスク１３を形成する。これは、例えば、
マスク１３がＳｉ_３Ｎ_４であれば、ＣＦ_４＋Ｏ_２の混合
ガスあるいはＳＦ_６ガス雰囲気の反応性イオンエッチン
グによる加工が実現できる。次に、マスク１３の側面に
マスク１３とは異なる材料からなる絶縁性の第１の側壁
１４を形成する。第１の側壁１４の形成は次の手順で行
われる。まず、化学気相成長法等の段差被覆性の良好な
成膜法を用いて、マスク１３がＳｉ_３Ｎ_４から構成され
ていれば、例えばＳｉＯ_２を基板全面に成膜する。次
に、ＣＦ_４ガス雰囲気中の反応性イオンエッチング等の
エッチング進行方向に異方性を有するエッチング法を用
いて、基板の平坦部に堆積されたＳｉＯ_２を選択的にエ
ッチング除去し、第１の側壁１４が形成される。

次に、第１図（ｂ）に示す様に、マスク１３及び第１の
側壁１４をマスクとして、コレクタ層１２をエッチング
してスペーサ領域を区画する。本実施例の場合、コレク
タ層１２の露出部を全てエッチングし半絶縁性基板１１
を露出させている。エッチング手段としては、略垂直な
エッチング断面が得られるＢＣｌ_３，Ｃｌ_２等の雰囲気
ガスによる反応性イオンエッチングあるいは反応性イオ
ンビームエッチングが好適である。その後、半絶縁性基
板１１を露出面に、半絶縁性基板１１と同じ材料で深い
エネルギー準位を形成するドナー不純物（例えば酸素）
もしくはアクセプタ不純物（例えばＣｒ，Ｆｅ）をドー
プすることにより半絶縁化したＧａＡｓからなるスペー
サ層１５を、次いで、このスペーサ層１５の上に、アク
セプタ（例えばＢｅ）を高濃度（例えば、４×１０¹⁹乃
至１０×１９¹⁹cm^-3）にドープしたｐ型ＧａＡｓから成
るベースコンタクト層１６をコレクタ層１２の上面に達
するまで、順次エピタキシャル成長してスペーサ領域を
埋戻す。これらスペーサ層１５及びベースコンタクト層
１６のエピタキシャル成長には、有機金属熱分解気相成
長法に代表される選択性の高い成長法が適している。

続いて、第１図（ｃ）に示す様に、第１の側壁１４を選
択的にエッチングし、コレクタ層１２を露出する。この
エッチングには、例えば第１の側壁１４がＳｉＯ_２、マ
スク１３がＳｉ_３Ｎ_４ならば、バッファードフッ酸が好
適である。その後、コレクタ層１２及びベースコンタク
ト層１６上にアクセプタ（例えばＢｅ）をドープしたｐ
型ＧａＡｓから成るベース層１７を厚さ数十ナノメータ
乃至数百ナノメータ程度、ドナー（例えばＳｉ）をドー
プしたｎ型ＡｌＧａＡｓ，ｎ型ＧａＡｓ及びｎ型ＩｎＧ
ａＡｓの積層体から成るエミッタ層１８を数百ナノメー
タの厚さに順次選択的にエピタキシャル成長する。この
時、マスク１３の側面が０．５μｍ乃至１．０μｍ程度
露出する様に、これら各層の厚みを設定する。

次に、第１図（ｄ）に示すように、マスク１３を露出し
た側面にエミッタ層１８とオーミック接触する金属（例
えばＷ，Ｍｏ等）から成る第２の側壁１１２を形成す
る。これは、第１の側壁１４の形成方法と同様に、有機
金属を原料とした化学気相成長法等の段差被覆性の良好
な成膜法を用いて、例えばＷを基板全面に成膜した後、
エッチング進行方向に異方性のあるエッチング法、例え
ばＣＦ_４ガス雰囲気中の反応性イオンエッチングを用い
て、基板の平坦部に堆積されたＷを選択的に除去するこ
とによって形成される。尚、第２の側壁１１２の厚みは
第１の側壁１４の厚みと同じに設定するのが望ましい。
この場合の第２の側壁１１２はエミッタ電極として機能
する。その後、マスク１３及び第２の側壁１１２をマス
クとして、エミッタ層１８の露出部をエッチング除去
し、ベース層１７を露出させる。従って、トランジスタ
の真性領域におけるベース層１７のエミッタ層１８の接
合領域は第２の側壁１１２の厚みで規定される。

次に、第１図（ｅ）に示す様に、周知の方法で、マスク
１３を部分的にエッチングして、コレクタ層１２の電極
を形成すべき所定領域を露出させ、ｎ型ＧａＡｓに対す
るオーミック接触性金属（例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ）か
ら成るコレクタ電極１０、及びｐ型ＧａＡｓに対するオ
ーミック接触性金属（例えば、ＡｕＺｎ，ＡｕＣｒ，Ａ
ｕＭｎ等）から成るベース電極１１１を形成してＨＢＴ
が完成する。

尚、本実施例では、スペーサ層１５に深いエネルギー準
位を形成するドナーもしくはアクセプタ不純物を含んだ
半絶縁性のＧａＡｓを用いているが、不純物をドープし
ていない真性半導体から成るＧａＡｓを用いても良い。
これは、室温において１０^８Ω．cm程度の固有抵抗を呈
する半絶縁材として機能する。又、フッ化カルシウム等
のＧａＡｓと格子整合し、エピタキシャル成長できる絶
縁材料をスペーサ層として用いても良い。

又、本実施例ではＷ，Ｍｏ等の金属からなる第２の側壁
１１２がエミッタ層１８とオーミック接触するために、
エミッタ層１８の最上層は、ｎ型ＩｎＧａＡｓで構成さ
れているが、ドナーを高濃度（例えば１×１０¹⁹cm^−３
以上）にドープしたｎ型ＧａＡｓを用いても良い。又、
第２の側壁１１２の他の形成方法として、蒸着あるいは
スパッタ法によって、エミッタ層とオーミック接触する
金属を成膜した後、ＳｉＯ_２等の絶縁性側壁を第１の側
壁と同様な方法で形成し、この絶縁性側壁をマスクとし
て、金属の露出部をエッチング除去しても良い。即ち、
この場合の第２の側壁１１２は、エミッタ電極と絶縁性
側壁の２層構造となる。

更に、本実施例では、第２の側壁１１２をマスクとし
て、露出したエミッタ層１８をエッチング除去すること
によって、ベース層１７とエミッタ層１８の接合領域を
規定しているが、第２の側壁１１２をマスクとして、露
出したエミッタ層１８に選択的に水素，酸素等をイオン
注入し、エミッタ層１８を絶縁化しても良い。

〔発明の効果〕

以上、説明した様に本発明では、トラジスタの真性領域
におけるベース・コレクタの接合面積及びベース・エミ
ッタの接合面積は、それぞれ第１の側壁及び第２の側壁
の厚みによって規定されるため、サブミクロンオーダあ
るいはサブクオーターミクロンオーダの接合領域を容易
に形成できる。

又、外部ベース領域においては、半絶縁性基板上に絶縁
材料もしくは半絶縁性半導体材料からなるスペーサ層が
形成できるため、ベース層あるいはベースコンタクト層
とコレクタ層が直接接触しない若しくは対向しない構成
とすることができる。又、このベース・コンタクト層は
エピタキシャル成長で形成しているため、高濃度かつ充
分な厚みに設定できる。

従って、本発明では、ベース抵抗、ベース・コレクタ寄
生容量及びトランジスタの真性領域におけるベース・エ
ミッタ容量及びベース・コレクタ接合容量を大幅に低減
することができるため、ＨＢＴの動作周波数を大きく向
上できる。

しかも、イオン注入及びそれに伴う熱処理工程を必要と
しないため、不純物拡散によるエミッタ注入効率の低下
を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の製造方法の一実施例を
工程順に説明するための素子の断面図、第２図は従来の
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの一例を示す断面図
である。 １１，２１……半絶縁性基板、１２，２２……コレクタ
層、１３……マスク、１４……第１の側壁、１５……ス
ペーサ層、１６，２１２……ベース・コンタクト層、１
７，１５……ベース層、１８，２７……エミッタ層、２
８……エミッタ電極、１１０，２１０……コレクタ電
極、１１１，２９……ベース電極、１１２……第２の側
壁、２１１……イオン注入絶縁層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半絶縁性半導体基板上に第１の半導体材料
   からなるコレクタ層を形成する工程と、前記コレクタ層
   上に所定パターンのマスク及びこのマスクの側面に第１
   の側壁を形成する工程と、前記マスク及び前記第１の側
   壁を用いて、前記コレクタ層の露出部の一部又は全てを
   エッチングしてスペーサ領域を区画する工程と、前記エ
   ッチング面上に絶縁材料もしくは半絶縁性半導体材料か
   らなるスペーサ層及びこのスペーサ層上に第２の半導体
   材料からなるベースコントクタ層を順次エピタキシャル
   成長させて前記スペーサ領域を埋戻す工程と、前記第１
   の側壁をエッチングし、前記コレクタ層を露出する工程
   と、前記ベースコンタクト層及び前記コレクタ層の露出
   部に第３の半導体材料からなるベース層及び第４の半導
   体材料からなるエミッタ層を順次エピタキシャル成長す
   る工程と、前記マスクの露出した側面に第２の側壁を形
   成する工程と、前記マスク及び前記第２の側壁を用い
   て、前記エミッタ層の露出部を選択的にエッチング除去
   するか、もしくは絶縁化する工程とを含むことを特徴と
   するヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
2. 【請求項２】少なくとも第２の側壁のエミッタ層と接触
   する面が、前記エミッタ層とオーミック接触する金属で
   構成されている特許請求の範囲第(1) 項記載のヘテロ接
   合バイポーラトランジスタの製造方法。