(57)【要約】【課題】自己発熱および高電流密度動作下においても劣化を生じにくく、高電流密度まで安定して通電可能な高信頼電極を有し、より高い信頼度を達成可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供すること。【解決手段】半導体基板１上に、サブコレクタ層２、コレクタ層３、ベース層４、エミッタ層５およびエミッタコンタクト層６が順次積層されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、エミッタコンタクト層６とエミッタ電極７との間に、Ｍｏの融点以上の融点を有する単体金属または合金からなるバリア金属層１３−２（図２に示す）を有するバリア複合層１３が介在することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。【選択図】図１
2010034355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層およびエミッタコンタクト層がこの順で積層されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記エミッタコンタクト層とエミッタ電極との間に、Ｍｏの融点以上の融点を有する単体金属または合金からなるバリア金属層が介在する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２】
請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記バリア金属層と前記エミッタコンタクト層との間に、第１の仲介金属層が介在する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３】
請求項２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第１の仲介金属層がＴｉからなる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】
請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記バリア金属層の厚さは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である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５】
請求項２または３に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記バリア金属層の厚さは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記第１の仲介金属層の厚さは６ｎｍ以上１０ｎｍ以下である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６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記エミッタ電極は、導電層と、前記バリア金属層に接する第２の仲介金属層または仲介導体層とを有する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７】
請求項６に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記導電層と前記第２の仲介金属層との間に拡散防止金属層が介在する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８】
請求項６または７に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記導電層はＡｕ、Ａｌ、ＣｕまたはＡｇからなり、前記第２の仲介金属層はＴｉまたはＷからなり、前記仲介導体層はＷＳｉまたはＷＳｉＮからなる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９】
請求項７に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第２の仲介金属層がＴｉからなるときに、前記拡散防止金属層はＰｔからなる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１０】
請求項６ないし９のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第２の仲介金属層の厚さが６ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヘテロ接合バイポーラトランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は超高速動作に優れ、通信システムや計測器向けの電子回路への応用が期待されているが、他のデバイスと同様、その実用化に際しては動作の長期安定性が要求される。特にＨＢＴの場合、長期連続動作における電流利得の変動劣化が大きな問題であった。この劣化は電流注入による再結合電流増加に起因し、これを抑制するため外部ベース層上にパッシベーション構造（レッジ構造）を作製し、且つレッジ構造上およびエミッタメサ上に絶縁保護膜を堆積する方法が提案されている。
【０００３】
図３に、レッジ構造と絶縁保護膜とを備えた従来技術によるＨＢＴ断面図を示す（下記非特許文献１参照）。図において、１は半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板、２はｎ＋型ＩｎＰからなるサブコレクタ層、３はｎ−型ＩｎＧａＡｓからなるコレクタ層、４はｐ＋型ＩｎＧａＡｓからなるベース層、５はｎ型ＩｎＰからなるエミッタ層、６はｎ＋型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタコンタクト層、７はエミッタ電極、８はコレクタ電極、９はベース電極、１０は絶縁保護膜（シリコン窒化膜等）、１１は層間絶縁膜（ＢＣＢ膜等）、１２はエミッタ電極７に接続する金属配線層である。
【０００４】
図４に、従来技術によるエミッタ電極７の構造を示す。エミッタ電極７は、エミッタコンタクト層６上に形成され、例えば３５ｎｍ厚のＴｉ層（第２の仲介金属層７−１）と、２０ｎｍ厚のＰｔ層（拡散防止金属層７−２）と１８０ｎｍ厚のＡｕ層（導電層７−３）とからなるパタンニングされた金属層である。
【０００５】
配線層１２は、図５に示すように（下記非特許文献３の Fig. 1 参照）、エミッタ電極７を含む素子表面上に層間絶縁膜１１を成膜した後、コンタクトホールを形成し、コンタクトホール内に露出したエミッタ電極７の表面および層間絶縁膜１１の表面に、第３の仲介金属層１２−１および配線金属層１２−２、場合によってはさらに上層の金属層を堆積することにより形成される。これによって、エミッタ電極７と金属配線層１２とが接続された構造が得られる。
【０００６】
このようなＨＢＴにおいて、エミッタサイズを１×４μｍ２とした場合に、高温通電加速劣化試験を実施したところ、コレクタ電流密度が２ｍＡ/μｍ２までの通電条件において、１２５℃に外挿した電流利得の劣化のメディアン寿命が１×１０８時間以上であることが報告されている（下記非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−２３９５２５号公報
【非特許文献１】深井  他、電子情報通信学会論文誌-Ｃ,  Vol.  J89-C,  No.  9,  pp.  589-596  (2006).
【非特許文献２】M.  R.  Rao,  S.  T.  O'Neil  and  S.  Tiku,  "Metal  particle  effects  on  thin  capacitors  in  high  volume  manufacturing",  Proc.  GaAs  MANTECH  Conference,  (2003)  pp.  73-76.
【非特許文献３】K.  Onodera,  M.  Hirano,  I.  Toyoda,  M.  Tokumitsu,  and  T.  Tokumitsu,  "Folded  U-Shaped  Microwire  Technology  for  Ultra-Compact  3D  MMICs",  1996  IEEE  MTT-S  Digest,  pp.  1153-1156.
【非特許文献４】N.  Kashio  et  al.,  "Highly  Reliable  Submicron  InP-based  HBTs  with  over  300-GHz  fｔ",  IEICE  TRANS.  ELECTRON,  VOL.  E91-C,  No.  7,  2008,  pp.  1084-1090.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＨＢＴの動作速度向上およびＨＢＴ集積回路の設計余裕拡大のためには高電流密度動作におけるＨＢＴ動作の長期安定性が要求される。高速動作を実現するＨＢＴではエミッタサイズの縮小が進み現在０．５μｍ幅エミッタでｆＴ、ｆｍａｘ＞３００ＧＨｚ以上が達成されている（上記非特許文献４参照）。このときのコレクタ電流密度は５ｍＡ/μｍ２である。
【０００８】
一方、エミッタサイズの縮小に伴いデバイスの熱抵抗が増加するが、例えば１２５℃の環境温度に対してコレクタ電流密度が５ｍＡ/μｍ２の場合には、接合温度は１８５℃にまで上昇する。このようなデバイスの自己発熱によりＨＢＴ電極の劣化を引き起こすことはデバイス断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察により確認されていた。特に図４の７−１に示すＴｉは、高温では堆積厚さに依存して半導体（エミッタコンタクト層）内部への拡散が進行する。また図４の７−３に示すＡｕは高電流密度によっても原子の移動が起こる。例えばエレクトロマイグレーション劣化は１０ｍＡ/μｍ２程度の高電流密度電流を通電した場合に、高密度、高エネルギー電子流との衝突によりＡｕ原子の移動が起こるものであるが、これに類すると推定される過程により半導体内部にＡｕがＴＥＭ観察により確認されたことが報告されている。
【０００９】
これらの金属の拡散現象がＨＢＴのエミッタ電極で発生した場合、エミッタコンタクト層への金属の侵入によりエミッタコンタクト層に欠陥が発生し、コンタクト層の抵抗の増加が生じる。これが長時間に及ぶとＨＢＴの真性部分のエミッタ層やベース層への欠陥の移動にともないＨＢＴの特性を劣化させる可能性が生じる。
【００１０】
本発明が解決しようとする主要な課題は、前記の自己発熱および高電流密度動作下においても劣化を生じにくく、高電流密度まで安定して通電可能な高信頼電極を有し、より高い信頼度を達成可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明においては、上記課題を解決するために、請求項１に記載のように、
半導体基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層およびエミッタコンタクト層がこの順で積層されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタコンタクト層とエミッタ電極との間に、Ｍｏの融点以上の融点を有する単体金属または合金からなるバリア金属層が介在することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【００１２】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記バリア金属層と前記エミッタコンタクト層との間に、第１の仲介金属層が介在することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【００１３】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第１の仲介金属層がＴｉからなることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【００１４】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記バリア金属層の厚さは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【００１５】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項２または３に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記バリア金属層の厚さは１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記第１の仲介金属層の厚さは６ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【００１６】
また、本発明においては、請求項６に記載のように、
請求項１ないし５のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ電極は、導電層と、前記バリア金属層に接する第２の仲介金属層または仲介導体層とを有することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【００１７】
また、本発明においては、請求項７に記載のように、
請求項６に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記導電層と前記第２の仲介金属層との間に拡散防止金属層が介在することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【００１８】
また、本発明においては、請求項８に記載のように、
請求項６または７に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記導電層はＡｕ、Ａｌ、ＣｕまたはＡｇからなり、前記第２の仲介金属層はＴｉまたはＷからなり、前記仲介導体層はＷＳｉまたはＷＳｉＮからなることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【００１９】
また、本発明においては、請求項９に記載のように、
請求項７に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第２の仲介金属層がＴｉからなるときに、前記拡散防止金属層はＰｔからなることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【００２０】
また、本発明においては、請求項１０に記載のように、
請求項６ないし９のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第２の仲介金属層の厚さが６ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
【発明の効果】
【００２１】
エミッタコンタクト層とエミッタ電極との間にバリア金属層を介在させ、金属の拡散を抑制することによって、自己発熱および高電流密度動作下においても劣化を生じにくく、高電流密度まで安定して通電可能な高信頼電極を有し、より高い信頼度を達成可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することが可能となる。これによって、半導体集積回路のパワー設計自由度や使用環境温度の自由度を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、エミッタコンタクト層とエミッタ電極との間に、Ｍｏの融点以上の融点を有する単体金属または合金からなるバリア金属層を介在させることによって、エミッタコンタクト層への金属の拡散を抑制することをを特徴とする。
【００２３】
金属の融点が高くなれば、固体内で自己拡散の始まる温度、すなわちタンマン温度（上記特許文献１参照）も高くなり、同じ温度で比較すれば、金属原子の自己拡散が起こりにくくなり、それに応じて、他金属原子の拡散も起こりにくくなるので、Ｍｏを含めて、Ｍｏの融点以上の融点を有する単体金属または合金からなる層は、金属原子の拡散を抑制するバリア金属層として有効に働く。Ｍｏの融点以上の融点を有する単体金属としては、Ｍｏ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｗがある。
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態を、バリア金属層がＭｏからなり、Ｔｉからなる第１の仲介金属層が設けられている場合を例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
【００２５】
図１は本発明に係るＨＢＴの一例を示す断面図である。図において、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板１上に、例えばＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy）で順次結晶成長された、ｎ＋型ＩｎＰからなるサブコレクタ層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓからなるコレクタ層３、ｐ＋型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４、ｎ型ＩｎＰからなるエミッタ層５、ｎ＋型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタコンタクト層６が形成されている。エミッタメサ周辺部には外部ベース層を覆うようにエミッタ層を一部残した、レッジ構造が形成されている。
【００２６】
エミッタコンタクト層６上にバリア複合層１３が形成され、このバリア複合層１３は、図２に示したように、他金属と高密着性を示すＴｉからなる第１の仲介金属層１３−１と、高耐熱金属であるＭｏからなるバリア金属層１３−２とから構成される。
【００２７】
バリア複合層１３上にエミッタ電極７が形成され、エミッタ電極７上に金属配線層１２が設けられている。エミッタ電極７の構造は、図４に示す従来技術によるエミッタ電極７の構造（Ｔｉ（７−１）/Ｐｔ（７−２）/Ａｕ（７−３））と同一であり、金属配線層１２の構成は、例えば、Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｕ/Ｐｔ/Ｔｉとする。
【００２８】
したがって、本実施の形態例におけるエミッタ部の全体構成は、図３に示した従来技術によるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおけるエミッタ電極７とエミッタコンタクト層６との間にバリア複合層１３が挿入されてなる構成に相当する。
【００２９】
バリア金属層１３−２のＭｏは真空蒸着装置で蒸着が可能なので、図２、図４に示す金属層を一括して同じ蒸着装置の内部にて形成することができ、工程短縮も可能となる。
【００３０】
バリア複合層１３においては、第１の仲介金属層１３−１（Ｔｉ）の厚さを６ｎｍ、バリア金属層１３−２（Ｍｏ）の厚さを１０ｎｍとした。第１の仲介金属層１３−１の厚さは、密着度の確保のためには６ｎｍ以上であることが望ましく、その金属自体の拡散を抑制するためには１０ｎｍ以下であることが望ましい。バリア金属層１３−２の厚さは、エミッタ電極７からの金属の拡散を阻止するために１０ｎｍ以上であることが望ましく、厚くなるとともに応力が発生することが危惧されるので、３００ｎｍ以下であることが望ましい。バリア金属層１３−２としてＭｏを用いる場合、Ｍｏは蒸着中の温度上昇のため堆積膜厚に限界があるが、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下が、その後のエッチング工程も考慮した適切な厚さである。
【００３１】
本実施の形態例においては、第１の仲介金属層１３−１にＴｉを用いているが、Ｔｉ以外の、他金属との密着性が良好な金属を用いてもよく、また、バリア金属層１３−２とエミッタコンタクト層６との間の密着性に問題がない場合には、第１の仲介金属層１３−１を用いなくてもよい。
【００３２】
エミッタ電極７を形成する際は、はじめにＴｉ/Ｐｔ/Ａｕ/Ｐｔ/Ｔｉからなる金属層を形成し、コンタクトホール形成時に、上層部のＴｉおよびＰｔをエッチングによって除去して、Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｕの積層膜とする。はじめの金属層を蒸着で形成するときの膜厚は、Ｔｉ（３０ｎｍ）/Ｐｔ（２０ｎｍ）/Ａｕ（３５０ｎｍ）/Ｐｔ（３０ｎｍ）/Ｔｉ（７０ｎｍ）とした。各金属の挿入効果と拡散抑制のための効果的な膜厚は、第２の仲介金属層７−１（この場合にはＴｉ）の厚さは、密着度の確保のために６ｎｍ以上、その金属自体の拡散を抑制するために３０ｎｍ以下とすることが望ましい。また、Ｐｔ（７−２）の厚さは２０ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００３３】
エミッタ電極７の第２の仲介金属層７−１の材料としては、Ｔｉ、Ｗを用いることができ、第２の仲介金属層７−１に代えて、ＷＳｉ、ＷＳｉＮ等からなる仲介導体層を用いることができる。導電層７−３の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇを用いることができる。なお、第２の仲介金属層７−１の材料がＴｉ以外である場合には、拡散防止金属層７−２が不要となる場合もある。
【００３４】
本発明によるＨＢＴと従来技術によるＨＢＴとの比較通電試験を実施した。図６に、通電によるエミッタ抵抗の初期値からの変動を示す。図の縦軸は、エミッタ抵抗をその初期値で割って得た相対値である。通電条件は、環境温度が１９５℃、コレクタ電流密度は２ｍＡ/μｍ２である。従来技術によるＨＢＴでは抵抗の増加が１００時間程度で始まるのに対し、本発明によるＨＢＴでは抵抗増加は１０００時間程度まで抑えられている。Ｔｉ（第１の仲介金属層１３−１）の薄層化と高耐熱金属Ｍｏ（バリア金属層１３−２）によるＡｕ（７−３）の拡散抑制によりエミッタコンタクト層６の抵抗増加が抑制された。
【００３５】
エミッタ抵抗の変動を定量的に把握するために、抵抗の初期値からの変動が３％になる時間を判定条件とし、そのメディアン値の通電中の接合温度への依存性を調べた。その結果を図７に示す。図の縦軸は対数尺で、例えば、１．Ｅ＋０３は１×１０３を表し、横軸は、通電中の接合温度を絶対温度で表したもの（Ｔｊ）の逆数の１０００倍である。本発明によるＨＢＴ（図中、Ｔｉ/Ｍｏ/Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｕで表示）は、従来技術によるＨＢＴ（図中、Ｔｉ/Ｐｔ/Ａｕで表示）よりもエミッタ抵抗の増加に対する寿命が長く、従って本発明によるヘテロ接合バイボーラトランジスタのエミッタ部構造は、デバイスの安定化に有用であることがわかる。
【００３６】
なお、上記の実施の形態例において単層のバリア金属層を用いたが、バリア金属層を複数層用いてもよく、その場合のバリア金属層の厚さは、バリア金属層の厚さの合計であるとする。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るヘテロ接合バイボーラトランジスタ構造を説明する図である。
【図２】本発明に係るヘテロ接合バイボーラトランジスタのバリア複合層の構造を説明する図である。
【図３】従来技術によるヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造を説明する図である。
【図４】従来技術によるヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造のエミッタ電極構造を説明する図である。
【図５】従来技術によるヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造への金属配線層を説明する図である。
【図６】エミッタ抵抗変動の時間依存性を、従来技術によるヘテロ接合バイポーラトランジスタと本発明に係るヘテロ接合バイボーラトランジスタとの間で比較した図である。
【図７】エミッタ抵抗の３％増加のメディアン時間の接合温度依存性を、従来技術によるヘテロ接合バイポーラトランジスタと本発明に係るヘテロ接合バイボーラトランジスタとの間で比較した図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：半導体基板、２：サブコレクタ層、３：コレクタ層、４：ベース層、５：エミッタ層、６：エミッタコンタクト層、７：エミッタ電極、７−１：第２の仲介金属層、７−２：拡散防止金属層、７−３：導電層、８：コレクタ電極、９：ベース電極、１０：絶縁保護膜、１１：層間絶縁膜、１２：金属配線層、１２−１：第３の仲介金属層、１２−２：配線金属層、１３：バリア複合層、１３−１：第１の仲介金属層、１３−２：バリア金属層。
【図１】
2010034355.tif 000003
【図２】
2010034355.tif 000004
【図３】
2010034355.tif 000005
【図４】
2010034355.tif 000006
【図５】
2010034355.tif 000007
【図６】
2010034355.tif 000008
【図７】
2010034355.tif 000009