JPH0242731A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に
ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ層に微結
晶シリコン膜を用いた半導体装置とその製造方法に関す
るものである。

［従来の技術］ 現在までに、超高速シリコンバイポーラ集積回路装置を
実現するために、ワイドエネルギギャップのヘテロ接合
エミッタを用いてベース抵抗を低減させる構造のヘテロ
接合バイポーラトランジスタが開発されている。この場
合、ワイドエネルギギャップの膜材料としては、おおむ
ねアモルファスシリコン（以下ａ−８ｉと略称する）、
アモルファスシリコンカーバイド（以下ａ−９ｔ　ｃと
略称する）及び微結晶シリコン（以下μａ−８１と略称
する）の３つが提案されている。

上述の３つの材料のうち、実際にバイポーラトランジス
タのエミッタ層にａ−８ｉ及びａ−３ｉＣを用いた時、
バンド構造から予測される値より電流利得が低く、通常
のホモ接合エミッタ方式の場合に比べて、とくに優位性
が認められていない。この原因としては、ａ−８１及び
ａ−３Ｉ　Ｃのいずれも抵抗が高く、その結果、エミッ
タ部の電圧降下が大となり、ヘテロ界面およびアモルフ
ァス半導体中に存在するエネルギ準位に関与する欠陥電
流が増大するためと考えられている。

この欠点を補うために、ドーピング効率がより高く、か
つアモルファス半導体と同程度のバンド幅が得られてい
るμｃ−８Ｉ膜をエミッタ材料として用いる方法が提案
され、その有望性が注目されている現状である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のμｅ−８ｌ膜を実際にエミッタ材
料に用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて
、電流利得は増大する場合もある。しかし、依然として
次にのべるような問題点が残っている。

（イ）電流利得をさらに向上させる必要がある。

（ロ）同一製作条件でトランジスタを形成しても電流利
得等の特性上のパラメータが変動する。

上記（イ）、（ロ）に示した問題点は、μｃ−８ｉ膜の
バンド幅が膜の製作条件に極めて敏感なためであり、こ
のことは形成されたμｃ−８ｔ膜を電子顕微鏡で観察し
た結果、その理由も明らかになっている。すなわち、従
来法のμｃ−８ｔ膜はａ−３ｉ膜の中に大きさの異なる
微結晶シリコンが点在するような形態を示しており、こ
の微結晶体の体積率及び微結晶粒径がバンドギャップ幅
に強い影響を及ぼしているためである。そこで、ワイド
エネルギギャップの膜製作条性に不敏感なエミッタ材料
用の微結晶シリコン膜の形成と、その製造方法の確立が
要望されていた。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、ワイドエネルギギャップの膜特性の揃った
膜形成条件による製造方法を確立して、超高速バイポー
ラトランジスタを提供することを目的とするものである
。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る半導体装置はエミッタ層が実質的に平均
粒径１００Å以下の微結晶シリコンのみからなる膜で形
成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタである。

また、この発明に係る半導体装置の製造方法は、上記の
微結晶シリコン膜からなるエミッタを形成するに当って
、エミッタ電極取出し用の開口を行ったのち、この開口
部にエミッタ層を形成する工程で、水素プラズマによる
スパッタリングを行ってターゲットからスパッタされた
シリコンを０℃以下に冷却した基板のエミッタ開口部に
シリコンを堆積して微結晶Ｓ１膜を形成することを特徴
とするものである。

［作用コ この発明による半導体装置の製造方法においては、エミ
ッタ層の形成において、基板温度を０℃以下に保持した
状態で水素プラズマのスパッタリングによりシリコンを
堆積するから、はぼ１００％の体積率を有し、かつ平均
粒径が１００Å以下の微結晶シリコン膜が得られる。そ
して、この場合微結晶体の内部はシリコンであり、その
外側がシリコン水素化物となっており、この水素化物を
介して互に隣接する微結晶が強固に結合されている。

このように低温で水素プラズマスパッタリングにより微
結晶シリコン膜が得られる理由は、未だ十分に解明され
ているわけではないけれども、本発明者らは次のように
考察している。

■　結晶化の理由：水素プラズマ放電は大量の紫外線を
出し、この照射をうけてガス中のシリコン原子または水
素化合物は励起状態になり、これが堆積するシリコンの
再結晶を可能にする。

■　微結晶となる理由：微結晶であるシリコン結晶中に
、ダングリングボンドまたはシリコン水素化合物などが
存在することによって、自由エネルギーが増大し、ある
一定の粒径になると成長がとまり、また新たに次の微結
晶が成長する。

また、この発明の製造方法で得られる半導体装置は、特
にバイポーラトランジスタの場合にエミッタ層に上記の
ような良質な微結晶シリコン膜を用いるから、とくにこ
の微結晶シリコン膜が平均粒径１００Å以下に形成され
ると超高速シリコンバイポーラトランジスタに必須とさ
れるエネルギギャップがシリコン固有の値すなわち１．
１　ｅＶより拡大されたものが得られ、とくに最適条件
で例えば５０Å以下に形成されると２ｅＶ以上のワイド
エネルギギャップが得られる。

［実施例］ 実施例１； 第１図はこの発明の一実施例を示すヘテロ接合バイポー
ラトランジスタの模式断面図である。なお、この断面図
においては、素子分離領域の図示は省略しである。

図において、１はｎ／ｎ＋型のシリコン（Ｓｔ）エピタ
キシャルウェーハの基板（以下エビ基板という）であり
、２はエビ基板１のｎ型層内に形成されたｐ型のベース
層、３はエビ基板１の表面に形成されたＳｔ酸化膜から
なる絶縁体膜で、コレクタ電極Ｃはエビ基板１のｎ土層
から取出されている。

ベース電極Ｂは絶縁体膜３に設けられた開口部からベー
ス層２に接するように形成されたメタル電極５を介して
取出される。６は絶縁体膜３のエミッタ用開口部のベー
ス層２に接するように形成されたエミッタ層で、この発
明の製造方法（実施例２で説明する）によって形成され
たｎ型微結晶Ｓｉ膜からなっている。エミッタ電極Ｅは
エミッタ層６の上面に形成されたメタル電極７を介して
取出されている。

上記のような構成によって形成されたｎｐｎ型のヘテロ
接合バイポーラトランジスタは、とくにエネルギギャッ
プの拡大されたエミッタ層６とベース層２とのヘテロ接
合によりベース抵抗の減小が達成され、電流利得の改良
されたバイポーラトランジスタが得られている。すなわ
ち、このヘテロ接合バイポーラトランジスタの電流利得
を測定した結果、最大で１０００を示し、従来型のμｃ
−８１膜を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタに
比べ著るしい優位性を示すことが確認された。

実施例２； この実施例においては、はじめに第１図の実施例に示し
たエミッタ層６の形成に用いた微結晶Ｓｔ膜の製造装置
について説明し、ついで、この微結晶Ｓｉ膜の形成方法
を主体としてヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造
方法を説明する。

第２図は第１図の実施例の半導体装置を例として、ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ層６の製造方
法に用いたプラズマ　スパッタリング装置の模式断面図
である。図において、２１は真空容器で、図示しない真
空装置に連結された排気孔３１と真空容器２１の雰囲気
を調整するガス導入孔２２が設けられている。２７．２
９はプラズマ放電用の電極で、電極２７には永久磁石２
Ｂが組込まれ、電極２７の上面に半導体材料（この場合
Ｓｌ）からなるターゲット２５が設置されており、電極
２９にはエミッタ層６形成前までのエビ基板２８が設置
される。

電極２９には図示しない冷却装置に連結された冷却媒体
の出入孔３０が設けられている。２３は電極２７゜２９
に電源を供給する高周波電源である。なお、２４は形成
された水素プラズマである。

下表にこの実施例において、上記エミッタ層６を形成し
たときの具体的な動作条件を挙げる。

以下、第２図のプラズマ　スパッタリング装置を一部に
使用して、第１図の実施例を一例として、ヘテロ接合バ
イポーラトランジスタの製造方法を説明する。

はじめに、結晶面方位（１１１）のｎ　／　ｆ１＋型の
８１エピ基板１を所定の工程により洗滌・乾燥したのち
、このエビ基板１に通常のシリコンプロセスを用いて、
熱酸化により絶縁体膜３を形成し、ついでベース窓開け
を行い、さらにボロン（Ｂ）のイオン注入を行い、さら
に熱酸化を行うことによりベース層２をエビ基板１のｎ
層内に形成した。その後、エミッタの窓開けを行ってエ
ミッタ開口部を形成した。このプロセス状態まで形成さ
れたエビ基板１（第２図ではエビ基板２８に相当）を第
２図のプラズマスパッタリング装置の電極２９上に設置
し、ターゲット２５と対向させた。

ついで、エミッタ層６を構成するｎ型微結晶Ｓｌ膜を形
成するのであるが、その手順はガス導入孔２２より水素
（Ｈ２）ガスと所定量のｐＨ３ガスを導入し、真空容器
２１内の雰囲気として１．ＯＴｏｒｒ程度のガス圧を形
成したのち、電極２７．２９に高周波型［２３からの電
圧を印加する。このときプラズマ２４が形成されプラズ
マ２４中の水素イオンによりターゲット２５を構成する
Ｓｔをスパッタリングし、液体窒素を冷却媒体の出入口
孔３０からの導入により液体窒素温度に冷却されたエビ
基板２８上にＳｔの薄膜を形成してエミッタ層６を形成
する。この場合、冷却媒体は０℃以下に冷却された水で
あってもよい。

形成されたＳｉ薄膜、すなわちエミッタ層６を図示しな
いダミー層により観測したところ、平均粒径が１００Å
以下の９１微結晶がほぼ連続的に結合して形成されてい
ることがわかった。

さらに、このエビ基板２８をプラズマ　スパッタリング
装置から取出し、エミッタ層６以外の部分をドライエツ
チングにより除去したのち、通常のプロセスによってメ
タル蒸着を行ってエミッタ電極７、ベース電極５、及び
コレクタＣの電極形成を行い、第１図の実施例に示した
段階までのヘテロ接合バイポーラトランジスタの形成工
程を完了する。

なお、上記の実施例では実験の容易さからエビ基板２８
を液体窒素の温度に冷却保持して、微結晶Ｓｉ膜を形成
した場合について説明した。しかし、微結晶化の機構か
らも推定できるようにそこまで低温にしなくてもこの発
明による微結晶組織はえられるものと考えられ、要はＳ
ｔ原子の基板上での拡散が抑えられればよいものである
。別の予備実験によれば０℃近くでも微結晶化は可能で
あることが確認されている。一般的にいえば低温になる
ほど微結晶化は容易であると考えられていて、低温下限
は液体ヘリウム温度（４Ｋ）まで実施可能である。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明の半導体装置の製造方法に
よれば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ
層に１００％に近い体積率で、かつ平均粒径１００Å以
下の微結晶Ｓｉ膜を用いる形成方法を確立したので、ヘ
テロ接合の利点を生がしたバイポーラトランジスタがシ
リコン基板に形成できるようになった。したがって、こ
の製造方法により、電流利得が著しく高い高性能バイポ
ーラトランジスタを提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すヘテロ接合バイポー
ラトランジスタの模式構造図、第２図は第１図の実施例
のようなバイポーラトランジスタのエミッタ層の製造方
法に用いたプラズマ　スパッタリング装置の模式図であ
る。 図において、１はｎ　／　ｒ′１＋型のシリコンエピタ
キシャルウェーへの基板（エビ基板）、２はベース層、
３は絶縁体層、５はベース電極、６はエミッタ層、７は
エミッタ電極、２１は真空容器、２２はガス導入孔、２
３は高周波電源、２４は水素プラズマ、２５はターゲッ
ト、２Ｂは永久磁石、２７は電極、２８はエビ基板、２
９は電極、３０は冷却媒体の出入孔、３１は排気孔であ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ヘテロ接合バイポーラトランジスタによって構成
   された半導体装置において、 エミッタ層が実質的に平均粒径１００Å以下の微結晶シ
   リコンのみからなる膜で形成されたことを特徴とする半
   導体装置。
2. （２）ヘテロ接合バイポーラトランジスタによって構成
   された半導体装置の製造方法において、エピタキシャル
   ウェーハにベース層を形成したのち、全面に絶縁体膜を
   形成し、この絶縁体膜にエミッタ及びベース電極取出し
   の開口部を形成し、上記エミッタ用の開口部に基板温度
   ０℃以下に保持しながら水素プラズマスパッタリングを
   行い微結晶シリコンを堆積してエミッタ層を形成するこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。