JPH07118480B2 - ヘテロ接合トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
ヘテロ接合トランジスタ及びその製造方法Info
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Description
及びその製造方法に関し、特にヘテロ接合バイポーラト
ランジスタについて、傾斜したバンドギヤツプエミツタ
領域を有するバイポーラトランジスタに適用して好適な
ものである。
路、通信システム及びマイクロ波デバイスにおいて重要
な構成部分である。バイポーラトランジスタは本来エミ
ツタ領域、ベース領域及びコレクタ領域という3つの領
域を有する3端子デバイスであり、エミツタ領域及びコ
レクタ領域は同一の伝導形式からなり、ベース領域は他
の伝導形式からなる。
ンジスタの性能を改善するために多くの試みがなされて
来た。これらの試みのいくつかはエミツタからベースへ
の少数キヤリアの注入効率を改善することによつて電流
利得を増大させることに関心が集中した。これを達成す
るために広いバンドギヤツプトランジスタが製造され、
このトランジスタにおいてはエミツタのバンドギヤツプ
はベースのバンドギヤツプよりも幅が広い。広いバンド
ギヤツプトランジスタにつていは多数の出版物及び特許
において説明されており、これらには1957年、IRE会
報、「トランジスタにおける広いギヤツプをもつエミツ
タに関する理論」1535頁、米国特許第 2,569,347号及び
米国特許第 4,716,445号がある。
らなるベース領域を有するヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタ」においては広いバンドギヤツプをもつヘテロ接
合バイポーラトランジスタが説明されている。このトラ
ンジスタはガリウムヒ素からなるコレクタ領域、ゲルマ
ニウムからなるベース領域並びにシリコン及びゲルマニ
ウムの混晶からなる半導体層を有するエミツタ領域を含
む。この混晶半導体層はゲルマニウム内にシリコンが均
一に分布しているか又はシリコンが傾斜して分布してい
る。シリコンが傾斜して分布している場合、シリコンの
含有量はベース領域及びエミツタ領域間のインタフエー
スからの距離に従つて増大する。シリコンがエミツタ領
域に添加されることにより、エミツタ領域のバンドギヤ
ツプが増大するのでエミツタ領域のバンドギヤツプはベ
ース領域のバンドギヤツプより大きくなる。上述のよう
な広いバンドギヤツプをもつトランジスタ構造及びゲル
マニウムにおける電子の移動度は大きいという事実から
トランジスタの性能は向上する。
改善するために例えばトランジスタにおけるベース領域
の幅を狭くし、かつ一定のベース幅におけるベース走行
時間を低減させることに多くの試みが集中した。例えば
ベース領域の幅を狭くし、かつベース走行時間を低減さ
せるために、傾斜したシリコン/ゲルマニウムベースを
有するバイポーラトランジスタが製造される。シリコン
/ゲルマニウムベースはN- 形コレクタ上にエピタキシ
に成長され、このN- 形コレクタはシリコン基板上に形
成される。次にエミツタ領域がベース領域上に形成され
る。エミツタ領域を形成するために窓が開口されてポリ
シリコンが堆積される。このポリシリコンは例えばヒ素
のようなN- 形ドーパントにより高濃度にドープされ
る。例えばヒ素はポリシリコン内に注入されて高温アニ
ールサイクル(例えば 850〔℃〕で15分間)を用いてポ
リシリコン、エミタツのポリシリコン/シリコンインタ
フエースを介してベース内にヒ素を拡散する。このプロ
セスにより厚さ約 600〔Å〕のベースを形成することが
できる。
ベースを製造することができるかに限界がある。このよ
うな限界があるのは高温アニールサイクルによりベース
内の例えばホウ素のようなP- 形ドーパントが拡散し、
これによつてベースの幅が増大するからである。従つて
エミツタが形成されてポリシリコンによつてコンタクト
されたとき如何に薄いベースを製造することができるか
に関しては限界がある。
造するためにポリシリコンエミツタ接触部を除去し、金
属によつてコンタクトされた単結晶エミツタを用いるこ
とが提案された。しかしながら単結晶エミツタに関連す
る問題は、適当な電流利得を得るために単結晶エミツタ
は 300〔Å〕よりも厚い(例えば 2,000〔Å〕)エミツ
タを有するのでエミツタの電荷蓄積量が非常に大きくな
り、これによりデバイスの動作速度が遅くなることであ
る。
タを有するトランジスタが必要となる。またデバイスの
性能を増大させる必要がある。さらにデバイスにおける
ベース領域の幅を狭くする必要がある。
により、傾斜したエミツタバンドギヤツプを有するヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタを提供して新たな利点を
提供する。
め本発明においては、第1の伝導形式からなる第1の領
域602、604、702、704と、第1の領域60
2、604、702、704上に形成された第2の伝導
形式からなる第2の領域606、706と、第2の領域
606、706上に形成され、第2の領域606、70
6からの距離が遠くなるに従つて狭くなるバンドギヤツ
プを有する第1の伝導形式からなる第3の領域608、
707とを設けるようにする。
第1の領域、第1の領域上に形成された第2の伝導形式
からなる第2の領域及び第2の領域上に形成された第1
の伝導形式からなる第3の領域を有するヘテロ接合トラ
ンジスタが提供される。この第3の領域は第2の領域か
らの距離が遠くなるに従つて狭くなるバンドギヤツプを
有する。
第1の領域、第1の領域上に形成された第2の伝導形式
からなる第2の領域及び第2の領域上に形成された第1
の伝導形式からなる第3の領域を含むヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタが提供される。この第3の領域は接触
部を有し、第2の領域及び第3の領域は接合部を定義す
る。第2の領域及び第3の領域はそれぞれ第1のバンド
ギヤツプ及び第2のバンドギヤツプを有し、接合部にお
ける第2のバンドギヤツプは接触部における第1のバン
ドギヤツプよりも狭い。
ンジスタのエミツタ領域における電荷蓄積量を減少させ
る方法が提供される。この方法はエミツタ領域のバンド
ギヤツプを傾斜させるステツプを含み、これによりエミ
ツタ接触部への距離が近くなるに従つてバンドギヤツプ
は狭くなる。特定の実施例においてはエミツタ領域に対
するゲルマニウムの量を増加させることによつてエミツ
タのバンドギヤツプを傾斜させる。
する。
ーラトランジスタの製造が望まれており、これは一段と
薄いベースがこうした設計により製造され、これによつ
てトランジスタの遮断周波数の性能を改善するからであ
る。しかしながら単結晶エミツタの1つの欠点はエミツ
タを一段と薄くなり、ベース電流を一段と増加し、電流
利得が一段と低くなることである。かくして例えばエミ
ツタの厚さが約 300〔Å〕以下である場合、ベース電流
は非常に大きくなり、電流利得は許容できないほど低く
なる(周知のように電流利得=コレクタ電流÷ベース電
流であり、好適な電流利得は約 100である)。従つてベ
ース電流を低下させるためには例えば2000〔Å〕の厚い
単結晶エミツタを形成する。しかしながら一段と厚いエ
ミツタはエミツタにおける電荷の蓄積量が増大するとい
う他の問題が生じる。電荷の蓄積量が増加するに従つて
遮断周波数(fT )は低下し、デバイスの性能が低下す
る。かくして単結晶エミツタ内におけるエミツタ電荷蓄
積量を減少させることが重要となる。本発明の原理によ
るとエミツタ電荷蓄積量は単結晶エミツタのバンドギヤ
ツプを傾斜させることによつて減少する。
略を示す。図示のようにこのバイポーラトランジスタは
エミツタ接触部102、単結晶エミツタ領域104、ベ
ース領域106及びコレクタ領域108を含む(これら
の各領域は当分野においては周知である。さらにエミツ
タ領域及びベース領域内には準中性領域(図示せず)が
あり、この準中性領域内には垂直方向に静電電界が全く
ないことは当業者には周知のことである)。好適な実施
例においてエミツタ接触部102、例えば金属エミツタ
領域104の厚さは約2000〔Å〕であり、シリコン/ゲ
ルマニウム合金から製造される。特に本発明の原理によ
るとエミツタの準中性領域におけるバンドギヤツプは例
えば図1に示すようなゲルマニウムプロフアイルを用い
ることによつて傾斜される。例えばゲルマニウムプロフ
アイルは約0〔%〕から始まり、ベース領域からの距離
が増大するに従つて増加して20〔%〕まで増加する。こ
のようにバンドギヤツプが傾斜すると少数キヤリアをエ
ミツタ接触部の方向に移動させる準電界が生じ、これに
よつてエミツタの電荷蓄積量は減少する。しかしながら
ゲルマニウムがエミツタ領域に添加されると、ベース電
流は増大し、かくして電流利得は80以下まで低下し、こ
れによつてデバイスの性能が低下する。
まで回復させるために、ベース領域106にもゲルマニ
ウムが添加される。好適な実施例においてベースの厚さ
は約250〔Å〕であり、傾斜したゲルマニウムのプロフ
アイル200(図2)がベース領域に添加される。図2
に示すように例えばベース内のゲルマニウムプロフアイ
ルは約5〔%〕から始まつてコレクタ領域に近づくに従
つて増加して23〔%〕まで増加する。ベース内における
この傾斜は所与のエミツタ−ベース間電圧におけるコレ
クタ電流を増加させ、これにより電流利得が増大する。
かくしてエミツタ及びベースの準中性領域と関連するこ
の傾斜プロフアイルにより、電流利得を例えば約80のま
まにすることができる。さらにエミツタ内におけるゲル
マニウムの傾斜プロフアイル0〜20〔%〕及びベース内
におけるゲルマニウムの傾斜プロフアイル5〜23〔%〕
を取り入れて図3に同時に示すと、遮断周波数は約 116
〔GHz 〕を示し、エミツタの電荷蓄積時間(τe)は約
0.23を示す。これはエミツタ及び0〜15〔%〕のゲルマ
ニウム傾斜ベース内にゲルマニウムが全くない場合に達
成される周波数75〔GHz 〕の1.55倍だけ遮断周波数が増
加したことであり、遮断周波数に対するエミツタの電荷
蓄積時間の相対的な寄与度が40〔%〕から16〔%〕に低
下することである(注意すべきはこのシミユレーシヨン
においてエミツタは濃度1×1019〔cm-3〕のヒ素により
ドープされ、ベースは厚さ 250〔Å〕で単位面積当たり
のシート抵抗が10〔KΩ〕の真性ベースである。
タの準中性領域におけるゲルマニウムの傾斜プロフアイ
ルを配置した結果、エミツタ−ベース接合部404から
の距離が遠くなり、かつエミツタ接触部102への距離
が近くなるに従つてエミツタバンドギヤツプ402は狭
くなる(周知のようにEcはコンダクタンス、Evは価
電子帯を表す)。例えばエミツタのバンドギヤツプは図
4にΔEgeとして示すように0.15〔eV〕(電子ボル
ト)だけ減少する。バンドギヤツプがこのように狭くな
るとキヤリアを金属エミツタ接触部102の方向に掃引
する準電界が生成され、これによつてエミツタ内の電荷
蓄積量が減少する。このような設計の場合、少数キヤリ
アはエミツタから無理に押しやられる。さらにこのバン
ドギヤツプが可能なかぎり狭くなると金属接触部の抵抗
が低減し、かくしてエミツタ抵抗は一段と低下する。さ
らに上述のようにベースを傾斜させることよつてベース
のバンドギヤツプ406はエミツタ−ベース接合部から
の距離か遠くなり、かつベース−コレクタ接合部(図示
せず)への距離が近くなるに従つて狭くなる。例えばベ
ースのバンドギヤツプはΔEgBとして示すように0.17
〔eV〕だけ減少する。
けるエミツタのバンドギヤツプはエミツタ−ベース接合
部404におけるベースのバンドギヤツプより狭い。例
えば図5に示すようにエミツタのバンドギヤツプはエミ
ツタ接触部102においては0.95〔eV〕であるが、エ
ミツタ−ベース接合部404におけるベースのバンドギ
ヤツプは1.06〔eV〕である。上述のように本発明の原
理によるとゲルマニウムによりエミツタのバンドギヤツ
プを傾斜させることによつてエミツタのバンドギヤツプ
を狭くする。またエミツタのドーパントプロフアイルを
傾斜させることによつてエミツタのバンドギヤツプを狭
くすることができる(しかしながらシリコン結晶内にゲ
ルマニウムを混ぜることによりバンドギヤツプを狭くす
ることは一段と効果的であり好適なものである)。これ
はエミツタ接触部への距離が近くなるに従つてエミツタ
内のドーパント濃度を増加させることによつて達成され
る。バンドギヤツプを傾斜させると共にドーパントを傾
斜させることによつて、特に高濃度ドーパントが用いら
れたときバンドギヤツプの傾斜は大きくなる。
ができるデバイスの一例である。図6において伝導形式
がp形のシリコン基板600上に厚さ10,000〔Å〕のN
+ シリコン層602が形成され、ヒ素により高濃度にド
ープされる。N+ シリコン層602上には厚さ 4,000
〔Å〕で不純物濃度1×1016cm-3のヒ素をもつN- シリ
コン層604がエピタキシによつて形成される。N+ シ
リコン層602及びN-シリコン層604がコレクタ領
域108(図1)を形成する。N- シリコン層604が
形成されるとデバイス間に深いトレンチアイソレーシヨ
ン(図示せず)が形成される。次にpシリコン/ゲルマ
ニウム層606からなるベース領域がMBE(分子線エ
ピタキシ)又はUHV/CVD(超高真空/化学気相成
長)のような低温エピタキシによつて形成される。ベー
スは最終的な厚さが 250〔Å〕となり、一般的に不純物
濃度1×1019〔cm-3〕のホウ素を有する。本発明の原理
によると好適な実施例において、ベースが成長するに従
つてベース内の選択点においてシリコンに添加されるゲ
ルマニウムの量が増加する。例えばベースに添加される
ゲルマニウムの傾斜プロフアイルが5〔%〕〜23〔%〕
であるとき、コレクタ領域への距離が近くなるに従つて
ゲルマニウムの量は増加する。ベースがエピタキシに成
長した後、エミツタ領域は周知の方法によつてエミツタ
窓を定義することによつて成長され、その後低温エピタ
キシを用いて厚さ 2,000〔Å〕で不純物濃度1×10
19〔cm-3〕のヒ素を有するN+ シリコン/ゲルマニウム
層608を堆積する。材料610は酸化物、窒化物又は
合成積層物のような絶縁体である。
形成されるに従つて、エミツタに添加されるゲルマニウ
ムの量が増加する。例えばエミツタに添加される傾斜プ
ロフアイルが0〜20〔%〕であるとき、ゲルマニウムの
量はエミツタ接触部への距離が近くなり、かつエミツタ
−ベース接合部からの距離が遠くなるに従つて減少す
る。上述のように本発明の原理によりベース及びエミツ
タのバンドギヤツプを傾斜させることによつてデバイス
性能は格段的に向上する。当該明細書においてはN−P
−Nトランジスタの構造について説明したが、本発明は
P−N−Pトランジスタにも適用できる。非常に高濃度
にドープされたシリコンゲルマニウムP−N−Pトラン
ジスタのエミツタは低温エピタキシによつて成長され
得、エミツタ内にゲルマニウムが存在することによりホ
ウ素原子の濃度の大きさと関連する歪みが生じない。本
発明は当該明細書において説明された材料に制限される
ものではなく、本発明の精神から脱することなく他の材
料を用いてもよいのは当業者には明白である。
バイスの他の例を示す。図7においてP形シリコン基板
700上に一般的に厚さ10,000〔Å〕の高濃度にドープ
された(例えばヒ素により)N+ 形シリコン層702が
形成される。N+ 形シリコン層702上には厚さ 4,000
〔Å〕で不純物濃度1×1016〔cm-3〕のヒ素をもつN-
形シリコン層704がエピタキシによつて形成される。
次にシリコン/ゲルマニウム層706からなるP- 形ベ
ース領域が低温エピタキシによつて形成される。ベース
領域は厚さが 250〔Å〕で不純物濃度1×1019〔cm-3〕
のホウ素を有する。本発明の原理によると好適な実施例
において、ベース領域が成長するに従つてベース領域内
の選択点においてシリコンに添加されるゲルマニウムの
量が増加する。例えばベース領域に添加されるゲルマニ
ウムの傾斜プロフアイルが5〔%〕〜23〔%〕であると
き、ゲルマニウムの量はコレクタ領域への距離が近くな
るに従つて増加する。ベース領域がエピタキシに成長し
た後、厚さ 1,000〜 2,000〔Å〕で不純物濃度が5×10
18〜1×1019〔cm-3〕のN+ シリコン/ゲルマニウム合
金層707を有する単結晶エミツタが低温エピタキシに
よつてその上に形成される。電気エミツタの寸法は外因
性P+ ベース領域708によつて定義され、この外因性
P+ ベース領域708はエミツタコンタクト窓710の
両側に形成される。その後コンタクト窓710はエミツ
タ707の頂部に開口される。絶縁層714がこのエミ
ツタコンタクト窓を外因性ベース領域からアイソレート
する。
が形成されるに従つてエミツタ領域に添加されるゲルマ
ニウムの量が増加する。例えばエミツタに添加されるゲ
ルマニウムの傾斜プロフアイルが0〜20〔%〕であると
き、ゲルマニウムの量はエミツタ接触部への距離が近く
なり、かつエミツタ−ベース接合部からの距離が遠くな
るに従つて増加する。再度N−P−Nシリコン/ゲルマ
ニウムトランジスタについて説明したが、本発明はこの
うよな構造だけに制限されるものではなくP−N−Pシ
リコン/ゲルマニウムトランジスタ及び他の材料からな
るトランジスタと共に使用することもできる。
傾斜させることにより電流利得を低下させる。従つて電
流利得を低下させる必要があるときは何時でもこの傾斜
プロフアイルを用いることができる。例えば周知のよう
に電流利得が非常に高いとき(例えば 100よりもかなり
大きいとき)、耐圧BVceoは許容できないレベルま
で低下する。かくして本発明のエミツタのバンドギヤツ
プ傾斜プロフアイルは電流利得を低減し、耐圧BVce
oを許容できるレベルにするために用いられる。
づいて図示、説明したが、本発明の精神及び範囲から脱
することなく詳細構成について種々の変更を加えてもよ
い。
バイポーラトランジスタにおいて、ベース領域からの距
離が近くなるに従つてシリコンに添加されるゲルマニウ
ムの量を増加させて単結晶エミツタのバンドギヤツプを
狭くすることにより、電荷蓄積量を減少させることがで
き、これによつてデバイスの性能を向上させることがで
きる。
る傾斜したゲルマニウム組成のプロフアイルを示すグラ
フである。
る傾斜したゲルマニウム組成のプロフアイル及びベース
領域における傾斜したゲルマニウム組成のプロフアイル
を示すグラフである。
た場合の厚さ 2,000〔Å〕のエミツタ領域におけるゲル
マニウムの最大含有量に対するエミツタにおける電荷蓄
積時間及び最大の遮断周波数を示す本発明のシミユレー
シヨン行程のグラフである。
ドギヤツププロフアイル及びベース領域のバンドギヤツ
ププロフアイルを示すトランジスタのバンド図である。
ムからなるエミツタ領域及びベース領域の傾斜したバン
ドギヤツププロフアイルを有するトランジスタの場合に
おける領域とバンドギヤツプとの関係を示すグラフであ
る。
の一例を示す断面図である。
の他の例を示す断面図である。
タ接触部、104……単結晶エミツタ領域、106……
ベース領域、108……コレクタ領域、110、200
……ゲルマニウムプロフアイル、402……エミツタの
バンドギヤツプ、404……エミツタベース接合部、4
06……ベースのバンドギヤツプ、600、700……
P形シリコン基板、602、702……N+ シリコン
層、604、704……N- シリコン層、608、70
7……N+ シリコン/ゲルマニウム層、610、714
……絶縁層、708……外因性P+ ベース領域、710
……エミツタコンタクト窓。
Claims (6)
- 【請求項1】第1の伝導形式からなる第1の領域と、 上記第1の領域上に形成された第2の伝導形式からなる
第2の領域と、 上記第2の領域上に形成され、上記第2の領域からの距
離が遠くなるに従つてバンドギヤツプが狭くなる上記第
1の伝導形式からなる第3の領域とを具えることを特徴
とするヘテロ接合トランジスタ。 - 【請求項2】上記第1の伝導形式はN- 形であり、上記
第2の伝導形式はP- 形であることを特徴とする請求項
1に記載のヘテロ接合トランジスタ。 - 【請求項3】第1の伝導形式からなる第1の領域と、 上記第1の領域上に形成され、第1のバンドギヤツプを
有する第2の伝導形式からなる第2の領域と、 上記第2の領域上に形成された上記第1の伝導形式から
なる第3の領域とを具え、 上記第2の領域及び上記第3の領域は接合部を定義し、
上記第3の領域はその上に形成された接触部及び第2の
バンドギヤツプを有し、上記接触部における上記第2の
バンドギヤツプは上記接合部における上記第1のバンド
ギヤツプよりも狭いことを特徴とするヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタ。 - 【請求項4】上記第1の伝導形式はN- 形であり、上記
第2の伝導形式はP- 形であることを特徴とする請求項
1に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 - 【請求項5】エミツタ接触部及びバンドギヤツプを含む
単結晶エミツタ領域、ベース領域及びコレクタ領域を有
するバイポーラトランジスタを製造する方法において、
上記方法は上記エミツタ接触部への距離が近くなるに従
つて上記バンドギヤツプが狭くなるように上記バンドギ
ヤツプを傾斜させるステツプを含み、これによつて上記
エミツタ領域内の電荷蓄積量が減少することを特徴とす
るバイポーラトランジスタ製造方法。 - 【請求項6】上記傾斜ステツプは上記エミツタ領域への
ゲルマニウムの量を増加させることを含むことを特徴と
する請求項5に記載のバイポーラトランジスタ製造方
法。
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