電子デバイス／バイポーラトランジスタ

８．プレーナトランジスタ

　これまでの各項でｎｐｎ（またはｐｎｐ）トランジスタをｎ型とｐ型の半導体の板を重ねて貼り合わせたような図で示してきましたが、実際のバイポーラトランジスタはこのイメージとはかなり違った構造をもっています。

　実際のトランジスタの構造はその作り方で決まります。歴史的にみると、薄い半導体結晶層を作る、いわゆるエピタキシャル成長技術が使いこなせるようになるのはかなり後のことです。それ以前は、特定の領域をｎ型にしたり、ｐ型にしたりするのに不純物を熱拡散する技術が用いられました。

　バイポーラトランジスタの標準的な作り方になった熱拡散による方法は1959年にアメリカで発明されています。発明者はアメリカ、フェアチャイルド・カメラ社のホエルニ（J.A.Hoerni）という人です。アメリカ出願とその１年後の日本出願はともに登録になっています(1）。

　図８－１は上記特許の図面からとった完成したトランジスタの断面図です。32がｎ型基板（ウェハ）でこれがコレクタ層となります。この基板内に36のｐ型ベース層、39のｎ型エミッタ層が作られています。この構造は以下に説明するように基板の表面からマスクを通してｐ型不純物、ｎ型不純物を順に拡散して作ります。このためｐ層、ｎ層の境界は図のように丸みを帯びた形になります。44、46、47はエミッタ、ベース、コレクタにそれぞれ接触する電極で、電極を取り出すために、エミッタ、ベース、コレクタの各層は表面に露出していなければなりません。このため表面に露出する各層間を絶縁するためと半導体表面を保護するために酸化物層31が設けられています。

　特許には作り方に沿った図面も掲載されていますが少し見難いので図８－２を作りました。まず（ａ）のようにｎ型シリコン基板の表面にＳｉＯ_２膜を着けます。つぎに（ｂ）のようにこのＳｉＯ_２膜の必要箇所にフォトリソグラフィーにより所定の大きさの孔（開口）を開けます。

　ＳｉＯ_２膜は不純物元素を通さないので、これをマスクにしてｐ型不純物を拡散させます。具体的にはⅢ族元素（例えばホウ素）を含む材料を基板表面に付着させ加熱します。すると（ｃ）のようにマスクの開口部分のシリコン基板がｐ型になり、ｎｐｎトランジスタのベース層となります。図では不純物が拡散した領域を四角に描いていますが、実際には図８－１のように境界は丸い曲線になります。

　つぎにマスクの孔を狭め、（ｄ）のようにｐ型領域に被さるようにもう一度ＳｉＯ_２マスクを作ります。最初のマスクに重ねてＳｉＯ_２膜を着けるか、または最初のマスクを剥がしてからもう一度ＳｉＯ_２膜を着けます。そして今度はｎ型不純物（Ｖ族元素、例えばリン）を拡散させます。さきに作ったｐ型領域を突き抜けないようにコントロールして拡散を止めます。すると（ｅ）のようにｐ型領域のなかに島のようなｎ型領域ができ、これがエミッタ層となります。

　これで基板をコレクタとするｎｐｎ構造ができたことになります。つぎにさらにもう一度、表面にＳｉＯ_２膜を着け、（ｆ）のように３つの領域内の電極となる箇所に孔（開口）を設けます。この３ヶ所の開口を通してオーム接触となる金属を蒸着法などによって着け、エミッタ、ベース、コレクタの電極を作ると（ｇ）のようなトランジスタが完成します。

　ここで最後に電極用のマスクとしたＳｉＯ_２膜を取り除かずに残すことが重要です。シリコンなど半導体の表面は化学反応を起こしやすいので、空気中に露出させたままにしておくと、酸素や水蒸気などと反応して変化する場合があります。ＳｉＯ_２膜はこれを防ぐ保護膜としてはたらきます。また表面に何かが付着してエミッタとベース、ベースとコレクタがショートしてしまうのも防げます。

　このような構造のトランジスタは表面が平らなのでプレーナ（planar）型と呼ばれます。このタイプのトランジスタの特徴は１枚の基板の上に多数のトランジスタを同時に作れることです。つまり回路に合わせて必要なトランジスタの数と位置を決めれば、それにしたがってマスクに孔さえ開ければ、図８－２の手順一回だけで必要な場所に必要な数だけトランジスタが作れることになります。これは後の集積回路の作製にとって大変便利な特徴となりました。

　もう一つの特徴は接合が露出するのは基板の一表面だけだということです。接合部分はトランジスタの生命線で、この部分が変化したり壊れたりしやすくてはトランジスタの寿命が短くなってしまいます。プレーナ構造なら基板表面だけ保護膜で覆っておけば、長期間特性に変化が起こりにくく安定なトランジスタができるのです。

　なお、上記の構造は基板をコレクタとし、そこに直接ベース、エミッタ領域を作る例ですが、その後、基板上にエピタキシャル層を成長させてコレクタ層とし、ここに不純物を拡散してベース、エミッタ領域を作ったエピタキシャルプレーナ型という構造がよく使われるようになっています。これについては次項でも触れます。

（1)米国特許3025589号（特公昭38-14856号）