DE10005405A1 - Schichtstapel für pnp-Heterobipolar-Transistor - Google Patents
Schichtstapel für pnp-Heterobipolar-TransistorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Schichtstapel für einen Si-basierenden pnp-Heterobipolar-Transistor für den Einsatz in schnellen integrierten Schaltkreisen. Es soll ein Schichtstapel vorgeschlagen werden, bei dem es nicht zur Bildung von Barrieren für die Löcherbewegung im Valenzband kommt und der höhere Transitfrequenzen für pnp-Transistoren ermöglicht. Erfindungsgemäß ist eine p-leitend dotierte Kollektorschicht aus Silizium von einer p-leitend dotierten Emitterschicht aus Silizium durch eine n-leitende Basisschicht aus einem modifizierten Silizium getrennt. Die n-leitende Si-Schicht wird durch die Zugabe von Fremdatomen derartig verändert, daß sie eine kleinere Bandlücke als Silizium aufweist. Der Offset im Bandkantenverlauf liegt im wesentlichen im Leitungsband. Die Basisschicht aus Silizium wird neben einer n-leitenden Dotierung durch den zusätzlichen Einbau von Kohlenstoff-Atomen modifiziert.
Description
Die Erfindung betrifft einen Schichtstapel für einen Si-basierenden pnp-Heterobipolar-
Transistor für den Einsatz in schnellen integrierten Schaltkreisen.
Neben der Verwendung von Galliumarsenid zur Herstellung von Höchstfrequenztransistoren
finden auch Silizium-basierende Bipolartransistoren infolge der geringeren Herstellungsko
sten zunehmend Anwendung in den Höchstfrequenzbereichen.
Solche Transistoren bestehen meist aus einem n-leitenden Kollektor, einer p-leitenden Basis
und einem n-leitenden Emitter (npn-Transistoren). Bekannt geworden sind auch Versuche mit
npn-Transistoren, bei denen durch die Verwendung einer heteroepitaktisch aufgetragenen
Basisschicht, bestehend aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht, deutliche Vorteile be
züglich der Hochfrequenzeigenschaften erreicht wurden. Begründet ist dieser Erfolg im we
sentlichen darin, daß die Silizium-Germanium-Mischschicht eine kleinere Bandlücke als rei
nes Silizium besitzt. Dadurch wird die Barriere für die Elektronenbewegung durch die Basis
verringert. Bestimmte Schaltungsanwendungen erfordern jedoch eine Umkehr der Dotierun
gen, d. h. einen pnp-Transistor mit einer p-leitenden Emitterschicht, einer n-leitenden Basis
schicht und einer p-leitenden Kollektorschicht.
In dem Bestreben, die für npn-Transistoren so vorteilhafte Silizium-Germanium-Mischschicht
auch für pnp-Transistoren einzusetzen, wurden auch gewisse Verbesserungen erzielt, bei
spielsweise eine zweifache Verbesserung der Transitfrequenz. Erreicht wurde diese Verbesse
rung durch die Verwendung eines schmalen Basisprofils in dem Schichtaufbau und durch ein
retrogrades Ge-Profil über die Basis hinaus in die Basis-Kollektor-Übergangsschicht.
Numerische Simulationen zeigten jedoch, daß die maximal erreichbare Transitfrequenz sehr
empfindlich auf die Position des retrograden Ge-Profils in Bezug auf das Basis-Kollektor-
Dotierungsprofil reagiert. Ein solches Verhalten birgt erhebliche Gefahren für die Stabilität in
einer Fertigung. Darüber hinaus wurde aber auch erkannt, daß aufgrund der unterschiedlichen
Bandstrukturen neben der vorteilhaften kleineren Bandlücke ebenfalls zusätzliche, störende
Barrieren für die Bewegung der Löcher im Valenzband auftreten. Da aber im Falle des
pnp-Transistors die Beweglichkeit der Löcher bestimmend für die Transistorgeschwindigkeit
ist, beschränken diese Barrieren das Hochfrequenzverhalten dieser SiGe-basierenden
pnp-Heterobipolar-Transistoren, so daß trotz der erzielten Verbesserungen das Resultat unbe
friedigend ist (siehe Tech. Dig. IEDM 1990, p. 33).
Aufgabe der Erfindung ist es, die erkannten Beschränkungen zu überwinden und unter Aus
nutzung der geringeren Herstellungskosten für Si-basierende pnp-Heterobipolar-Transistoren
einen Schichtstapel vorzuschlagen, bei dem es nicht zur möglichen Bildung von Barrieren für
die Löcherbewegung im Valenzband kommt und der somit prinzipiell höhere Transitfrequen
zen für pnp-Transistoren ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine p-leitend dotierte Kollektor
schicht aus Silizium von einer p-leitend dotierten Emitterschicht aus Silizium durch eine
n-leitende Basisschicht aus einem modifizierten Silizium getrennt ist. Diese n-leitende
Si-Schicht wird durch die Zugabe von Fremdatomen derartig verändert, daß sie eine kleinere
Bandlücke als Silizium aufweist. Im Unterschied zu den bekannten SiGe-Schichten soll je
doch der Offset im Bandkantenverlauf im wesentlichen im Leitungsband liegen. Dazu wird
die Basisschicht aus Silizium neben einer n-leitenden Dotierung durch den zusätzlichen Ein
bau von Kohlenstoff-Atomen modifiziert. Die Konzentration der in das Si-Gitter eingebauten
Kohlenstoff-Atome liegt im Bereich von 0,1 bis 5 Atomprozent.
Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung
und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu meh
reren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier
Schutz beansprucht wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der zugehörigen
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schichtstapels für einen
pnp-Heterobipolar-Transistor und
Fig. 2 Diagramm des Leitungs- und Valenzbandes für den in Fig. 1 gezeigten Schichstapel
im Vergleich zu den bekannten [a)] p-Si/n-Si/p-Si-Stapeln (gezeigt im spannungslo
sen Zustand)
In Fig. 1 zeigt der schematische Aufbau eines Schichtstapels für einen pnp-Heterobipolar-
Transistor, bestehend aus einer p-leitend dotierten Kollektorschicht 1 aus Silizium und einer
ebenfalls p-leitend dotierten Emitterschicht 2 aus Silizium. Beide Schichten sind voneinander
durch eine n-leitend dotierte Basisschicht 3 aus Silizium getrennt. Das Silizium der Basis
schicht 3 ist zusätzlich durch in das Gitter eingebaute Kohlenstoff-Atome verspannt. Der
Aufbau des Schichtstapels wird deshalb als schematisch bezeichnet, weil einerseits die realen
Größenverhältnisse hier unberücksichtigt bleiben und anderseits sowohl die Lage des Schicht
stapels zwischen waagerecht und senkrecht variieren kann als auch die Positionen von Emitter
und Kollektor verändert sein können. Die letztendlich wahre Lage des Stapels und die Rei
henfolge seiner Schichten sind unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Lehre durch
den konkreten Transistoraufbau und das gewählte Herstellungsverfahren bestimmt. Die Her
stellung des Schichtstapels folgt zunächst scheinbar in seinen Grundzügen den bekannten
Verfahren des Standes der Technik, deren Ausführung aber durch die erfindungsgemäße Leh
re eine Veränderung erfährt. Auf der reinen Oberfläche des Siliziumsubstrates findet unter
Anwendung eines der bekannten Epitaxieverfahren, wie Gasphasen-Epitaxie oder Molekular
strahl-Epitaxie, eine einkristalline Abscheidung entsprechend dem gewünschten Transistor
profil statt. Als Kollektorschicht 1 und als Emitterschicht 2 wird p-leitend dotiertes Silizium
aufgetragen. Zwischen beiden wird eine n-leitend dotierte Basisschicht 3 aufgebaut. Als Do
tanden können sowohl Phosphor, Arsen oder Antimon Verwendung finden. Die Konzentrati
on der Dotanden im Basisgebiet liegt dabei zwischen 5 . 1018 cm-3 und 5 . 1020 cm-3. Dabei kön
nen die Dotanden sowohl während des epitaktischen Wachstums der Basisschicht 3 durch ein
Ko-Verdampfen als auch nach dem Aufbau der Schicht durch Ionenimplantation eingebracht
werden. Als Basismaterial findet heteroepitaktisch gewachsenes Silizium Verwendung, das
im Gegensatz zum Stand der Technik durch die Zugabe von Kohlenstoff-Atomen verspannt
ist. Hierbei entsteht nicht nur eine kleinere Bandlücke als bei reinem Silizium, sondern das
Bandlücken-Offset liegt, so wie für einen pnp-Transistor erwünscht, im wesentlichen im Lei
tungsband. Die Kohlenstoff-Konzentration in der Basisschicht 3 liegt dabei zwischen 0,1 und
5 Atomprozent. Ebenso wie bei den Dotanden ist es für die Funktion der erfindungsgemäßen
Lehre ohne Bedeutung, ob die Kohlenstoff-Atome während des epitaktischen Wachstums der
Basisschicht 3 oder nachträglich eingebracht werden.
Der Einbau der Kohlenstoffatome in die Basisschicht 3 verursacht eine Verringerung der
Bandlücke im Vergleich zu Silizium (Fig. 2). Wie in der Abbildung schematisch gezeigt, ver
ringert sich damit die Barriere für die Löcherbewegung durch den Transistor. Das führt zu
einer Erhöhung der Transitfrequenz. Da im Fall eines undotierten Si/Si1-yCy/Si-Schichstapels
die Verringerung der Bandlücke im wesentlichen durch einen Offset im Leitungsband hervor
gerufen wird, entstehen auch bei Anlegung einer Arbeitsspannung an den erfindungsmäßig
vorgeschlagenen pnp-Transistor mit der Schichtfolge p-Si/n-Si1-yCy/p-Si keine parasitären
Barrieren im Valenzband.
In der vorliegenden Erfindung wurde anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels ein
Schichtstapel für einen pnp-Heterobipolar-Transistor sowie die Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Bauelementes erläutert. Es sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung
nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung in dem Ausführungsbeispiel beschränkt ist, da
im Rahmen der Patentansprüche auch Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.
Claims (3)
1. Schichtstapel für einen Si-basierenden pnp-Heterobipolar-Transistor, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine p-leitend dotierte Kollektorschicht (1) aus Silizium von einer p-
leitend dotierten Emitterschicht (2) aus Silizium durch eine n-leitende Basisschicht (3)
aus einem durch den Einbau von Fremdatomen derart modifizierten Silizium getrennt
ist, daß dessen Bandlücke kleiner als die des Siliziums ist, wobei der wesentliche
Bandoffset zum Silizium sich im Leitungsband befindet.
2. Schichtstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (3)
neben einer n-leitenden Dotierung durch den Einbau von Kohlenstoff-Atomen in das
Siliziumgitter modifiziert ist.
3. Schichtstapel nach Ansprüch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration
der Kohlenstoff-Atome in der Basisschicht (3) im Bereich von 0,1 bis 5 Atomprozent
liegt.
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