DD290297A5

DD290297A5 - Herstellungsverfahren von bipolartransistoren defineirter stromverstaerkung mit dosiskorrektur der aktiven halbleitergebiete

Info

Publication number: DD290297A5
Application number: DD31414288A
Authority: DD
Inventors: Paul Koy; Heinz Kuehne; Rainer Barth; Fritz-Guenter Kirscht; Hartmut Koenigsdoerfer; Christian Weber
Original assignee: Institut Fuer Halbleiterphysik Der Adw,De; Halbleiterwerk Frankfurt (O),De
Priority date: 1988-03-29
Filing date: 1988-03-29
Publication date: 1991-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren von Bipolartransistoren definierter Stromverstaerkung mit Dosiskorrektur der aktiven Halbleitergebiete und dient damit der Verringerung des Entwicklungsaufwandes von Bipolartransistoren enthaltenden elektronischen Schaltkreisen, indem eine experimentell-empirische Naeherung der die geforderte Stromverstaerkung der Bipolartransistoren realisierenden Dosis der Dotierung von Basis und Emitter des Transistors ausgeschlossen wird. Erreicht wird dies durch die Ermittlung einer flaechenspezifischen Stromdichte des Emitters iF und einer umfangsspezifischen Stromdichte des Emitters iR und der damit verbundenen Ermittlung der entsprechenden Komponenten der Stromverstaerkung B wobei die zu realisierende Dosis der Emitter- oder Basisdotierung dem AusdruckB BF QB QB unkorr. QE unkorr. QE 1 ,folgt.{Bipolartransistoren; Emitter; Basis; Dotierungsdosis; aktive Halbleitergebiete; Stromverstaerkung; flaechenspezifische Komponente der Stromverstaerkung; umfangsspezifische Komponente der Stromverstaerkung; korrigierte Dotierungsdosis}

Description

empirische Näherung muß in Abhängigkeit von der Größe des Transistors, dessen geforderter Stromverstärkung und dessen Herstellungstechnologie immer dann erfolgen, wenn für einen bestimmten Bipolartransistor eine geeignete, den Sollwert der Stromverstärkung realisierende Dosis der Dotierung noch nicht für alle drei, die Korrektur der Dotierungsdosis für die Realisierung einer definierten Stromverstärkung beeinflussende Bedingungen, nämlich die Größe des Transistors, dessen geforderte Stromverstärkung und dessen Herstellungstechnologie, übereinstimmend empirisch ermittelt wurde. Dies bedingt, daß bei einer Nichtübereinstimmung einer der drei Bedingungen für einen bestimmten, in einer integrierten Schaltung enthaltenen Bipolartransistor, die den Sollwert der Stromverstärkung letztlich exakt realisierende Dosis der Dotierung immer empirisch zu nähern ist. Für die Erstellung von integrierten Schaltungen, die Bipolartransistoren enthalten, sind dazu zumeist eine Reihe von aufwendigen Testfeldpräparationen erforderlich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Herstellungsverfahrens von Bipolartransistoren definierter Stromverstärkung mit Dosiskorrektur der aktiven Halbleitergebiete, die eine definierte Stromverstärkung aufweisen, das die Notwendigkeit einer experimentell-empirischen Näherung der die geforderte Stromverstärkung der Bipolartransistoren realisierenden Dosis der Dotierung von Basis und Emitter des Bipolartransistors ausschließt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren von Bipolartransistoren definierter Stromverstärkung mit Dosiskorrektur der aktiven Halbleitergebiete, zu schaffen, das Rückschlüsse auf die Dosis der Dotierung der geforderten Stromverstärkung eines Bipolartransistors unabhängig von übereinstimmenden Vorliegen der die Korrektur der Dotierungsdosis beeinflussenden Bedingungen erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch das Herstellungsverfahren von Bipolartransistoren definierter Stromverstärkung mit Dosiskorrektur der aktiven Halbleitergebiete erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das von Umfang U_G und Fläche Fe einer Reihe, einer systematischen Größenvariation unterzogener Testtransistoren, und deren, bei gesperrter Kollektor-Basis-Diode und konstant gehaltener Flußspannung an der Emitter-Basis-Diode, gemessener Ströme als auf die Emitterflächen bezogene Stromdichte

gegen das Umfangs-Flächenverhältnis (——\ ausgewertet und aus der gewonnenen Abhängigkeit für die Bedingung l—r-\ = 0

\ F_E / \ F_E /

eine Flächenstromdichte des Emitters i_F und eine umfangsspezifische Randstromdichte des Emitters i_R ermittelt wird, wobei

~ ·= /RB /——\ ι aus denen sich zwei Komponenten der Stromverstärkung B, die für die Emitterfläche B_F und die für den 'F V h I

Emitterrand Br ableiten, und die Summe ihrer reziproken Werte die reziproke Gleichstromverstärkung des Bipolartransistors ergibt und damit

Qb Q_Eu

inkoir.

Qeunkorr.

Mir)

und daß die Dosis Qb oder Q_E diesem Ausdruck genügend, in das die Basis B oder den Emitter E aufnehme: .de Flächenelement des Halbleitermaterials eingebracht wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung näher erläutert.

Dazu wird gemäß des Herstellungsverfahrens des Bipolartransistors definierter Stromverstärkung eine quadratische Transistorstruktur beispielsweise der Emitterfläche L² = 400pm χ 400 pm fortschreitend so geteilt, daß Emitterquadrate systematischer Größenvariation und damit der Länge L_E = 100; 50; 25; 17; 10; 6,6; 5 pm ausgebildet werden. Das dabei von

U_E Ue 4

0,01-0,8 zunehmende Umfang/Flächenverhältnis-r— des Emitters folgt dem Zusammenhang = .

Ff F_E L_e

Diese quadratische, planare Teststruktur, ist als vertikaler Bipolartransistor ausgebildet und wird durch schrittweise Mehrfachteilung des Emitters im Längen/Flächenverhältnis des Emitters variiert, ohne daß dabei infolge einer Flächenverkleinerung eine bedeutende Abnahme der meßbaren Rest- und Basisströme zu verzeichnen ist. Die Teststrukturen werden durch Messung der Basis-Emitter-Sperrströme bei vorgegebener Basis-Emitter-Sperrspannung und der Basis-I_B und Emitterströme Ie bei konstanter Emitter-Basis-Flußspannung und nahezu konstant gehaltener Kollektor-Basis-Spannung ausgewertet. In einer weitergehenden Auswertung werden die gemessenen Ströme auf die Emitterfläche normiert und die erhaltenen Werte zum Umfang-Flächenvernältnis der Emitter ins Verhältnis gesetzt, so daß

Aus dieser Abhängigkeit sind zwei Komponenten der Stromdichte, einer flächenspezifischen Stromdichte, ir = A, und einer umfangsspezifischen Stromdichte, Ir = C, ableitbar. Das Verhältnis der beiden Stromdichten -~ = /rs zeigt einen funktionalen

Zusammenhang. Dieser wird als Randerhöhungsfaktor /rb definiert.

Beide Größen, Ir und ir, beschreiben die Einflußnahme vom Herstellungsprozeß und Materialeigenschaften auf die Emitterdiodenqualität und erlauben eine gezielte Einflußnahme auf ungenügende Verhältnisse im Bauelementeaufbau für Volumen- und Randbereich und ermöglichen die Separierung von Majoritäts- und Minoritätsanteilen im Flußstrom der Emitterdiode, wenn sowohl die Basis-I_B als auch die Kollektorströme Ic gemessen werden. Durch diese Vorgehensweise ist die Ermittlung einer flächenspezifischen Stromverstärkungskomponente Bf und einer randspezifischen Stromverstärkungskomponente B_n unter Berücksichtigung der allgemeinen Stromverstärkungsdefinition

und der Zusammensetzbarkeit der gemessenen Stromverstärkung B_mSß aus den genannten Stromverstärkungskomporienten Bf und Br, gemäß

— = — + —, möglich.

Werden beispielsweise im Plateaubereich der statischen Stromverstärkung dar Teststrukturen die Basis- und Kollektorströme bei Übe = 62OmV und U<£ - 5V gemessen, so kann sich beispielsweise eine flächenbezogene Stromdichte i_FB = 0.65A und i_FC = 0,1mA und damit ein Randerhöhungsfaktor Jns = 2,2 und/nc = 0 ergeben. Unter Berücksichtigung dieserWerte ergibt sich

ifc eine flächenspezifische Stromverstärkungskomponente Bf = -— = 154 und eine randspezifischp

>FB

Stromverstärkungskomponente B_R = ^7 = = 186

bei quadratischem Emitter der Kantenlänge Le = 10μιη. An einem Transistor mit einer Emitterfläche Fe = 10μ = lOpmmißtman jedoch gemäß den dargelegten Bedingungen eine Stromverstärkung B_m,_a = 86, obwohl ein Wert von ca. B = 150 angestrebt wurde. Dieser Zielwert entspricht im unkorrigiertem Fall nur der B_f-Komponente. Aus dem Zusammenhang

'mid °f \ ΓΕ /

B Q₀

Bf Qb unkcr. 1 + Jrb/ Ue \I Fe /

n.

folgt Q_B =

1 + /rb/

als korrigierte Dotierungsdosis bei der Herstellung eines Transistors definierter Stromverstärkung durch eine definierte Verringerung der Dotierungsdosis QBun<orr. im aktiven Basisgebiet des Transistors unter Berücksichtigung des sich ergebenden Randerhöhungsfaktors und des gewählten Umfang-Flächen-Verhältnisses des Emitters und gewährleistet für das vorstehende Beispiel einen Wert der Stromverstärkung B_m,₀ ca. 150.

Weiterhin ist es möglich Transistoren unterschiedlicher Größe bei gleicher Stromverstärkung und unterschiedlicher Stromverstärkung bei gleicher Größe durch ortsbezogene Anwendung der Dosiskorroktur im Flächenbereich eines Schaltkreises in definierter Weise zu realisieren.

Claims

Herstellungsverfahren von Bipolartransistoren definierter Stromverstärkung mit Dosiskorrektur der aktiven Halbleitergebiete, durch Einbringen einer hinsichtlich der geforderten Stromverstärkung entsprechend korregierten Dosis der in das die Bauelementebestandteile aufnehmende Flächenelement einer Halbleitermaterialscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Umfang Ue und Fläche Fe einer Reihe einer systematischen Größenvariation unterzogener Testtransistoren, und deren, bei gesperrter Kollektor-Basis-Diode und konstant gehaltener Flußspannung an der Emitter-Basis-Diode im Plateaubereich der Stromverstärkung, gemessener Ströme als auf die Emitterflächen bezogene Stromdichten gegen das Umfangs-Flächenverhältnis ( -=£- J ausgewertet und dasaus der gewonnenenAbhängigkeitfürdie Bedingung (-fM = Oeine Flächenstromdichte des Emitters i_F und eine umfangsspezifische Randstromdichte des Emitte s i_R ermittelt wird, wobei -£· = J_RB (-pM · ^aus denen sich zwei Komponenten der Stromverstärkung B, die für die Emitterfläche B_F und die für den Emitterrand B_R ableiten, wobei

B Q

B *~*Eunkorr.

QBunkorr. Qe Γ , , _f / U

L^{1 +} M

und daß die Dosis Q₈ oder Q_E diesem Ausdruck genügend, in das die Basis oder den Emitter aufnehmende Flächenelement eingebracht wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren von Bipolartransistoren definierter Stromverstärkung mit Dosiskorrektur der aktiven Halbleitergebiete und dient damit der Verringerung des Entwicklungsaufwandes von Bipolartransistoren enthaltenden integrierten elektronischen Schaltungen, insbesondere der Realisierung von kleinflächigen Transistoren in integrierten elektronischen Schaltungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Gestaltung des vertikalen Schichtaufbaus und der Schichtbeschaffenheit von Bipolartransistoren ist abhängig von den zu realisierenden elektrischen Parametern der Transistoren. Beispielsweise muß für die gezielte verfahrenstechnische Realisierung der charakteristischsten elektrischen Kenngröße des Transistors, der Stromverstärkung, Emittgr und Basis in einem entsprechendenVerhältnis zueinander dotiert und die geometrischen Abmessungen des vertikalen Aufbaus von Emitter- und Basisschicht entsprechend gestaltet sein. Im Verlaufe der Herstellung derartiger Transistoren werden gemäß der durch den Transistor zu realisierenden Stromverstärkung Dotierungsmaterialien an ein Halbleitermaterial geführt, die zur Realisierung der Bauelementebestandteile der Transistoren im bauelementeaktiven Bereich einer Halbleitermaterialscheibe führen. Die Dosis der Dotierungsmaterialien in den die Bauelementebestandteile aufnehmenden Flächenelemente der Halbleiteimaterialscheibe ist dabei bestimmend für die Größe der Stromverstärkung der herzustellenden Transistoren. Entsprechend dieser Größe wird die Dosis der Emitter und Basisdotierung der Transistorgebiete berechnet. Dazu wird das Schichtkonzentrationsverhältnis von Akzeptoren und Donatoren im Emitter-Basis-Bereich zur Realisierung des Verhältnisses von Elektronen- und Löcherstrom für die in Flußrichtung betriebene Emitter-Basis-Diode in Anspruch genommen und durch die Annahme von mittleren Beweglichkeiten für die Minoritätsladungsträger des jeweiligen elektrisch aktiven Gebietes korregiert. Die auf dieser Grundlage berechnete DosL der Dotierung von Emitter und Basis des Transistors liefert jedoch mit zunehmender Scalierung der Transistoren vom Zielwert der Stromverstärkung des Transistors, zunehmend abweichende Ergebnisse. Die auf dieser Grundlage berechneten Stromverstärkungen sind wesentlich größer als die am fertigen Produkt letztlich erhaltenen Stromverstärkungswerte. Eine Annäherung zwischen dem berechneten Wert der Stromverstärkung, dem Sollwert, und dem letztlich erhaltenen Istwert, soll durch die Berücksichtigung weiterer theoretischer Phänomene, darn Randgapnarrowing und der Augerrekombination, die nur in hochdotierten Bereichen, wie beispielsweise dem Bahngebiet Jes Emitters auftreten, erreicht werden. Trotzdem bleiben Abweichungen vorhanden, die besonders bei kleinflächigen Transistoren hervortreten und eine langwierige experimentelle Anpassung an die Realverhältnisse der Stromverstärkung erforderlich machen. Zur Behebung dieser Schwierigkeiten werden in entsprechenden Berechnungsprogrammen für die Dosis von Emitter- und Basisdotierung entsprechende Glieder eingebracht, die durch die Ermittlung von Zahlenwerten für Fittungsparameter eine Übereinstimmung zwischen Soll- und Istwert der Stromverstärkung herstellen sollen. Jedoch zeigt sich, daß sich bei einer zunehmenden Scalierung der Emitter- und Basisfläche die Herstellung einer Übereinstimmung zwischen Sollwert und Istwert der Stromverstärkung durch die Realisierung der sich näherungsweise berechneten Dosis der Dotierung zunehmend weniger gegeben ist. Eine Übereinstimmung zwischen Sollwert und Istwert der Stromverstärkung ist dabei nur über eine Reihe von Transistorpräparationen auf Testfeldern bei experimentellempirischer Näherung der Dosis der Dotierung an den zu realisierenden Sollwert der Stromverstärkung zu erreichen. Diese