ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法
【課題】アスペクト比の高いサブミクロンサイズのエミッタ電極パタンを線幅制御性良く形成することを可能とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を提供すること。
【解決手段】エミッタコンタクト層６上にＴｉ層（図示せず）、エッチングストッパー用のＷ層７、Ａｕ層８、エッチングマスク用Ｗ層９、フォトレジストパタン１０を形成し、フォトレジストパタン１０をマスクとしてエッチングマスク用Ｗ層９を選択的に除去することによってＷパタン９とし、Ｗパタン９をマスクとして、Ａｕ層８を、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチング法により選択的に除去し、Ｗパタン９をマスクとして、エッチングストッパー用のＷ層７、Ｔｉ層を選択的に除去することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【解決手段】エミッタコンタクト層６上にＴｉ層（図示せず）、エッチングストッパー用のＷ層７、Ａｕ層８、エッチングマスク用Ｗ層９、フォトレジストパタン１０を形成し、フォトレジストパタン１０をマスクとしてエッチングマスク用Ｗ層９を選択的に除去することによってＷパタン９とし、Ｗパタン９をマスクとして、Ａｕ層８を、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチング法により選択的に除去し、Ｗパタン９をマスクとして、エッチングストッパー用のＷ層７、Ｔｉ層を選択的に除去することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＰ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(ＨＢＴ)の動作速度向上には、素子を薄層化し、電流駆動力の増加とキャリア走行時間の短縮を図る必要がある。加えて、素子の微細化を行い、薄層化に伴う寄生容量の増加を回避する必要もある。素子の微細化で最も重要になるのは電極の微細加工である。電極微細加工法として、生産性・面内均一性・異方性に優れたドライエッチング法が効果的である。一般的に、ＩｎＰ系ＨＢＴの電極材料として用いられているＡｕ系材料のドライエッチングにはアルゴンガスを用いたイオンミリング法が多く用いられる。
【０００３】
イオンミリング法を用いたＡｕの電極形成工程について図３を用いて説明する。最初に、図３の（ａ）に示したように、Ａｕを用いた電極層（Ａｕ層２２）を半導体層２１上に形成し、この電極層上に、フォトレジストパタン２３を形成する。次に、図３の（ｂ）に示したように、このフォトレジストパタン２３をマスクにし、アルゴンガスを用いたイオンミリングを用いて、Ａｕ系材料（ここではＡｕとする）を選択的に除去する。その後、図３の（ｃ）に示したように、フォトレジストパタン２３を除去することにより、Ａｕ電極パタン（Ａｕ層２２）を得ることができる。
【０００４】
しかしながら、上記の電極形成方法では、フォトレジストパタン２３をマスクとしてＡｕ系材料を物理的なスパッタ効果でエッチングするために、イオンミリングにより飛散したＡｕ粒子が、図３の（ｂ）に示したように、フォトレジストパタン２３の側壁に付着してしまう。このため、フォトレジストパタン２３が除去されると、フォトレジストパタン２３に付着したＡｕ粒子が、図３の（ｃ）に示したように、バリとなって残存する。フォトレジストパタンの厚さが 1.4μｍであれば、バリの高さも 1.4μｍ程度となり、層間絶縁膜を形成してもそれを突き抜け、本来接触すべきでない上側の配線と接触し、リークが発生してしまう。
【０００５】
この問題に対して、バリの発生を抑制したＴｉマスクを用いる技術が提案されている。例えば、下記特許文献１に示された金属層の加工法では、フォトレジストの代わりにＴｉ膜を用いる。フォトレジストのエッチングレートはＡｕのエッチングレートと同等であるが、ＴｉのエッチングレートはＡｕのエッチングレートに比べて１/７と小さいため、0.7μｍ厚のＡｕ層を加工する場合、Ｔｉ層の厚みは 0.2μｍあれば十分である。Ａｕ層加工後のＴｉ層厚は 0.1μｍ程度となり、バリの発生を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−０１３４０９号公報
【特許文献２】特開平５−２７５４４３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】W. Hafez et al., Appl. Phys. Lett., 87, 252109 (2005)．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年ＩｎＰ系ＨＢＴの動作速度向上が著しく、遮断周波数が 500ＧＨｚを超える特性が報告されている（上記非特許文献１参照)。
【０００９】
上記の特性を実現するためには、コレクタ層を 75ｎｍ厚に薄層化し、エミッタ電極幅を 0.25μｍまで微細化する必要がある。
【００１０】
しかしながら、図４に示すように、通常、エミッタ電極３４と配線３６はスルーホール内に埋め込まれた配線３５を介して接続されるため、電極の微細化が進むほど、電極と配線間の接触抵抗が増加し、素子の高周波特性を劣化させてしまう。
【００１１】
これを解決する手段として、エミッタ電極を選択的に露出させ、配線との接触面積を拡大させる方法がある。その工程は以下の通りである。素子形成後、図５に示したように、層間絶縁膜４６を形成し、マスクを設けずにドライエッチングを行い、エミッタ電極４４を十分露出させ、エミッタ電極４４上に配線４５を設けることでプロセスを完了する。
【００１２】
上記の方法を用いれば、エミッタ電極と配線の接触面積を増加させ、電極の微細化に伴う接触抵抗増加を抑制できる。たとえば、エミッタ電極幅が 0.25μｍの場合、エミッタ電極を高さ 0.3μｍ程度露出させた状態で配線を接続すれば、スルーホールで接続した場合に比べて接触面積を３倍以上、つまり接触抵抗を１/３以下にすることが可能である。ただし、このようなエミッタ電極の頭出しを実施する場合、エミッタ電極の露出部分がベース電極やコレクタ電極に比べて十分な高さを持つことが重要である。通常、エミッタ層の厚さは 0.1μｍ、ベース電極の厚さは 0.2μｍである。また、配線との絶縁性を確保するためにベース電極上には少なくとも 0.3μｍ厚の層間絶縁膜が必要である。さらに、エミッタ電極は高さ 0.3μｍ以上の露出をさせる必要もある。以上のことを考慮すると、エミッタ電極全体の高さは 0.7μｍ以上必要である。
【００１３】
Ｔｉマスクを用いて、0.25μｍ幅のエミッタ電極パタンを形成する場合の断面図を図６に示す。Ａｕ層５２の角の部分（Ｔｉマスク５３の端部と接する部分）は、垂直方向のアルゴンイオン５４と水平方向のアルゴンイオン５５が集中するため、角の部分以外の場所に比べ、ＡｕとＴｉの横方向エッチングレートが２倍程度速い。0.7μｍ厚のＡｕをエッチングすると、Ｔｉマスクのサイドエッチング量は片側 0.20μｍとなり、Ｔｉマスクが完全に消失してしまう。Ｔｉマスクを残した状態でエッチングできるＡｕ層の厚さは、厚くても 0.4μｍが限界である。
【００１４】
Ｔｉマスクの他に、ＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜などの絶縁膜をマスクに用いた方法も提案されている（例えば上記特許文献２参照)。しかしながら、Ａｕに対するＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜のエッチングレートはせいぜい１/５程度であり、Ｔｉマスクと同様にマスクのサイドエッチング量が大きい。例えば、0.7μｍ厚のＡｕをエッチングした場合、サイドエッチング量は片側 0.28μｍであり、やはり 0.25μｍ幅マスクは消失してしまう。
【００１５】
以上述べてきたように、従来の方法では、0.25μｍ幅でかつ厚さが 0.7μｍ以上の高アスペクト比のＡｕ電極パタンを形成するのは困難であった。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、アスペクト比の高いサブミクロンサイズのエミッタ電極パタンを線幅制御性良く形成することを可能とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載のように、
ヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造する方法において、エミッタコンタクト層上にコンタクト用の第１の金属層と、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属よりなる第２の金属層と、Ａｕを主成分とする第３の金属層と、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属よりなる第４の金属層とを、この順序で形成する第１の工程と、前記第４の金属層上にフォトレジストパタンを形成し、該フォトレジストパタンをマスクとして反応性イオンエッチング法により前記第４の金属層を選択的に除去する第２の工程と、前記第２の工程後に、前記第４の金属層をマスクとして前記第３の金属層を、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチング法により選択的に除去する第３の工程と、前記第３の工程後に、前記第４の金属層をマスクとして前記第２及び第１の金属層を反応性イオンエッチング法により選択的に除去する第４の工程と、前記第４の工程後に、前記第２の金属層をマスクとして前記エミッタコンタクト層を選択的に除去する第５の工程とを有することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【００１８】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
前記第２または第４の金属層が、ＷまたはＭｏ、もしくは、Ｗを４０重量％以上含有するＴｉＷ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮまたはＷＮからなることを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【００１９】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
前記第３の金属層は、Ａｕのみよりなる金属層、または、８０重量％以上のＡｕを含み、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｎｉ、ＰｔまたはＣｕを例とする、Ａｕ以外の金属を含む金属層であることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【００２０】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
前記第３の工程において、前記反応性イオンエッチング法に用いる混合ガスはアルゴンと酸素との混合ガスであり、該混合ガス中の酸素の体積割合が８％以上７５％以下であることを特徴とする請求項１、２または３に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【発明の効果】
【００２１】
エッチングマスク及びエッチングストッパーに、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属であるＷもしくはＭｏを用い、エッチング方法にアルゴンと酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法を採用することで、Ａｕに対するＷもしくはＭｏのエッチングレートを飛躍的に低減することができる。これは、Ｗ及びＭｏの酸化膜がＷやＭｏに比べてエッチングされにくい点を利用している。アルゴンガスに酸素を混合することにより、エッチング中にＷもしくはＭｏを酸化させ、Ａｕに対するＷもしくはＭｏのエッチングレートを１/３０以下にすることが可能である。
【００２２】
この結果、従来作製が困難であったアスペクト比の高いサブミクロンサイズのエミッタ電極パタンを線幅制御性良く得ることができる。これにより、電極と配線における接続プロセスを容易にするとともに、電極と配線の接触面積を拡大し、接触抵抗増加を抑制できる。さらに、このエミッタ電極パタンをマスクにすることにより、サブミクロンのエミッタメサを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態例である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ための断面図である。
【図２】図１の続きである。
【図３】従来の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ための断面図である。
【図４】従来の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ための断面図である。
【図５】従来の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ための断面図である。
【図６】従来の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ための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１、図２は本発明の一実施の形態例による微細エミッタ電極パタン及びエミッタメサ形成方法を示す工程断面図である。
【００２５】
まず、図１の（ａ）に示したように、半絶縁性ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＰからなるサブコレクタ層２、ＩｎＧａＡｓからなるコレクタ層３、ＩｎＧａＡｓからなるベース層４、ＩｎＰからなるエミッタ層５、ＩｎＧａＡｓからなるエミッタコンタクト層６を、この順序で成長し、ヘテロ接合バイポーラトランジスタとなる半導体層構造を構成し、
エミッタコンタクト層６の上に、第１の金属層であるＴｉ層（図示せず）、第２の金属層である厚さ 100ｎｍのエッチングストッパー用のＷ層７、第３の金属層である厚さ 700ｎｍのＡｕ層８、第４の金属層である厚さ 200ｎｍのエッチングマスク用Ｗ層９を、この順序で、スパッタ法もしくは蒸着法により形成し、さらに、その上に、幅 0.25μｍのフォトレジストパタン１０を形成する。なお、エッチングマスク用Ｗ層９の厚さはＡｕ層８とエッチングストッパー用のＷ層７をエッチングしても十分に残る厚さに設定されている。上記Ｔｉ層の形成からエッチングマスク用Ｗ層９の形成までの工程を第１の工程とする。
【００２６】
次に、図１の（ｂ）に示したように、フォトレジストパタン１０をマスクとして、ＳＦ６ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、エッチングマスク用Ｗ層９を選択的に除去することによって、エッチングマスク用Ｗ層９をマスクと同一の大きさのＷパタン（同じく９で示す）とする。上記フォトレジストパタン１０の形成からＷパタン９の形成までの工程を第２の工程とする。
【００２７】
次に、図１の（ｃ）に示したように、Ｗパタン９をマスクとして、アルゴンと酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、Ａｕ層８を選択的に除去する。このエッチング工程を第３の工程とする。ここで、混合ガス中の酸素の割合は 50％（体積割合）とする。また、エッチング圧力は、Ａｕに対するＷのエッチングレートが 1/40以下になる 0.3Ｐａとする。この時、Ｗのサイドエッチング量はせいぜい片側 0.02μｍ程度であり、線幅制御性良好なエッチングが可能であり、しかも、エッチング後にＷのマスクは十分な厚さで残存する。なお、このエッチングにおいて、酸素ガスが使用されているため、フォトレジストパタン１０は直ちにエッチングされ、Ｗパタン９が露出し、実質的にはＷパタン９がエッチングのマスクとして機能する。
【００２８】
次に、図１の（ｄ）に示したように、Ｗパタン９をマスクとして、ＳＦ６ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、エッチングストッパー用のＷ層７とエミッタコンタクトメタル用Ｔｉ層（図示せず）を選択的に除去する。このエッチング工程を第４の工程とする。ここで、Ａｕはフッ素系のガスに対して化学的に安定であるため、このエッチングにより、Ａｕ層８がエッチングされることはない。このエッチング後、Ｗパタン９は、厚さ 100ｎｍ程度となって残存している。
【００２９】
さらに、エッチングストッパー用のＷ層７をマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、エミッタコンタクト層６を、厚さで８割程度、選択的に除去する（この状態は図示せず）。このとき、エッチングストッパー用のＷ層７はＩｎＧａＡｓに対して１０倍程度の選択比（エッチングレートが 1/10）を持つのでマスクとして十分機能する。
【００３０】
次に、図２の（ｅ）に示したように、反応性イオンエッチング後の残りのエミッタコンタクト層６を、エッチングストッパー用のＷ層７をマスクとするウェットエッチングにより選択的に除去する。このエミッタコンタクト層６の選択的除去工程を第５の工程とする。
【００３１】
このように、自己整合によりエミッタメサを形成しているので、エミッタコンタクト抵抗が増加しないため、良好な高周波特性が期待できる。
【００３２】
次に、図２の（ｆ）に示したように、層構造上にＳｉＮ層１１を堆積し、ＳｉＮ層１１とエミッタ層５を部分的に除去し、ベース電極１２を形成し、さらに、ベース・コレクタメサを形成し、コレクタ電極１３を形成し、素子間分離を行う。
【００３３】
次に、ＢＣＢよりなる層間絶縁膜１５を形成し、図２の（ｇ）に示したように、ＣＦ系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、エミッタ電極としてのＡｕ層８を、層間絶縁膜１５上に高さ 0.3μｍ程度露出させた後に、エミッタ電極としてのＡｕ層８上に配線１４を接続し、素子形成工程を終了する。
【００３４】
このように配線を接続することで、エミッタ電極と配線間の接触抵抗増加を抑制できる。
【００３５】
なお、本実施の形態例では、Ａｕを主成分とする第３の金属層がＡｕのみを含む場合について述べたが、この場合の他に、反応性イオンエッチング法によるエッチング特性がＡｕとほぼ同じである、Ａｕを主成分とする金属配線層、すなわち、主成分であるＡｕを８０重量％以上含み、その他にＳｎ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、または、Ｃｕ等の金属を含む金属配線層の場合にも、本発明に係る、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法は有用であり、それによって、アスペクト比の高いサブミクロンサイズのエミッタ電極パタンを線幅制御性良く形成することが可能となる。
【００３６】
また、本実施の形態例では、エッチングストッパー及びエッチングマスクにＷを用いたが、Ｍｏを用いても同様の結果が得られる。一般に、Ｗに代えて、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングによって酸化物を形成する金属を用いてもよい。貴金属を除けば、ほとんど全ての金属が安定な酸化物を形成するので、その金属は、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングによって酸化物を形成する。さらに、この場合に、Ａｕと合金を形成しにくい、高融点の金属、例えば、Ｗを４０重量％以上含有するＴｉＷ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮまたはＷＮ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｒｅなどを用いることが望ましい。貴金属であるＡｕは、むしろ例外的であって、安定な酸化物を形成せず、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングによって酸化物を形成しないので、それによるエッチングレートの低下も起こらない。このことが、本発明の有効性を高める要因となっている。
【００３７】
また、本実施の形態例では、アルゴンと酸素の混合ガスを用いたＡｕの反応性イオンエッチングにおいて、酸素の割合（体積割合）を 50％としたが、酸素の割合が 25％から 75％の間でも、Ａｕに対するＷのエッチングレートが 1/30以下を確保できる。さらに、酸素の割合が 8％未満の場合、Ｗの酸化が不十分で、Ｗのエッチングレートが速い。また、酸素の割合が 75％を超える場合、アルゴンガスの割合が少ないため、Ａｕもほとんどエッチングされなくなり、実用に適さない。従って、混合ガス中の酸素の割合は 8％以上 75％以下が適当である。
【符号の説明】
【００３８】
１：半絶縁性ＩｎＰ基板、２：サブコレクタ層、３：コレクタ層、４：ベース層、５：エミッタ層、６：エミッタコンタクト層、７：エッチングストッパー用のＷ層、８：Ａｕ層、９：エッチングマスク用Ｗ層、１０：フォトレジストパタン、１１：ＳｉＮ層、１２：ベース電極、１３：コレクタ電極、１４：配線、１５：層間絶縁膜、２１：半導体層、２２：Ａｕ層、２３：フォトレジストパタン、３１：ベース層、３２：ベース電極、３３：エミッタ層、３４：エミッタ電極、３５：スルーホール内に埋め込まれた配線、３６：配線、３７：層間絶縁膜、４１：ベース層、４２：ベース電極、４３：エミッタ層、４４：エミッタ電極、４５：配線、４６：層間絶縁膜、５１：半導体層、５２：Ａｕ層、５３：Ｔｉマスク、５４：垂直方向のアルゴンイオン、５５：水平方向のアルゴンイオン。
【技術分野】
【０００１】
本発明はヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＰ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(ＨＢＴ)の動作速度向上には、素子を薄層化し、電流駆動力の増加とキャリア走行時間の短縮を図る必要がある。加えて、素子の微細化を行い、薄層化に伴う寄生容量の増加を回避する必要もある。素子の微細化で最も重要になるのは電極の微細加工である。電極微細加工法として、生産性・面内均一性・異方性に優れたドライエッチング法が効果的である。一般的に、ＩｎＰ系ＨＢＴの電極材料として用いられているＡｕ系材料のドライエッチングにはアルゴンガスを用いたイオンミリング法が多く用いられる。
【０００３】
イオンミリング法を用いたＡｕの電極形成工程について図３を用いて説明する。最初に、図３の（ａ）に示したように、Ａｕを用いた電極層（Ａｕ層２２）を半導体層２１上に形成し、この電極層上に、フォトレジストパタン２３を形成する。次に、図３の（ｂ）に示したように、このフォトレジストパタン２３をマスクにし、アルゴンガスを用いたイオンミリングを用いて、Ａｕ系材料（ここではＡｕとする）を選択的に除去する。その後、図３の（ｃ）に示したように、フォトレジストパタン２３を除去することにより、Ａｕ電極パタン（Ａｕ層２２）を得ることができる。
【０００４】
しかしながら、上記の電極形成方法では、フォトレジストパタン２３をマスクとしてＡｕ系材料を物理的なスパッタ効果でエッチングするために、イオンミリングにより飛散したＡｕ粒子が、図３の（ｂ）に示したように、フォトレジストパタン２３の側壁に付着してしまう。このため、フォトレジストパタン２３が除去されると、フォトレジストパタン２３に付着したＡｕ粒子が、図３の（ｃ）に示したように、バリとなって残存する。フォトレジストパタンの厚さが 1.4μｍであれば、バリの高さも 1.4μｍ程度となり、層間絶縁膜を形成してもそれを突き抜け、本来接触すべきでない上側の配線と接触し、リークが発生してしまう。
【０００５】
この問題に対して、バリの発生を抑制したＴｉマスクを用いる技術が提案されている。例えば、下記特許文献１に示された金属層の加工法では、フォトレジストの代わりにＴｉ膜を用いる。フォトレジストのエッチングレートはＡｕのエッチングレートと同等であるが、ＴｉのエッチングレートはＡｕのエッチングレートに比べて１/７と小さいため、0.7μｍ厚のＡｕ層を加工する場合、Ｔｉ層の厚みは 0.2μｍあれば十分である。Ａｕ層加工後のＴｉ層厚は 0.1μｍ程度となり、バリの発生を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−０１３４０９号公報
【特許文献２】特開平５−２７５４４３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】W. Hafez et al., Appl. Phys. Lett., 87, 252109 (2005)．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年ＩｎＰ系ＨＢＴの動作速度向上が著しく、遮断周波数が 500ＧＨｚを超える特性が報告されている（上記非特許文献１参照)。
【０００９】
上記の特性を実現するためには、コレクタ層を 75ｎｍ厚に薄層化し、エミッタ電極幅を 0.25μｍまで微細化する必要がある。
【００１０】
しかしながら、図４に示すように、通常、エミッタ電極３４と配線３６はスルーホール内に埋め込まれた配線３５を介して接続されるため、電極の微細化が進むほど、電極と配線間の接触抵抗が増加し、素子の高周波特性を劣化させてしまう。
【００１１】
これを解決する手段として、エミッタ電極を選択的に露出させ、配線との接触面積を拡大させる方法がある。その工程は以下の通りである。素子形成後、図５に示したように、層間絶縁膜４６を形成し、マスクを設けずにドライエッチングを行い、エミッタ電極４４を十分露出させ、エミッタ電極４４上に配線４５を設けることでプロセスを完了する。
【００１２】
上記の方法を用いれば、エミッタ電極と配線の接触面積を増加させ、電極の微細化に伴う接触抵抗増加を抑制できる。たとえば、エミッタ電極幅が 0.25μｍの場合、エミッタ電極を高さ 0.3μｍ程度露出させた状態で配線を接続すれば、スルーホールで接続した場合に比べて接触面積を３倍以上、つまり接触抵抗を１/３以下にすることが可能である。ただし、このようなエミッタ電極の頭出しを実施する場合、エミッタ電極の露出部分がベース電極やコレクタ電極に比べて十分な高さを持つことが重要である。通常、エミッタ層の厚さは 0.1μｍ、ベース電極の厚さは 0.2μｍである。また、配線との絶縁性を確保するためにベース電極上には少なくとも 0.3μｍ厚の層間絶縁膜が必要である。さらに、エミッタ電極は高さ 0.3μｍ以上の露出をさせる必要もある。以上のことを考慮すると、エミッタ電極全体の高さは 0.7μｍ以上必要である。
【００１３】
Ｔｉマスクを用いて、0.25μｍ幅のエミッタ電極パタンを形成する場合の断面図を図６に示す。Ａｕ層５２の角の部分（Ｔｉマスク５３の端部と接する部分）は、垂直方向のアルゴンイオン５４と水平方向のアルゴンイオン５５が集中するため、角の部分以外の場所に比べ、ＡｕとＴｉの横方向エッチングレートが２倍程度速い。0.7μｍ厚のＡｕをエッチングすると、Ｔｉマスクのサイドエッチング量は片側 0.20μｍとなり、Ｔｉマスクが完全に消失してしまう。Ｔｉマスクを残した状態でエッチングできるＡｕ層の厚さは、厚くても 0.4μｍが限界である。
【００１４】
Ｔｉマスクの他に、ＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜などの絶縁膜をマスクに用いた方法も提案されている（例えば上記特許文献２参照)。しかしながら、Ａｕに対するＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜のエッチングレートはせいぜい１/５程度であり、Ｔｉマスクと同様にマスクのサイドエッチング量が大きい。例えば、0.7μｍ厚のＡｕをエッチングした場合、サイドエッチング量は片側 0.28μｍであり、やはり 0.25μｍ幅マスクは消失してしまう。
【００１５】
以上述べてきたように、従来の方法では、0.25μｍ幅でかつ厚さが 0.7μｍ以上の高アスペクト比のＡｕ電極パタンを形成するのは困難であった。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、アスペクト比の高いサブミクロンサイズのエミッタ電極パタンを線幅制御性良く形成することを可能とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載のように、
ヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造する方法において、エミッタコンタクト層上にコンタクト用の第１の金属層と、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属よりなる第２の金属層と、Ａｕを主成分とする第３の金属層と、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属よりなる第４の金属層とを、この順序で形成する第１の工程と、前記第４の金属層上にフォトレジストパタンを形成し、該フォトレジストパタンをマスクとして反応性イオンエッチング法により前記第４の金属層を選択的に除去する第２の工程と、前記第２の工程後に、前記第４の金属層をマスクとして前記第３の金属層を、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチング法により選択的に除去する第３の工程と、前記第３の工程後に、前記第４の金属層をマスクとして前記第２及び第１の金属層を反応性イオンエッチング法により選択的に除去する第４の工程と、前記第４の工程後に、前記第２の金属層をマスクとして前記エミッタコンタクト層を選択的に除去する第５の工程とを有することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【００１８】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
前記第２または第４の金属層が、ＷまたはＭｏ、もしくは、Ｗを４０重量％以上含有するＴｉＷ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮまたはＷＮからなることを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【００１９】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
前記第３の金属層は、Ａｕのみよりなる金属層、または、８０重量％以上のＡｕを含み、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｎｉ、ＰｔまたはＣｕを例とする、Ａｕ以外の金属を含む金属層であることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【００２０】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
前記第３の工程において、前記反応性イオンエッチング法に用いる混合ガスはアルゴンと酸素との混合ガスであり、該混合ガス中の酸素の体積割合が８％以上７５％以下であることを特徴とする請求項１、２または３に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を構成する。
【発明の効果】
【００２１】
エッチングマスク及びエッチングストッパーに、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属であるＷもしくはＭｏを用い、エッチング方法にアルゴンと酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法を採用することで、Ａｕに対するＷもしくはＭｏのエッチングレートを飛躍的に低減することができる。これは、Ｗ及びＭｏの酸化膜がＷやＭｏに比べてエッチングされにくい点を利用している。アルゴンガスに酸素を混合することにより、エッチング中にＷもしくはＭｏを酸化させ、Ａｕに対するＷもしくはＭｏのエッチングレートを１/３０以下にすることが可能である。
【００２２】
この結果、従来作製が困難であったアスペクト比の高いサブミクロンサイズのエミッタ電極パタンを線幅制御性良く得ることができる。これにより、電極と配線における接続プロセスを容易にするとともに、電極と配線の接触面積を拡大し、接触抵抗増加を抑制できる。さらに、このエミッタ電極パタンをマスクにすることにより、サブミクロンのエミッタメサを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態例である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ための断面図である。
【図２】図１の続きである。
【図３】従来の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ための断面図である。
【図４】従来の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ための断面図である。
【図５】従来の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ための断面図である。
【図６】従来の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ための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１、図２は本発明の一実施の形態例による微細エミッタ電極パタン及びエミッタメサ形成方法を示す工程断面図である。
【００２５】
まず、図１の（ａ）に示したように、半絶縁性ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＰからなるサブコレクタ層２、ＩｎＧａＡｓからなるコレクタ層３、ＩｎＧａＡｓからなるベース層４、ＩｎＰからなるエミッタ層５、ＩｎＧａＡｓからなるエミッタコンタクト層６を、この順序で成長し、ヘテロ接合バイポーラトランジスタとなる半導体層構造を構成し、
エミッタコンタクト層６の上に、第１の金属層であるＴｉ層（図示せず）、第２の金属層である厚さ 100ｎｍのエッチングストッパー用のＷ層７、第３の金属層である厚さ 700ｎｍのＡｕ層８、第４の金属層である厚さ 200ｎｍのエッチングマスク用Ｗ層９を、この順序で、スパッタ法もしくは蒸着法により形成し、さらに、その上に、幅 0.25μｍのフォトレジストパタン１０を形成する。なお、エッチングマスク用Ｗ層９の厚さはＡｕ層８とエッチングストッパー用のＷ層７をエッチングしても十分に残る厚さに設定されている。上記Ｔｉ層の形成からエッチングマスク用Ｗ層９の形成までの工程を第１の工程とする。
【００２６】
次に、図１の（ｂ）に示したように、フォトレジストパタン１０をマスクとして、ＳＦ６ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、エッチングマスク用Ｗ層９を選択的に除去することによって、エッチングマスク用Ｗ層９をマスクと同一の大きさのＷパタン（同じく９で示す）とする。上記フォトレジストパタン１０の形成からＷパタン９の形成までの工程を第２の工程とする。
【００２７】
次に、図１の（ｃ）に示したように、Ｗパタン９をマスクとして、アルゴンと酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、Ａｕ層８を選択的に除去する。このエッチング工程を第３の工程とする。ここで、混合ガス中の酸素の割合は 50％（体積割合）とする。また、エッチング圧力は、Ａｕに対するＷのエッチングレートが 1/40以下になる 0.3Ｐａとする。この時、Ｗのサイドエッチング量はせいぜい片側 0.02μｍ程度であり、線幅制御性良好なエッチングが可能であり、しかも、エッチング後にＷのマスクは十分な厚さで残存する。なお、このエッチングにおいて、酸素ガスが使用されているため、フォトレジストパタン１０は直ちにエッチングされ、Ｗパタン９が露出し、実質的にはＷパタン９がエッチングのマスクとして機能する。
【００２８】
次に、図１の（ｄ）に示したように、Ｗパタン９をマスクとして、ＳＦ６ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、エッチングストッパー用のＷ層７とエミッタコンタクトメタル用Ｔｉ層（図示せず）を選択的に除去する。このエッチング工程を第４の工程とする。ここで、Ａｕはフッ素系のガスに対して化学的に安定であるため、このエッチングにより、Ａｕ層８がエッチングされることはない。このエッチング後、Ｗパタン９は、厚さ 100ｎｍ程度となって残存している。
【００２９】
さらに、エッチングストッパー用のＷ層７をマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、エミッタコンタクト層６を、厚さで８割程度、選択的に除去する（この状態は図示せず）。このとき、エッチングストッパー用のＷ層７はＩｎＧａＡｓに対して１０倍程度の選択比（エッチングレートが 1/10）を持つのでマスクとして十分機能する。
【００３０】
次に、図２の（ｅ）に示したように、反応性イオンエッチング後の残りのエミッタコンタクト層６を、エッチングストッパー用のＷ層７をマスクとするウェットエッチングにより選択的に除去する。このエミッタコンタクト層６の選択的除去工程を第５の工程とする。
【００３１】
このように、自己整合によりエミッタメサを形成しているので、エミッタコンタクト抵抗が増加しないため、良好な高周波特性が期待できる。
【００３２】
次に、図２の（ｆ）に示したように、層構造上にＳｉＮ層１１を堆積し、ＳｉＮ層１１とエミッタ層５を部分的に除去し、ベース電極１２を形成し、さらに、ベース・コレクタメサを形成し、コレクタ電極１３を形成し、素子間分離を行う。
【００３３】
次に、ＢＣＢよりなる層間絶縁膜１５を形成し、図２の（ｇ）に示したように、ＣＦ系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、エミッタ電極としてのＡｕ層８を、層間絶縁膜１５上に高さ 0.3μｍ程度露出させた後に、エミッタ電極としてのＡｕ層８上に配線１４を接続し、素子形成工程を終了する。
【００３４】
このように配線を接続することで、エミッタ電極と配線間の接触抵抗増加を抑制できる。
【００３５】
なお、本実施の形態例では、Ａｕを主成分とする第３の金属層がＡｕのみを含む場合について述べたが、この場合の他に、反応性イオンエッチング法によるエッチング特性がＡｕとほぼ同じである、Ａｕを主成分とする金属配線層、すなわち、主成分であるＡｕを８０重量％以上含み、その他にＳｎ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、または、Ｃｕ等の金属を含む金属配線層の場合にも、本発明に係る、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法は有用であり、それによって、アスペクト比の高いサブミクロンサイズのエミッタ電極パタンを線幅制御性良く形成することが可能となる。
【００３６】
また、本実施の形態例では、エッチングストッパー及びエッチングマスクにＷを用いたが、Ｍｏを用いても同様の結果が得られる。一般に、Ｗに代えて、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングによって酸化物を形成する金属を用いてもよい。貴金属を除けば、ほとんど全ての金属が安定な酸化物を形成するので、その金属は、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングによって酸化物を形成する。さらに、この場合に、Ａｕと合金を形成しにくい、高融点の金属、例えば、Ｗを４０重量％以上含有するＴｉＷ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮまたはＷＮ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｒｅなどを用いることが望ましい。貴金属であるＡｕは、むしろ例外的であって、安定な酸化物を形成せず、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングによって酸化物を形成しないので、それによるエッチングレートの低下も起こらない。このことが、本発明の有効性を高める要因となっている。
【００３７】
また、本実施の形態例では、アルゴンと酸素の混合ガスを用いたＡｕの反応性イオンエッチングにおいて、酸素の割合（体積割合）を 50％としたが、酸素の割合が 25％から 75％の間でも、Ａｕに対するＷのエッチングレートが 1/30以下を確保できる。さらに、酸素の割合が 8％未満の場合、Ｗの酸化が不十分で、Ｗのエッチングレートが速い。また、酸素の割合が 75％を超える場合、アルゴンガスの割合が少ないため、Ａｕもほとんどエッチングされなくなり、実用に適さない。従って、混合ガス中の酸素の割合は 8％以上 75％以下が適当である。
【符号の説明】
【００３８】
１：半絶縁性ＩｎＰ基板、２：サブコレクタ層、３：コレクタ層、４：ベース層、５：エミッタ層、６：エミッタコンタクト層、７：エッチングストッパー用のＷ層、８：Ａｕ層、９：エッチングマスク用Ｗ層、１０：フォトレジストパタン、１１：ＳｉＮ層、１２：ベース電極、１３：コレクタ電極、１４：配線、１５：層間絶縁膜、２１：半導体層、２２：Ａｕ層、２３：フォトレジストパタン、３１：ベース層、３２：ベース電極、３３：エミッタ層、３４：エミッタ電極、３５：スルーホール内に埋め込まれた配線、３６：配線、３７：層間絶縁膜、４１：ベース層、４２：ベース電極、４３：エミッタ層、４４：エミッタ電極、４５：配線、４６：層間絶縁膜、５１：半導体層、５２：Ａｕ層、５３：Ｔｉマスク、５４：垂直方向のアルゴンイオン、５５：水平方向のアルゴンイオン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造する方法において、
エミッタコンタクト層上にコンタクト用の第１の金属層と、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属よりなる第２の金属層と、Ａｕを主成分とする第３の金属層と、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属よりなる第４の金属層とを、この順序で形成する第１の工程と、
前記第４の金属層上にフォトレジストパタンを形成し、該フォトレジストパタンをマスクとして反応性イオンエッチング法により前記第４の金属層を選択的に除去する第２の工程と、
前記第２の工程後に、前記第４の金属層をマスクとして前記第３の金属層を、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチング法により選択的に除去する第３の工程と、
前記第３の工程後に、前記第４の金属層をマスクとして前記第２及び第１の金属層を反応性イオンエッチング法により選択的に除去する第４の工程と、
前記第４の工程後に、前記第２の金属層をマスクとして前記エミッタコンタクト層を選択的に除去する第５の工程とを有することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項２】
前記第２または第４の金属層が、ＷまたはＭｏ、もしくは、Ｗを４０重量％以上含有するＴｉＷ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮまたはＷＮからなることを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記第３の金属層は、Ａｕのみよりなる金属層、または、８０重量％以上のＡｕを含み、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｎｉ、ＰｔまたはＣｕを例とする、Ａｕ以外の金属を含む金属層であることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記第３の工程において、前記反応性イオンエッチング法に用いる混合ガスはアルゴンと酸素との混合ガスであり、該混合ガス中の酸素の体積割合が８％以上７５％以下であることを特徴とする請求項１、２または３に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項１】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造する方法において、
エミッタコンタクト層上にコンタクト用の第１の金属層と、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属よりなる第２の金属層と、Ａｕを主成分とする第３の金属層と、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチングにより酸化物を形成する金属よりなる第４の金属層とを、この順序で形成する第１の工程と、
前記第４の金属層上にフォトレジストパタンを形成し、該フォトレジストパタンをマスクとして反応性イオンエッチング法により前記第４の金属層を選択的に除去する第２の工程と、
前記第２の工程後に、前記第４の金属層をマスクとして前記第３の金属層を、酸素ガスを含有する混合ガスを用いる反応性イオンエッチング法により選択的に除去する第３の工程と、
前記第３の工程後に、前記第４の金属層をマスクとして前記第２及び第１の金属層を反応性イオンエッチング法により選択的に除去する第４の工程と、
前記第４の工程後に、前記第２の金属層をマスクとして前記エミッタコンタクト層を選択的に除去する第５の工程とを有することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項２】
前記第２または第４の金属層が、ＷまたはＭｏ、もしくは、Ｗを４０重量％以上含有するＴｉＷ、ＷＳｉ、ＷＳｉＮまたはＷＮからなることを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記第３の金属層は、Ａｕのみよりなる金属層、または、８０重量％以上のＡｕを含み、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｎｉ、ＰｔまたはＣｕを例とする、Ａｕ以外の金属を含む金属層であることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記第３の工程において、前記反応性イオンエッチング法に用いる混合ガスはアルゴンと酸素との混合ガスであり、該混合ガス中の酸素の体積割合が８％以上７５％以下であることを特徴とする請求項１、２または３に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２３２３９７（Ｐ２０１０−２３２３９７Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７７８８７（Ｐ２００９−７７８８７）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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