JPH0618207B2 - 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、Ｈ
ＢＴ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・コレクタ寄生容量である。

この(1) 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
し、ベース・コレクタ接合容量Ｃ_BCを低減するとともに
トランジスタが構成される基板に対し、基板の表面側か
ら外部ベース領域に選択的に高エネルギーで酸素イオン
を注入し、ベース・コレクタ接合部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、これらに加え外部ベース領域に、そのベース層と
同じ導電型を形成するドーパントをイオン注入し、その
後の熱処理によりドーパントを活性化して、外部ベース
層のシート抵抗の低減と、その後に形成されるベース電
極とのコンタクト抵抗の低減と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チップ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の直下のベース層２６及びコレクタ層２
２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、基板の表面からエミッタ層２７上に予め設けられた
マスク（図示せず）を利用して選択的に酸素イオン及び
ｐ型の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２１１及びｐ型ＧａＡｓから成るベースコンタクト層
２１２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
抵抗の低減とベース電極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においては、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１μ
ｍ以下、又、電子線リソグラフィ技術においても０．５
μｍ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・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
２１２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２１
２の結晶欠陥は、キャリア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・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前記マスクの側面に絶縁性側壁を
形成する工程と、前記マスク及び前記絶縁性側壁を用い
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
する工程と、前記エッチング面に、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，更にこのスペー
サ層上に第２の半導体材料からなるベースコントクト層
を順次エピタキシャル成長する工程と、前記絶縁性側壁
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
とを含んで構成される。

〔作用〕

本発明においては、真性領域におけるコレクタ層とベー
ス層の接合領域は、絶縁性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、ベー
ス・コレクタ接合容量Ｃ_BC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、コレクタ層を全てエッチング
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・コンタクト層のドーピング濃度
もしくは厚みを調整することにより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、本発明を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(ｄ)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１
１上に、ドナー（例えばＳｉ）をトープしたｎ型ＧａＡ
ｓから成るコレクタ層１２を厚さ０．５μｍ乃至１．０
μｍ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、ＳｉＯ_２，Ｓ
ｉ_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マスク１３を形成する。これは、
マスク１３としてＳｉ_３Ｎ_４を用いた場合、ＣＦ_４＋Ｏ
_２の混合ガスあるいはＳＦ_６ガス雰囲気中の反応性イオ
ンエッチングによる加工で実現される。次に、マスク１
３の側面に、マスク１３とは異なる材料から成る絶縁性
側壁１４を形成する。絶縁性側壁１４の形成は次の手順
で行なわれる。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ガス雰囲気中における反応性イオンエ
ッチング等を用いて、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て、絶縁性側壁１４が形
成される。

次に、第１図(ｂ)に示す様に、マスク１３を用いてコレ
クタ層１２をエッチング除去し、半絶縁性基板１１を露
出させる。エッチング手段としてはほぼ垂直なエッチン
グ断面が得られるＢＣｌ_３ガス，Ｃｌ_２ガス等の雰囲気
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。

次に第１図(ｂ)に示す様に、マスク１３及び絶縁性側壁
１４をマスクとして、コレクタ層１２をエッチングす
る。本実施例の場合、コレクタ層１２の露出部を全てエ
ッチング除去し半絶縁性基板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ガス，Ｃｌ_２ガス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の露出
した領域に、半絶縁性基板１１と同じ材料で、深いエネ
ルギー順位のドナ不純物（例えば酸素）もしくは深いエ
ネルギー順位のアクセプ不純物（例えばＣｒ，Ｆｅ）を
ドープすることにより半絶縁化したＧａＡｓを、コレク
タ層１２の上面に達するまでエピタキシャル成長し、ス
ペーサ層１５を形成する。更にこのスペーサ層１５の上
に、アクセプタ（例えばＢｅ）を高濃度（例えば４×１
０¹⁹乃至１０×１０¹⁹cm^−３）にドープしたｐ型ＧａＡ
ｓから成るベースコンタクト層１６をエピタキシャル成
長する。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、絶縁性側壁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、絶縁性側壁１４がＳｉＯ_２、マ
スク１３がＳｉ_３Ｎ_４ならば、バッファードフツ酸が好
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。

次に、第１図(ｄ)に示すように、周知の方法で、マスク
１３及びエミッタ層１８を部分的にエッチングしてコレ
クタ層１２及びベース層１７上の電極を形成すべき所定
領域を露出し、ｎ型ＧａＡｓに対するオーミック接触性
金属（例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ）から成るエミッタ電極１
９及びコレクタ電極１１０、並びにｐ型ＧａＡｓに対す
るオーミック接触性金属（例えばＡｕＺｎ，ＡｕＣｒ，
ＡｕＭｎ等）から成るベース電極１１１を形成してＨＢ
Ｔが完成する。

尚、本実施例では、スペーサ層１５に深いエネルギー順
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１０^８［Ω・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よい。

〔発明の効果〕

以上説明した様に本発明では、トランジスタの真性領域
におけるコレクタ層とベース層の接合領域は、絶縁性側
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、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・コ
レクタ接合容量を大幅に低減することができるため、Ｈ
ＢＴ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)〜(ｄ)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……絶縁性側壁、１５……ス
ペーサ層、１６，２１２……ベースコンタクト層、１
７，２６……ベース層、１８，２７……エミッタ層、１
９，２８……エミッタ電極、１１０，２１０……コレク
タ電極、１１１，２９……ベース電極、２１１……イオ
ン注入絶縁層。

Claims (1)

【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前記マスクの側面に絶縁
   性側壁を形成する工程と、前記マスク及び前記絶縁性側
   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
   ッチングする工程と、前記エッチング面に、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，更にこ
   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
   タクト層を順次エピタキシャル成長する工程と，前記絶
   縁性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。