DE19533313A1 - Halbleiterstruktur für einen Transistor - Google Patents

Halbleiterstruktur für einen Transistor

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur für einen Transistor mit mindestens einer dotierten, kristal­ linen Halbleiterschicht aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder Germanium, die auf eine weitere kristalline Schicht aufgebracht ist.
Derartige Halbleiterstrukturen werden beispielsweise für Feldeffekttransistoren verwendet, bei denen eine p-leitende oder n-leitende Halbleiterschicht auf ein Silizium-Substrat aufgebracht ist.
Bei der Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial in der aktiven Schicht von Feldeffekttransistoren ist zwar eine gute Elektronenbeweglichkeit gegeben, die Löcherbeweglich­ keit ist demgegenüber jedoch deutlich geringer. Bei den für Halbleiterbauelemente hauptsächlich verwendeten komplementä­ ren MOS-Feldeffekttransistorschaltungen (CMOS) muß daher der p-Kanal-Feldeffekttransistor erheblich größer ausgelegt sein als der n-Kanal-Feldeffekttransistor. Dies hat zur Folge, daß die komplementären Bauelemente in integrierten Schaltun­ gen nicht optimal zusammenpassen.
Da Germanium eine gute Löcherbeweglichkeit aufweist, wurde versucht, Silizium-Germanium-Legierungsschichten als Halblei­ termaterial für p-Kanal-Feldeffekttransistoren zu verwenden. Hierzu wurden Silizium-Germanium-Schichten pseudomorph auf ein Silizium-Substrat aufgebracht. Aufgrund der stark vonein­ ander abweichenden Gitterkonstanten von Silizium und Germa­ nium kann aber in der Legierungsschicht nur ein geringer Ger­ maniumanteil von etwa 30% verwendet werden, da die kritische Dicke einer Silizium-Germanium-Legierungsschicht mit einer höheren Germaniumkonzentration oder gar einer reinen Germa­ niumschicht so gering ist, daß eine praktische Anwendung einer solchen Struktur nicht möglich wäre. Die erreichbare Erhöhung der Löcherbeweglichkeit gegenüber Silizium ist daher relativ gering.
Auch bei n-Kanal-Feldeffekttransistoren wurde bereits ver­ sucht, die Elektronenbeweglichkeit zu erhöhen, und zwar durch Verwendung von relaxierten Silizium-Germanium-Puffer­ schichten zwischen dem Siliziumsubstrat und der n-leitenden Siliziumschicht. Die n-leitende Siliziumschicht wird dadurch lateral gedehnt, was zu einer Erhöhung der Elektronenbeweg­ lichkeit führt. Die relaxierten Silizium-Germanium-Puffer­ schichten sind jedoch mehrere Mikrometer dick und weisen eine ungünstige Oberflächenstruktur auf, so daß ein Einsatz für integrierte Schaltungen schwierig ist.
Auch Hetero-Bipolar-Transistoren weisen die eingangs genann­ te Halbleiterstruktur auf, wobei sich für Bipolartransisto­ ren vom npn-Typ Silizium-Germanium-Heterostrukturen als günstig herausgestellt haben. Nachteilig ist jedoch, daß es keine vergleichbar guten komplementären Bipolartransistoren vom pnp-Typ gibt. Weder Silizium noch Silizium-Germanium sind für Bipolartransistoren vom pnp-Typ geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halblei­ terstruktur für einen Transistor anzugeben, mit der die ge­ nannten Probleme überwunden werden können. Insbesondere soll ein p-Kanal-Feldeffekttransistor mit hoher Löcherbeweglich­ keit, ein n-Kanal-Feldeffekttransistor mit erhöhter Elektro­ nenbeweglichkeit und ein Bipolartransistor vom pnp-Typ mit den vorhandenen npn-Typen vergleichbaren Eigenschaften ge­ schaffen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dotierte Halbleiterschicht Kohlenstoff enthält, wobei der Kohlenstoff mit dem Halbleitermaterial legiert ist, und wo­ bei über den Anteil an Kohlenstoff im Verhältnis zum Halb­ leitermaterial eine gewünschte Verspannung der aktiven Halb­ leiterschicht eingestellt ist.
Der in einer Legierung nach dem Schema HL1-xCx vorhandene Kohlenstoff in der aktiven Halbleiterschicht kann entweder substitutionell in das Kristallgitter des Halbleitermate­ rials eingebaut sein oder als Vielschichtstruktur mit abwech­ selnd aufeinanderfolgenden, insbesondere wenige Atomlagen dicken Einzelschichten aus Kohlenstoff bzw. Halbleitermate­ rial vorliegen. Entscheidend ist, daß durch den Kohlenstoff in der aktiven Halbleiterschicht die Gitterkonstante dieser Halbleiterschicht so verändert wird, daß die Halbleiter­ schicht aufgrund ihrer Verbindung mit der weiteren Kristall­ schicht lateral gedehnt oder komprimiert wird, so daß sich in der aktiven Halbleiterschicht eine gewünschte Verspannung ergibt.
Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Halbleiterstruktur be­ trifft einen Feldeffekttransistor, bei welchem als Halblei­ termaterial Germanium dient und die Halbleiterschicht p-leitend ist, wobei die Halbleiterschicht insbesondere auf eine kristalline Siliziumschicht pseudomorph aufgebracht ist. Durch den Kohlenstoff in der Germanium-Halbleiter­ schicht wird die Gitterkonstante gegenüber einer reinen Germaniumschicht herabgesetzt. Die Gitterkonstante der Germanium-Kohlenstoff-Schicht nähert sich dadurch der Gitterkonstanten der Siliziumschicht an, auf welche sie aufgebracht ist. Bei dieser Siliziumschicht kann es sich um ein Siliziumsubstrat oder eine Siliziumpufferschicht handeln, die ihrerseits auf einem Substrat angeordnet ist.
Durch die Annäherung der Gitterkonstanten wird die Verspan­ nung in der aktiven Halbleiterschicht reduziert, wodurch es möglich ist, eine größere Schichtdicke zu realisieren. Das heißt also, die kritische Schichtdicke ist durch die redu­ zierte Verspannung gegenüber einer reinen Germaniumschicht vergrößert.
Die Kohlenstoffmenge in der Germaniumschicht wird bevorzugt nur so groß gewählt, daß die kritische Schichtdicke einen Wert erhält, der die Realisierung eines p-Kanal-Feldeffekt­ transistors ermöglicht. Die Kohlenstoffkonzentration und die Siliziumkonzentration in der Germanium-Halbleiterschicht soll also jeweils nur so groß sein, wie es für eine ausrei­ chende Stabilität des Bauelements bzw. eine ausreichende kritische Schichtdicke erforderlich ist, um eine möglichst gute Löcherbeweglichkeit in der Schichtebene zu erhalten.
Die Verspannung in der Germanium-Halbleiterschicht wird je­ doch bevorzugt nicht vollständig kompensiert, sondern es wird eine bestimmte Verspannung eingestellt. Durch die ver­ bleibende Verspannung wird die Löcherbeweglichkeit in der Ebene der Germaniumschicht größer ist als senkrecht hierzu, oder anders ausgedrückt, die effektive Masse der Löcher ist für eine Bewegung in der Ebene der Germaniumschicht kleiner als für eine Bewegung senkrecht zu dieser. Dadurch werden die Löcher in der Nähe des Gate konzentriert, so daß eine größere Zustandsdichte der Löcher in der Germaniumschicht ermöglicht ist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, anstelle von Germa­ nium eine Legierung aus Silizium und Germanium als Halblei­ termaterial für den p-Kanal-Feldeffekttransistor zu verwen­ den. In diesem Fall kann der Germaniumanteil in der Legie­ rung so groß gewählt werden, daß sich eine deutliche Erhö­ hung der Löcherbeweglichkeit bzw. Verringerung der effekti­ ven Masse der Löcher ergibt, wobei gleichzeitig die kriti­ sche Dicke der Halbleiterschicht für eine praktische Anwen­ dung aufgrund der reduzierten Verspannung ausreichend groß ist. Auch hier wird die Verspannung bevorzugt nicht vollstän­ dig kompensiert, um eine unterschiedliche Löcherbeweglich­ keit in der Schichtebene und senkrecht hierzu zu bewirken.
Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Halbleiterstruk­ tur betrifft einen n-Kanal-Feldeffekttransistor. Erfindungs­ gemäß wird für die n-leitende Halbleiterschicht Silizium als Halbleitermaterial verwendet, wobei diese aktive Halbleiter­ schicht insbesondere auf eine kristalline Siliziumschicht pseudomorph aufgebracht ist. Der Kohlenstoffanteil in der aktiven Halbleiterschicht beträgt bevorzugt zwischen ca. 0,2 und ca. 10%, entsprechend der Legierungsformel Si0,9C0,1 bis Si0,98C0,02.
Durch den substitutionell eingebauten oder in Einzelschich­ ten einer Vielschichtstruktur vorhandenen Kohlenstoff wird die Gitterkonstante der n-leitenden aktiven Halbleiter­ schicht gegenüber reinem Silizium verringert. Bei Anordnung auf einer kristallinen Siliziumschicht wird die aktive Halbleiterschicht daher lateral gedehnt. Die daraus resultie­ rende Verspannung in der aktiven Siliziumschicht hat eine Reduktion der effektiven Elektronenmasse und damit eine Erhöhung der Elektronenbeweglichkeit in der Schichtebene zur Folge. Die Elektronenbeweglichkeit senkrecht zur Schicht­ ebene ist dagegen geringer als in der Schichtebene, so daß die Elektronen in der Nähe des Gates konzentriert sind und eine höhere Zustandsdichte der Elektronen in der aktiven Schicht ermöglicht ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die aktive Silizium­ schicht direkt auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht werden kann. Relativ aufwendige und teuer herzustellende relaxierte Silizium-Germanium-Pufferschichten, wie sie bisher verwendet wurden, werden also vermieden.
Als Feldeffekttransistor kann in allen geschilderten Fällen beispielsweise eine Metalloxidhalbleiter (MOS) oder ein modulationsdotierter (MOD) Feldeffekttransistor verwendet werden.
Aufgrund des relativ einfachen Aufbaus der zuvor beschrie­ benen p- und n-Kanal-Feldeffekttransistoren können diese vorteilhaft zu einer CMOS-Schaltung kombiniert werden, wobei in der CMOS-Schaltung entweder nur eine Feldeffekttransistor­ struktur oder aber beide Feldeffekttransistorstrukturen er­ findungsgemäß ausgestaltet sein können. Im zweiten Fall kann auf dem Siliziumsubstrat eine Kohlenstoff enthaltende Sili­ ziumschicht aufgebracht sein, die einerseits als lateral ge­ dehnte, n-leitende Halbleiterschicht für den n-Kanal-Feld­ effekttransistor dient, und auf der andererseits eine Koh­ lenstoff enthaltende Germanium- oder Silizium-Germanium-Halb­ leiterschicht aufgebracht ist, die als p-leitende Halbleiter­ schicht für den p-Kanal-Feldeffekttransistor dient.
Zwischen der lateral gedehnten Siliziumschicht und der Germanium-Kohlenstoff- oder Silizium-Germanium-Kohlenstoff- Schicht kann darüber hinaus eine Zwischenschicht aus Silizium vorgesehen sein. Ebenso kann auf dem Siliziumsubstrat eine Siliziumpufferschicht vorgesehen sein. Die Feldeffekttransis­ toren können wiederum als Metalloxidhalbleiter- oder modula­ tionsdotierter Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Bei allen Varianten kann jeweils eine dünne Siliziumdeckschicht vorgesehen sein, um eine gute Grenzfläche zur Isolator­ schicht aus Siliziumdioxid zu schaffen.
Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Halbleiterstruk­ tur betrifft einen bipolaren Transistor vom pnp-Typ, bei welchem Silizium als Halbleitermaterial dient und die Basis­ schicht Kohlenstoff enthält. Der Transistor weist also Heterostruktur auf.
Die n-leitende Basisschicht erhält durch den Kohlenstoff wie­ der eine gegenüber reinem Silizium verringerte Gitterkon­ stante, so daß die Basisschicht durch die Verbindung mit Emitterschicht und Kollektorschicht lateral gedehnt wird und sich in der Basisschicht eine Verspannung ergibt. Durch diese Verspannung wird wiederum die effektive Masse der Elektronen erniedrigt und deren Beweglichkeit erhöht. Dies führt zu einer Erniedrigung des lateralen Widerstandes in der Basis.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Hetero-Bipolar- Transistors besteht darin, daß ein Bandkantensprung im Lei­ tungsband auftritt. Der Bandkantensprung im Leitungsband ergibt sich aufgrund der gegenüber den Siliziumschichten kleineren Bandlücke in der Silizium-Kohlenstoff-Schicht der Basis. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Reduktion der Elektroneninjektion in den Emitter.
Die Kohlenstoffkonzentration in der Basisschicht kann konstant sein oder in Richtung des pnp-Übergangs einen Gradienten aufweisen. Durch einen solchen Gradienten in der Kohlenstoffkonzentration kann in der Basis ein Driftfeld erzeugt werden, welches die Löcher beschleunigt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Hetero-Bipolar- Transistors besteht darin, daß die Halbleiterschichten im wesentlichen aus Silizium-bestehen und so die klassische, gut beherrschte Siliziumtechnologie anwendbar ist. Durch die Silizium-Grenzflächen kann Siliziumdioxid als Isolator verwendet werden. Darüber hinaus weist die Silizium-Kohlen­ stoff-Schicht eine selektives Ätzverhalten auf, was die Herstellung des Bauelementes erleichtert.
Durch die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur wird also ein pnp-Hetero-Bipolar-Transistor geschaffen, der zu den bekann­ ten npn-Hetero-Bipolar-Transistoren mit Silizium-Germanium- Basisschicht komplementär ist und mit diesen vergleichbar gu­ te Eigenschaften aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen, je­ weils in schematischer Darstellung,
Fig. 1a einen p-Kanal-MOSFET,
Fig. 1b den Bandverlauf dieses MOSFET,
Fig. 2a einen n-Kanal-MOSFET,
Fig. 2b den Bandverlauf dieses MOSFET,
Fig. 3 eine CMOS-Schaltung,
Fig. 4a einen pnp-Bipolartransistor und
Fig. 4b den Bandverlauf dieses Transistors.
Der in Fig. 1 dargestellte p-Kanal-MOSFET weist als Sub­ strat einen Silizium-Einkristall 1 auf, auf welchem eine Siliziumpufferschicht 2 epitaktisch aufgebracht ist. Auf der Siliziumpufferschicht 2 ist eine p-leitende Halbleiter­ schicht 3 ebenfalls epitaktisch aufgebracht. Diese den p-Kanal des MOSFET bildende aktive Halbleiterschicht 3 be­ steht aus Germanium oder Silizium und Germanium mit einem Kohlenstoffanteil, wobei sowohl der Silizium- als auch der Kohlenstoffanteil möglichst gering gehalten ist, um eine möglichst gute Löcherleitung zu gewährleisten.
Der Kohlenstoff kann in der Halbleiterschicht 3 substitutio­ nell in das Kristallgitter des Germanium bzw. der Silizium- Germanium-Legierung eingebaut sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Halbleiterschicht 3 als Vielschichtstruk­ tur mit einander abwechselnden Einzelschichten aus wenigen Atomlagen von Germanium oder Silizium-Germanium und Kohlen­ stoff auszubilden. Die Germanium oder Silizium-Germanium-Ein­ zelschichten können dabei beispielsweise fünf Atomlagen dick sein, während die Kohlenstoff-Einzelschicht beispielsweise nur eine Atomlage dick sein kann.
Als Abschluß kann auf der als p-Kanal dienenden Halbleiter­ schicht 3 eine dünne Siliziumschicht 4 vorgesehen sein, um eine gute Grenzfläche für eine Isolatorschicht aus Silizium­ dioxid zu schaffen. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforder­ lich. Auf der Halbleiterschicht 3 bzw., wie in Fig. 1 darge­ stellt, auf der dünnen Siliziumschicht 4 ist eine Isolator­ schicht 5 aus Siliziumdioxid und auf dieser eine als Gate dienende Metallelektrode 6 angeordnet. Schließlich ist beid­ seits der Isolatorschicht 5 und der Metallelektrode 6 eine Source-Elektrode 7 und eine Drain-Elektrode 8 vorhanden.
Die Halbleiterschicht 3 aus Germanium-Kohlenstoff oder Sili­ zium-Germanium-Kohlenstoff bildet den p-Kanal des MOSFET. Durch den Kohlenstoff wird die Gitterkonstante dieser Halb­ leiterschicht 3 der Gitterkonstante des Siliziums angenähert und dadurch die Verspannung in der Halbleiterschicht 3 auf einen gewünschten Wert reduziert, der einerseits eine ausrei­ chend große kritische Schichtdicke und andererseits eine weiter erhöhte Zustandsdichte der Löcher an der Oberseite der Transportschicht gewährleistet, indem die Löcherbeweg­ lichkeit senkrecht zur Schichtebene verringert wird, die Löcher also in der Nähe von Source- und Drainelektrode konzentriert werden.
Der Verlauf des Valenzbandes des erfindungsgemäßen p-Kanal- MOSFET ist in Fig. 1b dargestellt, wobei als Abszisse die Schichtabfolge und als Ordinate die Energie aufgetragen ist. Abschnitt 9 bezieht sich hierbei auf die Isolatorschicht 5, Abschnitt 10 auf die den p-Kanal bildende Halbleiterschicht 3 und Abschnitt 11 auf Siliziumpufferschicht 2 und Silizium­ substrat 1. Man erkennt den Bandkantensprung zwischen Be­ reich 10 und 11 sowie den p-Kanal 12.
Fig. 2 zeigt einen n-Kanal-MOSFET, der vom Aufbau her weit­ gehend mit dem in Fig. 1 dargestellten p-Kanal-MOSFET über­ einstimmt. Auf ein Siliziumsubstrat 13 folgt eine Silizium­ pufferschicht 14 und hierauf eine aktive Halbleiterschicht 15, die hier jedoch n-leitend ist und neben dem Kohlenstoff Silizium als Halbleitermaterial aufweist. Auf der Halbleiter­ schicht 15 ist wiederum eine Isolatorschicht 16 aus Silizium­ dioxid und auf dieser eine als Gate wirkende Metallelektrode 17 vorhanden. Schließlich ist auch hier beidseits der Isola­ torschicht 16 und der Metallelektrode 17 eine Source-Elektro­ de 18 bzw. eine Drain-Elektrode 19 angeordnet.
Die Kohlenstoff enthaltende aktive Halbleiterschicht 15 bil­ det den n-Kanal des MOSFET, wobei der Kohlenstoff zu einer reduzierten Gitterkonstante der Halbleiterschicht 15 gegen­ über einer reinen Siliziumschicht führt, so daß die auf der Silizium-Pufferschicht angeordnete Halbleiterschicht 15 lateral gedehnt wird. Aufgrund der lateralen Dehnung ergibt sich in der Silizium-Kohlenstoff-Schicht 15 eine Verspan­ nung, die zu einer erhöhten Elektronenbeweglichkeit zwischen Source- und Drain-Elektrode 18 bzw. 19 führt. Durch die Verspannung wird zugleich die Elektronenbeweglichkeit senk­ recht zur aktiven Halbleiterschicht 15 verringert, so daß eine weiter erhöhte Zustandsdichte der Leitungselektronen an der Oberfläche dieser Schicht ermöglicht ist.
Der Verlauf des Leitungsbandes des erfindungsgemäßen n-Kanal-MOSFET ist in Fig. 2b dargestellt, wobei wiederum als Abszisse die Schichtabfolge und als Ordinate die Energie aufgetragen sind. Der Abschnitt 20 bezieht sich auf die Iso­ latorschicht 16, der Abschnitt 21 auf die aktive Halbleiter­ schicht 15 und der Abschnitt 22 auf die Siliziumpuffer­ schicht 14 und das Siliziumsubstrat 13. Man erkennt den Bandkantensprung zwischen den Abschnitten 21 und 22 im Leitungsband sowie den n-Kanal 23.
Fig. 3 zeigt eine CMOS-Schaltung, deren p- und n-Kanal- MOSFET′s entsprechend den Fig. 1 und 2 aufgebaut sind. Auf einem Siliziumsubstrat 24 ist eine Siliziumpufferschicht 25 angeordnet, und auf dieser eine weitere Siliziumschicht 26, die n-leitend ist und bevorzugt Kohlenstoff enthält.
In der in Fig. 3 linken Hälfte ist auf der aktiven Sili­ ziumschicht 26 eine Isolatorschicht 27 aus Siliziumdioxid und auf dieser eine Metallelektrode 28 angeordnet, die als Gate dient. Beidseits der Isolatorschicht 27 und des Gate 28 ist eine Source-Elektrode 29 bzw. eine Drain-Elektrode 30 angeordnet. Auf der in Fig. 3 rechten Hälfte der aktiven Siliziumschicht 26 ist eine p-leitende Halbleiterschicht 31 aus Germanium oder Silizium-Germanium und Kohlenstoff ange­ ordnet. Auf dieser aktiven Halbleiterschicht 31 ist eine dünne Siliziumschicht 32 und auf dieser eine Isolatorschicht 33 aus Siliziumdioxid sowie hierauf eine Metallelektrode 34 als Gate angeordnet. Beidseits der Isolatorschicht 33 und der Gate-Elektrode 34 befindet sich eine Source-Elektrode 35 bzw. eine Drain-Elektrode 36.
Die linke Hälfte der dargestellten Transistorstruktur bildet also einen n-Kanal-MOSFET und die rechte Hälfte der Struktur einen p-Kanal-MOSFET, die bevorzugt beide in erfindungsge­ mäßer Weise aufgebaut sind. Sowohl die Silizium-Kohlenstoff- Schicht 26 als auch die Germanium-Kohlenstoff- bzw. Silizi­ um-Germanium-Kohlenstoff-Schicht 31 weisen eine gewünschte Verspannung auf, die zu einer hohen Elektronen bzw. Löcher­ beweglichkeit zwischen Source- und Drain-Elektrode 29, 30 bzw. 35, 36 führt. Gleichzeitig ist die Elektronen- bzw. Löcherbeweglichkeit senkrecht zu den aktiven Halbleiter­ schichten 26 und 31 herabgesetzt, so daß eine weiter erhöhte Zustandsdichte der Löcher bzw. Elektronen ermöglicht ist.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen CMOS-Schaltung besteht darin, daß der p-Kanal-MOSFET von der Größe her dem n-Kanal-MOSFET angenähert ist und mit diesem in geschickter Weise auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat aufgebracht wer­ den kann. Zwischen der Silizium-Kohlenstoff-Schicht 26 und der Germanium-Kohlenstoff- bzw. Silizium-Germanium-Kohlen­ stoff-Schicht 31 kann dabei zusätzlich eine Silizium- Zwischenschicht vorgesehen sein. Sowohl der n-Kanal als auch der p-Kanal weisen hervorragende Transporteigenschaften auf und sind für eine praktische Anwendung ausreichend stabil.
Drei dem in Fig. 4 dargestellten erfindungsgemäßen Hetero- Bipolar-Transistor ist auf einer p-leitenden Siliziumschicht 37 eine n-leitende Silizium-Kohlenstoff-Schicht 38 und auf dieser wiederum eine p-leitende Siliziumschicht 39 epitak­ tisch aufgebracht. Die p-leitende Siliziumschicht 37 dient als Kollektor und ist mit einer Elektrode 40 versehen. Die Silizium-Kohlenstoff-Schicht 38 dient als Basis und weist eine Elektrode 41 auf. Die darauf angeordnete p-leitende Siliziumschicht 39 dient als Emitter und ist mit einer Elektrode 42 versehen.
Durch den Kohlenstoff in der Basisschicht 38 ist deren Gitterkonstante gegenüber reinem Silizium reduziert, so daß sich aufgrund der Verbindung mit den beiden Silizium­ schichten 37 und 39 eine laterale Dehnung der Basisschicht und damit eine Verspannung ergibt, die zu einer Erhöhung der Elektronenbeweglichkeit führt. Darüber hinaus führt der Kohlenstoff in der Basisschicht 38 zu einem Bandkantensprung im Leitungsband. Dadurch wird die Elektroneninjektion in den Emitter 39 vorteilhafterweise reduziert.
Der Bandverlauf des erfindungsgemäßen Bipolartransistors ist in Fig. 4b dargestellt. Auch hier zeigt die Abszisse die Schichtabfolge, während die Ordinate das Energieniveau an­ gibt. Der Abschnitt 43 ist der Emitterschicht 39, der Ab­ schnitt 44 der Basisschicht 38 und der Abschnitt 45 der Kollektorschicht 37 zugeordnet. Man erkennt den Bandkanten­ sprung im Leitungsband zwischen Abschnitt 43 und Abschnitt 44.
Durch einen Gradienten in der Kohlenstoffkonzentration in der Basisschicht 38 in Richtung des pnp-Übergangs kann zusätzlich ein Driftfeld erzeugt werden, welches die Löcher zusätzlich beschleunigt. Die dargestellte pnp-Silizium- Kohlenstoff-Hetero-Bipolar-Transistorstruktur ist komplemen­ tär zu den bekannten npn-Silizium-Germanium-Hetero-Bipolar- Transistoren. Auch hier kann die Silizium-Kohlenstoff- Schicht sowohl als Legierung als auch als Vielschichtstruk­ tur ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste
1 Siliziumsubstrat
2 Siliziumpufferschicht
3 p-leitende Halbleiterschicht
4 Siliziumschicht
5 Isolatorschicht
6 Metallelektrode
7 Source-Elektrode
8 Drain-Elektrode
9 Valenzbandabschnitt
10 Valenzbandabschnitt
11 Valenzbandabschnitt
12 p-Kanal
13 Siliziumsubstrat
14 Siliziumpufferschicht
15 n-leitende Halbleiterschicht
16 Isolatorschicht
17 Metallelektrode
18 Source-Elektrode
19 Drain-Elektrode
20 Abschnitt des Leitungsbandes
21 Abschnitt des Leitungsbandes
22 Abschnitt des Leitungsbandes
23 n-Kanal
24 Siliziumsubstrat
25 Siliziumpufferschicht
26 n-leitende Halbleiterschicht
27 Isolatorschicht
28 Metallelektrode
29 Source-Elektrode
30 Drain-Elektrode
31 p-leitende Halbleiterschicht
32 Siliziumschicht
33 Isolatorschicht
34 Metallelektrode
35 Source-Elektrode
36 Drain-Elektrode
37 Kollektorschicht
38 Basisschicht
39 Emitterschicht
40 Kollektorelektrode
41 Basiselektrode
42 Emitterelektrode
43 Bandabschnitt
44 Bandabschnitt
45 Bandabschnitt

Claims (13)

1. Halbleiterstruktur für einen Transistor mit mindestens einer dotierten kristallinen Halbleiterschicht aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder Germanium, die auf eine weitere kristalline Schicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Halbleiterschicht (3, 15, 38) Kohlen­ stoff enthält, wobei der Kohlenstoff mit dem Halbleiter­ material legiert ist, und wobei über den Anteil an Koh­ lenstoff im Verhältnis zum Halbleitermaterial eine ge­ wünschte Verspannung der aktiven Halbleiterschicht (3, 15, 38) eingestellt ist.
2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff substitutionell in das Kristallgit­ ter des Halbleitermaterials eingebaut ist.
3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff und das Halbleitermaterial in der Halbleiterschicht (3, 15, 38) als Vielschichtstruktur mit abwechselnd aufeinanderfolgenden, insbesondere weni­ ge Atomlagen dicken Einzelschichten aus Kohlenstoff bzw. Halbleitermaterial vorliegen.
4. Feldeffekttransistor mit einer Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Germanium dient, und daß die Halbleiterschicht (3) p-leitend ist.
5. Feldeffekttransistor mit einer Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial eine Legierung aus Silizium und Germanium dient, und daß die Halbleiterschicht p-leitend ist.
6. Feldeffekttransistor mit einer Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Silizium dient, und daß die Halbleiterschicht n-leitend ist.
7. Feldeffekttransistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffanteil in der Halbleiterschicht (15) ca. 0,2 bis ca. 10% beträgt.
8. Schaltung aus einem p-Kanal- und einem n-Kanal-Feld­ effekttransistor in MOS-Bauweise, sogenannte CMOS-Schal­ tung, dadurch gekennzeichnet, daß der p-Kanal-Feldeffekttransistor nach Anspruch 4 oder 5 aufgebaut ist.
9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der n-Kanal-Feldeffekttransistor nach Anspruch 6 aufgebaut ist.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den p-Kanal bildende Halbleiterschicht (31) auf einem Teilabschnitt der den n-Kanal bildenden Schicht (26) aufgebracht ist.
11. Bipolarer Transistor vom pnp-Typ mit einer Halbleiter­ struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Silizium als Halbleitermaterial dient und die n-leitende Basisschicht (38) Kohlenstoff enthält.
12. Bipolarer Transistor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffkonzentration in der Basisschicht (38) in Richtung des pnp-Übergangs im wesentlichen kon­ stant ist.
13. Bipolarer Transistor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffkonzentration in der Basisschicht (38) in Richtung des pnp-Übergangs einen Gradienten auf­ weist.
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