DE3443407A1

DE3443407A1 - Halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE3443407A1
Application number: DE19843443407
Authority: DE
Inventors: Masasi Dohsen; Yoji Kanagawa Kato; Kenichi Tokio/Tokyo Taira; Masaru Wada
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1983-11-29
Filing date: 1984-11-28
Publication date: 1985-06-27
Also published as: GB2151078A; FR2555814B1; GB8430033D0; FR2555814A1; GB2151078B

Description

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- 3 BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil gemäß dem Oberbegriff des Hauptansprucns.

Ur. das !'erstellen und Verdrahten eines bipolaren Transistors als Schaltungselement einer integrierten Halbleiterschaltung zu vereinfachen, ist es erwünscht, daß er eine sogenannte Lsteralstruktur aufweist, bei der Emitter, Basis und Kollektor auf derselben Oberfläche liegen. Ein derartiger bipola-IC rer Lateral fr ans 1st or hat jedoch den Nachteil eines kleinen Stromverstärkungsfaktors ß> .

In letzter Zeit bemüht man sich, Halbleiterbauteile aus Verbindungshalbleitern wie z.B. GaAs herzustellen, da derartige Halbleiter ein schnelles Schaltverhalten aufweisen. Ein bekannter Verbindungshalbleiter-Transistor mit Feldeffektaufbau ist in Fig. 1 dargestellt. Er weist auf einem quasiisolierenden Verbindungshalbleiter 1 einen Kanalbereich 2 z. B. vom η-Typ auf, auf dem ein Gatebereich 3 vom p-Typ durch selektives Diffundieren aufgebracht ist. Dadurch ist ein Gateübergang J„ gebildet. Auf dem Halbleiter 1 sind weiterhin ein η-Typ Sourcebereich 4 und ein η-Typ Drainbereich 5 zu beiden Seiten des η-Typ Kanalbereichs 2 angebracht. Dadurch ist ein Feldeffekttransistor vom Übergangstyp (J-FET = junction-type field effect transistor) gebildet. Die Schaltspannung dieses Bauteils ist jedoch schwer einzustellen, da sie von der Diffusionstiefe im Gatebereich abhängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauteil mit Lateralstruktur anzugeben, das als bipolarer Transistor mit großem Stromverstärkungsfaktor wirkt.

Die Erfindung 1st durch die Merkmale des Hauptanspruchs gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltuagen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ausgehend von einem FST der Kanalbereich weggelassen wird, wodurch unter-, halb dem. Gate ein scheinbarer Basisbereich entsteht. Ein so ausgebildeter Bipolartransistor läßt sich genau so einfach herstellen wie ein FET. Der Transistor weist einen hohen Stromverstarkxingsfaktor bei schnellem Ansprechverhalten auf.

Von besonderem Vorteil ist es, zwischen der Basis einerseits und. dem Err.itter und Kollektor andererseits eine Schicht anzubringen, die die Ladungsträgerinjektion unterdrückt. Dadurch wird ein Basisleerstrom vermieden, was die Wirkungsweise der Lateralstruktur als bipolarer Transistor weiter verbessert.

Eine besonders zufriedenstellende Struktur läßt sich dadurch erhalten, daß der dritte Bereich, unterhalb dem die scheinbare Basis liegt, durch Epitaxie selektiv aufgebracht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigen:
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Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den Aufbau eines bekannten J-FET;

Fig. 2-4 schematiöehe Querschnitte durch anmeldegenäße Halbleiterbauteile;

Fig. 5-7 schematische Querschnitte durch anmeldegemäße Halbleiterbauteile mit einem Bereich, der Basisleerströme unterdrückt; und

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" Pig. 8-11 schematische Querschnitte durch ein Halbleiterbauteil während verschiedener Herstellstufen.

f) Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 liegt ein quasi isolierender Halbleiter 10 aus einer III-V-Verbindung, wie z. B. GaAs vor. Der Halbleiter des Substrates weist eine geringe Ladungsträgerkonzentration und hohen Widerstand (10 fl cm), auf. Auf einer Hauptfläche 10a der Halbleiterschicht 10 sind, eben ein erster Bereich 11 und ein zweiter Bereich 12 vom η-Typ mit hoher Verunreinigungskonzentration aufgebracht.Diese Bereiche wirken im Betrieb als Emitter bzw. Kollektor. Die Verunreinigungen sind z. B. durch Ionenimplantation bis in eine vorbestimmte Tiefe von der Haupt-Oberfläche 10a mit einem vorgegebenen gegenseitigen Abstand hergestellt. Zwischen diesen beiden Bereichen liegt ein dritter Bereich 13 vom p-Typ mit einer Abmessung von z. B. etwa 1 um. Der Bereich ist durch Ionenimplantation, Diffusion oder dergleichen hergestellt. Der dritte Bereich I3 stößt wie die beiden anderen Bereiche 11 und 12 an die Hauptfläche 10a und liegt parallel zu dieser, allerdings mit geringerer Tiefe als der erste und der zweite Bereich, z. B. mit etwa 100 nm. Auf dem ersten Bereich 11 und dem zweiten Bereich 12 ist Ni/Au-Ge/Au aufgedampft, um Ohmsche Kontakte mit einer Emitterelektrode 14 bzw. einer Kollektorelektrode herzustellen. Auf dem dritten Bereich 13 ist Ti/Pt/Au aufgedampft, um eine Basiselektrode 16 zu bilden. Die Wirkung der Elektroden als Emitter-, Kollektor- und Basiselektrode ist durch die Bezugszeichen E, C bzw. B gekennzeichnet.

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Wenn eine Vorwärtsvorspannung zwischen den ersten Bereich und den dritten Bereich 13 gelegt wird, während eine Rückwärtsvorspannung zwischen den dritten und den zweiten Bereich 13 bzw. 12 gelegt wird, werden Löcher als Majoritäts-

ladungsträger vom dritten Bereich IJ in einen Bereich 17 hohen Widerstandes im quasi^isolierenden Halbleiter 10 zwischen dem ersten Bereich 11 und dem zweiten Bereich 12 unterhalb dem dritten Bereich 13 injiziert, so daß ein scheinbarer Basisbereich 18 entsteht. Dies fördert die Injektion von Elektronen als Majoritätsladungsträger aus dem ersten Bereich 11 durch den virtuellen Basisbereich 18 zum dritten Bereich 13· Das Halbleiterbauteil mit dem beschriebenen Aufbau wirkt also als bipolarer Transistor vom NPN-Typ mit Lateralstruktur.

Der virtuelle Basisbereich 18 entsteht hauptsächlich in dem Bereich, in den Ladungsträger vom ersten und zweiten Bereich in den quasi .isolierenden Bereich 17 injiziert werden, also im Bereich unterhalb dem dritten Bereich I3.

Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 die drei Bereiche 11 - 13 nebeneinander angeordnet sind, ist bei der Ausführungsform gemäß Pig. 3 der dritte Bereich I3 so ausgebildet, daß er den ersten Bereich 11 und den zweiten Bereich 12 überlappt. Dies h-'.t den Vorteil, daß der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich und damit die Basisbreite Wb verringert werden kann.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen sind die drei Bereiche 11 - 13 durch Ionenimplantation oder Diffusion von der Hauptfläche 10a ausgebildet. Sie können aber a.uch durch Legierungstechnik mit einem Aufbau gemäß Fig. 4 hergestellt sein. Damit der erste und der zweite Bereich 11 bzw. 12 tiefer werden als der dritte Bereich 13, ist es möglich, konkave Bereiche I9 und 20 aus der Oberfläche 10a des Substrates 10 gemäß Fig.4 in denjenigen Lagen auszusparen, in denen der erste bzw. der zweite Bereich auszubilden sind. Ausgehend von diesen konkaven Vertiefungen I9 bzw. 20 werden

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der erste und der zweite Bereich 11 bzw. 12 durch Legierungstechnik, Diffusion oder Ionenimplantation oder dergleichen hergestellt.

Da das Halbleiterbauteil eine Lateralstruktur mit eben angeordneten Bereichen 11-15 aufweist, ist es einfach, die Elektroden herzustellen und diese zu verdrahten. Damit ist der Aufbau für eine integrierte Schaltung gut geeignet. Da darüberhinaus.die drei Bereiche 11 - 13 durch denselben Her-Stellprozeß erzeugt werden können wie entsprechende Bereiche 3-5- bei einem J-FET gemäß Fig. 1, ist es möglich, das Bau-■ teil ohne neues, spezielles Arbeitsverfahren herzustellen. Dies ist vor allem beim Herstellen von integrierten Schaltungen von Vorteil.

Obwohl das Halbleiterbauteil Lateralstruktur aufweist, verfügt es über einen hohen Stromverstärkungsfaktor β . Da der wirksame Basisbereich, nämlich der durch Ladungsträgerinjektion gebildete Strompfad im quasi isolierenden Bereich unterhalb dem dritten Bereich 13 mit hoher Verunreinigungskonzentration gebildet ist, also im Bereich 17 mit geringer Verunreinigungskonzentration, ist die Diffusionslänge der injizierten Ladungsträger außerordentlich lang, und diese Ladungsträger werden auch kaum durch die Halbleiteroberfläehe mit der dort vorhandenen Rekombinationsrate beeinflußt.

Da die Ladungsträger nicht durch den dritten Bereich 13, sondern durch den quasi isolierenden Bereich 17 mit niedriger, flacher Potentialbarriere fließen, werden sie kaum durch die Kollektorspannung beeinflußt, so daß das Bauteil als bipolarer Transistor mit hohem Stromverstärkungsfaktor wirkt.

Wenn das Halbleiterbauteil durch einen Verbindungshalbleiter gebildet ist, ist es darüberhinaus möglich, schnelles Ansprechverhalten zu erzielen.

Da der wirksame Basisbereich innerhalb dem quasi^isolierenden Halbleiter liegt, sind die angegebenen Eigenschaften kaum durch die Tiefe des dritten Bereichs 13 und Änderungen von dessen Eigenschaften beeinflußt. Daher können auf einfache Art und Weise Halbleiterbauteile mit einheitlichen, stabilen Eigenschaften hergestellt werden.

Da der erste und der zweite Bereich 11 bzw. 12 symmetrisch zum dritten Bereich 13 liegen, ist es möglich, einen Transistor mit zueinander symmetrischem Emitter und Kollektor herzustellen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 5 sind Bereiche zum Unterdrücken der Injektion von Ladungsträger auf der Ober-. fläche des quasi isolierenden Halbleitersubstrates zwischen dem dritten Bereich einerseits und dem ersten und dem zweiten Bereich andererseits ausgebildet. Dieser Bereich 19 ist von der Hauptfläche 10a des Halbleitersubstrates oder der Schicht 10 her ausgebildet. Die Schicht 19 unterdrückt d; e Injektion von Ladungsträgern aus jedem Bereich, um eine geringere Tiefe als diejenige des ersten und des zweiten Bereichs 11 bzw. 12 zu erhalten.

Die Bereiche 19 an der Hauptfläche 10a des Substrates 10 dehnen sich so weit aus, daß sie die Bereiche zwischen dem ersten Bereich 11 und dem dritten Bereich I3 bzw. dem zweiten Bereich 12 und dem dritten Bereich I3 ganz abdecken. Die Bereiche 19 sind durch selektives Ionenimplantieren rrit Borionen B⁺ oder Protonen H⁺ hergestellt und dann isoliert. In den Bereichen können auch durch selektives itzen konkave Vertiefungen ausgebildet sein, die dann durch selektive Epitaxie z. B. mit AlGaAs ausgefüllt werden, also einem Halbleitermaterial, das eine große Energielücke im Vergleich zu GaAs aufweist.

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Wenn bei einem derartigen Halbleiterbauteil eine Vorwärts-Vorspannung zwischen den ersten und den dritten Bereich .11 bzw. 13 und eine Rückwärts-Vorspannung zwischen den dritten und den"zweiten Bereich 13 bzw. 12 angelegt wird, werden Löcher als Majoritätεladungsträger vom dritten Bereich 13 in den Bereich hohen Widerstandes I7 aus dem quasi^Lsolierenden Halbleiter 10 zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich 11 bzw.. 12 unterhalb dem dritten Bereich 13 injiziert, wodurch in dem der scheinbare Basisbereich 18 erzeugt

IC wird. Die Injektion von Elektronen als Majoritätsladungsträgern aus dem ersten Bereich 11 in den scheinbaren Basisbereich 18 hinein wird also gefördert, und die Elektronen gelangen durch den scheinbaren Basisbereich 18 hindurch in . den dritten Bereich 13· Das Halbleiterbauteil gemäß dieser Ausführungsart wird also als bipolarer Transistor vom NPN-Typ mit -tat era lauf bau betrieben.

Da in diesem Fall an der Oberfläche des Bereichs I7 isolierende Schichten oder Bereiche I9 mit großer Bandlücke ver-

2C glichen zu der des Materials des Bereichs IT liegen, in die Ladungsträger gar nicht oder nur schwer injiziert werden, entsteht kein virtueller Basisbereich l8 an den Oberflächen, sondern mr unterhalb des Bereichs I3 zwischen den einander gegenüberliegenden Bereichen 11 und 12.

Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 der erste bis dritte Eereich- 11 - 13 selektiv auf der Oberfläche des GaAs quasi^isolierenden Halbleitersubstrates 10 gebildet sind, nämlichjauf der Hauptfläche 10a und da darüberhinaus der die Ladungsträgerinjektion unterdrückende Bereich ganz allgemein auf der Oberfläche aufgebracht wird, sind auch andere Ausführungsformen möglich. Wie in Fig. β dargestellt, wird eine AlGaAs-Halbleiterschicht 20 vom p-Typ, die den dritten Bereich 13 bildet, epitaktisch auf .das GaAs-Halbleitersubstrat 10 aufgebracht. Dann werden der erste und der zweite Bereich

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-lO-ll bzw. 12 selektiv so ausgebildet, daß sie sich in Dickenrichtung der Schicht 20 von der Oberfläche dieser Schicht bis zum Substrat 10 erstrecken, was durch Ionenimplantation, Diffusion oder dergleichen bewirkt wird. Um die Randkanten der Oberflächen dieser Bereiche 11 und 12 herum werden Isolierschichten mit einer Tiefe hergestellt, die sich mit der der Schicht 20 decken, was durch Implantation von Borionen B⁺, Protonen H oder dergleichen erfolgt, um den die Injektion unterdrückenden Bereich 19 herzustellen. , Pur die entsprechende Wirkung kann auch, wie in Pig. 7 dargestellt, eine AlGaAs-Schicht 21 epitaktisch auf das quasiisolierende Halbleitersubstrat 10 aufgebracht werden, wobei diese Schicht ebenfalls quasi isolierend ist und ihre Bandlücke wieder größer ist als die des Materials der Schicht Dann werden die drei Bereiche 11-13 selektiv gebildet und auch die die Injektion unterdrückenden Bereiche I9 werden aus der epitaktischen Schicht 21 gebildet. Da in diesem Fall die Trennfläche, d. h. der Übergang zwischen der GaAs-Halbleiterschicht 10 und der AlGaAs-Epitaxieschicht 21 als gleichmäßige, saubere Oberfläche oder kristallografischen Gesichtspunkten gebildet ist, ist es möglich, zu verhindern, daß sich die Rekombination von Ladungsträgern an der Treniflache vergrößert.

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Bei den Ausführungsformen gemäß den Pig. 5-7 wurde angegeben, daß die drei Bereiche 11 - IjJ durch Ionenimplantation oder Diffusion gebildet wurden. Sie können aber auch durch ein Legierungsverfahren hergestellt sein. Um eine ausreichende Tiefe des ersten und des zweiten Bereichs 11 bzw. 12, tiefer als diejenige des dritten Bereichs Ij5> zu gewährleisten, können auch vertiefte Bereiche in der Schicht 10 an entsprechenden Stellen ausgebildet sein, und der erste uni der zweite Bereich 11 bzw. 12 können dann von iiesen ver-

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tieften Bereichen aus durch ein Legierungsverfahren, durch Diffusion oder Implantation oder dergleichen hergestellt werden.

Auch bei den zuletzt beschriebenen Ausführungsformen liegt ein Lateralaufbau vor, der leicht verdrahtet werden kann, so daß das Bauteil für eine integrierte Schaltung sehr geeignet ist. Auch bestehen die Vorteile der leichten HerstellbarKeit, wie sie oben beschrieben wurden.

Auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 5-7 besteht wiederum der Vorteil eines hohen StromverstärkungB-faktors ß> aufgrund einer außerordentlich großen Länge injizierter Ladungsträger und unterdrücktem Kollektorstrom durch derjdritten Bereich IJ. Rek'ombinationseffekte sind stark unterdrückt. Der Kollektorstrom fließt durch den quasi isolierenden Bereich 17, dessen Potentialbarriere niedrig und flach ist und kaum durch die Kollektorspannung beeinflußt wird. Wenn das Bauteil aus einem Verbindungshalbleiter hergestellt ist, wie beschrieben, besteht weiter der Vorteil noher Ansprechgeschwindigkeit.· Auch der Vorteil geringer Eigenschaftsschwankungen besteht, wie oben beschrieben. Weiterhin sind auch die Bauteile gemäß den Fig. 5-7 in bezug auf die Emitter- und Kollektoranordnung symmetrisch.

Anhand der Fig.8 - 11 wird nun das Herstellverfahren für eine weitere Ausführungsform eines anmeldegemäßen Halbleiterbauteils näher beschrieben.

Wie in Fig. 8 dargestellt, wird von einem Halbleitersubstrat aus einer III-V-Verbindung, nämlich GaAs bzw. einer quasiisolierenden Halbleiterschicht 110 ausgegangen. Es liegen kaum Verunreinigungen vor, so daß das Halbleitermaterial einen hohen Widerstand aufweist. Auf einer Hauptfläche. 110a

der Ha.lbleiterschicht 110 ist eine Halbleiterschicht 111 zum Beispiel aus AlGaAs mit einer hohen Konzentration von p-Typ Verunreinigungen aufgebracht, z. B. durch MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) oder ein ähnliches Verfahren. Auf dieser Schicht 111 ist selektiv eine Basiselektrode 112 mit Ohmschem Kontakt aus einer hitzebeständigen Metallschicht mit einer vorgegebenen Breite W aufgebracht.

Diese Basiselektrode 112 wird alt> Ätzabdeckung verwendet, wenn die Halbleiterschicht 111 in allen übrigen Bereichen außer unterhalb der Elektrode entfernt wird, wie dies in Pig. 9 dargestellt ist.

Danach werden, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist, Verunreinigungen in das Halbleitersubstrat 110 überall dort von der Hauptfläche 110a durch Ionenimplantation, Diffusion oder dergleichen außer an der Stelle, an der die Abdeckung durch die Elektrode 112 besteht, eingebracht. Die Ionen rufen umgekehrte Leitfähigkeit als diejenige der halbleitenden Schicht 111,z. B. u-Leltfähigkeit hervor. Dadurch werden der erste und der zweite Bereich 11 bzw. 12 hergestellt, deren Kanten sich mit den Kanten des p-Bereichs 15 unterhalb der Basiselektrode 16 decken.. Dadurch daß beim Her-Stellprozeß des ersten und des zweiten Bereichs 11 bzw. durch Eindiffundieren der dritte Bereich 13 mit der Basiselektrode 16 als Maske verwendet worden ist, hat also eine Selbstausrichtfung der Bereiche stattgefunden.

Danach werden die Emitterelektrode 14 und die Kollektorelektrode 15 auf dem ersten Bereich 11 bzw. dem zweiten Bereich 13 in Ohmschem Kontakt mit diesen Bereichen aufgebracht, vie dies in Fig. 11 dargestellt ist. Das derartig hergestellte Halbleiterbauteil weist einen solchen Aufbau auf, daß der

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dritte Bereich der Halbleiterschicht 111 vom p-Typ mit hoher Verunreinigungskonzentration eben auf dem Substrat zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich 11 bzw. 12 mit hoher Verunreinigungskonzentration aufgebracht ist, welche Bereiche den Emitter bzw. den Kollektor bilden. Die Emitter-, Kollektor- und Basisfunktionen sind in Pig, Il durch die Bezugszeichen E, C bzw. B gekennzeichnet.

Unterhalb dem dritten Bereich 13 liegt wieder der quasi-IC isolierende Bereich 17* in dem sich die scheinbare'Basis ausbildet. Durch diese Tatsache und die Symmetrie des Aufbaus stellen sich wiederum alle Vorteile ein, die bereits für die anderen Ausführungsbeispiele weiter oben beschrieben wurden.

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Da das Halbleiterbauteil aus einem quasinsolierenden Halbleiter besteht, ist es möglich, die Isolierung zwischen den so hergestellten Elementen einer integrierten Schaltung zu vereinfachen.

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Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

DipL-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister

DIpUn₀-. F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse 51 '

Tnftstrasse A,

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1 '"

S85P35
Mü/J/ho/vL.

28. November 1984

SONY CORPORATION

7-35 Kitashinagawa 6-chome,

Shinagawa-ku, Tokyo 141, Japan

Halbleiterbauteil

Priorität:

29. November 1983, Japan, Nr. 224841/83 29. November 1983, Japan, Nr. 224842/83 29. November 1983, Japan, Nr. 224843/83

.PATENTANSPRÜCHE

Halbleiterbauteil mit

a) einem guasxisolierenden Halbleiter (10),

b) einem ersten Bereich (11) von erstem Leitfähigkeitstyp, der einen Emitterbereich bildet, und

c) einem zweiten Bereich (12) vom ersten Leitfähigkeitstyp, der einen Kollektorbereich bildet, welche Bereiche im Halbleiter mit einem vorgegebenen gegenseitigen Abstand angeordnet sind,

gekennzeichnet durch

d) einen dritten Bereich (13) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der im Halbleiter (10) zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist, wobei eine Vorwärtsvorspannung zwischen dem dritten und dem ersten Bereich angelegt wird, um einen scheinbaren Basisbereich (l8) im Halbleiter unterhalb dem dritten Bereich durch aus dem dritten Bereich injizierte Majoritätsladungsträger zu bilden, wodurch das Halbleiterbauteil als bipolarer Transistor betreibbar ist. ·

2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Bereich (19) auf der Oberfläche des quasi.ji.solierenden Halbleiters (10) zwischen dem dritten Bereich (13 ) und dem ersten Bereich (11) zum Unterdrücken der Injektion der Ladungsträger .

5. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder 2,. d a durch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich (I5) eine selektiv auf dem Halbleiter (10) aufgebrachte Epitaxieschicht (20) ist.