专利名称：薄膜半导体外延衬底及其生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合于生产异质结双极型晶体管(HBT)的薄膜半导体外延衬底以及生产此薄膜半导体外延衬底的工艺。
背景技术：
作为应用于微波以上频率范围的半导体元件，是用诸如MOCVD的最新的优秀晶体生长技术生产出来的高性能异质结双极型晶体管(HBT)。HBT是如下组成的用比基区层具有更大带隙的材料作发射区层使发射区-基区的结为异质结，而且与同质结双极型晶体管相比，当空穴从基区层流入发射区层时能量势垒被抬高以致能阻止空穴流向发射区，由此提高了发射区的注入效率。
上述组成的常规HBT的电流放大机理从根本上说是与常规的同质结双极型晶体管相同的。因此，为了提高电流放大因子就要降低基区内电子和空穴的复合几率。于是有以下结构，例如已为人们所知在发射区层和基区层内使用具有组成梯度的AlGaAs以产生加速电子的电场，受到由电子的浓度梯度引起扩散导致的常规类型电流与由AlGaAs晶体中产生电场引起电子渡越导致的电流的协同效应加速了基区内的电子流，以减少基区内的电子渡越时间，由此降低了基区内电子和空穴的复合几率。
此外，为了提高HBT的电流放大因子曾经企图提高发射区层和基区层或者是它们之间界面的结晶度。然而，集电区层或子集电区层的结晶度与电流放大因子之间的关系并未得到充分的研究。
然而，近来已发现在子集电区层中即为降低集电区层和集电极的电极之间的接触电阻在它们之间形成的一层高电导率的薄层中的载流子浓度显著影响着电流放大因子。在设计半导体器件中，总想能够自由设置子集电区层内的载流子浓度。但当载流子浓度显著地影响到电流放大因子时，器件设计的自由度就受到严格的制约，使得设计具有所需特性的器件变得复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使现有技术中的这些问题能获解决的薄膜半导体外延衬底，以及一种生产此薄膜半导体外延衬底的工艺。
本发明的另一目的为提供一种允许减少子集电区层中的载流子浓度对电流放大因子影响的薄膜半导体外延衬底，以及一种生产此薄膜半导体外延衬底的工艺。
本发明又一目的是提供一种能够生产高可靠性半导体器件的薄膜半导体外延衬底，以及一种生产此薄膜半导体外延衬底的工艺。
在本发明中为了解决上述问题，在通过气相晶体生长在衬底上形成子集电区层、集电区层、基区层和发射区层的生产供HBT生产用的薄膜半导体外延衬底当中，将向包括子集电区层和集电区层的层区的至少一部分中加入硼(B)的步骤合并到生产薄膜半导体外延衬底的工艺中。因而，在这样生产的薄膜半导体外延衬底中，所加的硼(B)，譬如至少在一部分子集电区层或集电区层、或是子集电区层和集电区层的界面附近出现。
当所加的硼(B)出现在包括子集电区层和集电区层的层区至少一部分当中时，由高掺杂剂浓度掺杂子集电区层引起的子集电区层内的复合晶体缺陷就被阻止向基区层和发射区层内传播。其结果是，能够有效地阻止在于集电区层中引起的复合晶体缺陷成为基区层和发射区层内的复合中心而使基极电流增加和使电流放大因子下降。因而，即使当子集电区层以高掺杂剂浓度掺杂时，也能限制掺杂对电流放大因子的影响以避免电流放大因子的下降，而且与此同时，还能提高半导体器件的可靠性。
按照本发明的第一实施方案，提供了一种薄膜半导体外延衬底，其包括衬底以及在所述衬底上形成为薄膜半导体外延层的子集电区层、集电区层、基区层和发射区层，其中所加的硼(B)在包括所述子集电区层和所述集电区层在内的层区至少一部分当中出现。
按照本发明的第二实施方案，提供了一种按上述第一实施方案的薄膜半导体外延衬底，其中含有添加所述硼(B)的部分是以在所述集电区层和所述子集电区层之间界面附近的薄膜半导体外延层的形式形成的。
按照本发明的第三实施方案，提供了一种薄膜半导体外延衬底的生产工艺，薄膜半导体外延衬底包括衬底以及在所述衬底上形成为薄膜半导体外延层的子集电区层、集电区层、基区层和发射区层，该工艺的特征在于包括向包括所述子集电区层和所述集电区层的层区至少一部分中加硼(B)的步骤。
按照本发明的第四实施方案，提供了一种按上述第三实施方案的薄膜半导体外延衬底的生产工艺，其中是在所述层区生长时的预定期间加进硼(B)材料以便进行硼(B)的加入。
按照本发明的第五实施方案，提供了一种按上述第三或第四实施方案的薄膜半导体外延衬底的生产工艺，其中用三乙基硼作为所述硼(B)材料。
按照本发明的第六实施方案，提供了一种包括按上述第一或第二实施方案的薄膜半导体外延衬底的异质结双极型晶体管。
图1为示出本发明薄膜半导体外延衬底一个实施方案的剖示图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的一个实施方案进行详细说明。
图1示出作为用本发明的工艺生产HBT的薄膜半导体外延衬底的一个例子的层结构示意图。薄膜半导体外延衬底1是供生产基于GaAs的HBT用的。对作为本发明一个实施方案示出的薄膜半导体外延衬底1作如下说明。
图1中所示薄膜半导体外延衬底1的结构如下薄膜半导体外延衬底1是通过如后面所说明的用MOCVD法在半绝缘GaAs化合物半导体晶体的GaAs衬底2上一层接着一层地层叠多个半导体薄膜晶体生长层来组建成的。GaAs衬底2是由半绝缘的GaAs(001)层组成，另外在GaAs衬底2上形成由i-GaAs层组成的缓冲层3。
HBT功能层4形成在缓冲层3上。HBT功能层4由如下形成的层组成能够起子集电区层41作用的n+-GaAs层(载流子浓度3×1018至5×1018cm-3)以500nm的厚度形成在缓冲层3上。此外，能起集电区层42作用的n--GaAs层(载流子浓度1×1016cm-3)以700nm的厚度形成在子集电区层41上。这两层是作为半导体外延生长晶体层形成的。
在此情况下，加入的硼(B)出现在与子集电区层41相接触的部分集电区层42中，由此在集电区层42内形成合B层42a。在图1所示实施方案中，含B层42a的厚度为10nm。含B层42a可按含硼(B)的薄膜半导体外延层的形式形成，其方法是将三乙基硼(TEB)作为硼(B)材料与砷和三甲基镓(TMG)一起送进反应器，即仅在从集电区层42生长开始至其厚度达到10mm的一段预定的时间通入形成集电区层42所必需的气体。
能起基区层43作用的P+-GaAs层(载流子浓度2×1019cm-3)以90nm的厚度作为半导体外延生长晶体层形成在集电区层42上。能起发射区层44作用的n--AlGaAs(载流子浓度5×1017cm-3)以110nm的厚度形成在基区层43上。能起发射区层45作用的n--GaAs层(载流子浓度1×1017cm-3)以150nm的厚度形成在发射区层44上。能起子发射区层4 6作用的n+-GaAs(载流子浓度3×1018cm-3)以100nm的厚度形成在发射区层45上。能起发射区接触层47作用的n+--InGaAs层(载流子浓度4×1019cm-3)以120nm的厚度形成在子发射区层46上。
图1中所示薄膜半导体外延衬底1是以在部分集电区层42中形成含B层42A为特征的。经过这样形成的含B层42A，即在集电区层42中加入一层含硼(B)区，由对子集电区层41的高掺杂剂浓度掺杂引起在子集电区层41内的复合晶体缺陷被制止向基区层43和发射区层44和45中传播。其结果是，能够有效地阻止在子集电区层41中引起的复合晶体缺陷在基区层43和发射区层44和45中成为复合中心而使基极电流增加和使电流放大因子下降。因而，在用薄膜半导体外延衬底1生产HBT的情况下，即使当子集电区层41以高掺杂剂浓度掺杂时，也能制止掺杂对电流放大因子的影响以避免HBT的电流放大因子下降，而且与此同时，还能提高HBT的可靠性。
为了研究在具有图1中所示含B层42A的薄膜半导体外延衬底1的层结构情况下得到的电流放大因子特性与在无含B层42A而形成集电区层42所获薄膜半导体外延衬底情况下得到的两者之间的差异，生产了各自情况下这些薄膜半导体外延衬底的样品。
样品A在以下生长中采用了MOCVD法。在完成子集电区层41的生长之后，在开始集电区层42的生长时及其以后将三乙基硼(TEB)与砷和TMG的原始气体一起输入以生长含B层42A至10nm的厚度。然后，仅停止TEB的输入并生长一层n--GaAs层至680nm的厚度。这样，就形成了在其与子集电区层41相接触的部分内有厚为10nm含B层42A的集电区层42，以生产具有图1中所示层结构的薄膜半导体外延衬底样品A。
样品B在子集电区层41生长之后，通过无TBB输入生长n--GaAs层至700nm的厚度形成没有含B层42A的集电区层42。这就生产了除去没有含硼层42A之外都与样品A的情况相同的薄膜半导体外延衬底样品B。
将样品A和样品B各自加工成各有100μm×100nm发射区尺寸的HBT，接着在1kA/cm2的电流密度下测量电流放大因子。用没有含B层42A的样品B生产的HBT(B)的电流放大因子为50。另一方面，证实了用具有含B层42A的样品A生产的HBT(A)的电流放大因子高达89。
在上述样品A的含B层42A中所加硼(B)的浓度经二次离子质谱测量为6×1018cm-3。
在上述实施方案中，含B层42A是作为集电区层42的10nm厚下部分被形成的。但考虑到使电流放大因子下降的原因，可以推测，含B层42A可以形成在子集电区层41和基区层43之间即集电区层42区间的无论何处均能获得上述的同样效果。
在上述实施方案中，为了减少空位从子集电区层41向基区层43扩散将硼(B)加进集电区层42。但是由这种加进所得到的相同效果被预期也能由向至少一部分发射区层44、发射区层45或子发射区层46加进硼(B)而获得。在此情况下，可以按上述实施方案中的同样方式加进硼(B)。
按照本发明，在通过如上所述的气相晶体生长在衬底上形成子集电区层、集电区层、基区层和发射区层生产供HBT生产用的薄膜半导体外延衬底当中，将向包括子集电区层和集电区层的层区的至少一部分加进硼(B)的步骤合并到薄膜半导体外延衬底的生产工艺中。因此，在这样生产的薄膜半导体外延衬底中，所加的硼(B)出现在，譬如至少是一部分子集电区层或集电区层、或是靠近子集电区层和集电区层之间界面的当中。于是，由对子集电区层的高掺杂剂浓度掺杂在子集电区层内引起的复合晶体缺陷被制止向基区层和发射区层传播。其结果是，能够有效地阻止在子集电区层内引起的复合晶体缺陷成为基区层和发射区层内的复合中心而使基极电流增加并使电流放大因子下降。因而，即使当子集电区层以高掺杂剂浓度掺杂时，也能抑制掺杂对电流放大因子的影响以避免电流放大因子下降，而且与此同时，还能提高半导体器件的可靠性。
专业人员们还明白，尽管上面采用图1中所示实施方案的情形对本发明作出了说明，但本发明并非仅限于此，而且还可以在不偏离本发明精神和所附权利要求范围的情况下作出各式各样的变换和修改。例如，尽管本发明以基于AlGaAs的HBT情况作了说明，但并不限于应用于基于AlGaAs的HBT而且还能以如上的相同方式应用于供生产基于InGaP的HBT的薄膜半导体外延衬底，以带来大致相同的如上效果。
权利要求
1.一种薄膜半导体外延衬底，其包括衬底以及在所述衬底上形成为薄膜半导体外延层的子集电区层、集电区层、基区层和发射区层，其中加进的硼(B)存在于在包括所述子集电区层和所述集电区层的层区的至少一部分内。
2.按照权利要求1的薄膜半导体外延衬底，其中包含所述添加的硼(B)的部分以薄膜半导体外延层的形式形成在所述集电区层和所述子集电区层之间的界面附近。
3.一种薄膜半导体外延衬底的生产工艺，所述薄膜半导体外延衬底包括衬底以及在所述衬底上形成为薄膜半导体外延层的子集电区层、集电区层、基区层和发射区层，该工艺的特征在于，它包括向包括所述子集电区层和所述集电区层的层区的至少一部分内加进硼(B)的步骤。
4.按照权利要求3的工艺，其中是在所述层区生长时在一预定期间加进硼(B)材料以便进行加硼(B)。
5.按照权利要求3或4的工艺，其中是用三乙基硼作为所述硼(B)的材料。
6.一种异质结双极型晶体管，包括按照权利要求1或2的薄膜半导体外延衬底。
全文摘要
一种薄膜半导体外延衬底，包括衬底以及在所述衬底上形成为薄膜半导体外延层的子集电区层、集电区层、基区层和发射区层，其中加进的硼(B)出现在包括所述子集电区层和所述集电区层的层区的至少一部分内。
文档编号H01L29/08GK1452224SQ0312264
公开日2003年10月29日 申请日期2003年4月18日 优先权日2002年4月19日
发明者广山雄一, 高田朋幸, 市川磨 申请人:住友化学工业株式会社