JPH063807B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JPH063807B2
JPH063807B2 JP61053171A JP5317186A JPH063807B2 JP H063807 B2 JPH063807 B2 JP H063807B2 JP 61053171 A JP61053171 A JP 61053171A JP 5317186 A JP5317186 A JP 5317186A JP H063807 B2 JPH063807 B2 JP H063807B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置およびその製造方法、特にシリコ
ンバイポーラトランジスタおよびその製造方法に関する
ものである。
〔従来の技術〕
バイポーラトランジスタの高速化・微細化のためには、
エミッタ領域にベース層よりバンドギャップの広い材料
を用いる、いわゆるワイドギャップエミッタ構造が注入
効率の増加をもたらすため有効であることが良く知られ
ている。
シリコンバイポーラトランジスタにおいてはワイドギャ
ップエミッタ材料として酸素ドープ単結晶膜(SIPO
S)が有名である(松下著,半導体研究18巻7頁〜5
0頁,工業調査会発行,半導体研究振興会編)。
また、シリコン分子線エピタキシャル(MBE)成長に
おいて10-6〜10-5Torrの酸素雰囲気下で基板温度を67
0゜C付近に保って成長を行うと20〜30at%の酸素原子を
含んだ単結晶シリコン膜が形成されることが既に報告さ
れている。この酸素ドープシリコン単結晶膜(以下OX
SISと称する)は、前述したSIPOSと同様にシリ
コンより広いバンドギャップをもつことから、シリコン
バイポーラトランジスタにおいてワイドギャップエミッ
タ材料としての利用が期待できる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、前者のSIPOSは多結晶であるために単結晶
シリコンから成るベース部との接合部に界面準位が多く
存在してしまい、その準位を介する生成再結合電流のた
め十分な注入効率の増大が得られない。また多結晶であ
るため結晶粒界でのキャリアの散乱が激しく低い抵抗が
得られないといった欠点があった。
一方、後者のOXSISは、ベースとの接合が単結晶同
士の接合であるため界面準位が少なく高いエミッタ注入
効率が得られ、また、多結晶と比べて結晶の乱れによる
キャリアの散乱が小さく膜自体としては低い抵抗を得る
ことができる。しかし、OXSISは大気中に放置する
と表面から酸素が多量に侵入し、単結晶シリコンの場合
(10〜20Å)よりもはるかに厚い自然酸化膜(50
〜100Å)が形成されてしまうことが明らかとなっ
た。エミッタ電極としては、エミッタの上に直接蒸着に
よってAlなどの金属を形成する場合と気相成長による多
結晶シリコン層を介して金属層を形成する場合がある
が、いずれの場合もエミッタ形成後一旦大気中に試料を
取り出す必要がある。したがって、OXSIS膜をエミ
ッタとして用いるとエミッタとエミッタ電極との界面に
厚い自然酸化膜が形成され、エミッタの直列抵抗を著し
く大きくするという欠点があった。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の半導体装置は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、シリコンバイポーラトランジスタにおいて、エ
ミッタ層が、エピタキシャル成長によって形成された酸
素ドープシリコン単結晶層を最下層とし、エピタキシャ
ル成長によって形成されたシリコン単結晶層を最上層と
する多層構造となっているものである。
また、本発明の製造方法は、ベース層の上部に酸素ドー
プシリコン単結晶層をエピタキシャル成長させる工程
と、大気中に取り出すことなく前記酸素ドープシリコン
単結晶上に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させる
工程によってエミッタ層を形成するものである。
〔作用〕
SIPOSを用いたワイドギャップエミッタ構造と比較
すると、ベースと接合する下層の膜が単結晶であるた
め、ベースとの接合部で界面準位が少なく抵抗も低い。
また、エミッタ電極を形成する際にエミッタが大気中に
曝されるが、エミッタを構成する上層の単結晶シリコン
が酸素の侵入を防ぐ役目を果たすため自然酸化膜による
高抵抗層が形成されない。
〔実施例〕
以下、実施例と共に本発明を詳細に説明する。
第1図は本発明の一実施例を示す断面構造図であり、従
来構造のnpnトランジスタを基本にしてエミッタ構造に
特徴を持たせた例を示す。1はp型基板、2はn+コレク
タ埋め込み層、3はnコレクタ層、4はp+ベース補償領
域、5はpベース層、6はエミッタの一部である酸素ド
ープシリコン単結晶層、7は同じくエミッタの一部であ
るn+シリコン単結晶層、8はA1などの金属あるいはn+
結晶シリコンから成るエミッタ引き出し電極、9はA1な
どの金属あるいはp+多結晶シリコンから成るベース引き
出し電極、10はsio2などの分離用絶縁物である。ただ
し、本実施例に用いられている酸素ドープシリコン単結
晶層6は、前述したOXSISよりも低温(400〜6
00゜C)で形成したものであり、以後これをLOXSI
Sと呼ぶ。なお、LOXSIS層の形成方法は後述す
る。
第2図は、第1図のエミッタ近傍の拡大図であって、6
aは絶縁物10の近傍の酸素ドープシリコン膜の多結晶
化された領域、7aは6a上のSi膜の多結晶化された領域
である。
このような構造になっているから、ベース5とエミッタ
の一部であるLOXSIS層6との接合部は同じ結晶構
造を持った単結晶同士の接合となり界面準位密度は極め
て低い。また、LOXSISは数at%以上の酸素含有量
を有するからシリコンに比べて広いバンドギャップを持
ち、ベース5からLOXSIS層6側への正孔の注入が
抑制され、高いエミッタ注入効率ひいては高い電流増幅
率hFEが得られる。LOXSISはバンドギャップが約
8eVのsio2に比べれば酸素含有量が少なく従ってバン
ドギャップも小さい。しかし、数at%以上の酸素含有量
を有すれば、シリコンのバンドギャップ1.11eVに比べて
数十meV以上広いバンドギャップを持つことができ十分
高いエミッタ注入効率を得ることができる。
また、トランジスタの動作速度を小さくさせ発熱量を増
加させるエミッタ抵抗はできる限り小さいことが必要で
あるが、本構造ではLOXSIS層6が単結晶であると
いうことと、層7の単結晶シリコンキャップによりLO
XSIS層6の表面における高抵抗層の形成を防止でき
るということから、エミッタ抵抗を十分に小さくするこ
とができる。電極8を形成する時に単結晶シリコンキャ
ップ7の表面には極めて薄い(20Å程度)自然酸化膜
が形成されるが、これはキャップ(シリコン単結晶層
7)無しの場合にLOXSIS膜6の表面に形成される
酸化膜よりはるかに薄く、エミッタ抵抗をトランジスタ
動作上十分小さい値に保つことができる。
なお、第2図において、6aおよび7aの多結晶或は非晶
質絶縁物10の影響により形成されるものであるが、ベ
ース5との接合部には広がっておらず界面準位の増大は
生じない。また、大部分のエミッタ電極はLOXSIS
層6および単結晶シリコン層7の中央部である低抵抗部
を流れるので多結晶領域6a,7aはエミッタ抵抗の増大
にはほとんど寄与しない。
第3図は本発明の第2の実施例を示す断面構成図であ
り、微細且つ高速動作が可能なnpn型のSSTトランジ
スタ構造(酒井他著,IEDM「インターナショナル
エレクトロデバイシス ミーティング」テクニカル ダ
イジェスト,1985年2.1)を基本にした例であ
る。同図において符号1〜10は第1図と同じであり、
符号6a,7aは第2と同じである。8aはn+多結晶シリ
コン、11はp+多結晶シリコン、12はSi3N4膜であ
る。エミッタ部分の特徴は第1の実施例と同一である
が、トランジスタ全体としては高速動作が可能なSST
トランジスタを基本としているので第1の実施例よりさ
らに高速動作が可能である。
このように、本発明を特徴づけているエミッタ構造は種
々のタイプのシリコンバイポーラトランジスタに適用す
ることができ、上記2つの実施例以外にもメサ型構造の
トランジスタなどにも適用できる。また、第1図〜第3
図はLOXSIS層6とベース5との接合面がちょうど
n+p接合面と一致する場合を示したが、n+不純物が熱放
散拡散などによってわずかに下方に(ベース5側に)押
し込まれても同様の効果を期待することができる。
第4図は上記第1および第2の実施例におけるエミッタ
部分の製造工程を説明するための図である。同図のおけ
る符号1〜7は第1図の符号と同一部分を示している。
本例では分子線成長(MBE)法を用い、まず第4図
(a)のように高真空中で800〜900゜Cに基板加熱し
てベース層表面を清浄化する。続いて同図(b)のように
1000Å前後のLOXSIS膜6を堆積する。このと
きの成長条件は、成長室に導入したOガス分圧として
約10-6Torr、基板温度として400〜600゜C、シリコ
ンの蒸着速度として約1Å/secを用いる。その後、本試
料を大気中に取り出すことなく、Oガスを系外に排気
した後、例えば上記基板温度(400〜600゜C)で単
結晶シリコン膜7を約100〜200Å成長させる(同
図(c))。このLOXSIS膜6と単結晶シリコン膜7
から成る二層膜をn+にするには、成長中にアンチモンな
どn型不純物を分子線ドーピングまたはイオンドーピン
グするか、あるいは成長後さらに上部に堆積した多結晶
シリコンn型不純物をイオン注入し、その多結晶シリコ
ンを拡散源として熱拡散によってドーピングする等すれ
ばよい。
このように、本製造方法ではLOXSIS膜6を形成
後、同一装置内で単結晶シリコンのキャップ7を形成す
るため、このあと試料を大気中に取り出して電極形成な
どの工程を行っても単結晶シリコンキャップの表面がわ
ずかに酸化されるのみでキャップ無しの場合に生じるL
OXSIS膜表面の50Å以上の厚い酸化層の形成を防
止することができる。
なお、本実施例では酸素ドープシリコン単結晶膜6とし
て界面準位密度および抵抗値がOXSISよりもさらに
低いLOXSIS膜を用いているが、OXSIS膜で代
用してもよい。LOXSISの方がOXSISよりも界
面準位密度および抵抗値が低いのは主として膜の成長温
度が低いことに基づく。すなわち、LOXSIS膜の成
長温度は400〜600゜Cであるから、670゜C前後で
成長させていたOXSIS膜に比べてSiOの気化反応
が抑制され、SiOに基づいて膜中に形成される空孔の
数を大幅に減少させることができる。さらに具体的に説
明すると、OXSIS膜の形成のように670゜C前後の
高い成長温度では、成長中のシリコン膜に酸素原子が取
り込まれると同時に、表面のシリコン原子が近傍に付着
した酸素原子と揮発性のSiO分子を形成し蒸発してい
く現象が生じるのに対し、LOXSIS膜の形成では成
長温度が比較的低温であるためSiO分子が形成されに
くいのである。空孔を減少させて緻密な膜とすることが
できれば、ベースとの接合面での界面準位も減少させる
ことができ、抵抗も低く抑えることができる。
なお、本実施例では膜堆積法としてMBE法を用いた
が、SiH4,Si2H6,SiH2Cl2,SiCl4などを利用したCV
D法を用いてもよい。
また、最上層が単結晶シリコン膜であれば、下層が酸素
ドープシリコン単結晶と単結晶シリコンからなる多層構
造であっても良い。たとえば、酸素ドープシリコン単結
晶層の中間に単結晶シリコン層を挿入すると良好な単結
性の酸素ドープシリコン単結晶層を形成し易くなる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明の半導体装置およびその製造
方法によれば、エミッタに酸素ドープシリコン単結晶層
を用いているので、酸素ドープシリコン多結晶層を用い
た場合に比べてベースとの接合部の界面準位が少なく大
きな注入効率を得ることができ、また、キャリアの散乱
が小さいので抵抗を低くすることができる。さらに、エ
ミッタ構造が酸素ドープシリコン多結晶層の上に単結晶
シリコンキャップ層を配した多層構造となっているの
で、エミッタ電極形成時に酸素ドープシリコン単結晶膜
表面に自然酸化膜による高抵抗層が形成されることがな
く、エミッタ直列抵抗を非常に低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す断面構成図、第2図は
第1図のエミッタ近傍の拡大図、第3図は本発明の第2
の実施例を示す断面構成図、第4図は本発明の製造方法
の説明図である。 1…p型基板、2…n+コレクタ層、3…nコレクタ層、4
…p+ベース層、5…pベース層、6…n+LOXSIS
層、7…n+シリコン単結晶層、8…エミッタ引き出し電
極、9…ベース引き出し電極、10…分離用絶縁物。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】単結晶シリコンから成るコレクタ層の上の
    単結晶シリコンから成るベース層の上部に位置するエミ
    ッタ層が、エピタキシャル成長によって形成された酸素
    ドープシリコン単結晶層を最下層とし、エピタキシャル
    成長によって形成されたシリコン単結晶層を最上層とす
    る多層構造となっていることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】単結晶シリコンから成るコレクタ層の上の
    単結晶シリコンから成るベース層の上部にエミッタ層を
    形成する半導体装置の製造方法において、酸素ドープシ
    リコン単結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、大
    気中に取り出すことなく前記酸素ドープシリコン単結晶
    上に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させる工程に
    よってエミッタ層を形成することを特徴とする半導体装
    置の製造方法。
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