DE102005047221A1 - Halbleiterschichtfolge und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Doppelhetero-Tunneltransistor-Schichtfolge aus Silizium-Germanium-Kohlenstoff und ein Verfahren zu deren Herstellung. Es wird eine Schichtfolge aus fünf Schichten vorgeschlagen S1 - S5. Dabei wird die Schichtfolge vorzugsweise mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden und mittels Kurzzeittemperung nachbehandelt. Es wird erwartet, dass eine solche Transistorstruktur Grenzfrequenzen im Terahertz-Bereich besitzen wird.
Description
- Zur Zeit wird versucht die Grenzfrequenz von Silizium basierten Bauelementen immer weiter nach oben zu schrauben. Man hat Grenzfrequenzen von 350 GHz mittels Einführung einer Silizium Germanium Basis in so genannten Hetero-Bipolar-Transistoren (HBT) erreicht. Die Basis von HBTs ist aus Silizium-Germanium, Emitter und Kollektor werden aus reinem Silizium hergestellt. Es wurde immer wieder versucht das Germaniumprofil zu variieren, um die Bauelementeeigenschaften zu verbessern. Die Basis ist häufig p-dotiert. Beim HBT verhindert die Silizium Germanium (SiGe) Basis durch den energetischen Bandsprung, der fast ausschließlich im Valenzband stattfindet, die Diffusion von positiven Ladungen, Löchern, aus der Basis.
- Gleichzeitig wird die Barriere durch den verringerten Bandabstand des Silizium Germaniums für die Elektronen im Leitungsband reduziert, so dass eine erhöhte Stromverstärkung entsteht. Bei der Herstellung von SiGe-HBTs ist das Temperaturbudget ein großes Problem für die Erhaltung der Bauelementeeigenschaften, da das Bor in der Basis tendiert auszudiffundieren und für niederohmige Kontakte in der Bauelementetechnologie oft die Notwendigkeit von Hochtemperaturschritten von über 1000°C besteht. In [1, 2, 3] wurde vorgeschlagen Kohlenstoff in die SiGe-Basis einzuführen, um die Borausdiffusion bei Hochtemperaturschritten, die in der Silizium-IC-Fertigung gefordert sind zu unterdrücken. In [4, 5] wurde vorgeschlagen den Kollektor mit Kohlenstoff zu dotieren, um die Durchbruchfeldstärke von HBTs zu erhöhen. In [6] wurde ein modulationsdotierter Feldeffekttransistor vorgeschlagen, der einen intrinsischen SiC-Kanal umgeben von SiGe-Schichten auf einem SiGe-Buffer besitzt. Darüber hinaus sind aus der III-V-Technik Doppel-Hetero-Tunneltransistoren bekannt [7]. Auch in SiGe wurden bereits Si-SiGe resonante Interband-Tunneldioden mit negativ differentiellem Widerstand veröffentlicht, um Tri-Stage Logik zu demonstrieren [8].
- Aufgabe der Erfindung
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Schichtfolge im Silizium-Germanium-Kohlenstoff System vorzuschlagen, dass den Bau eines siliziumbasierten Doppel-Hetero-Tunneltransistors und andere elektrische und elektro-optische Bauelemente erlaubt.
- Beschreibung der Erfindung
- Im Gegensatz zum Stand der Technik wird in der vorliegenden Erfindung ein Dotierungs- (
1 ) und Bandprofil (2 ) wie in Doppel-Hetero-Tunneltransistoren gewählt. Diese Struktur hat den Vorteil der Diffusionsunterdrückung von Ladungsträgern. In dieser Struktur können z.B. Elektronen nur in Richtung des elektrischen Felds bewegt werden, da sie sonst eine Barriere sehen, die ohne Feld nicht zu überwinden ist. Dieser Vorteil führt dazu, dass man nun in der Lage ist ein nahezu perfektes Bauelement zu designen, denn neben der Löcherrückdiffusion aus der Basis durch den Bandkantensprung zwischen Silizium und Germanium kann man nun auch die Rückdiffusion von Elektronen im Leitungsband unterdrücken. Diese Struktur kann demnach als schneller Transistor, als Solarzelle oder als Ausgangsstruktur für einen Laser eingesetzt werden. - Das Ausgangsmaterial kann üblicherweise ein Siliziumwafer sein. Es kann für diese Struktur, ein vorstrukturierter Wafer Verwendung finden, wobei mit Metal, Nitrid oder Oxid bedeckte Bereiche lateral neben freien Halbleiteroberflächen liegen. Durch diese Art der Epitaxie wird gewährleistet, dass Versetzungen, die zwangsläufig durch die Gitterfehlanpassung entstehen lateral abgebaut werden. Die Abscheidungsmethoden können vorzugsweise CVD sein. Aber auch andere ganzflächige oder selektive Abscheidungsmethoden, wie z.B. MBE, PLD oder PECVD könnten zum Einsatz kommen.
- Im Folgenden wird eine Variante zur Herstellung einer Tunnel-Schichtfolge für das Silizium-Germanium-Kohlenstoff System im Detail beschrieben:
Man startet üblicherweise mit einer dünnen Silizium Startschicht(S0), die im Bereich von ca. 5–20nm liegt. Auf diese wird eine um 1–7 nm Dicke Si-Schicht(S1), die mit Kohlenstoff im Bereich von 1–100 × 1019cm-3 dotiert ist, abgeschieden. Diese Schicht kann auch in einer Variante des Prozesses aus SiGe:C bestehen. Darauf folgt eine wenige Nanometer starke undotierte Zwischenschicht aus Si1-xGex(S2). Es folgt eine Bor dotierte Si1-xGeX-Basisschicht(S3), mit x zwischen 0–0,5 und einer Dotierung oberhalb der Entartung für p-dotiertes Silizium, > 4 × 1018cm-3 sowie einer Schichtdicke von einigen Nanometern bis zu 20nm. Die Dicke muss der entsprechenden Germaniumkonzentration angepasst werden und die Tunnelbedingungen erfüllen. Die Theorie hierzu ist z.B. in [7] beschrieben. Diese Schicht wird bedeckt von einer Kohlenstoff dotierten SiGe- oder Si-Schicht, dabei liegt die Kohlenstoffdotierung üblicherweise zwischen 2–10 1019cm-3(S4). Als Deckschicht wird eine wenige Nanometer (20–80 nm) dicke Siliziumschicht(S5) aufgebracht. Diese Schicht ist mit Arsen oder einem anderen Dotanten > 0,1 × 1018cm-3 n-dotiert. Innerhalb der Bauelementprozessierung wird häufig auch eine weitere Schicht mit amorphem Silizium oder amorphen SiGe(S6) aufgebracht, die üblicherweise mit über 10 × 1019cm-3 n-dotiert ist. Die gesamte Schichtfolge ist3a und b zu finden. Durch das wiederholte Abscheiden der Schichten S1 bis S5 kann eine Übergitterstruktur, ein so genanntes Multiquantumwell (MQW), erzeugt werden, dessen Schichtfolge in4 schematisch dargestellt ist. - Es stellt sich eine Bandstruktur ein, wie sie beispielhaft in
2 dargestellt ist. Dabei sind die verschiedenen Bereiche wie folgt in Bezug auf die Bauelementefunktion zu beschreiben: Der Bereich ➀ ist ein hoch n-dotierter Bereich, bei dem das Leitungsband EL unterhalb des Ferminiveaus liegt und aus den Schicht S5 und/oder S6 gebildet wird. Der Bereich ➁ ist der Bereich der Schicht S4 in der Flachbandzustand erreicht wird, wohingegen der Bereich ➂ die emitterseitige Raumladungszone der Bauelementestruktur beschreibt. Die Bereiche ➃ und sind mit Kohlenstoff versetzt – Schichten S1 und S4 und es entsteht eine höhere Bandlücke als im reinen Silizium oder im Silizium Germanium. Der Bereich ➄ dient als Basis der Struktur und beinhaltet Schicht S2 und Schicht S3. Der Bereich ➆ beschreibt die kollektorseitige Raumladungszone, die durch eine hohe n-Dotierung dieser Gebiete nur einige nm weit sein kann. Das Gebiet ➇ ist eine mit Donatoren versehene Siliziumschicht, die z.B. durch Diffusion oder Implantation im Substrat erzeugt wurde. Der nicht explizit dargestellte Bereich ➈ ist in Analogie zu Bereich ➀ zu sehen und könnte aus einem hoch dotiertem buried layer oder einem vergrabenen Silizid oder Metall bestehen. - Die Bandstruktur der Schichtfolge in
1 zeichnet sich dadurch aus, dass sich im Bereich ➄ der2 so genannte Subbander als Lösung der Schrödingergleichung ergeben, die in der Literatur üblicherweise mit X-Band-Energieniveaus bezeichnet werden. Diese liegen energetisch in der Größenordnung von 0,1 Elektronvolt oberhalb der Leitungsbandkante, die mit EL in2 bezeichnet wurde. Die lokale Lage der sich einstellenden X-Bandniveaus im reziproken Gitter kann dazu führen, dass aus dem indirekten SiGe ein direkter Halbleiter wird. Dies gilt vor allem für den Fall von Übergittern, bzw. Multiquantumwells. - Legt man nun eine positive Spannung an den Kollektor an und z.B. das Potential Null an den Emitter können Elektronen durch die wenige Nanometer dicken Energiebarrieren ➃ und tunneln und direkt an der Leitungsbandkante oder über die X-Niveaus zum Kollektorbereich gelangen. Über eine Spannung an der Basis kann dieser Prozess gesteuert werden und damit ein Doppelheterotunneltransistor erzeugt werden.
- Da dieser Prozess stoßfrei geschieht, kann davon ausgegangen werden, dass das Bauelement sehr schnell schalten kann. Es werden aufgrund der Erfahrung mit SiGe-HBTs Grenzfrequenzen im Terahertz Bereich erwartet.
- Vorteile und Besonderheiten:
- Die vorgeschlagene Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass mit ihr verschiedene Arten von Bauelementen erzeugt werden können. Zum einen kann der oben beschriebene DHT hergestellt werden. Dabei dienen die beiden Kohlenstoffschichten zum einen als Diffusionsbarriere für Ge und B und gleichzeitig als Tunnelbarrieren für die Elektronen und die Löcher.
- Die Basis-Emitter-Diode kann als hocheffiziente Solarzelle verwendet werden. Dabei koppelt das Licht aufgrund der Bandstruktur in die Basis ein und erzeugt damit um ein vielfaches mehr Elektron-Loch-Paare als herkömmliche Solarzellen, da die Rekombination von Elektron-Loch-Paaren fast vollständig unterdrückt wird. Eine besondere Variante einer solchen Solarzelle wäre die Abscheidung einer solchen Struktur an einem Siliziumdraht, der in Scheiben geschnitten werden kann.
- Die Struktur kann als Wellenleiter dienen, da die SiGeC- bzw. SiC Schichten einen höheren Brechungsindex besitzen als die SiGe-Basis.
- Die Basis kann als Kanal für modulationsdotierte Feldeffekttransistoren genutzt werden, da die Ladungsträger durch die Energiebarrieren einen vertikal genau definierten Kanal besitzen. Die vorgeschlagene Bauelementestruktur kann als hochempfindlicher Infrarot-Sensor genutzt werden.
- Darüber hinaus kann bei genauer Anpassung der Basis sowie der lateralen Abmessungen der Struktur ein Siliziumlaser hergestellt werden.
- Beschreibung der Abbildungen:
-
1 : Schematischer beispielhafter Dotierungsverlauf der Bauelementeschichtfolge -
2 : Energiebandverlauf mit Leitungsbandkante EC, Valenzbandkante EV und Ferminiveau EF -
3 : Schichtfolge der Erfindung: S0–Si, S1 Si:C, S2 SiGe undotiert oder SiGe:C, S3 SiGe p-dotiert, S4 Si:C oder SiGe:C, S5 Si n-dotiert und S6 Si n-dotiert auf einem Siliziumsubstrat -
4 : Schnitt durch eine rotationssymmetrische Heterotunnelstruktur an einem Draht D -
5 : Vielschichtstruktur, z.B. zur Erzeugung eines Übergitters auf einem Substrat S - Literatur
-
- [1]
DE 196 52 423 A1 - [2]
EP 1 282 172 - [3] JP 2003 257 868
- [4] WO 02 061 820
- [5]
US 2004 097 049 - [6]
US 6 936 869 - [7] F. Capasso et al. IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.36, No 10, 1989
- [8] N. Jin et al., IEEE Electron Device Letters Vol 25, No 9, pp.646–648, 2004
Claims (23)
- Eine Halbleiterschichtstruktur aus mindestes fünf verschiedenen Schichten auf einem Silizium-, Siliziumoxid-Substrat oder einem anderen siliziumhaltigen Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass a) die erste Schicht mindestens aus Silizium und Kohlenstoff, b) die zweite Schicht aus undotiertem oder teilweise dotiertem Silizium-Germanium, c) die dritte Schicht aus dotiertem Silizium-Germanium, d) die vierte Schicht mindestens aus Silizium und Kohlenstoff und e) die fünfte Schicht aus dotiertem Silizium besteht.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und vierte Schicht je eine Dicke von 1 bis 10 nm aufweisen.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und dritte Schicht ganz oder teilweise p-dotiert sind und deren Germaniumgehalt zwischen 0 und 50% liegt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Schicht konstant oder graduiert mit 1–10 × 1018cm-3 n-dotiert ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht mit Bor oder Aluminium dotiert und die fünfte und sechste mit Arsen oder Antimon dotiert sind.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten mittels MBE oder einem CVD Verfahren hergestellt werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Schicht eine Siliziumstartschicht abgeschieden wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht mit Kohlenstoff dotiert wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die sechste Schicht aus einer amorphen hoch n-dotierten Silizium oder Silizium-Germanium-Schicht besteht.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht ebenfalls teilweise mit Kohlenstoff dotiert ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiebandverlauf ähnlich wie in
2 erzeugt wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein komplementärer Bandverlauf zu
2 durch Dotierungsumkehr erzeugt wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolge 1-2-3-4-5 ganz oder teilweise mehrmals wiederholt hintereinander abgeschieden werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats aus lateral strukturiertem Silizium und Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder Metall oder Silizid oder einem leitenden lichtdurchlässigen Oxid besteht.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial ein Silicon on Isolator Wafer ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial mit Silizium, Silizid, Oxid oder Metall bedeckt ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial aus einer Kombination der Verfahren unter den Ansprüchen 14, 15 und 16 hergestellt ist.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten nach Fertigstellung Temperatur behandelt werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial ein Draht, eine Röhre oder ein Stab ist und die Abscheidung konzentrisch erfolgt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial unter Anspruch 18 zusätzlich mit einem Metall beschichtet wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die fertige Bauelementestruktur nach Anspruch 19 und 20 in Scheiben zerlegt wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Bauelementschichtfolge, insbesondere S1, S2 und S3, abgeschieden und strukturiert wird und Bauelemente daraus gefertigt werden.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel strukturiert wird und aus den Bauelementeschichtfolgen Bauelemente gefertigt werden.
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