DE10160511A1

DE10160511A1 - Bipolarer Transistor

Info

Publication number: DE10160511A1
Application number: DE2001160511
Authority: DE
Inventors: Bernd Heinemann; Dieter Knoll; Karl-Ernst Ehwald; Dietmar Krueger; Bernd Tillack; Wolfgang Mehr; Joerg Osten; Wolfgang Winkler; Abbas Ourmazd; Holger Ruecker
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-12
Also published as: WO2003046947A3; WO2003046947A2

Abstract

Gemäß Anspruch 1 umfasst der erfindungsgemäße Bipolartransistor 1 einen Emitter 20, der teilweise einkristallin und teilweise polykristallin oder amorph ausgebildet ist (partiell einkristalliner Emitter). Außerdem weist die Basis 30b des Bipolartransistors 1 eine Kohlenstoff- oder Sauerstoffkonzentration im Bereich von 2 x 10·19· bis 2 x 10·21· cm·-3· auf. Eine solche Struktur verbessert die Hochfrequenzeigenschaften des Bipolartransistors und vermindert das Hochfrequenz-Rauschen. In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt in der Basis 30b des Bipolartransistors eine Dotierstoffverteilung, vorzugsweise eine Borverteilung, mit einer Flächendosis von mindestens 4,5 x 10·13· cm·-2·, vorzugsweise mindestens 7,5 x 10·13· cm·-2·, vor. Die Basis kann darüber hinaus auch Germanium enthalten.

Description

Die Erfindung betrifft einen bipolaren Transistor oder Bipolartransistor, insbesondere einen Silizium-Germanium-Hetero-Bipolartransistor, kurz SiGe-HBT, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Der Bipolartransistor gehört seit langem zum Stand der Technik und wird in vielfältiger Weise z. B. in analogen und digitalen integrierten Schaltungen eingesetzt. Zu den Bestandteilen eines Bipolartransistors zählen ein Emitter als Ladungsträgerquelle, ein Kollektor als Ladungsträgersenke (Ladungsträgerabfluss) sowie eine Basis als Steuereinrichtung zum Steuern des Stromflusses zwischen dem Emitter und dem Kollektor.
Der Emitter und der Kollektor bestehen heutzutage häufig aus Silizium (chem. Zeichen: Si) eines bestimmten Leitfähigkeitstyps, wohingegen die Basis aus Silizium des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht. Es existieren zwei verschiede Leitfähigkeitstypen in Halbleitermaterialien wie beispielsweise Silizium.
Halbleitermaterialien mit Elektronen als Ladungsträgern nennt man n-leitend, solche mit Löchern als Ladungsträgern p-leitend. Im reinen Silizium liegen beide Sorten von Ladungsträgern in gleicher Konzentration vor, man spricht in diesem Fall von intrinsischem Silizium. Wird die Ladungsträgerkonzentration durch Einbringen von Fremdatomen, sog. Dotierstoffen, erhöht, spricht man von Dotierung. Eine n-Dotierung liegt vor, wenn der eingebrachte Dotierstoff ein n-Dotierstoff ist (Donator), also einer, der zu einer Zunahme der Konzentration an Elektronen als Ladungsträgern führt. Das Material wird dann n-leitend. Als n-Dotierstoff werden beispielsweise Phosphor (P), Arsen (As) und Antimon (Sb) verwendet. Andererseits liegt eine p-Dotierung vor, wenn der eingebrachte Dotierstoff ein p- Dotierstoff ist (Akzeptor), also einer, der zu einer Zunahme der Konzentration an Löchern als Ladungsträgern führt. Das Halbleitermaterial wird dann p-leitend. Als p-Dotierstoffe finden beispielsweise Bor (B), Indium (In) und Gallium (Ga) Verwendung. Ist die Zunahme der Konzentration an Elektronen/Löchern nach der Dotierung sehr groß oder sehr gering, liegt ein hoch dotiertes Halbleitermaterial (n⁺/p⁺-Dotierung) bzw. ein schwach dotiertes Halbleitermaterial (n^-/p^--Dotierung) vor.
Für die Dotierung eines Halbleitermaterials stehen drei Verfahren zur Verfügung:
die Ionen-Implantation und die Diffusion, jeweils nach der Erzeugung der zu dotierenden Schicht, sowie das Einbringen des Dotierstoffes in situ, also beim Abscheiden der zu dotierenden Schicht. Außerdem wird unterschieden, ob der Dotierstoff einen Zwischengitterplatz einnimmt, also interstitiell vorliegt, oder einen Gitterplatz in der Schicht einnimmt, also substitutionell eingebaut ist.
Beim oben beschriebenen Bipolartransistor kann es sich demnach beispielsweise um einen npn-Transistor handeln. Die Bezeichnung npn-Transistor bedeutet, dass der Kollektor und der Emitter eine n-Dotierung aufweisen, wohingegen die Basis p-dotiert ist. Statt einer Ausführung als npn-Transistor ist auch eine als pnp-Transistor möglich. In diesem Fall sind die Dotierungen im Vergleich zum npn-Transistor umgekehrt.

Neuere Entwicklungen haben zum sog. Silizium-Germanium-Hetero-Bipolartransistor, (SiGe-HBT) geführt, einem Bipolartransistor, dessen Basis eine Silizium- Germanium-Legierung umfasst. Solch ein SiGe-HBT, im Folgenden verkürzt HBT genannt, ist zum Beispiel in Semicond. Sci. Technol. 16 (2001) R51-R65 und Semicond. Sci. Technol. 16 (2001) R67-R85 beschrieben. Solche HBTs weisen gegenüber herkömmlichen Bipolartransistoren ein verbessertes Leistungsvermögen auf. Insbesondere die Transitfrequenz f_T, die maximale Schwingungsfrequenz f_max sowie das Hochfrequenz-Rauschverhalten des HBT sind dem des herkömmlichen Bipolartransistors überlegen.

Die für die Zukunft absehbaren Entwicklungen in der Mikroelektronik erfordern jedoch eine weitere Verbesserung des Bipolartransistors.

Gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik stellt sich daher die Aufgabe, einen weiter verbesserten Bipolartransistor zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Bipolartransistor nach Anspruch 1, einen Bipolartransistor nach Anspruch 18, einen Bipolartransistor nach Anspruch 23 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 27 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß Anspruch 1 umfasst der erfindungsgemäße Bipolartransistor einen Emitter, der teilweise einkristallin und teilweise polykristallin oder amorph ausgebildet ist (partiell einkristalliner Emitter). Außerdem weist die Basis des Bipolartransistors eine Kohlenstoff- oder Sauerstoffkonzentration im Bereich von 2 × 10¹⁹ bis 2 × 10²¹ cm^-3 auf. Eine solche Struktur verbessert die Hochfrequenzeigenschaften des Bipolartransistors und vermindert das Niederfrequenz- sowie das Hochfrequenz-Rauschen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt in der Basis des Bipolartransistors eine Dotierstoffvereilung, vorzugsweise eine Borverteilung, mit einer Flächendosis (Dotierstoffkonzentration der dotierten Schicht integriert über ihre Dicke) von mindestens 4,5 × 10¹³ cm^-2, vorzugsweise mindestens 7,5 × 10¹³ cm^-2 vor.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Bipolartransistor als SiGe- HBT, kurz HBT, ausgebildet, dessen SiGe-Legierung einen Germaniumanteil von mindestens 2%, vorzugsweise von 2% bis 30%, weiter vorzugsweise von 5% bis 25%, noch weiter vorzugsweise von 10% bis 20% aufweist. Die Kohlenstoff- oder Sauerstoffkonzentration in der Basis des HBT liegt im Bereich von 2 × 10¹⁹ bis 2,5 × 10²⁰ cm^-3 und insbesondere bei 1 × 10²⁰ cm^-3.

In noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Basis des Bipolartransistors eine Schicht, die lediglich aus dotiertem Silizium besteht. Diese Schicht weist eine Kohlenstoffkonzentration von 2,5 × 10²⁰ cm^-3 (entspricht einem Kohlenstoffanteil von 0,5%) bis 2 × 10²¹cm^-3 (entspricht einem Kohlenstoffanteil von 4%) und vorzugsweise von 5 × 10²⁰ cm^-3 (entspricht einem Kohlenstoffanteil von 1%) bis 1 × 10²¹ cm^-3 (entspricht einem Kohlenstoffanteil von 2%) auf.

In einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen dem einkristallinen Emitterbereich und der Basis eine Cap-Schicht vorgesehen. Diese Cap-Schicht kann eine schwache Dotierung aufweisen, vorzugsweise vom Leitfähigkeitstyp der Basisdotierung. In einer Ausgestaltung weist die Cap-Schicht emitterseitig einen Bereich mit einer Flächendosis an Dotierstoff von 1,6 × 10¹² bis 5 × 10¹² cm^-2 auf.

Der partiell einkristalline Emitter kann außerdem gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung Kohlenstoff oder Sauerstoff und/oder Germanium enthalten.

Gemäß Anspruch 18 umfasst der erfindungsgemäße Bipolartransistor einen Basiskontaktbereich aus polykristallinem Silizium (auch: Polysilizium oder Poly-Si), der Kohlenstoff (C) oder Sauerstoff (O) enthält. Durch das Einbringen von Kohlenstoff oder Sauerstoff in den Basiskontaktbereich lässt sich eine verringerte Temperaturabhängigkeit des Widerstands erzielen, die in Analogschaltungen vorteilhaft ausgenutzt werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Basiskontaktbereich auf einer isolierenden Unterlage, vorzugsweise Oxid, gebildet. Damit wird die Integration in bestehende Fertigungsprozesse erleichtert.

Weitere Vorteile ergeben sich durch die Integration eines Basiskontaktbereiches nach Anspruch 18 in einen Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 17.

Gemäß Anspruch 23 umfasst der erfindungsgemäße Bipolartransistor einen ersten Kollektorbereich und einen zweiten Kollektorbereich.

Der erste Kollektorbereich weist ein Dotierstoffprofil mit einer Zone mit hoher Dotierstoffkonzentration und einer Zone mit geringer Dotierstoffkonzentration auf. Der zweite Kollektorbereich ist dort im ersten Kollektorbereich gebildet, wo die Zone des Dotierstoffprofils mit geringer Dotierstoffkonzentration vorliegt, und weist eine gegenüber dieser Zone des Dotierstoffprofils höhere Dotierstoffkonzentration auf.

Lateral und substratseitig ist der zweite Kollektorbereich vom ersten Kollektorbereich umgeben. Der zweite Kollektorbereich wird auch selektiv dotiertes Kollektorgebiet genannt. Der erste Kollektorbereich grenzt an den Teil der Basis an, der sich dadurch auszeichnet, dass zwischen der Basis und dem Emitter eine lateral verlaufende Isolationsschicht vorhanden ist. Dieser Teil der Basis wird äußere Basis genannt. Die Isolationsschicht weist eine Öffnung, das Emitterfenster, auf. Unterhalb dieser Öffnung befindet sich ein innere Basis genannter Teil der Basis. An diese innere Basis grenzt der zweite Kollektorbereich an. Die Dotierung der beiden Kollektorbereiche ist derart gewählt, dass die lateral an den zweiten Kollektorbereich angrenzenden Abschnitte des ersten Kollektorbereiches eine gegenüber dem zweiten Kollektorbereich geringere, niedrige Dotierstoffkonzentration aufweisen. Aufgrund der niedrigen Dotierung dieser Abschnitte lässt sich die Kapazität zwischen dem Kollektor und der äußeren Basis niedrig halten, wodurch sich die Hochfrequenzeigenschaften des Bipolartransistors verbessern lassen. Angrenzend an die innere Basis kann die Dotierstoffkonzentration im Kollektor, d. h. im zweiten Kollektorbereich, hingegen hoch genug gewählt werden, um eine ausreichende Leitfähigkeit des Kollektors sicherzustellen.

Der erste Kollektorbereich weist in einer Ausgestaltung der Erfindung eine maximale Dotierstoffkonzentration von 5 × 10¹⁷ bis 5 × 10²⁰ cm^-3 insbesondere von 8 × 10¹⁷ bis 1,5 × 10¹⁹ cm^-3 auf. Das Maximum befindet sich jedoch nicht in den lateral an den zweiten Kollektorbereich angrenzenden Abschnitten des ersten Kollektorbereiches. In diesen Abschnitten beträgt die Dotierstoffkonzentration des ersten Kollektorbereiches weniger als 1 × 10¹⁷ cm^-3 insbesondere weniger als 1 × 10¹⁶ cm^-3. Der zweite Kollektorbereich weist eine Dotierstoffkonzentration von 1 × 10¹⁶ bis 5 × 10¹⁸ cm^-3 insbesondere von 1 x10¹⁷ bis 2 × 10¹⁷ cm^-3 auf.

Diese Gestaltung des Kollektors lässt sich vorteilhaft auch in Bipolartransistoren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 einsetzen.

Im erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 27 wird eine Silizium umfassende Schicht auf ein Gebiet abgeschieden, das eine einkristalline Siliziumoberfläche und eine isolierende Oberfläche, insbesondere eine Oxidoberfläche, umfasst. In die Silizium umfassende Schicht wird entweder während des Abscheidens der Schicht in situ oder nach dem Abscheiden der Schicht mittels Implantation Kohlenstoff oder Sauerstoff eingebracht. In den über der isolierenden Oberfläche befindlichen Teil der Silizium umfassenden Schicht wird ein Dotierstoff in einer Konzentration eingebracht, die so gewählt ist, dass dieser Teil der Silizium umfassenden Schicht einen vorbestimmten Widerstandswert erhält.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Silizium umfassende Schicht eine SiGe-Schicht abgeschieden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, einen verbesserten Bipolartransistor herzustellen. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren außerdem möglich, den Dotierstoff nach dem Strukturieren des Emitters einzubringen und so den Basiskontaktbereich selbstjustiert zum Emitter herzustellen.

Der erfindungsgemäße Bipolartransistor ist als Modul in eine Technologie integrierbar, die zur Herstellung von MOS-Transistoren dient (MOS-Technologie). MOS-Technologie steht dabei für Metal-Oxid-Semiconductor-Technologie; sie wird zur Herstellung von Feldeffekttransistoren verwendet. Sind Feldeffekttransistoren mit einem n-leitenden Kanal und solche mit einem p-leitenden Kanal gemeinsam in einer in MOS-Technologie hergestellten Vorrichtung integriert, spricht man von Complementary MOS-Technologie, kurz CMOS-Technologie. Von BiC- MOS-Technologie ist die Rede, wenn ein bipolares Bauelement, wie etwa ein bipolarer Transistor, in eine in CMOS-Technologie hergestellte Halbleitervorrichtung integriert ist. "Modulartig integrierbar" bedeutet hierbei, dass der Bipolartransistor im Rahmen eines Prozessmoduls hergestellt werden kann, welches in den MOS-Herstellungsprozess integrierbar ist.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben.
Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Bipolartransistor in einem vertikalen Schnitt.
Fig. 2 zeigt schematisch das Dotierstoffprofil des Kollektors des erfindungsgemäßen Bipolartransistors.
Fig. 3 zeigt schematisch das Dotierungsprofil eines Teiles des Schichtstapels des erfindungsgemäßen Bipolartransistors.
Fig. 4 zeigt schematisch die Struktur des Emitters des erfindungsgemäßen Bipolartransistors.
Es wird nun mit Bezug auf Fig. 1 der Aufbau des erfindungsgemäßen Bipolartransistors anhand eines SiGe-HBT, nachfolgend HBT genannt, erläutert. Der HBT 1 umfasst einen n-leitenden Kollektor 10 und einen darüber angeordneten, ebenfalls n-leitenden Emitter 20. Ein n-leitender tiefer Kollektoranschlussbereich 16 ist über eine n-leitende vergrabene, vorzugsweise implantierte Schicht 42 (buried layer) mit dem Kollektor 10 verbunden. Der Emitter 20 ist dagegen direkt kontaktiert. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der Emitter 20 nicht direkt kontaktiert ist. Insbesondere erstreckt sich dann ein Teil des Emitters über ein Isolationsgebiet. Zwischen Emitter 20 und Kollektor 10 befindet sich ein Schichtstapel 30, der einen Bereich aufweist, in dem er den Emitter 20 kontaktiert sowie einen, in dem er vom Emitter 20 durch eine Isolation 36 getrennt ist. Dieser Schichtstapel 30 umfasst eine SiGe-Schicht (Silizium-Germanium-Schicht). Ein Teil dieser SiGe-Schicht bildet die Basis 30b, während ein sich lateral an die Basis anschließender Teil der SiGe-Schicht 30 durch einen p⁺-dotierten (d. h. hoch dotierten) einkristallinen Basiskontaktbereich 33 verläuft. Die Basis 30b ist begrifflich in eine äußere Basis und eine innere Basis unterteilt. Die äußere Basis befindet sich in dem Abschnitt des Schichtstapels 30, in dem die Isolationsschicht 36 zwischen dem Schichtstapel 30 und dem Emitter 20 vorhanden ist.
Die innere Basis befindet sich hingegen in dem Abschnitt des Schichtstapels 30, in dem dieser den Emitter 20 kontaktiert und der durch eine Öffnung in der Isolationsschicht 36 definiert ist. Diese Öffnung wird Emitterfenster genannt. In einem Bipolartransistor, der kein HBT ist, ist statt der SiGe-Schicht eine Si-Schicht vorhanden.
Über einen p⁺-dotierten polykristallinen Basiskontaktbereich 34 aus Silizium- Germanium oder Silizium (Polysilizium, Poly-Si), ist der einkristalline Basiskontaktbereich 33 und damit auch die Basis 30b mit einem externen Basisanschluss verbunden. Im Gegensatz zu einkristallinem Silizium, bei dem die gesamte Schicht dieselbe kristallographische Orientierung aufweist, liegen in polykristallinem Silizium eine Vielzahl kleiner, jeweils für sich einkristalliner Zonen vor, die jedoch in ihrer kristallographischen Orientierung ungeordnet sind. Ist das Silizium dagegen überhaupt nicht kristallin, spricht man von amorphem Silizium (α-Silizium). Sowohl der einkristalline Basiskontaktbereich 33 als auch der polykristalline Basiskontaktbereich 34 können Kohlenstoff enthalten.
Die Grundlage für den HBT 1 bildet ein Substrat 40, das vorzugsweise ein möglichst hochohmiges, einkristallines p^--leitendes (d. h. gering dotiertes) Silizium mit einer (100)-Oberfläche umfasst. Das Silizium ist mit Bor p^--dotiert und hat vorzugsweise einen spezifischen Widerstand zwischen 10 und 1000 Ω cm. Insbesondere für Hochfrequenzschaltungen ist der Einsatz von hochohmigen Substraten vorteilhaft, da dadurch kapazitiv oder induktiv in das Substrat eingekoppelte Ströme klein gehalten werden können. Solche Ströme führen zu einem erhöhten Leistungsverbrauch, zu einer Güteminderung bei Spulen oder zu sog. Substratrauschen. Alternativ kann jedoch auch ein p⁺-dotiertes Substrat Verwendung finden. Hoch p-dotierte Substrate sind beispielsweise in stark skalierten Digitalschaltungen vorteilhaft, da durch sie eine ausreichende Festigkeit gegen das Auftreten von Latch-up, das für die Schaltungsfunktion schädliche, thyristorähnliche Zünden einer z. B. bei CMOS-Invertern vorliegenden Vierschichtanordnung, erzielbar ist. Da aus diesem Grund für diejenigen Bereiche des Substrats, in denen im BiCMOS-Prozess die CMOS-Struktur entstehen soll, ein hoch dotiertes Substrat wünschenswert ist, für den Bipolartransistor jedoch ein p^--dotiertes Substrat vorteilhaft ist, sind dort, wo die CMOS-Struktur entstehen soll, hoch p- und n-dotierte Wannen im p^--Substrat vorhanden, die beispielsweise in das Substrat implantiert werden können.
Vorteilhaferweise können dort, wo sich die Wannen befinden, auch eine oder mehrere Schichten, welche die Diffusion der Dotierstoffe aus den hoch dotierten Bereichen verhindern, sogenannte Getterschichten, vorgesehen sein. Die Getterschichten werden vorzugsweise epitaktisch gebildet, wobei während der Epitaxie (in situ) beispielsweise Kohlenstoff (C) in die Schichten mit eingebaut wird. Alternativ können die Getterschichten auch dadurch erzeugt werden, dass beispielsweise Kohlenstoff (C) mittels Ionenimplantation in das Substarat eingebracht wird und die C enthaltenden Schichten anschließend mit einer epitaktischen Schicht bedeckt werden. Die Kohlenstoffkonzentration in den Getterschichten beträgt zwischen 2 × 10¹⁸ cm^-3 und 3 × 10²⁰ cm^-3, vorzugsweise zwischen 5 × 10¹⁸ cm^-3 und 5 × 10¹⁹ cm^-3. Durch die Getterschichten wird die Diffusion des Dotierstoffes der Wannen sowie die Defektbildung beim Ausheilen von Implantationsschäden unterdrückt. Dadurch sind steilere Dotierungsprofile für die Wannen und somit höhere Dotierstoffkonzentrationen möglich, was die Festigkeit gegen Latch-up erhöht.
Alternativ kann das Substrat auch einen Isolator, wie z. B. Saphir oder Siliziumdioxid, umfassen, auf dem eine einkristalline Siliziumschicht (Si-Schicht) mit einer Dicke von ca. 40-150 nm aufgebracht ist. Beispielsweise eine BiCMOS- Anordnung wird in der einkristallinen Siliziumschicht gebildet. Man spricht dann von einer SOI-Technologie (SOI: Silicon on Insulator). Da die Dicke der Siliziumschicht für den Kollektorbereich eines vertikalen Bipolartransistors nicht ausreicht, sind bei der Herstellung der BiCMOS-Anordnung zusätzliche Verfahrensschritte im Fertigungsprozess nötig, z. B. ein Ätz-Schritt, in dem die Siliziumschicht unterätzt wird, um einen Teil des Kollektors des Bipolartransistors aufzunehmen. Der so geschaffene Hohlraum wird dann mittels Abscheidung aus der Gasphase (CVD-Abscheidung, CVD steht für Chemmical Vapor Deposition) mit in situ dotiertem polykristallinem Silizium oder einer metallischen Schicht gefüllt. Der hier als Ausführungsbeispiel beschriebene HBT ist jedoch nicht mit der SOI- Technologie hergestellt worden.
Über dem Substrat 40 befindet sich eine epitaktische Siliziumschicht 46 mit einer Dicke von 1000 bis 7000 nm, vorzugsweise 3000 bis 4000 nm, insbesondere 3500 nm. Eine epitaktische Schicht ist eine einkristalline Schicht, deren Kristallstruktur durch ihre Unterlage vorgegeben ist. In der Siliziumschicht 46 befindet sich eine vergrabene, n-leitende Schicht 42, die sowohl mit dem Kollektor 10 als auch mit dem n-leitenden Kollektoranschlussbereich 16 in elektrisch leitendem Kontakt steht. Mit ihrer Hilfe lässt sich der Widerstand des Strompfades zwischen dem Kollektor 10 und dem Kollektoranschlussbereich 16 verringern, bzw. der elektrische Kontakt zwischen dem Kollektor 10 und dem Kollektoranschlussbereich 16 herstellen, falls zwischen den beiden ein nichtleitender oder halbleitender Bereich vorhanden ist. Die n-leitende Schicht 42 ist 350 bis 1500 nm, vorzugsweise 900 bis 1200 nm, insbesondere 1000 nm tief in der Siliziumschicht 46 vergraben. Die vergrabene Schicht 42 enthält implantierte Phosphoratome als n-Dotierstoff, der Kollektoranschlussbereich 16 implantierte Arsenatome. Um die Ausdiffusion der Phosphoratome aus der vergrabenen Schicht 42 zu unterbinden, kann sie in situ eingebrachten Kohlenstoff oder Sauerstoff (O) in einer Konzentration von 2 × 10¹⁸ cm^-3 bis 3 × 10²⁰ cm^-3 vorzugsweise 5 × 10¹⁸ cm^-3 bis 5 × 10¹⁹ cm^-3 enthalten. Die vergrabene Schicht 42 kann dann als eine Getterschicht angesehen werden; sie kann im Fertigungsprozess für eine BiCMOS-Anordnung zusammen mit den oben beschriebenen Getterschichten für die CMOS-Struktur erzeugt werden.
In der epitaktischen Siliziumschicht ist der Kollektor 10 gebildet, der an den Schichtstapel 30 und den einkristallinen Basiskontaktbereich 33 angrenzt und sich bis zur vergrabenen Schicht 42 in die Tiefe erstreckt. Der Kollektor 10 umfasst einen ersten n-leitenden Kollektorbereich 12, der die laterale Ausdehnung des Kollektors 10 bestimmt. Als Dotierung enthält dieser erste Kollektorbereich 12 ein implantiertes Phosphorprofil 13 mit einer bestimmten Tiefenverteilung. Eine beispielhafte Tiefenverteilung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt; sie weist im an den Schichtstapel 30 angrenzenden Teil des ersten Kollektorbereiches 12 einen geringen Konzentrationswert von weniger als 1 × 10¹⁷ cm^-3, vorzugsweise weniger als 1 × 10¹⁶ cm^-3 auf. Von diesem Wert ausgehend steigt die Konzentration des Phosphors mit zunehmender Tiefe an, um im dem Schichtstapel abgewandten Teil des ersten Kollektorbereiches 12 einen Maximalwert von 5 × 10¹⁷ bis 5 × 10²⁰ cm^-3 vorzugsweise 8 × 10¹⁷ bis 1,5 × 10¹⁹ cm^-3, insbesondere 1 × 10¹⁸ cm^-3 anzunehmen. Nach dem Maximum fällt der Konzentrationswert mit zunehmender Tiefe wieder ab.
Im ersten Kollektorbereich 12 ist, an den Schichtstapel angrenzend, ein zweiter, ebenfalls n-leitender Kollektorbereich 14, das sog. selektiv dotierte Kollektorgebiet gebildet. Der zweite Kollektorbereich 14 weist eine deutlich geringere Tiefenausdehnung auf, als der erste Kollektorbereich 12. Die Tiefenausdehnung des zweiten Kollektorbereiches 14 ist so gewählt, dass er sich nicht über den emitterseitigen Teil des Phosphorprofils 13 hinaus erstreckt, der die geringe Dotierstoffkonzentration aufweist. Die laterale Ausdehnung dieses zweiten Kollektorbereiches 14 ist geringer als die des ersten Kollektorbereiches 12 und entspricht der lateralen Ausdehnung der inneren Basis. Lateral und an seiner dem Schichtstapel abgewandten Seite ist der zweite Kollektorbereich 14 daher vollständig vom ersten Kollektorbereich 12 umgeben.
Der zweite Kollektorbereich 14 ist wie der erste Kollektorbereich 12 mit implantiertem Phosphor dotiert. Die Konzentration an Phosphoratomen im zweiten Kollektorbereich 14 ist höher als die Phosphorkonzentration des Phosphorprofils 13 in dessen dem Schichtstapel 30 zugewandten Abschnitt; sie beträgt zwischen 1 × 10¹⁶ und 5 × 10¹⁸ cm^-3 vorzugsweise zwischen 1 × 10¹⁷ und 2 × 10¹⁷ cm^-3.
Durch diese Gestaltung des Kollektors 10 kann die Kapazität zwischen dem Kollektor 10 und der Basis 30b besser an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst und insbesondere minimiert werden. Die Kapazität zwischen dem Kollektor 10 und der Basis 30b soll außerhalb des durch das Emitterfenster definierten Bereiches gering sein, was durch eine an die Basis 30b angrenzende geringe Dotierstoffkonzentration des ersten Kollektorbereichs 12 zu erreichen ist. Andererseits soll der Kollektor 10 in seinem dem Emitter gegenüberliegenden, durch das Emitterfenster definierten Bereich eine moderate bis hohe Dotierstoffkonzentration aufweisen. Dieser Bereich ist durch den zweiten Kollektorbereich 14 gegeben. Durch die Gestaltung des Kollektors 10 mit erstem und zweiten Kollektorbereich 12, 14 können somit die beiden Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden.
Vom Kollektoranschlussbereich 16 sowie von den übrigen aktiven Bereichen der BiCMOS-Struktur ist der Kollektor 10 durch Feldisolationsgebiete in Form von flachen, mit Siliziumdioxid gefüllten Gräben, sogenannten Trench-Isolierungen (in diesem Fall "shallow trenches") 18 mit einer Tiefe von 350 bis 600 nm, vorzugsweise 500 nm bis 600 nm, insbesondere 575 nm isoliert. Alternativ kann die Isolation auch durch tiefe Trench-Isolierungen ("deep trenches") oder durch Isolationsbereiche erfolgen, die mittels lokaler Oxidation (LOCOS) hergestellt sind. Die weiter oben beschriebene n-leitende Schicht 42 kann sich direkt an die Trench- Isolierungen anschließen.
Zwischen dem Kollektor 10 und dem Emitter 20 befindet sich ein epitaktischer Schichtstapel 30 mit einer Schichtfolge Siliziumschicht/Legierungsschicht (SiGe- Schicht) aus Silizium (Si) und Germanium (Ge)/Siliziumschicht (im Folgenden Si/SiGe/Si-Schichtstapel oder kurz Schichtstapel genannt). Dieser Schichtstapel 30 umfasst die Basis 30b des Bipolartransistors. Außerdem erstreckt sich der Schichtstapel durch den einkristallinen Basiskontaktbereich 33 bis zum polykristallinen Basiskontaktbereich 34. Gegenüber dem unter dem Emitter 20 gelegenen Abschnitt des Schichtstapels 30 weist der Abschnitt im einkristallinen Basiskontaktbereich 33 ein anderes Dotierstoffprofil auf. Im Folgenden ist mit der Bezeichnung Schichtstapel 30 nur der unter dem Emitter gelegene Abschnitt des Schichtstapels 30, also der Schichtstapel ohne den sich durch den einkristallinen Basiskontaktbereich 33 erstreckenden Teil, gemeint, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes erwähnt ist.
Der Schichtstapel 30, der erste Kollektorbereich 12 und der zweite Kollektorbereich 14 sind derart relativ zueinander ausgerichtet, dass der erste Kollektorbereich 12 den Schichtstapel 30 und der Schichtstapel 30 den zweiten Kollektorbereich 14 in lateraler Richtung überragt.
Die Dicke des Schichtstapels 30 beträgt 45 bis 205 nm, vorzugsweise 80 bis 140 nm, insbesondere 105 nm. In lateraler Richtung erstreckt sich der Schichtstapel 30 über den zweiten Kollektorbereich 14 hinaus, jedoch nicht bis zum Rand des ersten Kollektorbereichs 12, sodass der Schichtstapel 30 den ersten Kollektorbereich 12 teilweise überlappt. Die Abscheidung des den Schichtstapel bildenden Materials erfolgt im Fertigungsprozess jedoch nicht nur dort, wo sich im fertigen HBT 1 der Schichtstapel 30 befindet, sondern über dem gesamten ersten Kollektorbereich 12 und über Teilen der angrenzenden Trench-Isolierungen 18. Der Schichtstapel wird also auch dort auf den ersten Kollektorbereich 12 abgeschieden, wo später mittels einer weiteren Dotierung der einkristalline Basiskontaktbereich 33 gebildet wird. Aus dem über dem Oxid der Trench-Isolierungen 18 befindlichen Material wird der polykristalline Basiskontaktbereich 34 gefertigt.
Beim Abscheiden des Schichtstapels wächst das den Schichtstapel bildende Material auf dem ersten und dem zweiten Kollektorbereich 12, 14 jeweils epitaktisch, also einkristallin, wohingegen es auf dem Oxid der Trench-Isolierungen 18 polykristallin wächst. Bei einem solchen Wachstum spricht man von differentieller Epitaxie. In polykristallinem Silizium liegt eine Vielzahl einkristalliner Bereiche mit jeweils unterschiedlicher Kristallorientierung vor. Das Wachstum der einkristallinen Bereiche wird von der Art der Bildung der Keime mit unterschiedlicher Kristallorientierung beeinflusst. Auf die Keimbildung kann durch die geeignete Wahl des Materials, auf das abgeschieden wird, Einfluss genommen werden. So unterscheidet sich die Keimbildung auf Siliziumnitrid beispielsweise von der auf Siliziumoxid. Das unterschiedliche Material kann dabei vor der differentiellen Epitaxie als dünne Schicht auf die Trench-Isolierungen 18 aufgebracht werden. Gegebenenfalls kann das Aufbringen mit anderen Prozessschritten, z. B. mit Prozessschritten in einem BiCMOS-Verfahren, verbunden werden. Sollen die Widerstandseigenschaften des polykristallinen Basiskontaktbereiches 34 durch Ge und/oder C beeinflusst werden, so kann beispielsweise eine Schicht aus polykristallinem Silizium als Keimschicht für das polykristalline Wachstum des SiGe, ggf. SiGe mit Kohlenstoff (C), verwendet werden.
Während des Abscheidens der SiGe-Legierung des Schichtstapels 30 wird der Dotierstoff, insbesondere Bor, in situ in die SiGe-Legierung mit eingebracht. Außerdem wird auch Kohlenstoff oder Sauerstoff in situ in die SiGe-Schicht eingebracht. Der Kohlenstoff bzw. Sauerstoff dient dazu, in späteren Temperschritten die Diffusion der Dotierstoffatome aus der SiGe-Schicht hinaus zu unterdrücken.
Anstatt mittels eines auf differenzieller Epitaxie basierenden Abscheideprozesses kann das Abscheiden des Schichtstapels auch derart erfolgen, dass der Schichtstapel nur über den (einkristallinen) Kollektorbereichen 12, 14 wächst. Bei einem derartigen Wachstum spricht man von selektiver Epitaxie. In diesem Fall wird das polykristalline Silizium über dem Oxid der Trench-Isolierungen 18 in einem zusätzlichen Abscheideschritt erzeugt.
Kollektorseitig umfasst der Schichtstapel 30 eine Pufferschicht 30a mit einer Dicke von 10 bis 70 nm, vorzugsweise 30 bis 50 nm, insbesondere 40 nm und emitterseitig eine Cap-Schicht 30c mit einer Dicke von 20 bis 60 nm, vorzugsweise 30 bis 50 nm, insbesondere 40 nm. Die Pufferschicht 30a und die Cap-Schicht 30c sind aus den Siliziumschichten des Schichtstapels 30 gebildet. Zwischen der Pufferschicht 30a und der Cap-Schicht 30c befindet sich die Basis 30b. Sie ist aus der SiGe-Schicht gebildet. Die Basis 30b hat eine Dicke von 15 nm bis 70 nm, vorzugsweise 20 bis 40 nm, insbesondere 25 nm. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Basis 30b eigentlich durch die Borverteilung und nicht durch die SiGe- Schicht definiert ist. Da die Weite der Borverteilung jedoch im Wesentlichen mit der Dicke der SiGe-Schicht übereinstimmt, werden im Text die Begriffe "Basis" und "SiGe-Schicht" synonym verwendet.
Es ist wünschenswert, die Dicke der SiGe-Schicht gering zu halten. Mit abnehmender Dicke der SiGe-Schicht kann nämlich die Ge-Konzentration erhöht und somit die Bandlücke der SiGe-Schicht verringert werden. Die Verringerung der Bandlücke beruht dabei auf zwei Effekten. Zum einen hat Ge an sich eine geringere Bandlücke als Si und zum anderen induziert an Gitterplätzen des Si eingebautes Ge (auch substitutionell eingebautes Ge genannt) Spannungen im Gitter, welche die Bandlücke weiter verringern. Je höher der Ge-Anteil der SiGe-Schicht ist, desto höher sind auch die Spannungen im Gitter der SiGe-Schicht. Ab einer bestimmten Ge-Flächendosis (Ge-Konnzentration integriert über die Schichtdicke) treten dabei so große Spannungen auf, dass es zu einer Relaxation in der SiGe-Schicht kommt, die sich nachteilig auf die elektrischen Eigenschaften des HBT auswirken.
Die Zugabe von Kohlenstoff in die SiGe-Schicht hat eine entspannende Wirkung auf die Schicht, ohne dass die Verringerung der Bandlücke der SiGe-Schicht wesentlich negativ beeinflusst wird, weil auch substitutionell eingebauter Kohlenstoff ab einer Konzentration von 0,5% bis 1% die Bandlücke des Siliziums verringert. Durch die Zugabe des Kohlenstoffs tritt die Relaxation in der SiGe-Schicht erst bei einem höheren Ge-Gehalt auf, als dies ohne Zugabe von Kohlenstoff der Fall wäre.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die SiGe-Schicht (Basis 30b) eine Germaniumverteilung (Ge-Verteilung) mit einem Tiefenprofil auf, das einen linearen und einen konstanten Bereich besitzt (siehe Fig. 3). Der lineare und der konstante Bereich erstrecken sich jeweils etwa über die halbe Weite der Basis 30b. Im Ausführungsbeispiel sind dies ca. 12,5 nm (Weite der Basis: 25 nm). Das Maximum der Ge-Verteilung (konstanter Bereich) befindet sich an der kollektorseitigen Grenze der Basis 30b und weist eine Konzentration von mindestens 5 × 10²¹ Ge-Atomen pro cm^-3 vorzugsweise von mehr als 7,5 × 10²¹ Ge-Atomen pro cm^-3 auf. Im Ausführungsbeispiel steigt die Ge-Konzentration im linearen Abschnitt des Profils von 5 × 10²¹ cm^-3 (entspricht 10% Ge-Anteil im Gitter) auf 1 x 10²² cm^-3 (entspricht 20% Ge-Anteil im Gitter) an. Die schräge Ge-Verteilung liefert ein Driftfeld, das eine höhere Transitfrequenz des HBT ermöglicht. Die Ge-Verteilung kann alternativ ein rechteckförmiges Profil aufweisen, d. h. die Ge-Konzentration ist über die gesamte Weite der Basis 30b konstant. Diese Verteilung bietet sich insbesondere bei relativ dünnen Basen an, da damit auch ohne Driftfeld eine befriedigende Transitfrequenz erreicht werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Verteilungen Verwendung finden können. Beispielsweise kann der lineare Abschnitt des in Fig. 3 dargestellten Profils auch durch eine oder mehrere Stufen angenähert werden, so dass ein stufenförmiges Profil entsteht.
Hohe Ge-Konzentrationen reduzieren die Ausdiffusion von Bor, welches die Basis 30b als substitutionellen p-Dotierstoff in einer Konzentration von mindestens 3 × 10¹⁹ cm^-3 vorzugsweise mindestens 5 × 10¹⁹ cm^-3 enthält. Die Borkonzentration von mindestens 3 × 10¹⁹ cm^-3 entspricht bei einer Basisdicke von 15 nm einer Dotierstoffflächendosis von mindestens 4,5 × 10¹³ cm^-3 bei einer Basisdicke von 70 nm einer Dotierstoffflächendosis von mindestens 2,1 × 10¹⁴ cm^-2 Die Borkonzentration von mindestens 5 × 10¹⁹ cm^-3 entspricht bei einer Basisdicke von 15 nm einer Dotierstoffflächendosis von mindestens 7,5 × 10¹³ cm^-2, bei einer Basisdicke von 70 nm einer Dotierstoffflächendosis von mindestens 3,5 × 10¹⁴ cm^-2. Die Dotierung mit Bor erfolgt beim Abscheiden der Basis 30b. Die Basis 30b enthält außerdem während der Abscheidung eingebrachten, substitionellen Kohlenstoff mit einer Verteilung, die ein Tiefenprofil aufweist, in dessen Maximum die Kohlenstoffkonzentration im Bereich von 2 × 10¹⁹ cm^-3 bis 2,5 × 10²⁰ cm^-3 liegt, und vorzugsweise 1 × 10²⁰ cm^-3 beträgt. Das Kohlenstoff-Profil kann ein dem Ge-Profil entsprechendes Profil, ein stufenförmiges Profil u. s. w. sein. Vorzugsweise ist das Kohlenstoffprofil ein rechteckförmiges Profil, dessen Weite der Weite des Ge- Profils entspricht. Durch das Einbauen des Kohlenstoffs in das Kristallgitter wird die Diffusion der Boratome gehemmt. Dies ist von großer Bedeutung im BiC- MOS-Fertigungsprozess, in dem nach der Dotierung der Basis 30b Temperschritte folgen, die ohne Kohlenstoff-Profil zum Ausdiffundieren der Boratome aus der Basis 30b (SiGe-Schicht) führen würden.
Es ist anzumerken, dass in Bipolartransistoren ohne germaniumhaltige Basis Kohlenstoff, der substitutionell in die Basis eingebaut ist, ab einer Kohlenstoffkonzentration von 0,5% bis 1% zu einer Verringerung der Bandlücke führt und daher nicht nur das Ausdiffundieren des Dotierstoffes verhindert sondern auch die elektrischen Eigenschaften des Bipolartransistors vorteilhaft beeinflußt. Es muß daher nicht zwingend Ge in der Basis des Bipolartransistors vorhanden sein. Ein solcher Bipolartransistor ohne Ge weist dann im Vergleich zum SiGe- HBT in der Basis eine höhere Kohlenstoffkonzentration, nämlich eine Kohlenstoffkonzentration im Bereich von 2,5 × 10²⁰ cm^-3 (entspricht 0,5% Kohlenstoff) bis 2 × 10²¹ cm^-3 (entspricht 4% Kohlenstoff), vorzugsweise im Bereich von 5 × 10²⁰ cm^-3 (entspricht 1% Kohlenstoff) bis 1 × 10²¹ cm^-3 (entspricht 2% Kohlenstoff), auf.
Die Cap-Schicht 30c ist undotiert, n-dotiert oder p-dotiert. Verschiedene Beispiele für das Dotierungsprofil sind schematisch in Fig. 3 dargestellt. Im ersten Beispiel liegt im dem Emitter 20 zugewandten Bereich über eine Tiefe von mindestens 8 nm, vorzugsweise 10 nm, eine konstante Dotierstoffkonzentration, vorzugsweise eine Borkonzentration, von maximal 5 × 10¹⁸ cm^-3, vorzugsweise 2 × 10¹⁸ cm^-3 vor. Die Bor-Verteilung entspricht dabei der in Fig. 3 dargestellten As-Verteilung. Die Borkonzentration von maximal 5 × 10¹⁸ cm^-3 entspricht bei einer Tiefe von 10 nm einer Dotierstoffflächendosis von maximal 5 × 10¹² cm^-2, bei einer Tiefe von 8 nm einer Dotierstoffflächendosis von maximal 4 × 10¹² cm^-2. Die Borkonzentration von maximal 2 × 10¹⁸ cm^-3 entspricht bei einer Tiefe von 10 nm einer Dotierstoffflächendosis von maximal 2 × 10¹² cm^-2, bei einer Tiefe von 8 nm einer Dotierstoffflächendosis von maximal 1,6 × 10¹² cm^-2 Im restlichen, der Basis 30b zugewandten Bereich beträgt die Dotierstoffkonzentration weniger als 2 × 10¹⁷ cm^-3 vorzugsweise weniger als 5 × 10¹⁶ cm^-3 _. Dies ist die im Ausführungsbeispiel gewählte Dotierung. Statt dem p-Dotierstoff Bor können auch andere p- oder n-Dotierstoffe, z. B. die n-Dotierstoffe Arsen und Phosphor, Verwendung finden. Mit solchen Dotierungsprofilen kann die Kapazität zwischen der Basis 30b und dem Emitter 20, insbesondere außerhalb des Emitterfensters, wo über der Cap-Schicht 30c eine Oxidschicht 36 sowie eine amorphe oder polykristalline Siliziumschicht 38 gebildet sind, im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen verringert werden. Eine weitere Möglichkeit der Dotierung besteht in einem dreieckförmigen Profil aus einem p-Dotierstoff (ebenfalls in Fig. 3 dargestellt). Das dreieckförmige Profil hat sein Maximum an der dem Emitter 20 zugewandten Seite der Cap-Schicht 30c mit einer Konzentration von 1 × 10¹⁸ cm^-3. Zur Basis 30b hin nimmt die Konzentration an Bor linear auf einen Wert von maximal 5 × 10¹⁶ cm^-3 ab. Die Dotierung der Cap-Schicht 30c erfolgt mit der Abscheidung. In einer weiteren Alternative ist die gesamte Cap-Schicht 30c undotiert. Gegenüber der undotierten Cap-Schicht zeigt die Bor-dotierte Cap-Schicht jedoch ein besseres Basisstromverhalten ohne Verschlechterung der Hochfrequenzeigenschaften und eine bessere Langzeitstabilität.
Im Ausführungsbeispiel enthält die Cap-Schicht 30c keinen Kohlenstoff, sie kann jedoch auch teilweise oder vollständig ein Kohlenstoffprofil enthalten, das während der Abscheidung eingebracht wird, um die Diffusion des Dotierstoffes bei nach der Dotierung vorzunehmenden Temperschritten zu unterdrücken. Die Pufferschicht 30a ist im Ausführungsbeispiel undotiert und enthält keinen Kohlenstoff. Jedoch kann sie auch in Teilbereichen oder vollständig dotiert sein und/oder Kohlenstoff enthalten.
An den Schichtstapel 30 schließt sich in lateraler Richtung eine hoch dotierte, p-leitende Zone (p⁺-Zone), der einkristalline Basiskontaktbereich 33 an, der sich bis zur Trench-Isolation 18 erstreckt. Es sei an dieser Stelle noch einmal erwähnt, dass sich der Schichtstapel auch durch den einkristallinen Basiskontaktbereich 33 hindurch erstreckt, hier jedoch nur der sich unter dem Emitter 20 befindliche Teil des Schichtstapels als Schichtstapel 30 bezeichnet wird. Vom unter dem Emitter gelegenen Schichtstapel 30 unterscheidet sich der einkristalline Basiskontaktbereich 33 durch seine Bordotierung. Das Bor wird im Fertigungsprozess mittels Ionen-Implantation von Bor-Ionen oder Borfluorid-Ionen (BF₂-Ionen) eingebracht. Die im Vergleich zum Schichtstapel 30 größere Tiefe des einkristallinen Basiskontaktbereichs 33 ist eine Folge der Implantation und nachfolgender Temperschritte.
Über der Trench-Isolation 18 verläuft ein polykristalliner Basiskontaktbereich 34 aus polykristallinem Silizium (Polysilizium), der sich an den einkristallinen Basiskontaktbereich 33 anschließt. Er enthält ebenfalls mittels Bor-Ionen bzw. BF₂- Ionen implantiertes Bor in einer hohen Konzentration, sodass er ebenfalls p⁺- dotiert ist. Eine derartige polykristalline Siliziumschicht kann als hochohmiger Polysiliziumwiderstand genutzt werden. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass eine Kohlenstoffbeigabe zu einer Reduzierung des Diffusionskoeffizienten von Bor und damit zu einer Reduzierung bzw. Verhinderung von Segregationseffekten an den Korngrenzen bzw. der Diffusion von Bor aus den einkristallinen Zonen des polykristallinen Siliziums führt. Dies bewirkt eine Stabilisierung der Potenzialbarriere und führte damit zu einer Reduzierung der Temperaturabhängigkeit des Widerstands. Das Grundmaterial, hier Silizium, die geometrischen Abmessungen und die Konzentration von Bor, Kohlenstoff und Germanium beeinflussen die Widerstandseigenschaften, beispielsweise die Temperaturstabilität etc. des polykristallinen Basiskontaktbereichs 34. Daher werden diese Parameter vorzugsweise so gewählt dass sich die gewünschten Widerstandseigenschaften des polykristallinen Basiskontaktbereichs 34 ergeben.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Abscheidung der Schichten für den einkristallinen Basiskontaktbereich 33 und den polykristallinen Basiskontaktbereich 34 im Fertigungsprozess, wie bereits weiter oben beschrieben, zusammen mit der Abscheidung des Schichtstapels 30 mittels differenzieller Epitaxie. Die Implantation des Dotierstoffes erfolgt dann nach dem Strukturieren des Emitters. Während der Implantation der Bor-Ionen bzw. BF₂-Ionen schützt daher der bereits strukturierte und durch eine Maske, insbesondere eine Lackmaske oder eine Nitridschicht, bedeckte Emitter 20 den Abschnitt des Schichtstapels, der sich unterhalb des Emitters 20 befindet, so dass dieser unverändert erhalten bleibt.
Über dem Schichtstapel 30 befindet sich der Emitter 20 des HBT 1. In seiner lateralen Ausdehnung entspricht der Emitter 20 dem Schichtstapel 30, d. h. er erstreckt sich lateral über den zweiten Kollektorbereich 14 hinaus und überlappt partiell den ersten Kollektorbereich 12. Im Bereich des Überlapps befindet sich zwischen dem Schichtstapel 30 und dem Emitter 20 eine an den Schichtstapel 30 angrenzende Oxidschicht 36 mit einer Dicke von 10 bis 100 nm, vorzugsweise 25 bis 60 nm und insbesondere 50 nm, sowie eine an den Emitter 20angrenzende Schicht aus amorphem oder polykristallinem Silizium 38, mit einer Dicke von 10 bis 70 nm, vorzugsweise 30 bis 60 nm und insbesondere 50 nm, sodass der Emitter 20 nur im dem zweiten Kollektorbereich 14 gegenüberliegenden Emitterbereich, dem Emitterfenster, den Schichtstapel 30 kontaktiert. Sowohl die Oxidschicht 36 als auch die Schicht aus amorphem oder polykristallinem Silizium 38 sind die Reste einer Maske, die während des Fertigungsprozesses das Emitterfenster definiert. Durch das Emitterfenster hindurch erfolgt während des Fertigungsprozesses auch die Ionen-Implantation von Phosphor in den ersten Kollektorbereich 12, um so den zweiten Kollektorbereich 14 zu bilden. Auf diese Weise ist der zweite Kollektorbereich 14 zum Abschnitt des Emitters 20, der den Schichtstapel 30 kontaktiert, selbstjustiert.
Die Struktur des Emitters 20 ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. In der Figur sind das Kollektorgebiet 10, die Basis 30b, die Cap-Schicht 30c, die Oxidschicht 36, die Schicht aus amorphem oder polykristallinem Silizium 38 sowie der Emitter 20 vergrößert dargestellt. Die Pufferschicht 30a sowie der zweite Kollektorbereich 14 sind der Einfachheit halber weggelassen.
Der Emitter 20 ist ein so genannter "partiell-einkristalliner Emitter". Ein solcher Emitter zeichnet sich dadurch aus, dass sich an die Cap-Schicht 30c ein einkristalliner Emitterbereich 22 anschließt. Erst in einer Entfernung von 20 bis 50 nm von der Grenze zwischen der Cap-Schicht 30c und dem einkristallinen Emitterbereich 22 beginnt ein aus polykristallinem Silizium (Poly-Si) bestehender Bereich 23 des Emitters 20. Eine solche Struktur des Emitters 20 verbessert das Basisstromverhalten bei verringertem Emitterwiderstand und reduziert das Rauschen bei niedrigen Frequenzen. Alternativ kann der nicht einkristalline Bereich des Emitters 20 anstatt aus polykristallinem Silizium aus amorphem Silizium bestehen.
Durch Ausdiffusion von Dotierstoff aus dem partiell einkristallinen Emitter durch das Emitterfenster in die Cap-Schicht 30c vergrößert sich der einkristalline Emitterbereiches 22 um einen hochdotierten (n⁺-dotiert) Bereich in der Cap-Schicht 30c, dessen basisseitige Berandung in Fig. 4 gestrichelt gezeichnet ist. Unterhalb des einkristallinen Emitterbereichs 22 schließt sich an den partiell einkristallinen Emitter ein gering dotierter (n^--dotierter) Emitterbereich 24 mit einer Dotierstoffkonzentration von weniger als 5 × 10¹⁸ cm^-3 und einer Dicke von mindestens 8 nm bis maximal 50 nm, vorzugsweise 10 bis 30 nm und insbesondere 15 bis 22 nm an. Der schwach dotierte Emitterbereich entsteht aufgrund der Diffusion des Dotierstoffes aus dem partiell einkristallinen Emitter durch das Emitterfenster in die Cap-Schicht 30c. Der gering dotierte Emitterbereich bestimmt das sog. innere Emittergebiet. Der partiell einkristalline Emitter selbst ist mit einer Dotierstoffkonzentration von mindestens 5 × 10¹⁹ cm^-3 insbesondere mindestens 1 × 10²⁰ cm^-3 hoch dotiert (n⁺-dotiert). Als n-Dotierstoff für den partiell einkristallinen Emitter wird vorzugsweise Arsen verwendet. Es können jedoch auch andere n- Dotierstoffe, wie zum Beispiel Phosphor, Verwendung finden. Die Dotierung des partiell einkristallinen Emitters kann wahlweise in situ während der Abscheidung des Siliziums erfolgen oder nachträglich durch Ionen-Implantation. Anstatt aus Silizium kann der partiell einkristalline Emitter alternativ auch aus einer Silizium- Germanium-Legierung mit oder ohne Kohlenstoff ausgebildet sein. Mittels des in den Emitter 20 eingebrachten Germaniums und/oder Kohlenstoffes kann der Basisstrom gezielt variiert werden.
An den Seiten des Emitters 20 sind als Schutzschicht für den Emitter 20 Abstandshalter (englisch: spacer) 26 aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) vorgesehen. Alternativ kann auch Siliziumoxid (SiO₂) vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, auf die Abstandshalter 26 zu verzichten und die Oxidschicht 36 für die elektrische Isolation von Basis und Emitter zu nutzen. Die Oberseiten des Emitters 20, des Kollektor-Anschlussbereiches 16, des einkristallinen Basiskontaktbereichs 33 sowie des polykristallinen Basiskontaktbereiches 34 sind von einer Silizium- Metall-Verbindung, der Kontakt-Silizidschicht 48 bedeckt. Über all denjenigen Bereichen der Oberfläche, in denen kein Kontakt-Silizid gebildet werden soll, wird vor dem Bilden der Kontakt-Silizidschicht 48 eine sog. Silizidblockerschicht, z. B. eine Nitridschicht, abgeschieden. Die Kontakt-Silizidschicht 48 wird im Fertigungsprozess über allen zur Zeit der Durchführung des Silizierungsprozesses freiliegenden Siliziumbereichen des HBT gebildet. Auf diese Weise erfolgt die Bildung der Kontakt-Silizidschicht 48 selbstjustiert. Über dem gesamten HBT erstreckt sich mit Ausnahme der Kontaktfenster für Basis, Emitter und Kollektor eine Schutzschicht aus Siliziumnitrid 49. Darüber befindet sich wiederum eine dicke Isolationsschicht, die eine Oxidschicht 50 umfasst. Durch die Isolationsschicht erstrecken sich Kontaktlöcher 54 zur Kontaktierung der Basis-, Emitter- und Kollektoranschlüsse, welche mit einem Metall, beispielsweise Wolfram, gefüllt sind und zu externen Anschlüssen 56 führen.
Die Verwendung von Kohlenstoff ermöglicht es, die Herstellung des Bipolartransistors in den CMOS-Prozess zu integrieren. Dabei verringert Kohlenstoff im Substrat die Diffusionsanfälligkeit des CMOS-Prozesses und Kohlenstoff in der Basis des Bipolartransistors die des Bipolar-Prozess. Dies gilt sowohl für thermische Diffusion als auch für Transient Enhanced Diffusion, TED. Im CMOS- Prozess kann der Kohlenstoff außer zur Erhöhung der Latch-up-Festigkeit auch dazu verwendet werden, in einem MOSFET das Ausdiffundieren der Dotierstoffatome aus der Source-Extention und der Drain-Extention zu unterdrücken, um so das Erzeugen kürzerer Kanäle zwischen der Source-Extention und der Drain- Extention zu ermöglichen.
Im Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen ein Bipolartransistor beschrieben worden, der Kohlenstoff enthält. Die durch das Einbringen des Kohlenstoffs erzielten Wirkungen können anstatt durch das Einbringen von Kohlenstoff aber auch durch das Einbringen von Sauerstoff erzielt werden. Die dazu nötigen Sauerstoffkonzentrationen und -dosen entsprechen im Wesentlichen denen von Kohlenstoff. Beispielsweise kann die Basis 30b Sauerstoff, vorzugsweise in einer Konzentration von 2 × 10¹⁹ bis 2,5 × 10²⁰ cm^-3 enthalten.
Außerdem erstreckt sich der Emitter im beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht bis zu den Trench-Isolierungen 18 (Feldisolationsgebiete). In einer alternativen Ausgestaltung kann der Emitter jedoch auch ganz oder teilweise bis zu den Feldisolationsgebieten oder sogar bis auf die Feldisolationsgebiete ausgedehnt sein. Wo sich der Emitter bis zu den oder über den Feldisolationsgebieten erstreckt, ist kein einkristalliner Basiskontaktbereich vorhanden. Die Kontaktierung des Emitters kann dann beispielsweise auch in den Bereichen erfolgen, die über den Feldisolationsgebieten liegen.
Anstatt den Kohlenstoff oder Sauerstoff epitaktisch einzubringen, beispielsweise in die Basis, kann der Kohlenstoff oder Sauerstoff auch implantiert werden.

Claims

1. Bipolartransistor mit einem Kollektor (10) und einem Emitter (20) eines ersten Leitfähigkeitstyps sowie einer Basis (30b) eines zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, wobei die Basis (30b) Kohlenstoff oder Sauerstoff in einer Verteilung aufweist, in der die maximale Konzentration im Bereich von 2 × 10¹⁹ bis 2 × 10²¹ cm^-3 liegt, und wobei der Emitter (20) basisseitig einen einkristallinen Emitterbereich (22) umfasst und in den übrigen Bereichen polykristallin oder amorph ausgebildet ist.

2. Bipolartransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (30b) einen Dotierstoff mit einer Flächendosis von mindestens 4,5 × 10¹³ cm^-2 enthält.

3. Bipolartransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächendosis mindestens 7,5 × 10¹³ cm^-2 beträgt.

4. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (30b) eine SiGe-Schicht umfasst, bei der die Germaniumkonzentration mindestens 2% beträgt und die Kohlenstoff oder Sauerstoff in einer Verteilung enthält, in der die maximale Konzentration im Bereich von 2 × 10¹⁹ bis 2,5 × 10²⁰ cm^-3 liegt.

5. Bipolartransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Germaniumkonzentration 5% bis 25% beträgt.

6. Bipolartransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Germaniumkonzentration 10% bis 20% beträgt.

7. Bipolartransistor nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (30b) eine Siliziumschicht umfasst, die Kohlenstoff oder Sauerstoff in einer Verteilung mit einer maximalen Konzentration von 2,5 × 10²⁰ cm^-3 bis 2 × 10²¹ cm^-3 enthält.

8. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem einkristallinen Emitterbereich (22) und der Basis (30b) eine Cap-Schicht (30c) vorhanden ist.

9. Bipolartransistor nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Cap- Schicht (30c) schwach dotiert ist.

10. Bipolartransistor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Cap- Schicht (30c) emitterseitig einen Bereich umfasst, in dem die Dotierstoffflächendosis zwischen 1,6 × 10¹² cm^-2 und 5 × 10¹² cm^-2 beträgt.

11. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Cap-Schicht (30c) den gleichen Dotierstoff wie die Basis (30b) enthält.

12. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (20) eine Dotierstoffkonzentration von mindestens 5 × 10¹⁹ cm^-3 aufweist.

13. Bipolartransistor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (20) eine Dotierstoffkonzentration von mindestens 1 × 10²⁰ cm^-3 aufweist.

14. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (20) Kohlenstoff oder Sauerstoff und/oder Germanium enthält.

15. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (10) einen ersten dotierten Kollektorbereich (12) und einen zweiten dotierten Kollektorbereich (14) aufweist, wobei der zweite Kollektorbereich (14) in einem Abschnitt des ersten Kollektorbereiches (12) gebildet ist, der eine Dotierstoffkonzentration aufweist, die niedriger ist als die Dotierstoffkonzentration des zweiten Kollektorbereiches (14).

16. Bipolartransistor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kollektorbereich (12) ein Dotierstoffprofil (13) mit einem Maximum aufweist, in dem die Dotierstoffkonzentration im Bereich von 5 × 10¹⁷ bis 5 × 10²⁰ cm^-3 liegt, wobei die Dotierstoffkonzentration des Dotierstoffprofils (13) dort, wo sich der zweite Kollektorbereich (14) befindet, weniger als 1 × 10¹⁷ cm^-3 beträgt.

17. Bipolartransistor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration im zweiten Kollektorbereich (14) einen Wert zwischen 1 × 10¹⁶ und 1 × 10¹⁸ cm^-3 besitzt.

18. Bipolartransistor mit einem Kollektor (10) und einem Emitter (20) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer Basis (30b) eines zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sowie einem Basiskontaktbereich (33, 34), wobei der Basiskontaktbereich (33, 34) einen polykristallinen Basiskontaktbereich (34) umfasst, der Kohlenstoff oder Sauerstoff enthält und dessen Dotierstoff-Konzentration derart gewählt ist, dass er einen vorgegebenen Widerstandswert aufweist.

19. Bipolartransistor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der polykristalline Basiskontaktbereich (34) einen hochohmigen Widerstand darstellt.

20. Bipolartransistor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der polykristalline Basiskontaktbereich (34) auf einer isolierenden Unterlage (18) gebildet ist.

21. Bipolartransistor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Unterlage das Oxid einer Trench-Isolierung (18) umfasst.

22. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass er einen polykristallinen Basiskontaktbereich (34) nach einem der Ansprüche 18 bis 21 umfasst.

23. Bipolartransistor mit einem Kollektor (10) und einem Emitter (20) eines ersten Leitfähigkeitstyps sowie einer Basis (30b) eines zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, bei dem der Kollektor (10) einen ersten Kollektorbereich (12) und einen zweiten Kollektorbereich (14) aufweist, wobei der erste Kollektorbereich (12) ein Dotierstoffprofil (13) mit einer Zone hoher Dotierstoffkonzentration und einer Zone geringer Dotierstoffkonzentration aufweist und wobei der zweite Kollektorbereich (14) dort im ersten Kollektorbereich (12) gebildet ist, wo die Zone geringer Dotierstoffkonzentration des Dotierstoffprofils (13) vorliegt, und der zweite Kollektorbereich (14) eine gegenüber dieser Zone des Dotierstoffprofils (13) höhere Dotierstoffkonzentration aufweist.

24. Bipolartransistor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierstoffprofil (13) in der Zone hoher Dotierstoffkonzentration eine Dotierstoffkonzentration von 5 × 10¹⁷ bis 5 × 10²⁰ cm^-3 und in der Zone geringer Dotierstoffkonzentration eine Dotierstoffkonzentration von weniger als 1 × 10¹⁷ cm^-3 aufweist.

25. Bipolartransistor nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration des zweiten Kollektorbereiches (14) im Bereich zwischen 1 × 10¹⁶ und 5 × 10¹⁸ cm^-3 liegt.

26. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kollektor (10) nach einem der Ansprüche 23 bis 25 umfasst.

27. Verfahren zum Herstellen eines Bipolartransistors umfassend die Schritte:

1. Abscheiden einer Silizium umfassenden Schicht auf ein Gebiet, das eine einkristalline Siliziumoberfläche und eine isolierende Oberfläche umfasst, so dass ein auf die isolierende Oberfläche abgeschiedener Abschnitt der Silizium umfassenden Schicht entsteht,

- Einbringen von Kohlenstoff oder Sauerstoff in die Silizium umfassende Schicht (30),

- Einbringen eines Dotierstoffes in den auf die isolierende Oberfläche abgeschiedenen Abschnitt der Silizium umfassenden Schicht in einer Konzentration, die so gewählt ist, dass dieser Abschnitt der Silizium umfassenden Schicht einen vorbestimmten Widerstandswert erhält.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff während des Abscheidens der Silizium umfassenden Schicht eingebracht wird.

29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff mittels Ionen-Implantation in den auf die isolierende Oberfläche abgeschiedenen Abschnitt der Silizium umfassenden Schicht eingebracht wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass als die isolierende Oberfläche eine Oxidoberfläche verwendet wird.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass als Silizium umfassende Schicht eine SiGe-Schicht abgeschieden wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Bildens eines Emitters umfasst und das Einbringen des Dotierstoffes nach dem Bilden des Emitters erfolgt.