DE10125339A1

DE10125339A1 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10125339A1
Application number: DE10125339A
Authority: DE
Inventors: Koji Nakano
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2001-12-06
Also published as: US20020031893A1; JP2001338928A; TW495831B; JP3546169B2; US20020180003A1; US6423989B1; US6660623B2

Abstract

Die Halbleitervorrichtung umfasst ein n-Si-Substrat (1), eine auf dem n-Si-Substrat gebildeten n-Si-Film (2), einen auf dem n-Si-Film (2) gebildeten p-SiGe-Film (3, 13), einen auf dem p-SiGe-Film gebildeten p-Si-Film (4), einen auf dem p-Si-Film (4) gebildeten n-Si-Film (5), eine Basiselektrode (11), die durch Entfernen eines Teils des n-Si-Films (5) oder durch Ändern des Leitfähigkeitstyps eines Teils des n-Si-Films (5) zu einem p-Typ und Verbinden eines Metallendteils mit einem Teil (8) des p-Si-Films (4), der durch Entfernen des n-Si-Films (5) freigelegt wurde, oder einem Teil des n-Si-Films (5), dessen Leitfähigkeitstyp zu einem p-Typ verändert wurde, gebildet wurde, eine Emitterelektrode (12), die durch Verbinden eines Metallendteils mit dem n-Si-Film (5) gebildet wurde, und eine Kollektorelektrode (10), die durch Verbinden eines Metallendteils mit einer Rückseite des n-Si-Substrats gebildet wurde.

Description

Diese Anmeldung basiert auf der früheren japanischen Pa tentanmeldung Nr. 2000-156484, eingereicht am 26. Mai 2000, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, und nimmt deren Priorität in Anspruch.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrich tung, wie einen Transistor, und ein Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung, und insbesondere einen SiGe- Bipolartransistor mit einer hohen Stromverstärkung und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Ein Transistor des Leitfähigkeitstyps mit npn-Übergang mit einer hohen Stromverstärkung wird üblicherweise nach dem-fol genden Verfahren hergestellt. Zunächst werden, wie in Fig. 1A, 1B und 2 gezeigt, ein SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps 22 und ein Si-Film des n-Leitfähigkeitstyps 23 durch chemi sches Aufdampfen (Stufe S21) nacheinander auf einem Si- Substrat des n-Leitfähigkeitstyps 21 gestapelt. Danach werden von einer P-Ionenquelle 24 gelieferte Phosphor(P)-Ionen im plantiert. Die entstandene Struktur wird einer Hochtempera turglühbehandlung unterzogen, um die implantierten P-Ionen zu aktivieren. Infolgedessen wird eine stark phosphordotierte Schicht 25 erhalten (Stufe S22). Anschließend wird, wie in Fig. 1C-1E und 2 gezeigt, ein Teil der stark phosphordo tierten Schicht 25 und des Si-Films des n-Leitfähigkeitstyps 23 durch ein Fräsverfahren oder reaktives Ionenätzen ent fernt, um eine Basisoberfläche freizulegen (Stufe S23). Da nach wird die entstandene Struktur einer Tafelberg-Ätzstufe unterzogen, um einen Tafelberg-Ätzbereich 27 auszubilden (Stufe S24). Danach werden eine Kollektorelektrode 28, eine Basiselektrode 29 und eine Emitterelektrode 30 unabhängig voneinander mit entsprechenden Bereichen verbunden (Stufe S25).

Bei einem herkömmlichen SiGe-Transistor kommt es gerne zu De fekten in einem als die Basisschicht verwendeten SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps. Wegen der Defekte besteht die Ten denz, dass die Lebensdauer der Ladungsträger in dem SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps kürzer als die bei einem Si-Film ist. Infolgedessen wird die Schaltgeschwindigkeit des SiGe- Transistors schneller als die eines Si-Transistors. Deshalb kann der SiGe-Transistor als Hochgeschwindigkeitstransistor dienen. Der SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps ist jedoch aufgrund der kurzen Lebensdauer hinsichtlich der Beweglich keit schlecht. Aus diesem Grund neigt die Stromverstärkung des herkömmlichen SiGe-Transistors dazu, geringer als die des Si-Transistors zu sein.

Die vorliegende Erfindung wurde zur Bewältigung der genannten Probleme gemacht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung, wie eines SiGe- Bipolartransistors, die eine hohe Stromverstärkung aufweist, und die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung der selben.

Gegenstand eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung, umfassend:
ein Si-Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps;
einen auf dem Si-Substrat ausgebildeten ersten Si-Film eines ersten Leitfähigkeitstyps;
einen auf dem ersten Si-Film ausgebildeten SiGe-Film eines zweiten Leitfähigkeitstyps;
einen auf dem SiGe-Film ausgebildeten zweiten Si-Film des zweiten Leitfähigkeitstyps;
einen auf dem zweiten Si-Film ausgebildeten dritten Si-Film des ersten Leitfähigkeitstyps;
eine erste Elektrode, die durch Entfernen eines Teils des dritten Si-Films oder Ändern des Leitfähigkeitstyps des Teils des dritten Si-Films des ersten Leitfähigkeitstyps zum zwei ten Leitfähigkeitstyp und Verbinden eines Metallendteils mit einem Teil des zweiten Si-Films, der durch Entfernen des Teils des dritten Si-Films freigelegt wurde, oder mit einem Teil des dritten Si-Films, dessen Leitfähigkeitstyp geändert wurde, gebildet wurde;
eine zweite Elektrode, die durch Verbinden eines Metallend teils mit dem dritten Si-Film gebildet wurde; und
eine dritte Elektrode, die durch Verbinden eines Metallend teils mit einer Rückseite des Si-Substrats gebildet wurde.

In der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ist die Basis aus zwei Schichten gebildet: die eine ist ein SiGe-Film eines zweiten Leitfähigkeitstyps (p-Leitfähigkeitstyp), in der die Tendenz zu einer kurzen Lebensdauer der Ladungsträger und ei ner geringen Beweglichkeit derselben besteht, und die andere ist ein Si-Film eines zweiten Leitfähigkeitstyps (p-Leit fähigkeitstyp), in der die Lebensdauer der Ladungsträger lang und die Beweglichkeit derselben schnell ist. Aufgrund dessen kann die Stromverstärkung in starkem Ausmaß verbessert wer den. Ferner kann in der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der Dicke des SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps und des Si- Films des p-Leitfähigkeitstyps variiert werden. Es ist daher möglich, die Stromverstärkung in verschiedenem Ausmaß zu än dern. Es ist anzumerken, dass das Verhältnis der Dicke der beiden Filme nicht Null ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei einem Dickeverhältnis von Null die gesamte Basis schicht aus dem Si-Film des p-Leitfähigkeitstyps besteht. Dieser Fall ist nicht günstig, da sich die Schalteigenschaf ten verschlechtern.

Es ist anzumerken, dass der SiGe-Film und der zweite Si-Film, die die Basis bilden, vorzugsweise von gleicher Dicke sind. Die Gesamtdicke des SiGe-Films und des zweiten Si-Films, die die Basis bilden, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 200-400 nm. Der unterste Wert für die Gesamtdicke der Basis wird auf 200 nm festgesetzt. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei einer Gesamtdicke der Basis von weniger als 200 nm die Nennspannung des Transistors verschlechtert wird. Auf der anderen Seite wird der Höchstwert auf 400 nm festgesetzt. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei einer Gesamtdicke von über 400 nm die Stromverstärkung abnimmt.

Die Basis ist nicht auf die im vorhergehenden genannte Kombi nation von zwei Schichten, d. h. den SiGe-Film des p-Leit fähigkeitstyps und den Si-Film des p-Leitfähigkeitstyps, be schränkt. Die Basis kann durch Stapeln von drei oder mehr Schichten des p-Leitfähigkeitstyps ausgebildet werden. Bei spielsweise kann die Basis aus drei Schichten aus dem Si-Film des p-Leitfähigkeitstyps, dem SiGe-Film des p-Leitfähigkeits typs mit einer Ge-Konzentration von X% und dem SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps mit einer Ge-Konzentration von Y% gebil det werden. Alternativ kann die Basis eine Mehrschichtstruk tur, beispielsweise eine elflagige Struktur, sein.

Vorzugsweise wird ferner die Ge-Konzentration des SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps auf der Seite in der Nähe des Emit ters auf 0% eingestellt (d. h. ein Si-Film des p-Leitfähig keitstyps) und in Richtung der Seite in der Nähe des Kollek tors erhöht. Nebenbei gesagt, beträgt die Obergrenze der Ge- Konzentration des SiGe-Films des p-Typs günstigerweise 20 Atom-%. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei einer noch höheren Ge-Konzentration in dem SiGe-Film des p-Leitfähig keitstyps Fehlstellen ausgebildet werden. Die Fehlstellen verringern die Qualität des Films und verschlechtern daher die Transistoreigenschaften.

Gegenstand eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung durch:

a) Applizieren eines Gases eines ersten Ausgangsmaterials auf eine Oberfläche eines Si-Substrats des n-Leitfähig keitstyps, während das Substrat in einer Vakuumkammer erhitzt wird, zur Ausbildung eines ersten Si-Films des n-Leitfähigkeitstyps auf dem Substrat;
b) Applizieren eines Gases eines zweiten Ausgangsmaterials auf eine Oberfläche des ersten Si-Films des n-Leitfä higkeitstyps unter Erhitzen zur Ausbildung eines SiGe- Films des p-Leitfähigkeitstyps auf dem ersten Si-Film;
c) Applizieren eines Gases eines dritten Ausgangsmaterials auf eine Oberfläche des SiGe-Films des p-Leitfähig keitstyps unter Erhitzen zur Ausbildung eines zweiten Si-Films des p-Leitfähigkeitstyps auf dem SiGe-Film;
d) Applizieren eines Gases eines vierten Ausgangsmaterials auf eine Oberfläche des zweiten Si-Films unter Erhitzen zur Ausbildung eines dritten Si-Films des n-Leitfähig keitstyps auf dem zweiten Si-Film des p-Leitfähigkeits typs;
e) Implantieren einer hohen Konzentration von Phosphorionen in einen Oberflächenschichtbereich des dritten Si-Films des n-Leitfähigkeitstyps und Glühen des Oberflächen schichtbereichs zur Aktivierung der implantierten Phos phorionen;
f) Entfernen eines Teils des dritten Si-Films zu Gunsten des zweiten Si-Films bzw. bis zum zweiten Si-Film oder Ändern des Leitfähigkeitstyps von einem Teil des dritten Si-Films in einen anderen Leitfähigkeitstyp; und
g) Verbinden eines Metallendteils mit einem Teil des zwei ten Si-Films, der durch Entfernen des dritten Si-Films freigelegt wurde, oder mit dem Teil des dritten Si-Films eines anderen Leitfähigkeitstyps zur Ausbildung einer ersten Elektrode, Verbinden eines Metallendteils mit dem dritten Si-Film zur Ausbildung einer zweiten Elektrode und Anfügen eines Metallendteils auf der Rückseite des Si-Substrats des n-Leitfähigkeitstyps zur Ausbildung ei ner dritten Elektrode.

Wenn ein Leistungstransistor mit einer hohen Stromverstärkung als eine Halbleitervorrichtung gebildet wird, ist es günstig, ein Si-Substrat des n-Leitfähigkeitstyps mit einem niedrigen spezifischen Widerstand von 0,1 Ω.cm oder weniger zu verwen den. Als Filmbildungsmittel wird eine thermische CVD-Vor richtung, die chemisches Aufdampfen einsetzt, verwendet.

In Stufe (a) enthält das Gas des ersten Ausgangsmaterials Phosphin in einer Menge von 0,1 ppm oder weniger und der Rest ist Disilan Si₂H₆. Unter Verwendung des Gases des ersten Aus gangsmaterials wird günstigerweise ein P-dotierter Si-Film des n-Leitfähigkeitstyps einer Dicke von 20-50 µm, der P in einer Menge von 1 × 10¹⁵ Atome/cm³ enthält, gebildet.

In Stufe (b) enthält das Gas des zweiten Ausgangsmaterials 1-25 Atom-% German GeH₄, 1 bis 1 × 10³ ppm Bor, und der Rest ist Disilan Si₂H₆. Unter Verwendung des Gases des zwei ten Ausgangsmaterials wird günstigerweise ein B-dotierter SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps einer Dicke von 0-400 nm, der B in einer Menge von 1 × 10¹⁶-5 × 10¹⁷ Atome/cm³ enthält, gebildet.

In Stufe (c) enthält das Gas des dritten Ausgangsmaterials 1-1000 ppm Bor und der Rest ist Disilan Si₂H₆. Unter Ver wendung des Gases des dritten Ausgangsmaterials wird günsti gerweise ein B-dotierter Si-Film einer Dicke von 0-400 nm, der B in einer Menge von 1 × 10¹⁶-5 × 10¹⁷ Atome/cm³ ent hält, gebildet.

Vorzugsweise liegt die Gesamtdicke des in Stufe (b) gebilde ten B-dotierten SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps und des in Stufe (c) gebildeten B-dotierten Si-Films in einem Bereich von 200-400 nm.

In Stufe (d) enthält das Gas des vierten Ausgangsmaterials Phosphin in einer Menge von 1 × 10² bis 1 × 10⁴ ppm und der Rest ist Disilan Si₂H₆. Unter Verwendung des Gases des vier ten Ausgangsmaterials wird vorzugsweise ein P-dotierter Si- Film des n-Leitfähigkeitstyps einer Dicke von 100-600 nm, der P in einer Menge von 1-8 × 10¹⁶ Atome/cm³ enthält, ge bildet.

In Stufe (e) wird P in einer Menge von 1 × 10¹⁹ bis 1 × 10¹⁶ Atome/cm² mit einer Beschleunigungsenergie von 10-50 keV implantiert. Das Glühen wird vorzugsweise bei einer Tempera tur von 700-1000°C während 3-60 min durchgeführt.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind in der fol genden Beschreibung angegeben und teilweise aus der Beschrei bung offensichtlich oder bei der praktischen Durchführung der Erfindung erfahrbar. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mittels der im folgenden besonders herausgestellten Einrichtungen und Kombinationen realisiert und erhalten wer den.

Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung eingear beitet sind und einen Teil der Beschreibung darstellen, er läutern derzeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und sie dienen zusammen mit der im vorhergehenden gegebenen allgemeinen Beschreibung und der im folgenden gegebenen de taillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Prinzipien.

Fig. 1A-1E zeigen Querschnittsdarstellungen von Stapel strukturen in den Stufen der Herstellung einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung;

Fig. 2 ist ein Flussdiagramm, das ein herkömmliches Herstel lungsverfahren zeigt;

Fig. 3A-3E zeigen Querschnittsdarstellungen von Stapel strukturen in den Stufen der Herstellung einer Halbleitervor richtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 ist ein Profil der Verteilung der Ge-Konzentration in Richtung der Tiefe eines Transistors, der nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde;

Fig. 6 ist ein Profil der Verteilung der Ge-Konzentration in Richtung der Tiefe eines Transistors, der nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde;

Fig. 7 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen der Filmdicke eines SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps und der Stromverstärkung zeigt;

Fig. 8 ist eine Querschnittsdarstellung eines Transistors, der nach einem Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; und

Fig. 9 ist ein Profil der Verteilung der Ge-Konzentration in Richtung der Tiefe eines Transistors, der nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.

Im folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vor liegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnun gen erklärt.

Die Bedingungen der einzelnen Ausführungsformen sind wie in Tabelle 1 angegeben.

Die Basis der Ausführungsform 1 ist aus zwei Schichten, die aus einem SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps und einem Si- Film des p-Leitfähigkeitstyps bestehen, gebildet. Die zwei Schichten weisen die gleiche Dicke auf. Die Basis der Ausfüh rungsform 2 ist aus einem SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps und einem Si-Film des p-Leitfähigkeitstyps wie in Ausfüh rungsform 1 gebildet. Sie unterscheiden sich jedoch hinsicht lich der Dicke. Die Basis der Ausführungsform 3 ist aus elf Lagen von SiGe-Filmen des p-Leitfähigkeitstyps mit unter schiedlichem Ge-Gehalt gebildet.

Ausführungsform 1

Die Ausführungsform 1 wird unter Bezug auf Fig. 3A-3E, 4 und 5 erklärt. In dem SiGe-Transistor der Ausführungsform 1 wurde eine Basis aus zwei Schichten eines SiGe-Films des p- Leitfähigkeitstyps (Filmdicke: 150 nm) und eines Si-Films des p-Leitfähigkeitstyps (Filmdicke: 150 nm) gebildet.

Als Substrat wurde ein Si-Substrat des n⁺-Typs 1 einer Dicke von 500 µm mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ω.cm oder weniger verwendet. Auf dem Si-Substrat 1 wurde ein Si- Film des n^--Typs 2 epitaxial aufwachsen gelassen. Der Film 2 wies eine Dicke von 20 µm und einen spezifischen Widerstand von 20 Ω.cm auf.

Wie in Fig. 3A gezeigt, wurde auf dem n-Si-Film 2 ein Bor(B)- dotierter SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps 3 einer Dicke von 150 nm gebildet. Anschließend wurden auf dem Film 3 ein B-dotierter Si-Film des p-Leitfähigkeitstyps 4 einer Dicke von 150 nm und ein P-dotierter Si-Film des n-Leitfähig keitstyps 5 einer Dicke von 600 nm nacheinander ausgebildet (Stufe S1).

Als Ausgangsmaterialgas für den SiGe-Film des p-Leitfähig keitstyps 3 wurde ein Gasgemisch verwendet, das aus German (7,5 Atom-%), Diboran (100 ppm) bestand und wobei der Rest Disilan (4 × 10^-4 Torr) war. Als Ausgangsmaterialgas für den Si-Film des p-Leitfähigkeitstyps 4 wurde ein Gasgemisch ver wendet, das aus Diboran (100 ppm) bestand und wobei der Rest Disilan (4 × 10^-4 Torr) war. Die Zufuhr des Ausgangsmaterial gases für den SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps 3 wurde auf die des Ausgangsmaterialgases für den Si-Film des p-Leitfä higkeitstyps 4 umgeschaltet, indem die Zufuhr des Germangases beendet wurde.

Als Ausgangsmaterialgas für den Si-Film des n-Leitfähigkeits typs 5 wurde ein Gasgemisch verwendet, das aus Phosphin (300 ppm) und Disilan (4 × 10^-9 Torr) bestand. Die Mengen der Fremdatome, die in die Filme 3, 4, 5 dotiert wurden, betrugen 1 × 10¹⁷ Atome/cm³, 1 × 10¹⁷ Atome/cm³ bzw. 8 × 10¹⁸ Atome/cm³.

Fig. 5 ist ein Kennliniendiagramm, das die Verteilung der Ge- Konzentration für jeweils die Emitter-, Basis- und Kollektor schichten des in Ausführungsform 1 gebildeten Transistors zeigt. In Fig. 5 gibt die horizontale Achse die Tiefe (nm) ausgehend von der Oberfläche des Emitters und die vertikale Achse die Germaniumkonzentration (Ge-Konzentration, Atom-%) an. Wie in der Figur angegeben, betrug die Ge-Konzentration des SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps 3, der die Basis schicht mitbildet, etwa 5 Atom-%. Es ist anzumerken, dass die Temperaturen des Substrats 1 beim jeweiligen Stapeln der Schichten 3, 4 und 5 auf dem Substrat 1 780°C, 780°C bzw. 750°C betrugen.

Dann wurden P-Ionen von einer Phosphorionenimplantierungs quelle 6 in die oberste Fläche der auf diese Weise aufgebau ten Stapelstruktur, d. h. den Si-Film des n-Leitfähigkeitstyps 5, wie in Fig. 3B gezeigt, implantiert. Die entstandene Struktur wurde zur Aktivierung der implantierten Phosphorio nen einer Glühbehandlung unterzogen. Infolgedessen wurde eine stark phosphordotierte Schicht 7 gebildet (Stufe S2). Als ein Beispiel der Phosphorionenimplantierungsquelle 6 wurde eine Ionendotierungsvorrichtung, die ein Beschleunigungssystem für angeregte Elektronen verwendet, eingesetzt. Phosphorionen in einer Menge von 5 × 10¹⁵ Atome/cm² wurden bei einer Beschleu nigungsspannung von 30 keV und einer Temperatur von 700°C 30 min lang implantiert.

Ferner wurde der Si-Film des n-Leitfähigkeitstyps 5 ein schließlich der stark phosphordotierten Schicht 7 durch reak tives Ionenätzen bis zu einem Freiliegen des Si-Films des p- Leitfähigkeitstyps 4 selektiv geätzt. Die freigelegte Ober fläche des Si-Films des p-Leitfähigkeitstyps 4 wurde als Ba sisoberfläche 8 verwendet (Stufe S3). Anschließend wurde die entstandene Struktur einer Tafelberg-Ätzstufe unterzogen. In dieser Stufe wurde der periphere Bereich der Stapelstruktur selektiv zu einer Tafelbergform 9, wie in Fig. 3D gezeigt, geätzt (Stufe S4). Schließlich wurden, wie in Fig. 3E ge zeigt, eine Emitterelektrode 12, eine Basiselektrode 11 und eine Kollektorelektrode 10 individuell durch ein Metallabla gerungsverfahren ausgebildet. (Stufe S5).

Als Ergebnis wurde ein Leistungstransistor eines Quadrats von 5 mm × 5 mm erhalten. Die Stromverstärkung des Transistors wurde unter den Bedingungen V_CE = 2V, Ic = 20A gemessen und betrug 107.

In dem Transistor der Ausführungsform 1 ist die Basis aus zwei Schichten gebildet: die eine ist der SiGe-Film des p- Leitfähigkeitstyps 3, in der die Lebensdauer der Ladungsträ ger kurz ist und die Beweglichkeit derselben zu einem niedri gen Wert tendiert. Die andere ist der Si-Film des p-Leit fähigkeitstyps 4, in der die Lebensdauer der Ladungsträger lang ist und die Beweglichkeit derselben hoch ist. Der SiGe- Film des p-Leitfähigkeitstyps 3 ist auf der nahe dem Kollek tor gelegenen Seite plaziert. Der Si-Film des p-Leitfähig keitstyps 4 ist auf der nahe dem Emitter gelegenen Seite pla ziert. Mit dieser Struktur ist die Transfereffizienz der Elektronen vom Emitter zum Kollektor verbessert. Infolgedes sen ist die Stromverstärkung stark erhöht. Wenn im Gegensatz dazu der SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps auf der nahe dem Emitter gelegenen Seite plaziert und der Si-Film des p-Leit fähigkeitstyps auf der nahe dem Kollektor gelegenen Seite plaziert ist, verschwinden durch das Vorhandensein des SiGe- Films des p-Leitfähigkeitstyps die meisten Elektronen beim Eintritt in die Basis aus dem Emitter. Infolgedessen nimmt die Transfereffizienz von Elektronen, die den Kollektor er reichen, ab. Es ist daher unmöglich, eine Verbesserung der Stromverstärkung zu erwarten.

Ausführungsform 2

Die Ausführungsform 2 wird unter Bezug auf Fig. 3A-3E, 2, 5 und 6 erklärt.

In dem Transistor der Ausführungsform 2 war zwar die Gesamt dicke des SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps 3 und des Si- Films des p-Leitfähigkeitstyps 4 auf einen vorgegebenen Wert von 400 nm festgelegt, doch wurde die Dicke des SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps 3 unterschiedlich variiert. Ein Sub strat wurde durch epitaxiales Aufwachsen eines n-Si-Films 2 auf einem n⁺-Si-Substrat 1 gebildet. Das n⁺-Si-Substrat 1 be saß eine Dicke von 500 µm und einen geringen spezifischen Wi derstand von 0,01 Ω.cm oder weniger. Der n-Si-Film 2 besaß eine Dicke von 20 µm und einen hohen spezifischen Widerstand von 20 Ω.cm.

Wie in Fig. 3A gezeigt, wurden auf den n-Si-Film 2 ein B- dotierter SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps 3 einer Dicke von X nm, ein B-dotierter Si-Film des p-Leitfähigkeitstyps 4 einer Dicke von Y nm und ein P-dotierter Si-Film des n- Leitfähigkeitstyps 5 von 600 nm nacheinander in dieser Rei henfolge gestapelt (Stufe S1).

Fig. 6 ist ein Kennliniendiagramm, das die Verteilung der Ge- Konzentration für die einzelnen Emitter-, Basis- und Kollek torschichten des in Ausführungsform 2 gebildeten Transistors zeigt. In Fig. 6 gibt die horizontale Achse die Tiefe (nm) ausgehend von der Oberfläche des Emitters und die vertikale Achse die Germaniumkonzentration (Ge-Konzentration, Atom-%) an. Während die Gesamtdicke X + Y auf einen konstanten Wert von 400 nm (= X + Y) festgelegt war, wurde die Filmdicke X in dem Bereich 1-399 nm unterschiedlich verändert. Die Mengen der in den Filmen 3, 4 und 5 eindotierten Fremdatome betrugen 1 × 10¹⁷ Atome/cm³, 1 × 10¹⁷ Atome/cm³ bzw. 8 × 10¹⁸ Atome/cm³. Die Ge-Konzentration des SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps 3 wurde auf etwa 5 Atom-% eingestellt. Es ist anzumerken, dass die beim jeweiligen Stapeln der Schichten 3, 4 und 5 eingehaltenen Temperaturen des Substrats 1 780°C, 780°C bzw. 750°C betrugen.

Dann wurden, wie in Fig. 3B gezeigt, P-Ionen von einer Phos phorionenimplantierungsquelle 6 aus in die oberste Fläche der auf diese Weise aufgebauten Stapelstruktur, d. h. den Si-Film des n-Leitfähigkeitstyps 5, implantiert. Die entstandene Struktur wurde zur Aktivierung der implantierten Phosphor ionen einer Glühbehandlung unterzogen. Infolgedessen wurde eine stark phosphordotierte Schicht 7 gebildet (Stufe S2). Es wurden Phosphorionen mit 5 × 10¹⁵ Atomen/cm² bei einer Be schleunigungsspannung von 30 keV und bei einer Temperatur von 700°C 30 min lang implantiert.

Außerdem wurde, wie in Fig. 3C gezeigt, der Si-Film des n- Leitfähigkeitstyps 5 einschließlich der stark phosphordotier ten Schicht 7 durch reaktives Ionenätzen bis zum Freiliegen des Si-Films des p-Leitfähigkeitstyps 4 selektiv geätzt. Die freigelegte Oberfläche des Si-Films des p-Leitfähigkeitstyps 4 wurde als Basisoberfläche 8 verwendet (Stufe S3). Anschlie ßend wurde die entstandene Struktur einer Tafelberg-Ätzstufe unterzogen. In dieser Stufe wurde der periphere Bereich der Stapelstruktur selektiv, wie in Fig. 3D gezeigt, zu einer Ta felbergform 9 geätzt (Stufe S4), Schließlich wurden, wiedn Fig. 3E gezeigt, eine Emitterelektrode 12, eine Basiselektro de 11 und eine Kollektorelektrode 10 individuell durch ein Metallablagerungsverfahren ausgebildet (Stufe S5).

Als Ergebnis wurde ein Leistungstransistor eines Quadrats von 5 mm × 5 mm erhalten. Die Stromverstärkung des Leistungstran sistors dieser Ausführungsform wurde bezüglich der Fälle, in denen die Dicke des SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps im Bereich von 1-399 nm variiert wurde, analysiert. Die Ergeb nisse sind in Fig. 7 gezeigt.

Fig. 7 ist ein Kennliniendiagramm, das die Stromverstärkung gegen die Dicke des SiGe-Films zeigt. Die horizontale Achse gibt die Dicke (nm) des SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps an und die vertikale Achse gibt die Stromverstärkung an. Die Stromverstärkung wurde unter den Bedingungen: V_CE = 2V, Ic = 20A erhalten. Hierbei zeigte sich, dass die Stromverstärkung umso größer war, je dünner der SiGe-Film des p-Leitfähig keitstyps war. Es ist deshalb belegt, dass die aus den zwei Schichten gebildete Basis wirksam ist. In dieser Ausführungs form ist die Basis aus dem SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps 3 (die Lebensdauer der Ladungsträger ist kurz und sie tendie ren daher zu geringer Beweglichkeit) und dem Si-Film des p- Leitfähigkeitstyps 4 (die Lebensdauer der Ladungsträger ist lang und deren Beweglichkeit ist daher groß) gebildet. Ferner wird das Verhältnis der Dicke der zwei Filme 3 und 4 vari iert, während die Gesamtdicke der Filme 3 und 4 konstant ge halten wird. Daher ist es möglich, die Lebensdauer der La dungsträger innerhalb der Basis zu steuern. Infolgedessen kann ein SiGe-Transistor mit einer höheren Stromverstärkung als der eines herkömmlichen Transistors erhalten werden.

Ausführungsform 3

Die Ausführungsform 3 wird unter Bezug auf Fig. 8 und 9 er klärt.

Ein Substrat wurde durch epitaxiales Aufwachsen eines n-Si- Films 2 auf einem n⁺-Si-Substrat 1 gebildet. Der Film 1 besaß eine Dicke von 500 µm und einen geringen spezifischen Wider stand von 0,01 Ω.cm oder weniger. Der Film 2 besaß eine Dic ke von 20 µm und einen hohen spezifischen Widerstand von 20 Ω.cm.

Auf den n-Si-Film 2 wurden elf Schichten von unterschiedli chem Ge-Gehalt nacheinander zur Ausbildung eines B-dotierten SiGe-Films des p-Leitfähigkeitstyps 13 gestapelt. Da die Dic ke der einzelnen elf Schichten des SiGe-Films des p-Leit fähigkeitstyps 13 30 nm betrug, ergab sich eine Gesamtdicke des als Basis dienenden Films 13 von 330 nm. Die Ge-Konzen trationen X (Mol-%) der elf Schichten des SiGe-Films des p- Leitfähigkeitstyps 13 wurden schrittweise um 1% im Bereich von 10-0% variiert. In diesem Fall wurde die Ge-Konzentra tion einer ersten Schicht des SiGe-Films des p-Leitfähig keitstyps 13 auf 10% und die der letzten Schicht auf 0% ein gestellt. Auf den SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps 13 wurde ferner ein P-dotierter Si-Film des n-Leitfähigkeitstyps 5 einer Dicke von 600 nm gestapelt (Stufe S1).

Fig. 9 ist ein Kennliniendiagramm, das die Verteilung der Ge- Konzentration für jeweils die Emitter-, Basis- und Kollektor schichten des in Ausführungsform 3 gebildeten Transistors zeigt. In Fig. 9 gibt die horizontale Achse die Tiefe (nm) ausgehend von der Oberfläche des Emitters an und die vertika le Achse die Germaniumkonzentration (Ge-Konzentration, Atom-%) an.

Wie in der Figur gezeigt, nimmt die Ge-Konzentration des Si- Ge-Films des p-Leitfähigkeitstyps 13 schrittweise vom Emitter zum Kollektor hin zu und sie erreicht einen Maximalwert von 10 Atom-% in der von unten ausgehend ersten Schicht.

Als Ausgangsmaterialgas für den SiGe-Film des p-Leitfähig keitstyps 13 wurde ein Gasgemisch, das aus German (25-0 Atom-%), Diboran (100 ppm) bestand und wobei der Rest Disilan (4 × 10^-4 Torr) war, verwendet. Als Ausgangsmaterialgas für den Si-Film des n-Leitfähigkeitstyps 5 wurde ein Gasgemisch, das aus Phosphin (300 ppm) und Disilan (4 × 10^-4 Torr) be stand, verwendet. Die Mengen der in die Filme 13, 5 eindo tierten Fremdatome betrugen 1 × 10¹⁷ Atome/cm³ bzw. 8 × 10¹⁸Atome/cm³. Die Temperaturen des Substrats 1 bei der jewei ligen Bildung der Schichten 13 und 5 betrugen 780°C bzw. 750°C.

Danach wurden P-Ionen von einer Phosphorionenquelle 6 ausge hend in die oberste Fläche der auf diese Weise aufgebauten Stapelstruktur, d. h. einen Si-Film des n-Leitfähigkeitstyps 5, implantiert. Die entstandene Struktur wurde zur Aktivie rung der implantierten Phosphorionen einer Glühbehandlung un terzogen. Infolgedessen wurde eine stark phosphordotierte Schicht 7 ausgebildet (Stufe S2). Die Phosphorionen wurden mit 5 × 10¹⁵ Atomen/cm² bei einer Beschleunigungsspannung von 30 keV und einer Temperatur von 700°C 30 min lang implan tiert.

Des weiteren wurde der Si-Film des p-Leitfähigkeitstyps 5 durch reaktives Ionenätzen bis zum Freiliegen des Si-Films des p-Leitfähigkeitstyps 13 selektiv geätzt. Die freigelegte Oberfläche des Si-Films des p-Leitfähigkeitstyps 13 wurde als Basisoberfläche 8 verwendet. (Stufe S3). Anschließend wurde die entstandene Struktur einer Tafelberg-Ätzstufe unterzogen. In dieser Stufe wurde der periphere Bereich der Stapelstruk tur selektiv zu einer Tafelbergform 9 geätzt (Stufe S4). Des weiteren wurden, wie in Fig. 3E gezeigt, eine Emitterelektro de 12, eine Basiselektrode 11 und eine Kollektorelektrode 10 individuell durch ein Metallablagerungsverfahren ausgebildet (Stufe S5).

Als Ergebnis wurde ein Leistungstransistor eines Quadrats von 5 mm × 5 mm erhalten. Die unter den Bedingungen V_CE = 2V, Ic = 20A gemessene Stromverstärkung betrug 140.

In dem Leistungstransistor der Ausführungsform 3 ist die Ba sis aus dem aus elf Schichten unterschiedlicher Ge-Konzen tration bestehenden SiGe-Film des p-Leitfähigkeitstyps 13 ge bildet. Die Ge-Konzentration des SiGe-Films des p-Leitfähig keitstyps ist auf der nahe dem Emitter gelegenen Seite auf nahezu 0% eingestellt und sie nimmt zu der nahe dem Kollektor gelegenen Seite hin schrittweise zu. Infolgedessen kann die Lebensdauer der Ladungsträger innerhalb der Basis gesteuert werden.

Des weiteren wurde wegen der Variation der Ge-Konzentration in der Basis ein Bandlückengradient gebildet, was ein elek trisches Feld mit Drift erzeugte. Basierend auf diesen beiden Funktionen, der Lebensdauersteuerung und dem elektrischen Feld mit Drift, ist die Elektronentransfereffizienz verbes sert. Infolgedessen kann die Stromverstärkung verbessert wer den.

Der Aufbau von Leistungstransistoren gemäß den Ausführungs formen 1-3 ist in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

In den obigen Ausführungsformen wurde ein Leistungstransistor als Beispiel erklärt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die im vorhergehenden genannten Ausführungsformen beschränkt und kann für andere Halbleitervorrichtungen, wie einen Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT), verwendet wer den.

Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung weist eine hohe Stromverstärkung und Schnellschalteigenschaften auf. Insbe sondere kann, wenn ein SiGe-Leistungstransistor unter Verwen dung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde, ein Transistor mit einer hohen Stromverstärkung und Schnell schalteigenschaften erhalten werden.

Weitere Vorteile und Modifikationen sind einem Fachmann ohne weiteres zugänglich. Deshalb ist die Erfindung in ihren brei ter gefassten Aspekten nicht auf die hier gezeigten und be schriebenen speziellen Details und repräsentativen Ausfüh rungsformen beschränkt. Demgemäß können verschiedene Modifi kationen durchgeführt werden, ohne vom Geist oder Umfang des allgemeinen erfinderischen Konzepts, wie es durch die beige fügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist, abzu weichen.

Claims

1. Halbleitervorrichtung, umfassend:
ein Si-Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps;
einen auf dem Si-Substrat ausgebildeten ersten Si-Film (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps;
einen auf dem ersten Si-Film ausgebildeten SiGe-Film (3, 13) eines zweiten Leitfähigkeitstyps;
einen auf dem SiGe-Film ausgebildeten zweiten Si-Film (4) des zweiten Leitfähigkeitstyps;
einen auf dem zweiten Si-Film ausgebildeten dritten Si-Film (5) des ersten Leitfähigkeitstyps;
eine erste Elektrode (11), die durch Entfernen eines Teils des dritten Si-Films (5) oder Ändern des Leitfähigkeitstyps des Teils des dritten Si-Films des ersten Leitfähigkeitstyps zum zweiten Leitfähigkeitstyp und Verbinden eines Metallend teils mit einem Teil (8) des zweiten Si-Films (4), der durch Entfernen des Teils des dritten Si-Films (5) freigelegt wur de, oder mit einem Teil des dritten Si-Films, dessen Leitfä higkeitstyp geändert wurde, gebildet wurde;
eine zweite Elektrode (12) die durch Verbinden eines Me tallendteils mit dem dritten Si-Film gebildet wurde; und
eine dritte Elektrode (10), die durch Verbinden eines Me tallendteils mit der Rückseite des Si-Substrats gebildet wurde.

2. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Gesamtfilmdicke des SiGe-Films (3, 13) und des zweiten Si-Films (4) auf 200-400 nm eingestellt ist.

3. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der SiGe-Film (13) aus mindestens zwei Filmen von unterschiedlicher Ge-Konzentration gebildet ist.

4. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Ge-Konzentration des SiGe-Films (13) auf der nahe dem Si-Substrat gelegenen Seite hoch ist und schrittweise vom Si-Substrat (1) weg und zum dritten Si-Film (5) hin abnimmt.

5. Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, dass der SiGe-Film (13) eine Ge-Konzentration von 20 Atom-% oder weniger aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, umfassend:

a) Applizieren eines Gases eines ersten Ausgangsmaterials auf eine Oberfläche eines Si-Substrats (1) des n-Leit fähigkeitstyps, während das Substrat in einem Vakuumbe hälter erhitzt wird, zur Ausbildung eines ersten Si- Films (2) des n-Leitfähigkeitstyps auf dem Substrat (1);
b) Applizieren eines Gases eines zweiten Ausgangsmaterials auf eine Oberfläche des ersten Si-Films des n-Leitfä higkeitstyps (2) unter Erhitzen zur Ausbildung eines Si- Ge-Films (3, 13) des p-Leitfähigkeitstyps auf dem ersten Si-Film (2);
c) Applizieren eines Gases eines dritten Ausgangsmaterials auf eine Oberfläche des SiGe-Films (3, 13) des p-Leit fähigkeitstyps unter Erhitzen zur Ausbildung eines zwei ten Si-Films (4) des p-Leitfähigkeitstyps auf dem SiGe- Film (3, 13);
d) Applizieren eines Gases eines vierten Ausgangsmaterials auf eine Oberfläche des zweiten Si-Films (4) unter Er hitzen zur Ausbildung eines dritten Si-Films (5) des n- Leitfähigkeitstyps auf dem zweiten Si-Film (4) des p- Leitfähigkeitstyps;
e) Implantieren einer hohen Konzentration von Phosphorionen in einen Oberflächenschichtbereich des dritten Si-Films (5) des n-Leitfähigkeitstyps und Glühen des Oberflächen schichtbereichs zur Aktivierung der implantierten Phos phorionen;
f) Entfernen eines Teils des dritten Si-Films (5) zur Frei legung des zweiten Si-Films (4) oder Ändern des Leitfä higkeitstyps von einem Teil des dritten Si-Films (5) in einen anderen Leitfähigkeitstyp; und
g) Verbinden eines Metallendteils mit einem Teil des zwei ten Si-Films (4), der durch Entfernen des dritten Si- Films (5) freigelegt wurde, oder mit dem Teil des drit ten Si-Films (5) eines anderen Leitfähigkeitstyps zur Ausbildung einer ersten Elektrode (11), Verbinden eines Metallendteils mit dem dritten Si-Film (5) zur Ausbil dung einer zweiten Elektrode (12) und Anfügen eines Me tallendteils auf der Rückseite des Si-Substrats (1) des n-Leitfähigkeitstyps zur Ausbildung einer dritten Elek trode (10).

7. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stufen (b) und (c) die Gesamtfilmdicke des SiGe-Films (3, 13) und des zweiten Si-Films (4) des p-Leitfähig keitstyps in einen Bereich von 200-400 nm fällt.

8. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Stufe (b) der SiGe-Film (13) des p-Leitfähigkeitstyps aus min destens zwei Schichten von unterschiedlicher Ge-Konzen tration gebildet wird.

9. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Stufe (b) der SiGe-Film (13) des p-Leitfähigkeitstyps so ge bildet wird, dass die Ge-Konzentration des SiGe-Films (13) auf der nahe dem Si-Substrat (1) des n-Leitfähig keitstyps gelegenen Seite hoch ist und schrittweise vom Si-Substrat (1) weg und zum dritten Si-Film (5) des p- Leitfähigkeitstyps hin abnimmt.

10. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Stufe (b) die Ge-Konzentration des SiGe-Films (13) des p- Leitfähigkeitstyps 20 Atom-% oder weniger beträgt.