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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Bipolartransistor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Bipolartransistoren
werden in vielfältiger Weise
in integrierten analogen und digitalen elektronischen Schaltungen
eingesetzt. Insbesondere werden Bipolartransistoren wegen ihrer
kurzen Schaltzeiten für
Hochgeschwindigkeitsanwendungen genutzt. Die Leistungsfähigkeit
von Bipolartransistoren im Hochgeschwindigkeitsbereich konnte durch
eine vertikale und laterale Skalierung der Transistordimensionen
und durch die Einführung
epitaxial hergestellter Basisschichten erheblich gesteigert werden.
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Dazu
hat insbesondere die Entwicklung von Heterobipolartransistoren beigetragen.
Bei Heterobipolartransistoren bestehen die Emitter- und Basisschicht
aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, wobei der Emitter eine
größere Bandlücke besitzt
als die Basis. Ein Beispiel dafür
sind SiGe-Heterobipolartransistoren,
bei denen der Emitter aus Silizium (Si) besteht und die Basis eine
Silizium-Germanium-Legierung (SiGe) enthält.
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Die
Hochfrequenzeigenschaften moderner Bipolartransistoren werden bei
zunehmender Skalierung durch die Widerstände von Basis, Emitter und Kollektor
sowie durch parasitäre
Basis-Emitter- und Basis-Kollektor-Kapazitäten limitiert. Insbesondere kann
durch eine Reduktion des Basiswiderstandes die Grenzfrequenz der
Leistungsverstärkung
gesteigert werden. Diese Grenzfrequenz wird als fmax bezeichnet.
Darüber
hinaus führt
eine Reduktion des Basiswiderstandes zu einer Verbesserung der Rauscheigenschaften
des Transistors.
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Der
konventionelle Weg zur Reduzierung des Basiswiderstandes ist eine
Ionenimplantation in die extrinsische Basisregion, die nachfolgend
auch als äußerer Basisabschnitt
oder äußeres Basisgebiet bezeichnet
wird (englisch: extrinsic base region). Derartig hergestellte Transistoren
haben den Nachteil, dass bei der Ionenimplantation entstehende Implantationsschäden zu einer
verstärkten
Diffusion der Dotieratome führen
und dadurch letztlich die Leistungsfähigkeit der Transistoren begrenzen. 1 zeigt
die extrinsische und die intrinsische Basisregion in einer Draufsicht
auf einen Bipolartransistor. Ein alternatives Konzept zur Reduzierung
des Basiswiderstandes unter Vermeidung von Implantationsschäden ist
die Verstärkung
der Basisschicht durch eine zusätzliche
Halbleiterschicht im äußeren Basisabschnitt.
Nach dem bekanntem Stand der Technik gibt es zwei alternative Zugänge zur
Realisierung derartiger verstärkter
Basisanschlussschichten:
- (1) Herstellungsverfahren,
die auf selektiver Epitaxie des inneren Basisschichtabschnitts beruhen.
Der innere Basisschichtabschnitt, nachfolgend auch intrinsische
Basisschicht oder Basisregion oder Basisgebiet genannt, bildet den
Bereich der Basis, der im lateralen Bereich des Emitterfensters
unter diesem angeordnet ist. Herstellungsverfahren mit selektiver
Epitaxie nutzen üblicherweise
eine vor der Abscheidung des inneren Basisab schnitts hergestellte
Poly-Siliziumschicht als Basisanschluss. Ein derartiger Transistor
wurde von Yamazaki in US
5,523,606 A beschrieben. Mittels selektiver Epitaxie wird
eine Basisschicht auf freigelegte Teile der Substratoberfläche und
in Hohlräume
abgeschieden, die durch die Substratoberfläche und Überhänge der als Basisanschluss
dienenden Poly-Siliziumschicht
gebildet werden. Ein wesentlicher Nachteil dieser Konstruktion ist
die schlechte Prozesskontrolle für
die selektive Abscheidung unterhalb der überhängenden Poly-Siliziumschicht.
Darüber
hinaus führt
die Abscheidung der intrinsischen Basis unterhalb der überhängenden
Basisanschlussschicht zu einer Vergrößerung der Fläche des
Basis-Kollektor-Übergangs,
wodurch die Basis-Kollektor-Kapazität erhöht wird. Diese konstruktiven
Einschränkungen
führen
letztendlich zu einer Limitierung der Hochfrequenzparameter.
- (2) Ahlgren et al., US
6,492,238 B1 haben die Herstellung einer erhöhten Basisanschlussregion
mittels Chemisch-Mechnischer-Politur (CMP) beschrieben. Der entsprechende
Transistoraufbau ist in 2 skizziert. Entsprechend US 6,492,238 B1 hergestellte
Transistoren besitzen eine epitaxiale Basisschicht 101 und
einen erhöhten äußeren Basisabschnitt 102.
Der Emitter 103 ist von dem erhöhten äußeren Basisabschnitt 102 durch
die Isolationsschicht 106 sowie durch eine innere Abstandschicht
(Spacer) 104 und eine äußere Abstandschicht 105 getrennt.
Ein Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, dass die durch den Doppelspacer 104/105 gebildete
Isolation zwischen Emitter und erhöhtem äußerem Basisabschnitt an der
Grenze epitaxialen Basisschicht 101 ihre größte Breite
besitzt. Diese Konstruktion erweist sich als nachteilig bei der
gemeinsamen Minimierung von Basiswiderstand und Basis-Emitter-Kapazität und bewirkt
damit Einschränkungen
der Hochfrequenzparameter. Weiterhin ist die Wahl der Dicke der
Isolationsschicht 106 durch die Toleranzen der bekannten CMP-Verfahren
eingeschränkt.
Eine zu große
Dicke der Isolationsschicht 106 kann zu erhöhten Emitterwiderständen führen. Weiterhin
wird durch die zweifache Anwendung von CMP-Verfahren entsprechend US 6,492,238 B1 die
Komplexität des
Herstellungsprozesses wesentlich erhöht.
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Aus
dem Dokument
EP 0 418
185 A1 ist ein Bipolartransistor bekannt, bei dem ein Abstandshalter
mit seiner unteren Grenzfläche
an eine auf der Basisschicht aufliegende undotierte Schicht angrenzt.
Der Abstandshalter hat einen gekrümmten Verlauf, der etwa die
Form des Buchstabens „J” hat. Der
Abstandshalter ist aus einer ONO(Oxid-Nitrid-Oxid)-Schichtfolge
in lateraler Richtung schon aufgebaut. Derartige Kompositionsspacer
führen
mit einer Gesamtdicke von ca. 150 mm, aufgrund ihrer schon prozesstechnisch
bedingten Dicke zu einer Konstruktion mit einem hohen Basiswiderstand,
der durch die in der
EP
0 418 185 A1 gewünscht
schmale Ausdehnung der Basis bedingt ist.
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Gegenüber dem
bekannten Stand der Technik stellt sich das technische Problem,
einen Bipolartransistor mit geringem Basiswiderstand anzugeben, der
mit geringem Aufwand herstellbar ist und bei dem Basis und Emitter
im Hinblick auf eine gute Hochfrequenztauglichkeit des Bipolartransistors
verbessert werden.
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Dieses
Problem wird durch einen Bipolartransistor nach Anspruch 1 sowie
ein Verfahren nach Anspruch 21 gelöst.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es gelingt, den Basiswiderstand
zu verringern, wenn die Abstandsschicht zwischen Emitter und dem äußeren Basisabschnitt
in ihrer lateralen Erstreckung (Breite) an der Grenze zum inneren
Basisabschnitt schmal ausgebildet wird. Die Erfindung schließt zugleich
die Erkenntnis ein, dass andererseits eine zu geringe mittlere Breite
der Abstandsschicht nachteilige Auswirkungen auf die Basis-Emitter-Kapazität hat. Ein
Nachteil der beschriebenen vorbekannten Konstruktionen besteht demnach
insbesondere darin, dass die Isolation zwischen Emitter und äußerer Basisschicht
an der Grenze zur inneren Basisschicht ihre größte Breite besitzt. Dies bedingt
im Licht der vorliegenden Erfindung einen unnötig erhöhten Basiswiderstand.
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Die
Grundidee der Erfindung ist es, die laterale Erstreckung des Abstandshalters
(engl. Spacer) zwischen Emitter und äußerem Basisabschnitt an seiner
Grenzfläche
zum inneren Basisabschnitt möglichst
gering zu halten und mit zunehmender Höhe über dem inneren Basisabschnitt
wachsen zu lassen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird das technische Problem daher gelöst durch
einen Bipolartransistor auf einem Substrat, umfassend eine Basis
mit einem inneren Basisabschnitt und einem äußeren Basisabschnitt, der an
den inneren Basisabschnitt in zur Substratoberfläche paralleler, lateraler Richtung
angrenzt und in einer senkrecht zur Substratoberfläche weisenden
Höhenrichtung
eine größere Erstreckung
hat als der innere Basisabschnitt, einen Emitter, der in Höhenrichtung
an den inneren Basisabschnitt angrenzt und der vom äußeren Basisabschnitt
lateral durch einen Abstandshalter aus Isolatormaterial getrennt
ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Bipolartransistor
nimmt die laterale Erstreckung des Abstandshalters zwischen dem
Emitter und dem äußerem Basisabschnitt
ausgehend von seiner Grenzfläche
zum inneren Basisabschnitt mit zunehmender Höhe über dem inneren Basisabschnitt
zu. Auf diese Weise wird zum einen bewirkt, dass der Basiswiderstand
des Bipolartransistors einen möglichst
geringen Wert annimmt. Denn durch die minimale laterale Erstreckung des
Abstandshalters an der seiner unteren Grenzfläche, also der Grenzfläche zum
inneren Basisabschnitt wird die laterale Erstreckung des durch eine geringere
Dotierung und einen höheren
Schichtwiderstand gekennzeichneten inneren Basisabschnitts minimiert
und ein geringer Basiswiderstand des Transistors realisiert. Andererseits
bewirkt die in Höhenrichtung
zunehmende laterale Erstreckung des Abstandshalters, dass die parasitäre Kapazität zwischen
dem Emitter und dem erhöhten äußeren Basisabschnitt
möglichst
gering ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird
ein Kompromiss zwischen der Minimierung des Basiswiderstandes und
der Minimierung der parasitären
Basis-Emitter-Kapazität
geschaffen, der im Ergebnis im Vergleich mit vorbekannten Lösungen zu
einer Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften des erfindungsgemäßen Bipolartransistors
führt.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen Bipolartransistors
beschrieben.
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Die
minimale laterale Erstreckung des Abstandshalters beträgt an der
Grenzfläche
zum inneren Basisabschnitt erfindungsgemäß zwischen 5 und 80 nm. Bevorzugt
ist das Intervall zwischen 10 und 60 nm. Besonders bevorzugt ist
das Intervall zwischen 15 und 50 nm. Die minimale laterale Erstreckung
sollte im Sinne eines Kompromisses zwischen Basiswiderstand und
Basis-Emitter-Kapazität
nicht zu gering gewählt
werden.
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Die
Zunahme der lateralen Erstreckung des Abstandshalters kann stufenweise
oder kontinuierlich erfolgen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
stößt eine
von Emitter und Abstandshalter gebildete erste Grenzfläche unter
einem ersten stumpfen Winkel (α)
auf eine von Emitter und innerem Basisabschnitt gebildete zweite
Grenzfläche. Der
stumpfe Winkel α beträgt vorzugsweise
zwischen 100° und
135°. Die
Zunahme der lateralen Erstreckung des Abstandshalters mit wachsender Höhe über dem
inneren Basisabschnitt wird vorzugsweise so realisiert, dass eine
von Abstandshalter und äußerem Basisabschnitt
gebildete dritte Grenzfläche auf
die zweite Grenzfläche
unter einem zweiten stumpfen Winkel stößt, der größer ist als der erste stumpfe
Winkel.
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Um
eine Zunahme der lateralen Erstreckung des Abstandshalters zu bewirken,
muss der zweite stumpfe Winkel eine Betrag haben, der größer ist
als der des ersten stumpfen Winkels. Vorzugsweise beträgt der zweite
stumpfe Winkel unter Beachtung dieser Randbedingung 180° – β, wobei β zwischen
40° und
75° beträgt.
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Bevorzugt
ist der innere Basisabschnitt einkristallin ausgebildet. Auf diese
Weise werden besonders gute Hochfrequenzparameter erzielt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann der laterale Abstandshalter in Höhenrichtung einen oder mehrere
weitere Schichtabschnitte aufweisen, deren Grenzfläche mit
dem Emitter einen stumpfen Winkel aufweisen, der größer als α ist. Weiterhin kann
der Abstandshalter aus einem Stapel mehrerer Schichtabschnitte bestehen,
deren laterale Erstreckung mit zunehmender Höheüber dem inneren Basisabschnitt
zunimmt.
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Die
Ausbildung eines erhöhten äußeren Baisisabschnitts
ist prozesstechnisch besonders einfach mit einer Konstruktion zu
bewerkstelligen bei der die Basis eine erste Basisschicht und eine
zweite, auf der ersten aufliegende Basisschicht enthält, wobei die
zweite Basisschicht im lateralen Bereich des inneren Basisabschnitts
zur Bildung eines Emitterfensters zumindest teilweise geöffnet ist.
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Vorzugsweise
hat die zweite Basisschicht oder haben beide Basisschichten im äußeren Basisabschnitt
zur Reduzierung des Basiswiderstands eine im Vergleich zum inneren
Basisabschnitt erhöhte
Dotierstoffkonzentration, wobei die höhere Dotierstoffkonzentration
auf einen Höhenabschnitt
oberhalb eines Maximums der Dotierstoffkonzentration im inneren
Basisabschnitt beschränkt
ist. Die Beschränkung
der Hochdotierung auf den Bereich oberhalb des Maximums der Dotierung
des inneren Basisabschnitts dient der Vermeidung erhöhter Basis-Kollektor-Kapazitäten. Die
Dotierstoffkonzentration in der zweiten Basisschicht kann oberhalb
von 1 × 1019 cm–3 liegen und ist vorzugsweise
vom gleichen Leitungstyp wie die der epitaxialen ersten Basisschicht. Besonders
bevorzugt ist eine Dotierstoffkonzentration der zweiten Basisschicht
zwischen 2 × 1019 cm–3 und 2 × 1020 cm–3.
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Ein
besonders geringer Basiswiderstand wird bei einem Bipolartransistor
erzielt, bei dem der äußere Basisabschnitt
den inneren Basisabschnitt lateral umgibt an mehreren oder allen
vier Seiten umgibt.
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Um
eine Diffusion des Dotierstoffes aus der hochdotierten erhöhten Basisschicht
in benachbarte Abschnitte des Transistors und damit eine Ausdehnung
des Basisgebiets zu verhindern, sind der innere Basisabschnitt oder
der äußere Basisabschnitt
oder beide Basisabschnitte zusätzlich
mit Kohlenstoff dotiert. Die Kohlenstoffkonzentration beträgt vorzugsweise
zwischen 5 × 1018 cm–3 und 5 × 1020 cm–3. Besonders bevorzugt
ist eine Kohlenstoffkonzentration zwischen 1 × 1019 cm–3 bis
1 × 1020 cm–3.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
besteht die zweite Basisschicht ganz oder teilweise aus einer Silizium-Germanium-Legierung.
Dadurch wird eine weitere Reduzierung des Basiswiderstandes durch
eine weitere Erhöhung
der Dotierung möglich.
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Zur
Erzielung eines besonders geringen Emitterwiderstands weist dieser
ein T-förmiges
Querschnittsprofil auf. Dabei liegt der T-Balken oberhalb des äußeren Basisabschnitts.
Der dem T-Balken entsprechende Abschnitt des Emitters ist in einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
durch einen zweiten Abstandshalter aus Isolatormaterial vom darunter
liegenden äußeren Basisabschnitt
getrennt. Die lateralen Enden des dem T-Balken entsprechenden Abschnitts
des Emitters können
durch einen dritten Abstandshalter aus Isolatormaterial von dem
lateral unterhalb angrenzenden äußeren Basisabschnitt
getrennt werden. Beide Maßnahmen
dienen der Verringerung der Basis-Emitter-Kapazität.
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Die
Wahl des Isolatormaterials zur Verwendung in den Isolatorregionen
zwischen Emitter äußerem Basisabschnitt
ist grundsätzlich
frei. Vorzugsweise wird das prozesstechnisch sehr gut beherrschbare
Siliziumdioxid SiO2 verwendet. Aber grundsätzlich ist
zur weiteren Optimierung auch eine Verwendung anderer Isolatormaterialien
denkbar. Zur Erzielung einer möglichst
geringen Basis-Emitter-Kapazität
ist die Verwendung eines Isolatormaterials mit geringerer Dielektrizitätszahl ∊ als
Siliziumdioxid denkbar. Eine solche Maßnahme würde es erlauben, die laterale
Erstreckung des Abstandshalters an der Grenzfläche zum inneren Basisabschnitt
zu verringern, ohne dass die Basis-Emitter-Kapazität über den
Wert hinausginge, der sich bei einer Verwendung von SiO2 einstellen
würde.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
eines Bipolartransistors bereitgestellt. Das Verfahren kann im Rahmen eines
Bipolar- oder eines BiCMOS-Prozesses eingesetzt werden und weist
die folgenden Schritte auf:
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– Abscheiden
eines Schichtstapels auf einer epitaxialen Basisschicht, der mindestens
eine später zu
entfernende Hilfschicht und eine erste Isolatorschicht (6)
enthält,
- – Öffnung des
Emitterfensters durch abschnittsweises Entfernen des Schichtstapels,
- – Abscheiden
einer zweiten Isolatorschicht und
- – Strukturieren
der zweiten Isolatorschicht, derart, dass am Rand des Emitterfensters
ein Abstandshalter aus Isolatormaterial entsteht, dessen laterale
Erstreckung (d) ausgehend von seiner Grenzfläche zur epitaxialen Basisschicht
mit zunehmender Höhe über der
epitaxialen Basisschicht zunimmt.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich unmittelbar aus der obigen Darstellung der Vorteile
des erfindungsgemäßen Bipolartransistors.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben.
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Darüber hinaus
ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass es ein
zum Emitterfenster selbstjustierendes Abscheiden eines erhöhten Basisanschlussgebiet
ermöglicht.
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In
einem Ausführungsbeispiel
des Verfahrens folgen demgemäß die nachfolgend
genannten Schritte:
- – Abscheiden einer Emitterschicht,
Ausbildung eines Emitters durch laterale Strukturierung der Emitterschicht
sowie Ausbildung von Spacern aus Isolatormaterial an den Seitenflächen des
Emitters,
- – Freilegen
der Halbleiteroberfläche
der Basisschicht in den lateralen Bereichen des äußeren Basisabschnitts und Abscheiden
einer erhöhten Basisanschlussschicht
auf diesen Gebieten.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
weist die folgenden Schritte bis zum Schritt des Ausbildens des
Emitterfensters auf:
- – Bereitstellung eines präparierten
Substrates, auf dem mindestens ein aktives Bipolartransistorgebiet
und optional zusätzlich
mindestens ein aktives CMOS-Gebiet definiert ist,
- – Abscheiden
einer Hilfsschicht auf dem präparieren
Substrat und Öffnen
eines Fensters in der Hilfsschicht über dem aktiven Bipolartransistorgebiet,
- – Abscheiden
einer epitaxialen Basisschicht, in die eine Basisdotierung in-situ
eingebracht wird.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen beschrieben,
deren zusätzliche
Merkmale im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren nach dem zweiten
Aspekt der Erfindung Verwendung finden können.
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Ein
Ausführungsbeispiel
hat die folgenden Schritte:
- – Entfernen
der epitaxialen Basisschicht, der erhöhten Basisanschlussschicht
und der Hilfsschicht von Kollektoranschlussgebieten der Bipolartransistoren
und gegebenenfalls von den CMOS-Gebieten.
- – Gegebenfalls
Implantation der Source-, Drain- und Gategebiete der MOS-Transistoren
und Ausheilung der Implantationsschäden sowie gemeinsamer Metallisierungsprozess
für die
Bipolar- und CMOS-Gebiete.
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Vorzugsweise
wird die epitaxiale Basisschicht mit Hilfe eines differentiellen
Epitaxieverfahrens hergestellt, derart, dass auf dem aktiven Bipolargebiet
eine einkristalline Schicht und auf Isolationsgebieten ein polykristalline
Schicht entsteht.
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Die
zweite Basisschicht wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines
selektiven Epitaxieverfahrens selektiv auf freigelegten Gebieten der
ersten Basisschicht abgeschieden. Die zweite Basisschicht wird in
den an den Abstandshalter angrenzenden Gebieten vorzugsweise einkristallin
abgeschieden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren:
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1 zeigt
die äußere und
innere Basisregion eines Bipolartransistors gemäß dem Stand der Technik in
der Draufsicht.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Bipolartransistors mit erhöhter Basisanschlussschicht
nach bekanntem Stand der Technik.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Bipolartransistors mit
erhöhter Basisanschlussschicht.
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4 zeigt
eine Querschnittsansicht des Bipolartransistors der 3 in
einer ersten Herstellungsphase nach der Abscheidung der inneren
Basisschicht und der anschließenden
Abscheidung einer dielektrischen Doppelschicht.
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht des Bipolartransistors der 3 in
einer zweiten Herstellungsphase nach der Öffnung des Emitterfensters und
der Abscheidung einer weiteren dielektrischen Schicht.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht des Bipolartransistors der 3 in
einer dritten Herstellungsphase nach der Abscheidung des Emitters.
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7 zeigt
eine Querschnittsansicht des Bipolartransistors der 3 in
einer vierten Herstellungsphase nach der Strukturierung des Emitters
und der Ausbildung von Spacern.
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8 zeigt
eine Querschnittsansicht des Bipolartransistors der 3 in
einer fünften
Herstellungsphase nach dem selektiven Wachsen der erhöhten Basisanschlussschicht.
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9 zeigt
eine Querschnittsansicht des Bipolartransistors der 3 in
einer sechsten Herstellungsphase nach der Strukturierung der Basisschicht.
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Nachfolgend
werden zwei Ausführungsbeispiele
näher beschrieben.
Beispiel 1 ist ein Bipolartransistor. Beispiel 2 ist ein Verfahren
zu Herstellung eines solchen Bipolartransistors.
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Beispiel 1:
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3 zeigt
in einer Querschnittsansicht die Struktur eines Ausführungsbeispiels
des Bipolartransistors der Erfindung. In diesem Beispiel ist ein npn-Transistor mit epitaktischer
Basis auf einem hochohmigen, p-leitenden Si-Substrat 1 gefertigt. Die wesentlichen
Merkmale der beschriebenen Anordnung können auch auf andere Substratdotierungen und
auf pnp-Transistoren übertragen
werden.
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Der
npn-Transistor umfasst einen n-leitenden Emitter 9, eine
p-leitende Basis 4 und einen n-leitenden Kollektor 17.
Der Kollektor ist über
ein n-leitendes Gebiet 18 und ein n-leitendes Kollektoranschlussgebiet 19 zum
Kontakt geführt.
Oberhalb des Kollektorgebietes ist eine erste, epitaxiale Basisschicht 4 angeordnet,
die eine p-Dotierung enthält. Insbesondere
kann die epitaxiale Basisschicht eine SiGe-Schicht einschließen. Beispielsweise
kann die epitaxiale Basisschicht eine Schichtfolge Si/SiGe/Si umfassen.
Zusätzlich
kann die epitaxiale Basisschicht mit Kohlenstoff dotiert sein. Die
epitaxiale Basisschicht kann besonders vorteilhaft durch differentielle
Epitaxie hergestellt werden. Dabei wächst die Schicht auf aktiven
Gebieten des Substrates einkristallin und auf Isolationsgebieten 2 polykristallin.
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Die
erste Basisschicht 4 weist einen inneren Basisabschnitt 4a auf.
Die lateralen Grenzen des innere Basisabschnitts 4a sind
durch gestrichelte Linien gekennzeichnet, die zugleich die lateralen
Grenzen eines um die laterale Erstreckung des Abstandshalters 8 verbreiterten
Emitterfensters andeuten.
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Oberhalb
der epitaxialen Basisschicht ist der Emitter 9 angeordnet.
Der Emitter 9 besteht aus n+-dotiertem
Si, welches einkristallin oder polykristallin sein kann.
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Der
Emitter wird lateral von einer zweiten Basisschicht 12,
hier auch als erhöhte
Basisanschlussschicht bezeichnet, umgeben, die durch Gebiete 6, 8, 13 aus
Isolatormaterial von dem Emitter getrennt ist. Die erhöhte Basisanschlussschicht 12 kann
beispielsweise durch selektive Epitaxie hergestellt werden, bei
der das Schichtwachstum auf die freigelegte Si-Oberfläche der epitaxialen
Basisschicht 4 beschränkt
ist. Emitter, Basis und Kollektor sind durch Silizidschichten 14 und
Metallkontakte 16 angeschlossen, die durch Isolatorgebiete 15 separiert sind.
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Die
erhöhte
Basisanschlussschicht 12 besteht vorzugsweise aus Silizium,
aus SiGe, oder aus einem Schichtstapel aus Si und SiGe. Die erhöhte Basisanschlussschicht 12 ist
oberhalb des einkristallinen Bereiches der epitaxialen Basisschicht 4 ebenfalls
einkristallin. Die außerhalb
der lateralen Grenzen des inneren Basisabschnitts 4a liegenden
Abschnitte der ersten, epitaxialen Basisschicht 4 und der
zweiten Basisschicht (erhöhten
Basisanschlussschicht) 12 bilden eine äußeren Basisabschnitt 4b. Es
versteht sich, dass die Schichtstruktur grundsätzlich für die Definition von innerem
und äußerem Basisabschnitt
keine Rolle spielt. Der äußere Basisabschnitt
kann auch aus nur einer oder einer Vielzahl von Schichten bestehen.
Wesentlich ist im vorliegenden Zusammenhang, dass der äußere Basisabschnitt
in Höhenrichtung
eine größere Erstreckung hat,
kurz gesagt, dicker ist als der innere Basisabschnitt.
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Die
Dotierung der erhöhten
Basisanschlussschicht 12 ist vom gleichen Leitungstyp wie
die der epitaxialen Basisschicht. Die Dotierung kann beispielsweise
in-situ während
des selektiven Schichtwachstums eingebracht werden. In dem npn-Transistor
des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist die erhöhte
Basisanschlussschicht mit Bor in einer Konzentration oberhalb 1 × 1019 cm–3, vorzugsweise in einem
Konzentrationsbereich von 2 × 1019 cm–3 bis 2 × 1020 cm–3 dotiert.
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Bei
der in-situ Dotierung kann es sich auch um eine inhomogene Dotierung
handeln, die ein oder mehrere Dotierungsmaxima aufweist.
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Die
p-Dotierung der erhöhten
Basisanschlussschicht kann durch Ionenimplantation erhöht sein.
Die Energie der implantierten Ionen wird dabei so gewählt, dass
ihre Eindringtiefe auf den Bereich oberhalb des Maximums der Dotierung
der epitaxialen Basisschicht 4 beschränkt ist, um eine Erhöhung der
Basis-Kollektor-Kapazität zu vermeiden.
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Die
erhöhte
Basisanschlussschicht kann zusätzlich
mit Kohlenstoff dotiert sein. Die Kohlenstoffdotierung dient dazu,
die Ausdiffusion anderer Dotierstoffe, insbesondere von Bor, aus
der erhöhten
Basisanschlussschicht in den darunter liegenden inneren Basisabschnitt
zu kontrollieren und den Einfluss möglicher Implantationsschäden auf
die Diffusion von Dotierstoffen zu unterdrücken.
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Die
Kohlenstoffdotierung kann beispielsweise in-situ während des
Wachstums der erhöhten
Basisanschlussschicht eingebracht werden. Sie kann sich über die
gesamte Dicke der erhöhten
erstrecken oder auf Teile davon beschränkt Basisanschlussschicht sein.
Die Kohlenstoffkonzentration hat einen Wert zwischen 5 × 1018 cm–3 und 5 × 1020 cm–3, vorzugsweise zwischen
1 × 1019 cm–3 und 1 × 1020 cm–3.
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Emitter
und erhöhte
Basisanschlussschicht 12 sind durch ein Isolatorgebiet
voneinander getrennt, das in dem Ausführungsbeispiel aus einem isolierenden
Spacer 8, dem verbliebenen Teil einer isolierenden Zwischenschicht 6 und
einem weiteren isolierendem Spacer 13 besteht. Die Isolationsgebiete 6, 8 und 13 bestehen
aus Siliziumdioxid. Um den Basiswiderstand des Bipolartransistors
zu verringern, ist die laterale Erstreckung d der Isolationsschicht 8 an
der Grenze zum inneren Basisabschnitt der epitaxialen Basisschicht 4 möglichst
gering. Die laterale Erstreckung d des Spacers wird nachfolgend auch
als seine Dicke bezeichnet. An der Grenze zur ersten Basisschicht 4 hat
der Spacer 8 eine Dicke von 5 nm bis 80 nm, vorzugsweise
von 15 nm bis 50 nm.
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Der
Winkel β,
der von der Außenkante
des Spacers 8 und von der Oberfläche der Basisschicht 4 gebildet
wird, ist kleiner als 90°.
Vorzugsweise hat der Winkel β einen
Werte zwischen 40° und
75°. Der Öffnungswinkel α der Seitenflächen des
Emitters ist größer als
90° und
hat vorzugsweise einen Wert zwischen 100° und 135°. Die dadurch erreichte Zunahme
der Emitterbreite nach oben hin führt zu einem reduzierten Emitterwiderstand.
Dadurch wird eine optimale Verteilung des Basisstroms bei minimaler
Basis-Emitter-Kapazität
erreicht.
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Beispiel 2:
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Ein
erstes Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors mit erhöhtem Basisanschlussgebiet
wird nun in Bezug auf 4 bis 9 erläutert. In
den nachfolgenden Figuren werden gleiche Strukturelemente durch
gleiche Nummern bezeichnet.
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Insbesondere
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
die Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Bipolartransistoren in
integrierten Bipolar- und BiCMOS-Prozessen.
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In
dem Ausführungsbeispiel
handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von npn-Bipolartransistoren
auf einem p-leitenden Substrat 1. Auf dem Substrat 1 sind
aktive Gebiete und Isolationsgebiete 2 strukturiert. Im
Bereich des Kollektors des Transistors wurden beispielsweise durch
maskierte Ionenimplantation n-leitende Gebiete 18, 19 erzeugt.
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In
den CMOS-Gebieten werden n- und p-leitende Wannen hergestellt und
Gates aus Poly-Silizium strukturiert und mit seitlichen Spacern
versehen.
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Auf
den wie beschrieben strukturierten Si-Scheiben wird eine Hilfsschicht 3 abgeschieden. Bei
dieser Hilfsschicht kann es sich insbesondere um einen Schichtstapel
verschiedener Materialien, insbesondere aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid,
handeln. Die Hilfsschicht 3 wird mit Hilfe einer Lackmaske über den
aktiven Gebieten des Bipolartransistors geöffnet (4).
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Auf
den geöffneten
aktiven Gebieten des Bipolartransistors wird die Basisschicht 4 einkristallin gewachsen.
Die epitaktische Basisschicht 4 kann insbesondere eine
SiGe-Schicht und eine Dotierung mit Kohlenstoff enthalten. Die p-Dotierung
der intrinsischen Basis wird während
des Schichtwachstums insitu eingebracht. Für die Abscheidung der Basisschicht 4 kann
insbesondere ein differentielles Epitaxieverfahren genutzt werden,
bei dem auf den freigelegten Isolationsgebieten 2 und auf
der Hilfsschicht 3 eine polykristalline Schicht wächst.
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Auf
der Basisschicht werden eine weitere Hilfsschicht 5, die
aus einer Doppelschicht aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid bestehen
kann, und eine Isolatorschicht 6 abgeschieden (4).
Die Hilfsschicht 5 besteht beispielsweise aus einer Siliziumdioxidschicht
mit einer Dicke von 5 nm bis 30 nm und aus einer Siliziumnitridschicht
mit einer Dicke von 40 nm bis 150 nm. Bei der Isolatorschicht 6 handelt
es sich beispielsweise um eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke
von 50 nm bis 150 nm.
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Mit
Hilfe einer Lackmaske wird in den Isolatorschichten 5, 6 ein
Fenster geöffnet,
das die aktive Emitterfläche
definiert. Dieses Fenster wird auch als Emitterfenster bezeichnet.
Die Strukturierung der Isolatorschicht 6 erfolgt durch
reaktives Ionenätzen (Reactive
Ion Etching, RIE). Anschließend
wird die Lackmaske entfernt und die Hilfsschicht 5 geöffnet, beispielsweise
durch ein isotropes Nassätzverfahren.
Das Nassätzverfahren ätzt selektiv
die Schicht 5 aus Siliziumnitrid, nicht aber die Schicht 6,
die aus Siliziumdioxid besteht. Durch das isotrope Ätzen wird die
in 5 gezeigte Aufweitung der Öffnung der Hilfsschicht 5 nach
oben hin realisiert.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird die zur Öffnung des Emitterfensters
verwendete Lackmaske genutzt, um eine zusätzliche Kollektordotierung 17 selbstjustiert
zum Emitterfenster zu implantieren.
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In
einem weiteren Schritt wird eine Isolatorschicht 7 abgeschieden,
die vorzugsweise aus Siliziumdioxid besteht und eine Dicke von 30
nm bis 150 nm hat (5). Diese Isolatorschicht wird
mittels eines anisotropen RIE-Prozesses zurückgeätzt, wobei innerhalb des geöffneten
Emitterfensters Spacer 8 geformt werden (6).
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In
einem weiteren Schritt wird der Emitter 9 abgeschieden.
Der Emitter besteht vorzugsweise aus Silizium, das in-situ mit einer
n+-Dotierung versehen wird. Im Bereich des
Emitterfensters kann der Emitter einkristallin oder polykristallin
sein. Oberhalb der Emitterschicht wird eine weitere Isolatorschicht 10 abge schieden,
die vorzugsweise aus Siliziumdioxid oder einem Schichtstapel aus
Siliziumdioxid und Siliziumnitrid besteht (6).
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Die
Emitterschicht 9 sowie die Isolatorschichten 10 und 6 werden
in einem weiteren Schritt über
eine Lackmaske strukturiert (7). Anschließend werden
an den Seitenflächen
des Emitters Spacer 13 hergestellt, die beispielsweise
aus Siliziumdioxid bestehen. Bei der Strukturierung der Emitterschicht
und bei der anschließenden
Spacerätzung kann
die Hilfsschicht 5 als Stoppschicht genutzt werden.
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Anschließend wird
die Hilfsschicht 5 entfernt. Dafür wird beispielsweise ein selektiver
Nassätzprozess
benutzt, der die aus Siliziumnitrid bestehende Hilfsschicht 5 entfernt
aber nicht die aus Siliziumdioxid gebildete Umhüllung 6, 8, 10, 11 des
Emitters.
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Auf
der freigelegten Oberfläche
der Basisschicht 4 wird mittels selektiver Epitaxie die
erhöhte Basisanschlussschicht 12 abgeschieden
(8). Insbesondere erfolgt die selektive Abscheidung
auch unter den überhängenden
Gebieten des Emitters nicht aber auf den Isolatorschichten 6, 8, 10, 11,
die den Emitter umhüllen.
Dadurch wird eine Selbstjustierung der erhöhten Basisanschlussschicht 12 zum Emitter 9 realisiert,
wobei der Abstand beider Schichten durch die Form des Spacers 8 definiert
wird.
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In
einem weiteren Schritt werden die Basisschichten 4 und 12 mit
Hilfe einer weiteren Lackmaske von den Kollektoranschlussgebieten
und von den CMOS-Gebieten
vollständig
entfernt. Dafür
kann ein RIE-Prozess genutzt werden, der auf der Hilfsschicht 3 stoppt.
Anschließend
wird die Hilfsschicht 3 entfernt. Die CMOS-Gebiete befinden
sich damit wieder in dem gleichen Zustand wie vor der Abscheidung der
Hilfsschicht 3.
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In
einem BiCMOS-Prozess erfolgt in den folgenden Prozessschritten die
Dotierung der Source-Drain-Gebiete der MOS-Transistoren entsprechend
dem bekannten Stand der Technik.
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In
einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden die Isolatorschicht 10 und
die Spacer 11 durch nasschemische Prozessschritte von dem
Emitter entfernt. In dieser Ausgestaltung können an den Seitenflächen der
Emitter- und der Basisschicht weiter Spacer 13 hergestellt
werden (9).
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In
einem weiteren Schritt werden die freigelegten Halbleiteroberflächen der
Basis-, Emitter- und Kollektorgebiete der Bipolartransistoren gemeinsam mit
den Source, Drain- und Gategebieten der MOS-Transistoren siliziert
(14 in 3). Bipolar- und MOS-Transistoren
werden anschließend
in einem gemeinsamen Metallisierungsprozess entsprechend dem bekannten
Stand der Technik kontaktiert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens für BiCMOS-Prozesse werden
durch einen selektiven Epitaxieschritt sowohl die erhöhte Basisanschlussschicht
als auch erhöhte Source-Drain-Gebiete
von MOS-Transistoren hergestellt. Insbesondere wird die in-situ
p+-dotierte erhöhte Basisanschlussschicht des
npn-Bipolartransistors auch auf den freigelegten Source- und Draingebieten der
PMOS-Transistoren abgeschieden. Durch derartig erhöhte Source-Drain-Gebiete
werden reduzierte Anschlusswiderstände von Source und Drain bei gleichzeitiger
Reduzierung der Eindringtiefe der Source-Drain-Gebiete in das Substrat
erreicht.
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In
dieser Ausgestaltung der Erfindung wird vor der Abscheidung der äußeren Basisschicht
die intrinsische Basisschicht 4 von den CMOS-Gebieten entfernt,
auf denen die selektive Abscheidung erfolgen soll. Weiterhin wird
die Hilfsschicht 3 von diesen Gebieten entfernt. In einem
anschließenden
Schritt erfolgt das selektive Abscheidung der erhöhten Basisanschlussschicht
und der erhöhten
Source-Drain-Gebiete auf der freigelegten Oberfläche der intrinsischen Basisschicht 4 und
auf den in den CMOS-Gebieten freigelegten Si-Bereichen.