(57)【要約】【課題】ＳｉＧｅ−ＨＢＴとして機能する半導体装置において、自然酸化膜の不均一性に起因する電流増幅率のばらつきを低減する。【解決手段】ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのＳｉエピタキシャル成長層２の上には、エミッタ・ベース積層部２０が設けられている。エミッタ・ベース積層部２０は、ＳｉＧｅＣスペーサ層２１と、高濃度のボロンを含むＳｉＧｅＣ真性ベース層２２と、ＳｉＧｅキャップ層２３と、Ｓｉキャップ層２４と、Ｓｉキャップ層２４及びＳｉＧｅキャップ層２３内にリンをドープしてなるエミッタ層２５とを有している。【選択図】　図１
2004128343.tif 000002
【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上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＜１）で表される直上キャップ層とを有してい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、
上記真性ベース層のＣ組成比ｙ２は、０．０１５以下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、
上記直上キャップ層のＧｅ組成比ｙ２は、０．０８以上であ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、
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ている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、
上記半導体層は、上記真性ベース層と上記コレクタとして機能するＳｉ層との間に介設された組成がＳｉ１−ｘ３−ｙ３　Ｇｅｘ３Ｃｙ３（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ３＜１）で表されるスペーサ層をさらに有してい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、
上記半導体層は、上記キャップ層の上にＧｅを含まない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キャップ層と上記キャップ層とに亘る領域にエミッタ層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、
上記キャップ層の一部は、ビルトインポテンシャルの状態で、エミッタ−ベース間の空乏層内に位置してい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１４（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１４（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１４（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１４（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１４（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１４（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１４（ｂ）は、図１４（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１４（ｂ）の横軸はＳｉキャップ層１２３の上面からの深さを表し、図１４（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１４（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１５は、図１４（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１５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層はそのバンドギャップ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、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。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：ＣＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　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】
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、電流増幅率を比較的高く維持しつつ、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。
【００２１】
【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上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＜１）で表される直上キャップ層とを有している。
【００２２】
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の低減と、コレクタ電流の増大とが得られるので、電流増幅率を高く維持しつつ、電流増幅率のばらつきの低減を図ることができる。
【００２３】
上記真性ベース層のＣ組成比ｙ２は、０．０１５以下であることが好ましい。
【００２４】
上記直上キャップ層のＧｅ組成比ｙ２は、０．０８以上であることが好ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
上記半導体層は、上記真性ベース層と上記コレクタとして機能するＳｉ層との間に介設された組成がＳｉ１−ｘ３−ｙ３　Ｇｅｘ３Ｃｙ３（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ３＜１）で表されるスペーサ層をさらに有していることが好ましい。
【００２７】
上記半導体層は、上記キャップ層の上にＧｅを含まない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キャップ層と上記キャップ層とに亘る領域にエミッタ層が形成されていることが好ましい。
【００２８】
上記キャップ層の一部は、ビルトインポテンシャルの状態で、エミッタ−ベース間の空乏層内に位置していることが好ましい。
【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ＳｉＧｅキャップ層２３と、ＳｉＧｅキャップ層２３の上に形成されたＳｉキャップ層２４と、Ｓｉキャップ層２４及びＳｉＧｅキャップ層２３（あるいは、Ｓｉキャップ層２４のみ）内にＰ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、ＳｉＧｅキャップ層２３に接する端部ではＳｉＧｅキャップ層２３と同じ含有率（本実施形態では１５％程度）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と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真性ベース層の直上に、これに接して設けられたキャップ層（以下、「直上キャップ層」という）を、従来のようなＳｉキャップ層ではなくＳｉＧｅキャップ層２３としている点と、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２のＣ含有率を高くしている点とが、本発明の特徴である。ただし、ＳｉＧｅキャップ層２３に代えてＳｉＧｅＣキャップ層を設けてもよい。つまり、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２の組成をＳｉ１−ｘ１−ｙ１　Ｇｅｘ１Ｃｙ１と表し、ＳｉＧｅキャップ層２３（又はＳｉＧｅＣキャップ層）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＜１，０．００３≦ｙ２＜１
が成立すればよい。
【００３５】
なお、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２４（あるいはＳｉキャップ層２４及びＳｉＧｅ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。
【００３６】
−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。
【００３７】
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ＳＩＣ４を形成する。
【００３８】
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０．８％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１５％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、１５％のＧｅ及び残部を占めるＳｉによって構成される厚さ２０ｎｍのＳｉＧｅキャップ層２３と、厚さ１０ｎｍのＳｉキャップ層２４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。
【００３９】
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。
【００４０】
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２４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。
【００４１】
−ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの構造の詳細−
図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、従来の構造と本実施形態の構造について、エミッタ電極及びエミッタ・ベース積層部のＧｅ含有率及びＢ，Ｐ濃度のプロファイルをＳＩＭＳにより分析したデータを比較して示す図である。図３（ａ），（ｂ）において、横軸はポリシリコンエミッタ電極からの縦方向の位置を表し、縦軸はＧｅ含有率（％）及びＢ，Ｐ濃度（ａｔｏｍｓ　／ｃｍ３　）を表している。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、ＳｉＧｅＣスペーサ１２１には約２５％のＧｅが均一に含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２は傾斜した含有率のＧｅが含まれていることがわかる。また、エミッタ電極１１２には濃度が約３×１０２０ａｔｏｍｓ　／ｃｍ３　のリン（Ｐ）が含まれ、エミッタ層１２５にはエミッタ電極１１２から拡散したリンが下方に向かって低濃度になるように傾斜した濃度で含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２にはエミッタ電極１１２から拡散したリンが５×１０１７／ｃｍ３　程度の濃度で含まれている。また、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２には濃度が１．４×１０１９／ｃｍ３　程度のボロン（Ｂ）が含まれており、このような不純物分布によって、上記文献などの従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおけるエミッタ−ベース間のＰ／Ｎ接合が形成されていることがわかる。
【００４３】
一方、図３（ｂ）に示すように、本実施形態のＳｉＧｅＣスペーサ２１には含有率約２５％のＧｅが均一に含まれ、ＳｉＧｅキャップ層２３には含有率約１５％のＧｅが含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２は傾斜した含有率のＧｅが含まれていることがわかる。また、エミッタ電極１２には濃度が約３×２０ａｔｏｍｓ　／ｃｍ３　のリン（Ｐ）が含まれ、エミッタ層２５及びＳｉＧｅキャップ層２４の一部にはエミッタ電極１２から拡散したリンが下方に向かって低濃度になるように傾斜した濃度で含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２にはエミッタ電極１２から拡散したリンが５×１０１７／ｃｍ３　程度の濃度で含まれている。また、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２には濃度が１．４×１０１９／ｃｍ３　程度のボロン（Ｂ）が含まれており、このような不純物分布によって、エミッタ−ベース間のＰ／Ｎ接合が形成されていることがわかる。
【００４４】
図３（ａ），（ｂ）のいずれにおいても、Ｐ／Ｎ接合部が横軸の３３０ｎｍ位置に形成されていることがわかる。そして、図３（ａ）に示す従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、Ｐ／Ｎ接合部はＳｉキャップ層１２３中に存在するが、図３（ｂ）に示す本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴではＳｉＧｅキャップ層２３（Ｇｅ含有率１５％）内に存在している。
【００４５】
なお、図３（ａ），（ｂ）には示されていないが、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及びスペーサ層２１には０．８％程度のカーボン（Ｃ）が含まれている。
【００４６】
なお、ボロン（Ｂ）が各キャップ層中に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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
また、Ｓｉキャップ層２４は、エミッタ電極１２からのＰが高濃度で拡散する領域と、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２との間の距離を調整するとともに、工程中にＳｉＧｅ表面が露出しないよう保護するために設けられている。ただし、Ｓｉキャップ層２４は必ずしもなくてもよい。
【００５０】
−データに示される本発明の作用効果−
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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１４（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１４（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。
【００５３】
図４は、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのバンド構造を概略的に示すエネルギーバンド図である。同図には、ＳｉＧｅＣ真性ベース層の上にＳｉキャップ層のみが設けられている従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのバンド構造が破線で示されている。同図に示すように、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２の直上にＳｉＧｅキャップ層２３が設けられている。つまり、直上キャップ層がＳｉＧｅキャップ層であるので、エミッタ−ベース間の電位障壁が低くなり、エミッタからベースへコレクタ電流Ｉｃが流れ込みやすくなることがわかる。ここで、Ｇｅ含有率１％あたり電位障壁が約７．５ｍｅＶだけ低くなるので、キャップ層のＧｅ含有率が０から１５％に増大したことにより、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴでは、従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴに比べて電位障壁が１１２．５ｍｅＶだけ低下する。
【００５４】
したがって、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにより、直上キャップ層をＳｉＧｅキャップ層とすることにより、コレクタ電流Ｉｃが増加する。この作用は、ＳｉＧｅキャップ層２３の一部がビルトインポテンシャルにおけるエミッタ−ベース間の空乏層内に存在すれば生じる。
【００５５】
図５は、各部の組成を変化させたＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの各種サンプルの電流増幅率ｈＦＥ及びそのばらつきを表にして示す図である。同図に示すように、サンプル１においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．２％のカーボン（Ｃ）が含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層の直上のキャップ層（直上キャップ層）はＳｉキャップ層である。サンプル２においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．８％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層はＳｉキャップ層である。サンプル３においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．８％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層は８％のＧｅを含むＳｉＧｅキャップ層である。サンプル４においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．２％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層は１５％のＧｅを含むＳｉＧｅキャップ層である。サンプル５においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．５％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層は１５％のＧｅを含むＳｉＧｅキャップ層である。サンプル６においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．８％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層は１５％のＧｅを含むＳｉＧｅキャップ層である。
【００５６】
これらのサンプルのうちでは、直上キャップ層としてＳｉＧｅキャップ層を有し、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率がそれぞれ０．５％，０．８％であるサンプル５，６の電流増幅率ｈＦＥのばらつきが最も小さいことが分かる。他のサンプルの電流増幅率ｈＦＥのばらつきが３５〜６５％程度であるのに対して、サンプル５の電流増幅率ｈＦＥは１９．９％、サンプル６の電流増幅率ｈＦＥは２４．３％と特に小さな電流増幅率ｈＦＥのばらつきを示している。また、サンプル５，６を比較すると、Ｃ含有率が同じでも、ＳｉＧｅキャップ層のＧｅ含有率が高いほど、電流増幅率ｈＦＥのばらつきは小さくなっている。
【００５７】
図６は、図５のデータに基づいて、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率に対するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの電流増幅率ｈＦＥのばらつきの変化を、直上キャップ層のＧｅ含有率をパラメータとして示す図である。図５及び図６から以下のことがわかる。
【００５８】
直上キャップ層としてＳｉキャップ層を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率に拘わらず、電流増幅率ｈＦＥのばらつきが大きい。それに対し、直上キャップ層としてＳｉＧｅキャップ層を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が高いほど電流増幅率ｈＦＥのばらつきが小さくなる傾向がある。その場合、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が０．３％以上になることにより、電流増幅率ｈＦＥのばらつきの低下が顕著となる。よって、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率は０．３％以上であることが望ましい。
【００５９】
ただし、図５や図６には示されていないが、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が約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、約１．５％以下であることが望ましい。
【００６０】
一方、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が同じでも、直上キャップ層としてＳｉＧｅキャップ層を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの方が、直上キャップ層としてＳｉキャップ層を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴよりも電流増幅率ｈＦＥの値は大きくなると同時に、電流増幅率ｈＦＥのばらつきは小さくなり、Ｇｅ含有率が８％以上のＳｉＧｅキャップ層を設けた場合に効果が大きい。ただし、直上キャップ層であるＳｉＧｅキャップ層の膜厚が５０ｎｍのときにＧｅ含有率が４０％を越えると、結晶性の劣化を招くおそれがあるので、ＳｉＧｅキャップ層のＧｅ含有率は４０％以下であることが好ましい。
【００６１】
また、直上キャップ層として、ＳｉＧｅキャップ層ではなくＳｉＧｅＣキャップ層を設けてもよい。
【００６２】
−ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの他の特性の検討−
図７は、スペーサを含むベース層の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。アーリー電圧Ｖａは高いことが望ましいので、図７に示されているように、実用のトランジスタとしてアーリー電圧Ｖａが１０Ｖ以上になるようにするには、ＳｉＧｅＣスペーサ２１のＣ含有率を例えば０．７％以下にすることが好ましい。
【００６３】
−本発明の効果が得られる原理−
以下、本発明のＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率と、直上キャップ層の組成とによって以上のような効果が得られる原理を考察する。
【００６４】
図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、図５に示すサンプル２，４のエミッタ・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（ａ）に示すエミッタ・ベース積層部の構造においては、Ｐ／Ｎ接合部はＳｉキャップ層内にあり、図８（ｂ）に示すエミッタ・ベース積層部の構造においては、Ｐ／Ｎ接合部はＳｉＧｅキャップ層内にある。
【００６５】
図９は、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を変化させずに、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおけるエミッタ・ベース積層部の直上キャップ層（ＳｉＧｅＣ真性ベース層の直上にこれに接して設けられたキャップ層）をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にしたときのガンメル（Ｇｕｍｍｅｌ）特性の変化を示す図である。同図に示すように、コレクタ電流Ｉｃは、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にすることにより増加する。同じ意味ではあるが、同図に示すように、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にすることにより、所定のＩｃを得るためのベース−エミッタ電圧Ｖｂｅの値は低下する。この作用は、ＳｉＧｅキャップ層の一部がビルトインポテンシャルにおけるエミッタ−ベース間の空乏層内に存在すれば生じる。これは、バイポーラトランジスタ（本実施形態では、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴ）の低電圧動作にもつながる。
【００６６】
一方、ベース電流Ｉｂは、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層に代えることによっては変化していないので、ベース電流Ｉｂのばらつきは変化しない。電流増幅率ｈＦＥのばらつきの主な原因はベース電流Ｉｂが変動することにあるので、図８（ｂ）に示すように、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にするだけでは、電流増幅率ｈＦＥのばらつきを大きく低減させることは困難といえる。
【００６７】
そこで、図１０に示すように、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のカーボン（Ｃ）含有率を点線に示す値（例えば０．１〜０．２％）から実線で示す値（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、図５に示すように、実験事実として示されている。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。
【００６８】
図１１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、同図に示すような中間準位が生じやすくなる。そして、中間準位を経て伝導帯Ｅｃに電子が励起されやすくなる結果、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中間準位を介して電子が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。そして、直上キャップ層がＳｉキャップ層からバンドギャップの小さいＳｉＧｅキャップ層に代わっているので、価電子帯Ｅｃにおけるベース−エミッタ障壁が小さくなって、ホールがエミッタ層により流れやすくなっている。
【００６９】
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１１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。図６からわかるように、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。
【００７０】
図１２は、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおけるエミッタ・ベース積層部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。
【００７１】
図１２に示すように、ベース電流Ｉｂが増大するために、電流増幅率ｈＦＥが低下することが懸念されるが、ＳｉＧｅＣ真性ベース層の直上に設けられるキャップ層（直上キャップ層）をＳｉキャップ層ではなくＳｉＧｅキャップ層にすることにより、ベース電流Ｉｂの増加と同時にコレクタ電流Ｉｃが増加するので、電流増幅率ｈＦＥもほとんど低下することがない。
【００７２】
なお、以上の原理からわかるように、直上キャップ層をＳｉＧｅキャップ層ではなくＳｉＧｅＣキャップ層にしても、伝導帯Ｅｃにおけるエミッタ−ベース間の障壁の低下や、価電子帯Ｅｖにおけるベース−エミッタ障壁の低下を実現することができるので、本発明の効果を発揮することができる。
【００７３】
（第２の実施形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態に係るＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのエミッタ・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。本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの断面構造は、基本的に図１（ａ）に示す構造と同じであり、エミッタ・ベース積層部の構造は図１（ａ）の右上に示す構造と同じである。すなわち、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのエミッタ・ベース積層部においては、第１の実施形態におけるＳｉＧｅＣスペーサ層２１と同じ寸法及び組成を有するＳｉＧｅＣスペーサ層３１と、第１の実施形態におけるＳｉＧｅＣ真性ベース層２２と同じ寸法及び組成を有するＳｉＧｅＣ真性ベース層３２と、Ｇｅ含有率が一定ではなくエミッタ側に向かって段階的に減少する傾斜プロファイルを有する傾斜ＳｉＧｅキャップ層３３と、第１の実施形態におけるＳｉキャップ層２４と同じ寸法及び組成を有するＳｉキャップ層３４とが設けられている。ここで、傾斜ＳｉＧｅキャップ層３３のＧｅ含有率は、ＳｉＧｅＣ真性ベース層３２に接する端部では１５％で、Ｓｉキャップ層３４に接する端部では０％である。
【００７４】
本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいても、エミッタ−ベース間のＰ／Ｎ接合は、Ｇｅ含有率が０％ではない比較的高い位置（例えば１０％程度の位置）に形成されている。
【００７５】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ＳｉＧｅＣ真性ベース層３２が０．３％以上のＣを含んでいることによるベース電流Ｉｂの増加と、ＳｉＧｅＣ真性ベース層３２の直上に設けられたキャップ層（直上キャップ層）がＳｉＧｅキャップ層であることによるコレクタ電流Ｉｃの増加という２つの主な作用が得られるので、電流増幅率ｈＦＥを高く保ちつつ、電流増幅率ｈＦＥのばらつきを低減することができる。
【００７６】
【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真性ベース層の直上に設けられるキャップ層をＳｉＧｅキャップ層又はＳｉＧｅＣキャップ層としたので、電流増幅率を高く維持しながら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】（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、従来の構造と本実施形態の構造について、エミッタ電極及びエミッタ・ベース積層部のＧｅ含有率及びＢ，Ｐ濃度のプロファイルをＳＩＭＳにより分析したデータを比較して示す図である。
【図４】第１の実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのバンド構造を概略的に示すエネルギーバンド図である。
【図５】各部の組成を変化させたＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの各種サンプルの電流増幅率及びそのばらつきを表にして示す図である。
【図６】ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率に対するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの電流増幅率のばらつきの変化を、直上キャップ層のＧｅ含有率をパラメータとして示す図である。
【図７】スペーサを含むベース層の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８】（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、図５に示すサンプル２，４のエミッタ・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９】ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を変化させずに、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にしたときのガンメル特性の変化を示す図である。
【図１０】ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を高めたときのエミッタ・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１１】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１２】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１３】本発明の第２の実施形態に係るＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのエミッタ・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１４】（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１５】図１４（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　ＳｉＧｅキャップ層
２４　Ｓｉキャップ層
２５　エミッタ層
【図１】
2004128343.tif 000003
【図２】
2004128343.tif 000004
【図３】
2004128343.tif 000005
【図４】
2004128343.tif 000006
【図５】
2004128343.tif 000007
【図６】
2004128343.tif 000008
【図７】
2004128343.tif 000009
【図８】
2004128343.tif 000010
【図９】
2004128343.tif 000011
【図１０】
2004128343.tif 000012
【図１１】
2004128343.tif 000013
【図１２】
2004128343.tif 000014
【図１３】
2004128343.tif 000015
【図１４】
2004128343.tif 000016
【図１５】
2004128343.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月6日(2003.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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上に真性ベース層に接して形成され、組成がＳｉ１−ｘ２　Ｇｅｘ２（０＜ｘ２＜１）で表される直上キャップ層とを有し、
上記エミッタ層は上記直上キャップ層に形成されてい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３】請求項１又は２に記載の半導体装置において、
上記直上キャップ層のＧｅ組成比ｘ２は、０．０８以上であ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、
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、
上記半導体層は、上記真性ベース層と上記コレクタとして機能するＳｉ層との間に介設された組成がＳｉ１−ｘ３−ｙ３　Ｇｅｘ３Ｃｙ３（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ３＜１）で表されるスペーサ層をさらに有してい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、
上記半導体層は、上記直上キャップ層の上にＧｅを含まないＳｉキャップ層をさらに備え、
　上記Ｓｉキャップ層と上記直上キャップ層とに亘る領域にエミッタ層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、
上記キャップ層の一部は、ビルトインポテンシャルの状態で、エミッタ−ベース間の空乏層内に位置してい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１４（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１４（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１４（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１４（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１４（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１４（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１４（ｂ）は、図１４（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１４（ｂ）の横軸はＳｉキャップ層１２３の上面からの深さを表し、図１４（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１４（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１５は、図１４（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１５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層はそのバンドギャップ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、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。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】
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、電流増幅率を比較的高く維持しつつ、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。
【００２１】
【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上に真性ベース層に接して形成され、組成がＳｉ１−ｘ２　Ｇｅｘ２（０＜ｘ２＜１）で表される直上キャップ層とを有し、上記エミッタ層は上記直上キャップ層に形成されている。
【００２２】
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の低減と、コレクタ電流の増大とが得られるので、電流増幅率を高く維持しつつ、電流増幅率のばらつきの低減を図ることができる。
【００２３】
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。
【００２４】
上記直上キャップ層のＧｅ組成比ｘ２は、０．０８以上であることが好ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
上記半導体層は、上記真性ベース層と上記コレクタとして機能するＳｉ層との間に介設された組成がＳｉ１−ｘ３−ｙ３　Ｇｅｘ３Ｃｙ３（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ３＜１）で表されるスペーサ層をさらに有していることが好ましい。
【００２７】
上記半導体層は、上記直上キャップ層の上にＧｅを含まないＳｉキャップ層をさらに備え、上記Ｓｉキャップ層と上記直上キャップ層とに亘る領域にエミッタ層が形成されていることが好ましい。
【００２８】
上記キャップ層の一部は、ビルトインポテンシャルの状態で、エミッタ−ベース間の空乏層内に位置していることが好ましい。
【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ＳｉＧｅキャップ層２３と、ＳｉＧｅキャップ層２３の上に形成されたＳｉキャップ層２４と、Ｓｉキャップ層２４及びＳｉＧｅキャップ層２３（あるいは、Ｓｉキャップ層２４のみ）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、ＳｉＧｅキャップ層２３に接する端部ではＳｉＧｅキャップ層２３と同じ含有率（本実施形態では１５％程度）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と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真性ベース層の直上に、これに接して設けられたキャップ層（以下、「直上キャップ層」という）を、従来のようなＳｉキャップ層ではなくＳｉＧｅキャップ層２３としている点と、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２のＣ含有率を高くしている点とが、本発明の特徴である。ただし、ＳｉＧｅキャップ層２３に代えてＳｉＧｅＣキャップ層を設けてもよい。つまり、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２の組成をＳｉ１−ｘ１−ｙ１　Ｇｅｘ１Ｃｙ１と表し、ＳｉＧｅキャップ層２３（又はＳｉＧｅＣキャップ層）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＜１
が成立すればよい。
【００３５】
なお、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２４（あるいはＳｉキャップ層２４及びＳｉＧｅ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。
【００３６】
−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。
【００３７】
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。
【００３８】
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０．８％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１５％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、１５％のＧｅ及び残部を占めるＳｉによって構成される厚さ２０ｎｍのＳｉＧｅキャップ層２３と、厚さ１０ｎｍのＳｉキャップ層２４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。
【００３９】
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。
【００４０】
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２４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。
【００４１】
−ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの構造の詳細−
図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、従来の構造と本実施形態の構造について、エミッタ電極及びエミッタ・ベース積層部のＧｅ含有率及びＢ，Ｐ濃度のプロファイルをＳＩＭＳにより分析したデータを比較して示す図である。図３（ａ），（ｂ）において、横軸はポリシリコンエミッタ電極からの縦方向の位置を表し、縦軸はＧｅ含有率（％）及びＢ，Ｐ濃度（ａｔｏｍｓ　／ｃｍ３　）を表している。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、ＳｉＧｅＣスペーサ１２１には約２５％のＧｅが均一に含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２は傾斜した含有率のＧｅが含まれていることがわかる。また、エミッタ電極１１２には濃度が約３×１０２０ａｔｏｍｓ　／ｃｍ３　のリン（Ｐ）が含まれ、エミッタ層１２５にはエミッタ電極１１２から拡散したリンが下方に向かって低濃度になるように傾斜した濃度で含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２にはエミッタ電極１１２から拡散したリンが５×１０１７／ｃｍ３　程度の濃度で含まれている。また、ＳｉＧｅＣ真性ベース層１２２には濃度が１．４×１０１９／ｃｍ３　程度のボロン（Ｂ）が含まれており、このような不純物分布によって、上記文献などの従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおけるエミッタ−ベース間のＰ／Ｎ接合が形成されていることがわかる。
【００４３】
一方、図３（ｂ）に示すように、本実施形態のＳｉＧｅＣスペーサ２１には含有率約２５％のＧｅが均一に含まれ、ＳｉＧｅキャップ層２３には含有率約１５％のＧｅが含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２は傾斜した含有率のＧｅが含まれていることがわかる。また、エミッタ電極１２には濃度が約３×１０２０ａｔｏｍｓ　／ｃｍ３　のリン（Ｐ）が含まれ、エミッタ層２５及びＳｉＧｅキャップ層２４の一部にはエミッタ電極１２から拡散したリンが下方に向かって低濃度になるように傾斜した濃度で含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２にはエミッタ電極１２から拡散したリンが５×１０１７／ｃｍ３　程度の濃度で含まれている。また、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２には濃度が１．４×１０１９／ｃｍ３　程度のボロン（Ｂ）が含まれており、このような不純物分布によって、エミッタ−ベース間のＰ／Ｎ接合が形成されていることがわかる。
【００４４】
図３（ａ），（ｂ）のいずれにおいても、Ｐ／Ｎ接合部が横軸の３３０ｎｍ位置に形成されていることがわかる。そして、図３（ａ）に示す従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、Ｐ／Ｎ接合部はＳｉキャップ層１２３中に存在するが、図３（ｂ）に示す本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴではＳｉＧｅキャップ層２３（Ｇｅ含有率１５％）内に存在している。
【００４５】
なお、図３（ａ），（ｂ）には示されていないが、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及びスペーサ層２１には０．８％程度のカーボン（Ｃ）が含まれている。
【００４６】
なお、ボロン（Ｂ）が各キャップ層中に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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
また、Ｓｉキャップ層２４は、エミッタ電極１２からのＰが高濃度で拡散する領域と、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２との間の距離を調整するとともに、工程中にＳｉＧｅ表面が露出しないよう保護するために設けられている。ただし、Ｓｉキャップ層２４は必ずしもなくてもよい。
【００５０】
−データに示される本発明の作用効果−
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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１４（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１４（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。
【００５３】
図４は、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのバンド構造を概略的に示すエネルギーバンド図である。同図には、ＳｉＧｅＣ真性ベース層の上にＳｉキャップ層のみが設けられている従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのバンド構造が破線で示されている。同図に示すように、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層２２の直上にＳｉＧｅキャップ層２３が設けられている。つまり、直上キャップ層がＳｉＧｅキャップ層であるので、エミッタ−ベース間の電位障壁が低くなり、エミッタからベースへコレクタ電流Ｉｃが流れ込みやすくなることがわかる。ここで、Ｇｅ含有率１％あたり電位障壁が約７．５ｍｅＶだけ低くなるので、キャップ層のＧｅ含有率が０から１５％に増大したことにより、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴでは、従来のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴに比べて電位障壁が１１２．５ｍｅＶだけ低下する。
【００５４】
したがって、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにより、直上キャップ層をＳｉＧｅキャップ層とすることにより、コレクタ電流Ｉｃが増加する。この作用は、ＳｉＧｅキャップ層２３の一部がビルトインポテンシャルにおけるエミッタ−ベース間の空乏層内に存在すれば生じる。
【００５５】
図５は、各部の組成を変化させたＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの各種サンプルの電流増幅率ｈＦＥ及びそのばらつきを表にして示す図である。同図に示すように、サンプル１においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．２％のカーボン（Ｃ）が含まれ、ＳｉＧｅＣ真性ベース層の直上のキャップ層（直上キャップ層）はＳｉキャップ層である。サンプル２においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．８％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層はＳｉキャップ層である。サンプル３においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．８％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層は８％のＧｅを含むＳｉＧｅキャップ層である。サンプル４においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．２％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層は１５％のＧｅを含むＳｉＧｅキャップ層である。サンプル５においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．５％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層は１５％のＧｅを含むＳｉＧｅキャップ層である。サンプル６においては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層に０．８％のカーボン（Ｃ）が含まれ、直上キャップ層は１５％のＧｅを含むＳｉＧｅキャップ層である。
【００５６】
これらのサンプルのうちでは、直上キャップ層としてＳｉＧｅキャップ層を有し、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率がそれぞれ０．５％，０．８％であるサンプル５，６の電流増幅率ｈＦＥのばらつきが最も小さいことが分かる。他のサンプルの電流増幅率ｈＦＥのばらつきが３５〜６５％程度であるのに対して、サンプル５の電流増幅率ｈＦＥは１９．９％、サンプル６の電流増幅率ｈＦＥは２４．３％と特に小さな電流増幅率ｈＦＥのばらつきを示している。また、サンプル３，６を比較すると、Ｃ含有率が同じでも、ＳｉＧｅキャップ層のＧｅ含有率が高いほど、電流増幅率ｈＦＥのばらつきは小さくなっている。
【００５７】
図６は、図５のデータに基づいて、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率に対するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの電流増幅率ｈＦＥのばらつきの変化を、直上キャップ層のＧｅ含有率をパラメータとして示す図である。図５及び図６から以下のことがわかる。
【００５８】
直上キャップ層としてＳｉキャップ層を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率に拘わらず、電流増幅率ｈＦＥのばらつきが大きい。それに対し、直上キャップ層としてＳｉＧｅキャップ層を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が高いほど電流増幅率ｈＦＥのばらつきが小さくなる傾向がある。その場合、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が０．３％以上になることにより、電流増幅率ｈＦＥのばらつきの低下が顕著となる。よって、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率は０．３％以上であることが望ましい。
【００５９】
ただし、図５や図６には示されていないが、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が約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、約１．５％以下であることが望ましい。
【００６０】
一方、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率が同じでも、直上キャップ層としてＳｉＧｅキャップ層を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの方が、直上キャップ層としてＳｉキャップ層を有するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴよりも電流増幅率ｈＦＥの値は大きくなると同時に、電流増幅率ｈＦＥのばらつきは小さくなり、Ｇｅ含有率が８％以上のＳｉＧｅキャップ層を設けた場合に効果が大きい。ただし、直上キャップ層であるＳｉＧｅキャップ層の膜厚が５０ｎｍのときにＧｅ含有率が４０％を越えると、結晶性の劣化を招くおそれがあるので、ＳｉＧｅキャップ層のＧｅ含有率は４０％以下であることが好ましい。
【００６１】
また、直上キャップ層として、ＳｉＧｅキャップ層ではなくＳｉＧｅＣキャップ層を設けてもよい。
【００６２】
−ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの他の特性の検討−
図７は、スペーサを含むベース層の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。アーリー電圧Ｖａは高いことが望ましいので、図７に示されているように、実用のトランジスタとしてアーリー電圧Ｖａが１０Ｖ以上になるようにするには、ＳｉＧｅＣスペーサ２１のＣ含有率を例えば０．７％以下にすることが好ましい。
【００６３】
−本発明の効果が得られる原理−
以下、本発明のＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率と、直上キャップ層の組成とによって以上のような効果が得られる原理を考察する。
【００６４】
図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、図５に示すサンプル２，４のエミッタ・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（ａ）に示すエミッタ・ベース積層部の構造においては、Ｐ／Ｎ接合部はＳｉキャップ層内にあり、図８（ｂ）に示すエミッタ・ベース積層部の構造においては、Ｐ／Ｎ接合部はＳｉＧｅキャップ層内にある。
【００６５】
図９は、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を変化させずに、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおけるエミッタ・ベース積層部の直上キャップ層（ＳｉＧｅＣ真性ベース層の直上にこれに接して設けられたキャップ層）をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にしたときのガンメル（Ｇｕｍｍｅｌ）特性の変化を示す図である。同図に示すように、コレクタ電流Ｉｃは、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にすることにより増加する。同じ意味ではあるが、同図に示すように、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にすることにより、所定のＩｃを得るためのベース−エミッタ電圧Ｖｂｅの値は低下する。この作用は、ＳｉＧｅキャップ層の一部がビルトインポテンシャルにおけるエミッタ−ベース間の空乏層内に存在すれば生じる。これは、バイポーラトランジスタ（本実施形態では、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴ）の低電圧動作にもつながる。
【００６６】
一方、ベース電流Ｉｂは、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層に代えることによっては変化していないので、ベース電流Ｉｂのばらつきは変化しない。電流増幅率ｈＦＥのばらつきの主な原因はベース電流Ｉｂが変動することにあるので、図８（ｂ）に示すように、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にするだけでは、電流増幅率ｈＦＥのばらつきを大きく低減させることは困難といえる。
【００６７】
そこで、図１０に示すように、ＳｉＧｅＣ真性ベース層のカーボン（Ｃ）含有率を点線に示す値（例えば０．１〜０．２％）から実線で示す値（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、図５に示すように、実験事実として示されている。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。
【００６８】
図１１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、同図に示すような中間準位が生じやすくなる。そして、中間準位を経て伝導帯Ｅｃに電子が励起されやすくなる結果、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中間準位を介して電子が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。そして、直上キャップ層がＳｉキャップ層からバンドギャップの小さいＳｉＧｅキャップ層に代わっているので、価電子帯Ｅｃにおけるベース−エミッタ障壁が小さくなって、ホールがエミッタ層により流れやすくなっている。
【００６９】
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１１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。図６からわかるように、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。
【００７０】
図１２は、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおけるエミッタ・ベース積層部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。
【００７１】
図１２に示すように、ベース電流Ｉｂが増大するために、電流増幅率ｈＦＥが低下することが懸念されるが、ＳｉＧｅＣ真性ベース層の直上に設けられるキャップ層（直上キャップ層）をＳｉキャップ層ではなくＳｉＧｅキャップ層にすることにより、ベース電流Ｉｂの増加と同時にコレクタ電流Ｉｃが増加するので、電流増幅率ｈＦＥもほとんど低下することがない。
【００７２】
なお、以上の原理からわかるように、直上キャップ層をＳｉＧｅキャップ層ではなくＳｉＧｅＣキャップ層にしても、伝導帯Ｅｃにおけるエミッタ−ベース間の障壁の低下や、価電子帯Ｅｖにおけるベース−エミッタ障壁の低下を実現することができるので、本発明の効果を発揮することができる。
【００７３】
（第２の実施形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態に係るＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのエミッタ・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。本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの断面構造は、基本的に図１（ａ）に示す構造と同じであり、エミッタ・ベース積層部の構造は図１（ａ）の右上に示す構造と同じである。すなわち、本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのエミッタ・ベース積層部においては、第１の実施形態におけるＳｉＧｅＣスペーサ層２１と同じ寸法及び組成を有するＳｉＧｅＣスペーサ層３１と、第１の実施形態におけるＳｉＧｅＣ真性ベース層２２と同じ寸法及び組成を有するＳｉＧｅＣ真性ベース層３２と、Ｇｅ含有率が一定ではなくエミッタ側に向かって段階的に減少する傾斜プロファイルを有する傾斜ＳｉＧｅキャップ層３３と、第１の実施形態におけるＳｉキャップ層２４と同じ寸法及び組成を有するＳｉキャップ層３４とが設けられている。ここで、傾斜ＳｉＧｅキャップ層３３のＧｅ含有率は、ＳｉＧｅＣ真性ベース層３２に接する端部では１５％で、Ｓｉキャップ層３４に接する端部では０％である。
【００７４】
本実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいても、エミッタ−ベース間のＰ／Ｎ接合は、Ｇｅ含有率が０％ではない比較的高い位置（例えば１０％程度の位置）に形成されている。
【００７５】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ＳｉＧｅＣ真性ベース層３２が０．３％以上のＣを含んでいることによるベース電流Ｉｂの増加と、ＳｉＧｅＣ真性ベース層３２の直上に設けられたキャップ層（直上キャップ層）がＳｉＧｅキャップ層であることによるコレクタ電流Ｉｃの増加という２つの主な作用が得られるので、電流増幅率ｈＦＥを高く保ちつつ、電流増幅率ｈＦＥのばらつきを低減することができる。
【００７６】
【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真性ベース層の直上に設けられる直上キャップ層をＳｉＧｅキャップ層又はＳｉＧｅＣキャップ層としたので、電流増幅率を高く維持しながら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】（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、従来の構造と本実施形態の構造について、エミッタ電極及びエミッタ・ベース積層部のＧｅ含有率及びＢ，Ｐ濃度のプロファイルをＳＩＭＳにより分析したデータを比較して示す図である。
【図４】第１の実施形態のＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのバンド構造を概略的に示すエネルギーバンド図である。
【図５】各部の組成を変化させたＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの各種サンプルの電流増幅率及びそのばらつきを表にして示す図である。
【図６】ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率に対するＳｉＧｅＣ−ＨＢＴの電流増幅率のばらつきの変化を、直上キャップ層のＧｅ含有率をパラメータとして示す図である。
【図７】スペーサを含むベース層の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８】（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、図５に示すサンプル２，４のエミッタ・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９】ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を変化させずに、直上キャップ層をＳｉキャップ層からＳｉＧｅキャップ層にしたときのガンメル特性の変化を示す図である。
【図１０】ＳｉＧｅＣ真性ベース層のＣ含有率を高めたときのエミッタ・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１１】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１２】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１３】本発明の第２の実施形態に係るＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのエミッタ・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１４】（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１５】図１４（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　ＳｉＧｅキャップ層
２４　Ｓｉキャップ層
２５　エミッタ層