(57)【要約】【課題】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となるべき各半導膜を含む半導体多層膜を成長した後に、炭素添加ベース層の正孔濃度を増加できるバイポーラトランジスタの製造方法を提供する。【解決手段】ＯＭＶＰＥ装置内のサセプタＳに基板２を載置し、基板２上にサブコレクタ膜３０、コレクタ膜５０、およびベース膜６０をエピタキシャル成長する。ベース膜６０に炭素が添加される。次に、基板２を温度Ｔに維持し、エミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０を成長する。次いで、原料ガスの供給を停止し基板２を温度ＴAに維持する。ここで、Ｔ＜ＴA≦６００℃といった関係が成り立つ。これにより、ベース膜６０内の水素原子が気相中へと脱離し、同膜６０内の炭素原子の活性化率が向上する。【選択図】図２
2006295214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コレクタ層となるべき第１の膜と、アクセプタ不純物として炭素が添加されておりベース層となるべき第２の膜と、エミッタ層となるべき第３の膜と、エミッタコンタクト層となるべき第４の膜と、を含む半導体多層膜を有機金属気相成長法により半絶縁性ＩｎＰ基板上に形成する工程と、
前記半導体多層膜を温度ＴA(℃)で熱処理し前記第２の膜中に取り込まれた水素原子を脱離する工程と、
熱処理された前記半導体多層膜を加工して、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を形成する工程と、
を備え、
前記第３および前記第４の膜の成長温度Ｔ(℃)および前記温度ＴAは、
Ｔ＜ＴA≦６００℃
の関係を満たす、バイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項２】
前記第２の膜および前記第４の膜はＩｎＧａＡｓから構成され、前記第３の膜はＩｎＰから構成されている、請求項１記載のバイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記成長温度Ｔは５００℃以上である、請求項１または２に記載のバイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記熱処理する工程の前に前記第４の膜上にＩｎＰ層を更に形成する工程と、
前記熱処理する工程の後に該ＩｎＰ層を除去する工程と、を更に備える請求項１から３のいずれか一項に記載のバイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記除去する工程にて、塩酸を含むエッチング液が使用される、請求項４記載のバイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記熱処理する工程にて、熱処理時間が５分以上である、請求項１から５のいずれか一項に記載のバイポーラトランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体から構成されるバイポーラトランジスタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(Hetero-junction Bipolar Transistor：ＨＢＴ)は、電流利得が高く、且つ高周波特性に優れるため、高速光通信システムの送受信器用の増幅器として注目されている。ＨＢＴにおいては、エミッタ領域がベース領域よりも大きいエネルギーバンドギャップ(Ｅｇ)を有するため、ベース領域からエミッタ領域への少数キャリアの注入が抑制される。よって、ベース領域の多数キャリア濃度を高くしても電流増幅率を増加できる。しかも、ベース領域を高濃度化して抵抗を下げれば、ベース層を薄くできるため、キャリアのベース走行時間が短縮され、その結果、高周波特性が向上される。
【特許文献１】特開平９−１７７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高周波用のIII−Ｖ族化合物半導体系ＨＢＴは、移動度の大きい電子を利用できるという理由からｎｐｎ型で構成される場合が多い。この場合、ベース領域はｐ型半導体から構成されることとなる。III−Ｖ族化合物半導体のアクセプタ不純物としては、従来、亜鉛(Ｚｎ)が使用されていた。しかしながら、Ｚｎを用いた場合には、正孔濃度は最大でも２×１０19ｃｍ-3程度にしかできないため、ＨＢＴの利点を十分に生かすことができなかった。また、ＺｎはIII−Ｖ族化合物半導体中で拡散しやすいため、高濃度に添加された場合、Ｚｎのドーピングプロファイルが広がり、良好なｎｐｎ接合界面が形成されない虞がある。そのため、ＨＢＴの特性に悪影響が生じることになる。さらに、ＨＢＴを使用している間にＺｎが拡散して特性に劣化が生じるなど信頼性に悪影響を与える懸念があった。
【０００４】
近年、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、およびＩｎＧａＡｓＰといったIII−Ｖ族化合物半導体に、Ｚｎに替わり、炭素をアクセプタ不純物として利用する動きが活発である。炭素をアクセプタ不純物として用いる理由は、(１)最大正孔濃度をＺｎの場合よりも高くできること、(２)炭素はIII−Ｖ族化合物半導体中ではほとんど拡散しないことから、エピ構造の設計がし易く、信頼性に優れるＨＢＴを得られることにある。
【０００５】
しかしながら、アクセプタ不純物としての炭素が有する利点を十分に活かすことは必ずしも容易ではない。これは、炭素が半導体結晶中でアクセプタとして活性化し難いためである。炭素ドープ半導体結晶の成長中には、アルシン(ＡｓＨ3)或いはホスフィン(ＰＨ3)といったＶ族元素原料ガスが分解して水素ラジカルまたは水素原子が生じる。炭素原子は、これらと容易に結合して安定なＣ−Ｈ結合を形成する。このため、水素原子と結合した状態で半導体結晶中に取り込まれる炭素原子が多数存在する。このような炭素原子は、不動態化されてしまい、アクセプタとして機能できない。その結果、正孔濃度は必ずしも十分高くはならない。
【０００６】
このような問題を解決するための検討がこれまでにも行われている。例えば、特許文献１には、炭素不純物の水素化率を低減させる気相成長方法が開示されている。この成長方法は、(１)炭素ドープ半導体層を成長し、(２)キャリアガスである水素以外の原料ガスの供給を中断し、(３)基板温度を上昇して熱処理を行い、その後、(４)他の半導体層を成長するという各工程を備えている。この熱処理の際に、炭素ドープ半導体層内に取り込まれた水素が離脱するため、炭素の活性化率が向上される。
【０００７】
しかしながら、水素の脱離を促進するために熱処理温度を上げると、炭素ドープ半導体層の表面からＶ族構成原子が脱離してしまうため、当該半導体層の表面が荒れるといった問題が生じる。また、表面モフォロジの悪化を防止するため、熱処理温度を十分に上げるのを避けると、水素が十分に脱離しなくなり、炭素の活性化率を高くすることができない。表面モフォロジの悪化の防止と水素脱離の促進とを両立させるためには、炭素ドープ半導体層を成長した後、基板を成長室から取り出し、同層の表面を他の半導体基板で覆って熱処理を行うと好ましい。しかし、この場合には、基板を成長室から取り出さなければならないため、成長手順が複雑になってしまう。さらに、成長室から取り出した基板上に再成長を行う場合には、既成長半導体層と再成長半導体層との界面に不要な不純物が残留してしまうといった問題が生じる場合もある。
【０００８】
本発明の目的は、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となるべき各半導膜を含む半導体多層膜を成長した後に、炭素添加ベース層の正孔濃度を増加できるバイポーラトランジスタの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るバイポーラトランジスタの製造方法は、(１)コレクタ層となるべき第１の膜と、アクセプタ不純物として炭素が添加されておりベース層となるべき第２の膜と、エミッタ層となるべき第３の膜と、エミッタコンタクト層となるべき第４の膜と、を含む半導体多層膜を有機金属気相成長法により半絶縁性ＩｎＰ基板上に形成する工程と、(２)半導体多層膜を温度ＴA(℃)で熱処理し第２の膜中に取り込まれた水素原子を脱離する工程と、(３)熱処理された半導体多層膜を加工して、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を形成する工程と、を備える。上記の第３および第４の膜の成長温度Ｔ(℃)および温度ＴAは、
Ｔ＜ＴA≦６００℃
の関係を満たす。
【００１０】
第３および第４の膜の成長温度Ｔよりも高い温度で熱処理を行うため、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となるべき各半導膜を含む半導体多層膜を成長した後であっても、第２の膜に取り込まれた水素を脱離させることができる。そのため、ベース層の正孔濃度は増加される。また、熱処理の温度ＴAは６００℃以下とされるため、成長された半導体多層膜の結晶性の悪化および表面モフォロジの悪化は防止される。
【００１１】
ここで、第２の膜および第４の膜はＩｎＧａＡｓから構成されると好ましい。また、この場合、第３の膜がＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓから構成されれば、ＩｎＧａＡｓ系のＨＢＴが形成される。このＨＢＴは上述の通り製造されるため、ベース層の正孔濃度は増加される。よって、電流利得が高く、高周波特性に優れるＨＢＴが得られる。
【００１２】
また、第３の膜および第４の膜の成長温度Ｔは５００℃以上であると好適である。このようにすれば、結晶性の高い結晶からエミッタ層を構成できる。よって、電気的特性に優れるバイポーラトランジスタを製造できる。
【００１３】
さらに、熱処理する工程の前に第４の膜上にＩｎＰ層を更に形成する工程と、熱処理する工程の後に該ＩｎＰ層を除去する工程と、を更に備えることもできる。このようにすれば、第４の膜の表面モフォロジの悪化はより確実に防止される。上記のＩｎＰ層を除去する工程にて、塩酸を含むエッチング液が使用されると好ましい。
【００１４】
熱処理する工程にて、所定の温度ＴAは５００℃よりも高く、且つ熱処理時間が５分以上であると有用である。このようにすれば、炭素が添加された第２の膜に取り込まれた水素原子は十分に脱離できる。よって、同膜中の炭素原子の活性化が促進され、その結果、ベース層の正孔濃度が確実に増加される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るバイポーラトランジスタの製造方法においては、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となるべき各半導膜を含む半導体多層膜が有機金属気相成長法により形成される。ここで、ベース層となるべき半導体膜には炭素が添加され、エミッタ層およびエミッタコンタクト層となるべき各半導体膜の成長温度は、後の工程として行われる熱処理の温度よりも低く、しかも熱処理の温度は６００℃以下とされる。このため、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となるべき各半導膜を含む半導体多層膜を成長した後に、炭素添加ベース層の正孔濃度を増加できるバイポーラトランジスタの製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係るバイポーラトランジスタ製造方法の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態では、ＩｎＰ基板を用いて製造されるＨＢＴについて説明する。なお、図面の説明においては、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面においては、ＩｎＰ基板上に成長される各エピタキシャル層の層厚の比率など、寸法比率は説明のものとは必ずしも一致していない。また、結晶面方位および結晶軸方向は、例示的に示されており、結晶学的に等価な面方位および軸方向を含む。
【００１７】
初めに、本実施形態の製造方法により製造されるＨＢＴの構成について説明する。図１(Ａ)は、ＨＢＴの構成を示す平面図である。図１(Ｂ)は、図１(Ａ)のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。Ｉ−Ｉ線は半導体結晶の結晶方位の〔０１−１〕方向に伸びる線である。
【００１８】
図１(Ｂ)を参照すると、ＨＢＴ１は、半絶縁性ＩｎＰから構成される基板２と、基板２上に形成されたサブコレクタメサ３と、サブコレクタメサ３上に形成された主要部メサ１０と、主要部メサ１０上に形成されたエミッタコンタクトメサ８とを有する。主要部メサ１０は、コレクタ層５、ベース層６、およびエミッタ層７を含んでいる。
【００１９】
サブコレクタメサ３、主要部メサ１０に含まれる各層５〜７、およびエミッタコンタクトメサ８の材料、厚さ、添加される不純物、およびキャリア濃度を例示すると、表１に示す通りである。表１の通り、サブコレクタメサ３、コレクタ層５、エミッタ層７、およびエミッタコンタクトメサ８には、ドナー不純物としてシリコン(Ｓｉ)が添加されている。エミッタ層７はＩｎＰから形成されている。ベース層６にはアクセプタ不純物として炭素(Ｃ)が添加されている。
【００２０】
また、エミッタ層７はＩｎＰから構成され、これらを除く他の層またはメサはＩｎxＧａ1-xＡｓから構成される(以下、ＩｎＧａＡｓと記す)。このＩｎＧａＡｓのＩｎ組成比ｘはＩｎＰ基板に対して格子整合するように選択され、好ましくはｘ＝０．５３である。ここで、格子整合とは半導体層の格子定数と基板の格子定数との差が概ね−０．１〜＋０．１％の場合を意味する。
【表１】
2006295214.tif 000003
図１(Ａ)を参照すると、エミッタコンタクトメサ８の平面形状は略長方形であり、その長辺は結晶方位の〔０１１〕方向に伸び、短辺は結晶方位の〔０１−１〕方向に伸びている。また、エミッタコンタクトメサ８の結晶方位〔０１１〕方向に伸びる側面は、図１(Ｂ)に示される通り、逆メサ状に形成されている。
【００２１】
エミッタコンタクトメサ８上にはエミッタ電極２１が設けられ、エミッタ層７上にはベース電極２２が設けられ、サブコレクタメサ３上にはコレクタ電極２３が設けられている。エミッタ電極２１は、図１(Ａ)に示す通り、略長方形であり、その幅は１μｍ程度であり、長さは１０μｍ〜１００μｍの範囲とできる。ベース電極２２は２つ設けられており、その間にエミッタコンタクトメサ８が配置されている。
【００２２】
また、ＨＢＴ１ではコレクタ電極２３は主要部メサ１０の一側面に向かい合うよう設けられているが、主要部メサ１０が間に配置されるように２つ設けてもよい。これらの電極２１，２２，２３は、白金(Ｐｔ)、チタン(Ｔｉ)、Ｐｔ、金(Ａｕ)といった金属からなる膜を含む。ここで、Ａｕ膜の厚さは１６０ｎｍ程度とでき、他の金属膜の厚さは２０ｎｍ程度とできる。電極２１，２２，２３は、熱処理により、オーミック接触性とされている。なお、ベース電極２２は、エミッタ層７上に設けられているが、熱処理中に金属原子がエミッタ層７を通過しベース層６へ拡散するため、ベース層６と実質的に接続されている。
【００２３】
続いて、本発明に係るバイポーラトランジスタの製造方法の好適な実施形態について説明する。以下では、上述したＨＢＴ１を製造する場合を説明する。図２(Ａ)〜(Ｃ)、図３(Ａ)〜(Ｃ)、図４(Ａ)〜(Ｃ)、図５(Ａ)〜(Ｃ)および図６(Ａ),(Ｂ)は、ＨＢＴ１の製造方法を説明する図である。これらの図は、ＨＢＴ１を半導体結晶方位の〔０１−１〕方向に沿って切断した面を示す。
【００２４】
（エピタキシャル成長工程）
エピタキシャル成長工程について説明する。この工程のエピタキシャル成長には、有機金属気相成長(Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy：ＯＭＶＰＥ)装置を使用される。原料としては、トリエチルガリウム(Triethylgallium：ＴＥＧａ)、トリメチルインジウム(Trimethylindium：ＴＭＩｎ)、アルシン(ＡｓＨ3)、およびホスフィン(ＰＨ3)を用いることができる。また、ＴＥＧａに替わりトリメチルガリウム(Trimethylgallium：ＴＭＧａ)を使用してもよく、ＡｓＨ3に替わりターシャリーブチルアルシン(Tertiarybutylarsine：ＴＢＡ)を使用してもよく、ＰＨ3に替わりターシャリーブチルホスフィン(Tertiarybutylphosphine：ＴＢＰ)を使用してもよい。さらに、各半導体膜の導電型およびキャリア濃度の制御のため、ｎ型不純物ドーピング原料としてシラン(ＳｉＨ4)やジシラン(Ｓｉ2Ｈ6)を用いることができ、ｐ型不純物ドーピング原料として四臭化炭素(ＣＢｒ4)を用いることができる。
【００２５】
先ず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板２を用意する。次いで、図２(Ａ)に示す通り、ＯＭＶＰＥ装置内のサセプタＳに基板２を載置し、基板２の(１００)面上に、サブコレクタ膜３０、コレクタ膜５０、およびベース膜６０をこの順にエピタキシャル成長する。サブコレクタ膜３０はサブコレクタメサ３を実現するための膜であり、コレクタ膜５０はコレクタ層５を実現するための膜であり、ベース膜６０はベース層６を実現するための膜である。したがって、これらの膜は、いずれもＩｎＧａＡｓから構成される。
【００２６】
また、サブコレクタ膜３０およびコレクタ膜５０の成長中にはＳｉＨ4が供給され、これらの膜３０，５０にＳｉが添加される。さらに、ベース膜６０の成長中にはＣＢｒ4が供給され、ベース膜６０に炭素が添加される。また、これらの膜の成長温度は、４００〜７５０℃程度といった範囲の任意の温度とできるが、ベース膜６０中に炭素を高濃度に添加するためベース膜６０の成長温度を４００〜５００℃とし、サブコレクタ膜３０およびコレクタ膜５０の成長温度を５５０〜７５０℃とすると望ましい。成長温度は、サセプタＳ内に挿入された熱電対ＴＣにより測定された温度とできる。また、放射温度計(図示せず)を用いて測定された温度としてもよい。
【００２７】
ベース膜６０の成長を終了する際には、ＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、およびＣＢｒ4の供給を停止し、ＡｓＨ3の供給は続ける。この後、ＡｓＨ3の供給を継続したまま、基板２の温度を、５００℃以上であり、しかも、後に説明する熱処理工程における熱処理温度ＴAよりも低い温度Ｔに変更する(図２(Ｂ)参照)。基板２の温度が温度Ｔで安定した後、ＡｓＨ3の供給を停止すると共に、ＰＨ3、ＴＭＩｎ、およびＳｉＨ4を供給して、ＩｎＰからなるエミッタ膜７０を成長する。エミッタ膜７０はエミッタ層７を実現するための膜であり、電子濃度は４．０×１０18ｃｍ-3程度とされる。
【００２８】
エミッタ膜７０が所定の厚さとなったところでＴＭＩｎの供給を停止しエミッタ膜７０の成長を終了する。以上の手順により、半導体多層膜１０１が形成される。この後、基板２を上記の温度Ｔに維持したまま、ＰＨ3の供給を停止すると共に、ＡｓＨ3、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＳｉＨ4を供給して、ＩｎＧａＡｓからなるエミッタコンタクト膜８０を成長する。以上の手順により、エピタキシャル工程が終了する(図２(Ｂ)参照)。
【００２９】
(熱処理工程)
次いで、基板２をＯＭＶＰＥ装置から取り出すことなく、熱処理を行う。すなわち、ＯＭＶＰＥ装置の反応室への原料ガスの供給を停止し、Ｈ2ガスまたはＮ2ガスを供給する。次いで、５００℃よりも高く６００℃以下といった範囲であり、且つ、エミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０の成長温度Ｔよりも高い温度ＴAに基板２を変更する(図２(Ｃ)参照)。上記の成長温度Ｔおよび温度ＴAの間には、
Ｔ＜ＴA≦６００℃
といった関係が成り立つ。この後、５分間以上、基板２を温度ＴAに維持する。５分よりも短いとベース膜６０からの水素原子の脱離が十分ではない虞があるため５分間以上とすると好ましい。基板２を温度ＴAに維持することにより、ベース膜６０内に取り込まれた水素原子は、エミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０を通過して、気相中へと脱離する。そのため、ベース膜６０中へ添加された炭素原子の活性化率が向上する。
【００３０】
ここで、温度ＴAが５００℃以下の場合には、ベース膜６０からの水素原子は、エミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０を通過できないため、水素原子は十分に脱離しない。また、温度ＴAが６００℃より高いと、エミッタコンタクト膜８０からＡｓ原子が抜け出し、この膜８０の結晶性が悪化してしまう。
【００３１】
エミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０の成長温度Ｔが熱処理温度ＴA以上であると、ベース膜６０からの水素原子の脱離が十分に起こらない。本発明者はこの理由を以下のように考えている。エミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０の成長中にも、気相中からこれらの膜７０，８０を経てベース膜６０内にまで水素が拡散していく。膜中の水素濃度は、成長温度、膜表面から膜内に供給される水素原子の量、および膜内の炭素濃度で決定され、炭素の意図的な添加のない膜７０，８０内に残留する水素は少なく、炭素が添加されたベース膜７０内には多量の水素が残留している。熱処理時の温度ＴAがエミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０の成長温度Ｔ以下であれば、このように残留した水素原子の結晶中での拡散速度が遅くなり、ベース膜７０内に残留した水素の気相中への脱離が困難となってしまう。そのため、炭素原子の活性化率を十分に向上することができない。このような理由から、熱処理時の温度ＴAは成長温度Ｔよりも高い必要がある。
【００３２】
（エミッタコンタクトメサ形成工程）
図３(Ａ)を参照すると、エミッタコンタクト膜８０上にエッチングマスク５１が形成されている。エッチングマスク５１の平面形状は略長方形であり、その長辺は結晶方位の〔０１１〕方向に伸び、その短辺は結晶方位の〔０１−１〕方向に伸びている。エッチングマスク５１は、エミッタコンタクト膜８０上にレジスト膜を形成し、所定のパターンを有するフォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト膜をパターンニングして形成される。
【００３３】
次に、リン酸(Ｈ3ＰＯ4)と過酸化水素水(Ｈ2Ｏ2)と純水(Ｈ2Ｏ)とがＨ3ＰＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝５：１：１０の比率で混合された混合液をエッチング液(以降、エッチング液Ｐとする)として用い、エミッタコンタクト膜８０のエッチングマスクが形成されていない部分を除去する。このエッチング液ＰのＩｎＰに対するエッチング速度は、ＩｎＧａＡｓに対するエッチング速度よりも十分に小さい。そのため、エミッタコンタクト膜８０がエッチングされてエミッタ膜７０が露出した後には、エッチングが実質上停止される。これにより、図３(Ｂ)に示す通り、エミッタコンタクトメサ８が形成される。
【００３４】
この後、エッチングマスク５１を有機溶剤により除去すると、エミッタコンタクトメサ形成工程が終了する。なお、エッチング液Ｐは、ＩｎＧａＡｓに対して異方性を有しており、特定の結晶方位の方向に速いエッチング速度を有する。そのため、エミッタコンタクトメサ８の結晶方位の〔０１１〕方向に沿うエッジには、逆メサ状の側面が形成されている。
【００３５】
（主要部メサ形成工程）
図３(Ｃ)を参照すると、エミッタコンタクトメサ８が設けられたエミッタ膜７０上にエッチングマスク５２が形成されている。エッチングマスク５２は、略矩形状であり、その矩形の一対の辺が〔０１１〕方位に沿って伸びている。エッチングマスク５２は、エミッタコンタクトメサ８およびエミッタ膜７０上にレジスト膜を形成し、所定のパターンを有するフォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト膜をパターンニングすることにより形成される。
【００３６】
次いで、エッチングマスク５２を用いてエッチングを行う。このエッチングは２段階に行なわれる。先ず、塩酸と純水とのエッチング液をエッチング液として、エッチングマスクで覆われていない部分のエミッタ膜７０(ｎ型ＩｎＰ)を除去する。このエッチング液のＩｎＧａＡｓに対するエッチング速度は非常に遅いため、エミッタ膜７０が除去されてベース膜６０が露出すると、エッチングが実質的に停止される。これにより、先ず、エミッタ層７が得られる。
【００３７】
その後、エッチングマスク５２を残したまま、エッチング液Ｐを用いて、ベース膜６０およびコレクタ膜５０の所定の部分を除去する。このとき、エッチング時間は、コレクタ膜５０が除去されてサブコレクタ膜３０が露出するように設定される。このエッチング時間は、予備実験により決定することができる。
【００３８】
このエッチングの後、エッチングマスク５２を除去すると、図４(Ａ)に示す通り、ベース層６およびコレクタ層５が得られる。図示の通り、これらの層５，６の結晶方位〔０１１〕の方向に伸びるエッジは逆メサ構造を有する。
【００３９】
（サブコレクタメサ形成工程）
図４(Ｂ)を参照すると、エミッタコンタクトメサ８、エミッタ層７、ベース層６、コレクタ層５、およびサブコレクタ膜３０を覆うエッチングマスク５３が形成されている。エッチングマスク５３の平面形状は略矩形状であり、その矩形の一対の辺が〔０１１〕方位に沿って伸びている。エッチングマスク５３は、エッチングマスク５１，３２と同様に形成される。
【００４０】
次いで、エッチングマスク５３を用いてエッチング液Ｐを用いて、サブコレクタ膜３０の所定の部分を除去する。サブコレクタ膜３０(ＩｎＧａＡｓ)が除去されて、基板２(ＩｎＰ)が露出すると、エッチングが実質的に停止される。よって、サブコレクタ膜３０の除去されるべき部分を確実に除去することができる。エッチング後、エッチングマスク５３を除去すると、図４(Ｃ)に示すように、サブコレクタメサ３が形成される。サブコレクタメサ３が形成されることにより、基板２上に複数個作製されるＨＢＴ１は互いに電気的に分離される。
【００４１】
（電極形成工程）
図５(Ａ)を参照すると、サブコレクタメサ３および基板２を覆うマスク層６１が形成されている。マスク層６１は、サブコレクタメサ３までが形成された後、基板２上にレジスト膜を形成し、エミッタコンタクトメサ８、エミッタ層７、サブコレクタメサ３の所定の位置に開口部が形成されるようなパターンを有するフォトマスクを用いてレジスト膜をパターニングすることにより形成される。
【００４２】
マスク層６１が形成された基板２上に真空蒸着法により金属膜８１を形成する。金属膜８１は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、およびＡｕといった金属がこの順に堆積されて形成される。ここで、Ａｕの厚さは１６０ｎｍであり、他の金属の厚さは２０ｎｍとできる。上述の通り、エミッタコンタクトメサ８は逆メサ状の側面を有しているため、当該メサ８の上面の幅は下面よりも広く、上面は庇状に張り出している。真空蒸着装置内の蒸着源からの金属原子は当該上面に妨げられるため、エミッタ層７には金属膜８１は堆積されない領域ができる。この領域によって、金属膜８１は、図５(Ｂ)に示す通り、エミッタコンタクトメサ８上に堆積された部分(エミッタ電極２１)と、エミッタ層７上に堆積された部分(ベース電極２２)とが分離されることとなる。
【００４３】
また、ベース層６およびコレクタ層５もまた逆メサ状の側面を有しているため、ベース層６上に形成されたエミッタ層７の幅は、コレクタ層５の下面よりも広く、エミッタ層７は庇状に張り出すこととなる。よって、サブコレクタメサ３の上面には金属膜８１は堆積されない領域ができる。この領域によって、金属膜８１は、図５(Ｂ)に示す通り、エミッタ層７上に堆積された部分と、サブコレクタメサ３上に堆積された部分とが分離されることとなる。蒸着後、マスク層６１を除去すると、図５(Ｃ)に示す通り、エミッタ電極２１、ベース電極２２およびコレクタ電極２３が形成される。
【００４４】
上述の手順により、各電極２１，２２，２３を形成すれば、堆積された金属膜をエッチングする工程を行わなくても、電極２１，２２，２３が確実に分離される。その上、ベース電極２２をエミッタコンタクトメサ８に接することなく可能な限り近づけることができる。具体的には、エミッタコンタクトメサ８とベース電極２２との間隔は、０．３μｍ程度とすることも可能である。各電極２１，２２，２３が接触しない程度に、これらの間隔を可能な限り近づければ、ベース−コレクタ間抵抗が低減される。
【００４５】
各電極２１，２２，２３が形成された後、基板２に対して、高純度窒素ガス雰囲気下で４００℃、約１分間熱処理を行うと、これらの電極２１，２２，２３のオーム性接触が実現される。なお、ベース電極２２は、エミッタ層７上に形成されているが、エミッタ層７の厚さは１０ｎｍ程度であるため、ベース電極２２を構成する金属原子が熱処理中にエミッタ層７を通過してベース層６まで拡散するため、ベース層６と実質的に接続することとなる。
【００４６】
（仕上げ工程）
次いで、電極２１，２２，２３の形成まで終了した基板２上に絶縁膜１１をプラズマＣＶＤ法により堆積する。絶縁膜１１は、ＳｉＮといった無機絶縁物から構成されることができる。このような無機絶縁物から構成される絶縁膜１１により、各層３〜７およびエミッタコンタクトメサ８の側面が不動態化されるとともに、外部からのナトリウムや水分の浸入が防止される。よって、ＨＢＴ１の信頼性が向上される。次に、所定のリソグラフィおよびエッチングにより、ベース電極２２およびコレクタ電極２３のそれぞれの上に開口部、すなわちヴィアホールを形成する。次いで、レジスト膜／ＳｉＯ2膜／レジスト膜といった三層マスクを形成し、真空蒸着法によりＴｉ、Ｐｔ、およびＡｕといった金属からなる金属膜を堆積する。堆積後、三層マスクを除去すると、各ヴィアホールが埋め込まれると共に、各電極２２，２３に接続する引き出し配線３２，３３が形成される(図６(Ａ)参照)。
【００４７】
この後、引き出し配線３２，３３および絶縁膜１１上に絶縁膜１２をプラズマＣＶＤ法により堆積する。絶縁膜１２は、絶縁膜１１と同様に、ＳｉＮといった無機絶縁物であることができる。このような材料から構成される絶縁膜１２により、完成後のＨＢＴ１の半導体部および金属部に外部から水分が進入するのが防止されるため、ＨＢＴ１の信頼性が向上される。次に、当該絶縁膜１２上にＳＯＧ(Spin-on-glass)膜１３を形成する。ＳＯＧ膜１３をＲＩＥにより平坦化エッチングした後、さらに絶縁膜１４を堆積する。続いて、所定のリソグラフィとエッチングとにより、エミッタ電極２１上にヴィアホールを形成する。このヴィアホールの形成に用いたレジストマスクを残したままＡｕを真空蒸着し、レジストマスクを除去すると、ヴィアホールがＡｕプラグ２４で埋め込まれる。この後、引き出し配線３２，３３と同様の手順により引き出し配線３１を形成する。以上で、図６(Ｂ)に示すＨＢＴ１が完成する。
【００４８】
上記の製造方法においては、エミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０の成長温度Ｔおよび温度ＴAの間には、
Ｔ＜ＴA≦６００℃
といった関係が成り立つ。膜７０,８０の成長温度Ｔよりも高い温度ＴAで熱処理が行われるため、エミッタ膜７０の下地層であるベース膜６０に炭素原子とともに取り込まれた水素原子は、膜７０,８０を通過して半導体結晶から脱離できる。そのため、ベース膜６０中へ添加された炭素原子の活性化率が向上する。しかも、熱処理の温度ＴAは６００℃以下なので、熱処理中にエミッタコンタクト膜８０の表面モフォロジが悪化するのを防止できる。
【００４９】
ところで、炭素ドープＩｎＧａＡｓ層をトリメチルアルシン(Trimethylarsine：ＴＭＡｓ)および窒素(Ｎ2)の雰囲気中で熱処理する方法が、A. Lindner, et. al., J. ofCryst. Growth 170(1997)287-291.："The role of hydrogen in low-temperature MOVPE growth andcarbon doping of In0.53Ga0.47As for InP-based HBT"に記載されている。この方法では、水素を含まない雰囲気中で熱処理を行うため、雰囲気中から炭素ドープ層への水素の拡散は起こらない。よって、炭素ドープ層から水素を十分に脱離することができ、炭素のアクセプタとしての活性化率を向上できる。また、ＴＭＡｓ分子中には水素原子が含まれるが、このような水素原子は、メチル基の炭素原子と強固に結合しているため、結晶中へと拡散することはない。
【００５０】
しかしながら、上記のＴＭＡｓおよびＮ2雰囲気中で熱処理を行う方法においては、ＴＭＡｓを供給するための配管が必要となるため、熱処理を行う装置が高価となってしまう。またＴＭＡｓも高価である。これに対し、本実施形態の製造方法では、Ｈ2ガス雰囲気中またはＮ2ガス雰囲気中で熱処理を行えるため、ＴＭＡｓは不要であり、特別な配管を備える装置は不要である。
【００５１】
さらに、本実施形態の製造方法においては、膜７０,８０の成長温度Ｔは５００℃以上であるため、結晶性のよいエミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０を成長できる。エミッタ層となるべき半導体層を４８０℃以下とするバイポーラトランジスタの作製方法が特開平９−２０５０１号公報に記載されている。この方法は、 (１)炭素を添加したベース層を成長し、(２)このベース層上に、ｎ型のエミッタ層、およびｎ型またはｉ型の第１キャップ層を順次堆積し、(３)不活性ガス雰囲気中で活性化熱処理を行った後、(４)ｎ型の第２エミッタ層およびｎ型の第２キャップ層を順次再成長するといった各工程を備える。また、再成長時には、成長温度が４８０℃以下とされる。
【００５２】
しかし、第２エミッタ層の成長温度が４８０℃以下では、結晶性の良いエミッタ層を得るのは難しい。これは、この程度の温度では、結晶成長中、基板表面での吸着原子または分子のマイグレーションが十分に起こらないためである。これに対して、本実施形態のバイポーラトランジスタの製造方法では、膜７０,８０の成長温度Ｔは５００℃以上であるので、エミッタ層７およびエミッタコンタクトメサ８の結晶性を向上できる。
【００５３】
次いで、本実施形態によるＨＢＴ１の製造方法の効果を確認するための実験について説明する。
【００５４】
（試料の作製）
図７は、実験で作製したエピタキシャル層積層体の構成を示す模式図である。図示の通り、この積層体は、半絶縁性ＩｎＰからなる基板２０上に、コレクタ膜５００、ベース膜６００、エミッタ膜７００、エミッタコンタクト膜８００がこの順にエピタキシャル成長されて構成される。すなわち、上述のＨＢＴ１とほぼ同一の構成とした。上記の各膜の材料、および厚さは、表２に示す通りとした。
【表２】
2006295214.tif 000004
また、積層体の作製にはＯＭＶＰＥ装置を使用した。ベース膜６００の成長中、ＣＢｒ4の流量はすべての試料について同じ値とした。このＣＢｒ4流量は、予め行った実験から、ベース膜６００内の炭素原子濃度が約３×１０19ｃｍ-3となる値とした。なお、この炭素原子濃度は、ＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectrometry)により測定した。
【００５５】
実験では、エミッタコンタクト膜８００の成長温度が異なる４種類の積層体を作製した。以下、これらを試料Ａ、試料Ｂ、試料Ｃ、試料Ｄとする。これらの試料におけるエミッタコンタクト膜８００の成長温度Ｔは、以下の通りとした。
・試料Ａ：６８０℃
・試料Ｂ：６３０℃
・試料Ｃ：５８０℃
・試料Ｄ：５３０℃
また、試料Ａ〜Ｄにおいて、エミッタ膜７００、ベース膜６００、およびコレクタ膜５００の成長温度は、以下の通りとした。
・エミッタ膜７００：５００℃
・ベース膜６００：４７０℃
・コレクタ膜５００：６３０℃。
【００５６】
なお、異なる熱処理条件で比較するため、試料Ａ〜Ｄを各々４個作製した。これらは、ＯＭＶＰＥ装置内にＩｎＰ基板を４枚導入し、一回の成長で作製した。
【００５７】
（熱処理条件および評価結果）
次に、上述の通り作製した試料の評価方法について説明する。４つの試料Ａのそれぞれに対して、以下の条件で熱処理を行った。すなわち、４つの異なる条件でそれぞれ熱処理された４つの試料Ａを得た。なお、熱処理は、エミッタコンタクト膜８００の成長後、反応室から取り出すことなく行われた。熱処理時間は５分とした。
（１）Ｈ2雰囲気中、温度５００℃、反応室内圧力１０4Ｐａ
（２）Ｎ2雰囲気中、温度６００℃、反応室内圧力９．５×１０4Ｐａ
（３）Ｎ2雰囲気中、温度６５０℃、反応室内圧力９．５×１０4Ｐａ
（４）熱処理なし
次いで、各試料Ａについて、ベース膜６００の正孔濃度を測定した。この測定は、エミッタコンタクト膜８００を硫酸系のエッチング液により除去し、エミッタ膜７００を塩酸系のエッチング液により除去した後、ホール測定(Hall measurement)にて行なわれた。試料Ａについて測定を行った後、試料Ｂ〜Ｄについても、試料Ａと同様に評価を行った。評価の結果を表３に示す。
【表３】
2006295214.tif 000005
表３を参照すると、試料Ｃを上記の条件(２)で熱処理した場合と、試料Ｄを同じく条件(２)で熱処理した場合とで、熱処理を行わなかった場合に比べ、正孔濃度が大きく増加している。具体的には、いずれの場合も、条件(２)の熱処理後、正孔濃度は２．０×１０19ｃｍ-3を超えている。
【００５８】
試料Ｃ，Ｄであっても、条件(１)で熱処理した場合には、ベース膜６００の正孔濃度はあまり増加していない。さらに、試料Ａ，Ｂについては、いずれの条件により熱処理しても、正孔濃度の顕著な増加は認められない。
【００５９】
正孔濃度の大きな増加が認められた試料について、エミッタコンタクト膜８００の成長温度をＴ(℃)とし、熱処理の温度をＴA(℃)とすると、
Ｔ＜ＴA≦６００℃
といった関係を満たしている。また、これらの試料のエミッタコンタクト膜８００およびエミッタ膜７００の成長温度は５００℃以上である。すなわち、これらの試料は、上記のＨＢＴ１の製造方法における成長温度と熱処理とに関わる条件を満たしている。よって、この実験の結果から、本実施形態の製造方法の効果が理解される。
【００６０】
なお、実験においては、エミッタ膜７００は、意図的なドーピングを行わずに成長された。一方、上記のＨＢＴ１においては、エミッタ膜７０は、Ｓｉがドーピングされたｎ型である。すなわち、ＨＢＴ１においては、ベース膜６０とエミッタ膜７０との界面にｐｎ接合が形成されている。ｐｎ接合が形成されると、この接合中の電界により、水素原子の拡散が阻害されることが知られている(特開平９−２０５１０１号公報参照)。しかしながら、本発明者は、熱処理の温度ＴAが５００℃より高い場合には、水素原子は十分に拡散できると考えている。特開平９−２０５１０１号公報には、ある条件の下、５２０℃、１分の熱処理で十分な活性化が達成できることが示されている。水素の拡散は、熱活性化によるものであり、温度が５００℃であっても熱処理時間を長くすることで活性化は可能である。
【００６１】
また、本発明者は、上記の試料Ａ〜Ｄのすべてについて、試料表面を観察した。その結果、条件(１)および(２)で熱処理された試料においては、表面モフォロジの悪化は殆ど認められなかった。実際にＨＢＴを製造する場合に、わずかな表面の悪化が後の製造工程あるいは素子特性に悪影響を与える場合には、エミッタコンタクト膜８０上にＩｎＰ膜を成長するようにしてもよい。熱処理中に、このＩｎＰ膜の表面がわずかながらでも悪化したとしても、熱処理後、このＩｎＰ膜を塩酸系のエッチング液により除去すれば、良好な表面モフォロジを有するエミッタコンタクト膜８０が最表面に現れることとなる。
【００６２】
さらに、本発明者は、半絶縁性ＩｎＰ基板上にベース膜のみを成長した比較実験を行った。ここでのベース膜は、ベース膜６００と同一の成長条件とした。成長後には、上記の(１)の条件で熱処理を行った。その後、このベース膜の正孔濃度を測定したところ、正孔濃度は、２．２×１０19ｃｍ-3程度であった。この結果は、条件(２)で熱処理された試料Ｃおよび試料Ｄとほぼ同一である。すなわち、試料Ｃ,Ｄを条件(２)で熱処理すれば、ベース膜６００上にエミッタ膜７００およびエミッタコンタクト膜８００が形成された場合であっても、これらの膜６００,７００を通過して、ベース膜６００から水素原子が脱離することを示している。すなわち、ＨＢＴ１の製造中においても、ベース膜６０内の水素原子は、エミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０を通過して脱離し、その結果、ベース膜６０内の炭素原子が活性化してアクセプタとして機能できるようになる。
【００６３】
以上、実施形態を参照しながら、本発明に係るバイポーラトランジスタの製造方法を説明したが、本発明はこれに限ることなく、様々な変形が可能である。
【００６４】
エミッタ膜７０およびエミッタコンタクト膜８０を同じ成長温度で成長するようにしたが、熱処理温度ＴAよりも低い温度であれば、これらの膜を異なる温度で成長してもよい。この場合であっても、これらの成長温度は５００℃以上であると好ましい。
【００６５】
ＨＢＴ１は、約１０ｎｍと薄いエミッタ層７と、エミッタ層７上のエミッタコンタクトメサ８とを備えるよう構成されたが、エミッタ層を、例えば３００ｎｍ程度といった厚さに設けるようにしても良い。この程度の厚さのエミッタ層を有するＨＢＴにおいては、例えば、エミッタ層の表面側の電子濃度を高くすれば、高い電子濃度を有する部分が実質的にエミッタコンタクトとして機能する。また、ＨＢＴ１では、エミッタ層７はＩｎＰから構成されたが、ＩｎＰに替わりＩｎＡｌＡｓから構成されてもよい。
【００６６】
さらに、上記の実施形態では、上述の通り、熱処理工程はＯＭＶＰＥ装置内で行われたが、所定の加熱炉で行われても良い。ここで、加熱炉としては、炉内に水素ガスまたは窒素ガスを供給でき、基板２を６００℃程度まで加熱できれば、形状や型式は問わず、どのような加熱炉であっても良い。なお、炉内の圧力を調整できると尚好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１(Ａ)は、ＨＢＴの構成を示す平面図である。図１(Ｂ)は、図１(Ａ)のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図２】図２(Ａ)〜(Ｃ)は、ＨＢＴ１の製造方法を説明する図である。
【図３】図３(Ａ)〜(Ｃ)は、ＨＢＴ１の製造方法を説明する図である。
【図４】図４(Ａ)〜(Ｃ)は、ＨＢＴ１の製造方法を説明する図である。
【図５】図５(Ａ)〜(Ｃ)は、ＨＢＴ１の製造方法を説明する図である。
【図６】図６(Ａ),(Ｂ)は、ＨＢＴ１の製造方法を説明する図である。
【図７】図７は、実験で作製したエピタキシャル層積層体の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６８】
１・・・ＨＢＴ、２・・・基板、３・・・サブコレクタメサ、５・・・コレクタ層、６・・・ベース層、７・・・エミッタ層、８・・・エミッタコンタクトメサ、１０・・・主要部メサ、１１・・・絶縁膜、１２，１４・・・絶縁膜、１３・・・ＳＯＧ膜、２１・・・エミッタ電極、２２・・・ベース電極、２３・・・コレクタ電極、３０・・・サブコレクタ膜、３１・・・配線、５０・・・コレクタ膜、５１・・・エッチングマスク、５２・・・エッチングマスク、５３・・・エッチングマスク、６０・・・ベース膜、６１・・・マスク層、７０・・・エミッタ膜、８０・・・エミッタコンタクト膜、８１・・・金属膜。
【図１】
2006295214.tif 000006
【図２】
2006295214.tif 000007
【図３】
2006295214.tif 000008
【図４】
2006295214.tif 000009
【図５】
2006295214.tif 000010
【図６】
2006295214.tif 000011
【図７】
2006295214.tif 000012