DE3834223A1

DE3834223A1 - Fuer den tieftemperaturbetrieb geeigneter homouebergangs-bipolartransistor mit hoher basiskonzentration

Info

Publication number: DE3834223A1
Application number: DE3834223A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Yano; Masaaki Aoki; Toshiaki Masuhara; Katsuhiro Shimohigashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-07
Filing date: 1988-10-07
Publication date: 1989-04-27
Also published as: KR970005949B1; JP2590236B2; US5041892A; US4949145A; JPH02138742A

Description

Die Erfindung betrifft eine wenigstens einen Bipolartransistor enthaltende Halbleitereinrichtung, insbesondere eine Halbleitereinrichtung, die auch bei tiefer Temperatur eine ausreichend große Stromverstärkung aufweist und für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet ist.

Im folgenden wird anhand eines Beispiels ein npn-Bipolartransistor beschrieben. Die Fig. 2(A) und (B) stellen einen Querschnitt eines herkömmlichen npn-Bipolartransistors und eine Störstellenverteilung entlang der Linie a-a′ dar, wie sie auf den Seiten 80 und 81 von "Very High Speed Bipolar Devices" (veröffentlicht von Baifukan, 1985) gezeigt sind. In den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen N-Emitterbereich, 2 einen P-Eigenleitungs-Basisbereich, 3 einen P-Störstellen-Basisbereich, 4 einen N-Kollektorbereich mit niedriger Konzentration, 5 einen N-Kollektorbereich mit hoher Konzentration, 6 einen dicken SiO₂-Film zur Isolation, 8 ein P-Siliziumsubstrat und 10 einen P-Bereich mit hoher Konzentration, der als Kanalabsperrung dient.

Der Eigenleitungs-Basisbereich 2 stellt den Teil der P-Basisbereiche 2, 3 dar, der als Weg dient, auf dem die vom Emitter injizierten Elektronen zum Kollektor fließen, während der Störstellen-Basisbereich 3 den Teil des P-Basisbereichs darstellt, der nicht Eigenleitungs-Basisbereich 2 ist.

In Fig. 2(B) bezeichnet das Bezugszeichen 12 die Konzentrationsverteilung der N-Störstellen, während 13 die Konzentrationsverteilung der P-Störstellen bezeichnet. Die Darstellung zeigt, daß der herkömmliche Bipolartransistor für den Emitter 1 einen Störstellenbereich verwendet, der eine hohe Konzentration, die höher als 1×10²⁰/cm³ ist, aufweist. Der Eigenleitungs-Basisbereich 2 ist aus einem P-Bereich, der eine niedrigere Störstellenkonzentration als der Emitter aufweist, aufgebaut. Wie das Beispiel zeigt, wird der Wert üblicherweise auf 1×10¹⁸/cm³ oder weniger festgesetzt.

Der oben beschriebene herkömmliche Bipolartransistor arbeitet normalerweise bei Raumtemperatur. Bei ihm besteht das Problem, daß die Stromverstärkung bei tiefen Temperaturen von 200 K oder weniger beträchtlich absinkt. Fig. 3 zeigt die tatsächlich gemessene Temperaturabhängigkeit der Emitterstromverstärkung. Die Linie l₁ stellt die Temperaturabhängigkeit der Stromverstärkung der herkömmlichen, in Fig. 2 gezeigten, Struktur dar. Die Stromverstärkung, die bei Raumtemperatur bei ungefähr 150 liegt, sinkt bei 100 K auf 1 oder weniger ab.

Fig. 4(A) ist ein Querschnitt des von H. Yagi u. a. in "Technical Digest 1974 International Electron Devices Meeting", S. 262-265, diskutierten Bipolartransistors. Die Fig. 4(B) zeigt die Störstellenverteilung entlang des Schnittes b-b′. In dieser Veröffentlichung wird erörtert, daß die Stromverstärkung im allgemeinen mit niedrigerer Emitterkonzentration absinkt. Wenn jedoch die Dicke des Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration kleiner ist als die Diffusionslänge eines positiven Loches, so kann sogar in einer solchen Struktur eine hinreichend große Stromverstärkung bei Raumtemperatur beobachtet werden, bei der die Störstellenkonzentration des Emitterbereichs niedriger ist als diejenige des Eigenleitungs-Basisbereichs. Auch bei dieser Struktur besteht jedoch das Problem, daß die Stromverstärkung bei tiefer Temperatur auf die gleiche Art wie in der in Fig. 2 gezeigten Struktur beträchtlich absinkt. Die Linie l₂ in Fig. 3 stellt den tatsächlich gemessenen Wert der Stromverstärkung des die Struktur von Fig. 4 aufweisenden Bipolartransistors dar. Während die Stromverstärkung bei Raumtemperatur ungefähr 100 ist, fällt sie bei 90 K auf ungefähr 4 ab.

Um das beträchtliche Absinken der Stromverstärkung des Bipolartransistors im Tieftemperaturbetrieb zu vermeiden, wird in IEEE, Trans. Electron Devices, ED-34 (1987), S. 139-142, ein Verfahren erörtert, das die Emitterkonzentration auf 1×10¹⁹/cm³ oder weniger festsetzt. In dieser Arbeit wird jedoch überhaupt keine definierte Struktur offenbart. Als die Erfinder der vorliegenden Erfindung tatsächlich einen in Fig. 5 gezeigten Bipolartransistor gemessen hatten, der eine Emitterkonzentration von 5×10¹⁸/cm³ und eine Basiskonzentration von 1×10¹⁸/cm³ aufwies, hat sich herausgestellt, daß eine hinreichend große Stromverstärkung bei tiefen Temperaturen mit dieser Struktur nicht erhalten werden kann. Das Ergebnis ist durch die Linie l₃ der Fig. 3 dargestellt. Verglichen mit den in den Fig. 2 und 4(A) gezeigten Strukturen konnte bei tiefen Temperaturen von 100 K oder weniger lediglich eine Stromverstärkung von 10 oder weniger erzielt werden, obwohl die Temperaturabhängigkeit der Stromverstärkung abnahm.

Eine weitere Bipolartransistorstruktur des Standes der Technik wird in IEEE, Trans. Electron Devices, ED-27 (1987), S. 563-570, erörtert. Es handelt sich um einen Bipolartransistor, dessen Eigenleitungs-Basisbereich eine hohe Störstellenkonzentration aufweist; die maximale Basiskonzentration beträgt 2,5×10¹⁸/cm³. Gemäß dem in dieser Veröffentlichung beschriebenen Ergebnis sinkt jedoch die Stromverstärkung, die bei Raumtemperatur 150 beträgt, bei 77 K auf 16 bis 30 ab. Da in der in dieser Veröffentlichung offenbarten Struktur sowohl der Emitterbereich als auch der Basisbereich eine hohe Störstellenkonzentration aufweist, tritt bei dem Bauteil das Problem auf, daß die Durchbruchspannung des Emitter-Basis-Übergangs niedrig ist.

In Appl. Phys. Lett., Band 45 (1984), S. 1086-1088, wird ein weiteres Verfahren zur Verbesserung der Stromverstärkung bei Tieftemperaturbetrieb beschrieben. Das in dieser Veröffentlichung angegebene Verfahren zur Bildung eines Heteroübergangs zwischen dem Emitter und der Basis durch Verwendung von AlGaAs für den Emitter und von GaAs für die Basis ist in Fachkreisen wohl bekannt. Die Bildung eines solchen Heteroübergangs ist jedoch nicht nur schwierig unter dem Aspekt der Herstellungstechnik, sie ist außerdem zeitintensiv und teuer in der Herstellung. Da zwischen dem Emitter und der Basis verschiedene Arten von Materialien kontaktiert werden, ist das Bauteil nicht frei von dem Problem, daß bevorzugt an der Schnittstelle Ladungsträgerrekombinationen auftreten.

Andererseits wird der Grund, weshalb Bipolartransistoren des Standes der Technik bei tiefen Temperaturen nur eine extrem niedrige Stromverstärkung zeigen, in IEEE, Trans. Electron Devices, ED-15 (1968), S. 732-735, erklärt. Da nämlich der Störstellenbereich des Emitters 1 einen Störstellenbereich mit einer hohen Störstellenkonzentration von 1×10¹⁹/cm³ oder mehr aufweist, ist der Bandabstand des Emitterbereichs kleiner als derjenige des Eigenleitungs-Basisbereichs. Dieser Sachverhalt wird später ausführlicher erklärt.

Andererseits wird in "Very High Speed Compound Semiconductor Devices" (veröffentlicht von Baifukan, 1986) auf S. 108 folgendes festgestellt:
"Durch das Festsetzen der Beziehung N _E10¹⁸/cm⁺³, P _B10¹⁹/cm⁺³, die bei einem Homoübergang unmöglich ist, wird der Basiswiderstand verringert, wodurch der eine kleine Basis-Emitter-Kapazität aufweisende HBT geschaffen wird."
(Hier bezeichnen N _E und P _B die Störstellenkonzentrationen des Emitters bzw. der Basis, während HBT einen Heteroübergangs- Bipolartransistor bezeichnet.) Aus dieser Bemerkung geht hervor, daß man bisher geglaubt hat, daß ein einen Homoübergang (Übergang zwischen demselben Material) zwischen seinem Emitter und der Basis aufweisender Transistor wie etwa der erfindungsgemäße Transistor, der eine Konzentrationsverteilung wie die der vorliegenden Erfindung besitzt, bei Raumtemperatur einen niedrigen Injektionswirkungsgrad und eine niedrige Stromverstärkung aufweist und daß dieser daher für die Praxis wenig Bedeutung hat.

Andererseits ist aus JP 1 90 758-A (1987) ein Homoübergangs-Bipolartransistor bekannt, bei dem durch eine gegenüber der Emitter-Störstellenkonzentration sehr viel größere Basis-Störstellenkonzentration, d. h. durch die Festsetzung der Basis-Störstellenkonzentration auf wenigstens 2×10²⁰/cm³, ein Unterschied der Bandabstände bewirkt wird, um das Absinken der Stromverstärkung zu vermeiden, um den Basiswiderstand zu verringern und um dadurch die Betriebsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Der Wert für die Verringerung des Bandabstandes des Siliziumhalbleiters, Δ Eg, durch die hohe Störstellenkonzentration N _A, der in der oben erwähnten Veröffentlichung offenbart wird (d. h. Δ Eg=22,5 (N _A/10¹⁸)^1/2; (meV)), ist jedoch der Wert bei Raumtemperatur (ungefähr 300 K), wie aus der von P. D. Lanyon u. a. in "Technical Digest 1978 International Electron Devices Meeting", S. 316-319, vorgeschlagenen Formel verständlich wird.

Diese Veröffentlichung erwähnt jedoch nicht das Problem des Tieftemperaturbetriebs des Homoübergangs-Bipolartransistors unterhalb von 200 K. Darüber hinaus ist der Wert für die Verringerung des Bandabstandes, Δ Eg, viel größer als der Wert, der momentan allgemein verwendet wird (siehe die Formel auf S. 27 und Fig. 9 in S. E. Swirhun u. a., Technical Digest 1986 International Electron Devices Meeting, S. 24-27), woraus folgt, daß die Emitter-Stromverstärkung des Bipolartransistors ebenfalls ein zu hoch geschätzter Wert ist. Als Ergebnis ihrer Forschungen fanden die Erfinder der vorliegenden Erfindung, daß bei Verwendung des allgemein anerkannten Wertes eine Emitter-Stromverstärkung mit einem hinreichend großen Wert nicht erzielt werden konnte.

Andererseits ergaben die Forschungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung, daß, da die Störstellenkonzentration des Eigenleitungs-Basisbereichs in der oben erwähnten Veröffentlichung einen extrem hohen Wert von über 2×10²⁰/cm³ annimmt, die Veröffentlichung den Effekt eines beträchtlichen Absinkens der Emitter-Stromverstärkung aufgrund von Auger-Rekombinationen nicht berücksichtigt hat.

Keine Vorrichtung des oben beschriebenen Standes der Technik ist frei von den Problemen, daß einerseits die Stromverstärkung bei Tieftemperaturbetrieb absinkt und daß andererseits die Vermeidung dieses Problems große Schwierigkeiten bei der Herstellungstechnik zur Folge hat. Mit anderen Worten, eine Bipolartransistor-Struktur, die eine praktisch ausreichende Stromverstärkung bei tiefen Temperaturen unterhalb von 200 K aufweist und die leicht in die Praxis umgesetzt werden kann, ist in Fachkreisen noch nicht bekannt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Homoübergangs-Bipolartransistor zu schaffen, der eine praktisch ausreichende Stromverstärkung beim Tieftemperaturbetrieb aufweist und der mit hoher Geschwindigkeit arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Maximalwert der Störstellenkonzentration des Eigenleitungs-Basisbereichs mindestens 1×10¹⁸/cm³ beträgt, daß ein eine gegenüber dem Maximalwert des Eigenleitungs-Basisbereichs niedrigere Störstellenkonzentration aufweisender Bereich in mindestens einem Teil des Emitterbereichs ausgebildet ist und daß der Übergang zwischen der Basis und dem Emitter aus dem gleichen Material oder im wesentlichen aus dem gleichen Material, lediglich mit der Ausnahme verschiedener Störstelleninhalte, hergestellt wird. Hierbei meint der Ausdruck "im wesentlichen aus dem gleichen Material" solche Materialien, deren Bandabstände im wesentlichen gleich sind, wie etwa kristallines Silizium und polykristallines Silizium.

Da die Basis und der Emitter aus dem gleichen Material oder im wesentlichen aus dem gleichen Material wie etwa monokristallines Silizium, polykristallines Silizium oder amorphes Silizium, wie oben beschrieben, hergestellt werden, wird der Basis-Emitter-Übergang zum Homoübergang, wodurch Schwierigkeiten bei der Herstellungstechnik verringert werden können.

Da der Eigenleitungs-Basisbereich eine hohe Störstellenkonzentration aufweist, erhält die Basis einen engen Bandabstand, und da der Emitterbereich eine niedrige Störstellenkonzentration aufweist, erhält der Emitter einen breiten Bandabstand. Daher wird erfindungsgemäß eine hohe Stromverstärkung bei tiefer Temperatur verwirklicht, indem eine Struktur verwendet wird, die im Gegensatz dazu in der Vergangenheit als praxisfern angesehen worden ist.

Erfindungsgemäß wird eine hohe Stromverstärkung dadurch erzielt, daß ein Bauteil bei tiefer Temperatur positiv betrieben wird, was bisher für unmöglich gehalten worden ist; in bezug auf die Vereinfachung des Herstellungsverfahrens und der Verbesserung der Bauteileigenschaften ist die Erfindung revolutionär.

Wie wohl bekannt ist, wirkt sich der Tieftemperaturbetrieb auf ein MOS-Bauteil dahingehend aus, daß es hochbeweglich wird und mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden kann. Daher hat der Wunsch nach einem Homoübergangs-Bipolar-Bauteil, das eine hohe Leistung bei tiefer Temperatur zeigt, bestanden, um die Leistung von Bi-CMOS-Bauteilen (ein Chip, auf dem bipolare Bauteile und CMOS-Bauteile aufgebracht sind) zu verbessern.

Auch in dieser Hinsicht hat die vorliegende Erfindung einen hohen Nutzen.

Wie bereits erwähnt, ist der Grund, weshalb die in den Fig. 2 und 4 gezeigten Bipolartransistoren gemäß dem Stand der Technik nur eine extrem niedrige Stromverstärkung bei tiefen Temperaturen zeigen, in IEEE, Trans. Electron Devices, ED-15 (1968), S. 732-735, erklärt. Mit anderen Worten, da der Emitter 1 eine Störstellenkonzentration von wenigstens 1×10¹⁹/cm³ enthält, ist der Bandabstand des Emitterbereichs kleiner als der Bandabstand des Eigenleitungs-Basisbereichs. Daß der Bandabstand mit zunehmender Störstellenkonzentration enger wird, ist detailliert in: S. M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", zweite Auflage, 1981, S. 144, erklärt. Dies soll jetzt unter Bezugnahme auf die in Fig. 6 gezeigte Banddarstellung erklärt werden. Der Bandabstand besteht zwischen einem Leitungsband 20 und einem Valenzband 21. Wenn jedoch der Bandabstand 14 des Emitterbereichs kleiner ist als der Bandabstand 15 des Eigenleitungs-Basisbereichs, so ist der Effekt des auf die Elektronen 16 (im Falle eines NPN-Transistors; oder auf positive Löcher im Falle eines PNP-Transistors), die vom Emitter zur Basis injiziert werden, wirkenden Potentialwalles 17 größer als der Effekt des auf die positiven Löcher 18, die von der Basis zum Emitter injiziert werden, wirkenden Potentialwalles 19, so daß die Injektionseffizienz der Elektronen kleiner wird als diejenige der positiven Löcher. Wegen dieses Effektes wird die Emitterstromverstärkung h _FE gemäß der folgenden Formel moduliert:

h _FE = h _FEO exp(Δ Eg/kT) (1)

wobei h _FEO die Stromverstärkung bei nicht vorhandenem Bandabstand-Verengungseffekt, wie er oben beschrieben worden ist, Δ Eg der Bandabstand-Unterschied E _ge-E _gb zwischen dem Bandabstand E _ge beim Emitter und dem Bandabstand E _gb bei der Basis, k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur ist.

Beim herkömmlichen Bipolartransistor, bei dem dieselbe Materialart für den Emitter-Basis-Übergang Verwendung findet, ist Δ E _g stets negativ, so daß die Stromverstärkung aufgrund des Bandabstand-Verengungseffektes in diesem Emitterbereich absinkt. Wie aus der Formel (1) hervorgeht, wird der Bandabstand-Verengungseffekt beim Emitter bei abnehmender Temperatur T immer wichtiger, so daß die Stromverstärkung des herkömmlichen Bipolartransistors mit dem Absinken der Temperatur merklich absinkt. Der Wert Δ E _g verändert sich mit der Störstellenkonzentration im Halbleiter innerhalb eines Bereichs zwischen 10 und ungefähr 200 meV, wenn die Störstellenkonzentration mehr als 1×10¹⁸/cm³ beträgt.

Gegenüber dem Stand der Technik wird der Eigenleitungs-Basisbereich erfindungsgemäß so ausgebildet, daß dessen Störstellenkonzentration wenigstens 1×10¹⁸/cm³ beträgt. Aus diesem Grund ist der Bandabstand im Eigenleitungs-Basisbereich klein.

Da der Emitterbereich eine niedrigere Störstellenkonzentration aufweist als der Eigenleitungs-Basisbereich, ist der Bandabstand-Verengungseffekt kleiner als derjenige des Eigenleitungs-Basisbereichs. Daher ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Bipolartransistoren, Δ E _g im erfindungsgemäßen Bipolartransistor positiv. In Fig. 7 ist gezeigt, daß im erfindungsgemäßen Bipolartransistor der auf die Elektronen 16, die vom Emitter zur Basis injiziert werden, wirkende Potentialwall 17 kleiner ist als der auf die positiven Löcher 18, die von der Basis zum Emitter injiziert werden, wirkende Potentialwall 19 und daß folglich die Injektionseffizienz der Elektronen extrem hoch ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten versuchsweise den erfindungsgemäßen Bipolartransistor her, schätzten seine Leistung und fanden heraus, daß die Emitterstromverstärkung mit absinkender Temperatur anstieg, wie durch die Linie l₄ der Fig. 3 dargestellt ist. Dieses Ergebnis stellt zum ersten Mal ein Verfahren bereit, mit dem leicht ein Bipolartransistor mit einer praxisnahen und ausreichend hohen Stromverstärkung bei 77 K verwirklicht werden kann.

In der oben erwähnten Formel (1) kann für eine rohe Abschätzung von h _FEO die folgende Formel benutzt werden:

h _FEO ∼ N _E/N _B (2)

wobei N _E bzw. N _B die Störstellenkonzentrationen im Emitterbereich bzw. im Basisbereich in der Nähe des Emitter-Basis-Übergangs sind.

Die Fig. 8 bis 11 zeigen das Ergebnis der Berechnung von h _FE bei Benutzung der Formeln (1) und (2). Die Fig. 8 bis 11 zeigen die Ergebnisse der Berechnung bei 300 K, bei 200 K, bei 150 K bzw. bei 77 K. In den Diagrammen stellen die Abszissen die Emitter-Störstellenkonzentration und die Ordinaten die Basis-Störstellenkonzentration dar. In den Zeichnungen ist außerdem eine Höhenlinie für h _FE gezeigt. Damit im Bipolartransistor von einer Stromverstärkung gesprochen werden kann, muß die Emitterstromverstärkung wenigstens 1 sein. In den Fig. 8 bis 11 sind die Bereiche oder Flächen, in denen h _FE wenigstens 1 ist, durch schräge Linien dargestellt. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß die Bereiche, die die Bedingung h _FE<1 bei 300 K (Raumtemperatur) erfüllen, in dem bekannten nutzbaren Bereich I, wo die Emitter-Störstellenkonzentration höher angesetzt wird als die Eigenleitungs-Basis-Störstellenkonzentration, und in einem nutzbaren Bereich II liegen, in dem die Eigenleitungs-Basis-Störstellenkonzentration höher ist als die Emitter-Störstellenkonzentration. Der nutzbare Bereich II in Fig. 8 entspricht im wesentlichen dem technischen Gehalt, der in der vorhin erwähnten Veröffentlichung JP 1 90 758-A, 1987, offenbart ist.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben in bezug auf den nutzbaren Bereich II von Fig. 8 geklärt, daß für die Emitterstromverstärkung h _FE, die in der offenbarten Zeichnung der JP 1 90 758-A, 1987, einen so großen Wert hat (wenigstens ungefähr 30), nur ein extrem unzureichender Wert, d. h. 1<h _FE<3,16, erzielt werden kann. Dieses Ergebnis folgt aus der Tatsache, daß die oben beschriebene Offenlegungsschrift für den Bandabstand-Verengungswert Δ E _g einen weit größeren Wert annimmt als denjenigen, der momentan als begründet angesehen wird.

Entsprechend den beiden nutzbaren Bereichen I und II in der Fig. 8 (300 K) gibt es zwei nutzbare Bereiche I und II jeweils in der Fig. 9 (200 K), in der Fig. 10 (150 K) und in der Fig. 11 (77 K).

Wie insbesondere in Fig. 11 gezeigt ist, können, um einen h _FE-Wert von wenigstens 1 bei 77 K zu erhalten, die folgenden beiden Verfahren angewendet werden:

1. Ein Verfahren, das die Basis-Störstellenkonzentration auf wenigstens 1×10¹⁸/cm³ und die Emitter-Störstellenkonzentration auf weniger als die Basis-Störstellenkonzentration festsetzt (nutzbarer Bereich II).
2. Ein Verfahren, das die Basis-Störstellenkonzentration auf mindestens 1×10¹⁸/cm³ und die Emitter-Störstellenkonzentration auf einen höheren Wert als den der Basis-Störstellenkonzentration festsetzt (nutzbarer Bereich I).

Da im zweiten dieser beiden Verfahren die Basis-Störstellenkonzentration niedrig ist (nutzbarer Bereich I), tritt einerseits im Basisbereich leicht ein Durchgriff auf, andererseits ist der Basiswiderstand hoch. Wegen dieser Probleme ist dieses Verfahren für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb nicht geeignet. Da im ersten dieser beiden Verfahren die Basis-Störstellenkonzentration hoch ist, ist dort der Basiswiderstand niedrig, folglich ist dieses Verfahren für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet. Wie aus den Fig. 8 und 11 ersichtlich ist, ist der Konzentrationsbereich mit einem h _FE-Wert von wenigstens 1 bei Raumtemperatur vollkommen verschieden von demjenigen bei der tiefen Temperatur von 77 K. Dies war jedoch in der Vergangenheit nicht bekannt.

Fig. 12 zeigt vom erfindungsgemäßen Bipolartransistor die Abhängigkeit der Emitterstromverstärkung von der Basis-Störstellenkonzentration bei 77 K. Hierbei ist die Emitter-Störstellenkonzentration N _E auf 1×10¹⁸/cm³ festgesetzt. Wenn die Störstellenkonzentration N _B des Eigenleitungs-Basisbereichs niedrig ist, wie durch die durchgezogene Linie im Diagramm dargestellt wird, so nimmt die Emitterstromverstärkung h _FE mit zunehmender Störstellenkonzentration N _B im Eigenleitungs-Basisbereich ab. Gemäß der oben erwähnten Formel (1) nimmt nämlich h _FEO ab, was seit langem bekannt ist. Wenn jedoch die Störstellenkonzentration N _B des Eigenleitungs-Basisbereichs 1×10¹⁸/cm³ übersteigt, so nimmt die Stromverstärkung h _FE mit zunehmender Basis-Störstellenkonzentration stark zu. Dies deshalb, weil bei einer Konzentration von 1×10¹⁸/cm³ oder mehr der Bandabstand-Verengungseffekt des Eigenleitungs-Basisbereichs beachtliches Gewicht erhält, so daß der Faktor exp (Δ E _g/kT) der Formel (1) stark zunimmt. Die Zunahme der Stromverstärkung h _FE bei der tiefen Temperatur von 77 K ist extrem stark und enthält einen qualitativ neuen Betriebsmechanismus, der durch eine Extrapolation oder Analogie der Meßwerte der Transistoreigenschaften des Standes der Technik nicht vorausgesagt werden kann.

Die oben erwähnte Struktur von Fig. 4, die von H. Yagi u. a. vorgeschlagen wird, ist insoweit analog zur vorliegenden Erfindung, als die Emitter-Störstellenkonzentration niedriger ist als die Störstellenkonzentration des Eigenleitungs-Basisbereichs beim Emitter-Basis-Übergang, sie ist aber offensichtlich verschieden von der erfindungsgemäßen Struktur, weil H. Yagi u. a. als Störstellenkonzentration des Eigenleitungs-Basisbereichs einen niedrigeren Wert von 9×10¹⁶/cm³ verwenden.

In Bipolartransistoren mit einem Heteroübergang zwischen der Basis und dem Emitter ist bereits versucht worden, die Störstellenkonzentration des Emitterbereiches niedriger anzusetzen als diejenige des Eigenleitungs-Basisbereichs. Die oben erwähnte Veröffentlichung "Very High Speed Compound Semiconductor Devices" stellt fest:
"Durch das Festsetzen der Beziehung N _E10¹⁸/cm⁺³, P _B10¹⁹/cm⁺³, die bei einem Homoübergang unmöglich ist, wird der Basiswiderstand verringert, wodurch der eine kleine Basis-Emitter-Kapazität aufweisende HBT geschaffen wird."
(Hier bezeichnen N _E und P _B die Störstellenkonzentrationen des Emitters bzw. der Basis, während HBT einen Heteroübergangs-Bipolartransistor bezeichnet.)

Aus dem Zitat wird deutlich, daß nach der herkömmlichen Auffassung die Stromverstärkung für praktische Anwendungen zu klein ist, falls der Transistor, der, wie der erfindungsgemäße Transistor, einen Homoübergang (Übergang zwischen denselben Materialien) zwischen dem Emitter und der Basis aufweist, eine Konzentrationsverteilung wie diejenige der vorliegenden Erfindung besitzt. Mit anderen Worten, man hat vom Transistor erwartet, daß er Eigenschaften entsprechend der gestrichelten Linien von Fig. 12 zeigt.

Der untere Grenzwert der Störstellenkonzentration des Emitterbereiches kann durch das folgende Verfahren bestimmt werden.

In Fig. 13(A) ist gezeigt, daß die Emitterschicht 9 mit niedriger Störstellenkonzentration in der erfindungsgemäßen Struktur in der Nähe des Emitter-Basis-Übergangs besteht, daß aber ein Emitterbereich 1 mit einer hohen Konzentration von wenigstens 5×10¹⁹/cm³ vorgesehen werden muß, um den Kontaktwiderstand im Emitterbereich in der Nähe des Übergangs zu einem Metall-Halbleiter zu verringern, damit die Emitterelektrode 22 erweitert werden kann. Wenn jedoch die Konzentration des Emitterbereiches 9 mit niedriger Konzentration zu niedrig ist, so erreicht der Verarmungsbereich 23 zwischen dem Emitter und der Basis den Teil in der Nähe des Emitterbereiches 1 mit hoher Konzentration. Als Folge davon nimmt die Stromverstärkung aufgrund der Bandabstand-Verengung im Emitterbereich 1 mit hoher Konzentration ab. Dieses Problem kann gelöst werden, indem die Breite W _dep des Verarmungsbereichs 23 kleiner gemacht wird als die Tiefe W des Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration. Genauer gesagt, liegt die Breite W _dep des Verarmungsbereichs 23 vorzugsweise unter 1/5 der Tiefe W des polykristallinen Silizium-Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration. Die Breite W _dep des Verarmungsbereichs 23 ist durch die folgende Formel gegeben:

wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters ist, V _bi die Eigenspannung zwischen der Basis und dem Emitter, V _BE die Basis-Emitter-Spannung, q die elektrische Ladung eines Elektrons und N _E die Störstellenkonzentration des Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration.

Im Hinblick auf die Tatsache, daß V _bi-V _BE etwa 0,1 V unter der Betriebsbedingung liegt, muß die Konzentration N _E des Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration in 1/cm³-Einheiten die folgende Ungleichung erfüllen:

Hierbei ist ε in der Einheit F/cm gegeben, q ist 1,6×10^-19, und W ist in cm gegeben. Die Formel (4) ist genauso auf die in Fig. 13(B) gezeigte Struktur anwendbar. In Fig. 13(B) ist die erfindungsgemäße Struktur gezeigt, die durch Beschichtung mit einem Emitterbereich 46 mit niedriger Konzentration und mit einem Emitterbereich 47 mit hoher Konzentration ausgebildet ist, wobei die Emitterbereiche aus polykristallinem Silizium, aus amorphem Silizium oder aus rekristallisiertem Silizium auf einem Siliziumsubstrat hergestellt sind.

Der erfindungsgemäße Bipolartransistor hat eine praktisch ausreichende große Stromverstärkung bei einer Temperatur unter 200 K. Er ist aufgrund der Eigenschaften, daß der Basiswiderstand klein ist, weil die Störstellenkonzentration des Eigenleitungs-Basisbereichs hoch ist und daß die Übergangskapazität zwischen dem Emitter und der Basis klein ist, weil die Störstellenkonzentration des Emitters niedrig ist, für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet. Diese ausgezeichneten Eigenschaften können mit einer einfachen Herstellungstechnik erhalten werden.

Wenn ein Bipolartransistor bei niedriger Temperatur betrieben wird, dann wird die Vorwärtssteilheit g _m, die als Index für die Stromsteuerungsfähigkeit herangezogen wird, groß. Wie allgemein bekannt ist, ist g _m durch die folgende Formel gegeben:

wobei q die elektrische Ladung eines Elektrons ist, k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und I _c der Kollektorstrom.

Aus dieser Formel ist ersichtlich, daß die Vorwärtssteilheit g _m größer wird, wenn die Temperatur T kleiner wird. Da es gemäß der Erfindung möglich ist, einen Bipolartransistor zu schaffen, der bei einer tiefen Temperatur unterhalb von 200 K mit einer praktisch ausreichenden Stromverstärkung betrieben werden kann, kann ein Bipolartransistor mit hoher Leistung verwirklicht werden, der eine hohe Stromsteuerungsfähigkeit bei tiefen Temperaturen zeigt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1(A) den Querschnitt eines npn-Bipolartransistors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 1(B) eine Darstellung der Störstellenverteilung entlang der Linie c-c′ in Fig. 1(A);

Fig. 2(A) den Querschnitt eines herkömmlichen npn-Bipolartransistors;

Fig. 2(B) die Darstellung der Störstellenverteilung entlang der Linie a-a′ in Fig. 2(A);

Fig. 3 die Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Emitterstromverstärkung in einem Bauelement des Standes der Technik und in einem erfindungsgemäßen Bauelement;

Fig. 4(A) den Querschnitt eines herkömmlichen npn-Bipolartransistors;

Fig. 4(B) die Darstellung der Störstellenverteilung entlang der Linie b-b′ in Fig. 4(A);

Fig. 5 die Darstellung der Störstellenverteilung über einen Querschnitt des Bipolartransistors, die von den Erfindern vor dem Abschluß der vorliegenden Erfindung untersucht worden ist;

Fig. 6 die Darstellung des Energiebandes in einem herkömmlichen Bipolartransistor;

Fig. 7 die Darstellung des Energiebandes im erfindungsgemäßen Bipolartransistor;

Fig. 8 die Darstellung der Abhängigkeit der Stromverstärkung von der Störstellenkonzentration bei Raumtemperatur (300 K);

Fig. 9 die Darstellung der Abhängigkeit der Stromverstärkung von der Störstellenkonzentration bei 200 K;

Fig. 10 die Darstellung der Stromverstärkung bei 150 K;

Fig. 11 die Darstellung der Stromverstärkung bei 77 K;

Fig. 12 die Darstellung der Abhängigkeit der Emitterstromverstärkung des erfindungsgemäßen Bipolartransistors von der Störstellenkonzentration im Eigenleitungs-Basisbereich;

Fig. 13(A) und (B) Querschnitte des Emitters und der Basis des erfindungsgemäßen Bipolartransistors;

Fig. 14(A) den Querschnitt eines npn-Bipolartransistors und eines CMOS-Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14(B) die Darstellung der Störstellenverteilung der Ausführungsform von Fig. 14(A);

Fig. 15(A) den Querschnitt eines npn-Bipolartransistors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 15(B) die Darstellung von dessen Störstellenverteilung;

Fig. 16(A), (B) und (C) Querschnitte der Herstellungsschritte des erfindungsgemäßen Bipolartransistors;

Fig. 17(A) den Querschnitt einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 17(B) die Darstellung von deren Störstellenverteilung;

Fig. 18 und 19 Querschnitte des Bipolartransistors gemäß einer fünften und einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 20 den Querschnitt eines npn-Bipolartransistors gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung und eines auf demselben Substrat wie der Bipolartransistor gebildeten Isolierschicht-Feldeffekttransistors;

Fig. 21 die Darstellung der Temperaturabhängigkeit von der Verzögerungszeit eines jeden der in Fig. 20 gezeigten BiCMOS-Bauelemente und einer aus einem herkömmlichen CMOS-Bauelement bestehenden Inverterschaltung;

Fig. 22 das Schaltbild eines BiCMOS-Bauelements gemäß der Erfindung;

Fig. 23 den Querschnitt eines Bipolartransistors gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 24(A), (B) und (C) Querschnitte der Herstellungsschritte des Bipolartransistors in den Ausführungsformen der Erfindung.

In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen folgende Teile:

1 N-Emitterbereich mit hoher Störstellenkonzentration,
2 P-Eigenleitungs-Basisbereich,
3 P-Störstellen-Basisbereich,
4 N-Kollektorbereich mit niedriger Störstellenkonzentration,
5 N-Kollektorbereich mit hoher Störstellenkonzentration,
6, 7 SiO₂-Film,
8 P-Siliziumsubstrat,
9 N-Emitterbereich mit niedriger Störstellenkonzentration,
10 P-Kanalabsperrungsbereich,
11 P-Basisbereich aus polykristallinem Silizium,
12 Verteilung der N-Störstellenkonzentration,
13 Verteilung der P-Störstellenkonzentration,
14 Bandabstand im Emitterbereich,
15 Bandabstand im Eigenleitungs-Basisbereich,
16 Elektron,
17 Potentialwall gegenüber den vom Emitter zur Basis injizierten Elektronen,
18 positives Loch,
19 Potentialwall gegenüber den von der Basis zum Emitter injizierten positiven Löcher,
20 Leitungsband eines Halbleiters,
21 Valenzband eines Halbleiters,
22 Emitterelektrode,
22′ Metallelektrode mit einer Austrittsarbeit unterhalb von 4,6 eV,
23 Breite des Verarmungsbereichs zwischen der Basis und dem Emitter,
24 Tunnel-Isolierfilm für den Basis-Emitter-Übergang,
25 N-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekttransistor,
28, 34 Gateelektrode,
26 N-Sourcebereich mit hoher Störstellenkonzentration,
27 N-Drainbereich mit hoher Störstellenkonzentration,
29, 35 Gateisolierfilm,
30 P-Wannenbereich,
31 P-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekttransistor,
32 P-Sourcebereich mit hoher Störstellenkonzentration,
33 P-Drainbereich mit hoher Störstellenkonzentration,
36 N-Wannenbereich,
37 P-Bereich mit hoher Störstellenkonzentration,
38 N-Bereich mit hoher Störstellenkonzentration,
39 Übergangsmetall- oder Übergangsmetallverbindungsbereich,
40 Siliziumdioxid-Bereich,
41 N-Bereich aus polykristallinem Silizium mit hoher Störstellenkonzentration,
42 Basiselektroden-Erweiterungsteil,
43 P-Störstellen-Basisbereich mit niedriger Störstellenkonzentration,
44 N-Epitaxie-Einkristallbereich,
45 Elektrode,
46 aus polykristallinem Silizium, aus amorphem Silizium oder aus rekristallisiertem Silizium hergestellter N-Emitterbereich mit niedriger Konzentration,
47 aus polykristallinem Silizium, amorphem Silizium oder rekristallisiertem Silizium hergestellter N-Emitterbereich mit hoher Konzentration,
48 aus polykristallinem Silizium, amorphem Silizium oder rekristallisiertem Silizium hergestellter P-Basisbereich mit hoher Konzentration,
50 aus polykristallinem Silizium hergestellter P-Bereich mit hoher Störstellenkonzentration.

Bei allen im folgenden im Detail beschriebenen Ausführungsformen wird ein Halbleitersubstrat auf eine tiefe Betriebstemperatur (z. B. 200 K, 150 K, 77 K) unterhalb der Raumtemperatur (300 K) mittels eines nicht gezeigten Kühlelements (das flüssiges Helium, flüssigen Sauerstoff, flüssige Luft, Freongas oder ähnliches verwendet) oder einer einen Solvey-Zyklus verwendenden Kühlvorrichtung abgekühlt.

Der hier benutzte Ausdruck "Halbleitereinrichtung" bezeichnet ein Bauelement, das aus einem Halbleitersubstrat und einem damit kombinierten Kühlelement zum Kühlen des Halbleitersubstrats auf eine Betriebstemperatur im wesentlichen unterhalb von 200 K aufgebaut ist.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 1(A) und 1(B) zeigen einen Querschnitt eines npn-Siliziumbipolartransistors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und eine Darstellung der Störstellenverteilung entlang der Linie c-c′.

In dieser Ausführungsform wird als Halbleitersubstrat Silizium verwendet. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen N-Siliziumemitterbereich mit hoher Störstellenkonzentration, 9 einen N-Siliziumemitterbereich mit niedriger Störstellenkonzentration, 2 einen P-Siliziumeigenleitungs-Basisbereich, 3 einen Störstellen-Basisbereich, in dem P-Silizium mit einer hohen Störstellenkonzentration dotiert wird, 4 einen N-Siliziumkollektorbereich mit einer niedrigen Störstellenkonzentration, 5 einen N-Siliziumkollektorbereich mit einer hohen Störstellenkonzentration, 6 und 7 Siliziumdioxidfilme, 8 ein P-Siliziumsubstrat und 10 einen P-Kanalabsperrungsbereich.

Hier sind der Emitterbereich 1 mit der hohen Störstellenkonzentration und der Kollektorbereich 5 mit der hohen Störstellenkonzentration Bereiche mit niedrigem Widerstand, die durch Implantation einer bekannten N-Störstellenart wie etwa Arsen (As), Phosphor (P), Antimon (Sb) usw. in einer Konzentration von mindestens 1×10¹⁹/cm³ gebildet werden. Der Emitterbereich 9 mit niedriger Störstellenkonzentration wird durch bekannte Verfahren für die Bildung von Störstellenbereichen wie etwa Ionenimplantation, Thermodiffusion, Epitaxie, CVD (chemisches Abscheiden von Feststoffen aus der Gasphase, "Chemical Vapor Deposition") usw. gebildet, indem eine N-Störstellenart wie etwa As, P, Sb oder ähnliches in einer Konzentration, die niedriger ist als der Maximalwert der P-Störstellenart, in den Eigenleitungs-Basisbereich 2 eingebracht wird. Um im Emitterbereich 9 den Bandabstand-Verengungseffekt zu vermeiden, liegt die Konzentration dieses Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration vorzugsweise unter 5×10¹⁸/cm³. Die untere Grenze dieses Konzentrationswertes kann mit der Formel (4) berechnet werden. Wenn die Tiefe W des Niederkonzentrationsbereichs 9 beispielsweise 0,3 µm beträgt, so muß der untere Grenzwert mindestens 3,7×10¹⁶/cm³ betragen. Um einen deutlichen Effekt der Emitterschicht 9 mit niedriger Konzentration zu erhalten, beträgt die Breite des Verarmungsbereichs 23 vorzugsweise 1/5 der Tiefe W.

Um irgendwelche ungünstigen Einflüsse, die vom Bandabstand-Verengungseffekt im Bereich 1 mit hoher Störstellenkonzentration herrühren, auf die Betriebseigenschaften des Transistors zu vermeiden, beträgt der Abstand zwischen dem Emitterbereich 1 mit hoher Störstellenkonzentration und dem Eigenleitungs-Basisbereich 2 (d. h. die Breite des Emitterbereichs 9 mit niedriger Störstellenkonzentration) vorzugsweise mindestens 0,1 µm. Der P-Eigenleitungs-Basisbereich 2 wird durch bekannte Verfahren zur Ausbildung von Störstellenbereichen wie etwa Ionenimplantation, Thermodiffusion, Epitaxie usw. gebildet, wobei eine bekannte P-Störstellenart wie etwa Bor (B) verwendet wird. Der Maximalwert der Störstellenkonzentration des P-Eigenleitungs-Basisbereichs 2 beträgt mindestens 1×10¹⁸/cm³. In Fig. 1(B) ist außerdem gezeigt, daß die Störstellenkonzentrationsverteilung des P-Eigenleitungs-Basisbereichs 2 so festgesetzt wird, daß die Konzentration vom Übergang des Emitters 9 zum Übergang des Kollektors 4 abnimmt. Dadurch wird im Basisbereich ein elektrisches Eigenfeld ausgebildet, wodurch die Driftgeschwindigkeit in der Basis erhöht wird. Daher ist diese Anordnung für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet.

Der N-Kollektorbereich 4 mit niedriger Störstellenkonzentration ist so ausgebildet, daß er eine niedrigere Konzentration hat als der Emitterbereich 9 mit niedriger Störstellenkonzentration, um den kapazitiven Widerstand des Übergangs zwischen der Basis und dem Emitter zu verringern. In dieser Ausführungsform ist der Emitterbereich 1 mit hoher Störstellenkonzentration durch Verwendung von As in einer Konzentration von 1×10²⁰/cm³ ausgebildet, während der Emitterbereich 9 mit niedriger Störstellenkonzentration durch Verwendung von Sb in einer Konzentration von ungefähr 8×10¹⁷/cm³ ausgebildet ist. Der Vorteil von Sb liegt darin, daß es, da sein Störstellenniveau niedrig ist, während des Tieftemperaturbetriebs nicht so leicht durch das Ausfrieren der Ladungsträger beeinflußt wird. In dieser Ausführungsform wird Bor als Störstellenart für den P-Eigenleitungs-Basisbereich 2 verwendet, wobei der Maximalwert der Störstellenkonzentration auf 3×10¹⁹/cm³ festgesetzt wird. Als Störstellenart für den N-Kollektorbereich 4 mit niedriger Störstellenkonzentration wird Phosphor verwendet, wobei die Störstellenkonzentration auf 5×10¹⁵/cm³ festgesetzt wird.

Wenn der npn-Bipolarsiliziumtransistor mit der oben beschriebenen Struktur betrieben wird, so arbeitet er bei einer tiefen Temperatur unter 200 K mit einem gegenüber dem von herkömmlichen Transistoren verschiedenen Betriebsmechanismus, weil der Bandabstand in seinem Eigenleitungs-Basisbereich 2 kleiner ist als der Bandabstand im Emitterbereich 9 mit niedriger Störstellenkonzentration. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung benutzt den Rückstoßeffekt durch den Potentialwall 19, um die inverse Injektion von positiven Löchern 18 aus der Basis zum Emitter, wie in Fig. 7 gezeigt ist, zu verhindern. Im Gegensatz dazu benutzt der Stand der Technik ein Verfahren, das den inversen Injektionsstrom dadurch minimiert, daß die Störstellenkonzentration auf einen Wert unterhalb desjenigen des Emitters verringert wird, um die Dichte der positiven Löcher in der Basis zu verringern. Der Effekt des Potentialwalles 19 auf die positiven Löcher 18 wird unterhalb von 200 K wichtiger und erscheint als deutlicher Unterschied in den in den Fig. 8 bis 11 gezeigten optimalen Konzentrationsbereichen. Dies ist in Fachkreisen bisher nicht bekannt. Daher kann erfindungsgemäß die Injektionseffizienz der vom Emitter zur Basis injizierten Elektronen beträchtlich verbessert werden. Aus diesem Grund kann eine praktisch ausreichende Stromverstärkung sogar dann erzielt werden, wenn die Struktur dieser Ausführungsform, in der die Störstellenkonzentration im Eigenleitungs-Basisbereich 2 höher ist als diejenige des Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration, zur Anwendung kommt.

Da die Störstellenkonzentration des Eigenleitungs-Basisbereichs höher gemacht werden kann als diejenige eines gemäß dem Stand der Technik hergestellten Bipolartransistors, wie er in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, weist der erfindungsgemäße Bipolartransistor einen kleineren Basiswiderstand auf, hat ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaften und ist für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet. Der Basiswiderstandswert, der weniger als 1/10 des Widerstandes von herkömmlichen Bipolartransistoren beträgt, kann so optimiert werden, daß die Verzögerungszeit einer ECL-Schaltung (emittergekoppelte Logik), die den Bipolartransistor verwendet, auf 1/10 verringert werden kann. Da die Konzentration des Emitterbereichs 9 niedrig ist, ist die Kapazität des Übergangs zwischen dem Emitter und der Basis klein, was sich auf einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb günstig auswirkt. Ferner kann die Durchbruchspannung des Emitter-Basis-Übergangs verbessert werden. Weiterhin ist es möglich, da der Bipolartransistor dieses Ausführungsbeispiels sogar in einem Tieftemperaturbehälter von weniger als 200 K betrieben werden kann, einen Bipolartransistor mit extrem großer Vorwärtssteilheit zu erhalten.

Entsprechend dieser Struktur wird der Wall gegen die positiven Löcher zwischen der Eigenleitungsbasis 2 mit hoher Konzentration und dem Kollektorbereich 4 mit niedriger Konzentration ausgebildet. Demgemäß ist die Injektion von positiven Löchern in den Niederkonzentrationskollektor sogar im Durchlaßvorspannungszustand zwischen der Basis und dem Kollektor, d. h. im Sättigungsbetrieb, extrem gering. Daher arbeitet der Transistor dieser Ausführungsform sogar im Sättigungsbetrieb während des Tieftemperaturbetriebs mit hoher Geschwindigkeit.

Ausführungsform 2

Die Fig. 14(A) und 14(B) zeigen einen Querschnitt eines npn-Siliziumbipolartransistors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und eine Darstellung der Störstellenverteilung entlang der Linie d-d′. In den Fig. sind für gleiche Bestandteile wie in Fig. 1 gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Bezugszeichen 25 und 31 stellen auf demselben Substrat wie der erfindungsgemäße Bipolartransistor ausgebildete N- bzw. P-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekttransistoren dar; 28 und 34 bezeichnen Gateelektroden; 26 und 27 bezeichnen N-Source- bzw. Drain-Bereiche; 32 und 33 bezeichnen P-Source- bzw. Drain-Bereiche; 29 und 35 bezeichnen aus SiO₂ hergestellte Gateisolierfilme; 30 und 36 bezeichnen P- bzw. N-Wannenbereiche.

In dieser Ausführungsform sind die Emitter 1 und 9 an Positionen ausgebildet, zwischen denen der Basiserweiterungsteil 42 zwischengeschaltet ist, und da die parasitäre Kapazität zwischen der Basis 3 und dem Kollektor 4 klein ist, arbeitet der Transistor mit hoher Geschwindigkeit. Der Basiselektroden-Erweiterungsteil 42 wird von den Emitterbereichen 1 und 9 durch einen dicken Isolierfilm isoliert. Dieser dicke Isolierfilm kann gleichzeitig mit der Ausbildung des Isolationsbereichs des Isolierschicht-Feldeffekttransistors ausgebildet werden. Daher kann der Bipolartransistor gleichzeitig mit der Bildung des Isolierschicht-Feldeffekttransistors hergestellt werden mit Ausnahme des Schrittes zur Ausbildung der P-Basisbereiche 2 und 3, wodurch diese Ausführungsform den Vorteil einer leichten Herstellung besitzt.

In dieser Ausführungsform wird es möglich, da der Bipolartransistor und der Isolierschicht-Feldeffekttransistor auf demselben Substrat ausgebildet sind, eine Bi-CMOS-Schaltungsstruktur (vgl. Fig. 22 weiter unten) zu verwirklichen, woraus ein Bi-CMOS-Halbleiterbauelement mit hoher Leistung für Tieftemperaturbetrieb resultiert. Insbesondere können der Bipolartransistor und der Isolierschicht-Feldeffekttransistor bei tiefen Temperaturen unterhalb von 200 K mit hoher Geschwindigkeit arbeiten, so daß ein Halbleiterbauelement mit extrem hoher Arbeitsgeschwindigkeit verwirklicht werden kann. In dieser Ausführungsform werden der Emitterbereich 9 mit niedriger Konzentration und der Kollektorbereich 4 mit niedriger Konzentration im wesentlichen mit gleicher Konzentration ausgebildet, wie ebenfalls in Fig. 14(B) gezeigt ist. Daher besitzt diese Ausführungsform den Vorteil, daß im wesentlichen die gleiche Leistung erhalten wird, wenn Emitter und Kollektor invertiert werden.

Ausführungsform 3

Die Fig. 15(A) und 15(B) zeigen den Querschnitt eines npn-Bipolartransistors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und eine Darstellung der Störstellenverteilung entlang der Linie e-e′.

Gegenüber den Strukturen der ersten und zweiten Ausführungsform ist die Struktur dieser Ausführungsform von der Art, daß der Emitterbereich 1 in einem tiefen Teil des Substrates 8 eingebettet ist, während der Kollektorbereich 5 auf der Substratoberfläche ausgebildet ist. Der Maximalwert der Störstellenkonzentration des Eigenleitungs-Basisbereichs 2 beträgt 1×10¹⁹/cm³, die Störstellenkonzentration des Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration beträgt 3×10¹⁷/cm³, und die Störstellenkonzentration des Kollektors 5 beträgt 3×10¹⁹/cm³.

In dieser Ausführungsform sind die Basisstörstellenbereiche 2 und 3 in der Nähe der Bauelementoberfläche ausgebildet. Daher können sie durch Ionenimplantation mit niedriger Energie gebildet werden; die eine schmale Breite aufweisenden Basen 2 und 3 können leicht unter Ausnutzung des Unterschiedes der Diffusionskonstanten der Störstellen zwischen dem Kollektor 5 und der Basis ausgebildet werden. Die Struktur dieser Ausführungsform hat jedoch den Nachteil zur Folge, daß eine Schaltkonstruktion in Rückwärtsrichtung, d. h. eine Schaltkonstruktion, die den Kollektor 5 als Emitter benutzt, nicht angewendet werden kann, weil die Stromverstärkung zu klein ist. Die Fig. 16(A) bis 16(C) sind Querschnitte, die die Herstellungsschritte des erfindungsgemäßen Bipolartransistors zeigen. Zunächst wird, wie in Fig. 16(A) gezeigt ist, auf dem P-Siliziumsubstrat 8 ein N-Kollektorbereich 5 mit hoher Störstellenkonzentration ausgebildet. Dann läßt man auf dem Substrat einen 0,3 bis 2 µm dicken Einkristall 44 epitaktisch aufwachsen. Anschließend wird zunächst, wie in Fig. 16(B) gezeigt ist, ein 5 bis 30 nm dicker SiO₂-Film gebildet und auf diesem durch lokale Oxidation ein 0,3 bis 3 µm dicker Isolierfilm 6 aus SiO₂. Durch Diffusion von Phosphor (P) wird als Kollektorelektroden-Erweiterungsteil ein N-Bereich 38 mit hoher Störstellenkonzentration ausgebildet. Ferner wird mit einer Energie zwischen ungefähr 100 und ungefähr 400 KeV und einer Dosis von ungefähr 2×10¹³ bis 1×10¹⁵/cm³ eine P-Störstellenart wie etwa B implantiert, um damit den P-Basisbereich 2 zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt liegt die Störstellenkonzentration des P-Eigenleitungs-Basisbereichs 2 zwischen ungefähr 1×10¹⁸ und 1×10²⁰/cm³. Weiterhin wird mit einer Dosis von ungefähr 5×10¹¹ bis ungefähr 1×10¹³/cm³ eine N-Störstellenart wie etwa P implantiert, um die Emitterschicht 9 mit niedriger Störstellenkonzentration auszubilden.

Als nächstes wird, wie in Fig. 16(C) gezeigt ist, mit einem bekannten Störstelleneintragverfahren wie etwa der Ionenimplantation, der Thermodiffusion oder ähnlichem der P-Störstellen-Basisbereich 3 ausgebildet. Der N-Emitterbereich 1 wird durch Ionenimplantation beispielsweise von As mit einer Dosis von 1×10¹⁴ bis 1×10¹⁶/cm³ gebildet. Schließlich wird der Hochleistungsbipolartransistor mit der Bildung einer Elektrode 45 vollendet. Die Basisbreite muß klein gemacht werden, um die Hochfrequenzeigenschaft des Transistors zu verbessern. Demgemäß wird eine Hitzebehandlung während des Herstellungsprozesses vorzugsweise bei einer niedrigen Temperatur oder für eine kurze Zeitperiode durchgeführt.

Lampenglühen ist für die Durchführung einer Hitzebehandlung für einen kurzen Zeitraum ebenfalls wirksam. Es ist auch wirkungsvoll, die Hitzebehandlung dadurch abzukürzen, daß der Schritt der Basisausbildung vorzugsweise in der zweiten Hälfte des Herstellungsprozesses ausgeführt wird.

Ausführungsform 4

Die Fig. 17(A) und 17(B) zeigen den Querschnitt eines npn-Siliziumbipolartransistors gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung und eine Darstellung der Störstellenverteilung entlang der Linie c-c′.

In dieser Ausführungsform wird als Halbleitersubstrat Silizium verwendet. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 47 den N-Siliziumemitterbereich aus polykristallinem Silizium mit einer hohen Störstellenkonzentration, 46 den N-Siliziumemitterbereich aus polykristallinem Silizium mit einer niedrigen Störstellenkonzentration, 22 die Emitter-Metallelektrodenschicht, 2 den P-Eigenleitungs-Siliziumbasisbereich, 3 den P-Störstellen-Siliziumbasisbereich, 4 den N-Siliziumkollektorbereich mit niedriger Störstellenkonzentration, 5 den N-Siliziumkollektorbereich mit hoher Störstellenkonzentration, 6 und 7 SiO₂-Filme, 8 das P-Siliziumsubstrat und 10 den P-Kanalabsperrungsbereich. Hier sind der Emitterbereich 47 aus polykristallinem Silizium mit hoher Störstellenkonzentration und der Kollektorbereich 5 mit hoher Störstellenkonzentration Bereiche mit niedrigem Widerstand, die durch Einbringung einer bekannten N-Störstellenart wie etwa Arsen (As), Phosphor (P) oder Antimon (Sb) in einer Konzentration von wenigstens 1×10¹⁹/cm³ gebildet werden. Der Emitterbereich 46 aus polykristallinem Silizium mit niedriger Störstellenkonzentration wird durch bekannte Störstellenbereich-Herstellungsverfahren wie etwa Ionenimplantation, Thermodiffusion, Epitaxie, CVD ("Chemical Vapor Deposition") oder ähnliches in einer Konzentration ausgebildet, deren Wert niedriger ist als der Maximalwert der P-Störstellenkonzentration im Eigenleitungs-Basisbereich 2. Zur Vermeidung des Bandabstand-Verengungseffektes im Emitterbereich 46 liegt die Konzentration dieses Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration vorzugsweise unterhalb von 1×10¹⁸/cm³. Der untere Grenzwert für diese Konzentration kann aus der Formel (4) berechnet werden; falls die Tiefe W des Niederkonzentrationsbereiches beispielsweise 0,3 µm beträgt, so muß dieser Wert unter allen Umständen über 3,7×10¹⁸/cm³ liegen. Um einen deutlichen Effekt der Niederkonzentrations-Emitterschicht zu erhalten, liegt die untere Grenze vorzugsweise bei ungefähr 1/5 W.

Zur Vermeidung irgendwelcher ungünstigen Einflüsse der Bandabstandverengung im Emitterbereich 47 mit hoher Störstellenkonzentration auf die Betriebseigenschaften des Transistors liegt die Entfernung zwischen dem Emitterbereich 47 mit hoher Störstellenkonzentration und dem Eigenleitungs-Basisbereich 2 (d. h. die Breite des Emitterbereichs 46 mit niedriger Störstellenkonzentration) vorzugsweise bei mindestens 0,1 µm. Der P-Eigenleitungs-Basisbereich 2 wird durch bekannte Störstellenbereich-Herstellungsverfahren wie etwa Ionenimplantation, Thermodiffusion, Epitaxie oder ähnliches ausgebildet, wobei eine bekannte P-Störstellenart wie etwa Bor (B) Verwendung findet. Der Maximalwert der Störstellenkonzentration dieser P-Störstellenkonzentration beträgt mindestens 1×10¹⁸/cm³. In Fig. 17(B) ist gezeigt, daß die Störstellenkonzentrationsverteilung des P-Eigenleitungs-Basisbereichs 2 so festgesetzt ist, daß sie vom Emitterübergang 46 zum Kollektorübergang 4 abnimmt. Dadurch wird im Basisbereich ein elektrisches Eigenfeld ausgebildet, wodurch die Driftgeschwindigkeit der Elektronen in der Basis erhöht wird. Aus diesem Grund ist diese Ausführungsform für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet.

Der N-Kollektorbereich 4 mit niedriger Störstellenkonzentration wird mit einer Konzentration ausgebildet, die niedriger ist als diejenige des Emitterbereichs 46 aus polykristallinem Silizium mit niedriger Störstellenkonzentration, um die Übergangskapazität zwischen der Basis und dem Kollektor zu verringern.

In dieser Ausführungsform wird zur Ausbildung des Emitterbereichs 47 mit hoher Störstellenkonzentration als Störstellenart As in einer Konzentration von 1×10²⁰/cm³ und zur Ausbildung des Emitterbereichs 46 mit niedriger Störstellenkonzentration Sb in einer Konzentration von ungefähr 8×10¹⁷/cm³ verwendet. Sb hat, da sein Störstellenniveau niedrig ist, den Vorteil, daß es beim Tieftemperaturbetrieb nicht so leicht durch das Ausfrieren von Ladungsträgern beeinflußt wird. Für den P-Eigenleitungs-Basisbereich 2 wird Bor (B) als Störstellenart verwendet, wobei der Maximalwert der Störstellenkonzentration auf 3×10¹⁹/cm³ festgesetzt wird. Für den N-Kollektorbereich 4 mit niedriger Konzentration wird Phosphor (P) als Störstellenart verwendet, wobei der Wert der Störstellenkonzentration auf 5×10¹⁵/cm³ festgesetzt wird. Diese Ausführungsform weist die gleichen Eigenschaften auf wie die erste Ausführungsform.

Ausführungsform 5

Fig. 18 zeigt den Querschnitt eines npn-Siliziumbipolartransistors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, daß der Emitter-Basis-Übergangsteil zwischen dem Emitter 46 mit niedriger Störstellenkonzentration und der Eigenleitungs-Basis 48 aus polykristallinem Silizium mit hoher Störstellenkonzentration im Bereich des polykristallinen Siliziums, des amorphen Siliziums oder des rekristallisierten Siliziums, das auf dem Substrat geschichtet ist, ausgebildet ist. Die Struktur dieser Ausführungsform hat exakt die gleichen Eigenschaften wie die erste Ausführungsform.

Ausführungsform 6

Fig. 19 zeigt den Querschnitt eines npn-Siliziumbipolartransistors gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist zwischen dem Emitterbereich 46 mit niedriger Konzentration und dem Eigenleitungs-Basisbereich 2 mit hoher Konzentration ein extrem dünner Isolierfilm 24, etwa ein 5 bis 50 Å dicker SiO₂-Film, Si₃N₄-Film oder SiO_xN_y-Film ausgebildet. Auch in dieser Ausführungsform wird auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform bei einer tiefen Temperatur unterhalb von 200 K aufgrund des Bandabstand-Verengungseffektes im Eigenleitungs-Basisbereich eine große Stromverstärkung erzielt. Darüber hinaus kann die Stromverstärkung noch verbessert werden, da in dieser Ausführungsform der dünne Isolierfilm 24 ausgebildet ist. Als nächstes wird diese Verbesserung erklärt. Obwohl wegen des Tunneleffektes sowohl die Elektronen als auch die positiven Löcher durch den dünnen Isolierfilm tunneln können, ist die Tunnelwahrscheinlichkeit für Elektronen höher als für positive Löcher. Die Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund des Tunneleffektes ist proportional zu exp(-A ), wie in "Physics of Semiconductor Devices", zweite Auflage, 1981, S. 522, erläutert ist. Hierbei ist A eine Proportionalitätskonstante und m* die effektive Masse der Ladungsträger. Da die effektive Masse der Elektronen kleiner ist als diejenige der positiven Löcher, ist die Tunnelwahrscheinlichkeit durch den Isolierfilm 24 für Elektronen größer. Daher wird durch die Wirkung des Isolierfilms der Strom der in Gegenrichtung von der Basis zum Emitter injizierten positiven Löcher unterdrückt, wodurch die Stromverstärkung verbessert wird.

Wenn als dünner Isolierfilm 24 ein negative Ladungsträger enthaltender Film wie etwa Si₃N₄, SiO_xN_y oder ähnliches verwendet wird, so unterdrückt dieser Film aufgrund seiner kompakten Struktur die Thermodiffusion von Bor in der Basis 2 in den Emitterbereich mit niedriger Konzentration. Mit anderen Worten, dieser Nitridfilm ermöglicht eine beträchtliche Verringerung der Basisbreite, so daß ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb möglich wird.

In dieser Ausführungsform kann die Übergangskapazität zwischen der Basis und dem Kollektor stark verringert werden, da der dicke SiO₂-Film 6 im unteren Teil des Störstellen-Basisbereichs 3 ausgebildet ist, so daß diese Ausführungsform für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet ist.

Ausführungsform 7

Fig. 20 zeigt die siebte Ausführungsform der Erfindung. In der Figur werden zur Bezeichnung gleicher Bauteile wie in Fig. 13(B) gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Bezugszeichen 25 und 31 bezeichnen N-Kanal- und P-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, die auf demselben Substrat wie der erfindungsgemäße Bipolartransistor 40 ausgebildet sind (siehe Fig. 17 der vierten Ausführungsform); 28 und 34 bezeichnen Gateelektroden; 39 bezeichnet einen Übergangsmetallbereich oder einen Übergangsmetallverbindungsbereich zur Verringerung des Widerstands der Gateelektroden; 26 und 27 bezeichnen die N-Source- und Drain-Bereiche; 32 und 33 bezeichnen die P-Source- und Drain-Bereiche; 29 und 35 bezeichnen die Gate-Isolierfilme; 30 und 36 bezeichnen die P- und N-Wannenbereiche; und 37 und 38 bezeichnen die P- und N-Bereiche mit hoher Konzentration, die zur Verringerung des Widerstands der Wannenbereiche ausgebildet sind.

Da in dieser Ausführungsform der Bipolartransistor und die Isolierschicht-Feldeffekttransistoren auf demselben Chip ausgebildet sind, wird eine auf deren Kombination aufbauende Schaltungskonstruktion möglich. Wenn ein Bi-CMOS-Bauelement, in das der erfindungsgemäße Bipolartransistor eingebaut ist, bei einer tiefen Temperatur unterhalb von 200 K betrieben wird, so wird ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb sowohl für den Bipolartransistor als auch für die Isolierschicht-Feldeffekttransistoren möglich, so daß damit ein Halbleiterbauelement, das mit extrem hoher Geschwindigkeit arbeitet, verwirklicht werden kann.

Es ist aus der Vergangenheit bekannt, daß, wenn ein CMOS-Bauelement bei tiefer Temperatur betrieben wird, dessen Betriebsgeschwindigkeit verbessert werden kann. Die Linie l₆ in Fig. 21 stellt die Temperaturabhängigkeit der Verzögerungszeit eines CMOS-Inverters dar. In der Zeichnung stellt die Linie l₅ die Temperaturabhängigkeit der Verzögerungszeit eines aus einem herkömmlichen Bi-CMOS-Bauelement bestehenden Inverters dar. Wenn das herkömmliche Bi-CMOS-Bauelement bei tiefer Temperatur betrieben wird, so kann die Leistung des MOSFET verbessert werden, während sich die Leistung des Bipolartransistors verschlechtert. Daher wird die Bi-CMOS-Leistung nicht sehr verbessert. Insbesondere bei tiefen Temperaturen unterhalb von 150 K nimmt die Verzögerungszeit bei einem Absinken der Temperatur aufgrund des Einflusses der Leistungsverschlechterung des Bipolartransistors zu. Im Gegensatz dazu ist das BiCMOS-Bauelement dieser Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsverbesserung im Tieftemperaturbetrieb extrem groß ist, wie durch die Linie l₇ dargestellt wird.

Fig. 22 zeigt ein Schaltbild des BiCMOS-Bauelements dieser Ausführungsform für den Tieftemperaturbetrieb. Die Vorstufen-Logikschaltung enthält MOSFETs M 1 bis M 4, die Gegentakt-Ausgangsstufenschaltung enthält die Bipolartransistoren Q 1 und Q 2 in einer Totem-Pole-Verbindung. Mit dem Eingang IN ist das Gate des P-Kanal-MOSFET M 1 und das Gate des N-Kanal-MOSFET M 2 verbunden, die Source von M 1 ist mit der positiven Spannungsquelle V _cc verbunden, die Source von M 2 ist mit der Masse GND verbunden, und die Drains von M 1 und M 2 sind miteinander verbunden. Somit bauen die MOSFETs M 1 und M 2 zusammen einen CMOS-Inverter auf.

Da der Kollektor, die Basis und der Emitter des Transistors Q 1 mit der positiven Spannungsquelle V _cc, mit dem Ausgang der CMOS-Inverterschaltung M 1, M 2 und mit dem Ausgang OUT verbunden sind, lädt der Bipolartransistor Q 1, ausgelöst durch die Ausgabe des CMOS-Inverters M 1, M 2, mit hoher Geschwindigkeit die Lastkapazität C _L des Ausgangs OUT gegenüber der Spannungsquelle V _cc.

Da die Basis des Bipolartransistors Q 2 auf den Source-Folgeausgang des N-Kanal-MOSFETs M 3 anspricht, dessen Gate mit dem Eingang IN verbunden ist, wird die Lastkapazität C _L des Ausgangs OUT mit hoher Geschwindigkeit über den Kollektor-Emitter-Strompfad von Q 2 gegen Masse entladen.

Die Ladungsträgerstreuung der MOSFETs M 1 bis M 4 nimmt im Kanalbereich bei einer tiefen Temperatur von 150 K oder weniger ab, außerdem wird die Ladungsträgerbeweglichkeit hoch, so daß die Verzögerungszeit klein wird.

Die Störstellenkonzentration in den Eigenleitungs-Basisbereichen der Bipolartransistoren Q 1 und Q 2 beträgt mindestens 1×10¹⁸/cm³, während die Störstellenkonzentration des Eigenleitungs-Emitterbereichs niedriger ist als diejenige des Eigenleitungs-Basisbereichs. Daher können die Stromverstärkungen der Transistoren Q 1 und Q 2 bei einer tiefen Temperatur von 150 K oder weniger verbessert werden, außerdem kann die Ladungs-/Entladungsgeschwindigkeit der Lastkapazität C _L verbessert werden.

Wie bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der ersten Ausführungsform erwähnt, tritt der Einbau von positiven Löchern im Kollektor im Sättigungsbetrieb des erfindungsgemäßen Bipolartransistors kaum auf. Daher arbeitet der Bipolartransistor mit hoher Geschwindigkeit. Wegen dieses Effektes kann die Betriebsgeschwindigkeit der in Fig. 22 gezeigten BiCMOS-Schaltung stark verbessert werden. Wenn bei der Entladung der in der Lastkapazität C _L gespeicherten Ladung durch den Bipolartransistor Q 2 der Eingangsimpuls eine hohe Geschwindigkeit besitzt, so kann es leicht sein, daß das Potential des Ausgangs OUT nahezu das Niveau der Masse GND erreicht, während das Basispotential von Q 2 ungefähr 1 V beträgt. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet der Bipolartransistor im Sättigungsbereich, so daß bei gewöhnlichen BiCMOS-Bauelementen während des Betriebes bei Raumtemperatur positive Löcher im Kollektorbereich mit niedriger Konzentration eingebaut werden, weshalb der nächste Arbeitsschritt beträchtlich verzögert wird. Beim Tieftemperaturbetrieb des erfindungsgemäßen BiCMOS-Bauelements wird der Einbaueffekt von positiven Löchern im Niederkonzentrationskollektor extrem klein, so daß das Bauelement mit hoher Geschwindigkeit arbeitet.

Es ist natürlich möglich, ein BiCMOS-Bauteil mit hoher Leistung zu erhalten, auch wenn die in Fig. 20 gezeigte Bipolartransistorstruktur durch eine Struktur wie in der ersten Ausführungsform ersetzt wird, bei der der Emitterbereich und der Basisbereich im Inneren des Substrats ausgebildet sind.

Ausführungsform 8

In Fig. 23 ist ein npn-Bipolartransistor gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Gegenüber der Struktur der ersten Ausführungsform ist die Struktur dieser Ausführungsform so beschaffen, daß der P-Störstellen-Basisbereich 43 mit niedriger Konzentration zwischen dem N-Emitterbereich 9 mit niedriger Konzentration und dem Störstellen-Basisbereich 3 ausgebildet ist. Genauer wird ein B in einer Konzentration von 1×10¹⁷/cm³ bis 3×10¹⁹/cm³ enthaltender Bereich mittels eines bekannten Störstelleneintragsverfahrens wie etwa der Ionenimplantation ausgebildet. Die niedrige Konzentration des P-Basisbereichs 43 wird niedriger angesetzt als die Konzentration des P-Basisbereichs 3 mit hoher Konzentration, vorzugsweise ist diese Konzentration niedriger als diejenige des Eigenleitungs-Basisbereichs 2. Entsprechend dieser Anordnung kann die vom Emitter 9 mit niedriger Konzentration zum Störstellen-Basisbereich 3 injizierte unwirksame Elektronenstromkomponente stark verringert werden. Dies hat den folgenden Grund:

Wie in den Fig. 8 und 11 gezeigt, unterscheiden sich die Konzentrationsabhängigkeiten der h _FE-Werte vollständig bei Raumtemperatur und bei tiefer Temperatur. Das bedeutet, daß auch die Konzentrationsabhängigkeiten der Injektionseffizienz der vom Emitter zur Basis injizierten Elektronen deutlich voneinander verschieden sind. Hierbei wird bei einer Temperatur von 77 K gemäß Fig. 11 h _FE minimal bei einer Basiskonzentration von ungefähr 1×10¹⁸/cm³, falls die Konzentration des Emitterbereichs 9 mit niedriger Konzentration einen typischen Konzentrationswert von beispielsweise 1×10¹⁸/cm³ aufweist. Mit anderen Worten, die Injektion von Elektronen wird minimal. Wenn die Elektronen vom Emitter zur Störstellen-Basis injiziert werden, werden sie in der Störstellen-Basis eingebaut, so daß sich h _FE und f _T verschlechtern. Daher ist es umso besser, je kleiner die Menge der vom Emitter zur Störstellen-Basis injizierten Elektronen ist. Wie beschrieben, können h _FE und f _T verbessert werden, falls der P-Bereich 43 mit einer niedrigen Konzentration von ungefähr 1×10¹⁸/cm³ zwischen dem Emitterbereich 9 mit niedriger Konzentration und der Störstellen-Basis 3 ausgebildet wird.

In der obigen Ausführungsform wird als Metallelektrode 22′ ein Metall mit einer kleinen Austrittsarbeit, etwa Ti (Titan), Nb (Niobium), In (Indium) oder TiN (Titannitrid) (d. h. ein Metall mit einer Austrittsarbeit von beinahe 4,6 eV oder mehr) verwendet; der Emitterbereich 9 mit niedriger Konzentration und dieses Metall sind direkt miteinander verbunden. Entsprechend dieser Anordnung kann ein niedriger Kontaktwiderstand verwirklicht werden, ohne daß irgendein N-Bereich mit hoher Konzentration ausgebildet werden müßte, wodurch der Herstellungsprozeß vereinfacht werden kann. Diese Ausführungsform hat die gleichen Eigenschaften wie die erste Ausführungsform.

Die Fig. 24(A) bis 24(C) zeigen Querschnitte, die schrittweise den Herstellungsprozeß des erfindungsgemäßen Bipolartransistors erläutern. Zuerst wird, wie in Fig. 24(A) gezeigt, auf der Oberfläche des P-Siliziumsubstrats der Kollektorbereich 5 mit hoher Störstellenkonzentration gebildet. Danach läßt man auf dem Substrat einen 0,3 bis 2 µm dicken N-Einkristall epitaktisch aufwachsen, anschließend wird zur Isolation ein 5 bis 30 nm dicker SiO₂-Film 7 und ein 0,3 bis 3 µm dicker SiO₂-Film 6 gebildet.

Als Kollektorelektroden-Erweiterungsteil wird mittels Diffusion von Phosphor (P) der N-Bereich 38 mit hoher Konzentration ausgebildet. Weiterhin wird zur Bildung eines P-Basisbereichs 2 eine P-Störstellenart, z. B. B, mit einer Energie von ungefähr 5 bis ungefähr 20 keV und in einer Dosis von ungefähr 2×10¹³ bis ungefähr 1×10¹⁵/cm³ ionenimplantiert. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Störstellenkonzentration des P-Eigenleitungs-Basisbereichs zwischen ungefähr 1×10¹⁸ und 1×10²⁰/cm³.

Nachdem ein Loch für die Emitterelektrode im dünnen SiO₂-Film 7 gebohrt worden ist, wird, wie in Fig. 24(B) gezeigt, als nächstes mittels CVD ("Chemical Vapor Deposition") ein 50 bis 400 nm dicker N-dotierter Film 46 aus polykristallinem Silizium abgeschieden. Zu diesem Zeitpunkt liegt die Störstellenkonzentration zwischen 5×10¹⁶ und ungefähr 1×10¹⁹/cm³ und ist damit niedriger als die Konzentration des P-Bereichs 2. Diesen N-Film 46 aus polykristallinem Silizium kann man danach selektiv lediglich auf dem Emitterelektrodenloch epitaktisch aufwachsen lassen. In diesem Fall werden Siliziumionen in das Polykristall in einer Dosis von wenigstens 1×10¹⁴/cm³ implantiert, um dieses amorph zu machen; danach kann auf dem Silizium das epitaktische Aufwachsen beginnen, indem bei 800°C oder weniger geglüht wird.

Weiterhin wird mittels CVD ein N-Film 47 aus polykristallinem Silizium mit hoher Störstellenkonzentration abgeschieden. Die Störstellenkonzentration ist zu diesem Zeitpunkt vorzugsweise so bemessen, daß ein ohmscher Kontakt mit dem Metall hergestellt werden kann, genauer beträgt die Störstellenkonzentration wenigstens 5×10¹⁹/cm³. Als nächstes wird zur Verringerung des Widerstands der Emitterelektrode ein aus einem Übergangsmetall und einer Übergangsmetallverbindung hergestellter Film 22 durch ein bekanntes Verfahren wie etwa CVD oder Spritzen vakuumaufgedampft. Hierbei ist es möglich, W, Mo, Ti, Pt oder deren Siliziumverbindungen als Übergangsmetall bzw. als Übergangsmetallverbindung zu verwenden.

Danach werden, wie in der Fig. 24(C) gezeigt, die Filme 46 und 47 aus polykristallinem Silizium und der Film 22 aus dem Übergangsmetall oder der Übergangsmetallverbindung durch ein bekanntes Photoätzverfahren geätzt, wobei nur der Bereich der Emitterelektrode übrigbleibt. Als nächstes wird mit einer bekannten Technik ein aus SiO₂ hergestellter Seitenwallbereich 40 ausgebildet. Ferner werden in einer Dosis zwischen ungefähr 5×10¹⁴ bis ungefähr 5×10¹⁵/cm³ und mit einer Energie von 5 bis 30 keV B-Ionen implantiert, um einen Störstellen-Basisbereich 3 auszubilden und damit den Hochleistungs-Bipolartransistor zu vollenden.

Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft von einem Silizium-npn-Bipolartransistor ausgehen, ist das Substratmaterial nicht speziell auf Silizium beschränkt; vielmehr können selbstverständlich Ge, Mischkristalle aus SiGe, GaAs und ähnliches verwendet werden. Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf einen pnp-Bipolartransistor angewendet werden. In einem solchen Fall wird der Emitterbereich 9 mit niedriger Konzentration durch Verwendung von Bor (B) ausgebildet, der Eigenleitungs-Basisbereich 2 wird durch eine N-Störstellenart wie etwa Arsen (As), Phosphor (P), Antimon (Sb) oder ähnliches gebildet.

In den beschriebenen Ausführungsformen fließt der Strom des Bipolartransistors in einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche, es ist aber selbstverständlich die Anwendung einer Struktur möglich, bei der der Strom parallel oder schräg zur Substratoberfläche fließt.

Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft ein vertikaler Bipolartransistor Verwendung findet, ist die Erfindung selbstverständlich auch auf laterale Bipolartransistoren anwendbar.

Erfindungsgemäß beträgt der Maximalwert des Eigenleitungs-Basisbereichs des Bipolartransistors mindestens 1×10¹⁸/cm³; erfindungsgemäß wird der Bereich mit einer gegenüber dem Maximalwert des Eigenleitungs-Basisbereichs niedrigeren Störstellenkonzentration in wenigstens einem Teil des Emitterbereichs ausgebildet; der Übergangsteil zwischen der Basis und dem Emitter wird erfindungsgemäß aus demselben oder im wesentlichen aus demselben Material hergestellt mit der Ausnahme, daß die Störstelleninhalte verschieden sind. Daher zeigt der erfindungsgemäße Bipolartransistor einen Betriebsmechanismus, der im Temperaturbereich unterhalb von 200 K vollkommen verschieden ist von demjenigen bei Raumtemperatur, außerdem zeigt der erfindungsgemäße Bipolartransistor eine praktisch ausreichende Stromverstärkung bei einer solch niedrigen Temperatur, er besitzt einen kleinen Basiswiderstand und eine kleine Emitter-Basis-Übergangskapazität und arbeitet daher mit hoher Geschwindigkeit. Ferner weist der erfindungsgemäße Bipolartransistor eine erhöhte Emitter-Basis-Durchbruchspannung, eine große Vorwärtssteilheit im Betrieb bei tieferen Temperaturen und folglich eine hohe Stromsteuerungsfähigkeit auf. Wenn der erfindungsgemäße Bipolartransistor in einer Halbleitereinrichtung eingebaut ist, so ist er in der Lage, die Betriebsgeschwindigkeit der Halbleitereinrichtung zu verbessern. Darüber hinaus können diese ausgezeichneten Eigenschaften leicht durch ein einfaches Herstellungsverfahren verwirklicht werden.

Claims

1. Halbleitereinrichtung mit einem Halbleitersubstrat (8) und einer Kühleinrichtung zum Abkühlen des Halbleitersubstrats (8) auf eine Betriebstemperatur von im wesentlichen weniger als 200 K,
mit wenigstens einem auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (8) enthaltenen Bipolartransistor, der einen Kollektorbereich (4, 5) eines ersten Leitungstyps, einen mit dem Kollektorbereich (4, 5) verbundenen Eigenleitungs-Basisbereich (2) eines zweiten Leitungstyps und einen mit dem Eigenleitungs-Basisbereich (2) verbundenen Emitterbereich (1, 9, 46, 47) vom ersten Leitungstyp aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert der Störstellenkonzentration des zweiten Leitungstyps des Eigenleitungs-Basisbereichs (2) auf wenigstens 1×10¹⁸/cm³ festgesetzt ist,
die Störstellenkonzentration des ersten Leitungstyps in einem ersten Bereich (9, 46) in wenigstens einem Teil des Emitterbereichs (1, 9, 46, 47) auf einen Wert festgesetzt ist, der niedriger ist als der Maximalwert der Störstellenkonzentration des zweiten Leitungstyps, und
der Eigenleitungs-Basisbereich (2) und der erste Bereich (9, 46) des Emitterbereichs (1, 9, 46, 47) mit Ausnahme der Störstellenarten des ersten und zweiten Leitungstyps im wesentlichen aus demselben Material hergestellt sind.

2. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Emitterbereich (1, 9, 46, 47) einen zweiten Bereich (1, 47) aufweist, wobei die Störstellenkonzentration des ersten Leitungstyps in diesem zweiten Bereich (1, 47) auf wenigstens 1×10¹⁹/cm³ festgesetzt ist, und
der erste Bereich (9, 46) über den zweiten Bereich (1, 47) mit einer Emitterelektrodeneinrichtung (22) verbunden ist.

3. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bipolartransistor ein npn-Transistor ist, und
zwischen dem Eigenleitungs-Basisbereich (2) und dem ersten Bereich (9, 46) im Emitterbereich (1, 9, 46, 47) ein dünner Isolierfilm (24) ausgebildet ist, der die entgegengesetzte Injektion von positiven Löchern (18) aus dem Eigenleitungs-Basisbereich (2) in den ersten Bereich (9, 46) des Emitterbereichs (1, 9, 46, 47) unterdrückt.

4. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bipolartransistor einen mit dem Eigenleitungs-Basisbereich (2) verbundenen ersten Störstellen-Basisbereich (3) mit hoher Störstellenkonzentration und
einen zwischen dem ersten Bereich (9, 46) des Emitterbereichs (1, 9, 46, 47) und dem ersten Störstellen-Basisbereich (3) mit hoher Störstellenkonzentration ausgebildeten zweiten Störstellen-Basisbereich (43) mit niedriger Konzentration aufweist.

5. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Maximalwert der Störstellenkonzentration des zweiten Leitungstyps des Eigenleitungs-Basisbereichs (2) auf wenigstens 1×10¹⁹/cm³ festgesetzt ist.

6. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitersubstrat (8) auf seiner Oberfläche eine Mehrzahl von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (25, 31) aufweist.

7. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mehrzahl der Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (25, 31) eine Komplementärschaltung bilden, die wenigstens einen N-Kanaltransistor (25) und wenigstens einen P-Kanaltransistor (31) aufweist und
der Bipolartransistor durch den Ausgang der Komplementärschaltung gesteuert wird.