(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コレクタ層として機能するＳｉ層と、上記Ｓｉ層の上に形成されエミッタ層及びベース層として機能する半導体層を備えた半導体装置であって、
上記半導体層は、
組成がＳｉ1-x1-y1 Ｇｅx1Ｃy1（０＜ｘ１＜１，０．００３≦ｙ１＜１）で表される真性ベース層と、
上記真性ベース層の下方に真性ベース層に接して形成され、組成がＳｉ1-x2-y2 Ｇｅx2Ｃy2（０＜ｘ２＜１，０≦ｙ２＜ｙ１）で表されるスペーサ層とを有し、
上記スペーサ層におけるＣ含有率のプロファイルは一定であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記スペーサ層におけるＧｅ含有率のプロファイルは均一であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
上記スペーサ層のＣ含有率が上記真性ベース層のＣ含有率よりも低いことにより、コレクタ−ベース接合部の空乏層中の再結合中心が低減されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
Ｐ型不純物を上記真性ベース層は含み、上記スペーサ層は含まないことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記真性ベース層のＣ組成比ｙ１は、０．０１５以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記半導体層の上に設けられ、ポリシリコンからなるエミッタ電極をさらに備え、
上記半導体層と上記エミッタ電極との境界に自然酸化膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
上記スペーサ層のＣ組成比ｙ２は、０．００７以下であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、特に組成がＳｉ1-x-y Ｇｅx Ｃy （以下、単に「ＳｉＧｅＣ」ともいう）とで表されるＳｉＧｅＣヘテロバイポーラトランジスタ（ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話や無線ＬＡＮなどの無線通信機器が日常生活に浸透するに従い、高周波用ＩＣに対する要求が高まってきている。従来、コストの高い化合物半導体プロセスでしか製造が困難であった高周波領域で動作する半導体素子をシリコンプロセスを用いて製造することができると、コストや集積化の面で大きなメリットがある。半導体素子の中でも特にバイポーラトランジスタは無線通信用アナログ増幅回路に必須の素子であり、低消費電力で高周波動作するバイポーラトランジスタが強く求められている。
【０００３】
そこで、近年、高周波動作可能でしかも低消費電力のバイポーラトランジスタを実現するために、真性ベース層をＳｉＧｅ：Ｃ結晶のエピタキシャル成長技術を用いて形成し、ベース幅を非常に狭くしてキャリアのベース走行時間τF を小さくして高周波特性を向上させたヘテロバイポーラトランジスタ（ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴ）が実用化されている。
【０００４】
図７（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、従来より知られているＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの構成例を模式的に示す断面図、ならびに、エミッタ・ベース積層部のＧｅ含有率，Ｃ含有率及び不純物濃度のプロファイルを示す図である。
【０００５】
図７（ａ）に示すように、このＳｉＧｅＣ−ＨＢＴは、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板１０１上にエピタキシャル成長により形成されたＳｉエピタキシャル成長層１０２と、Ｓｉエピタキシャル成長層１０２を貫通してＳｉ基板１０１の一部に達する，ＨＢＴ領域を囲むディープトレンチ分離１０３と、エピタキシャル成長層１０２の一部に設けられたシャロートレンチ分離１０４と、Ｓｉ基板１０１とＳｉエピタキシャル成長層１０２とに亘って形成され高濃度のＮ型不純物（例えばヒ素（Ａｓ））を含む埋め込みＮ+ 層１０５と、Ｓｉエピタキシャル成長層１０２内にＮ型不純物（例えばリン（Ｐ））のイオン注入を行なって形成され埋め込みＮ+ 層１０５に接するＳＩＣ（Self-alignly Implanted Collector）層１０６とを備えている。そして、Ｓｉエピタキシャル成長層１０２のうちＳＩＣ層１０６の上方に位置するコレクタ層の上には、ＳｉＧｅＣ層やＳｉ層を積層してなるエミッタ・ベース積層部１２０が設けられている。
【０００６】
図７（ａ）の右上に拡大して示すように、エミッタ・ベース積層部１２０は、Ｓｉエピタキシャル成長層１０２（コレクタ層）の上にエピタキシャル成長されたＳｉＧｅＣスペーサ層１２１と、ＳｉＧｅＣスペーサ層１２１の上にエピタキシャル成長された高濃度のボロンを含むＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２と、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２の上にエピタキシャル成長されたＳｉキャップ層１２３と、Ｓｉキャップ層１２３内にＮ型不純物（例えばリン（Ｐ））をドープしてなるエミッタ層１２５とを有している。
【０００７】
また、エミッタ・ベース積層部１２０の側方には外部ベース層１１１が設けられ、エミッタ・ベース積層部１２０の上には、エミッタ開口部を囲む絶縁層１１３と、絶縁層１１３に囲まれエミッタ開口部においてエミッタ層１２５に接触するエミッタ電極１１２とが設けられている。エミッタ電極１１２は、高濃度のＮ型不純物（例えばリン（Ｐ））を含むポリシリコンによって構成されており、エミッタ電極１１２中のリン（Ｐ）を熱処理によってＳｉキャップ層１２３内に拡散させることにより、エミッタ層１２５が形成される。なお、コレクタウォール層１０７の上部及びエミッタ電極１１２の上部は、それぞれシリサイド層１０７ａ，１１２ａとなっている。
【０００８】
図７（ａ）に示すＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの構造は、従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの一例を示すものであって、図７（ａ）に示す構造以外の構造を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴが提案され、あるいは実用化されているが、図７（ａ）の右上に示すようなエミッタ・ベース積層部を有しているものが一般的である。
【０００９】
ここで、図７（ｂ）は、図７（ａ）の右上に示すＳｉＧｅＣ−ＨＢＴ中のエミッタ・積層部の具体的な例であって、文献（D．Knoll他１０名（Institute of Semiconductor Physics：IHP）、"Si/SiGe:C Heterojunction Bipolar Transistors in an Epi−Free Well, Single−Polysilicon Technology" IEEE IEDM98 p.703 ）に記載されたものである。
【００１０】
図７（ｂ）の横軸はＳｉキャップ層１２３の上面からの深さを表し、図７（ｂ）の縦軸は、Ｇｅ含有率（実線），Ｃ含有率（破線）及びＢ（ボロン）濃度（一点鎖線）を表している。ただし、ボロン濃度（atoms ／ｃｍ3 ）と、Ｇｅ，Ｃ含有率（％）とは異なる単位で表される。
【００１１】
図７（ｂ）に示すように、Ｇｅ含有率のプロファイルは、ＳｉＧｅＣスペーサ層１２１においてほぼ均一の含有率（２５％程度）を示し、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２においては、ＳｉＧｅＣスペーサ層１２１に接する端部ではＳｉＧｅＣスペーサ層１２１と同じ含有率（２５％程度）で、Ｓｉキャップ層１２３に接する端部ではＳｉキャップ層１２３と同じ含有率（０％）となるように傾斜した含有率を示している。また、Ｃ含有率のプロファイルは、ＳｉＧｅＣスペーサ層１２１とＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２とにおいては、低い一定の含有率（０．１％程度）を示している。
【００１２】
図８は、図７（ｂ）に示す構造を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのエミッタ・ベース接合部を通過する縦断面におけるエネルギーバンド図である。ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの動作時には、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２にエミッタ層１２５に対して正の電圧が印加されるので、エミッタ層１２５のポテンシャルが相対的に上昇し、図８に示すように、エミッタ層１２５→ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２→ＳｉＧｅＣスペーサ層１２１（→コレクタ層）に向かって伝導帯Ｅｃを電子ｅが走行する。そのとき、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２が傾斜組成を有していることで、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２のポテンシャルが傾斜しているので、電子がより高速でＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２を走行することになる。
【００１３】
一般に、ＳｉＧｅ層をＳｉ層の上にエピタキシャル成長させると、Ｇｅ原子はＳｉ原子よりも格子定数が大きいため、ＳｉＧｅ層には比較的大きな歪が発生する。歪が発生しているＳｉＧｅ層のバンドギャップＥｇは、Ｓｉ層のバンドギャップよりも小さくなり、通常Ｇｅ１％あたり７．５ｍｅＶ程度小さくなる。このことを利用するために、真性ベース層のＧｅ含有率をコレクタ側に向かって段階的に増大させて、Ｇｅプロファイルを傾斜させる。真性ベース層においてＧｅ含有率がコレクタ側に向かって段階的に増大するように、Ｇｅプロファイルを傾斜させると、真性ベース層の伝導帯Ｅｃのポテンシャルがエミッタ側からコレクタ側に向かって徐々に低下していくために、ベースを通過する電子が加速されてすばやくコレクタに到達し素子の動作速度を向上させることができる。また、Ｇｅを含有していることにより、バンドギャップＥｇが小さくなるため、真性ベース層に印加する電圧Ｖｂｅが小さくてもコレクタ電流Ｉｃが多く流れるようになり、ヘテロ接合によるポテンシャルバリアのためにベース電流Ｉｂが少なくなり、電流増幅率ｈFEを向上させることができる。このため、真性ベース層の不純物（Ｂなど）の濃度を高くしても電流増幅率ｈFEがそれほど低下せず、電流増幅率ｈFEを高く保ったままベース抵抗を低減することができる。ＳｉＧｅヘテロバイポーラトランジスタ（ＳｉＧｅ−ＨＢＴ）の基本的な利点は、以上の通りである。
【００１４】
一方、真性ベース層にカーボン（Ｃ）を含有させてＳｉＧｅＣ真性ベース層とする理由は、以下の通りである。ＮＰＮバイポーラトランジスタにおいては、ベース層にボロンがドープされるが、ＳｉＧｅ真性ベース層におけるボロンの拡散により、ベース抵抗が増大したり、ベース幅の拡大によって電子のベース走行時間が長くなるなどの不具合が発生する。熱処理時のThermal Enhanced Diffusion（ＴＥＤ）によってボロンが拡散するために、ベース幅を例えば２０ｎｍ以下に形成することは困難であった。しかし、熱処理は不純物を活性化させるために必要不可欠である。また、ベース幅を狭く形成する際には、パンチスルーを防ぎ、ベース抵抗を低減するために不純物濃度を高くしなければならない。ベース幅を例えば２０ｎｍ以下にするためには、１×１０19atoms ／ｃｍ3 以上のボロン濃度が必要となる。
【００１５】
そこで、ＳｉＧｅ層にカーボン（Ｃ）を含有させることにより、ボロンの拡散を抑制することができるため、ＳｉＧｅＣ真性ベース層を設けた場合には、熱処理後も高濃度のボロンを幅の狭いベースに閉じ込めておくことが可能となる。カーボンは約０．１%以上の濃度で効果があることが明らかになっている。つまり、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のボロンの拡散が抑制されている結果、ＳｉＧｅＣ真性ベース層におけるＢ濃度を高濃度に維持することが可能になる。
【００１６】
ここで、上記文献の例では、ＳｉＧｅＣ真性ベース１２２に、カーボン（Ｃ）を約１０20atoms ／ｃｍ3 （約０．１％）含ませているので、ベース幅を狭くして電子のベース走行時間τF を短縮し、高速動作させることが可能となる。例えば、遮断周波数ｆTmaxが６５ＧＨｚで、最大発振周波数ｆmax が９０ＧＨｚ程度の高速動作が実現されている。
【００１７】
【非特許文献】
D．Knoll他１０名（Institute of Semiconductor Physics：IHP）、"Si/SiGe:C Heterojunction Bipolar Transistors in an Epi−Free Well, Single−Polysilicon Technology" IEEE IEDM98 p.703
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記文献に開示されているエミッタ・ベース積層部を有する従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、以下のような不具合がある。
【００１９】
一般に、無線通信機器等の差動増幅器など大多数の回路においては、複数のＨＢＴ間の電流増幅率ｈFE（β）のばらつきが小さいことが求められる。しかし、上記従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、電流増幅率ｈFEのばらつきを十分小さく抑制することが困難である。電流増幅率ｈFEはコレクタ電流Ｉｃとベース電流Ｉｂとの比である。ところが、ＵＨＶ−ＣＶＤ等のエピタキシャル成長によりエミッタ・ベース積層部を形成した後、エミッタ・ベース積層部の上にエミッタ電極となるポリシリコン膜を堆積する前に、ポリシリコン膜の堆積前の洗浄後や、高温のＣＶＤ炉内でのポリシリコン成長の際にエピタキシャル成長層（エミッタ・ベース積層部）の表面に不均一なＳｉＯ2 層（自然酸化膜）が形成される。そして、エミッタ・ベース積層部のＳｉキャップ層とエミッタ電極との界面に形成される自然酸化膜の不均一性により、エミッタ拡散のばらつきや自然酸化膜自身によるホールバリア等の不均一性が存在する。そして、これらの不均一性によってベース電流Ｉｂに大きなばらつきが発生し、このベース電流Ｉｂのばらつきが電流増幅率ｈFEのばらつきの大きな要因となっている。
【００２０】
また、ホールバリアのためにベース電流Ｉｂが減少し、結果的に電流増幅率ｈFEがの値が増大する。電流増幅率ｈFEが増大すると、エミッタ・コレクタ間耐圧ＢＶceo が低下することが知られており、従来のＨＢＴではエミッタ・コレクタ間耐圧ＢＶceo が低下するおそれがあった。
【００２１】
さらに、ＳｉＧｅＣ真性ベース層中のＣ含有率が高い領域では、一般的な意味でのＣによるトラップ準位が発生し、このトラップ準位が増大することによりアーリー電圧が低下することが予想される。
【００２２】
本発明の目的は、エミッタ・ベース積層部を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴとして機能する半導体装置において、アーリー電圧の低下を抑制しつつ、自然酸化膜の形成の不均一性に起因する電流増幅率のばらつきを抑制することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、コレクタ層として機能するＳｉ層と、上記Ｓｉ層の上に形成されエミッタ層及びベース層として機能する半導体層を備えた半導体装置であって、上記半導体層は、組成がＳｉ1-x1-y1 Ｇｅx1Ｃy1（０＜ｘ１＜１，０．００３≦ｙ１＜１）で表される真性ベース層と、上記真性ベース層の下方に真性ベース層に接して形成され、組成がＳｉ1-x2-y2 Ｇｅx2Ｃy2（０＜ｘ２＜１，０≦ｙ２＜ｙ１）で表されるスペーサ層とを有し、上記スペーサ層におけるＣ含有率のプロファイルは一定である。
【００２４】
これにより、自然酸化膜の影響を受けないベース電流の増大によるベース電流のばらつきが低減するとともに、アーリー電圧の低下が抑制されるので、電流増幅率ｈFEの増加に起因するエミッタ・コレクタ間耐圧ＢＶceo の低下を抑制し、電流増幅率ｈFEのばらつきの低減を図ることができる。
【００２５】
上記真性ベース層のＣ組成比ｙ１は、０．０１５以下であることが好ましい。
【００２６】
上記半導体層の上に設けられ、ポリシリコンからなるエミッタ電極をさらに備え、上記半導体層と上記エミッタ電極との境界に自然酸化膜が形成されていることにより、半導体層とポリシリコンからなるエミッタ電極との境界に形成される自然酸化膜の不均一性があっても、電流増幅率のばらつきの低減を図ることができる。
【００２７】
上記半導体層は、Ｓｉキャップ層をさらに備え、上記Ｓｉキャップ層、又は上記Ｓｉキャップ層にエミッタ層が形成されていることが好ましい。
【００２８】
上記スペーサ層のＣ組成比ｙ２は、０．００７以下であることにより、半導体装置のアーリー電圧をより適正な範囲に維持することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
−ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの構造−
図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、本発明の第１の実施形態に係るＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの構成例を模式的に示す断面図、ならびに、エミッタ・ベース積層部のＧｅ含有率，Ｃ含有率及び不純物濃度のプロファイルを示す図である。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴは、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１上にエピタキシャル成長により形成されたＳｉエピタキシャル成長層２と、Ｓｉエピタキシャル成長層２及びＳｉ基板１に亘って設けられたディープトレンチ分離３と、エピタキシャル成長層２に設けられたシャロートレンチ分離４と、Ｓｉ基板１とＳｉエピタキシャル成長層２とに亘って形成され高濃度のＮ型不純物（例えばヒ素（Ａｓ））を含む埋め込みＮ+ 層５と、Ｓｉエピタキシャル成長層２内にＮ型不純物（例えばリン（Ｐ））のイオン注入を行なって形成され埋め込みＮ+ 層５に接するＳＩＣ（Self-alignly Implanted Collector）層６と、コレクタウォール層７とを備えている。そして、Ｓｉエピタキシャル成長層２のうちＳＩＣ層６の上方に位置するコレクタ層の上には、ＳｉＧｅＣ層やＳｉ層を積層してなるエミッタ・ベース積層部２０が設けられている。このようなＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの概略構造は、従来から知られている構造である。
【００３１】
ここで、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの特徴について説明する。図１（ａ）の右上に拡大して示すように、エミッタ・ベース積層部２０は、Ｓｉエピタキシャル成長層２（コレクタ層）の上にエピタキシャル成長されたＳｉＧｅＣスペーサ層２１と、ＳｉＧｅＣスペーサ層２１の上にエピタキシャル成長された高濃度のボロンを含むＳｉＧｅＣ真性ベース層２２と、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２の上にエピタキシャル成長されたＳｉキャップ層２３と、Ｓｉキャップ層２３内にＮ型不純物（例えばリン（Ｐ））をドープしてなるエミッタ層２５とを有している。
【００３２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の右上に示すＳｉＧｅＣ−ＨＢＴ中のエミッタ・積層部２０の具体的な構造を示している。図１（ｂ）の横軸はＳｉキャップ層２４の上面からの深さを表し、図１（ｂ）の縦軸は、Ｇｅ含有率（実線），Ｃ含有率（破線）及びＢ（ボロン）濃度（一点鎖線）を表している。ただし、ボロン濃度（atoms ／ｃｍ3 ）と、Ｇｅ，Ｃ含有率（％）とは異なる単位で表される。
【００３３】
図１（ｂ）に示すように、Ｇｅ含有率のプロファイルは、ＳｉＧｅＣスペーサ層２１においてほぼ均一の含有率（２５％程度）を示し、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２においては、ＳｉＧｅＣスペーサ層２１に接する端部ではＳｉＧｅＣスペーサ層２１と同じ含有率（本実施形態では２５％程度）で、Ｓｉキャップ層２３に接する端部では０％となるように傾斜した含有率を示している。また、Ｃ含有率のプロファイルは、ＳｉＧｅＣスペーサ層２１では一定の低い含有率（０．２％）を示し、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２とにおいては、従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおけるＳｉＧｅＣ真性ベース層に比べて高い一定のＣ含有率（０．８％程度）を示している。
【００３４】
このように、エミッタ・ベース積層部２０において、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２のＣ含有率を高くしている点と、ＳｉＧｅＣスペーサ層２１のＣ含有率をＳｉＧｅＣ真性ベース層２２のＣ含有率よりも低くしている点とが、本発明の特徴である。
【００３５】
つまり、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２の組成をＳｉ1-x1-y1 Ｇｅx1Ｃy1と表し、ＳｉＧｅＣスペーサ層２１の組成をＳｉ1-x2-y2 Ｇｅx2Ｃy2と表すと、下記の条件
０＜ｘ１＜１，０．００３＜ｙ１＜１
０＜ｘ２＜１，０≦ｙ２≦ｙ１
が成立している。その根拠については、後述する。
【００３６】
また、従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴと同様に、エミッタ・ベース積層部２０の側方には外部ベース層１１が設けられ、エミッタ・ベース積層部２０の上には、エミッタ開口部を囲む絶縁層１３と、絶縁層１３に囲まれエミッタ開口部においてエミッタ層２５に接触するエミッタ電極１２とが設けられている。エミッタ電極１２は、高濃度のＮ型不純物（例えばリン（Ｐ））を含むポリシリコンによって構成されており、エミッタ電極１２中のリン（Ｐ）を熱処理によってＳｉキャップ層２３内に拡散させることにより、エミッタ層２５が形成される。なお、コレクタウォール層７の上部及びエミッタ電極１２の上部は、それぞれシリサイド層７ａ，１２ａとなっている。
【００３７】
−ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの製造工程−
図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの製造工程を示す断面図である。
【００３８】
図２（ａ）に示す工程で、Ｓｉ基板１の一部に高濃度のＮ型不純物（例えばヒ素（Ａｓ））のイオン注入を行なって、埋め込みＮ+ 層５を形成した後、Ｓｉ基板上にＳｉ結晶をエピタキシャル成長させて、Ｓｉエピタキシャル成長層２を形成する。次に、Ｓｉエピタキシャル成長層２にシャロートレンチを形成した後、シャロートレンチの一部にＳｉエピタキシャル成長層２を貫通してＳｉ基板１内に延びるディープトレンチを形成する。そして、ディープトレンチの側壁酸化とポリシリコンの埋め込みを行なって、ディープトレンチ分離３を形成する。また、ディープトレンチが形成されなかったシャロートレンチには酸化膜を埋め込んでシャロートレンチ分離４を形成する。その後、コレクタ抵抗を下げてレトログレードコレクタプロファイルとして素子性能を上げるために、リン（Ｐ）のイオン注入を行なってＳｉエピタキシャル成長層２中にＳＩＣ層６を形成する。
【００３９】
次に、図２（ｂ）に示す工程で、ＵＨＶ−ＣＶＤ法により、Ｓｉエピタキシャル成長層２の上に、２５％のＧｅ，含有率が０．２％のＣ，及び残部を占めるＳｉによって構成され厚さ２５ｎｍのＳｉＧｅＣスペーサ層２１と、含有率が２５％から０％まで傾斜したＧｅ，含有率が０．８％のＣ，及び残部を占めるＳｉによって構成され、濃度１．４×１０19atoms ／ｃｍ3 のボロン（Ｂ）がドープされた，厚さ２０ｎｍのＳｉＧｅＣ真性ベース層２２と、厚さ３０ｎｍのＳｉキャップ層２３とを形成する。つまり、図１（ａ）の右上に示すエミッタ・ベース積層部２０を形成する。また、ＳｉＧｅＣ層をエピタキシャル成長する際に、エミッタ・ベース積層部２０の側方に外部ベース層１１が同時に形成される。
【００４０】
なお、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２におけるカーボン濃度は０．８％でなくても０．３％以上であれば一定の効果がある。
【００４１】
その後、図２（ｃ）に示す工程で、基板上に、濃度が約３×１０20atoms ／ｃｍ3 のリン（Ｐ）を含むポリシリコン膜を堆積し、９１０℃のＲＴＡ熱処理によりリンをポリシリコン中に拡散させてエミッタ電極１２を形成し、Ｃｏシリサイド層７ａ，１２ａを形成するなどして低抵抗化しつつ配線を形成する。エミッタ電極１２と、エミッタ・ベース積層部２０の最上部を示すＳｉキャップ層２３との間には、ポリシリコン膜の堆積時に形成される自然酸化膜が存在し、この自然酸化膜の不均一性によってベース電流のばらつき，つまり電流増幅率のばらつきが発生することになる。
【００４２】
ここで、従来のＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２及びスペーサ層１２１には０．１％程度のカーボン（Ｃ）が含まれ、本実施形態のＳｉＧｅＣ真性ベース層２２には０．８％程度のカーボン（Ｃ）が含まれ、本実施形態のＳｉＧｅＣスペーサ層２１には０．２％程度のカーボン（Ｃ）が含まれている。
【００４３】
なお、ボロン（Ｂ）がＳｉキャップ層中に１×１０18atoms ／ｃｍ3 程度ドープされているのは、エミッタ−ベース接合付近の再結合電流を抑制して、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのリニアリティを向上させる働きがあるからである。
【００４４】
また、本実施形態のエミッタ・ベース積層部２０において、高濃度のＢがドープされたＳｉＧｅＣ真性ベース層２２の下方，つまりベース・コレクタ接合側にＳｉＧｅＣスペーサ層２１が設けられている。ＳｉＧｅＣスペーサ層２１は、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２にドープされたＢがＳｉＧｅＣ−Ｓｉ界面を越えてＳｉエピタキシャル成長層１中のコレクタ層まで拡散してパラスティックバリアが形成され、素子の性能が低下するのを防ぐために設けられている。
【００４５】
ここで、「パラスティックバリア」とは、ＳｉＧｅＣ（又はＳｉＧｅ）層（ここでは真性ベース層）に接するＳｉ層（ここではＳｉエピタキシャル層１中のコレクタ層）がＢの拡散によってＰ型となり、ＳｉのバンドギャップがＳｉＧｅよりも大きいために、ＳｉＧｅＣ−Ｓｉ界面のＳｉ側に形成されるポテンシャル障壁をいう。ポテンシャル障壁は電子の走行を妨げるため、ポテンシャル障壁が存在すると素子の性能が大幅に低下する。
【００４６】
ところが、ＳｉＧｅＣスペーサ層のＣ含有率が高すぎると、アーリー電圧が低下してＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの動作特性が悪化するという不具合も存在することがわかった。そこで、本実施形態においては、ＳｉＧｅＣスペーサ層２１のＣ含有率をＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率よりも低くしている。
【００４７】
−本発明の作用効果−
本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２のＧｅ含有率がコレクタ側に向かって増大するように、Ｇｅプロファイルが傾斜しているので、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２の伝導帯Ｅｃのポテンシャルがエミッタ側からコレクタ側に向かって徐々に低下しているために、ベースを通過する電子が加速されてすばやくコレクタに到達し素子の動作速度を向上させることができる。また、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２にＧｅが含まれていることにより、バンドギャップＥｇが小さくなるため、ベース−エミッタ間に印加される電圧Ｖbeが小さくてもコレクタ電流Ｉｃが多く流れるようになり、相対的にベース電流Ｉｂが少なくなり、電流増幅率ｈFEを向上させることができる。このため、真性ベース層の不純物（Ｂなど）の濃度を高くしても電流増幅率ｈFEがそれほど低下せず、電流増幅率ｈFEを高く保ったままベース抵抗を低減することができるというＳｉＧｅヘテロバイポーラトランジスタ（ＳｉＧｅ−ＨＢＴ）の一般的な効果を発揮することができる。ただし、本発明のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２が傾斜Ｇｅ含有率を有していることは、必ずしも必要ではない。
【００４８】
また、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２がカーボン（Ｃ）を含有しているので、真性ベース層におけるボロンの拡散を抑制することができるため、熱処理後も高濃度のボロンを幅の狭いＳｉＧｅＣ真性ベース層２２内に閉じ込めておくことが可能となる。つまり、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２のボロンの拡散が抑制されている結果、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２におけるＢ濃度が１．４×１０19atoms ／ｃｍ3 という高濃度に維持されている。この効果は、従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいても、同様に発揮される効果である。
【００４９】
ここで、図１（ｂ）に示す本実施形態のエミッタ・ベース積層部２０における不純物プロファイルを、図７（ｂ）に示す従来のＨＢＴの不純物プロファイルと比較すると、図７（ｂ）に示す従来のＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２におけるカーボン含有率（Ｃ含有率）は０．１％であるが、図１（ｂ）に示す本実施形態のＳｉＧｅＣ真性ベース層２２のＣ含有率は０．８％と高くなっている。この点が、本発明のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの１つの特徴である。
【００５０】
ただし、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が１．５％（組成比で０．０１５）を越えると、ＳｉＧｅＣ真性ベース層の結晶性が悪化することで、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの動作速度が低下することが、これまでに作成したサンプルについての実験からわかっている。よって、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率は、１．５％以下であることが望ましい。
【００５１】
図３は、各種ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのサンプルのコレクタ電流Ｉｃ，ベース電流Ｉｂ及びアーリー電圧Ｖａを表にして示す図である。ここで、サンプルＡは、ＳｉＧｅＣスペーサ層とＳｉＧｅＣ真性ベース層とが同じＣ含有率（０．５％）を有しているＳｉＧｅＣ−ＨＢＴである。サンプルＢは、ＳｉＧｅＣスペーサ層のＣ含有率（０．２％）がＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率（０．８％）よりも大幅に低いＳｉＧｅＣ−ＨＢＴである。サンプルＣは、ＳｉＧｅＣスペーサ層のＣ含有率（０．２％）がＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率（０．５％）の半分よりもやや低いＳｉＧｅＣ−ＨＢＴである。図３に示すデータは、各部の形状や不純物濃度を図１で説明したように設定して得られたものである。また、コレクタ電流Ｉｃ及びベース電流Ｉｂは、ベース電圧として０．８Ｖを印加したときのデータである。
【００５２】
同図に示すように、ベース電圧０．８Ｖのときのコレクタ電流Ｉｃは、サンプルＡ，Ｃは２．２×１０-3Ａ付近の値であり、ほぼ同じと考えられるが、サンプルＢにおいては１．４×１０-3Ａとかなり小さい。一方、ベース電圧０．８Ｖのときのベース電流Ｉｂは、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が０．８％であるサンプルＢが、サンプルＡ，Ｃの２倍程度である。これは、ＳｉＧｅＣ真性ベース層中のＣ含有率がベース電流Ｉｂを決定していることを示していると考えられる。また、アーリー電圧Ｖａの比較においては、ＳｉＧｅＣスペーサ層とＳｉＧｅＣ真性ベース層とでに同じＣ含有量０．５％を有しているサンプルＡのアーリー電圧が約２２Ｖしかないのに対し、ＳｉＧｅＣスペーサ層のＣ含有率がＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率よりも低いサンプルＢ，Ｃでは、それぞれ４６Ｖ，６０Ｖとかなり高い。一般に、アーリー電圧Ｖａ１０Ｖ程度以上であることが求められる。したがって、図３及び図６のデータから、ＳｉＧｅＣスペーサ層のＣ含有率は、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率以下であることが好ましく、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率よりも低いことがさらに好ましいことがわかる。
【００５３】
また、サンプルＢでは、電流増幅率ｈFEが約３３であり、サンプルＡ，Ｃに比べてベース電流Ｉｂが増加して、電流増幅率ｈFEが低下していることがわかる。これにより、サンプルＢでは、エミッタ・コレクタ間耐圧ＢＶceo が約３．１であり、サンプルＡ，Ｃに比べてエミッタ・コレクタ間耐圧ＢＶceo が向上するという効果があることがわかる。
【００５４】
以上により、ＳｉＧｅＣ真性ベース層の組成をＳｉ1-x1-y1 Ｇｅx1Ｃy1と表し、ＳｉＧｅＣスペーサ層の組成をＳｉ1-x2-y2 Ｇｅx2Ｃy2と表すと、下記の条件
０＜ｘ１＜１，０．００３＜ｙ１＜１
０＜ｘ２＜１，０≦ｙ２≦ｙ１
が成立していることにより、本発明の作用効果が得られることがわかる。
【００５５】
また、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のカーボン（Ｃ）含有率を従来の値（例えば０．１〜０．２％）から０．３％以上まで高めることにより、ベース電流Ｉｂのばらつきを減少させることができることが実験的に確認された。このようなベース電流Ｉｂのばらつきの低減原理については、まだ十分解明されていないが、実験事実である。本発明者達は、この原理について以下のように考えている。
【００５６】
図４は、本発明者達が現在妥当と考えているＣ含有量の増大に起因するベース電流の増大原理を示す図である。ＳｉＧｅＣ結晶中においてカーボン（Ｃ）の含有率が高くなると、ＳｉＧｅＣ結晶中で格子間に位置するＣが増大し、同図に示すような再結合中心（本実施例ではカーボンに起因した点欠陥など）が発生する。そして、再結合中心を介して価電子帯Ｅｃから伝導帯Ｅｃに電子が励起されやすくなる。この再結合中心により流れる電流のことをNeutral Base Recombination（ＮＢＲ）と呼び、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、この現象が生じていると考えられる。そして、伝導帯Ｅｃに電子が励起される結果、価電子帯Ｅｖには、ホールが発生する。つまり、格子間カーボン等による再結合中心を介して電子がＳｉＧｅＣ真性ベース層からコレクタ側に流れ、同時に発生したホールがエミッタ層に流れ、エミッタ層で再結合により消滅する。以上のような原理により、ベース電流Ｉｂが増大すると考えられる。
【００５７】
そもそも、ベース電流値の変動の原因は、図２（ｂ）又は（ｃ）に示す工程で、主にＳｉキャップ層とポリシリコン電極（エミッタ電極）との界面付近に形成される自然酸化膜の不均一性にある。しかし、図４に示す原理が正しいかどうかは別として、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率の増大によって得られるベース電流Ｉｂの増加は、データ（事実）からみて、Ｃ含有率によって定まり、ほとんど自然酸化膜の不均一性の影響を受けないホールの流れによるものと考えられる。したがって、ベース電流Ｉｂの増加は、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率によって定まる。そして、Ｃ含有率によって増加するベース電流Ｉｂがベース電流Ｉｂのばらつき成分よりも大きくなると、急激にベース電流Ｉｂのばらつきは小さくなる。ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が高くなるほど電流増幅率ｈFEのばらつきは小さくなることがわかるが、Ｃ含有率が０．３％以上の場合には、電流増幅率ｈFEのばらつきが特に顕著に減少する。
【００５８】
図５は、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおけるＳｉＧｅＣ真性ベース層の直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にするとともに、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を高めたときのガンメル特性の変化を示す図である。
【００５９】
同図に基づいて、ベース電流Ｉｂとコレクタ電流Ｉｃの特性を理解することができ、ＮＢＲによりベース電流値が増大する様子がわかる。ベース電流値の変動は主にエミッタ電極−Ｓｉキャップ層間の界面付近に形成される自然酸化膜の不均一性によるリン拡散のばらつきまたは酸化膜自身によるホールバリアが原因であった。しかし、上述のように、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を高めたことによるベース電流の増加は、自然酸化膜の不均一性の影響をほとんど受けないために、ベース電流全体のばらつきが低減する。特に、Ｃ含有率の増大によるベース電流Ｉｂの増加量が、ベース電流Ｉｂのばらつき範囲よりも大きくなると、急激にベース電流Ｉｂのばらつきは小さくなる。このことから、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を高めるほど、電流増幅率ｈFEのばらつきは小さくなることがわかった。ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を０．２％，０．５％，０．８％と変化させた場合の電流増幅率ｈFEのばらつきを評価すると、それぞれ、約６１％，約２０％，約２４％であった。比較のために検討した従来構造のＨＢＴにおける電流増幅率ｈFEのばらつきが約６０％であることから、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を０．５％に高めることにより、急激に電流増幅率ｈFEのばらつきが減少しており、０．３％以上のＣ含有率であれば効果があるのではないかと考えられる。
【００６０】
次に、アーリー電圧を適正範囲に維持するために好ましいＳｉＧｅＣスペーサ層のＣ含有率について説明する。
【００６１】
図６は、同じＣ含有率のＳｉＧｅＣスペーサ層とＳｉＧｅＣ真性ベース層とを備えたＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのサンプルのＣ含有率に対するアーリー電圧Ｖａの変化を示す図である。一般に、カーボン（Ｃ）が真性ベース層中に多く含まれている場合、Ｃ含有率が高くなるほどアーリー電圧Ｖａが低下することがわかっている。これは、ベース層中にカーボン（Ｃ）が多く含まれている場合、Ｃがコレクタ−ベース接合部（ＣＢ接合部）の空乏層中の再結合中心となるため、再結合電流が増加することが原因であると考えられる。
【００６２】
特性上、アーリー電圧Ｖａは高いことが望ましい。本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、ＳｉＧｅＣスペーサ層２１のＣ含有率がＳｉＧｅＣ真性ベース層２２のＣ含有率よりも低いために、電流増幅率ｈFEのばらつきを低減するという本質的な効果を保ちつつ、アーリー電圧Ｖａの低下を防ぐことができる。
【００６３】
特に、図６に示されているように、アーリー電圧Ｖａが１０Ｖ以上になるようにするには、ＳｉＧｅＣスペーサのＣ含有率を０．７％以下にすることが好ましい。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によると、ＳｉＧｅＣ真性ベース層を備えたヘテロバイポーラトランジスタとして機能する半導体装置において、ＳｉＧｅＣ真性ベース層の下方に、Ｃ含有率がＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率以下であるＳｉＧｅＣスペーサ層を設けたので、アーリー電圧の低下を抑制しつつ、電流増幅率のばらつきの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、本発明の第１の実施形態に係るＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの構成例を模式的に示す断面図、ならびに、エミッタ・ベース積層部のＧｅ含有率，Ｃ含有率及び不純物濃度のプロファイルを示す図である。
【図２】  （ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの製造工程を示す断面図である。
【図３】  各種ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのサンプルのコレクタ電流，ベース電流及びアーリー電圧を表にして示す図である。
【図４】  Ｃ含有量の増大に起因するベース電流の増大原理を示す図である。
【図５】  直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にするとともに、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を高めたときのガンメル特性の変化を示す図である。
【図６】  スペーサ層を含むベース層のＣ含有率に対するアーリー電圧の変化を示す図である。
【図７】  （ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、従来より知られているＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの構成例を模式的に示す断面図、ならびに、エミッタ・ベース積層部のＧｅ含有率，Ｃ含有率及び不純物濃度のプロファイルを示す図である。
【図８】  図７（ｂ）に示す構造を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのエミッタ・ベース接合部を通過する縦断面におけるビルトインポテンシャルを示すエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１    Ｓｉ基板
２    Ｓｉエピタキシャル成長層
３    ディープトレンチ分離
４    シャロートレンチ分離
５    埋め込みＮ+ 層
６    ＳＩＣ層
７    コレクタウォール層
１１  外部ベース層
１２  エミッタ電極
１３  絶縁層
２０  エミッタ・ベース積層部
２１  ＳｉＧｅＣスペーサ層
２２  ＳｉＧｅＣ真性ベース層
２３  Ｓｉキャップ層
２５  エミッタ層
【図１】
0003643100.tif 000002
【図２】
0003643100.tif 000003
【図３】
0003643100.tif 000004
【図４】
0003643100.tif 000005
【図５】
0003643100.tif 000006
【図６】
0003643100.tif 000007
【図７】
0003643100.tif 000008
【図８】
0003643100.tif 000009