JPH0344937A - バイポーラトランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ヘテロ接合を有するシリコンバイポーラトラ
ンジスタ及びその製造方法に関し、特にベース領域がＳ
。−ｙ）Ｇｅｘ層からなることを特徴とするヘテロ接合
を有するシリコンバイポーラトランジスタ及びその製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、産業的に広く製造され、用いられてきた、シリコ
ンバイポーラトランジスタは、エミッタ−ベース間接合
がシリコンＰＮ接合である、いわゆるホモ接合トランジ
スタである。ホモ接合トランジスタの性能の限界を越え
て、バイポーラトランジスタの性能を飛躍的に高めるた
めに、エミッタ領域がベース領域よりも広いエネルギー
バンドギャップ（禁制帯幅）を有するようにしてエミッ
タベース間接合を構成した、いわゆるヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタが提案されている。例えば、シリコン
（Ｓ　ｉ）より狭い禁制帯幅を有する材料をシリコンバ
イポーラトランジスタのベース材料として用いれば、こ
の場合はナローギャップベースのへテロ接合バイポーラ
トランジスタとなることから、工稟ツタ注入効率の増加
をもたらし、電流利得ｈＥＦが高くなる。また、バイポ
ーラトランジスタにおいて一般的にベース層の不純物濃
度が高い場合には、ベース層幅を狭くしベース走行時間
を短かくすると同時にベース抵抗を下げることができる
ため、バイポーラトランジスタの高速化が期待できるが
、従来のホモ接合バイポーラトランジスタにおいては、
ベース層の不純物濃度を高くするとｈＦＥの低下を招い
た。しかし、ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおい
ては、エミッタ−ベース間のバンドギャップの差にもと
づくエネルギーバンド構造のためにベース層の不純物濃
度が高い場合においても、高いｈＦＥを期待できる。

このヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース材料の
主な必要条件としてはＳｔより禁制帯幅が狭いこと、結
晶性がよく結晶欠陥がないこと等が挙げられる。

従来、シリコとの狭禁制帯幅ヘテロ接合材料として、結
晶シリコンゲルマニウム混晶（Ｓ’　（＋−ｘ）Ｇｅ、
）が有力な材料として検討されている。ところで、従来
、この結晶Ｓ　ｉ　（１−Ｘ）　　Ｇ　ｅＸをベース層
として用いたナローギャップベースのへテロ接合バイポ
ーラトランジスタでとしては、第３図に図示する構造の
ものが提案されている。即ち、第３図において、１はＮ
型コレクタ領域となる単結晶シリコン基板、２は素子分
離用絶縁膜、３はＰ型Ｓ　ｉ　、　、−Ｘ、　Ｇ　ｅつ
のエピタキシャル成長層もてくは結晶層、４は多結晶化
されたＰ型Ｓ　（１−ｘｌＧｅＸＪｉ、５は層間絶縁膜
、６はＮ型Ｓｉ層でありエミッタ領域となる層、７はエ
ミッタＡ１電極、８はベース、６［電極、９はコレクタ
Ａｌ電極である。しかし、この構造のナローギャップベ
ースのへテロ接合バイポーラトランジスタには、次のよ
うな問題が生じていた。即ち、 （１）ベース層の結晶性劣化 素子分離用絶縁膜領域２を有する単結晶シリコン基板１
上に結晶Ｓ　ｉ　（１−０ＧｅＸのエピタキシャル戊辰
（３，４の形成）を行なった場合は、第３図に図示する
ように、分離用絶縁膜２上では多結晶化し多結晶化され
たＰ型Ｓ　ｌ　（１−ＸｌＧｅＸ層４として形成され、
一方、Ｎ型コレクタ領域１となるＳｉ（シリコン）基牟
反上ではＰ型Ｓ’　（１−Ｘ）　　Ｇ　ｅ　Ｘエピタキ
シャル層３が形成される。素子分離用絶縁膜の近傍にお
いてはＰ型Ｓ　ｊ　（＋−Ｘ）　　Ｇ　ｅＸベース層の
結晶性が悪化するという問題点があった。そのためベー
ス輸送効率が劣化し、高いｈＦＥを期待することができ
ないという問題点があった。また、Ｓｉ層（１゜６）と
結晶Ｓ　１　（＋−ＸＩ　　Ｇ　ｅ　ｘ　Ｎ　３の組成
変化が急峻であるため欠陥が発生し易いという問題点が
あった。また、上記構造の従来のナローギャップベース
のへテロ接合バイポーラトランジスタを製造する場合、
ベース層となる結晶Ｓ。□ＧｅＸ層３を単結晶シリコン
１上にエピタキシャル戊辰させなａればならないが、こ
のエピタキシャルプロセスを用いるために以下の問題点
が生じていた。即ち、 （２）トランジスタの構造、作製方法の大幅な変更従来
、工業的にホモ接合バイポーラトランジスタの製造にお
いては、ベース層は、不純物のイオン注入或いは拡散に
よって形成しているのに対してベース層をエピタキシャ
ル成長により形成する場合には、従来のプレーナプロセ
スによるバイポーラトランジスタの構造、或いはセルフ
ァラインプロセスによるバイポーラトランジスタの構造
を実現するための製造プロセスと同様のプロセスを用い
ることができず、製造方法を大幅に変更しなければなら
ないという製造上の問題点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで本発明の目的の■つは、ベース層を禁制帯幅の狭
い半導体とするヘテロ接合バイポーラトランジスタにお
いて、従来のバイポーラトランジスタの製造工程との整
合性が高く、かつベース層中の結晶性の改善されたヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタ及びその製造方法を提供
することである。

さらに具体的に本発明の目的の１つは、ベース層の不純
物濃度が高く、かつベース層を薄くすることができ、高
い電流増幅率を有する、高速化されたナローギャップベ
ース構造のへテロ接合バイポーラトランジスタ及びその
製造方法を提供することである。

そこで本発明によるバイポーラトランジスタではゲルマ
ニウムを含む単結晶シリコンによってベース領域を高濃
度に形成し、しかもこのベース層は素子分離用絶縁膜と
接する部分では、上記素子分離用絶縁膜の上部を覆わず
Ｎ型コレクタ領域となる初期シリコン基板内部に拡散形
成した構造であり、しかもこのゲルマニウムの濃度は基
板内部に進むにつれて低くなるような分布を有すること
を構造的な特徴とし、しかも結晶欠陥の発生が抑制され
た固相拡散もしくは液相拡散等で形成したヘテロ接合の
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。

〔課題を解決するための手段〕

このような高性能のへテロ接合を有するバイポーラトラ
ンジスタを形成するために本発明の構造では例えば、５
　ｘ　ｌ　Ｑ　Ｉ　ｍ　ｃ　ｍ　−２の高濃度のベース
層をシリコン基板へのＧｅの固相拡散、液相拡散等で形
成している。高濃度に形成することからベース抵抗が低
くでき、薄く形成することからキャリアベース内走行時
間が短く、ベース層内の結晶性が良好なことからベース
輸送効率も高い。Ｎ型コレクタとなるＳｔ基板に対して
絶縁層を堆積後窓開けし、Ｇｅを拡散し、しかも基板内
部に進行するにつれてしだいに濃度が低くなるように形
成して、Ｓ’　＋１−ＸＩ　　Ｇ　ｅ層からなるＧｅ拡
散領域１０を形成し、さらにボロン等を添加してＰ型ベ
ース領域１３を形成し、次にＣＶＤ５ｉ０２等を堆積後
窓開けして、Ｎ型シリコン層を結晶成長（エピタキシャ
ル成長）し、パターニング形成してＮ型Ｓｉエミッタ領
域６を形成し、さらに絶縁層に対して窓開けし、電極を
形成してパターニング後それぞれエミッタＡＡ電極７、
ベース／ｌ電極８等を形成する、以上の工程によって本
発明によるナローギャップベース層を有するバイポーラ
トランジスタの製造方法が提供されている。

〔作　用〕

本発明のへテロ接合バイポーラトランジスタはＮ型Ｓｔ
エミッタ領域（６）、ボロンドープのＰ型Ｓ　ｉ＋１−
Ｘｌ　Ｇ　ｅ　Ｘ層からなるＰ型ベース領域（３）、基
板内部に進行するにつれて濃度が低くなるＧｅ拡散領域
（１０）及びＮ型Ｓｔ基板からなるＮ型コレクタ領域（
１）から構成され、ベース電極（８）は絶縁層にパター
ニングして直接Ｐ型ベース領域（１３）と接触しており
、かつエミッタ−ベース間はＳ　ｔ　−３ｉ　（１−Ｘ
）　Ｇ　ｅｘからなるヘテロ接合、ベース−コレクタ間
もＳｉ（＋−Ｘ）　　ＧｅＸ−３ｉからなるヘテロ接合
を形成しており、Ｎ型エミッタ領域（６）は上記のＳ　
ｉ（＋−１１）　　Ｇ　ｅＸＮからなるＰ型ベース領域
（工３）にエピタキシャル成長された層として形成され
ている。Ｐ型ベース層（１３）高濃度でしかも薄く形成
でき、かつヘテロ接合界面の結晶性も良好であり、かつ
Ｐ型ベース領域（１３）が絶縁層と接する部分での結晶
性の劣化も改善された構造となることからベース輸送効
率が高いナローギャップベースのシリコンヘテロ接合バ
イポーラトランジスタとしての動作を行なっているわけ
である。

〔実施例〕

以下、実施例とともに本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の実施例としてのへテロ接合を有する
バイポーラトランジスタの模式的構造図である。第１図
において、ｌはＮ型コレクタ領域となるシリコン基板で
あり、２は素子分離用絶縁膜（ＳｉＯｚ）、６はＮ型Ｓ
ｉエミッタ領域、７はエミッタ電極（Ａ１）、８はベー
スＡｆ電極、９はコレクタ、ｌ電極である。第３図に図
示した従来例と異なる点は、１０のＧｅ拡散領域、１３
のＰ型ベース領域が存在する点である。本発明によるヘ
テロ接合バイポーラトランジスタの構造は、従来の技術
の様に、単結晶シリコン上に結晶５ｉ（１−に）ＧｅＸ
をエピタキシャル成長させてベース層を形成する構造と
は異なり、少なくともベース領域１３がゲルマニウムを
含む単結晶シリコンからなり、ベース領域１３を形威す
る層は、素子分離用絶縁膜２と接する部分では、上記素
子分離用絶縁膜２の上部を覆わないで構成されており、
Ｎ型コレクタ領域１となる初期Ｎ型シリコン基板内へゲ
ルマニウムを拡散することで形威されている。

しかもこのゲルマニウムの濃度は、基板内部にいくにつ
れて低くなるような分布を有することを最も主要な特徴
としている。即ち、本発明の構造は、Ｓ　Ｌ　＋１−Ｘ
）　　Ｇ　ｅＸエピタキシャル層３がＮ型コレクタ領域
１となる初期Ｎ型シリコン基板の上に一部を接して、か
つ素子分離用絶縁膜を挟んで（介して）、堆積される従
来構造とは明らかに異なっている。Ｓｔ基板に対して急
峻な組成分布を有するＳｉ、、、）　　Ｇ　ｅ　Ｘ層３
を直接接合形成する構造ではへテロ接合界面に結晶欠陥
を発生しやすいが、本発明の構造では、Ｎ型コレクタ領
域ｌとなる初期Ｎ型シリコン基板内へＧｅを固相もしく
は液相拡散等で形威し、しかも濃度がなだらかに基板内
部へ深く進行するにつれて変化した構造とすることに特
徴があるわけである。従来の急峻なＭｉ戒分布を有する
構造と異なり、欠陥発生の抑制に有効電 る。

本発明になる＄弁構造のへテロ接合バイポーラトランジ
スタの特長を明らかにするため、第１図の構造を有する
本発明のへテロ接合バイポーラトランジスタ（これをト
ランジスタＡとする）と先に述べた第３図の従来例とし
ての構造を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（
トランジスタＢ）を製作し、特性を評価した。高ベース
濃度（５Ｘ　１０”／ｃｍ’　）のＰ型ベース領域１３
を有する構造に対して、トランジスタＡの電流増幅率り
目は１００という値が得られた。ベースとして単結晶Ｓ
　ｉ　＜＋□、ＧｅＸ層３をＣＶＤ法でエピタキシャル
形成したトランジスタＢの電流増幅率ｈｒｔは２０であ
った。これは、堆積した単結晶Ｓ　ｉ　＜＋−ｘ）Ｇｅ
Ｘ層３中に結晶欠陥が存在し、絶縁膜近傍の結晶性が低
下し、ベース輸送効率が低下したためである。

次に、本発明によるヘテロ接合バイポーラトランジスタ
の構造を実現するための製造方法の実施例を説明する。

第２図（ａｌは、ベース領域形成直前の断面図であり、
ここまでの製造工程は従来の工程と全く同じである。即
ち、Ｎ型コレクタ領域ｌとなるシリコン基板表面を酸化
し素子分離用絶縁膜（ＳｉＯｚ）２を形成後パターニン
グ処理を行ない、窓開けを行なう。次に、第２図（ｂ）
に図示する如（Ｇｅを供給する薄膜２０を堆積する。本
実施例では、ＧｅＨ，ガスを導入し化学気相堆積法によ
ってＧｅ層２０を形成した（第２図（ｂ））。このＧｅ
を供給する薄膜２０の構成方法は、スパッタ法、蒸着法
等を用いることも可能である。Ｓｉ中のＧｅの拡散係数
は１０００℃において、１０ｃｍ２／ＳであるＳｉとＧ
ｅは全率固溶体であるから、温度と時間を制御すること
によってＧｅの拡散を制御することが可能である。次に
本実施例によるヘテロ接合バイポーラトランジスタの製
造方法では第２図（Ｃ）に図示する如く、真空中におい
て１０００℃で熱処理することによって、ＧｅをＳｉ中
に拡散させさらに、過酸化水素水−弗酸の混合溶液中で
不要なＧｅ層を除去した。その結果として第２図（Ｃ１
に図示する如く、Ｇｅ拡散領域（Ｓ　ｉ　（＋−１１１
Ｇ　ｅＸＸｌ０が形成される。この過酸化水素水−弗酸
の混酸を用いると、Ｇｅ層と結晶Ｓ　！　＋１−Ｘｌ　
　Ｇ　ｅｘ層１０を選択的に除去できるが、強塩酸中で
の煮沸、化学気相エツチング、或いは物理的エツチング
等、他の除去方法を用いてもよいことはもちろんである
。

更に、結晶Ｓ　ｔ　（＋−ｘｌ　　Ｑ　ｅ　Ｘ層１０の
結晶欠陥を低減させるための熱処理を行なった。Ｇｅ拡
散時に結晶欠陥が発生していない場合は、この熱処理は
行わなくてもよい。この結晶Ｓ　ｊ　（＋−Ｘ）　　Ｇ
　ｅ　、１層１０を形成以後の工程は、従来の工程と全
く同じである。本発明によるヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタの製造方法では、第２図（ｄ）に図示する如く
ボロンのイオン注入法によってベースの不純物導入を行
ないＰ型ベース領域１３を形成してベース抵抗の低減化
を行なった。ただし、Ｐ型ベース領域１３は、通常のバ
イポーラトランジスタの不純物濃度より高濃度とし、注
入ドーズ量として’１．５ｘ　ｌ　Ｑ１３ａ　ｔ　ｏｍ
／ｃｍ”のボロンを導入した。このときベース層厚は５
０ｎｍであった。

これはベース不純物濃度として５Ｘ１０”／ｃｍ”に相
当する。Ｐ型ベース領域Ｉ３の形成後、酸化膜等の眉間
絶縁膜５、ベース−エミッタ間接合領域を順次形成する
。

更に、このＮ型コレクタ領域１．Ｐ型ベース領域１３及
びＧｅ拡散領域ＩＯを形成した単結晶の下地基板１を高
真空中において、プラズマ処理、或いは加熱等により、
Ｓｉ表面を清浄化を行なった後、この下地基板■上にｎ
型結晶シリコン（Ｎ型Ｓｉエミッタ領域）６を堆積する
。このとき同時にＡｓＨ，もしくはＰＨｆｆガスを供給
することによって、堆積時にＮ型不純物を添加している
。

次に、不要部分をＣＦ　４−〇□系プラズマを用いたド
ライエツチング法により除去する（第２図（ｅｌ）。第
２図（ｅｌはこの不要部分を除去後のパターン形成され
たＮ型Ｓｉエミッタ領域６を含む断面構造図である。以
下、酸化膜５に対して窓開は処理後エミッタ、ベース、
コレクタのアルミニウム電極７を公知の方法で形成して
、第２図（ｆ）にその断面構造が図示されるような所望
の本発明によるヘテロ接合バイポーラトランジスタを完
成する。第１図及び第２図に図示した実施例においては
、Ｇｅはコレクタ領域まで拡散しているが、少なくとも
エミッタ−ベース接合界面にさえ存在すれば、何等差し
支えない。

本実施例による製造方法では、固相拡散を用いたが、溶
融Ｇｅ中での液相拡散等によってＰ型ベース領域１３を
形成することも可能である。以上のように本発明の製造
方法では、従来のプレーナプロセスによるバイポーラト
ランジスタの製造方法にＧｅの拡散工程を加えるだけで
他の工程には何等変更の必要はない。これは、微細加工
技術を駆使したＳＳＴ　（ｓｕｐｅｒ　　ｓｅｆｆ−ａ
ｌｉｇｎ　　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によるバイポーラ
トランジスタの製造方法等にも応用可能である。

本発明の実施態様を述べると以下の通りである。

即ち、本発明は、単結晶シリコン表面に、エミッタ−ベ
ース間接合を有するバイポーラトランジスタにおいて、
該バイポーラトランジスタの少なくともベース領域がゲ
ルマニウムを含む単結晶シリコンからなり、かつベース
領域を形成する層は、単結晶シリコンを酸化してなる分
離用絶縁膜と接する部分では、前記分離用絶縁膜下に形
成されており、ゲルマニウムの濃度は、単結晶シリコン
基板のＳｉ表面から内部にいくにつれて低くなるような
分布を有することを特徴とするバイポーラトランジスタ
であり、或いはまた単結晶シリコン基板の表面近傍に、
エミッタ−ベース間接合を有するバイポーラトランジス
タの製造方法であって、Ｎ型コレクタ領域となる前記単
結晶シリコン基板上に、酸化膜を形成し所定の窓開は後
、ゲルマニウム薄膜を全面に堆積する第Ｉの工程と、第
１の工程後の前記シリコン基板を熱処理手段によって少
なくともベース領域となるシリコン領域に表面から前記
酸化膜をマスクとしてゲルマニウムを拡散によって添加
する第２の工程と、前記ベース領域の所定の領域上にＮ
型にドープされたシリコン結晶層を成長しパターニング
後エミッタ領域を形成する第３の工程と、それぞれエミ
ッタ電極、ベース電極及びコレクタ電極をパターニング
形威する第４の工程との工程の結合から少なくとも形成
されることを特徴とするバイポーラトランジスタの製造
方法に関するものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明では、ベースを禁制帯幅の
狭い半導体とするナローギャップベースのへテロ接合バ
イポーラトランジスタにおいて、従来のプレーナプロセ
スによるバイポーラトランジスタの製造工程との整合性
を高め、更にベースの結晶性を改善させることができる
、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供するととも
に、その結果として、ヘテロ接合バイポーラトランジス
タにおいて高い電流増幅率を維持したままベース層不純
物濃度を高め、ベース層を薄くできるため、トランジス
タの高速化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の構造を用いたベース層にＳｉ　（＋
−ｘｌ　　Ｇ　ｅ、層／Ｓｉ単結晶を用いたヘテロ接合
をバイポーラトランジスタに適用した実施例である。 第２図は（ａ）〜（ｆ）、本発明の製造方法の実施例で
ある。　第３図は、ヘテロエピタキシャルベースを用い
た場合の従来の技術での実施例である。 １・・・Ｎ型コレクタ領域 ２・・・素子分離用絶縁膜（ＳｔＯｚ）３・・・Ｐ型Ｓ
　ｔ　（＋−Ｘ）　　Ｇ　ｅ　ｘエピタキシャル層４・
・・多結晶化されたＰ型Ｓ　ｉ　＜＋−２ｌＧｅｘ層５
・・・酸化膜、層間絶縁膜 ６・・・Ｎ型シリコンエミッタ領域 ７・・・エミッタ／ｌ電極 ８・・・ベースＡｌ電極 ９・・・コレクタＡｆ電極 １０・・・Ｇｅ拡散領域 ■３・・・Ｐ型ベース領域 ２０・・・堆積したＧｅ薄膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶シリコンの表面に、エミッタ−ベース間接
   合を有するバイポーラトランジスタにおいて、該バイポ
   ーラトランジスタの少なくともベース領域がゲルマニウ
   ムを含む単結晶シリコンからなり、かつベース領域を形
   成する層は、単結晶シリコンを酸化してなる分離用絶縁
   膜と接する部分では、前記分離用絶縁膜下に形成されて
   おり、ゲルマニウムの濃度は、単結晶シリコン基板のＳ
   ｉ表面から内部にいくにつれて低くなるような分布を有
   することを特徴とするバイポーラトランジスタ。
2. （２）単結晶のシリコン基板の表面近傍にエミッタ−ベ
   ース間接合を有するバイポーラトランジスタの製造方法
   であつて、 Ｎ型コレクタ領域となる前記単結晶シリコン基板上に、
   酸化膜を形成し所定の窓開け後全面にゲルマニウム薄膜
   を堆積する第１の工程と、第１の工程後の前記シリコン
   基板を熱処理手段によつて、少なくともベース領域とな
   るシリコン領域に表面から前記酸化膜をマスクとしてゲ
   ルマニウムを、拡散することによつて添加する第２の工
   程と、 前記ベース領域の所定の領域上にＮ型にドープされたシ
   リコン結晶層を成長し、パターニング後エミッタ領域を
   形成する第３の工程と、それぞれエミッタ電極、ベース
   電極及びコレクタ電極をパターニング形成する第４の工
   程との工程の結合から少なくとも形成されることを特徴
   とするバイポーラトランジスタの製造方法。