ホットエレクトロントランジスタおよびそれを含む半導体装置
【課題】期待される高周波特性を得ること、ならびに後続の回路で必要とされる駆動電流を得ることが可能なホットエレクトロントランジスタを提供する。
【解決手段】このホットエレクトロントランジスタ１００は、コレクタ層３と、ベース層５と、エミッタ層７と、コレクタ層３とベース層５との間に形成されたコレクタバリア層４と、ベース層５とエミッタ層７との間に形成されたエミッタバリア層６とを備えている。そして、エミッタバリア層６とエミッタ層７との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、コレクタバリア層４のエネルギー障壁の高さはエミッタバリア層６のエネルギー障壁の高さよりも低い。
【解決手段】このホットエレクトロントランジスタ１００は、コレクタ層３と、ベース層５と、エミッタ層７と、コレクタ層３とベース層５との間に形成されたコレクタバリア層４と、ベース層５とエミッタ層７との間に形成されたエミッタバリア層６とを備えている。そして、エミッタバリア層６とエミッタ層７との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、コレクタバリア層４のエネルギー障壁の高さはエミッタバリア層６のエネルギー障壁の高さよりも低い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホットエレクトロントランジスタおよびそれを含む半導体装置に関し、特に、コレクタバリア層およびエミッタバリア層が形成されたホットエレクトロントランジスタおよびそれを含む半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コレクタバリア層およびエミッタバリア層が形成されたホットエレクトロントランジスタが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、コレクタ層と、ベース層と、エミッタ層と、コレクタ層とベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、ベース層とエミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを備えたホットエレクトロントランジスタが開示されている。このホットエレクトロントランジスタは、コレクタバリア層の障壁の高さをエミッタバリア層の障壁の高さよりも低くするために、コレクタバリア層をｉ型ゲルマニウムシリコンにより形成するとともに、エミッタバリア層をｉ型砒化アルミニウムガリウム（低濃度ｎ型砒化ガリウム）により形成するように構成されている。また、ホットエレクトロントランジスタでは、所定のバイアスを印加した場合に、電子がトンネル効果によりエミッタ層からエミッタバリア層を通過するか、エミッタバリア層を乗り越えてベース層に到達することにより、その電子は高いエネルギを有するホットエレクトロンになる。そして、このホットエレクトロンは、ベース層においてほとんど散乱を受けることなく高速で通過し（バリスティック（弾道）伝導）、コレクタバリア層を通って、コレクタ層に到達する。
【０００４】
【特許文献１】特許第３０９３４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された従来のホットエレクトロントランジスタでは、電子がトンネル効果によってエミッタ層からベース層に移動する際には、エミッタバリア層のエネルギー障壁を貫通して通過することから、より大量の電流を流すことが困難であるという不都合がある。このため、期待される高周波特性を得ること、ならびに後続の回路で必要とされる駆動電流を得ることが困難であるという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、期待される高周波特性を得ること、ならびに後続の回路で必要とされる駆動電流を得ることが可能なホットエレクトロントランジスタおよびそれを含む半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面におけるホットエレクトロントランジスタは、コレクタ層と、ベース層と、エミッタ層と、コレクタ層とベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、ベース層とエミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを備え、エミッタバリア層とエミッタ層との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、コレクタバリア層のエネルギー障壁の高さはエミッタバリア層のエネルギー障壁の高さよりも低いことを特徴とする。
【０００８】
この発明の第２の局面における半導体装置は、基板と、基板に形成されたトランジスタと、基板の表面上に、トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜の表面上に形成されたホットエレクトロントランジスタとを備え、ホットエレクトロントランジスタは、コレクタ層と、ベース層と、エミッタ層と、コレクタ層とベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、ベース層とエミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを含み、エミッタバリア層とエミッタ層との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、ベース層のフェルミエネルギーから見たベース層およびコレクタバリア層間の界面におけるエネルギー障壁の高さは、ベース層およびエミッタバリア層間の界面におけるエネルギー障壁の高さよりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の第１の局面によるホットエレクトロントランジスタでは、上記のように、エミッタバリア層とエミッタ層との間のエネルギー障壁を実質的に存在しないように構成する。このように構成することによって、電子は、拡散によってエミッタ層からエミッタバリア層を通過して（エネルギー障壁がないので）ベース層に移動する。これにより、トンネル電流によってエミッタ層からベース層に移動する場合に比べて、より大量の電流を流すことができる。これにより、高周波特性が改善し、また、駆動電流を増加させることができる。
【００１０】
この発明の第２の局面による半導体装置では、上記のように、ホットエレクトロントランジスタのエミッタバリア層とエミッタ層との間のエネルギー障壁を実質的に存在しないように構成する。このように構成することによって、電子は、拡散によってエミッタ層からエミッタバリア層のエネルギー障壁を乗り越えてベース層に移動する。これにより、ホットエレクトロントランジスタにおいて、トンネル効果によりエミッタ層からベース層に移動する場合に比べて、より大量の電流を流すことができる。これにより、高周波特性が改善し、また、駆動電流を増加させることができる。
【００１１】
また、トランジスタを基板に形成するとともに、ホットエレクトロントランジスタを層間絶縁膜の表面上に形成することによって、基板に形成された回路の上に、ホットエレクトロントランジスタを独立に形成することができる。これにより、層間絶縁膜によって互いの領域から発生するノイズの伝播を抑制することができるので、トランジスタとホットエレクトロントランジスタとが互いに干渉するのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタ１００の構造を示した断面図である。図２および図３は、図１に示した第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタ１００の伝導帯のエネルギバンドを示した図である。
【００１４】
ホットエレクトロントランジスタ１００では、図１に示すように、シリコン基板１の表面上の所定領域に、Ｔｉからなるサブコレクタ層２が形成されている。このサブコレクタ層２は、約５ｎｍの厚みを有するとともに、後述するコレクタ層３を形成するための下地層として形成されている。
【００１５】
サブコレクタ層２の表面上には、ＴｉＮからなるコレクタ層３が形成されている。このコレクタ層３は、約１００ｎｍの厚みを有する。また、ＴｉＮからなるコレクタ層３は、所定の窒素原子（Ｎ）濃度を有しており、約４．７ｅＶの仕事関数を有する。
【００１６】
コレクタ層３の表面上の所定領域には、ＴｉＯ２からなるコレクタバリア層４が形成されている。このコレクタバリア層４は、約２０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するとともに、約４．０５ｅＶの電子親和力（伝導帯の底から真空準位までのエネルギ差）を有する。
【００１７】
コレクタバリア層４の表面上には、ＴｉＮからなるコレクタ側ベース層５１が形成されている。このコレクタ側ベース層５１は、約２ｎｍの厚みを有する。また、ＴｉＮからなるコレクタ側ベース層５１は、コレクタ層３の窒素原子濃度よりも高い窒素原子濃度を有しており、約４．３ｅＶの仕事関数を有する。なお、コレクタ側ベース層５１は、本発明の「第１ベース層」の一例である。
【００１８】
コレクタ側ベース層５１の表面上には、ＴｉＮからなるエミッタ側ベース層５２が形成されている。このエミッタ側ベース層５２は、約５ｎｍの厚みを有する。また、ＴｉＮからなるエミッタ側ベース層５２は、コレクタ側ベース層５１の窒素原子濃度よりも低く、かつ、コレクタ層３の窒素原子濃度と実質的に同じ窒素原子濃度を有しており、約４．７ｅＶの仕事関数を有する。なお、エミッタ側ベース層５２は、本発明の「第２ベース層」の一例である。また、エミッタ側ベース層５２およびコレクタ側ベース層５１により、ベース層５が構成されている。
【００１９】
エミッタ側ベース層５２の表面上の所定領域には、コレクタバリア層４と同じＴｉＯ２からなるエミッタバリア層６が形成されている。このエミッタバリア層６は、約５ｎｍの厚みを有するとともに、約４．０５ｅＶの電子親和力を有する。
【００２０】
エミッタバリア層６の表面上には、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７が形成されている。このエミッタ層７は、約２００ｎｍの厚みを有するとともに、約４．０５ｅＶの電子親和力を有する。なお、ホットエレクトロントランジスタ１００は、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、ベース層５、エミッタバリア層６およびエミッタ層７により構成されている。
【００２１】
ここで、ホットエレクトロントランジスタ１００は、エミッタ層７とベース層５との間の電圧ＶＥＢ＝０、および、エミッタ層７とコレクタ層３との間の電圧ＶＥＣ＝０の場合において、図２に示すようなエネルギバンド状態になるように構成されている。また、ホットエレクトロントランジスタ１００は、ＶＥＢ＞０、および、ＶＥＣ＞０の場合において、図３に示すようなエネルギバンド状態になるように構成されている。このとき、ホットエレクトロントランジスタ１００では、コレクタバリア層４およびエミッタバリア層６を同じ材料（ＴｉＯ２）により形成するとともに、ベース層５を構成するコレクタ側ベース層５１の窒素原子濃度をベース層５を構成するエミッタ側ベース層５２の窒素原子濃度よりも高く形成することによって、ベース層５（エミッタ側ベース層５２）に対するエミッタバリア層６の障壁の高さｑＶａが、ベース層５（コレクタ側ベース層５１）に対するコレクタバリア層４の障壁の高さｑＶｂよりも高くなるように構成されている。また、ホットエレクトロントランジスタ１００では、コレクタ側ベース層５１およびエミッタ側ベース層５２からなるベース層５の厚みが、電子の平均自由行程よりも小さくなるように構成されており、ベース層５において電子がほとんど散乱を受けることなく高速で通過（バリスティック（弾道伝導））するので、高周波特性を向上させることが可能である。
【００２２】
また、ホットエレクトロントランジスタ１００では、エミッタバリア層６とエミッタ層７とは、互いの電子親和力が同じ大きさ（約４．０５ｅＶ）になるように形成されている。これにより、エミッタバリア層６とエミッタ層７との間におけるエネルギー障壁が実質的に存在しないように構成されている。
【００２３】
次に、図３を参照して、ホットエレクトロントランジスタ１００の動作について説明する。
【００２４】
まず、ＶＥＢ＞０、および、ＶＥＣ＞０にする。ここで、エミッタバリア層６とエミッタ層７との間におけるエネルギー障壁が実質的に存在しないことにより、電子が拡散によりエミッタ層７からエミッタバリア層６を通過する（拡散電流）とともに、エミッタバリア層６を通過してベース層５（エミッタ側ベース層５２）に到達した電子が高いエネルギ（ｑＶａ）を有するホットエレクトロンになる。そして、このホットエレクトロンは、ベース層５（エミッタ側ベース層５２およびコレクタ側ベース層５１）においてほとんど散乱を受けることなく高速で通過し（バリスティック（弾道伝導））、障壁の高さｑＶｂを有するコレクタバリア層４を通って、コレクタ層３に到達する。
【００２５】
図４〜図９は、本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタ１００の製造プロセスを説明するための断面図である。
【００２６】
まず、図４に示すように、スパッタ法を用いて、シリコン基板１の表面上に、Ｔｉからなる約５ｎｍの厚みを有するサブコレクタ層２を形成する。そして、反応性スパッタ法を用いて、サブコレクタ層２の表面上に、ＴｉＮからなる約１００ｎｍの厚みを有するコレクタ層３を形成する。この反応性スパッタ法によるコレクタ層３の形成条件としては、Ａｒガスに対するＮ２ガスの流量比を約１０％に設定する。これにより、コレクタ層３は、所定の窒素原子濃度を有するように形成される。その後、スパッタ法を用いて、コレクタ層３の表面上に、ＴｉＯ２からなる約２０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するコレクタバリア層４を形成する。
【００２７】
次に、図５に示すように、反応性スパッタ法を用いて、コレクタバリア層４の表面上に、ＴｉＮからなる約２ｎｍの厚みを有するコレクタ側ベース層５１を形成する。この反応性スパッタ法によるコレクタ側ベース層５１の形成条件としては、Ａｒガスに対するＮ２ガスの流量比を、コレクタ層３の形成時よりも大きい約２０％に設定する。これにより、コレクタ側ベース層５１は、コレクタ層３の窒素原子濃度よりも高い窒素原子濃度を有するように形成される。そして、反応性スパッタ法を用いて、コレクタ側ベース層５１の表面上に、ＴｉＮからなる約５ｎｍの厚みを有するエミッタ側ベース層５２を形成する。この反応性スパッタ法によるエミッタ側ベース層５２の形成条件としては、Ａｒガスに対するＮ２ガスの流量比を、コレクタ側ベース層５１の形成時よりも小さく、かつ、コレクタ層３の形成時と実質的に同じ約１０％に設定する。これにより、エミッタ側ベース層５２は、コレクタ側ベース層５１の窒素原子濃度よりも低く、かつ、コレクタ層３の窒素原子濃度と実質的に同じ窒素原子濃度を有するように形成される。
【００２８】
次に、図６に示すように、スパッタ法を用いて、エミッタ側ベース層５２の表面上に、コレクタバリア層４と同じＴｉＯ２からなる約５ｎｍの厚みを有するエミッタバリア層６を形成する。そして、ＬＰ−ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：減圧化学気相成長）法を用いて、エミッタバリア層６の表面上に、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなる約２００ｎｍの厚みを有するエミッタ層７を形成する。なお、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２およびエミッタバリア層６は、同一のチャンバ内において、外気（大気）に曝されることなく連続的に形成される。なお、ｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７をＣＶＤ法により形成する場合、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２およびエミッタバリア層６が同一チャンバ内において形成可能である。また、エミッタ層７をスパッタ法を用いてＴｉＮにより形成した場合には、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２およびエミッタバリア層６に加えて、エミッタ層７も同一チャンバにおいて連続形成可能である。
【００２９】
次に、図７に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、エミッタ層７の表面上の所定領域にレジスト膜８０を形成する。そして、レジスト膜８０をマスクとして、異方性エッチングによりエミッタ層７およびエミッタバリア層６をパターニングする。その後、レジスト膜８０を除去する。
【００３０】
次に、図８に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、エミッタ側ベース層５２の表面上の所定領域に、エミッタ層７およびエミッタバリア層６を覆うようにレジスト膜８１を形成する。そして、レジスト膜８１をマスクとして、異方性エッチングによりエミッタ側ベース層５２、コレクタ側ベース層５１およびコレクタバリア層４をパターニングする。その後、レジスト膜８１を除去する。
【００３１】
次に、図９に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、サブコレクタ層２の表面上の所定領域に、エミッタ層７、エミッタバリア層６、エミッタ側ベース層５２、コレクタ側ベース層５１およびコレクタバリア層４を覆うようにレジスト膜８２を形成する。そして、レジスト膜８２をマスクとして、異方性エッチングによりコレクタ層３およびサブコレクタ層２をパターニングする。その後、レジスト膜８２を除去することにより、図１に示した第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタ１００が形成される。
【００３２】
第１実施形態では、上記のように、エミッタバリア層６がＴｉＯ２からなるとともに、エミッタ層７が高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなる。このように構成することによって、エミッタバリア層６が約４．０５ｅＶの電子親和力を有するとともに、エミッタ層７が約４．０５ｅＶの電子親和力を有するので、ＶＥＢ＞０、および、ＶＥＣ＞０にすることにより、電子が拡散によりエミッタ層７からエミッタバリア層６へ移動する。これにより、電子がトンネル効果によりエミッタ層からコレクタバリア層を通過する場合と比べて、ホットエレクトロントランジスタ１００の電流量を増加させることができる。したがって、その結果、ホットエレクトロントランジスタ１００の高周波特性の改善、すなわち、コレクタ電流を増加させることにより、ベース層５を少数キャリアで満たす充電時間が短くなるため、ベース走行時間を短縮することが出来る。これによって、遮断周波数および最大発振周波数の最大値を増加させることができるため、駆動電流の増加、すなわち、後続の回路を駆動するのに必要な駆動電流を容易に増加できる。
【００３３】
また、第１実施形態では、ベース層５は、コレクタ層３の窒素原子濃度よりも高い窒素原子濃度を有するコレクタ側ベース層５１と、コレクタ側ベース層５１の窒素原子濃度よりも低く、かつ、コレクタ層３の窒素原子濃度と実質的に同じ窒素原子濃度を有するエミッタ側ベース層５２とにより構成されている。このように構成することによって、コレクタ側ベース層５１をエミッタ側ベース層５２に比べて仕事関数を小さくすることができるので、コレクタバリア層４およびエミッタバリア層６を同一の材料（第１実施形態では、ＴｉＯ２）により形成する場合にも、コレクタバリア層４のベース層５側の障壁の高さｑＶｂを、エミッタバリア層６のベース層５側の障壁の高さｑＶａよりも低くすることができる。これにより、コレクタバリア層４とエミッタバリア層６とを同一の材料により形成することができるので、ホットエレクトロントランジスタ１００の製造工程を簡略化することができる。
【００３４】
また、第１実施形態では、エミッタバリア層６がＴｉＯ２からなる。このように構成することによって、エミッタバリア層６の電子親和力を、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７の電子親和力と実質的に同じ約４．０５ｅＶに調整することができる。これにより、エミッタバリア層６とエミッタ層７との間のエネルギー障壁が存在しないように構成することができるので、電子をエミッタ層７からエミッタバリア層６へ拡散させることができ、エミッタ層７からベース層５へ通過させることができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、コレクタ層３は、ＴｉＮからなるコレクタ層３を形成するためのＴｉからなるサブコレクタ層２の表面上に形成されている。このように構成することによって、Ｔｉからなる絶縁膜と密着性の高いサブコレクタ層２により、ＴｉＮからなるコレクタ層３を容易に高い信頼性で形成することができる。
【００３６】
また、第１実施形態では、コレクタ側ベース層５１およびエミッタ側ベース層５２を、同一のチャンバ内において、連続的に形成することによって、各界面が大気に曝されるのを抑制することができるので、各界面が汚染されるのを抑制することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態による半導体装置２００の構造を示した断面図である。
【００３８】
半導体装置２００では、ｐ型シリコン基板１０１の表面に、素子形成領域１０１ａおよび１０１ｂを取り囲むように、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造の素子分離領域１０２が形成されている。素子形成領域１０１ａには、チャネル領域１０３ａを挟むように所定の間隔を隔てて、一対のｎ型のソース／ドレイン領域１０４ａが形成されている。チャネル領域１０３ａ上には、ゲート絶縁膜１０５ａを介してゲート電極１０６ａが形成されている。ゲート絶縁膜１０５ａは、ＳｉＯ２などからなるとともに、ゲート電極１０６ａは、ポリシリコンなどからなる。なお、チャネル領域１０３ａ、ソース／ドレイン領域１０４ａ、ゲート絶縁膜１０５ａおよびゲート電極１０６ａによって、ｎチャネルトランジスタ２５０が構成されている。また、素子形成領域１０１ｂには、ｎウェル領域１０１ｃが形成されている。ｎウェル領域１０１ｃには、チャネル領域１０３ｂを挟むように所定の間隔を隔てて、一対のｐ型のソース／ドレイン領域１０４ｂが形成されている。チャネル領域１０３ｂ上には、ゲート絶縁膜１０５ｂを介してゲート電極１０６ｂが形成されている。ゲート絶縁膜１０５ｂは、ＳｉＯ２などからなるとともに、ゲート電極１０６ｂは、ポリシリコンなどからなる。なお、チャネル領域１０３ｂ、ソース／ドレイン領域１０４ｂ、ゲート絶縁膜１０５ｂおよびゲート電極１０６ｂによって、ｐチャネルトランジスタ２５１が構成されている。
【００３９】
ｐ型シリコン基板１０１の表面上には、素子分離領域１０２、ｎチャネルトランジスタ２５０およびｐチャネルトランジスタ２５１を覆うように、ＳｉＯ２などからなる層間絶縁膜１０７が形成されている。層間絶縁膜１０７のソース／ドレイン領域１０４ａおよび１０４ｂに対応する領域には、それぞれ、コンタクトホール１０７ａおよび１０７ｂが形成されている。コンタクトホール１０７ａおよび１０７ｂには、それぞれ、ソース／ドレイン領域１０４ａおよび１０４ｂと電気的に接続されるプラグ１０８ａおよび１０８ｂが埋め込まれている。プラグ１０８ａおよび１０８ｂは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。
【００４０】
プラグ１０８ａの一方の上面には、プラグ１０８ａの一方と電気的に接続される配線１０９ａが形成されている。プラグ１０８ａの他方およびプラグ１０８ｂの一方の上面には、プラグ１０８ａの他方およびプラグ１０８ｂの一方と電気的に接続される配線１０９ｂが形成されている。この配線１０９ｂは、ｎチャネルトランジスタ２５０の一方のソース／ドレイン領域１０４ａと、ｐチャネルトランジスタ２５１の一方のソース／ドレイン領域１０４ｂとを電気的に接続するために設けられている。プラグ１０８ｂの他方の上面には、プラグ１０８ｂの他方と電気的に接続される配線１０９ｃが形成されている。配線１０９ａ、１０９ｂおよび１０９ｃは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。
【００４１】
層間絶縁膜１０７の表面上には、配線１０９ａ、１０９ｂおよび１０９ｃを覆うように、ＳｉＯ２などからなる層間絶縁膜１１０が形成されている。層間絶縁膜１１０の配線１０９ａおよび１０９ｃに対応する領域には、それぞれ、コンタクトホール１１０ａおよび１１０ｂが形成されている。コンタクトホール１１０ａおよび１１０ｂには、それぞれ、配線１０９ａおよび１０９ｃと電気的に接続されるプラグ１１１ａおよび１１１ｂが埋め込まれている。プラグ１１１ａおよび１１１ｂは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。
【００４２】
プラグ１１１ａおよび１１１ｂの上面には、それぞれ、プラグ１１１ａおよび１１１ｂと電気的に接続されるパッド層１１２ａおよび１１２ｂが形成されている。パッド層１１２ａおよび１１２ｂは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。また、層間絶縁膜１１０の表面上の所定領域には、ホットエレクトロントランジスタ１００が形成されている。
【００４３】
層間絶縁膜１１０の表面上には、ホットエレクトロントランジスタ１００、パッド層１１２ａおよび１１２ｂを覆うように、ＳｉＯ２などからなる層間絶縁膜１１３が形成されている。層間絶縁膜１１３のパッド層１１２ａおよび１１２ｂに対応する領域には、それぞれ、コンタクトホール１１３ａおよび１１３ｂが形成されている。また、層間絶縁膜１１３のコレクタ層３、ベース層５（エミッタ側ベース層５２）およびエミッタ層７に対応する領域には、それぞれ、コンタクトホール１１３ｃ、１１３ｄおよび１１３ｅが形成されている。
【００４４】
コンタクトホール１１３ａおよび１１３ｂには、それぞれ、パッド層１１２ａおよび１１２ｂと電気的に接続されるプラグ１１４ａおよび１１４ｂが埋め込まれている。また、コンタクトホール１１３ｃ、１１３ｄおよび１１３ｅには、それぞれ、コレクタ層３、ベース層５およびエミッタ層７と電気的に接続されるプラグ１１４ｃ、１１４ｄおよび１１４ｅが埋め込まれている。プラグ１１４ａ〜１１４ｅは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。プラグ１１４ａ〜１１４ｅの上面には、それぞれ、プラグ１１４ａ〜１１４ｅと電気的に接続される配線１１５ａ〜１１５ｅが形成されている。配線１１５ａ〜１１５ｅは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。
【００４５】
なお、第２実施形態のその他の構成は上記第１実施形態と同様である。
【００４６】
第２実施形態では、上記のように、ｎチャネルトランジスタ２５０およびｐチャネルトランジスタ２５１は、ｐ型シリコン基板１０１上に形成されているとともに、ホットエレクトロントランジスタ１００は、層間絶縁膜１１０の表面上に形成されている。このように構成することによって、ｎチャネルトランジスタ２５０およびｐチャネルトランジスタ２５１と、高周波トランジスタであるホットエレクトロントランジスタ１００とが互いに基板を介して干渉するのを抑制することができる。
【００４７】
なお、第２実施形態のその他の効果は上記第１実施形態と同様である。
【００４８】
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの構造を示した断面図である。図１１を参照して、第３実施形態では、上記第１実施形態とは異なり、互いに異なる結晶構造を有する２層構造のエミッタバリア層６を備えたホットエレクトロントランジスタ３００について説明する。
【００４９】
第３実施形態におけるホットエレクトロントランジスタ３００のエミッタバリア層６は、図１１に示すように、同一の材料（第３実施形態ではＴｉＯ２）により形成されたベース側エミッタバリア層６１とエミッタ側エミッタバリア層６２とから形成されている。具体的には、ベース側エミッタバリア層６１は、約２ｎｍの厚みを有するアナターゼ相からなる結晶構造を有する。また、エミッタ側エミッタバリア層６２は、約３ｎｍの厚みを有するルチル相からなる結晶構造を有している。また、第３実施形態におけるコレクタバリア層４は、エミッタバリア層６と同一の材料であるＴｉＯ２により形成されているとともに、エミッタ側エミッタバリア層６２と同様にルチル相からなる結晶構造を有している。これにより、エミッタバリア層６のエネルギー障壁に対して、相対的にコレクタバリア層４のエネルギー障壁が低くなるように構成されている。なお、第３実施形態におけるベース層５は、ＴｉＮにより形成されている一方で、１層構造により形成されている。
【００５０】
なお、第３実施形態におけるその他の構成および動作は、上記第１実施形態と同様である。
【００５１】
図１２〜図１７は、本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタ３００の製造プロセスを説明するための断面図である。
【００５２】
まず、図１２に示すように、第１実施形態と同様に、スパッタ法を用いて、シリコン基板１の表面上に、Ｔｉからなる約５ｎｍの厚みを有するサブコレクタ層２を形成する。そして、反応性スパッタ法を用いて、サブコレクタ層２の表面上に、ＴｉＮからなる約１００ｎｍの厚みを有するコレクタ層３を形成する。この反応性スパッタ法によるコレクタ層３の形成条件としては、Ａｒガスに対するＮ２ガスの流量比を約１０％に設定する。これにより、コレクタ層３は、所定の窒素原子濃度を有するように形成される。その後、スパッタ法を用いて、コレクタ層３の表面上に、ＴｉＯ２からなる約２０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するコレクタバリア層４を形成する。このときの基板温度は、約２００度程度であり、Ａｒと０との混合ガスを用いたスパッタリング雰囲気圧力は、約０．１Ｐａ程度にする。その後、反応性スパッタ法を用いて、ＴｉＮからなる約１０ｎｍの厚みを有するベース層５を形成する。この反応性スパッタ法によるベース層５の形成条件は、上述のコレクタ層３と同様である。
【００５３】
次に、図１３に示すように、スパッタ法を用いて、ベース層５の表面上に、ＴｉＯ２からなる約２ｎｍの厚みを有するベース側エミッタバリア層６１を形成する。このときの形成条件は、スパッタリング雰囲気圧力を１Ｐａ程度に設定する。これにより、ベース側エミッタバリア層６１はアナターゼ相になるように形成される。そして、反応性スパッタ法を用いてエミッタ側エミッタバリア層６２をコレクタバリア層４と同一条件で形成する。これにより、エミッタ側エミッタバリア層６２はルチル相で形成される。このときのエミッタ側エミッタバリア層６２の膜厚は約３ｎｍ程度になる。
【００５４】
次に、図１４に示すように、ＬＰ−ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（減圧化学気相成長））法を用いて、エミッタバリア層６の表面上に、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７を形成する。このエミッタ層７は、約２００ｎｍの厚みを有する。なお、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、ベース層５、ベース側エミッタバリア層６１およびエミッタ側エミッタバリア層６２は同一のチャンバ内において、外気（大気）に曝されることなく連続的に形成される。また、これらの層はＴｉＮおよびＴｉＯ２からなる層であることから、同一のチャンバ内で成長条件または雰囲気ガスを変えることで形成可能である。
【００５５】
次に、図１５に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、エミッタ層７の表面上の所定領域にレジスト膜８０を形成する。そして、レジスト膜８０をマスクとして、異方性エッチングによりエミッタ層７およびエミッタバリア層６をパターニングする。その後、レジスト膜８０を除去する。
【００５６】
次に、図１６に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、ベース層５の表面上の所定領域に、エミッタ層７およびエミッタバリア層６を覆うようにレジスト膜８１を形成する。そして、レジスト膜８１をマスクとして、異方性エッチングによりベース層５およびコレクタバリア層４をパターニングする。その後、レジスト膜８１を除去する。
【００５７】
次に、図１７に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、サブコレクタ層２の表面上の所定領域に、エミッタ層７、エミッタバリア層６、ベース層５およびコレクタバリア層４を覆うようにレジスト膜８２を形成する。そして、レジスト膜８２をマスクとして、異方性エッチングによりコレクタ層３およびサブコレクタ層２をパターニングする。その後、レジスト膜８２を除去することにより、図１１に示すホットエレクトロントランジスタ３００が形成される。
【００５８】
第３実施形態では、上記のように、コレクタバリア層４とエミッタバリア層６とを同一の材料に形成する際、エミッタバリア層６をアナターゼ相からなる結晶構造を有するベース側エミッタバリア層６１と、ルチル相からなる結晶構造を有するエミッタ側エミッタバリア層６２との２層構造に形成する。このように構成する場合でも、コレクタ層３側の仕事関数をエミッタ層７側に比べて小さくすることができる。つまり、コレクタバリア層４のベース層３側のエネルギー障壁の高さを、エミッタバリア層６のベース層５側（ベース側エミッタバリア層６１）のエネルギー障壁の高さよりも低くすることができる。
【００５９】
また、第３実施形態では、コレクタバリア層４、ベース層５、ベース側エミッタバリア層６１およびエミッタ側エミッタバリア層６２を、同一の金属材料（Ｔｉ）により形成することにより、これらの層を同一のチャンバ内により形成することができる。したがって、ホットエレクトロントランジスタ３００の製造工程を簡略化することができる。
【００６０】
なお、第３実施形態におけるその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００６１】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６２】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２およびコレクタ層３を、ＴｉＮにより形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、コレクタ側ベース層、エミッタ側ベース層およびコレクタ層を、ＴａＮなどのその他の金属窒化物により形成してもよい。
【００６３】
また、上記第１および第２実施形態では、エミッタ側ベース層５２およびコレクタ側ベース層５１により構成されたベース層５を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、コレクタ側の窒素原子濃度がエミッタ側の窒素原子濃度よりも高くなるように構成された１つのベース層を形成してもよい。
【００６４】
また、上記第１および第２実施形態では、スパッタ法を用いて、サブコレクタ層２、コレクタバリア層４およびエミッタバリア層６を形成するとともに、反応性スパッタ法を用いて、コレクタ層３、コレクタ側ベース層５１およびエミッタ側ベース層５２を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ＣＶＤ法を用いて、サブコレクタ層、コレクタバリア層、エミッタバリア層、コレクタ層、コレクタ側ベース層およびエミッタ側ベース層を形成してもよい。
【００６５】
また、上記第１および第２実施形態では、同一のチャンバ内において、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２、エミッタバリア層６およびエミッタ層７を連続的に形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、複数の異なるチャンバ内において、各層を順次形成してもよい。
【００６６】
また、上記第１〜第３実施形態では、コレクタバリア層４およびエミッタバリア層６をＴｉＯ２により形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、コレクタバリア層およびエミッタバリア層をＴａＯ２などのその他の金属酸化物により形成してもよい。
【００６７】
また、上記第１〜第３実施形態では、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ＴｉＮなどのその他の金属窒化物からなるエミッタ層を形成してもよい。なお、この場合、エミッタ層の仕事関数をエミッタバリア層の電子親和力と実質的に同じになるように調整する方が好ましく、Ｎの組成比を高くするとＴｉＮなどの仕事関数は小さく（浅く）なる傾向がある。
【００６８】
また、上記第１〜第３実施形態では、ベース層５の厚みを、電子の平均自由行程よりも小さくする例を示したが、本発明はこれに限らず、ベース層においてバリスティック伝導可能な電子が所定数以上あり、エミッタ層から出てコレクタ層に到達しない電子が約数分の一から百分の一以下であれば、ベース層の厚みを、電子の平均自由行程よりも大きくしてもよい。
【００６９】
また、上記第１〜第３実施形態では、エミッタ層のエミッタバリア層界面を、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンにより形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、エミッタ層のエミッタバリア層界面を、仕事関数がシリコンの伝導帯の底と一致するような合金またはシリサイドにより形成してもよい。また、エミッタ層のエミッタバリア層界面を、ＳｉＣなど電子親和力がＳｉよりも小さい半導体により形成してもよい。この場合、エミッタバリア層としてＴｉＯ２よりも比誘電率が小さい酸化物を用いても酸化物が電子に対するポテンシャル障壁となりにくく電流を流しやすい。
【００７０】
また、上記第２実施形態では、コンタクトホール１０７ａ、１０７ｂ、１１０ａ、１１０ｂおよび１１３ａ〜１１３ｅ内にプラグ１０８ａ、１０８ｂ、１１１ａ、１１１ｂおよび１１４ａ〜１１４ｅを埋め込む例を示したが、本発明はこれに限らず、コンタクトホールの内周面に、電気伝導度が高く、かつ、プラグが層間絶縁膜に拡散するのを抑制することが可能な、Ｔｉなどからなるバリアメタル層を形成するとともに、バリアメタル層を介してコンタクトホール内にプラグを形成してもよい。
【００７１】
また、上記第２実施形態では、第１実施形態において示したホットエレクトロントランジスタを含む半導体装置を示したが、本発明はこれに限らず、第３実施形態において示したホットエレクトロントランジスタを、第２実施形態における半導体装置に適用することも可能である。
【００７２】
また、上記第３実施形態では、ベース側エミッタ層、エミッタ側エミッタ層およびコレクタ層をＴｉＮにより形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、コレクタ側ベース層、エミッタ側ベース層およびコレクタ層を、ＴａＮなどのその他の金属窒化物により形成してもよい。
【００７３】
また、上記第３実施形態では、エミッタバリア層を、ルチル相からなるエミッタ側エミッタバリア層と、アナターゼ相からなるベース側エミッタバリア層との２層構造により形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、エミッタバリア層を、エミッタ層側からベース層側に向かってルチル相からアナターゼ相に連続的に変化するように形成することによって、１層からなるように形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの構造を示した断面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの伝導帯のエネルギバンドを示した図である。
【図３】図１に示した第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの伝導帯のエネルギバンドを示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図９】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による半導体装置の構造を示した断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの構造を示した断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１５】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１７】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
２ サブコレクタ層（下地層）
３ コレクタ層
４ コレクタバリア層
５ ベース層
６ エミッタバリア層
７ エミッタ層
５１ コレクタ側ベース層（第１ベース層）
５２ エミッタ側ベース層（第２ベース層）
６１ ベース側エミッタバリア層
６２ エミッタ側エミッタバリア層
１００ ホットエレクトロントランジスタ
１０１ ｐ型シリコン基板（基板）
１０７、１１０ 層間絶縁膜
２００ 半導体装置
２５０ ｎチャネルトランジスタ（トランジスタ）
２５１ ｐチャネルトランジスタ（トランジスタ）
３００ ホットエレクトロントランジスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホットエレクトロントランジスタおよびそれを含む半導体装置に関し、特に、コレクタバリア層およびエミッタバリア層が形成されたホットエレクトロントランジスタおよびそれを含む半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コレクタバリア層およびエミッタバリア層が形成されたホットエレクトロントランジスタが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、コレクタ層と、ベース層と、エミッタ層と、コレクタ層とベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、ベース層とエミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを備えたホットエレクトロントランジスタが開示されている。このホットエレクトロントランジスタは、コレクタバリア層の障壁の高さをエミッタバリア層の障壁の高さよりも低くするために、コレクタバリア層をｉ型ゲルマニウムシリコンにより形成するとともに、エミッタバリア層をｉ型砒化アルミニウムガリウム（低濃度ｎ型砒化ガリウム）により形成するように構成されている。また、ホットエレクトロントランジスタでは、所定のバイアスを印加した場合に、電子がトンネル効果によりエミッタ層からエミッタバリア層を通過するか、エミッタバリア層を乗り越えてベース層に到達することにより、その電子は高いエネルギを有するホットエレクトロンになる。そして、このホットエレクトロンは、ベース層においてほとんど散乱を受けることなく高速で通過し（バリスティック（弾道）伝導）、コレクタバリア層を通って、コレクタ層に到達する。
【０００４】
【特許文献１】特許第３０９３４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された従来のホットエレクトロントランジスタでは、電子がトンネル効果によってエミッタ層からベース層に移動する際には、エミッタバリア層のエネルギー障壁を貫通して通過することから、より大量の電流を流すことが困難であるという不都合がある。このため、期待される高周波特性を得ること、ならびに後続の回路で必要とされる駆動電流を得ることが困難であるという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、期待される高周波特性を得ること、ならびに後続の回路で必要とされる駆動電流を得ることが可能なホットエレクトロントランジスタおよびそれを含む半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面におけるホットエレクトロントランジスタは、コレクタ層と、ベース層と、エミッタ層と、コレクタ層とベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、ベース層とエミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを備え、エミッタバリア層とエミッタ層との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、コレクタバリア層のエネルギー障壁の高さはエミッタバリア層のエネルギー障壁の高さよりも低いことを特徴とする。
【０００８】
この発明の第２の局面における半導体装置は、基板と、基板に形成されたトランジスタと、基板の表面上に、トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜の表面上に形成されたホットエレクトロントランジスタとを備え、ホットエレクトロントランジスタは、コレクタ層と、ベース層と、エミッタ層と、コレクタ層とベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、ベース層とエミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを含み、エミッタバリア層とエミッタ層との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、ベース層のフェルミエネルギーから見たベース層およびコレクタバリア層間の界面におけるエネルギー障壁の高さは、ベース層およびエミッタバリア層間の界面におけるエネルギー障壁の高さよりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の第１の局面によるホットエレクトロントランジスタでは、上記のように、エミッタバリア層とエミッタ層との間のエネルギー障壁を実質的に存在しないように構成する。このように構成することによって、電子は、拡散によってエミッタ層からエミッタバリア層を通過して（エネルギー障壁がないので）ベース層に移動する。これにより、トンネル電流によってエミッタ層からベース層に移動する場合に比べて、より大量の電流を流すことができる。これにより、高周波特性が改善し、また、駆動電流を増加させることができる。
【００１０】
この発明の第２の局面による半導体装置では、上記のように、ホットエレクトロントランジスタのエミッタバリア層とエミッタ層との間のエネルギー障壁を実質的に存在しないように構成する。このように構成することによって、電子は、拡散によってエミッタ層からエミッタバリア層のエネルギー障壁を乗り越えてベース層に移動する。これにより、ホットエレクトロントランジスタにおいて、トンネル効果によりエミッタ層からベース層に移動する場合に比べて、より大量の電流を流すことができる。これにより、高周波特性が改善し、また、駆動電流を増加させることができる。
【００１１】
また、トランジスタを基板に形成するとともに、ホットエレクトロントランジスタを層間絶縁膜の表面上に形成することによって、基板に形成された回路の上に、ホットエレクトロントランジスタを独立に形成することができる。これにより、層間絶縁膜によって互いの領域から発生するノイズの伝播を抑制することができるので、トランジスタとホットエレクトロントランジスタとが互いに干渉するのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタ１００の構造を示した断面図である。図２および図３は、図１に示した第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタ１００の伝導帯のエネルギバンドを示した図である。
【００１４】
ホットエレクトロントランジスタ１００では、図１に示すように、シリコン基板１の表面上の所定領域に、Ｔｉからなるサブコレクタ層２が形成されている。このサブコレクタ層２は、約５ｎｍの厚みを有するとともに、後述するコレクタ層３を形成するための下地層として形成されている。
【００１５】
サブコレクタ層２の表面上には、ＴｉＮからなるコレクタ層３が形成されている。このコレクタ層３は、約１００ｎｍの厚みを有する。また、ＴｉＮからなるコレクタ層３は、所定の窒素原子（Ｎ）濃度を有しており、約４．７ｅＶの仕事関数を有する。
【００１６】
コレクタ層３の表面上の所定領域には、ＴｉＯ２からなるコレクタバリア層４が形成されている。このコレクタバリア層４は、約２０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するとともに、約４．０５ｅＶの電子親和力（伝導帯の底から真空準位までのエネルギ差）を有する。
【００１７】
コレクタバリア層４の表面上には、ＴｉＮからなるコレクタ側ベース層５１が形成されている。このコレクタ側ベース層５１は、約２ｎｍの厚みを有する。また、ＴｉＮからなるコレクタ側ベース層５１は、コレクタ層３の窒素原子濃度よりも高い窒素原子濃度を有しており、約４．３ｅＶの仕事関数を有する。なお、コレクタ側ベース層５１は、本発明の「第１ベース層」の一例である。
【００１８】
コレクタ側ベース層５１の表面上には、ＴｉＮからなるエミッタ側ベース層５２が形成されている。このエミッタ側ベース層５２は、約５ｎｍの厚みを有する。また、ＴｉＮからなるエミッタ側ベース層５２は、コレクタ側ベース層５１の窒素原子濃度よりも低く、かつ、コレクタ層３の窒素原子濃度と実質的に同じ窒素原子濃度を有しており、約４．７ｅＶの仕事関数を有する。なお、エミッタ側ベース層５２は、本発明の「第２ベース層」の一例である。また、エミッタ側ベース層５２およびコレクタ側ベース層５１により、ベース層５が構成されている。
【００１９】
エミッタ側ベース層５２の表面上の所定領域には、コレクタバリア層４と同じＴｉＯ２からなるエミッタバリア層６が形成されている。このエミッタバリア層６は、約５ｎｍの厚みを有するとともに、約４．０５ｅＶの電子親和力を有する。
【００２０】
エミッタバリア層６の表面上には、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７が形成されている。このエミッタ層７は、約２００ｎｍの厚みを有するとともに、約４．０５ｅＶの電子親和力を有する。なお、ホットエレクトロントランジスタ１００は、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、ベース層５、エミッタバリア層６およびエミッタ層７により構成されている。
【００２１】
ここで、ホットエレクトロントランジスタ１００は、エミッタ層７とベース層５との間の電圧ＶＥＢ＝０、および、エミッタ層７とコレクタ層３との間の電圧ＶＥＣ＝０の場合において、図２に示すようなエネルギバンド状態になるように構成されている。また、ホットエレクトロントランジスタ１００は、ＶＥＢ＞０、および、ＶＥＣ＞０の場合において、図３に示すようなエネルギバンド状態になるように構成されている。このとき、ホットエレクトロントランジスタ１００では、コレクタバリア層４およびエミッタバリア層６を同じ材料（ＴｉＯ２）により形成するとともに、ベース層５を構成するコレクタ側ベース層５１の窒素原子濃度をベース層５を構成するエミッタ側ベース層５２の窒素原子濃度よりも高く形成することによって、ベース層５（エミッタ側ベース層５２）に対するエミッタバリア層６の障壁の高さｑＶａが、ベース層５（コレクタ側ベース層５１）に対するコレクタバリア層４の障壁の高さｑＶｂよりも高くなるように構成されている。また、ホットエレクトロントランジスタ１００では、コレクタ側ベース層５１およびエミッタ側ベース層５２からなるベース層５の厚みが、電子の平均自由行程よりも小さくなるように構成されており、ベース層５において電子がほとんど散乱を受けることなく高速で通過（バリスティック（弾道伝導））するので、高周波特性を向上させることが可能である。
【００２２】
また、ホットエレクトロントランジスタ１００では、エミッタバリア層６とエミッタ層７とは、互いの電子親和力が同じ大きさ（約４．０５ｅＶ）になるように形成されている。これにより、エミッタバリア層６とエミッタ層７との間におけるエネルギー障壁が実質的に存在しないように構成されている。
【００２３】
次に、図３を参照して、ホットエレクトロントランジスタ１００の動作について説明する。
【００２４】
まず、ＶＥＢ＞０、および、ＶＥＣ＞０にする。ここで、エミッタバリア層６とエミッタ層７との間におけるエネルギー障壁が実質的に存在しないことにより、電子が拡散によりエミッタ層７からエミッタバリア層６を通過する（拡散電流）とともに、エミッタバリア層６を通過してベース層５（エミッタ側ベース層５２）に到達した電子が高いエネルギ（ｑＶａ）を有するホットエレクトロンになる。そして、このホットエレクトロンは、ベース層５（エミッタ側ベース層５２およびコレクタ側ベース層５１）においてほとんど散乱を受けることなく高速で通過し（バリスティック（弾道伝導））、障壁の高さｑＶｂを有するコレクタバリア層４を通って、コレクタ層３に到達する。
【００２５】
図４〜図９は、本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタ１００の製造プロセスを説明するための断面図である。
【００２６】
まず、図４に示すように、スパッタ法を用いて、シリコン基板１の表面上に、Ｔｉからなる約５ｎｍの厚みを有するサブコレクタ層２を形成する。そして、反応性スパッタ法を用いて、サブコレクタ層２の表面上に、ＴｉＮからなる約１００ｎｍの厚みを有するコレクタ層３を形成する。この反応性スパッタ法によるコレクタ層３の形成条件としては、Ａｒガスに対するＮ２ガスの流量比を約１０％に設定する。これにより、コレクタ層３は、所定の窒素原子濃度を有するように形成される。その後、スパッタ法を用いて、コレクタ層３の表面上に、ＴｉＯ２からなる約２０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するコレクタバリア層４を形成する。
【００２７】
次に、図５に示すように、反応性スパッタ法を用いて、コレクタバリア層４の表面上に、ＴｉＮからなる約２ｎｍの厚みを有するコレクタ側ベース層５１を形成する。この反応性スパッタ法によるコレクタ側ベース層５１の形成条件としては、Ａｒガスに対するＮ２ガスの流量比を、コレクタ層３の形成時よりも大きい約２０％に設定する。これにより、コレクタ側ベース層５１は、コレクタ層３の窒素原子濃度よりも高い窒素原子濃度を有するように形成される。そして、反応性スパッタ法を用いて、コレクタ側ベース層５１の表面上に、ＴｉＮからなる約５ｎｍの厚みを有するエミッタ側ベース層５２を形成する。この反応性スパッタ法によるエミッタ側ベース層５２の形成条件としては、Ａｒガスに対するＮ２ガスの流量比を、コレクタ側ベース層５１の形成時よりも小さく、かつ、コレクタ層３の形成時と実質的に同じ約１０％に設定する。これにより、エミッタ側ベース層５２は、コレクタ側ベース層５１の窒素原子濃度よりも低く、かつ、コレクタ層３の窒素原子濃度と実質的に同じ窒素原子濃度を有するように形成される。
【００２８】
次に、図６に示すように、スパッタ法を用いて、エミッタ側ベース層５２の表面上に、コレクタバリア層４と同じＴｉＯ２からなる約５ｎｍの厚みを有するエミッタバリア層６を形成する。そして、ＬＰ−ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：減圧化学気相成長）法を用いて、エミッタバリア層６の表面上に、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなる約２００ｎｍの厚みを有するエミッタ層７を形成する。なお、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２およびエミッタバリア層６は、同一のチャンバ内において、外気（大気）に曝されることなく連続的に形成される。なお、ｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７をＣＶＤ法により形成する場合、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２およびエミッタバリア層６が同一チャンバ内において形成可能である。また、エミッタ層７をスパッタ法を用いてＴｉＮにより形成した場合には、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２およびエミッタバリア層６に加えて、エミッタ層７も同一チャンバにおいて連続形成可能である。
【００２９】
次に、図７に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、エミッタ層７の表面上の所定領域にレジスト膜８０を形成する。そして、レジスト膜８０をマスクとして、異方性エッチングによりエミッタ層７およびエミッタバリア層６をパターニングする。その後、レジスト膜８０を除去する。
【００３０】
次に、図８に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、エミッタ側ベース層５２の表面上の所定領域に、エミッタ層７およびエミッタバリア層６を覆うようにレジスト膜８１を形成する。そして、レジスト膜８１をマスクとして、異方性エッチングによりエミッタ側ベース層５２、コレクタ側ベース層５１およびコレクタバリア層４をパターニングする。その後、レジスト膜８１を除去する。
【００３１】
次に、図９に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、サブコレクタ層２の表面上の所定領域に、エミッタ層７、エミッタバリア層６、エミッタ側ベース層５２、コレクタ側ベース層５１およびコレクタバリア層４を覆うようにレジスト膜８２を形成する。そして、レジスト膜８２をマスクとして、異方性エッチングによりコレクタ層３およびサブコレクタ層２をパターニングする。その後、レジスト膜８２を除去することにより、図１に示した第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタ１００が形成される。
【００３２】
第１実施形態では、上記のように、エミッタバリア層６がＴｉＯ２からなるとともに、エミッタ層７が高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなる。このように構成することによって、エミッタバリア層６が約４．０５ｅＶの電子親和力を有するとともに、エミッタ層７が約４．０５ｅＶの電子親和力を有するので、ＶＥＢ＞０、および、ＶＥＣ＞０にすることにより、電子が拡散によりエミッタ層７からエミッタバリア層６へ移動する。これにより、電子がトンネル効果によりエミッタ層からコレクタバリア層を通過する場合と比べて、ホットエレクトロントランジスタ１００の電流量を増加させることができる。したがって、その結果、ホットエレクトロントランジスタ１００の高周波特性の改善、すなわち、コレクタ電流を増加させることにより、ベース層５を少数キャリアで満たす充電時間が短くなるため、ベース走行時間を短縮することが出来る。これによって、遮断周波数および最大発振周波数の最大値を増加させることができるため、駆動電流の増加、すなわち、後続の回路を駆動するのに必要な駆動電流を容易に増加できる。
【００３３】
また、第１実施形態では、ベース層５は、コレクタ層３の窒素原子濃度よりも高い窒素原子濃度を有するコレクタ側ベース層５１と、コレクタ側ベース層５１の窒素原子濃度よりも低く、かつ、コレクタ層３の窒素原子濃度と実質的に同じ窒素原子濃度を有するエミッタ側ベース層５２とにより構成されている。このように構成することによって、コレクタ側ベース層５１をエミッタ側ベース層５２に比べて仕事関数を小さくすることができるので、コレクタバリア層４およびエミッタバリア層６を同一の材料（第１実施形態では、ＴｉＯ２）により形成する場合にも、コレクタバリア層４のベース層５側の障壁の高さｑＶｂを、エミッタバリア層６のベース層５側の障壁の高さｑＶａよりも低くすることができる。これにより、コレクタバリア層４とエミッタバリア層６とを同一の材料により形成することができるので、ホットエレクトロントランジスタ１００の製造工程を簡略化することができる。
【００３４】
また、第１実施形態では、エミッタバリア層６がＴｉＯ２からなる。このように構成することによって、エミッタバリア層６の電子親和力を、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７の電子親和力と実質的に同じ約４．０５ｅＶに調整することができる。これにより、エミッタバリア層６とエミッタ層７との間のエネルギー障壁が存在しないように構成することができるので、電子をエミッタ層７からエミッタバリア層６へ拡散させることができ、エミッタ層７からベース層５へ通過させることができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、コレクタ層３は、ＴｉＮからなるコレクタ層３を形成するためのＴｉからなるサブコレクタ層２の表面上に形成されている。このように構成することによって、Ｔｉからなる絶縁膜と密着性の高いサブコレクタ層２により、ＴｉＮからなるコレクタ層３を容易に高い信頼性で形成することができる。
【００３６】
また、第１実施形態では、コレクタ側ベース層５１およびエミッタ側ベース層５２を、同一のチャンバ内において、連続的に形成することによって、各界面が大気に曝されるのを抑制することができるので、各界面が汚染されるのを抑制することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態による半導体装置２００の構造を示した断面図である。
【００３８】
半導体装置２００では、ｐ型シリコン基板１０１の表面に、素子形成領域１０１ａおよび１０１ｂを取り囲むように、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造の素子分離領域１０２が形成されている。素子形成領域１０１ａには、チャネル領域１０３ａを挟むように所定の間隔を隔てて、一対のｎ型のソース／ドレイン領域１０４ａが形成されている。チャネル領域１０３ａ上には、ゲート絶縁膜１０５ａを介してゲート電極１０６ａが形成されている。ゲート絶縁膜１０５ａは、ＳｉＯ２などからなるとともに、ゲート電極１０６ａは、ポリシリコンなどからなる。なお、チャネル領域１０３ａ、ソース／ドレイン領域１０４ａ、ゲート絶縁膜１０５ａおよびゲート電極１０６ａによって、ｎチャネルトランジスタ２５０が構成されている。また、素子形成領域１０１ｂには、ｎウェル領域１０１ｃが形成されている。ｎウェル領域１０１ｃには、チャネル領域１０３ｂを挟むように所定の間隔を隔てて、一対のｐ型のソース／ドレイン領域１０４ｂが形成されている。チャネル領域１０３ｂ上には、ゲート絶縁膜１０５ｂを介してゲート電極１０６ｂが形成されている。ゲート絶縁膜１０５ｂは、ＳｉＯ２などからなるとともに、ゲート電極１０６ｂは、ポリシリコンなどからなる。なお、チャネル領域１０３ｂ、ソース／ドレイン領域１０４ｂ、ゲート絶縁膜１０５ｂおよびゲート電極１０６ｂによって、ｐチャネルトランジスタ２５１が構成されている。
【００３９】
ｐ型シリコン基板１０１の表面上には、素子分離領域１０２、ｎチャネルトランジスタ２５０およびｐチャネルトランジスタ２５１を覆うように、ＳｉＯ２などからなる層間絶縁膜１０７が形成されている。層間絶縁膜１０７のソース／ドレイン領域１０４ａおよび１０４ｂに対応する領域には、それぞれ、コンタクトホール１０７ａおよび１０７ｂが形成されている。コンタクトホール１０７ａおよび１０７ｂには、それぞれ、ソース／ドレイン領域１０４ａおよび１０４ｂと電気的に接続されるプラグ１０８ａおよび１０８ｂが埋め込まれている。プラグ１０８ａおよび１０８ｂは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。
【００４０】
プラグ１０８ａの一方の上面には、プラグ１０８ａの一方と電気的に接続される配線１０９ａが形成されている。プラグ１０８ａの他方およびプラグ１０８ｂの一方の上面には、プラグ１０８ａの他方およびプラグ１０８ｂの一方と電気的に接続される配線１０９ｂが形成されている。この配線１０９ｂは、ｎチャネルトランジスタ２５０の一方のソース／ドレイン領域１０４ａと、ｐチャネルトランジスタ２５１の一方のソース／ドレイン領域１０４ｂとを電気的に接続するために設けられている。プラグ１０８ｂの他方の上面には、プラグ１０８ｂの他方と電気的に接続される配線１０９ｃが形成されている。配線１０９ａ、１０９ｂおよび１０９ｃは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。
【００４１】
層間絶縁膜１０７の表面上には、配線１０９ａ、１０９ｂおよび１０９ｃを覆うように、ＳｉＯ２などからなる層間絶縁膜１１０が形成されている。層間絶縁膜１１０の配線１０９ａおよび１０９ｃに対応する領域には、それぞれ、コンタクトホール１１０ａおよび１１０ｂが形成されている。コンタクトホール１１０ａおよび１１０ｂには、それぞれ、配線１０９ａおよび１０９ｃと電気的に接続されるプラグ１１１ａおよび１１１ｂが埋め込まれている。プラグ１１１ａおよび１１１ｂは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。
【００４２】
プラグ１１１ａおよび１１１ｂの上面には、それぞれ、プラグ１１１ａおよび１１１ｂと電気的に接続されるパッド層１１２ａおよび１１２ｂが形成されている。パッド層１１２ａおよび１１２ｂは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。また、層間絶縁膜１１０の表面上の所定領域には、ホットエレクトロントランジスタ１００が形成されている。
【００４３】
層間絶縁膜１１０の表面上には、ホットエレクトロントランジスタ１００、パッド層１１２ａおよび１１２ｂを覆うように、ＳｉＯ２などからなる層間絶縁膜１１３が形成されている。層間絶縁膜１１３のパッド層１１２ａおよび１１２ｂに対応する領域には、それぞれ、コンタクトホール１１３ａおよび１１３ｂが形成されている。また、層間絶縁膜１１３のコレクタ層３、ベース層５（エミッタ側ベース層５２）およびエミッタ層７に対応する領域には、それぞれ、コンタクトホール１１３ｃ、１１３ｄおよび１１３ｅが形成されている。
【００４４】
コンタクトホール１１３ａおよび１１３ｂには、それぞれ、パッド層１１２ａおよび１１２ｂと電気的に接続されるプラグ１１４ａおよび１１４ｂが埋め込まれている。また、コンタクトホール１１３ｃ、１１３ｄおよび１１３ｅには、それぞれ、コレクタ層３、ベース層５およびエミッタ層７と電気的に接続されるプラグ１１４ｃ、１１４ｄおよび１１４ｅが埋め込まれている。プラグ１１４ａ〜１１４ｅは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。プラグ１１４ａ〜１１４ｅの上面には、それぞれ、プラグ１１４ａ〜１１４ｅと電気的に接続される配線１１５ａ〜１１５ｅが形成されている。配線１１５ａ〜１１５ｅは、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌまたはＡｌ合金などからなる。
【００４５】
なお、第２実施形態のその他の構成は上記第１実施形態と同様である。
【００４６】
第２実施形態では、上記のように、ｎチャネルトランジスタ２５０およびｐチャネルトランジスタ２５１は、ｐ型シリコン基板１０１上に形成されているとともに、ホットエレクトロントランジスタ１００は、層間絶縁膜１１０の表面上に形成されている。このように構成することによって、ｎチャネルトランジスタ２５０およびｐチャネルトランジスタ２５１と、高周波トランジスタであるホットエレクトロントランジスタ１００とが互いに基板を介して干渉するのを抑制することができる。
【００４７】
なお、第２実施形態のその他の効果は上記第１実施形態と同様である。
【００４８】
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの構造を示した断面図である。図１１を参照して、第３実施形態では、上記第１実施形態とは異なり、互いに異なる結晶構造を有する２層構造のエミッタバリア層６を備えたホットエレクトロントランジスタ３００について説明する。
【００４９】
第３実施形態におけるホットエレクトロントランジスタ３００のエミッタバリア層６は、図１１に示すように、同一の材料（第３実施形態ではＴｉＯ２）により形成されたベース側エミッタバリア層６１とエミッタ側エミッタバリア層６２とから形成されている。具体的には、ベース側エミッタバリア層６１は、約２ｎｍの厚みを有するアナターゼ相からなる結晶構造を有する。また、エミッタ側エミッタバリア層６２は、約３ｎｍの厚みを有するルチル相からなる結晶構造を有している。また、第３実施形態におけるコレクタバリア層４は、エミッタバリア層６と同一の材料であるＴｉＯ２により形成されているとともに、エミッタ側エミッタバリア層６２と同様にルチル相からなる結晶構造を有している。これにより、エミッタバリア層６のエネルギー障壁に対して、相対的にコレクタバリア層４のエネルギー障壁が低くなるように構成されている。なお、第３実施形態におけるベース層５は、ＴｉＮにより形成されている一方で、１層構造により形成されている。
【００５０】
なお、第３実施形態におけるその他の構成および動作は、上記第１実施形態と同様である。
【００５１】
図１２〜図１７は、本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタ３００の製造プロセスを説明するための断面図である。
【００５２】
まず、図１２に示すように、第１実施形態と同様に、スパッタ法を用いて、シリコン基板１の表面上に、Ｔｉからなる約５ｎｍの厚みを有するサブコレクタ層２を形成する。そして、反応性スパッタ法を用いて、サブコレクタ層２の表面上に、ＴｉＮからなる約１００ｎｍの厚みを有するコレクタ層３を形成する。この反応性スパッタ法によるコレクタ層３の形成条件としては、Ａｒガスに対するＮ２ガスの流量比を約１０％に設定する。これにより、コレクタ層３は、所定の窒素原子濃度を有するように形成される。その後、スパッタ法を用いて、コレクタ層３の表面上に、ＴｉＯ２からなる約２０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するコレクタバリア層４を形成する。このときの基板温度は、約２００度程度であり、Ａｒと０との混合ガスを用いたスパッタリング雰囲気圧力は、約０．１Ｐａ程度にする。その後、反応性スパッタ法を用いて、ＴｉＮからなる約１０ｎｍの厚みを有するベース層５を形成する。この反応性スパッタ法によるベース層５の形成条件は、上述のコレクタ層３と同様である。
【００５３】
次に、図１３に示すように、スパッタ法を用いて、ベース層５の表面上に、ＴｉＯ２からなる約２ｎｍの厚みを有するベース側エミッタバリア層６１を形成する。このときの形成条件は、スパッタリング雰囲気圧力を１Ｐａ程度に設定する。これにより、ベース側エミッタバリア層６１はアナターゼ相になるように形成される。そして、反応性スパッタ法を用いてエミッタ側エミッタバリア層６２をコレクタバリア層４と同一条件で形成する。これにより、エミッタ側エミッタバリア層６２はルチル相で形成される。このときのエミッタ側エミッタバリア層６２の膜厚は約３ｎｍ程度になる。
【００５４】
次に、図１４に示すように、ＬＰ−ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（減圧化学気相成長））法を用いて、エミッタバリア層６の表面上に、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７を形成する。このエミッタ層７は、約２００ｎｍの厚みを有する。なお、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、ベース層５、ベース側エミッタバリア層６１およびエミッタ側エミッタバリア層６２は同一のチャンバ内において、外気（大気）に曝されることなく連続的に形成される。また、これらの層はＴｉＮおよびＴｉＯ２からなる層であることから、同一のチャンバ内で成長条件または雰囲気ガスを変えることで形成可能である。
【００５５】
次に、図１５に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、エミッタ層７の表面上の所定領域にレジスト膜８０を形成する。そして、レジスト膜８０をマスクとして、異方性エッチングによりエミッタ層７およびエミッタバリア層６をパターニングする。その後、レジスト膜８０を除去する。
【００５６】
次に、図１６に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、ベース層５の表面上の所定領域に、エミッタ層７およびエミッタバリア層６を覆うようにレジスト膜８１を形成する。そして、レジスト膜８１をマスクとして、異方性エッチングによりベース層５およびコレクタバリア層４をパターニングする。その後、レジスト膜８１を除去する。
【００５７】
次に、図１７に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、サブコレクタ層２の表面上の所定領域に、エミッタ層７、エミッタバリア層６、ベース層５およびコレクタバリア層４を覆うようにレジスト膜８２を形成する。そして、レジスト膜８２をマスクとして、異方性エッチングによりコレクタ層３およびサブコレクタ層２をパターニングする。その後、レジスト膜８２を除去することにより、図１１に示すホットエレクトロントランジスタ３００が形成される。
【００５８】
第３実施形態では、上記のように、コレクタバリア層４とエミッタバリア層６とを同一の材料に形成する際、エミッタバリア層６をアナターゼ相からなる結晶構造を有するベース側エミッタバリア層６１と、ルチル相からなる結晶構造を有するエミッタ側エミッタバリア層６２との２層構造に形成する。このように構成する場合でも、コレクタ層３側の仕事関数をエミッタ層７側に比べて小さくすることができる。つまり、コレクタバリア層４のベース層３側のエネルギー障壁の高さを、エミッタバリア層６のベース層５側（ベース側エミッタバリア層６１）のエネルギー障壁の高さよりも低くすることができる。
【００５９】
また、第３実施形態では、コレクタバリア層４、ベース層５、ベース側エミッタバリア層６１およびエミッタ側エミッタバリア層６２を、同一の金属材料（Ｔｉ）により形成することにより、これらの層を同一のチャンバ内により形成することができる。したがって、ホットエレクトロントランジスタ３００の製造工程を簡略化することができる。
【００６０】
なお、第３実施形態におけるその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００６１】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６２】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２およびコレクタ層３を、ＴｉＮにより形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、コレクタ側ベース層、エミッタ側ベース層およびコレクタ層を、ＴａＮなどのその他の金属窒化物により形成してもよい。
【００６３】
また、上記第１および第２実施形態では、エミッタ側ベース層５２およびコレクタ側ベース層５１により構成されたベース層５を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、コレクタ側の窒素原子濃度がエミッタ側の窒素原子濃度よりも高くなるように構成された１つのベース層を形成してもよい。
【００６４】
また、上記第１および第２実施形態では、スパッタ法を用いて、サブコレクタ層２、コレクタバリア層４およびエミッタバリア層６を形成するとともに、反応性スパッタ法を用いて、コレクタ層３、コレクタ側ベース層５１およびエミッタ側ベース層５２を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ＣＶＤ法を用いて、サブコレクタ層、コレクタバリア層、エミッタバリア層、コレクタ層、コレクタ側ベース層およびエミッタ側ベース層を形成してもよい。
【００６５】
また、上記第１および第２実施形態では、同一のチャンバ内において、サブコレクタ層２、コレクタ層３、コレクタバリア層４、コレクタ側ベース層５１、エミッタ側ベース層５２、エミッタバリア層６およびエミッタ層７を連続的に形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、複数の異なるチャンバ内において、各層を順次形成してもよい。
【００６６】
また、上記第１〜第３実施形態では、コレクタバリア層４およびエミッタバリア層６をＴｉＯ２により形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、コレクタバリア層およびエミッタバリア層をＴａＯ２などのその他の金属酸化物により形成してもよい。
【００６７】
また、上記第１〜第３実施形態では、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンからなるエミッタ層７を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ＴｉＮなどのその他の金属窒化物からなるエミッタ層を形成してもよい。なお、この場合、エミッタ層の仕事関数をエミッタバリア層の電子親和力と実質的に同じになるように調整する方が好ましく、Ｎの組成比を高くするとＴｉＮなどの仕事関数は小さく（浅く）なる傾向がある。
【００６８】
また、上記第１〜第３実施形態では、ベース層５の厚みを、電子の平均自由行程よりも小さくする例を示したが、本発明はこれに限らず、ベース層においてバリスティック伝導可能な電子が所定数以上あり、エミッタ層から出てコレクタ層に到達しない電子が約数分の一から百分の一以下であれば、ベース層の厚みを、電子の平均自由行程よりも大きくしてもよい。
【００６９】
また、上記第１〜第３実施形態では、エミッタ層のエミッタバリア層界面を、高不純物濃度を有するｎ型ポリシリコンにより形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、エミッタ層のエミッタバリア層界面を、仕事関数がシリコンの伝導帯の底と一致するような合金またはシリサイドにより形成してもよい。また、エミッタ層のエミッタバリア層界面を、ＳｉＣなど電子親和力がＳｉよりも小さい半導体により形成してもよい。この場合、エミッタバリア層としてＴｉＯ２よりも比誘電率が小さい酸化物を用いても酸化物が電子に対するポテンシャル障壁となりにくく電流を流しやすい。
【００７０】
また、上記第２実施形態では、コンタクトホール１０７ａ、１０７ｂ、１１０ａ、１１０ｂおよび１１３ａ〜１１３ｅ内にプラグ１０８ａ、１０８ｂ、１１１ａ、１１１ｂおよび１１４ａ〜１１４ｅを埋め込む例を示したが、本発明はこれに限らず、コンタクトホールの内周面に、電気伝導度が高く、かつ、プラグが層間絶縁膜に拡散するのを抑制することが可能な、Ｔｉなどからなるバリアメタル層を形成するとともに、バリアメタル層を介してコンタクトホール内にプラグを形成してもよい。
【００７１】
また、上記第２実施形態では、第１実施形態において示したホットエレクトロントランジスタを含む半導体装置を示したが、本発明はこれに限らず、第３実施形態において示したホットエレクトロントランジスタを、第２実施形態における半導体装置に適用することも可能である。
【００７２】
また、上記第３実施形態では、ベース側エミッタ層、エミッタ側エミッタ層およびコレクタ層をＴｉＮにより形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、コレクタ側ベース層、エミッタ側ベース層およびコレクタ層を、ＴａＮなどのその他の金属窒化物により形成してもよい。
【００７３】
また、上記第３実施形態では、エミッタバリア層を、ルチル相からなるエミッタ側エミッタバリア層と、アナターゼ相からなるベース側エミッタバリア層との２層構造により形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、エミッタバリア層を、エミッタ層側からベース層側に向かってルチル相からアナターゼ相に連続的に変化するように形成することによって、１層からなるように形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの構造を示した断面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの伝導帯のエネルギバンドを示した図である。
【図３】図１に示した第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの伝導帯のエネルギバンドを示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図９】本発明の第１実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による半導体装置の構造を示した断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの構造を示した断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１５】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１７】本発明の第３実施形態によるホットエレクトロントランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
２ サブコレクタ層（下地層）
３ コレクタ層
４ コレクタバリア層
５ ベース層
６ エミッタバリア層
７ エミッタ層
５１ コレクタ側ベース層（第１ベース層）
５２ エミッタ側ベース層（第２ベース層）
６１ ベース側エミッタバリア層
６２ エミッタ側エミッタバリア層
１００ ホットエレクトロントランジスタ
１０１ ｐ型シリコン基板（基板）
１０７、１１０ 層間絶縁膜
２００ 半導体装置
２５０ ｎチャネルトランジスタ（トランジスタ）
２５１ ｐチャネルトランジスタ（トランジスタ）
３００ ホットエレクトロントランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コレクタ層と、
ベース層と、
エミッタ層と、
前記コレクタ層と前記ベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、
前記ベース層と前記エミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを備え、
前記エミッタバリア層と前記エミッタ層との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、前記コレクタバリア層のエネルギー障壁の高さは前記エミッタバリア層のエネルギー障壁の高さよりも低いことを特徴とする、ホットエレクトロントランジスタ。
【請求項２】
前記ベース層は、金属窒化物からなることを特徴とする、請求項１に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項３】
前記ベース層は、窒素原子を含み、
前記ベース層は、前記コレクタ層側の窒素原子濃度が、前記エミッタ層側の窒素原子濃度よりも高くなるように構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項４】
前記ベース層は、第１ベース層と第２ベース層とを含み、
前記第１ベース層は、前記コレクタ層側に形成され、第１の窒素原子濃度を有し、
前記第２ベース層は、前記エミッタ層側に形成され、前記第１の窒素原子濃度よりも低い第２の窒素原子濃度を有することを特徴とする、請求項３に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項５】
前記コレクタバリア層および前記エミッタバリア層は、同じ金属酸化物からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項６】
前記エミッタ層の前記エミッタバリア層界面は、シリコンおよび金属窒化物のいずれか一方からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項７】
前記エミッタバリア層の前記エミッタ層との界面、および、前記エミッタバリア層の前記ベース層との界面は、互いに異なる高さのエネルギー障壁を有する材料により構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項８】
前記エミッタバリア層と前記コレクタバリア層とは、同じ材料からなるとともに、前記エミッタバリア層の前記エミッタ層との界面と、前記コレクタバリア層とは、同じ結晶構造を有することを特徴とする、請求項７に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項９】
前記エミッタバリア層の前記エミッタ層との界面と、前記エミッタバリア層の前記ベース層との界面とは、互いに異なる結晶構造を有することを特徴とする、請求項７または８に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項１０】
前記ベース層は、ＴｉＮからなり、前記エミッタバリア層と前記コレクタバリア層とは、ＴｉＯ２からなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項１１】
基板と、
前記基板に形成されたトランジスタと、
前記基板の表面上に、前記トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の表面上に形成されたホットエレクトロントランジスタとを備え、
前記ホットエレクトロントランジスタは、コレクタ層と、ベース層と、エミッタ層と、前記コレクタ層と前記ベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、前記ベース層と前記エミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを含み、
前記エミッタバリア層と前記エミッタ層との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、前記ベース層のフェルミエネルギーから見た前記ベース層および前記コレクタバリア層間の界面におけるエネルギー障壁の高さは、前記ベース層および前記エミッタバリア層間の界面におけるエネルギー障壁の高さよりも小さいことを特徴とする、半導体装置。
【請求項１】
コレクタ層と、
ベース層と、
エミッタ層と、
前記コレクタ層と前記ベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、
前記ベース層と前記エミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを備え、
前記エミッタバリア層と前記エミッタ層との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、前記コレクタバリア層のエネルギー障壁の高さは前記エミッタバリア層のエネルギー障壁の高さよりも低いことを特徴とする、ホットエレクトロントランジスタ。
【請求項２】
前記ベース層は、金属窒化物からなることを特徴とする、請求項１に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項３】
前記ベース層は、窒素原子を含み、
前記ベース層は、前記コレクタ層側の窒素原子濃度が、前記エミッタ層側の窒素原子濃度よりも高くなるように構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項４】
前記ベース層は、第１ベース層と第２ベース層とを含み、
前記第１ベース層は、前記コレクタ層側に形成され、第１の窒素原子濃度を有し、
前記第２ベース層は、前記エミッタ層側に形成され、前記第１の窒素原子濃度よりも低い第２の窒素原子濃度を有することを特徴とする、請求項３に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項５】
前記コレクタバリア層および前記エミッタバリア層は、同じ金属酸化物からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項６】
前記エミッタ層の前記エミッタバリア層界面は、シリコンおよび金属窒化物のいずれか一方からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項７】
前記エミッタバリア層の前記エミッタ層との界面、および、前記エミッタバリア層の前記ベース層との界面は、互いに異なる高さのエネルギー障壁を有する材料により構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項８】
前記エミッタバリア層と前記コレクタバリア層とは、同じ材料からなるとともに、前記エミッタバリア層の前記エミッタ層との界面と、前記コレクタバリア層とは、同じ結晶構造を有することを特徴とする、請求項７に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項９】
前記エミッタバリア層の前記エミッタ層との界面と、前記エミッタバリア層の前記ベース層との界面とは、互いに異なる結晶構造を有することを特徴とする、請求項７または８に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項１０】
前記ベース層は、ＴｉＮからなり、前記エミッタバリア層と前記コレクタバリア層とは、ＴｉＯ２からなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のホットエレクトロントランジスタ。
【請求項１１】
基板と、
前記基板に形成されたトランジスタと、
前記基板の表面上に、前記トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の表面上に形成されたホットエレクトロントランジスタとを備え、
前記ホットエレクトロントランジスタは、コレクタ層と、ベース層と、エミッタ層と、前記コレクタ層と前記ベース層との間に形成されたコレクタバリア層と、前記ベース層と前記エミッタ層との間に形成されたエミッタバリア層とを含み、
前記エミッタバリア層と前記エミッタ層との間のエネルギー障壁は実質的に存在しないとともに、前記ベース層のフェルミエネルギーから見た前記ベース層および前記コレクタバリア層間の界面におけるエネルギー障壁の高さは、前記ベース層および前記エミッタバリア層間の界面におけるエネルギー障壁の高さよりも小さいことを特徴とする、半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−２１１１８０（Ｐ２００８−２１１１８０Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３４１２１４（Ｐ２００７−３４１２１４）
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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