DD290297A5

DD290297A5 - METHOD OF MANUFACTURING BIPOLAR TRANSISTORS OF DEFINITIVE POWER AMPLIFICATION WITH DOSE CORRECTION OF ACTIVE SEMICONDUCTOR AREAS

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}The invention relates to a manufacturing method of bipolar transistors defined Stromverstaerkung with dose correction of the active semiconductor regions and thus serves to reduce the development effort of bipolar transistors containing electronic circuits by an experimental-empirical approach to the required Stromverstaerkung the bipolar transistors realizing dose of doping of the base and emitter of the transistor excluded becomes. This is achieved by the determination of a surface-specific current density of the emitter iF and a circumference specific current density of the emitter iR and the associated determination of the corresponding components of Stromverstaerkung B where the to be realized dose of the emitter or base doping the expression B BF QB QB uncorr. QE uncorr. QE 1, follows. {Bipolar Transistors; emitter; Base; Doping dose; active semiconductor regions; Stromverstaerkung; surface-specific component of the current amplification; volume-specific component of power amplification; corrected doping dose}

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.empirical approximation must always be made depending on the size of the transistor, its required current gain and its manufacturing technology, if for a given bipolar transistor a suitable, the setpoint of the current gain realized dose of doping not yet for all three, the correction of the doping dose for the realization conditions influencing a defined current amplification, namely the size of the transistor whose required current amplification and its production technology were consistently determined empirically. This implies that, in the event of a mismatch of one of the three conditions for a particular bipolar transistor contained in an integrated circuit, the dose of the doping doping which ultimately achieves the desired value of the current gain will always have to be empirically approximated. For the creation of integrated circuits containing bipolar transistors, this usually requires a number of complex test field preparations.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is to provide a method of manufacturing bipolar transistors of defined current amplification with dose correction of the active semiconductor regions, which have a defined current amplification, which precludes the need for an experimental-empirical approximation of the dose of doping of the base and emitter of the bipolar transistor which implements the required current amplification of the bipolar transistors.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention is based on the object to provide a manufacturing method of bipolar transistors defined current amplification with dose correction of the active semiconductor regions, which allows conclusions about the dose of the doping of the required current gain of a bipolar transistor regardless of matching presence of the correction of the doping dose affecting conditions.

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 StromdichteThis object is achieved by the method of manufacturing bipolar transistors defined current amplification with dose correction of the active semiconductor regions according to the invention, that of the circumference U _G and Fe surface of a series, a systematic size variation subjected test transistors, and whose, with locked collector-base diode and kept constant Flux voltage at the emitter-base diode, measured currents as referred to the emitter areas current density

gegen das Umfangs-Flächenverhältnis (——\ ausgewertet und aus der gewonnenen Abhängigkeit für die Bedingung l—r-\ = 0against the peripheral area ratio ( - \ evaluated and from the obtained dependence for the condition l-r- \ = 0

\ F_E / \ F_E /\ F _E / \ F _E /

eine Flächenstromdichte des Emitters i_F und eine umfangsspezifische Randstromdichte des Emitters i_R ermittelt wird, wobeia surface current density of the emitter i _F and a peripheral edge current density of the emitter i _{R is} determined, wherein

~ ·= /RB /——\ ι aus denen sich zwei Komponenten der Stromverstärkung B, die für die Emitterfläche B_F und die für den 'F V h I ~ · = / RB / - - \ ι from which are two components of the current gain B, for the emitter surface B _F and for the 'FV h I

Emitterrand Br ableiten, und die Summe ihrer reziproken Werte die reziproke Gleichstromverstärkung des Bipolartransistors ergibt und damitEmitter edge Br, and the sum of their reciprocal values gives the reciprocal DC gain of the bipolar transistor and thus

Qb Q_Eu Qb Q _Eu

inkoir.inkoir.

Qeunkorr.Qeunkorr.

Mir)Me)

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.and that the dose Qb or Q _E suffices for this expression in which the base B or the emitter E picks up: .times.a surface element of the semiconductor material is introduced.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment.

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 vonFor this purpose, a square transistor structure, for example, the emitter surface L ² = 400pm χ 400 pm is progressively divided so that emitter squares of systematic size variation and thus the length L _E = 100, according to the manufacturing process of the bipolar transistor defined current amplification; 50; 25; 17; 10; 6.6; 5 pm are formed. The case of

U_E Ue 4U _E Ue 4

0,01-0,8 zunehmende Umfang/Flächenverhältnis-r— des Emitters folgt dem Zusammenhang = .0.01-0.8 increasing circumference / area ratio of the emitter follows the relation.

Ff F_E L_e 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 daßThis square, planar test structure is formed as a vertical bipolar transistor and is varied by stepwise division of the emitter in the length / area ratio of the emitter, without causing a significant decrease in the measurable residual and base currents due to a reduction in area. The test structures are evaluated by measuring the base-emitter reverse currents at a given base-emitter blocking voltage and the base I _B and emitter currents Ie at a constant emitter-base forward voltage and held almost constant collector-base voltage. In a further evaluation, the measured currents are normalized to the emitter surface and the values obtained are related to the area-area ratio of the emitters, so that

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 funktionalenFrom this dependence, two components of the current density, a surface-specific current density, ir = A, and a circumference specific current density, Ir = C, can be derived. The ratio of the two current densities - ~ = / rs shows a functional

Zusammenhang. Dieser wird als Randerhöhungsfaktor /rb definiert.Context. This is defined as edge enhancement factor / rb.

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 StromverstärkungsdefinitionBoth quantities, Ir and ir, describe the influence of the manufacturing process and material properties on the emitter diode quality and allow a targeted influence on insufficient volume and edge area device construction and allow the separation of majority and minority components in the emitter diode flux if both the base -I _B and the collector currents Ic are measured. By this procedure, the determination of a specific surface power amplifying component Bf and an edge reinforcing component is specific current B _n, taking into account the general current gain Definition

und der Zusammensetzbarkeit der gemessenen Stromverstärkung B_mSß aus den genannten Stromverstärkungskomporienten Bf und Br, gemäßand the composability of the measured current gain B _mS β from said current amplification components Bf and Br, according to

— = — + —, möglich.- = - + -, possible.

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 sichIf, for example, in the plateau region of the static current amplification of the test structures the base and collector currents are measured at Übe = 62OmV and U <£ - 5V, then, for example, a surface-related current density i _FB = 0.65A and i _FC = 0.1mA and thus an edge enhancement factor Jns = 2.2 and / nc = 0. Taking these values into account

ifc eine flächenspezifische Stromverstärkungskomponente Bf = -— = 154 und eine randspezifischpifc a surface-specific current gain component Bf = - = 154 and a margin-specificp

>FB> FB

Stromverstärkungskomponente B_R = ^7 = = 186Current gain component 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 Zusammenhangwith square emitter of the edge length Le = 10μιη. On a transistor with an emitter area Fe = 10μ = lOpmm, however, a current gain B _m , _a = 86, according to the conditions set out, although a value of approximately B = 150 was sought. In the uncorrected case, this target value corresponds only to the B _f component. Out of context

'mid °f \ ΓΕ /'mid° F \ ΓΕ /

B Q₀ BQ ₀

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

n.n.

folgt Q_B = follows Q _B =

1 + /rb/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.as a corrected doping dose in the production of a transistor defined current gain by a defined reduction of the doping dose QBun <orr. in the active base region of the transistor, taking into account the resulting edge enhancement factor and the selected perimeter area ratio of the emitter, and for the above example, ensures a value of the current gain B _m , ₀ approximately 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.Furthermore, it is possible to realize transistors of different sizes with the same current gain and different current gain at the same size by location-specific application of the Dosiscorroktur in the area of a circuit in a defined manner.

Claims

Method for producing bipolar transistor-defined current amplification with dose correction of the active semiconductor regions, by introducing a correspondingly corrected in terms of the required current gain dose of the component in the device components receiving surface element of a semiconductor material disc, characterized in that the ratio of the circumference Ue and Fe surface of a series of systematic size variation subjected to test transistors , and whose, with the collector-base diode and flux voltage kept constant at the emitter-base diode in the plateau region of the current amplification, measured currents as the emitter area-related current densities against the peripheral area ratio (- = - J evaluated and dasaus of The dependence on the condition (-fM = O) of the emitter i _F and a circumference-specific edge current density of the emitter si _{R is} determined, where - £ · = J _RB (-pM · ^of which two comp Onenten the current gain B, which for the emitter surface B _F and those for the emitter edge B _R derived, wherein

B Q

B * ~ * Eunkorr.

QBunkorr. Qe Γ,, _f / U

L ^{1 +} M

and that the dose Q ₈ or Q _{E suffices} that expression into which the surface or emitter receiving area element is introduced.

Field of application of the invention

The invention relates to a method of manufacturing bipolar transistors of defined current amplification with dose correction of the active semiconductor regions and thus serves to reduce the development costs of integrated bipolar transistors integrated electronic circuits, in particular the realization of small-area transistors in integrated electronic circuits.

Characteristic of the known technical solutions

The design of the vertical layer structure and the layer nature of bipolar transistors depends on the electrical parameters of the transistors to be realized. For example, for the purpose of process engineering, the most characteristic electrical characteristic of the transistor, the current gain, emitter and base, must be doped in an appropriate ratio and the geometric dimensions of the emitter and base layer vertical structure must be designed accordingly. In the course of the production of such transistors doping materials are led to a semiconductor material according to the current gain to be realized by the transistor, which lead to the realization of the component components of the transistors in the component-active region of a semiconductor material disc. The dose of the doping materials in the surface elements of the semiconductor particle material disk receiving the component components determines the size of the current amplification of the transistors to be produced. According to this size, the dose of the emitter and base doping of the transistor regions is calculated. For this, the layer concentration ratio of emitter-base acceptors and donors is utilized to realize the ratio of electron and hole currents for the emitter-base diode operated in the flux direction and by assuming average mobilities for the minority carriers of the respective electrically active ones Region corrected. However, the doping of emitter and base of the transistor, calculated on this basis, yields increasingly diverging results as the scaling of the transistors from the target value of the current gain of the transistor increases. The current gains calculated on this basis are significantly greater than the final gain values of the final product. An approximation between the calculated value of the current gain, the target value, and the actual value obtained in the end is to be achieved by taking into account further theoretical phenomena, marginal gapping and auger recombination, which occur only in highly doped regions, such as the track area of Jes Emitter. Nevertheless, deviations remain, which stand out especially with small-area transistors and make a lengthy experimental adjustment to the real conditions of the current gain necessary. To remedy these difficulties, appropriate elements are introduced in corresponding calculation programs for the dose of emitter and base doping, which are intended to produce a match between the desired value and actual value of the current amplification by determining numerical values for fitting parameters. However, it is found that with an increasing scaling of the emitter and base area, the production of a match between the nominal value and the actual value of the current amplification by the realization of the approximately calculated dose of the doping is increasingly less given. A correspondence between the nominal value and the actual value of the current amplification can only be achieved via a series of transistor preparations on test fields with an experimental empirical approximation of the dose of doping to the desired value of the current amplification to be realized. These