DE3586854T2

DE3586854T2 - Ionenimplantation zur verbreiterung der verbotenen zone des emitters in bipolaren transistoren.

Info

Publication number: DE3586854T2
Application number: DE8585401386T
Authority: DE
Inventors: Kranti Anand; Robert J Strain
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1984-07-11
Filing date: 1985-07-09
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2005-07-10
Also published as: US4559696A; CA1224280A; EP0168325A3; DE3586854D1; JPS6164164A; EP0168325B1; EP0168325A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von bipolaren Transistoren für integrierte Schaltkreise und ist insbesondere auf eine Verbesserung der Emittereffizienz eines bipolaren Transistors gerichtet.
In einem in Durchlaßrichtung gepolten bipolaren Transistor umfaßt der Stromfluß vom Emitter zur Basis zwei Komponenten. Beispielsweise besteht in einem N-P-N-Transistor der Emitterstrom aus in Vorwärtsrichtung injizierten Elektronen, die von dem Emitter in die Basis wechseln, und rückwärts injizierten Löchern, die von der Basis in den Emitter wechseln. Es ist generell wünschenswert, den Rückwärtsinjektionsstrom in einem Transistor zu begrenzen, da der Strom, der aus den die Emittersperrschicht durchquerenden Löchern von der Basis zum Emitter herrührt (in einem N-P-N-Transistor), keine Träger bereitstellt, die am Ende den Kollektor des Transistors erreichen können.
In der Vergangenheit wurde die Unterdrückung der in Sperrichtung injizierten Träger herbeigeführt durch Dotieren des Emitters in viel stärkerem Maße als den Basisbereich des Transistors. Ein solches Merkmal stellt sicher, daß der Emitterstrom beinahe ausschließlich aus in Vorwärtsrichtung injizierten Trägern besteht. Ein solcher Ansatz bringt jedoch eine Beschränkung der Dotierung des Basisbereichs mit sich und beschränkt demgemäß das frequenzverhalten des Transistors.
Ein anderer Ansatz für die Unterdrückung der Rückwärtsinjektion verwendet Variationen in der Bandlücke zwischen dem Emitter und der Basis, um eine größere Barriere für Rückwärtsinjektion als für Vorwärtsinjektion zu schaffen. Tatsächlich gab Shockley allgemein einen Hinweis auf einen solchen Ansatz in seinem Basispatent für den Transistor, US-Patent Nr. 2,569,347. Infolge technischer Beschränkungen wurde bisher ein solcher Ansatz jedoch in der Praxis nicht ausgewertet, d. h. in kommerziellen Anwendungsfällen.
Das Dokument GB-A-2 029 096 offenbart ein Verfahren für das Verringern der Injektion von Trägern aus der Basis eines bipolaren Transistors in dem benachbarten Polysilicium-Emitter. Das Verfahren umfaßt den Schritt des Dotierens des Polysilicium-Emitterbereichs mit Sauerstoff, wodurch ein Bereich eines Materials gebildet wird, das eine Bandlücke aufweist, die größer ist als die Bandlücke des Substrats, in dem der Transistor gebildet wird.
Kürzlich wurden zwei Epitaxialprozesse als brauchbare Techniken für die Erzeugung eines Emitters mit breiterer Bandlücke als einer Basis vorgeschlagen, nämlich die Molekularstrahlepitaxie und metallorganischer chemischer Dampfniederschlag. Siehe den Artikel von Herbert Kroemer mit dem Titel "Heterostructure Bipolar Transistors and Integrated Circuits", erschienen in Proc. IEEE, Band 70, Nr. 1, Januar 1982, auf Seiten 13-25. Es ist noch herauszufinden, ob die vorgeschlagenen Techniken für praktische Einsatzfälle brauchbar sind. Wenn beispielsweise Silicium das Material ist, in dem der Transistor gebildet wird, ist es sehr schwierig, eine dünne Schicht (in der Größenordnung von 0,1-0,2 Mikron) aus Material aufwachsen zu lassen mit unterschiedlicher Bandlücke und gleichwohl die Integrität dieser Schicht aufrechtzuerhalten. Zusätzlich ist die Molekularstrahlepitaxie ein relativ langsamer und damit teurer Prozeß. In jedem Falle scheint es, daß die vorgeschlagenen Epitaxialtechniken beschränkt sind auf die Anwendung von III/V-Verbindungshalbleitern zum Bilden von Heterostrukturen.

ZIELE UND KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Rückwärtsinjektion von Trägern in einem bipolaren Transistor mittels eines Verfahrens zu begrenzen, das nicht die Konzentration von Dotiermittelatomen im Basisbereich des Transistors beschränkt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Bipolartransistor zu schaffen mit verbesserter Emittereffizienz und Frequenzverhalten gegenüber konventionell gebildeten Transistoren.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen bipolaren Transistor mit einem Emitter mit breiter Bandlücke zu schaffen durch Mittel, die technisch einfacher zu realisieren sind als die bisher vorgeschlagenen Epitaxialtechniken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Unterdrückung der Rückwärtsinjektion von Trägern ohne nachteilige Beeinflussung der Vorwärtsinjektion ausgeführt durch Modifizieren der Energiebandlückencharakteristiken des Transistors, so daß eine größere Barriere geschaffen wird für die Rückwärtsinjektion als jene, die für die vorwärts injizierten Träger geschaffen wird. Genauer gesagt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Bandlücke des Emitters relativ zu jener der Basis vergrößert, so daß eine größere Energiemenge erforderlich ist für die Rückwärtsinjektion als für die Vorwärtsinjektion.
Diese Vergrößerung der Emitterbandlücke erfolgt durch Ionenimplantation, um das Emittermaterial selektiv so zu modifizieren, daß lokal seine Bandlücke erhöht wird. Die Ionen, die implantiert werden, bestehen aus einem Material, das eine höhere Bandlücke aufweist als das Substratmaterial, beispielsweise Silicium, in welches sie implantiert werden. Bevorzugte Materialien umfassen Kohlenstoff und Stickstoff.
Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind im einzelnen in der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A und 1B sind Energiebanddiagramme einer unverzerrten p-n-Sperrschicht in einem nicht-vorgespannten bzw. in Durchlaßrichtung vorgespanntem Zustand;
Fig. 2A und 2B sind Energiebanddiagramme einer nicht vorgespannten bzw. in Durchlaßrichtung vorgespannten p-n-Sperrschicht, die gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt worden ist;
Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung eines monolithischen integrierten bipolaren Transistors und zeigt den Schritt der Ionenimplantation während dessen Herstellung; und
Fig. 4 ist ein Diagramm zur Illustration der relativen Dichten des Dotierungs- und Beeinflussungsmaterials in dem Emitter des Transistors.

BESCHREIBUNG DES DARGESTELLTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

In der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im einzelnen bezuggenommen auf die Anwendung der Erfindung in Verbindung mit der Herstellung von bipolaren NPN-Transistoren, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Wer mit der Technik integrierter Schaltkreise vertraut ist, erkennt jedoch, daß die Anwendung der Erfindung nicht darauf beschränkt ist und daß sie anwendbar ist mit Erfolg bei anderen Typen von Transistoren, beispielsweise PNP-Bipolartransistoren.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien werden unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 erläutert. Indem zuerst Fig. 1A betrachtet wird, ist dort das Energiebanddiagramm für die Emitter/Basis-Sperrschicht eines konventionellen Transistors für den Fall dargestellt, daß die Sperrschicht ohne Vorspannung ist. Unter einem konventionellen Transistor ist ein Transistor zu verstehen, bei dem die Bandlücke EGe für das Material vom n-Typ für den Emitter etwa dieselbe ist wie die Energielücke EGb für das Material vom p-Typ in der Basisregion des Transistors. Wenn beispielsweise jede dieser beiden Regionen durch entsprechend dotiertes Silicium gebildet würde, wäre die Bandlücke von jedem etwa 1,1 Elektronenvolt.
Wenn die Sperrschicht sich im Gleichgewicht befindet, d. h. wenn keine elektrische Vorspannung an sie angelegt wird, so bildet sich ein inhärentes Sperrschicht-Barrierepotential Vo. Dieses Potential ist gleich der Differenz zwischen den Leitbandenergiepegeln für das Material vom n-Typ bzw. p-Typ und bildet eine Barriere gegen das Fließen von Elektronen aus dem n-Typ-Material (Emitter) in das p-Typ-Material (Basis). Eine ähnliche solche Barriere bildet sich für das Fließen von Löchern von der Basis in den Emitter infolge der Differenz zwischen den Valenzbandenergiepegeln für die beiden Regionen.
Fig. 1B zeigt die Situation, wenn die Emitter/Basis-Sperrschicht in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Die Wirkung der Vorwärtsvorspannung besteht darin, die Größe des Sperrschicht-Barrierepotentials herabzusetzen und dadurch die Kurve zwischen den Energiepegeln für den Emitter und die Basis zu "glätten". Das Barrierepotential VBf für die Vorwärtsinjektion von Elektronen aus dem Emitter in die Basis ist gleich dem Sperrschichtpotential Vo, verringert um die Größe der Vorwärtsvorspannung. Diese verringerte Barriere ermöglicht den Elektronen, leichter aus dem Emitter in die Basis zu fließen.
In ähnlicher Weise wird das Barrierepotential VBr für das Fließen von Löchern aus der Basis in den Emitter verringert, so daß ermöglicht wird, daß die Rückwärtsinjektion stattfinden kann. Diese Rückwärtsinjektion ist jedoch unerwünscht, da sie keine Träger bereitstellt, die später den Kollektor des Transistors erreichen können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Rückwärtsinjektion unterdrückt durch Erhöhen des Barrierepotentials VBr für das Fließen von Löchern von der Basis zum Emitter, relativ zu dem Barrierepotential VBf für das Fließen von Elektronen vom Emitter zur Basis. Diese Erhöhung wird bewirkt durch Gradieren der Transistorregionen derart, daß das Material, das den n-Typ-Emitter umfaßt, eine größere Bandlücke EGe aufweist als die Energielücke EGb für das Material in der Basisregion. Die Wirkung einer solchen Gradierung ist in Fig. 2A und 2B dargestellt.
Im einzelnen ist das Barrierepotential VBf für das Fließen von Elektronen vom Emitter zur Basis kleiner als die Barriere VBr für das Fließen von Löchern von der Basis zum Emitter. Wenn eine Vorspannung in Durchlaßrichtung angewandt wird, wie in Fig. 2B dargestellt, ermöglicht das kleine Vorwärtsbarrierepotential VBf den Elektronen, aus dem Emitter in die Basis zu fließen. Für das Fließen von Löchern von der Basis zum Emitter jedoch bleibt, selbst bei Anlegen der Vorwärtsspannung, eine größere Barriere gegen das Fließen von Löchern als gegen das Fließen von Elektronen. Infolgedessen wird die Injektion von Löchern von der Basis zum Emitter relativ zu der Injektion von Elektronen vom Emitter zur Basis inhibiert, was zu einer Arbeitsweise des Transistors mit höherer Effizienz führt unter Verwendung dieses Mittels der Bandlückenmodifikation, als in einem konventionell gebildeten Transistor erzielbar ist.
Die besondere Art und Weise, in der der Transistor gradiert wird gemäß der vorliegenden Erfindung, ist die Ionenimplantation eines Materials mit einer Bandlücke, die größer ist als die Energiebandlücke des Substratsmaterials, in dem der Transistor gebildet wird. Beispielsweise werden Transistoren und andere integrierte Schaltkreiskomponenten auf Siliciumsubstraten gebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Ionen eines Materials, wie Kohlenstoff oder Stickstoff, in einen Bereich des Siliciumsubstrats implantiert zum Erzeugen eines Kompositmaterials mit einer höheren Bandlücke als jene des Siliciums.
Gemäß Fig. 3 wird ein Transistor typischerweise auf einem Siliciumsubstrat 10 gebildet, das mit einem geeigneten Material der Gruppe 111 implantiert worden ist, wie Bor oder Aluminium, zur Bildung eines Akzeptor- oder p-Typ-Materials. Ionen eines Donatordotierungsmittels, wie Arsen oder Antimon, werden in eine Region dieses Substrats implantiert zur Bildung einer vergrabenen n+ Schicht 12, und dann läßt man eine weitere Schicht aus n-Material auf dem Substrat aufwachsen zur Bildung einer Schicht 14, die am Ende der Kollektor des Transistors wird. An dieser Stelle wird das Substrat generell unterteilt in ausgenommene Feldbereiche und angehobene Inseln, auf denen die aktiven Komponenten, z. B. Transistoren, gebildet werden. Die Feldbereiche werden mit einem Oxidmaterial 16 gefüllt zum Isolieren der verschiedenen Inseln voneinander. Dann wird der Abschnitt des Oxids über den aktiven Inseln abgetragen, und Ionen eines p-Typ-Materials werden in das exponierte Silicium injiziert zum Bilden der Basisregion 14 des Transistors. Die aktive Fläche wird dann in geeigneter Weise maskiert, beispielsweise mit einer Oxidschicht, und Ionen eines n-Typ-Materials werden in einen Abschnitt der Basisregion injiziert zur Bildung der Emitterregion 20 für den Transistor. Schließlich werden geeignete Löcher in der Oxidschicht 16 vorgesehen zum Ermöglichen der Herstellung des Kontakts mit der Basisregion und der Kollektorregion des Transistors, wie auch mit der exponierten Emitterregion.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Gradieren der Emitterregion relativ zu der Basisregion ausgeführt durch Implantieren von Ionen eines Materials, wie Kohlenstoff oder Stickstoff, in die Emitterregion, um so deren Bandlücke zu vergrößeren. Das Implantieren dieser Ionen kann nach dem Implantieren der Ionen von Arsen- oder anderem n-Typ-Material erfolgen. Wenn jedoch zwei unterschiedliche Ionenquellen vorgesehen werden können, um in Richtung der gleichen Flugbahn zu schießen, können die Dotier- und Gradierionen simultan implantiert werden. Man erkennt, daß die Implantation keine zusätzlichen Maskierungsschritte erfordert und damit den Fabrikationsprozeß nicht verkompliziert.
Die Konzentration der Gradierionen, die in die Emitterregion zu implantieren sind, hängt ab von dem Grad, bis zu dem es erwünscht ist, das Rückwärtsbarrierepotential VBr zu erhöhen. Das Fließen von Löchern unter Rückwärtsinjektion wird um eine Größenordnung verringert für jeden Anstieg von etwa 60 MeV in dem Barrierepotential. Eine Gesamtbandlückenänderung von etwa 120 MeV zum Verringern der Rückwärtsinjektion um das Hundertfache wird wahrscheinlich in den meisten Fällen praktisch sein.
Die zu implantierende Ionendosis zum Erreichen einer solchen Bandlückenzunahme wird bestimmt durch die Differenz zwischen der Energielücke des Halbleitermaterials und jener des Gradiermaterials. Der Prozentsatz an Gradiermaterial, der in der Emitterregion benötigt wird für das Erreichen des gewünschten Anstiegs in der Bandlücke, basiert auf einer Interpolation zwischen den Energielücken des Halbleiters und des Gradiermaterials unter Bezugnahme auf die gewünschte Energielücke. Um beispielsweise die Energielücke eines auf Siliciumbasis beruhenden Transistors (der eine Energielücke von 1.15 eV hat) unter Verwendung von Kohlenstoffionen (mit einer Energielücke von 5.4 eV) um 120 MeV zu erhöhen, wird der Prozentsatz x an Kohlenstoffatomen, die in der Emitterregion benötigt werden, wie folgt berechnet:
1.15 (1 - x) + 5.4 (x) = 1.15 + 0.120
Die Auflösung dieser Gleichung verdeutlicht, daß ein 120 MeV-Anstieg der Bandlücke etwa 3% Kohlenstoff erfordert. Ein Vergleich der Arsen- und Kohlenstoffatomkonzentrationsprofile, die typischerweise in einem gradierten Emitter vorhanden sein können, ist in Fig. 4 dargestellt. Dies könnte erzielt werden durch eine kontinuierlich variabel und programmierte Strahlenergie und Strahlstromkombination während des Implantierprozesses zum Erzielen dieses zusammengesetzten Profils.
Während Kohlenstoff als ein Atom angegeben wurde, das für das Gradieren des Emitters geeignet ist, können andere Materialien ähnliche Funktionen haben. Da beispielsweise Siliciumnitrid eine höhere Bandlücke (5.1 eV) als reines Silicium aufweist, sollte das Implantieren von Stickstoffionen in die Emitterregion ein ähnliches Resultat haben. Grundsätzlich beziehen sich die Kriterien, die angewandt werden bei der Auswahl eines geeigneten Gradiermaterials, auf die Energielücke des Materials und die Größe seiner Ionen. Wie oben diskutiert, sollte die Energielücke des Materials höher sein als jene des Halbleiters, in welches es implantiert wird, um so den gewünschten Anstieg der Gesamtenergielücke in dem Emitter zu erzielen. Darüberhinaus sollte sich das Material selbst gleichförmig in dem Silicium verteilen und nicht agglomerien, um nicht Rekombinationszentren hinreichender Zahl einzuführen. Demgemäß sollte das Material, das für die Gradierfunktion ausgewählt wird, eine Größe haben, die kompatibel ist mit dem Siliciumgitter, um so eine Gitterfehlanpassung zu erzielen, die so klein wie möglich ist. Aus diesem Grunde erscheinen Kohlenstoff und Stickstoff als die beiden wahrscheinlichsten Möglichkeiten.
Einer der deutlichen Vorteile eines Transistors mit einem weiten Energielückenemitter, wie durch die vorliegende Erfindung geschaffen, liegt in seiner verbesserten Effizienz relativ zu einem konventionellen Transistor, in welchem Emitter und Basis etwa gleiche Energielücke aufweisen. Genauer gesagt, wird ein Transistor, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, eine höhere Verstärkung aufweisen als ein konventioneller Transistor mit gleicher Geometrie, beispielsweise Oberflächenabschnitt eines Chips. Oder, wenn der Schaltkreiskonstrukteur dies wünscht, kann das Frequenzverhalten der Komponente verbessert werden durch Zufügen von mehr Dotierungsmittel zu der Basisregion.
Die Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf Transistoren beschränkt mit einer Struktur der in Fig. 3 dargestellten Bauart. Beispielsweise können Gradierionen in gleichförmiges n-Substrat implantiert werden, das den gemeinsamen Emitter und die Basis für Schalt- bzw. Injektionstransistoren bildet, in integrierter Injektionslogik zum Erzielen einer breiteren Energielücke und Erzielen der daraus resultierenden Vorteile.

Claims

1. Ein Verfahren zum Verbessern der Emittereffizienz eines bipolaren Transistors, welches Verfahren die Schritte umfaßt:

Dotieren eines monokristallinen Siliciumsubstrats (10) mit einem Dotierungsmittel von einem Leitfähigkeitstyp zur Bildung eines Basisbereichs (18) für einen Transistors,

Implantieren eines Dotierungsmittels entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einen Abschnitt des Basisbereichs zur Bildung eines Emitterbereichs (20), und

Implantieren von Ionen aus einem Material in den Emitterbereich zum Erzeugen eines Kompositmaterials mit einer höheren Energielücke als die Energielücke des Siliciums, wodurch ein Emitterbereich geschaffen wird mit einer Energielücke, die größer ist als die Energielücke des Basisbereichs, welches implantierte Material ausgewählt wird, sich weitgehend an das Siliciumgitter anzupassen.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material Kohlenstoff ist.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Material Stickstoff ist.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden Implantierungsschritte gleichzeitig erfolgen.

5. Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Implantierungsschritte nacheinander erfolgen.

6. Ein Verfahren zum Schaffen verringerter Leitung durch Injektion von Trägern aus dem Basisbereich in den Emitterbereich relativ zu der Injektion von Trägern aus dem Emitterbereich in den Basisbereich bei einem bipolaren Siliciumtransistor, gebildet in einem monokristallinen Siliciumsubstrat, mit dem Emitterbereich (20) eines Leitfähigkeitstyps, der ausgebildet ist innerhalb des Substrats und nahe dem Basisbereich (18) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp positioniert ist, welches Verfahren die Schritte umfaßt, den Emitterbereich mit Ionen eines Materials zu implantieren zum Erzeugen eines Kompositmaterials mit einer höheren Energielücke als die Energielücke des monokristallinen Siliciumsubstrats (10), in welchem der Transistor ausgebildet wird, wodurch die Energielücke des Emitterbereichs relativ zur Energielücke des Basisbereichs erhöht wird, welches implantierte Material ausgewählt wird, sich weitgehend dem Siliciumgitter anzupassen.

7. Das Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Kompositmaterial eine Energielücke hat, die größer ist als 1.1 eV.

8. Das Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Material Kohlenstoff ist.

9. Das Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Material Stickstoff ist.

10. Das Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Transistor in integrierter Injektionslogik ausgeführt ist, und der Emitterbereich mit der erhöhten Energielücke das gleichförmige n-Typ-Substrat umfaßt, das den Schalt- und Injektionstransistoren der Logik gemeinsam ist.