JPH0964054A - バイポーラトランジスタの作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】炭素を不純物として含むベース層を有するバイ
ポーラトランジスタの作製方法で、炭素不純物の水素化
率を低減する。 【解決手段】堆積層のエミッタ領域以外をエッチングし
てベース層３を露出させ、不活性ガス雰囲気中で炭素不
純物の活性化熱処理をし、エミッタ領域内外ベース層３
の水素を横方向に拡散脱離させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、III−Ｖ族化合物
半導体を用いた超高速バイポーラトランジスタの作製方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エミッタ層にワイドギャップ半導体を用
いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、
高速、高周波素子としての優れた特徴を有しており、様
々な応用が期待されている。ＨＢＴを構成する場合は、
ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの組み合わせやＩｎＰとＩｎ
ＧａＡｓとの組み合わせを基本とする半導体材料の構成
が、実用性の面から最も重要度が高く、したがって広範
に用いられている。

【０００３】IV族原子である炭素（Ｃ）は結晶中での拡
散定数が小さく、高濃度ドーピングが可能である等の特
徴を有していることから、近年ｐ型ドーパントとして注
目を集めている。炭素を不純物として添加した半導体層
を成長する手法としては、いくつかの方法が用いられて
いるが、中でも有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）や気相
エピタキシャル成長（ＶＰＥ）等の気相成長法は、装置
の大型化や原料補充が容易である等の点で、他の分子線
エピタキシャル成長（ＭＢＥ）や液相エピタキシャル成
長（ＬＰＥ）等の成長法に比べて優れており、工業的に
も広く用いられている。通常、気相成長のキャリアガス
としては他のガスに比べ高純度のガスが得られるという
特徴から、水素が多く用いられている。また、III−Ｖ
族半導体の気相成長におけるＶ族原料としては、ＡｓＨ
₃やＰＨ₃等の水素化物が多く用いられている。したがっ
て、成長室内には解離した活性水素が高濃度に存在して
いる。この状況は、Ｖ族原料にＴＭＡｓ、ＴＢＡｓ、Ｔ
ＭＰ、ＴＢＰ等の有機金属材料を用いても、解離した水
素が発生するため同様に生じる。炭素不純物に及ぼす悪
影響の一つとして、ドーパントの水素化による不活性化
という問題が知られている。これは成長雰囲気中に高濃
度に存在する水素が、結晶中で炭素不純物と結合するこ
とにより炭素の結合手を終端し、炭素からのキャリア供
給を相殺してしまうという現象である。この現象は特に
低温で成長した結晶中で顕著であり、例えばＩｎＧａＡ
ｓに関していえば、より低温成長が必要な高Ｉｎ組成領
域でより顕著になる。したがって、ＩｎＰ基板に格子整
合するＩｎＧａＡｓ層中に高濃度にＣを添加しようとし
た場合は、不純物炭素の大部分が水素化により不活性化
し、炭素添加層の抵抗率が高くなってしまうという問題
点があった。

【０００４】一方、水素化によって不活性化した炭素を
再度活性化する手法として、窒素中での熱処理が有効で
あることが知られている。しかし、炭素添加層上に他の
半導体層を成長したのちに、窒素中での熱処理を行って
も、上記他の半導体層中の空間電荷により水素の脱離が
阻害されるため、有効に脱水素化を行えないことが問題
になっている。この現象は特に上記他の半導体層がｎ型
にドープされている場合に顕著になる。また、成長を中
断し窒素中で熱処理を行う手法も考えられるが、一般的
に窒素の純度は水素よりもかなり低く、成長装置に導入
した場合に、成長装置内部や結晶表面を汚染してしまう
などの問題を生じてしまう。また、窒素は水素に比べ熱
伝導率が低いため、基板表面の実温度が所望の値からず
れたり、基板温度の面内均一性が低下してしまう等の問
題点を生じてしまう。さらに、窒素雰囲気中で脱水素化
を行ったのちに成長を再開した場合は、各種原料から活
性水素が再度発生するため再び炭素添加層の水素化を生
じ、結果として炭素添加層の抵抗率を下げられないこと
が問題であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記各問題点を解決す
るために、炭素を不純物として含むベース層を有するヘ
テロ接合バイポーラトランジスタの作製方法において、
炭素不純物の水素化率を低減させる技術を得ることを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、エミッタ領域以外をエッチングしてベース
層を露出させてエミッタメサ形成後に、不活性ガス雰囲
気中で高温熱処理を行い、エミッタ領域内外のベース層
に含有する水素を、横方向の拡散により脱離させるよう
にしたものである。

【０００７】また、ベース層半導体材料ＩｎＧａＡｓ層
とし、エミッタ領域の形状・寸法をメサ端までの再短距
離が３μｍ以下になるようにし、または熱処理を、窒素
雰囲気の５００℃から６００℃の範囲内で１分以上行う
ようにしたものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ−ＨＢＴの
製作工程に本発明を適用して説明すると、ｎ−ＩｎＧａ
Ａｓエミッタキャップ層１、ｎ−ＩｎＰエミッタ層２、
Ｃドープｐ−ＩｎＧａＡｓベース層３、ｉ−ＩｎＧａＡ
ｓコレクタ層４、ｎ−ＩｎＧａＡｓコレクタ電極層５の
各層をＩｎＰ基板６上に積層し、エミッタ電極７、ベー
ス電極８、コレクタ電極９をそれぞれ形成している。半
絶縁性ＩｎＰ基板６上に各層を成長したのち、金属でエ
ミッタパタンを形成してマスクとし、ＩｎＧａＡｓエミ
ッタキャップ層１およびＩｎＰエミッタ層２をエッチン
グしてベース層３を露出させる。このとき、適当な溶液
を用いるとＩｎＰだけを選択的にエッチングでき、Ｉｎ
Ｐ／ＩｎＧａＡｓ界面において、エッチングをベース層
上面で制御性よく停止することができる。

【０００９】つぎに、窒素雰囲気中で熱処理を行い、炭
素を添加した結晶中に残留する水素を脱離させるので、
アクセプタとしての炭素の活性化率を向上させる。ＷＳ
ｉ等の耐熱性金属をマスクすることにより、熱処理時の
エミッタ電極材料と半導体との合金反応を抑制できる。
また、金属マスクの使用は、エミッタ電極とエミッタメ
サを自己整合的に形成することができ、素子の高性能化
が行える。その後、ホトレジストでパタン形成し、エッ
チングやリフトオフ等により電極形成を行って素子を完
成する。

【００１０】上記熱処理工程では、熱処理温度が５００
℃から６００℃の間で１分以上行うことにより、有効に
脱水素化が行えることを確認した。また、結晶中の炭素
原子に結合している水素原子が結晶中から脱離すること
に起因するのを確認した。エミッタメサ直下に存在する
水素は、ｎ型にドープされたエミッタ層のため脱離が阻
害され横方向に拡散し、メサ端に達したのち結晶外に脱
離する。また、上記熱処理条件では水素の拡散距離が３
μｍ以上になり、メサ端までの最短距離が３μｍ以下で
あれば上記効果が同様に得られる。

【００１１】

【実施例】つぎに本発明によるバイポーラトランジスタ
の作製方法を、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＨＢＴの製作工程
に適用した実施例に基づいて説明する。図１は上記実施
例を説明するための断面図で、（ａ）〜（ｃ）は各工程
を示す図である。

【００１２】図１において、１はｎ−ＩｎＧａＡｓエミ
ッタキャップ層、２はｎ−ＩｎＰエミッタ層、３はＣド
ープｐ−ＩｎＧａＡｓベース層、４はｉ−ＩｎＧａＡｓ
コレクタ層、５はｎ−ＩｎＧａＡｓコレクタ電極層、６
はＩｎＰ基板、７はエミッタ電極、８はベース電極、９
はコレクタ電極を示し、図１（ａ）に示す層構造は、例
えばＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの方法により、半絶縁性Ｉ
ｎＰ基板上に成長する。つぎに金属によりエミッタパタ
ンを形成し、これをマスクにしてＩｎＧａＡｓエミッタ
キャップ層１およびＩｎＰエミッタ層２をエッチングし
て、ベース層３を図１（ｂ）のように露出させる。この
とき、例えば塩酸と水の混合液のような適当な溶液を用
いることにより、ＩｎＰ層のみを選択的にエッチングす
ることができ、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ界面においてエッ
チングをベース層上面で制御性よく停止することができ
る。

【００１３】つぎに、窒素雰囲気中において５００℃で
５分間の熱処理を行う。この熱処理を行うことにより熱
処理時のエミッタ電極材料と半導体との合金反応を抑制
することができる。このマスクに金属を用いた構造は、
エミッタ電極とエミッタメサを自己整合的に形成するこ
とができるため、素子の高性能化に適している。上記工
程ののち、ホトレジストによるパタン形成工程、ウエッ
トまたはドライエッチング工程、リフトオフ等による電
極形成工程等を経て図１（ｃ）のように素子が完成す
る。

【００１４】発明者らは上記熱処理工程において有効に
脱水素化を行うことができる条件が、その温度および時
間と深い相関関係を有すると考えて注意深く検討を行っ
た結果、熱処理温度が５００℃から６００℃の範囲にあ
る場合に、図２に示すように効果的であることを確認し
た。また、熱処理時間としては、１分以上で同様の効果
が得られることを確認した。ここで用いた試料では成長
直後のキャリア濃度が３×１０¹⁸／ｃｍ³程度であった
が、５００℃５分間の熱処理を行うことにより、キャリ
ア濃度は３×１０¹⁹／ｃｍ³程度まで向上した。また、
結晶中の原子濃度分析の結果から、これらの変化は結晶
中の炭素原子に結合している水素原子が、結晶中から脱
離することに起因していることを確認した。一方、エミ
ッタメサ直下に存在する水素は、ｎ型にドープされたエ
ミッタ層の存在により脱離が阻害されるため、横方向に
拡散してメサ端に達したのちに結晶の外へ脱離する。発
明者らが実験的に検討した結果、上記熱処理条件を用い
た場合、水素の拡散距離が３μｍ以上になること、すな
わち、エミッタメサの寸法はメサ端までの最短距離が３
μｍ以下であれば、上記効果が同様に得られることを見
出した。例えば図３に示すような矩形状のエミッタメサ
を形成する場合は、短い方の辺の長さを６μｍ以下にす
れば、全てのエミッタメサ領域でメサ端までの距離が３
μｍ以下になるため、ベース層からの脱水素化が完全に
行われるようになる。

【００１５】本実施例ではエミッタメサマスク用の金属
としてＷＳｉを用いたが、ＷやＭｏ等の他の耐熱性金属
を用いることもできる。また、メタルマスクによるエミ
ッタメサ形成の場合について記したが、ホトレジストを
マスクとして用いることもできる。その場合は、メサ形
成後熱処理前にホトレジストを除去すればよい。そし
て、エミッタ電極は熱処理後に別途形成することができ
る。一方、材料系に関してはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＨＢ
Ｔの場合について記したが、本発明の方法はダブルヘテ
ロ構造のＨＢＴや、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系等の他の
材料を用いたＨＢＴに対しても広く用いることができ
る。また、熱処理に用いる雰囲気ガスとして窒素の場合
について記したが、アルゴンやヘリウム等の他の不活性
ガスを用いることによっても同様の効果を得ることがで
きる。

【００１６】

【発明の効果】上記のように本発明によるバイポーラト
ランジスタの作製方法は、基板上に、コレクタ層と、炭
素を不純物として添加したｐ型の導電型を有するベース
層、およびｎ型の導電型を有するエミッタ層を、気相成
長法により順次堆積したのち、ホトリソグラフィおよび
エッチング技術を用いて形成するバイポーラトランジス
タの作製方法において、上記エミッタ領域以外をエッチ
ングしてベース層を露出させたのち、不活性ガス雰囲気
中で上記炭素不純物の活性化熱処理を行い、上記エミッ
タ領域内外のベース層に含有する水素を、横方向の拡散
により脱離させることにより、ベース層に炭素を不純物
として添加した化合物半導体を用いたＨＢＴを製作する
場合に、ベース層中の炭素の活性化率の向上をはかるこ
とができ、より高いベース層キャリア濃度の実現による
素子特性の向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるバイポーラトランジスタの作製方
法をＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＨＢＴ製作工程に適用した実
施例の断面図で、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれの
製作工程を示す図である。

【図２】ＣドープＩｎＧａＡｓ層中のキャリア濃度の熱
処理温度依存性を示す図である。

【図３】本発明を適用可能なエミッタメサ寸法を説明す
るためのエミッタメサ形状の平面図である。

【符号の説明】

２ ｎ型エミッタ層 ３ ｐ型ベース層 ４ コレクタ層 ６ 基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に、コレクタ層と、炭素と不純物と
   して添加したｐ型の導電型を有するベース層、およびｎ
   型の導電型を有するエミッタ層を、気相成長法により順
   次堆積したのち、ホトリソグラフィおよびエッチング技
   術を用いて形成するバイポーラトランジスタの作製方法
   において、上記エミッタ領域以外をエッチングしてベー
   ス層を露出させたのち、不活性ガス雰囲気中で上記炭素
   不純物の活性化熱処理を行い、上記エミッタ領域内外の
   ベース層に含有する水素を、横方向の拡散により脱離さ
   せることを特徴とするバイポーラトランジスタの作製方
   法。
2. 【請求項２】上記炭素を不純物として添加したベース層
   は、ＩｎＧａＡｓ層からなり、上記熱処理工程は窒素雰
   囲気の５００℃から６００℃の範囲内で１分以上行うこ
   とを特徴とする請求項１記載のバイポーラトランジスタ
   の作製方法。
3. 【請求項３】上記エッチングにより残されたエミッタ領
   域の形状は、エミッタ領域内の任意の点からエミッタ領
   域端までの最短距離が３μｍ以下であることを特徴とす
   る請求項１記載のバイポーラトランジスタの作製方法。