(57)【要約】【課題】ヘテロ接合型バイポーラトランジスタの歪み特性（IIP2、IIP3）を向上させることを目的とする。【解決手段】第１導電型半導体からなるエミッタ領域およびコレクタ領域と第２導電型半導体からなるベース領域を有するバイポーラトランジスタにおいて、ＳｉＧｅに酸素または炭素を加えることにより、ベース領域もしくはベース領域からエミッタ領域にかけた部分にライフタイムの短い領域がひとつ以上あることを特徴とする。この結果、ベース・エミッタ部分で再結合電流が増えて、小数キャリアの蓄積が減ることで、ベース電圧の変動に対する応答性がよくなり、三次および二次相互変調歪み特性（IIP3、IIP2）が向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体からなるエミッタ領域およびコレクタ領域と第２導電型半導体からなるベース領域を有するバイポーラトランジスタにおいて、前記ベース領域もしくは前記ベース領域と前記エミッタ領域の接合部分にライフタイムの短い領域がひとつ以上あることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ライフタイムが６×１０-8秒以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記エミッタ領域およびコレクタ領域が主としてシリコン半導体からなり、前記ベース領域が主としてシリコンゲルマニウム半導体からなり、前記ライフタイムの短い領域が、酸素を含有するシリコンゲルマニウム半導体もしくは炭素を含有するシリコンゲルマニウム半導体によって形成されることを特徴とする請求項１から請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の半導体装置であって、動作点における電流増幅率が３０以下となることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１から請求項３の半導体装置であって、動作点におけるエミッタ面積１平方マイクロメートルあたりのベース電流が２．５×１０-6アンペアより大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５の半導体装置を用いることを特徴とした増幅器もしくはミキサーを構成する高周波回路。
【請求項７】
請求項１から５の半導体装置を用いることを特徴とした集積回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歪み特性に優れたバイポーラトランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ベース層にシリコンゲルマニウム(SiGe)半導体を用いたヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（HBT）が実現されるようになり、移動体通信機器などのアナログ高周波回路においてもシリコン系半導体デバイスが用いられるようになった。それにともない、このようなバイポーラトランジスタに対し、より一層の高周波特性向上が求められるようになり、様々なデバイス・プロセスの工夫がなされている。
【０００３】
向上を必要とされる主な特性は、遮断周波数（fT）や最高発振周波数（fmax）、耐圧、電流利得（hFE）、三次および二次相互変調歪み特性（IIP3、IIP2）であり、なかでも歪み特性は改善が難しい特性のひとつである。
【０００４】
図１１に代表的な構造断面図を示す（たとえば非特許文献１参照）。
【０００５】
ここに、１はSi半導体基板、２はSi半導体からなるｎ型コレクタ層、３はSiGe半導体からなるｐ型ベース層、４はSiGe半導体からなるｎ型エミッタ層、５はSi半導体からなるn型エミッタ層、６はコレクタ電極、７はベース電極、８はエミッタ電極、９はトレンチ分離領域、１０は外部ベース層である。
【０００６】
Ge組成はエミッタ側からコレクタ側に向かうにともなって増大するように構成されている。
【０００７】
上記へテロ接合型バイポーラトランジスタは、ベース層にSiGeというSi半導体よりもバンドギャップの狭い半導体を導入することで、ベース層のエネルギーバンドの形状を変化させて特性を向上させている。
【０００８】
図１２は代表的な傾斜型のGeプロファイルをもつSiGeHBTのエネルギーバンド図を示すもので、エミッタ領域からベース領域にかけてGe組成を増大させることで、ベース領域のコンダクションバンドを傾斜させている。
【０００９】
この傾斜により、ベース層を走行する電子がドリフト電界で加速され、高速にベース領域をエミッタ領域側からコレクタ領域側へと通り抜けられるようになり、トランジスタが高速で動作可能となる。
【００１０】
図１３は図１１に示す傾斜型のSiGeHBTの高周波特性のGe組成依存性であり、ｆT、IIP3、IIP2、利得（Gain）、ベース・エミッタ間容量（Cbe）、ベース・コレクタ間容量（Cbc）、ベース容量（Cbb）をコレクタ電流（Ic）一定のもとで比較している。
【００１１】
ベース層のGe組成を増やすと、ベース層内のバンドギャップが狭くなるので、ベース層エミッタ側のコンダクションバンドが下がり、Ge組成が小さいときに比べて０．１Ｖ弱ほど低いベース電圧でコレクタ電流が流れはじめるようになる。
【００１２】
そのため、同じベース電圧で比較すると、Ge組成が大きい方がコレクタ電流が多く流れて、ベース・エミッタ間容量が大きくなるが、同じコレクタ電流で比較すると、Ｇｅ組成の大きい方がベース層内に蓄積されるマイノリティキャリアである電子がドリフト加速されてコレクタ側に掃きだされるので、拡散容量が低減される。遮断周波数（fT）はベース容量に反比例するので、Ge組成の大きい方の特性が向上することになる。
【００１３】
【非特許文献１】
G. L. Patton, D. L. Harame, J. M. C. Stork, B.S. Meyerson, G. J. Scilla and E. Ganin (IBM Research Division), "Graded-SiGe-Base, Poly-Emitter Heterojunction Bipolar Transistors," IEEE Electron Device Letters, Vol. 10, No. 12, pp. 534-536,  December 1989
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようして形成されたヘテロ接合型バイポーラトランジスタは、遮断周波数（fT）には秀でる特性をもつものの、三次および二次相互変調歪み特性（IIP3、IIP2）については極端に劣化することが図１３からもわかる。
【００１５】
歪み特性を良くするには、コレクタ・ベース間に帰還容量をもたせたり、エミッタにインダクタ成分を付加することで、回路的に改善できることがしられているが、この手法では歪み特性の向上とひきかえに利得を低下させる問題があった。
【００１６】
また、コレクタ電流を多量に流すことで歪み特性が良くなることもしられているが、移動体通信分野をはじめ、低消費電力が強く求められる中、有効な解決手段とはいえなかった。
【００１７】
さらに、遮断周波数（fT）や耐圧に最適化設計が施された高周波用途のバイポーラトランジスタの歪み特性を、劇的に向上させる指針はいまだ発見されておらず、困難なものとされていた。
【００１８】
本発明は、移動体通信機器や無線ＬＡＮをはじめとする、高周波特性と低歪み特性を同時に求められる増幅器およびミキサーを構成するバイポーラトランジスタに関する半導体装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による半導体装置は、第１導電型半導体からなるエミッタ領域およびコレクタ領域と第２導電型半導体からなるベース領域を有するバイポーラトランジスタにおいて、前記ベース領域もしくは前記ベース領域から前記エミッタ領域にかけた部分にライフタイムの短い領域がひとつ以上あることを特徴とする。
【００２０】
この構成により、低いコレクタ電流のもと、遮断周波数（ｆT）を低下させることなく、三次相互変調歪み（IIP3）をはじめとする歪み特性を劇的に向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１に、第１の実施形態におけるSiGeヘテロ接合型バイポーラトランジスタの構造断面図を示す。
【００２３】
ここに、１はSi半導体基板、２はSi半導体からなるｎ型コレクタ層、３はSiGe半導体からなるｐ型ベース層、４はSiGe半導体からなるｎ型エミッタ層、５はSi半導体からなるn型エミッタ層、６はコレクタ電極、７はベース電極、８はエミッタ電極、９はトレンチ分離領域、１０は外部ベース層であり、p型SiGeベース層3およびn型SiGeエミッタ層４の接合部分１１のライフタイムが他の領域と比べて短いことを特徴とする。
【００２４】
Geはエミッタ側からコレクタ側にむけて徐々に増加する傾斜型プロファイルで分布している。
【００２５】
図２に高周波特性および短ライフタイム領域１１のライフタイム依存性を示す。ライフタイムが１Ｘ10-5secのときと比較して、３Ｘ10-8secのときに２ｄＢｍ、１Ｘ10-8secのときに６ｄＢｍとＩＩＰ３が劇的に向上している。電力利得（Ｇａｉｎ）が劣化しているが、ＩＩＰ３、６ｄＢｍの向上に対して２ｄＢｍの劣化となるので、低歪みが要求されるシステムでは圧倒的に有利な構成となる。
【００２６】
図３に本実施例のライフタイムが１Ｘ10-8secのときのGeプロファイルと、動作状態におけるバンド図とキャリアプロファイルを示す。
【００２７】
図４はライフタイムが１Ｘ10-5 secのときのものである。
【００２８】
どちらも、同じベース電圧、コレクタ電流のときのもので、ベース・エミッタ間電圧（Ｖｂe）が０．８Ｖ程度の特性となる。
【００２９】
図３と図４を比較すると、本実施形態のライフタイム１Ｘ10-8secのものは、ベース・エミッタ接合での再結合が増えた結果、エミッタ内に蓄積する小数キャリアの蓄積が減って拡散容量が低減している。また、再結合電流が増えることでベース・エミッタ間電流が増大し、電流利得は小さくなる。低電流領域なのでコレクタ側に大きな差はみられていない。定量的には、上記した動作点において、電流増幅率が３０以下となる状態まで、再結合電流が流れるようになると、歪み特性に改善がみられることがわかっている。ベース電流としては、再結合電流が増大して、エミッタ面積１平方マイクロメートルあたり２．５×１０-6アンペアより多量の電流が流れるようになると、歪み特性に改善がみられる。ベース電流の値については、ベース・エミッタ接合部分のGe組成によって、バンド構造が変化するので、若干の変動がある。
【００３０】
本実施例の構成により、再結合電流が増えて、小数キャリアの蓄積が減ることで、ベース容量が低減し、ベース電圧の変動に対する応答性がよくなり、歪み特性が向上している。
【００３１】
図５、図６は三次相互変調歪みを引き起こす電流の拡散電流密度成分を移動度で割ったものの面内分布を電子電流と正孔電流に分けて表示したものである。ドリフト電界による電流は拡散電流と比べて５桁ほど小さいので省略する。図５はライフタイムが１Ｘ10-8secであり、図６は１Ｘ10-7secのときである。
【００３２】
ベース・エミッタ接合部分にピークがみられ、ライフタイムを短くすることで三次相互変調歪みを引き起こす拡散電流が低減することがわかる。この拡散電流が減っているのは、三次相互変調波に応答するキャリアが減っているからで、これは再結合により蓄積するマイノリティキャリアが低減していることに起因している。再結合は基本波の利得を抑制する方向に働くが、高調波や相互変調波が増幅されるのも抑制する方向にも作用しており、歪み特性を向上させている。
【００３３】
上記の実施形態においては、p型SiGeベース層3およびn型SiGeエミッタ層４の接合部分のライフタイムが他の領域と比べて短いことを特徴としたが、図７に示すように、ライフタイムの短い領域１１がベース部分とベース・エミッタ接合部分の両方に存在する構造でも同じ効果がえられる。
【００３４】
また、図８に示すように、ライフタイムの短い領域１１が真性ベース層３と外部ベース層１１との接続部分に位置しても同じ効果が得られる。
【００３５】
このライフタイムの短い領域はSiGe半導体のように格子歪みによる欠陥で形成することもできるし、これに酸素を添加すること、あるいは炭素を添加することでも実現できる。
【００３６】
まず、酸素を添加する場合について説明する。
【００３７】
図９は、Ｇｅ組成比が１５％から３０％のときのＳｉＧｅのキャリアライフタイムの酸素含有濃度依存性をしめしたものである。酸素を添加して結晶成長することで、キャリアライフタイムを短くすることができる。
【００３８】
以下に、酸素を添加した場合のＳｉＧｅ半導体層の作製例について説明する。
【００３９】
SiGe層は超高真空化学気相成長装置（UHV-CVD装置）を用いて、10-8Torr以下の超高真空背圧下で結晶成長を行って形成される。原料ガスとしては、例えば、Siの原料としてSi2H6ガス、Geの原料としてGeH4ガスを用いる。例えば、490℃で各ガスの圧力をSi2H6ガスが7×10-5Torr、GeH4ガスが1.0×10-4Torrとして結晶成長をおこなうとGe濃度が15％を含有するSiGe結晶を成長することができる。
【００４０】
このSiGe半導体層上にたとえば300nmの厚さのポリシリコンエミッタ層が形成されている場合、たとえば注入エネルギー180keVでドーズ量2X1013cm-2の酸素をポリシリコンエミッタ上面より注入すると、2X1018cm-3の酸素を含有するSiGe層を形成することができ、キャリアライフタイムが1X10-8secのSiGe層を形成することができる。
【００４１】
あるいは、前記したSiGe層の結晶成長時に、前記したガス圧の条件に加えて、O2ガスも6X10-10Torr程度の分圧になるように添加することでも、Ge濃度が15％、酸素が2X1018cm-3のSiGe層を形成することができ、キャリアライフタイムが1X10-8secのSiGe層を形成することができる。
【００４２】
次に、カーボンを添加する場合について説明する。
【００４３】
図１０は従来のSiGeHBTにおいてベース領域のSiGeにカーボンを混ぜてSiGeCHBTとしたときのベース電流のカーボン組成依存性を示したものである。たとえば０．２％から１．３％の範囲でカーボン組成をあげるにしたがって、格子間カーボンができ、再結合中心ができるために、再結合が促進され、ベース電流が増大している。
【００４４】
以下に、ＳｉＧｅＣ半導体層の結晶成長例について説明する。
【００４５】
SiGe層は超高真空化学気相成長装置（UHV-CVD装置）を用いて、10-8Torr以下の超高真空背圧下で結晶成長を行って形成される。原料ガスとしては、例えば、Siの原料としてSi2H6ガス、Geの原料としてGeH4ガス、Cの原料としてSiH3CH3ガスを用いる。例えば、490℃で各ガスの圧力をSi2H6ガスが7×10-5Torr、GeH4ガスが1.0×10-4 Torr、SiH3CH3ガスが5×10-6Torrとして結晶成長をおこなうとGe濃度が15％、格子位置C濃度が0.8%を含有するSiGeC結晶を成長することができる。
【００４６】
また、ベース・エミッタ接合部分にシリコンカーバイドを用いても、バンドギャップは広いが、キャリアライフタイムが短いので、再結合電流を増大させることができる。
【００４７】
また、半導体材料として、Si系半導体を例に説明したが、GaAs半導体やInP半導体をはじめとする化合物半導体を用いたバイポーラトランジスタでも同様の効果が期待できる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、ベース層およびベース・エミッタ接合部分にライフタイムの短い領域を形成することで、再結合電流が増えて、小数キャリアの蓄積が減ることで、ベース電圧の変動に対する応答性がよくなる。
【００４９】
以上から、本発明によれば、三次および二次相互変調歪み特性（IIP3、IIP2）が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態におけるSiGe-HBTの断面図
【図２】本発明の第一の実施形態におけるSiGe-HBTの高周波特性のライフタイム依存性を示す図
【図３】本発明の第一の実施形態におけるSiGe-HBTのGeプロファイル、キャリアプロファイルおよびバンド図（ライフタイム１Ｘ10-8sec）を示す図
【図４】本発明の従来例におけるSiGe-HBTのGeプロファイル、キャリアプロファイルおよびバンド図（ライフタイム１Ｘ10-5sec）
【図５】本発明の第一の実施形態におけるSiGe-HBTの三次相互変調歪みを引き起こす拡散電流密度成分を移動度で割った値の面内分布（ライフタイム１Ｘ10-8sec）を示す図
【図６】本発明の従来例におけるSiGe-HBTの三次相互変調歪みを引き起こす拡散電流密度成分を移動度で割った値の面内分布（ライフタイム１Ｘ10-7sec）を示す図
【図７】本発明の第一の実施形態におけるSiGe-HBTの断面図
【図８】本発明の第一の実施形態におけるSiGe-HBTの断面図
【図９】本発明の第一の実施形態におけるＳｉＧｅ−ＨＢＴのＳｉＧｅのキャリアライフタイムの酸素含有量依存性を示す図
【図１０】  SiGeにカーボンを混ぜてSiGeC-HBTとしたときのベース電流のカーボン組成依存性を示す図
【図１１】従来例におけるSiGe-HBTの断面図
【図１２】従来例におけるSiGe-HBTのGeプロファイルおよびバンド図
【図１３】従来例におけるSiGe-HBTの高周波特性のGe組成依存性を示す図
【符号の説明】
１  Si半導体基板
２  ｎ型Siコレクタ層
３  ｐ型SiGeベース層
４  n型SiGeエミッタ層
５  n型Siエミッタ層
６  コレクタ電極
７  ベース電極
８  エミッタ電極
９  トレンチ分離領域
１０  Si外部ベース層
１１  短ライフタイム領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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