DE60131811T2

DE60131811T2 - Heteroübergangsbipolartransistor

Info

Publication number: DE60131811T2
Application number: DE60131811T
Authority: DE
Inventors: Kenji Kadoma-shi Toyoda; Koichiro Moriguchi-shi Yuki; Takeshi Kyoto-shi Takagi; Teruhito Hirakata-shi Ohnishi; Minoru Nabari-shi Kubo
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: CN1344033A; CN1205674C; EP1187218B1; US20030213977A1; KR100725689B1; US7135721B2; US20020163013A1; KR20020020864A; DE60131811D1; US20040232441A1; US6759697B2; EP1187218A2; EP1187218A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bipolaren Heteroübergangs-Transistor, der eine Halbleiterschicht, die Silizium einschließt, verwendet, und insbesondere betrifft sie Maßnahmen, die getroffen werden, um die Betriebsspannung des bipolaren Heteroübergangs-Transistors zu verringern.
In dem Dokument Lanzerotti, L.D. et al.: „Suppression of Boron Outdiffusion in SiGe HBTs by Carbon Incorporation", NY, USA, IEEE, U.S. (1996-12-06), Seiten 249 bis 252, werden bereits dotierte SiGe/SiGeC/SiC-Basis-Transistoren gezeigt. Die Beimischung von C in der Bais von SiGe-HBTs verringert die Diffusion von B während der Implantation nach dem Wachstum und bei Härtungsverfahren.
Das Dokument Knoll, et. al.: „Comparison of SiGe and SiGe:C Heterojunction Bipolar Transistors", Thin Solid Films, Elsevier, Sequoia S.A., Lausanne, Bd. 369, Nr. 1–2, Julie 2000, Seiten 342–346, zeigt einen Vergleich von bipolaren SiGe- und SiGe:C-Heteroübergangs-Transistoren. Dieses Dokument zeigt, dass die Beimischung von C in der SiGe-Basisschicht und das gleichzeitige Erhöhen seines B-Dotierniveaus eine vielversprechende Art ist, die Leistungsfähigkeit von HBTs zu erhöhen.
Diese Dokumente zeigen nicht die Merkmalskombination eines ersten Basisbereichs, der einen hohen C-Gehalt besitzt, der größer als derjenige eines zweiten Basisbereichs ist, der einen niedrigen Wert aufweist, wobei der Ge-Gehalt des ersten Basisbereichs von einem Emitterbereich zu einem Kollektorbereich zunimmt, während der C-Gehalt in dem ersten Basisbereich konstant ist.
Das Dokument EP 1 065 728 A2 ist ein zwischenveröffentlichtes Dokument. Aus diesem Dokument sind ein bipolarer Heteroübergangs-Transistor und ein Verfahren zur Herstellung desselben bekannt, wobei darin bereits beschrieben ist, dass in einer Basisschicht der C-Gehalt konstant gehalten wird und der Ge-Gehalt zunimmt.
Herkömmlicher Weise hat ein bipolarer Heteroübergangs-Transistor (HBT) die Aufmerksamkeit als ein Hochfunktionselement auf sich gezogen. Der HBT ist ein Transistor, in dem die Zusammensetzungen eines Emitters und einer Basis so festgelegt werden, dass gewährleistet ist, dass die Bandlücke des Emitters größer als die der Basis ist, um dadurch die Injektionseffizienz des Emitters wesentlich zu verbessern und somit die Eigenschaften des Transistors zu verbessern. Der HBT, dessen Hochfrequenzeigenschaften besonders hervorragend sind, findet nun mehr und mehr Anwendungen als Vorrichtungen in den hochfrequenten Mikrowellen-/Millimeter-Wellenbändern. Der HBT wurde herkömmlicher Weise unter Verwendung einer Kombination aus GaAs und AlGaAs, welche Komposit-Halbleiter der Gruppen III–V sind, u. ä. hergestellt. In den letzten Jahren erfährt ein SiGe-HBT, der SiGe, das eine kleinere Bandlücke als Si aufweist, als eine Basisschicht verwendet, einer verstärkte Erforschung und Entwicklung.
Der SiGe-HBT macht sich die Tatsache zu Nutze, dass die Bandlücke von Ge (0,66 eV bei Raumtemperatur) kleiner als die Bandlücke von Si (1,12 eV bei Raumtemperatur) ist, und daher die Bandlücke des SiGe-Mischkristalls kleiner als die von Si ist. Durch Verwenden einer Si-Schicht als den Emitterbereich und einer SiGe-Schicht als den Basisbereich, um sicherzustellen, dass die Bandlücke des Basisbereichs kleiner als die des Emitterbereichs ist, kann der resultierende HBT bei einer Spannung betrieben werden, die niedriger als die Betriebsspannung eines bipolaren Si-Homoübergangs-Transistors (etwa 0,7 V) ist. Die Betriebsspannung eines bipolaren Transistors bezieht sich, wie sie hier verwendet wird, auf eine Spannung in dem Zustand, in dem die Basis-Emitter-Spannung gleich einem Basis-Emitter-Diffusionspotential in einem aktiven Bereich des bipolaren Transistors ist. Um es genauer zu sagen, ist es in einem bipolaren NPN-Transistor möglich, die Energielücke an den Valenzbänderkanten der Emitterschicht und der Basisschicht zu einem gewissen Grad zu vergrößern, um eine Injektion von Löchern von der Basisschicht zu der Emitterschicht zu unterdrücken und gleichzeitig die Energielücke an den Leitungsbänderkanten der Emitterschicht und der Basisschicht zu verringern. Auf diese Weise kann die Betriebsspannung des Transistors verringert werden.
Bei dem HBT ist es ebenso möglich, einen Basisbereich zur Verfügung zu stellen, der eine Gradientenzusammensetzung aufweist, in der der Ge-Gehalt graduell von dem Emitterbereich zu dem Kollektorbereich anwächst, so dass die Bandlücke des Basisbereichs graduell von dem Emitterbereich zu dem Kollektorbereich verringert wird. Unter einem elektrischen Feld, das durch diese Gradientenzusammensetzung erzeugt wird, wird der Transport von Ladungsträgern, die in der Basisschicht injiziert werden, beschleunigt, wodurch eine Drift verursacht wird. Durch dieses elektrische Driftfeld bewegen sich die Ladungsträger in dem Basisbereich schneller als sie sich aufgrund von Diffusion bewegen. Dieses verringert die Transportzeit in dem Basisbereich und kann somit die Grenzfrequenz (f_T) verbessern.
Da jedoch die Gitterkonstante von Ge (5,65 Å) von der Gitterkonstanten von Si (5,43 Å) verschieden ist, wird, wenn der Ge-Gehalt hoch ist, eine Versetzung aufgrund der Spannung erzeugt, die durch den Unterschied in den Gitterkonstanten verursacht wird. Dieses verschlechtert die elektrischen Eigenschaften. Kurzgesagt muss der Ge-Gehalt der SiGe-Schicht, um den Niederspannungsbetrieb weiter zu erleichtern, erhöht werden. Wenn jedoch der Ge-Gehalt der SiGe-Schicht größer ist, ist der Unterschied in der Gitterkonstanten zwischen der SiGe-Schicht und der Si-Schicht größer. Daher weist der Ge-Gehalt eine obere Grenze auf. Um dieses Problem zu überwinden, wird Aufmerksamkeit auf die Tatsache gelegt, dass die Gitterkonstant eines C-Kristalls kleiner als die Gitterkonstante eines Si-Kristalls ist. Das bedeutet, dass ein SiGeC-Mischkristall, der aus einer SiGe-Schicht hergestellt ist, die C enthält, die Spannung aufgrund des Unterschieds der Gitterkonstanten verringern kann (L.D. Lanzerotti, A.St. Amour, C.W. Liu, J.C. Strum, J.K. Watanabe und N.D. Theodore, IEEE Electron Device Letters, Bd. 17, Nr. 7, S. 334 (1996)). Daher kann ein HTB, der einen Heteroübergang zwischen einer Si-Schicht und einer SiGeC-Schicht verwendet, in Betracht gezogen werden. Dieser HTB weist jedoch das Problem auf, dass eine Fehlstelle, die in dem Basisbereich enthalten ist, während einer Wärmebehandlung in den Kollektorbereich diffundiert und eine sogenannte parasitäre Grenze zwischen der Basis und dem Kollektor bildet (J.W. Slotboom, G. Streutker, A. Pruijboom und D.J. Gravesteijn, IEEE Electron Device Letters 12, S. 486 (1991)). Die Ausbildung einer parasitären Grenze verursacht eine Verringerung eines Gewinns (β) und eine Verschlechterung einer frühen Spannung Va und der Grenzfrequenz f_T. Um dieses Problem zu lösen, kann eine undotierte Abstandsschicht zwischen der Basis und dem Kollektor angeordnet werden (E.J. Prinz, P.M. Garone, P.V. Schwartz, X. Xiano und J.C. Strum, IEDM Technology Digital, S. 853 (1991)). C hat den Effekt, eine Fehlstellendiffusion zu unterdrücken (L.D. Lanzerotti, J.C. Strum, E. Stach, R. Hull, T. Buyuklimanli und C. Magee, Applied Physics Letters 70 (23), S. 3125 (1997)). Mit diesem Effekt wird erwartet, dass das Profil von Bor als einer p-artigen Fehlstelle in dem Basisbereich erhalten bleibt, und dass somit die Eigenschaften, wie die frühe Spannung Va und die Grenzfrequenz f_T verbessert werden können.
Es weist jedoch der herkömmliche SiGeC-HBT, der einen SiGeC/Si-Heteroübergang verwendet, die folgenden Probleme auf.
Wenn es versucht wird, die Bandlücke der SiGeC-Schicht als den Basisbereich eines SiGeC-HBT zu dem Zweck weiter zu verringern, z. B. den Gewinn weiter zu verbes sern, muss der Ge-Gehalt der SiGeC-Schicht weiter erhöht werden. Wie oben beschrieben, tritt mit der Erhöhung des Ge-Gehalts eine Gitterspannung auf, und es kann der Gehalt von C erhöht werden, um die Gitterspannung zu verringern. Nach den Experimenten jedoch, die von den Erfindern ausgeführt worden sind, ist herausgefunden worden, dass sich die Hochfrequenzeigenschaften eines HBT verschlechtern, wenn der C-Gehalt erhöht wird. In einem HBT z. B., der eine SiGeC-Schicht verwendet, die einen C-Gehalt von 0.8 % oder mehr als den Basisbereich enthält, ist der n-Wert eines Basisstroms etwa 2. Im Weiteren werden die Ergebnisse der Experimente beschrieben, die von den Erfindern ausgeführt worden sind.
8A und 8B sind Gummel-Plots eines SiGe_0,268-HBT bzw. eines SiGe_0,268C_0,0091-HBT. 9A und 9B sind Ansichten, die die Gewinne (β) des SiGe_0,268-HBT bzw. des SiGe_0,268C_0,0091-HBT zeigen. Man beachte, dass der Ausdruck „SiGe_0,268-HBT", „SiGe_0,268C_0,0091-HBT" u. ä., wie er hierin verwendet wird, anzeigt, dass der Molanteil von Si ein Wert ist, der durch Subtraktion des Gesamtgehalts der anderen Materialien (Ge, C u. ä.) von 1 erhalten wird.
Wie aus einem Vergleich der 8A und 8B ersichtlich ist, ist der n-Wert (Gradient) eines Basisstroms Ib des SiGe_0,268C_0,0091-HBT signifikant schlechter als der n-Wert des Basisstroms Ib des SiGe_0,268-HBT. Wie es ebenso aus einem Vergleich der 9A und 9b ersichtlich ist, ist der Gewinn β des SiGe_0,268C_0,0091-HBT maximal lediglich 50, welches schlechter als der Gewinn β von maximal 400 des SiGe_0,268-HBT ist. Der Grund wird als der folgende angesehen. Der n-Wert verschlechtert sich, da ein Rekombinationsstrom anwächst, wenn der C-Gehalt in dem SiGeC-HBT nahe 1 % ist, und mit der Verschlechterung des n-Werts nimmt der Gewinn β ab.
10 ist eine Ansicht zur Untersuchung des Fittens von Messergebnissen der Vorwärts-Strom-Spannungs-Kennlinie in der Emitter-Basis-Dioden-Kennlinie des SiGe_0,268-HBT und des SiGe_0,268C_0,0091-HBT und der Rechenergebnisse der Summe eines Rekombinationsstroms und eines Diffusionsstroms von Elektronen. In 10 sind die berechneten Ergebnisse der Summe des Rekombinationsstroms und des Diffusionsstroms von Elektronen der Diode mit den Messergebnissen unter Verwendung einer Rekombinationslebenszeit (τr) in einer Emitter-Basis-Sperrschicht als einen Parameter gefittet. Wie es aus den Ergebnissen der Dioden-Kennlinie ersichtlich ist, ist die Rekombinationslebenszeit etwa 400 pSek. in einer SiGeC-Schicht, die einen C-Gehalt von 0,91 % besitzt, während sie ungefähr 100 nSek. in einer SiGeC-Schicht ist, die einen C-Ge halt von 0 % aufweist (d. h. in einer SiGe-Schicht). Es wird daher gedacht, dass, wenn der C-Gehalt nahe 1 % ist, die Rekombinationslebenszeit signifikant abnimmt, was den Rekombinationsstrom stark erhöht. Infolgedessen verschlechtern sich die Eigenschaften.
11A und 11B sind Ansichten, die die Ergebnisse von einer Simulation des Gummel-Plots bzw. des Gewinns zeigen, die durch Variieren der Rekombinationslebenszeit von 1 × 10^–5 Sek. bis 1 × 10^–9 Sek. in dem Basisbereich eines SiGe_0,268-HBT zeigen, der gleichförmig Ge enthält. Wie es aus 11A ersichtlich ist, wächst der Rekombinationsstrom des Basisstroms stark an, wenn die Rekombinationslebenszeit kleiner ist, wodurch eine Verschlechterung des n-Werts verursacht wird, während der Kollektorstrom nicht so stark beeinflusst wird. Wie aus 11B ersichtlich ist, nimmt, da der Rekombinationsstrom des Basisstroms stark anwächst, wenn die Rekombinationslebenszeit kleiner ist, der Gewinn β signifikant ab. Das heißt, dass eine kurze Rekombinationslebenszeit eine Verschlechterung der Transistoreigenschaften verursacht.
Ein Grund dafür, dass die Rekombinationslebenszeit verkürzt wird, wenn der C-Gehalt des SiGeC-HBT groß ist, liegt darin, dass in einem SiGeC-Kristall, der einen hohen C-Gehalt hat, die Menge an C, die sich an Zwischengitterplatzpositionen des Kristalls befindet, groß ist. Das C, das sich an Zwischengitterplatzpositionen befindet, bildet ein Rekombinationsniveau und dieses erhöht den Rekombinationsstrom.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen bipolaren Heteroübergangs-Transistor zur Verfügung zu stellen, in dem der Emitter-Basis-Rekombinationsstrom verringert wird, ein Niederspannungsbetrieb erreicht wird und die Hochfrequenzeigenschaften verbessert werden.
Ein bipolarer Heteroübergangs-Transistor der vorliegenden Erfindung wird in Anspruch 1 beansprucht.
Bei den obigen Aufbau ist der C-Gehalt in dem Teil des Basisbereichs benachbart zu dem Emitterbereich vergleichsweise klein. Daher ist in der Sperrschicht an dem Emitter-Basis-Übergang der Bereich, der einen hohen C-Gehalt besitzt, klein, und somit kann die Anzahl der Rekombinationszentren in der Sperrschicht verringert werden. Dieses unterdrückt den Rekombinationsstrom, der durch die Existenz von Rekombinations zentren in der Sperrschicht verursacht wird. Das heißt, dass durch das Verwenden des Basisbereichs, der aus einer SiGeC-Schicht für den Heteroübergang hergestellt ist, es möglich ist, die elektrischen Eigenschaften, wie den Gewinn und die Hochfrequenzeigenschaften, zusätzlich zu dem Erreichen eines Niederspannungsbetriebs zu verbessern.
Der C-Gehalt des Teils des Basisbereichs, der an den Emitterbereich angrenzt, beträgt bevorzugter Weise weniger als 0,8 %.
Der C-Gehalt des Teils des Basisbereichs, der an den Emitterbereich angrenzt, kann 0,01 % oder mehr betragen. Dieses ermöglicht die genaue Anpassung der Bandstruktur an den Basisbereich.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor ist bevorzugter Weise so aufgebaut, dass die Sperrschicht, die an dem Emitter-Basis-Übergang ausgebildet ist, sich innerhalb eines Bereichs in Kontakt mit dem Emitterbereich in dem Basisbereich befindet. Dieses ermöglicht eine effektivere Unterdrückung des Rekombinationsstroms.
Wenn der Ge-Gehalt des Bereichs in Kontakt mit dem Emitterbereich in dem Basisbereich konstant ist, ist das Diffusionspotential des Emitter-Basis-Übergangs selbst bei Fluktuationen der Tiefe der Diffusionsschicht beinahe konstant. Infolgedessen kann die Betriebsspannung beinahe konstant gehalten werden.
Zumindest das Zentrum eines Teils des Basisbereichs, der von dem Teil angrenzend an den Emitterbereich verschieden ist, weist vorzugsweise einen gleichförmigen Ge-Gehalt auf. Dieses erleichtert in dem Herstellungsprozess das epitaxiale Wachstum des Basisbereichs.
Die Dicke des Teils des Basisbereichs, der von dem Teil angrenzend an den Emitterbereich verschieden ist, wird bevorzugter Weise so konstruiert, dass die Bandlücke abnimmt, wenn die Position in dem Basisbereich weiter von dem Emitterbereich entfernt ist und näher an dem Kollektorbereich liegt. Diese beschleunigt den Transport von Ladungsträgern in dem Basisbereich und verbessert somit die Hochfrequenzeigenschaften.
Ein Teil des Basisbereichs, der von dem Teil angrenzend an den Emitterbereich verschieden ist, weist bevorzugter Weise eine Zusammensetzung auf, in der der C-Gehalt anwächst, wenn die Position in dem Basisbereich weiter von dem Emitterbereich entfernt ist und näher an dem Kollektorbereich liegt. Bei diesem Aufbau befindet sich der Teil, der einen hohen C-Gehalt besitzt, der viele Rekombinationszentren aufweist, an der am weitesten möglichen Position von dem Emitter-Basis-Übergang entfernt, um den Rekombinationsstrom zu unterdrücken und somit eine niedrige Betriebsspannung zu erreichen.
Der Basisbereich kann in einen ersten Basisbereich, der den Teil angrenzend an den Kollektorbereich einschließt, und einen zweiten Basisbereich, der den Teil angrenzend an den Emitterbereich einschließt, unterteilt werden, und die Bandlücke zumindest des Grenzbereichs des ersten Basisbereichs auf der Seite des zweiten Basisbereichs ist gleich der oder kleiner als die Bandlücke des zweiten Basisbereichs. Bei diesem Aufbau wird eine signifikant kleine Betriebsspannung erhalten.
In dem obigen Fall wird bevorzugter Weise ein Verhältnis Δx ≥ 4,288 Δy etabliert, wobei Δx den Unterschied in dem Ge-Gehalt zwischen zumindest einem Grenzbereich des ersten Basisbereichs auf der Seite des zweiten Basisbereichs und dem zweiten Basisbereich bezeichnet und Δy den Unterschied in dem C-Gehalt zwischen zumindest dem Grenzbereich des ersten Basisbereichs auf der Seite des zweiten Basisbereichs und dem zweiten Basisbereich bezeichnet.
Ein Teil des ersten Basisbereichs, der von dem Grenzbereich auf der Seite des zweiten Basisbereichs verschieden ist, kann so aufgebaut sein, dass die Bandlücke abnimmt, wenn die Position in dem ersten Basisbereich weiter von dem zweiten Basisbereich entfernt ist und näher an dem Kollektorbereich liegt. Dieses erhöht die Transportgeschwindigkeit der Ladungsträger in dem Basisbereich und verbessert somit die Hochfrequenzeigenschaften, wie es oben beschrieben ist.
In dem obigen Fall wird bevorzugter Weise ein Verhältnis Δx ≥ 4,288 Δy etabliert, wobei Δx den Unterschied in dem Ge-Gehalt zwischen zumindest einem Grenzbereich des ersten Basisbereichs auf der Seite des zweiten Basisbereichs und dem zweiten Basisbereich bezeichnet und Δy den Unterschied in dem C-Gehalt zwischen zumindest dem Grenzbereich des ersten Basisbereichs auf der Seite des zweiten Basisbereichs und dem zweiten Basisbereich bezeichnet.
1 ist ein Zustandsdiagramm, das Verhältnisse eines Ge-und C-Gehalts, der Bandlücke und der Gitterspannung in einem ternär gemischten SiGeC-Kristall-Halbleiter zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht eines bipolaren Heteroübergangs-Transistor (HTB), der den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemeinsam ist.
3A und 3B sind Ansichten, die den C- und Ge-Gehalt und die Bor-Konzentration bzw. ein Energiebanddiagramm während einer Spannungsanlegung eines HBT eines Beispiels 1, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist, zeigen.
4A und 4B sind Ansichten, den C- und Ge-Gehalt und die Bor-Konzentration bzw. ein Energiebanddiagramm während einer Spannungsanlegung eines HBT eines Beispiels 2, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist, zeigen.
5A und 5B sind Ansichten, den C- und Ge-Gehalt und die Bor-Konzentration bzw. ein Energiebanddiagramm während einer Spannungsanlegung eines HBT einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
6A und 6B sind Ansichten, den C- und Ge-Gehalt und die Bor-Konzentration bzw. ein Energiebanddiagramm während einer Spannungsanlegung eines HBT eines Beispiels 4, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist, zeigen.
7A und 7B sind Ansichten, den C- und Ge-Gehalt und die Bor-Konzentration bzw. ein Energiebanddiagramm während einer Spannungsanlegung eines HBT eines Beispiels 5, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist, zeigen.
8A und 8B sind Gummel-Plots eines SiGe_0,268-HBT bzw. eines SiGe_0,268C_0,0091-HBT.
9A und 9B sind Ansichten, die die Gewinne (β) des SiGe_0,268-HBT bzw. des SiGe_0,268C_0,0091-HBT zeigen.
10 ist eine Ansicht zur Untersuchung des Fittens von Messergebnissen der Vorwärts-Strom-Spannungs-Kennlinie in der Emitter-Basis-Dioden-Kennlinie des SiGe_0,268- HBT und des SiGe_0,268C_0,0091-HBT und der Rechenergebnisse der Summe eines Rekombinationsstroms und eines Diffusionsstroms von Elektronen.
11A und 11B sind Ansichten, die die Ergebnisse von einer Simulation des Gummel-Plots bzw. des Gewinns zeigen, die durch Variieren der Rekombinationslebenszeit von 1 × 10^–5 Sek. bis 1 × 10^–9 Sek. in dem Basisbereich eines SiGe_0,263-HBT erhalten werden, der gleichförmig Ge enthält.
12 ist eine Ansicht, in der Form einer Tabelle gezeigt, von Parametern von Proben, die für Experimente zur Bestätigung der Effekte der vorliegenden Erfindung verwendet wurden.
13 ist eine Ansicht, die Daten einer Vorspannungs-Strom-Kennlinie zeigen, die für die Proben gemessen wurden, die in 12 gezeigt sind.
Beschreibung von Beispielen und Ausführungsformen
Vor der Beschreibung spezieller Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden grundlegende Vorteile eines bipolaren Heteroübergangs-Transistors (HBT), dessen Basisschicht aus einer SiGeC-Schicht gebildet wird, die aus einem ternär gemischten Kristallhalbleiter, der Si, Ge und C einschließt, hergestellt ist, beschrieben.
1 ist ein Zustandsdiagramm, das Verhältnisse eines Ge-und C-Gehalts, der Bandlücke und der Gitterspannung in einem ternär gemischten SiGeC-Kristall-Halbleiter zeigt. In 1 stellt die x-Achse den Ge-Gehalt dar, und die y-Achse stellt den C-Gehalt dar. Jede der geraden Linien stellt die Zusammensetzungsbedingungen des Halbleiters dar, unter denen der Grad der Spannung (einschließlich der Kompressionsspannung und der Zugspannung) oder die Bandlücke konstant ist. In 1 stellt der gepunktete Bereich einen Bereich dar, in dem der Grad der Kristallspannung einer SiGeC-Schicht, die auf einer Si-Schicht ausgebildet ist, 1,0 % oder weniger beträgt, und die Bandlücke derselben ist kleiner als die herkömmliche praktikable SiGe-Schicht (Ge-Gehalt: etwa 10 %). Dieser Bereich ist als ein Bereich definiert, der durch die folgenden geraden Linien umgeben ist:
Linie 1: y = 0,122 x – 0,032
Linie 2: y = 0,1245 x + 0,028
Linie 3: y = 0,2332 x – 0,0233 (Ge-Gehalt: 22 % oder weniger)
Linie 4: y = 0,0622 x + 0,0127 (Ge-Gehalt: 22 % oder weniger)
wobei x den Ge-Gehalt bezeichnet und y den C-Gehalt in der SiGeC-Schicht bezeichnet, die durch Si_1-x-yGe_xC_y bezeichnet ist. Man beachte, dass eine SiGeC-Schicht, die eine Zusammensetzung irgendwo auf der geraden Linie besitzt, die die Gitterspannung 0 % in 1 darstellt, bzgl. des Gitters mit der darunter liegenden Si-Schicht zusammenpasst.
Dem gemäß kann in einem HBT, der aus einer Emitterschicht, einer Basisschicht und einer Kollektorschicht zusammengesetzt ist, die Basisschicht aus SiGeC aufgebaut sein, das eine Zusammensetzung aufweist, die innerhalb des gepunkteten Bereichs in 1 fällt. Durch diesen Aufbau kann eine Basis mit einer schmalen Bandlücke erhalten werden, ohne dass Schwierigkeiten aufgrund der Gitterspannung erzeugt werden.
In anderen Worten ist es durch Auswählen eines ternär gemischten SiGeC-Kristallhalbleitermaterials, dessen Bandlücke klein ist und in dem Grad der Gitterspannung gering ist, für die Basisschicht möglich, einen HBT mit einer großen Verlässlichkeit zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist, einen Niederspannungsbetrieb und einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu realisieren.
1 zeigt den Zustand des HBT, in dem die Schicht, die unterhalb der SiGeC-Schicht liegt, lediglich aus Si hergestellt ist. Alternativ kann die unterliegende Si-Schicht zu einem gewissen Grad Ge und C enthalten, solange die Gitterspannung der SiGeC-Schicht 1,0 % oder weniger beträgt und ein großer Unterschied in der Bandlücke zwischen der unterliegenden Schicht und der SiGeC-Schicht gewährleistet ist. In diesem Fall kann ebenso im wesentlichen derselbe Effekt erreicht werden.
2 ist eine Querschnittsansicht eines HBT, der den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemeinsam ist. Wie es in 2 gezeigt ist, schließt der HBT der vorliegenden Erfindung ein: ein Si-Substrat 10 einschließlich einer p-artigen Fehlstelle (Fremdatomstelle); eine vergrabene Si-Kollektorschicht 11, die durch Implantieren einer n-artigen Fehlstelle (z. B. von Phosphor) in dem Si-Substrat 10 gebildet wird; einen ersten Basisbereich 12, der aus einer SiGeC-Schicht hergestellt ist, die einen hohen C-Gehalt aufweist, welche auf der vergrabenen Si-Kollektorschicht 11 ausgebildet ist; einen zweiten Basisbereich 13, der aus einer SiGeC-Schicht, die einen niedrigen C-Gehalt aufweist, oder einer SiGe-Schicht hergestellt ist, die auf dem ersten Basisbereich 12 ausgebildet ist; eine Si-Deckschicht 14, die auf dem zweiten Basisbereich 13 ausgebildet ist und eine Emitterelektrode 15, die aus einem Polysiliziumfilm hergestellt ist, der auf der Si-Deckschicht 14 ausgebildet ist.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen des HBT mit dem obigen Aufbau beschrieben. Als erstes wird Phosphor (P) als die n-artige Fehlstelle in dem Oberflächenbereich des Si-Substrats 10 durch eine Ionenimplantation o. ä. in einer Konzentration von etwa 2 × 10¹⁷/cm³ implantiert, um die vergrabene Si-Kollektorschicht 11 auszubilden. Auf der vergrabenen Si-Kollektorschicht 11 wachsen durch Kristallwachstum durch UHV-CVD o. ä. nacheinander: der erste Basisbereich 12, der aus einer SiGeC-Schicht hergestellt ist, die einen hohen C-Gehalt aufweist; und der zweite Basisbereich 13, der aus einer SiGeC-Schicht, die einen niedrigeren C-Gehalt als die erste Basisbereich 12 aufweist, oder einer SiGe-Schicht hergestellt ist. Der C-Gehalt von zumindest dem Grenzbereich des zweiten Basisbereichs 13 auf der Seite des Emitterbereichs (auf der Seite der Si-Deckschicht) sollte niedriger als 0,8 % sein. Als das Quellgas für das Kristallwachstum werden Silan und Disilan für das Si-Material verwendet, es wird German für das Ge-Material verwendet, und es werden Methylsilan und Methylgerman für das C-Material verwendet. Bor (B) wird z. B. als ein p-artiges Fremdatom in in dem ersten und zweiten Basisbereich 12 und 13 in einer Konzentration von etwa 4 × 10¹⁸/cm³ dotiert. Die Dicke des ersten Basisbereichs 12 beträgt etwa 35 nm, und die Dicke des zweiten Basisbereichs 13 beträgt etwa 25 nm (Gesamtdicke: etwa 60 nm). Danach wächst die Si-Deckschicht 14, die aus einer Si-Schicht hergestellt ist, epitaxial auf dem zweiten Basisbereich 13. Die Si-Deckschicht 14 wird nicht mit irgend einem Fremdatom dotiert und weist eine Dicke von etwa 10 nm auf. Es wird ein Siliziumoxidfilm 16, der eine Öffnung aufweist, auf der Si-Deckschicht 14 ausgebildet. Die Emitterelektrode 15, die aus einem n₊-artigen Polysiliziumfilm hergestellt ist, der eine n-artige Fehlstelle, wie Arsen (As) und Phosphor (P) enthält, wird über der Öffnung und einem Teil des Siliziumoxidfilms 16 ausgebildet. Die Emitterelektrode 15 ist mit Arsen (oder Phosphor) in einer hohen Konzentration von etwa 1 × 10²⁰/cm³ dotiert worden. Diese n-artige Fehlstelle lässt man durch eine Wärmebehandlung in die Si-Deckschicht 14 diffundieren, um einen Emitterbereich 14a in der Si-Deckschicht 14 auszubilden.
Somit wird gemäß dem oben beschriebenen HBT der zweite Basisbereich 13, der einen niedrigen C-Gehalt besitzt, zwischen dem ersten Basisbereich 12, der einen hohen C-Gehalt besitzt, und dem Emitterbereich 14a angeordnet. Insbesondere ist der C-Gehalt des Grenzbereichs des zweiten Basisbereichs 13 auf der Seite des Emitterbereichs (der emitterseitige Grenzbereich) so gering wie weniger als 0,8 % ausgebildet, so dass die Rekombinationszentren, die aufgrund des hohen C-Gehalts des ersten Basisbereichs 12 erzeugt werden, von der Emitter-Basis-Sperrschicht entfernt gehalten werden. Bei diesem Aufbau ist es daher möglich, den n-Wert eines Basisstroms zu verbessern und einen Verluststrom zu verringern, und somit können die Probleme unterdrückt werden, die mit Bezug auf die 8B und 9B beschrieben worden sind. Zusätzlich ist es durch das Vorhandensein des ersten Basisbereichs 12, der einen hohen C-Gehalt besitzt, möglich, einen Niederspannungsbetrieb zu erreichen, während die Erzeugung einer Gitterspannung wie in dem Fall des herkömmlichen HBT, der einen Si/SiGeC-Heteroübergang verwendet, unterdrückt wird. Dieses sind grundlegende Vorteile der vorliegenden Erfindung.
In 2 ist der Basisbereich bequemer Weise in den ersten Basisbereich 12 und den zweiten Basisbereich 13 unterteilt worden. Die vorliegende Erfindung ist ebenso auf einen HBT anwendbar, der einen Basisbereich enthält, der nicht in einen ersten und zweiten Basisbereich unterteilt werden kann. Z. B. können sich in dem Si_1-x-yGe_xC_y, das die Basisschicht bildet, die Molanteile kontinuierlich über die gesamte Basisschicht ändern. Die grundlegenden Vorteile der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben worden sind, sind erhältlich, solange der C-Gehalt des Teils des Basisbereichs angrenzend an den Emitterbereich kleiner als der C-Gehalt des Teils des Basisbereichs angrenzend an den Kollektorbereich ist.
Beispiel 1
3A ist eine Ansicht, die den C-Gehalt, den Ge-Gehalt und die Konzentration von Bor (B) als eine Fehlstelle des ersten und zweiten Basisbereichs in Beispiel 1 zeigt. 3B ist ein Energiebanddiagramm über den Emitterbereich-Basisbereich-Kollektorbereich während einer Spannungsanlegung in Ausführungsform 1. Man beachte, dass in 3A eine Darstellung der Konzentration einer n-artigen Fehlstelle ausgelassen ist.
Wie es in 3A gezeigt ist, ist in diesem Beispiel der Ge-Gehalt über den ersten Basisbereich 12 und den zweiten Basisbereich 13 konstant (z. B. 26,8 %). Der C-Gehalt beträgt z. B. 0,91 % in dem ersten Basisbereich 12 und 0,35 % in dem zweiten Basisbereich 13. In diesem Fall ist daher der erste Basisbereich 12 aus einer SiGe_0,268C_0,0091-Schicht hergestellt, während der zweite Basisbereich 13 aus einer SiGe_0,265C_0,0035-Schicht hergestellt ist.
Die Bandlücke der SiGe_0,268C_0,0091-Schicht beträgt etwa 0,95 eV, während die Bandlücke der SiGe_0,268C_0,0035-Schicht etwa 0,92 eV beträgt. Wenn zwei SiGeC-Schichten, die denselben Ge-Gehalt aufweisen, wie in diesem Fall aufeinander geschichtet werden, ist die Bandlücke der Schicht, die einen höheren C-Gehalt besitzt, größer als diejenige der anderen Schicht. Daher besteht, wie es in 3B gezeigt ist, durch das Anordnen der SiGeC-Schicht, die einen niedrigen C-Gehalt besitzt (zweite Basisbereich 13) zwischen dem Emitterbereich 14a und dem ersten Basisbereich 12, der eine hohen C-Gehalt aufweist, eine geringere Tendenz dazu, das eine Barriere an dem Emitter-Basis-Übergang auftritt. Die Existenz des zweiten Basisbereichs 13, der einen niedrigen C-Gehalt besitzt, übt somit keinen schlechten Einfluss, wie ein Erhöhen der Betriebsspannung des HBT, aus. Zusätzlich kann, wie es oben beschrieben ist, durch das Anordnen des zweiten Basisbereichs 13, der einen niedrigen C-Gehalt besitzt, zwischen dem Emitterbereich 14a und dem ersten Basisbereich 12, der einen hohen C-Gehalt besitzt, der Rekombinationsstrom in der Emitter-Basis-Sperrschicht (dem Bereich Rdp, der in 3B gezeigt ist) verringert werden. Das heißt, dass der HBT dieses Beispiels eine Verschlechterung des n-Werts und eine Verringerung des Gewinns, die durch ein Anwachsen des Rekombinationsstroms verursacht wird, unterdrücken kann und dennoch eine weiter verringerte Betriebsspannung erreichen kann.
Man beachte, dass der Effekt der Verringerung des Rekombinationsstroms in der Sperrschicht, die an dem Emitter-Basis-Übergang ausgebildet wird, selbst in den Fällen erhalten werden kann, in denen die Basisschicht nicht in zwei Basisbereiche aufteilbar ist, die eine klare Grenze zwischen sich haben, und in denen die Basisschicht z. B. in drei oder mehr Bereiche aufteilbar ist, in dem Fall, in dem die Molanteile des Si_1-x-yGe_xC_y, das die Basisschicht bildet, sich kontinuierlich über die gesamte Basisschicht ändern, solange der C-Gehalt des Teils der Basisschicht angrenzend an die Emitterschicht hinreichend klein ist.
Experimentelle Daten für Beispiel 1
12 ist eine Ansicht, in der Form einer Tabelle gezeigt, von Parametern von Proben, die für Experimente zur Bestätigung der Effekte der vorliegenden Erfindung verwendet wurden. In 12 bezeichnet S die Dicke der Si-Deckschicht 14, D1 bezeichnet die Dicke des ersten Basisbereichs 12, D2 bezeichnet die Dicke des zweiten Basisbereichs 13. N_G1, N_C1 und N_B1 bezeichnen den Ge-Gehalt, den C-Gehalt bzw. die Bor-Konzentration des ersten Basisbereichs 12. N_G2, N_C2 und N_B2 bezeichnen den Ge-Gehalt, den C-Gehalt bzw. die Bor-Konzentration des zweiten Basisbereichs 13.
13 ist eine Ansicht, die Daten einer Vorspannungs-Strom-Kennlinie zeigt, die für die Proben gemessen wurden, die in 12 gezeigt sind. Wie aus 12 ersichtlich ist, ist in Probe Nr. 1, die keine Schicht einschließt, die einen geringern C-Gehalt besitzt (zweiter Basisbereich), der Gradient der Vorspannungs-Strom-Kennlinie klein, was anzeigt, dass der Rekombinationsstrom groß ist. Bei der Probe Nr. 2, in der die Dicke des zweiten Basisbereichs 13, der einen geringern C-Gehalt besitzt, 10 nm beträgt, ist der Gradient der Vorspannungs-Strom-Kennlinie etwas erhöht, was den Effekt der Verringerung des Rekombinationsstroms zu einem gewissen Grad anzeigt, auch wenn er noch gering ist. Bei der Probe Nr. 3, in der die Dicke des zweiten Basisbereichs 13, der einen geringer. C-Gehalt besitzt, 20 nm beträgt, ist der Gradient der Vorspannungs-Strom-Kennlinie etwas scharf, was klar den Effekt der Verringerung des Rekombinationsstroms anzeigt. Bei der Probe Nr. 4, in der die Dicke des zweiten Basisbereichs 13, der einen geringern C-Gehalt besitzt, 30 nm beträgt, ist der Gradient der Vorspannungs-Strom-Kennlinie scharf, was deutlich den Effekt der Verringerung des Rekombinationsstroms anzeigt.
Bei den Proben, die für die obigen Experimente verwendet wurden, betrug die Konzentration der Fremdatome (Bor) in dem ersten und zweiten Basisbereich 12 und 13 2 × 10¹⁸/cm³, was verglichen mit der Fremdatomkonzentration eines Basisbereichs eines normalen HBT von 1 × 10¹⁹/cm³ bemerkenswert gering ist. Es wird daher angenommen, dass sich unter dieser Bedingung die Sperrschicht an dem Emitter-Basis-Übergang ausgedehnt haben muss. In anderen Worten ist, wenn die Fremdatomkonzentration des Basisbereichs zu etwa 1 × 10¹⁹/cm³ gesetzt wird, die Expansion der Sperrschicht an dem Emitter-Basis-Übergang geringer als in den Proben, die in den Experimenten verwendet wurden. In Hinblick auf diesen Punkt wird der Effekt der Verringerung des Rekombinationsstroms erhalten, wenn die Dicke des zweiten Basisbereichs 13 bei etwa 5 nm oder mehr liegt.
Beispiel 2
4A ist eine Ansicht, die den C-Gehalt, den Ge-Gehalt und die Konzentration von Bor (B) als eine Fehlstelle des ersten und zweiten Basisbereichs in Ausführungsform 2 zeigt. 4B ist ein Energiebanddiagramm über dem Emitterbereich-Basisbereich-Kollektorbereich während einer Spannungsanlegung in Ausführungsform 2. Man beachte, dass in 4A eine Darstellung der Konzentration einer n-artigen Fehlstelle ausgelassen ist.
In dieser Ausführungsform sind der Ge-und C-Gehalt des ersten und zweiten Basisbereichs 12 und 13 so angepasst worden, dass die Bandlücken der Basisbereiche einander gleich sind. Um dieses zu erreichen, ist der Ge-Gehalt über den ersten und zweiten Basisbereich nicht konstant ausgebildet, sondern es sollte der Ge-Gehalt des ersten Basisbereichs 12 größer als derjenige des zweiten Basisbereichs 13 sein. Genauer gesagt wird, wenn die SiGeC-Schicht durch die allgemeine Formel Si_1-x-yGe_xC_y dargestellt wird, wenn der Unterschied des C-Gehalts zwischen dem ersten und zweiten Basisbereich 12 und 13 durch Δy bezeichnet wird, der Unterschied Δx des Ge-Gehalts zwischen dem ersten und zweiten Basisbereich 12 und 13 basierend auf Gleichung (1) unten bestimmt. Δx ≥ 4,288 Δy (1)
Man beachte, dass sowohl der erste als auch der zweite Basisbereich 12 und 13 Zusammensetzungen aufweisen, die bezüglich der Si-Schicht eine Gittespannung empfangen.
Wie in 4A gezeigt, ist der Ge-Gehalt des ersten Basisbereichs 12 bei einem höheren Wert (z. B. 31,3 %) festgelegt, und es ist der Ge-Gehalt des zweiten Basisbereichs 13 bei einem niedrigeren Wert (z. B. 26,8 %) festgelegt. Der C-Gehalt ist z. B. auf 1,4 % für den ersten Basisbereich 12 und auf 0,35 % für den zweiten Basisbereich 13 gesetzt. In diesem Fall ist daher der erste Basisbereich 12 aus einer SiGe_0,313C_0,014-Schicht hergestellt, während der zweite Basisbereich 13 aus einer SiGe_0,268C_0,0035-Schicht hergestellt ist.
Die Bandlücke der SiGe_0,313C_0,014-Schicht ist etwa 0,92 eV, und die Bandlücke der SiGe_0,268C_0,0035-Schicht ist ebenfalls etwa 0,92 eV. Somit sind, wie in 4B gezeigt, die Leitungsbänderkanten der zwei Basisbereiche 12 und 13 auf einer Linie. Bei diesem Aufbau, in dem zwei SiGeC-Schichten aufeinander geschichtet sind, die dieselbe Bandlücke besitzen, wird ein weiterer Niederspannungsbetrieb erreicht. Zusätzlich kann, wie es oben beschrieben ist, durch das Anordnen des zweiten Basisbereichs 13, der einen geringen C-Gehalt aufweist, zwischen dem Emitterbereich 14a und dem ersten Basisbereich 12 der Rekombinationsstrom in der Emitter-Basis-Sperrschicht (dem in 4B gezeigten Bereich Rdp) verringert werden.
Zusätzlich wird, wenn Δx ≥ 4,288 Δy, die Bandlücke des ersten Basisbereichs 12 gleich der oder kleiner als die Bandlücke des zweiten Basisbereichs 13, so dass keine Heteroübergangsbarriere existiert, die die Bewegung der Ladungsträger behindert. Somit kann ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb des bipolaren Heteroübergangs-Transistors erreicht werden.
Das heißt, dass der HBT dieses Beispiels eine Verschlechterung des n-Werts und Verringerung des Gewinns, die durch ein Anwachsen des Rekombinationsstroms verursacht wird, unterdrücken kann, und gleichzeitig wird ein Betrieb mit einer besonders niedrigen Spannung erreicht.
Beispiel 3, Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
5A ist eine Ansicht, die den C-Gehalt, den Ge-Gehalt und die Konzentration von Bor (B) als eine Fehlstelle des ersten und zweiten Basisbereichs in Ausführungsform 3 zeigt. 5B ist ein Energiebanddiagramm über dem Emitterbereich-Basisbereich-Kollektorbereich während einer Spannungsanlegung in Ausführungsform 3. Man beachte, dass in 5A eine Darstellung der Konzentration einer n-artigen Fehlstelle ausgelassen ist.
In dieser Ausführungsform sind der Ge-und C-Gehalt des ersten und zweiten Basisbereichs 12 und 13 so angepasst worden, dass die Bandlücken des ersten Basisbereichs 12 und des zweiten Basisbereichs 13 einander gleich sind und die Bandlücke des ersten Basisbereichs 12 sich in einer Richtung verändert, in der die Elektronen, die sich in dem Basisbereich bewegen, beschleunigt werden. Um dieses zu erreichen, wird, wenn die SiGeC-Schicht durch die allgemeine Formel Si_1-x-yGe_xC_y dagestellt wird und der Unter schied des C-Gehalts zwischen dem ersten und zweiten Basisbereich 12 und 13 durch Δy bezeichnet wird, der Unterschied Δx des Ge-Gehalts zwischen dem Grenzbereich des ersten Basisbereichs 12 auf der Seite des zweiten Basisbereichs (zweiter basisseitiger Grenzbereich) und dem zweiten Basisbereich 13 basierend auf Gleichung (1) oben bestimmt. In diesem Fall erhöht sich der Ge-Gehalt des ersten Basisbereichs 12, wenn die Position in dem ersten Basisbereich 12 weiter von dem Seitengrenzbereich der zweiten Basis entfernt und näher an der vergrabenen Kollektorschicht 11 liegt.
Wie in 5A gezeigt, ist in dieser Ausführungsform der Ge-Gehalt des basisseitigen Grenzbereichs des ersten Basisbereichs 12 auf einen höheren Wert (z. B. 20,0 %) gesetzt, und der Ge-Gehalt des Grenzbereichs des ersten Basisbereichs 12 auf der Seite der vergrabenen Kollektorschicht (kollektorseitiger Grenzbereich) ist auf einen noch höheren Wert (z. B. 30,0 %) gesetzt. Der Ge-Gehalt des zweiten Basisbereichs 13 ist auf einen niedrigeren Wert (z. B. 15,2 %) festgelegt. Der C-Gehalt wird für den ersten Basisbereich 12 auf einen höheren festgelegten Wert (z. B. 1,4 %) und für den zweiten Basisbereich 13 auf eine niedrigeren festgelegten Wert (z. B. 0,3 %) gesetzt. In diesem Fall ist daher der Grenzbereich der zweiten Basisseite des ersten Basisbereichs 12 aus einer SiGe_0,20C_0,014-Schicht hergestellt, der kollektorseitige Grenzbereich des ersten Basisbereichs 12 ist aus einer SiGe_0,30C_0,014-Schicht hergestellt, während der zweite Basisbereich 13 aus einer SiGe_0,152C_0,003-Schicht hergestellt ist.
Die Bandlücke der SiGe_0,20C_0,014-Schicht beträgt etwa 1,02 eV, und die Bandlücke der SiGe_0,152C_0,003-Schicht beträgt ebenso etwa 1,02 eV. Somit sind, wie es in 5B gezeigt ist, die Bandlücken der zwei Basisbereiche 12 und 13 an der Grenze derselben einander gleich. Die Bandlücke des kollektorseitigen Grenzbereichs des ersten Basisbereichs 12 beträgt etwa 0,93 eV. Daher werden, da die Bandlücke des ersten Basisbereichs 12 graduell von dem Grenzbereich der zweiten Basisseite desselben zu der vergrabenen Kollektorschicht 11 abnimmt, Elektronen in dem ersten Basisbereich 12 durch ein elektrisches Driftfeld beschleunigt. Dieses verringert die Transportzeit der Elektronen und verbessert dadurch die Hochfrequenzeigenschaften des HBT. Zusätzlich wird wie in der Ausführungsform 2 durch die Konstruktion, in der zwei SiGeC-Schichten, die dieselbe Bandlücke an der Grenze derselben haben, aufeinander geschichtet sind, ein weiterer Niedrigspannungsbetrieb erreicht. Zusätzlich kann, wie es oben beschrieben ist, durch das Anordnen des zweiten Basisbereichs 13, der einen geringen C-Gehalt aufweist, zwischen dem Emitterbereich 14a und dem ersten Basisbereich 12 der Rekombi nationsstrom in der Emitter-Basis-Sperrschicht (dem in 5B gezeigten Bereich Rdp) verringert werden.
Das heißt, dass es in dieser Ausführungsform zusätzlich zu den in der Ausführungsform 2 erreichten Effekten möglich ist, die Hochfrequenzeigenschaften des HBT zu verbessern.
Beispiel 4
6A ist eine Ansicht, die den C-Gehalt, den Ge-Gehalt und die Konzentration von Bor (B) als eine Fehlstelle des ersten und zweiten Basisbereichs in Beispiel 4 zeigt. 6B ist ein Energiebanddiagramm über dem Emitterbereich-Basisbereich-Kollektorbereich während einer Spannungsanlegung in Beispiel 4. Man beachte, dass in 6A eine Darstellung der Konzentration einer n-artigen Fehlstelle ausgelassen ist.
5B ist ein Energiebanddiagramm über dem Emitterbereich-Basisbereich-Kollektorbereich während einer Spannungsanlegung in Ausführungsform 2. Man beachte, dass in 5A eine Darstellung der Konzentration einer n-artigen Fehlstelle ausgelassen ist.
In dieser Ausführungsform sind der Ge-und C-Gehalt des ersten und zweiten Basisbereichs 12 und 13 so angepasst worden, dass die Bandlücken der zwei Basisbereiche einander gleich sind und die Gitterspannung an der Grenze des ersten und zweiten Basisbereichs 12 und 13 so klein wie möglich ist. Um dieses zu erreichen, sind der Ge-Gehalt und C-Gehalt an dem Grenzbereich der zweiten Basisseite des ersten Basisbereichs 12 denjenigen des zweiten Basisbereichs 13 gleich ausgebildet. Und es sind der Ge-Gehalt und C-Gehalt des ersten Basisbereichs 12 erhöht, wenn die Position in dem ersten Basisbereich 12 weiter von dem Grenzbereich der zweiten Basisseite entfernt und näher an der vergrabenen Kollektorschicht 11 ist. In diesem Fall wird, wenn die SiGeC-Schicht durch die allgemeine Formel Si_1-x-yGe_xC_y dagestellt wird und der Unterschied des C-Gehalts zwischen dem Teil des ersten Basisbereichs 12 ohne den Grenzbereich der zweiten Basisseite und dem zweiten Basisbereich 13 durch Δy bezeichnet wird, der Unterschied Δx des Ge-Gehalts zwischen dem Teil des ersten Basisbereichs 12 ohne den Grenzbereich der zweiten Basisseite und dem zweiten Basisbereich 13 basierend auf Gleichung (1) oben bestimmt.
Wie es in 6A gezeigt ist, sind in diesem Beispiel der Ge-Gehalt des zweiten Basisbereichs 13 und der Ge-Gehalt des Grenzbereichs der zweiten Basisseite des ersten Basisbereichs 12 auf einen gemeinsamen Wert (z. B. 26,8 %) gesetzt, während der Ge-Gehalt des kollektorseitigen Grenzbereichs des ersten Basisbereichs 12 auf einen höheren Wert (z. B. 31,3 %) gesetzt wird. Der C-Gehalt ist für den zweiten Basisbereich 13 und den Grenzbereich der zweiten Basisseite des ersten Basisbereichs 12 auf einen gemeinsamen Wert (z. B. 0,35 %) und auf einen höheren Wert (z. B. 1,4 %) für den kollektorseitigen Grenzbereich des ersten Basisbereichs 12 gesetzt. In diesem Fall sind daher der zweite Basisbereich 13 und der Grenzbereich der zweiten Basisseite des ersten Basisbereichs 12 aus einer SiGe_0,268C_0,0035-Schicht hergestellt, während der kollektorseitigen Grenzbereich des ersten Basisbereichs 12 aus einer SiGe_0,323C_0,014-Schicht hergestellt ist.
Die Bandlücke der SiGe_0,268C_0,0035-Schicht beträgt etwa 0,93 eV, und die Bandlücke der SiGe_0,323C_0,014-Schicht beträgt ebenso etwa 0,93 eV. Somit sind, wie es in 6B gezeigt ist, die Bandlücken der zwei Basisbereiche 12 und 13 einander gleich. Zusätzlich wird eine abrupte Änderung der Gitterkonstante an der Grenze vermieden, da sowohl der Ge-Gehalt als auch der C-Gehalt des ersten und zweiten Basisbereichs 12 und 13 an der Grenze derselben konstant ist. Daher kann die Gitterspannung in dem gesamten Basisbereich minimiert werden, und somit werden Defekte, wie eine Versetzung aufgrund einer Gitterspannung, unterdrückt. Dieses trägt zu einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des HBT bei.
Bei dem obigen Aufbau, in dem zwei SiGeC-Schichten, die dieselbe Bandlücke besitzen, aufeinander geschichtet sind, wird wie in Beispiel 2 ein weiterer Niederspannungsbetrieb erreicht. Zusätzlich kann, wie es oben beschrieben ist, durch das Anordnen des zweiten Basisbereichs 13, der einen geringen C-Gehalt aufweist, zwischen dem Emitterbereich 14a und dem ersten Basisbereich 12 der Rekombinationsstrom in der Emitter-Basis-Sperrschicht (dem in 6B gezeigten Bereich Rdp) verringert werden.
Das heißt, dass es in diesem Beispiel zusätzlich zu den Effekten, die in Beispiel 2 erreicht werden, möglich ist, die elektrischen Eigenschaften des HBT durch Unterdrücken der Erzeugung von Defekten zu verbessern.
Beispiel 5
7A ist eine Ansicht, die den C-Gehalt, den Ge-Gehalt und die Konzentration von Bor (B) als eine Fehlstelle des ersten und zweiten Basisbereichs in Beispiel 5 zeigt. 7B ist ein Energiebanddiagramm über dem Emitterbereich-Basisbereich-Kollektorbereich während einer Spannungsanlegung in Beispiel 5. Man beachte, dass in 7A eine Darstellung der Konzentration einer n-artigen Fehlstelle ausgelassen ist.
In diesem Beispiel sind der Ge-und C-Gehalt des ersten und zweiten Basisbereichs 12 und 13 so angepasst worden, dass die Bandlücken des ersten Basisbereichs 12 und des zweiten Basisbereichs 13 einander gleich sind, die Bandlücke des ersten Basisbereichs 12 sich in einer Richtung verändert, in der die Elektronen, die sich in dem Basisbereich bewegen, beschleunigt werden, und dass ebenso die Gitterspannung an der Grenze zwischen dem ersten und zweiten Basisbereich 12 und 13 so klein wie möglich ist. Um dieses zu erreichen, sind der Ge-Gehalt und C-Gehalt des Grenzbereichs der zweiten Basisseite des ersten Basisbereichs 12 denjenigen des zweiten Basisbereichs 13 gleich ausgebildet, und der Ge-Gehalt und C-Gehalt des ersten Basisbereichs 12 sind erhöht, wenn die Position in dem ersten Basisbereich 12 weiter von dem Grenzbereich der zweiten Basisseite entfernt und näher an der vergrabenen Kollektorschicht 11 liegt.
Wie es in 7A gezeigt ist, sind in diesem Beispiel der Ge-Gehalt des zweiten Basisbereichs 13 und der Ge-Gehalt des Grenzbereichs der zweiten Basisseite des ersten Basisbereichs 12 auf einen gemeinsamen Wert (z. B. 15,2 %) gesetzt, während der Ge-Gehalt des kollektorseitigen Grenzbereichs des ersten Basisbereichs 12 auf einen höheren Wert (z. B. 30,0 %) gesetzt wird. Der C-Gehalt ist für den zweiten Basisbereich 13 und den Grenzbereich der zweiten Basisseite des ersten Basisbereichs 12 auf einen gemeinsamen Wert (z. B. 0,3 %) und auf einen höheren Wert (z. B. 1,4 %) für den kollektorseitigen Grenzbereich des ersten Basisbereichs 12 gesetzt. In diesem Fall sind daher der zweite Basisbereich 13 und der Grenzbereich der zweiten Basisseite des ersten Basisbereichs 12 aus einer SiGe_0,152C_0,003-Schicht hergestellt, während der kollektorseitigen Grenzbereich des ersten Basisbereichs 12 aus einer SiGe_0,30C_0,014-Schicht hergestellt ist.
Die Bandlücke der SiGe_0,152C_0,003-Schicht beträgt etwa 1,02 eV, während die Bandlücke der SiGe_0,30C_0,014-Schicht etwa 0,93 eV beträgt.
Daher werden, da die Bandlücke des ersten Basisbereichs 12 graduell von dem Grenzbereich der zweiten Basisseite desselben zu der vergrabenen Kollektorschicht 11 hin abnimmt, Elektronen in dem ersten Basisbereich 12 durch ein elektrisches Driftfeld beschleunigt. Dieses verkürzt die Transportzeit der Elektronen und verbessert dadurch die Hochfrequenzeigenschaften des HBT. Zusätzlich wird eine abrupte Änderung der Gitterkonstante an der Grenze vermieden, da sowohl der Ge-Gehalt als auch der C-Gehalt des ersten und zweiten Basisbereichs 12 und 13 an der Grenze derselben konstant ist. Daher kann die Gitterspannung in dem gesamten Basisbereich minimiert werden, und somit werden Defekte, wie eine Versetzung aufgrund einer Gitterspannung, unterdrückt. Dieses trägt zu einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des HBT bei.
Bei dem obigen Aufbau, in dem zwei SiGeC-Schichten, die dieselbe Bandlücke besitzen, aufeinander geschichtet sind, wird wie in Beispiel 2 ein weiterer Niederspannungsbetrieb erreicht. Zusätzlich kann, wie es oben beschrieben ist, durch das Anordnen des zweiten Basisbereichs 13, der einen geringen C-Gehalt aufweist, zwischen dem Emitterbereich 14a und dem ersten Basisbereich 12 der Rekombinationsstrom in der Emitter-Basis-Sperrschicht (dem in 7B gezeigten Bereich Rdp) verringert werden.
Das heißt, dass in diesem Beispiel die beiden Effekte erhalten werden können, die in den Beispielen 3 und 4 beschrieben sind.
In den obigen Ausführungsformen ist der zweite Basisbereich 13 als eine SiGeC-Schicht konstruiert. Es sollte bemerkt werden, dass die obigen Ausführungsformen ebenso auf einen HBT anwendbar sind, dessen zweiter Basisbereich 13 aus einer SiGe-Schicht konstruiert ist.
Somit wird gemäß dem Heteroübergangs-Transistor der vorliegenden Erfindung der C-Gehalt des Teils des Basisbereichs, der aus einer SiGeC-Schicht angrenzend an den Emitterbereich hergestellt ist, kleiner als der C-Gehalt des Teils des Basisbereichs angrenzend an den Kollektorbereich ausgebildet. Dieses unterdrückt einen Rekombinationsstrom. Es ist daher möglich, die elektrischen Eigenschaften, wie den Gewinn und die Hochfrequenzeigenschaften, zu verbessern, während die Betriebsspannung verringert werden kann.

Claims

Ein bipolarer Heteroübergangs-Transistor, der umfasst: einen Kollektorbereich (11) einer ersten Leitungsart, der aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, das Si enthält, und auf einem Substrat (10) ausgebildet ist; einen Basisbereich (12, 13) einer zweiten Leitungsart, der einen ersten Basisbereich (12) und einen zweiten Basisbereich (13) auf dem ersten Basisbereich (13), der aus einer Si_1-x-yGe_xC_y-Schicht (0 < x < 1, 0 < y < 1) hergestellt ist, umfasst, wobei beide Basisbereiche (12, 13) einen voneinander unterschiedlichen C-Gehalt und unterschiedlichen Ge-Gehalt auf dem Kollektorbereich ausgebildet aufweisen; und einen Emitterbereich (14, 14a) einer ersten Leitungsart, der aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, das Si enthält, und auf dem Basisbereich (12, 13) ausgebildet ist, wobei der Emitterbereich (14, 14a) einen Heteroübergang mit dem Basisbereich (12, 13) bildet, wobei in dem Basisbereich (12, 13) der zweiten Leitungsart ein Bereich, der den höchsten C-Gehalt aufweist, von einem Bereich getrennt ist, der an den Emitterbereich (14) angrenzt, wobei der erste Basisbereich (12) einen Bereich angrenzend an den Kollektorbereich einschließt, wobei der zweite Basisbereich (13) einen Bereich angrenzend an den Emitterbereich (14, 14a) einschließt, wobei der erste Basisbereich (12) einen hohen C-Gehalt aufweist, der größer als der des zweiten Basisbereichs (13) ist, der einen niedrigeren C-Gehalt aufweist, wobei der Ge-Gehalt des ersten Basisbereichs (12) einen großen Wert aufweist, der größer als der des zweiten Basisbereichs (13) ist, der einen niedrigen Wert aufweist, wobei der Ge-Gehalt des ersten Basisbereichs (12) von dem Emitterbereich (14) zu dem Kollektorbereich (11) hin zunimmt, während der C-Gehalt des ersten Basisbereichs (12) konstant ist.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor von Anspruch 1, in dem der C-Gehalt des zweiten Basisbereichs (13) geringer als 0,8 % ist.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor von Anspruch 1, in dem der C-Gehalt des zweiten Basisbereichs (13) 0,01 % oder mehr beträgt.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor von Anspruch 1, in dem der bipolare Heteroübergangs-Transistor so aufgebaut ist, dass eine Sperrschicht, die an einem Emitter-Basis-Übergang ausgebildet ist, sich innerhalb eines Bereichs in Kontakt mit dem Emitterbereich in dem Basisbereich befindet.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor von Anspruch 1, in dem der Ge-Gehalt des zweiten Basisbereichs (13) konstant ist.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor von Anspruch 1, in dem die Dicke des zweiten Basisbereichs (13) 5 nm oder mehr beträgt.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor von Anspruch 1, in dem die Dicke des zweiten Basisbereichs (13) 10 nm oder mehr beträgt.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor von Anspruch 1, in dem der erste Basisbereich (12) so aufgebaut ist, dass die Bandlücke abnimmt, wenn die Position in dem Basisbereich weiter von dem Emitterbereich (14, 14a) entfernt und näher an dem Kollektorbereich (11) ist.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor von Anspruch 1, in dem die Bandlücke des Grenzbereichs des ersten Basisbereichs (12) in Kontakt mit dem zweiten Basisbereich (13) gleich der oder kleiner als die Bandlücke des zweiten Basisbereichs ist.
Der bipolare Heteroübergangs-Transistor von Anspruch 9, in dem ein Verhältnis Δx ≥ 4,288 Δyetabliert wird, wobei Δx den Unterschied in dem Ge-Gehalt zwischen einem Grenzbereich des ersten Basisbereichs in Kontakt mit dem zweiten Basisbereich und dem zweiten Basisbereich bezeichnet und Δy den Unterschied in dem C-Gehalt zwischen dem Grenzbereich des ersten Basisbereichs in Kontakt mit dem zweiten Basisbereich und dem zweiten Basisbereich bezeichnet.