DE19652423A1 - Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor und Verfahren zur Herstellung der epitaktischen Einzelschichten eines derartigen Transistors - Google Patents

Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor und Verfahren zur Herstellung der epitaktischen Einzelschichten eines derartigen Transistors

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor und ein Verfahren zur Herstellung der epitaktischen Einzelschichten von einem Silizium-Germanium- Heterobipolartransistor.
Neben der Verwendung von Galliumarsenid zur Herstellung von Höchstfrequenztransistoren finden auch Silizium-Germanium-Heterobipolartransisoren in hochfrequenten Bereichen infolge der geringeren Herstellungskosten zunehmend Anwendung. Solche Transistoren bestehen meist aus einer Schichtenfolge Silizium-Kollektorschicht, p-dotierte Silizium-Germanium-Basisschicht und Emitterschicht.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 43 01 333 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung integrierter Silizium-Germanium-Heterobipolartransistoren, bei dem eine Kollektorschicht, eine Basisschicht, eine Emitterschicht und eine Emitteranschlußschicht mittels eines einzigen unterbrechungsfreien Prozesses abgeschieden und gleichzeitig dotiert werden. Dieses Verfahren zur Herstellung hochfrequenztauglicher Transistoren hat den Nachteil, daß eine weitere Erhöhung der Dotierung der Basis mit Fremdatomen eine bei entsprechender Temperatur stattfindende Dotandenausdiffusion, d. h. eine Verbreiterung des Basisgebiets zur Folge hätte. Eine Dotandenausdiffusion hat einerseits eine nichtkonstante Transistorfertigung und andererseits eine Verringerung der Kollektor- und Emitterströme zur Folge. Somit ist eine Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften von Transistoren auf diesem Wege nicht möglich.
Die japanische Patentanmeldung JP 5 102 177 beinhaltet einen Silizium-Germanium- Heterobipolartransistor, dessen Basis mit 5% Kohlenstoff zur Kompensation der durch Germanium eingebrachten mechanischen Spannungen versetzt ist. Solche hohen Kohlenstoffkonzentrationen führen jedoch zu einer starken lokalen Gitterdeformation, die unter anderem die HF-Tauglichkeit der Transistoren einschränkt.
In der Patentschrift US 5,378,901 ist ein Siliziumkarbidtransistor offenbart, bei dem als Basis-, Kollektor- und Emittermaterial Siliziumkarbid verwendet wird. Die hohen Herstellungs­ temperaturen verhindern die Integration in hochfrequenztaugliche Schaltungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor vorzuschlagen, bei dem die Ausdiffusion des Dotanden des Basisgebiets um mehr als 50% gegenüber herkömmlichen Silizium-Germanium-Heterobipolartransistoren reduziert wird. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, an sich bekannte Verfahren zur Herstellung der epitaktischen Einzelschichten für einen solchen Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor mit einer Silizium-Kollektorschicht, einer dotierten Silizium-Germanium-Basisschicht und einer Silizium- Emitterschicht so auszugestalten, daß die üblichen Beschränkungen und hohen Anforderungen für nachfolgende Prozesse verringert werden. Dies betrifft insbesondere die Implantationsdosis und die Temperatur-Zeit-Belastung der epitaktischen Schicht. Derart hergestellte Silizium- Germanium-Heterobipolartransistoren besitzen eine erhöhte Transitfrequenz, eine erhöhte maximale Schwingfrequenz und/oder ein verringertes Rauschmaß je nach Anforderungen und Einsatzzweck.
Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch die nachfolgende Erfindungsdarlegung gelöst.
Auf eine reine Siliziumoberfläche findet eine einkristalline Abscheidung entsprechend dem gewünschten Transistorprofil statt. Der erfindungsgemäße Silizium-Germanium- Heterobipolartransistor enthält in mindestens einer der drei Einzelschichten des Transistors, nämlich der Emitterschicht oder der Basisschicht oder der Kollektorschicht, in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 ein zusätzliches, elektrisch nicht aktives Material, vorzugsweise ein Element der vierten Hauptgruppe. Hergestellt wird die Halbleiteranordnung von Silizium-Germanium-Heterobipolartransistoren mittels Epitaxie­ verfahren, z. B. durch Gasphasenepitaxie oder Molekularstrahlepitaxie. Durch die der Epitaxie nachfolgenden technologischen Verfahrensschritte kommt es zu Defekten, z. B. Zwischengitter­ atomen im Halbleiterkristall, die eine Diffusion von Gitterfremdatomen, z. B. Dotanden, begünstigen. Ein wie bereits ausgeführtes, in die Epitaxieschicht eingebrachtes, elektrisch nicht aktives Material bindet diese Defekte und verringert die Diffusion des Dotanden. Die durch das Einbringen eines elektrisch nicht aktiven Materials, vorzugsweise Kohlenstoff, hervorgerufene Gitteränderung ist dabei kleiner als 5.10⁻3. Die Ausdiffusion des Dotanden verringert sich, was eine Verbreiterung des Basisgebiets einschränkt. Damit lassen sich hochfrequenztaugliche Transistoren auf zwei Wegen herstellen: Die Dotierungsdosis des Basisgebiets wird erhöht und/oder die Basisbreite wird verringert. In jedem der möglichen Fälle erhöht sich die Konzentration des Dotanden im Basisgebiet des Transistors auf einen Wert zwischen 5.1019 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 bei Verwendung von Bor als Dotand. Damit verringert sich der Innenwiderstand der Basis. Ausgangspunkt für erfindungsgemäßes Verfahren ist die übliche Herstellung eines vorbehandelten Silizium-Substrats. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: Zuerst wird Silizium zur Herstellung der Kollektorschicht aufgedampft. Anschließend wird beim weiteren Siliziumaufdampfen zusätzlich Germanium eingebracht und mittels Gitterfremdatomen dotiert. Als Dotand findet vorzugsweise Bor Verwendung. Durch diesen Verfahrensschritt wird die Basis hergestellt. Nach dem Abschalten des Zuflusses von Germanium und dem Dotierstoff wird die Emitterschicht durch weiteres Aufdampfen von Silizium hergestellt.
Während mindestens einem der bisher aufgeführten Verfahrensschritte wird ein elektrisch nicht aktives Material, vorzugsweise Kohlenstoff in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 während der Herstellung der epitaktischen Schicht hinzugefügt, wobei die dadurch eingebrachte Gitteränderung kleiner als 5.10⁻3 infolge der geringen Konzentration des elektrisch nicht aktiven Materials ist. Geringe zusätzliche Gitterverspannung bedeutet keine zusätzliche Quelle von möglichen Gitterdefekten. Zur Herstellung der epitaktischen Schicht finden CVD-Ver­ fahren oder MBE-Verfahren Anwendung. Nach der Epitaxie findet die übliche Weiterprozessierung bis zur Herstellung des endgültigen erfindungsgemäßen Silizium- Germanium-Heterobipolartransistors statt.
Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 schematischer Schichtaufbau eines Silizium-Germanium- Heterobipolartransistors,
Fig. 2 Stufen des Verfahrens zur Herstellung der epitaktischen Einzelschichten für einen Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor,
Fig. 3 schematischer Schnitt durch einen Silizium-Germanium- Heterobipolartransistor.
In Fig. 1 ist der Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Silizium-Germanium- Heterobipolartransistors, bestehend aus einem dotierten Silizium-Substrat 1, einer undotierten Silizium-Kohlenstoff-Kollektorschicht 2, einer dotierten Silizium-Germanium-Kohlenstoff- Basisschicht 3 und einer undotierten Silizium-Kohlenstoff-Emitterschicht 4, dargestellt. Der gesamte Schichtaufbau des Transistors inklusive Dotierung des Basisgebiets mit Bor wird mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt.
Gleichzeitig wird bei der Epitaxie - in diesem Ausführungsbeispiel - während der Herstellung aller drei Einzelschichten, der Kollektorschicht, der Basisschicht und der Emitterschicht, Kohlenstoff in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 zugegeben. Dies entspricht einer Kohlenstoffkonzentration zwischen 0,0015% und 1,5%. Dadurch wird eine mögliche Bordiffusion signifikant verringert, so daß die Dotandenausdiffusionsgebiete 5 im Vergleich zu herkömmlichen Transistoren dieses Typs verkleinert werden. Durch erfindungsgemäße Einfügung von Kohlenstoff verringert sich die Diffusionslänge von Bor um mehr als 50% gegenüber der Diffusionslänge, die ohne Hinzufügung von Kohlenstoff auftritt. Es kommt zur Ausbildung eines sehr steilen Borprofiles. Die dadurch verringerte Basisweite hat eine geringere Basislaufzeit zur Folge. Dies ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Transitfrequenz und der Erhöhung der maximalen Schwingfrequenz bzw. einem verringerten Rauschmaß des erfindungsgemäßen Transistors.
Eine weitere Verbesserung der Hochfrequenztauglichkeit erfindungsgemäßen Silizium- Germanium-Heterobipolartransistors wird durch Erhöhung der Borkonzentration zwischen 5.1019 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 in der Basisschicht 3 erreicht.
Zur Herstellung eines solchen Silizium-Germanium-Heterobipolartransistors werden folgende in Fig. 2 dargestellte Verfahrensschritte durchgeführt: Vor dem erfindungsgemäßen Teil des Verfahrens wird ein vorbehandeltes Silizium-Substrat in einem Verfahrensschritt A0 üblicherweise hergestellt. Daran schließen sich die Schritte
A Siliziumaufdampfen zur Herstellung der Kollektorschicht,
B Siliziumaufdampfen und zusätzliches Einbringen von Germanium und Dotanden zur Herstellung der Basisschicht und
C Abschalten von Germanium und Dotierstoff und Siliziumaufdampfen zur Herstellung der Emitterschicht
an, wobei während mindestens einem der Verfahrensschritte A bis C Kohlenstoff in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 eingebaut wird und die dadurch eingebrachte Gitteränderung kleiner als 5.10⁻3 ist.
Nach der Epitaxie findet eine übliche Weiterprozessierung D statt bis zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Silizium-Germanium-Heterobipolartransistors.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen derart hergestellten Silizium-Germanium- Heterobipolartransistor. Auf einem hochdotierten Substrat 31 aus Silizium sind durch Epitaxie der undotierte Silizium-Kohlenstoff-Kollektor 32, der undotierte Silizium-Kohlenstoff-Emitter 33 und die mit Bor in einer Konzentration zwischen 5.1019 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 dotierte Basis 34 aus Silizium, Germanium und Kohlenstoff aufgewachsen. Weiterhin beinhaltet die Figur die entsprechenden Kontaktgebiete 35 sowie ein Implantgebiet 36. Die Konzentration des Kohlenstoffs in der epitaktischen Schicht beträgt zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3.
In der vorliegenden Erfindung wurde anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels ein Silizium- Germanium-Heterobipolartransistor sowie ein Verfahren zur Herstellung der epitaktischen Einzelschichten eines solchen Transistors erläutert. Es sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung im Ausführungsbeispiel eingeschränkt ist, da im Rahmen der Patentansprüche Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.

Claims (11)

1. Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor mit einer Silizium-Kollektorschicht, einer dotierten Silizium-Germanium-Basisschicht und einer Silizium-Emitterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches, elektrisch nicht aktives Material, vorzugsweise ein Element der vierten Hauptgruppe, in mindestens einer der drei Einzelschichten des Transistors, nämlich der Emitterschicht und/oder der Basisschicht und/oder der Kollektorschicht, in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 eingebaut ist und die dadurch eingebrachte Gitteränderung kleiner 5.10⁻3 ist.
2. Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch nicht aktives Material Kohlenstoff Verwendung findet.
3. Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht mit Bor dotiert ist und bei einer Konzentration des Dotanden im Basisgebiet zwischen 5.1019 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 in der Epitaxieschicht eine Kohlenstoffkonzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 vorliegt und dabei die Defektdichte des Transistors kleiner als 104 cm⁻2 beträgt.
4. Verfahren zur Herstellung der epitaktischen Einzelschichten für einen im Anspruch 1 gekennzeichneten Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor mit einer Silizium- Kollektorschicht, einer dotierten Silizium-Germanium-Basisschicht und einer Silizium- Emitterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß während der Herstellung von Einzelschichten, nämlich Emitterschicht (4), Basisschicht (3) und Kollektorschicht (2), in mindestens eine dieser Schichten ein zusätzliches, elektrisch nicht aktives Material, vorzugsweise ein Element der vierten Hauptgruppe, in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 beigefügt wird und gleichzeitig die Basisschicht mittels Fremdatomen dotiert wird, wobei die dadurch eingebrachte Gitteränderung kleiner 5.10⁻3 ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verfahrens­ schritt (A), nämlich Siliziumaufdampfen zur Herstellung der Kollektorschicht, Kohlenstoff in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 eingebaut wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verfahrens­ schritt (B), nämlich Siliziumaufdampfen und zusätzliches Einbringen von Germanium und Dotanden zur Herstellung der Basisschicht, Kohlenstoff in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 eingebaut wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verfahrens­ schritt (C), nämlich Abschalten von Germanium und Dotierstoff und Siliziumaufdampfen zur Herstellung der Emitterschicht, Kohlenstoff in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 eingebaut wird, wobei die dadurch eingebrachte Gitteränderung kleiner 5.10⁻3 ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoff in einer Konzentration zwischen 1018 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 bei den Verfahrensschritten (A) und (B) oder den Verfahrensschritten (A) und (C) oder den Verfahrensschritten (B) und (C) oder den Verfahrensschritten (A) und (B) und (C) eingebaut wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Basisschicht (3) als Dotand Bor in einer Konzentration zwischen 5.1019 cm⁻3 und 1021 cm⁻3 Verwendung findet.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der epitaktischen Schicht im CVD-Verfahren durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der epitaktischen Schicht im MBE-Verfahren durchgeführt wird.
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