Verfahren zur Herstellung eines bipolaren Lateraltransistors
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines bipolaren
Lateraltransistors.
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Der bipolare pnp-Transistor mit Lateralstruktur wird bei der Technik zur Herstellung
integrierter Schaltungen mit bipolaren Transistoren weit verbreitet angewandt, weil er
zugleich unter Anwendung des gleichen Herstellungsverfahrens als npn-Transistor
hergestellt werden kann. Wie jedoch allgemein bekannt ist, sind der
Stromverstärkungsfaktor und die Frequenzcharakteristik des bipolaren pnp-Transistors
mit Lateralstruktur nicht sehr befriedigend. In den letzten Jahren ist eine große Anzahl
bipolarer npn-Transistoren vom Selbstausrichtungstyp mit kleinen Abmessungen und sehr
schneller Funktion in die Fertigung überführt worden, bei denen die Schicht zur
Herausführung der Basis-elektrode aus Polysilizium besteht. Entsprechend dieser
Situation ist, wie aus den IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED-33, Nr.1
Januar 1986, Seiten 23 - 27 bekannt, auch eine große Anzahl bipolarer pnp-Transistoren
vom Selbstausrichtungstyp mit Lateralstruktur in die Fertigung überführt worden, weil
sie gleichzeitig mit bipolaren npn-Transistoren vom Selbstausrichtungstyp durch
Anwendung des gleichen Verfahrens hergestellt werden können. Ein Verfahren zur
Herstellung bipolarer Lateraltransistoren ist weiterhin in EP-A-0 080 363 offenbart. Ein
Beispiel eines herkömmlichen bipolaren pnp-Transistors mit Lateralstruktur und vom
Selbstausrichtungstyp soll unter Bezugnahme auf seine Fig. 1 gezeigte Schnittansicht
erläutert werden.
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In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszahlen 401 ein Halbleitersubstrat vom p-Typ, 402 einen
Bereich mit hoher Konzentration vom n&spplus;-Typ, 403 einen Kanalschnittbereich mit hoher
Konzentration vom p&spplus;-Typ, 404 eine Epitaxialschicht vom n-Typ, 405 und 406
Bereiche mit hoher Konzentration vom p&spplus;-Typ, 407 einen Elemente-Isolierbereich, 408,
409 und 410 Polysiliziumschichten sowie 413, 414 und 415 aus Aluminium hergestellte
Elektroden. Die Bereiche 402 und 403 vom n-Typ bilden gemeinsam einen
Basis-Bereich, der mit 405 bezeichnete Bereich mit hoher Konzentration vom p&spplus;-Typ bildet
einen Kollektor-Bereich und der mit 406 bezeichnete Bereich mit hoher Konzentration
vom p&spplus;-Typ bildet einen Emitter-Bereich. Die mit 408 bezeichnete Polysiliziumschicht
dient als Kollektor-Leitschicht zum Herausführen des Kollektors, die mit 409 bezeichnete
Polysiliziumschicht dient als Basis-Leitschicht zum Herausführen der Basis und die mit
410 bezeichnete Polysiliziumschicht dient als eine Emitter-Leitschicht zum Herausführen
des Emitters. Die mit 413 bezeichnete Aluminiumelektrode dient als eine Kollektor-
Elektrode, die mit 414 bezeichnete Aluminiumelektrode dient als eine Emitter-Elektrode
und die mit 415 bezeichnete Aluminiumelektrode dient als eine Basis-Elektrode.
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Bei der Halbleitervorrichtung mit der obigen Struktur wird der Kollektor-Bereich 405
mit hoher Konzentration vom p&spplus;-Typ durch Diffusion von Verunreinigungen aus der
Polysiliziumschicht 408 (d.h. der Kollektor-Leitschicht) hergestellt. In gleicher Weise
wird der Emitter-Bereich 406 mit hoher Konzentration vom p&spplus;-Typ durch Diffusion von
Verunreinigen aus der Polysiliziumschicht 410 (d.h. der Emitter-Leitschicht) hergestellt.
Da jedoch die Polysiliziumschichten 408 und 410 mittels Photolithographie unter
Verwendung von Photoresist strukturiert werden, wird die Basis-Breite zumeist
ausschließlich von der Bildauflösungsgrenze W des Lithographieverfahrens, d.h. von
minimalen Entwurfsgröße bestimmt.
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In Wirklichkeit wird durch die Anwesenheit der Bereiche 404 und 405 mit hoher
Konzentration vom p&spplus;-Typ die Basis etwas kleiner als die von der Bildauflösungsgrenze
W bestimmte Basis-Breite. Daher kann die Basis-Breite eines bipolaren Transistors mit
Lateralstruktur und vom Selbstausrichtungstyp kleiner sein als diejenige eines bipolaren
Transistors mit Lateralstruktur der nicht vom Selbstausrichtungstyp ist, so daß die
Frequenzcharakteristik des ersteren stärker verbessert werden kann als diejenige des
letzteren. Unter diesen Umständen könnte daran gedacht werden, einen großen Anteil an
Verunreinigungen von den Polysiliziumschichten 408 und 410 in seitlicher Richtung zu
diffundieren, um die Basis-Breite noch weiter zu verringern. Jedoch kann, sogar wenn
ein großer Anteil an Verunreinigungen diffundiert wird, die Basis-Breite nur in den
Oberflächenbereichen des Substrats vermindert werden. In den weit von der Oberfläche
des Substrats entfernten Bereichen bleibt sie meist unverändert. Dies ist dadurch bedingt,
daß die Verunreinigungen radial und nicht nur in seitlicher Richtung diffundieren. Daher
kann, selbst wenn die Verunreinigungen in großen Mengen diffundiert werden, die Basis
nicht wesentlich verkleinert und die Frequenzcharakteristik nicht, wie beabsichtigt,
verbessert werden. Zusammengefaßt kann man mit Sicherheit sagen, daß in den
gegenwärtigen Vorrichtungen die Bildauflösungsgrenze W des Lithographieverfahrens
ausschließlich die Basis-Breite bestimmt. Da die Bildauflösung durch Anwendung der
gegenwärtig verfügbaren Technologie nicht ohne weiteres verbessert werden kann, muß
die Basis-Breite durch Anwendung anderer Verfahren vermindert werden.
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Wie oben erwähnt, können Verunreinigungen nicht zur Diffusion ausschließlich in
seitlicher Richtung veranlaßt werden. Sie diffundieren unvermeidlich genausogut auch in
senkrechter Richtung. Naturgemäß werden deshalb sowohl der Kollektor-Bereich 405 als
auch der Emitter-Bereich im Ergebnis der Verunreinigungsdiffusion tiefer. Wenn sie
vertieft werden, wird der Emitter-Übergang, der dem Kollektor-Übergang
gegenüberliegt, größer, was zu einer Verbesserung des Stromverstärkungsfaktors führt.
Die Vergrößerung der Abmessungen des Emitter-Übergangs steht jedoch der Herstellung
von Elementen kleiner Abmessungen entgegen.
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Bei dem obigen bipolaren Transistor vom Lateraltyp vom Selbstausrichtungstyp ist die
Breite der Basis weitgehend von der Bildauflösungsgrenze W des Lithographieverfahrens
abhängig. Aus diesem Grund ist es unmöglich, einen bipolaren pnp-Transistor mit
Lateralstruktur zu erhalten, der eine verbesserte Frequenzcharakteristik hat und für zur
Verminderung der Abmessungen des Elements geeignet ist.
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Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der obigen Umstände entwickelt worden und
eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für einen bipolaren
Lateraltransistor zu schaffen, das von dem gleichen Herstellungsverfahren Gebrauch
macht wie bipolare npn-Transistoren, wobei der bipolare Lateraltransistor eine
verminderte Breite der Basis und demzufolge eine verbesserte Frequenzcharakteristik
sowie einen dem Kollektor-Übergang gegenüberliegenden Emitter-Übergang großer
Abmessungen und damit einen verbesserten Stromverstärkungsfaktor aufweist und für
die Größenreduzierung eines Bauelements geeignet ist.
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Zur Erfüllung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren
vor, wie es im Patentanspruch beschrieben ist.
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Bei dem oben genannten Herstellungsverfahren wird der Basis-Bereich (d.h. die dritte
Verunreinigungs-Diffusionsschicht im Falle des bipolaren Transistors; die fünfte
Verunreinigungs-Diffusionsschicht im Falle des Verfahrens) durch Diffusion von
Verunreinigungen aus der Polysiliziumschicht (d.h. der dritten polykristallinen
Halbleiterschicht im Falle des bipolaren Transistors; der vierten polykristallinen
Halbleiterschicht im Falle des Verfahrens) gebildet. Daher kann die Breite der Basis
beträchtlich vermindert werden, ohne durch die Bildauflösungsgrenze des
Lithographieverfahrens behindert zu sein. Demzufolge kann die
Hochfrequenzcharakteristik, insbesondere die Hochfrequenzcharakteristik , in
zufriedenstellender Weise verbessert werden. Zusätzlich kann die Größe eines Elements
vermindert werden. Darüberhinaus ist der Kollektor-Bereich unter dem Basis-Bereich
gelegen und der Emitter-Bereich über dem Basis-Bereich. Daher ist das Verunreinigungs-
Konzentrationsprofil des bipolaren Transistors ähnlich demjenigen eines bipolaren
Transistors mit einer Vertikalstruktur, so daß der dem Kollektor-Übergang
gegenüberliegende Emitter-Übergang in seinen Abmessungen vergrößert werden kann.
Dementsprechend kann der Stromverstärkungsfaktor vergrößert werden.
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Diese Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung vollkommen
verständlich, wenn die beigefügten Zeichnungen hinzugezogen werden, welche
darstellen:
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Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen bipolaren pnp-Transistors mit
Lateralstruktur.
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Die Fig. 2A bis 2J sind Schnittdarstellungen, die das Verfahren illustrieren, in welchem
ein bipolarer Transistor nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
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Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht des Transistor-Eigenleitungsbereiches des in Fig. 2J
dargestellten Transistors.
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Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche die Verunreinigungskonzentrationen in
Abhängigkeit von der Tiefe entlang der Linie A-A' von Fig. 3 darstellt.
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Ein Herstellungsverfahren für den bipolaren Transistor nach der vorliegenden Erfindung
soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 2J beschrieben werden.
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Die Fig. 2A bis 2J sind Schnittdarstellungen, die das Verfahren illustrieren, in welchem
ein pnp-Transistor vom Selbstausrichtungstyp entsprechend der vorliegenden Erfindung
hergestellt wird.
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Wenn wir uns zuerst der Fig. 2A zuwenden, so wird ein Halbleitersubstrat 101, das
beispielsweise vom p-Typ ist, hergestellt und eine Epitaxialschicht 102 vom n-Typ mit
einer Dicke von 1 bis 2 um wird auf dem Halbleitersubstrat 102 durch
Dampfphasenabscheidung gebildet. Danach wird die erhaltene Halbleiterstruktur in
einem LOCOS-Verfahren selektiv oxidiert und dadurch ein Elementen-Isolierbereich 104
geschaffen. Vor dieser selektiven Oxidation werden Verunreinigungen vom p-Typ, wie
Bor (B) in einen Bereich ionenimplantiert, in welchem der Elementen-Isolierbereich
gebildet werden soll. Während der selektiven Oxidation diffundieren die implantierten
Ionen infolge der Wärme mit dem Ergebnis, daß ein Kanalschnittbereich 103 mit hoher
Konzentration vom p&spplus;-Typ unter dem Elementen-Isolierbereich 104 gebildet wird. Das
bei der vorliegenden Erfindung verfügbare Elementen-Isolierverfahren ist nicht auf diese
beschränkt. Beispielsweise können ein pn-Übergang oder eine eingebettete Schicht der
Elemententrennung ausgebildet werden. Nach einer geeigneten Maßnahme zur
Elementenisolierung wird auf der ganzen der Oberfläche der Halbleiterstruktur durch ein
thermisches Oxidationsverfahren eine Oxidschicht 104' gebildet. Diese Oxidschicht 104'
wird von dem Bereich entfernt, wo das Element zu bilden ist, so daß dieser Bereich der
Epitaxialschicht 102 vom n-Typ, in welchem das Element zu bilden ist, freigelegt wird.
Auf der ganzen Oberfläche der Halbleiterstruktur wird mittels CVD eine
Polysiliziumschicht 105 bis zu einer Schichtdicke von 2.000 bis 4.000 Å (10 Å = 1 nm)
aufgebracht. Danach wird die ganze Oberfläche der Polysiliziumschicht 105 mit einem
Photoresist beschichtet. Die so erhaltene Photoresistschicht 106 wird durch Photoätzen in
vorbestimmter Weise strukturiert. Unter Verwendung der strukturierten
Photoresistschicht 106 als Maske werden Verunreinigungen 107 vom n-Typ, wie
Phosphor (P), die einen vergleichsweise großen Diffusionskoeffizienten haben, mit einer
Dosis von 1 * 10¹&sup5; cm&supmin;² in die Polysiliziumschicht 105 ionenimplantiert. Die
Bezugszahl 107' in Fig. 2A bezeichnet in die Polysiliziumschicht 105 implantierte
Verunreinigungsionen vom n-Typ.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 2B wird nun die Photoresistschicht 106 entfernt und es
werden Verunreinigungen vom p-Typ, wie Bor (B), die einen kleineren
Diffusionskoeffizienten als die oben erwähnten Verunreinigungen vom n-Typ, auf der
ganzen Oberfläche der Polysiliziumschicht 105 mit einer Dosis von 1 * 10¹&sup6; cm&supmin;²
ionenimplantiert. Die Bezugszahl 108' in Fig. 2B bezeichnet in die Polysiliziumschicht
105 implantierte Verunreinigungsionen vom p-Typ. Im Ergebnis der Implantation der
Verunreinigungen vom p-Typ und vom n-Typ ist die Polysiliziumschicht 105 in zwei
Bereiche 110' und 110 unterteilt worden. Der Bereich 110' enthält sowohl
Verunreinigungen 107' vom n-Typ (beispielsweise P) als auch Verunreinigungen 108'
vom p-Typ (beispielsweise B), während der Bereich 110 nur Verunreinigungen 108' vom
p-Typ enthält. Nach der Ionenimplantation der Verunreinigungen 107 vom n-Typ und
der Verunreinigungen 108 vom p-Typ kann die Halbleiterstruktur in einem solchen Maße
wärmebehandelt werden, daß die Ionen 107' der Verunreinigungen vom n-Typ nicht aus
der Polysiliziumschicht 105 in den Bereich der Epitaxialschicht 102 vom n-Typ
diffundieren, wo der Kollektor-Leitbereich (wird weiter unten erwähnt) zu bilden ist.
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Wie in Fig. 2C dargestellt, wird mittels CVD eine Oxidschicht 111 auf die
Halbleiterstruktur aufgebracht, beispielsweise bis diese Oxidschicht eine Dicke im
Bereich von 3.000 bis 5.000 Å hat. Danach wird eine Photoresistschicht 109 mit einem
vorbestimmten Muster auf die Oxidschicht 111 aufgebracht.
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Wie in Fig. 2D gezeigt, werden die Oxidschicht 111 und die Polysiliziumschicht 105
unter Verwendung der Photoresistschicht 109 als Maske durch Photoätzung oder reaktive
lonenätzen selektiv geätzt. Durch diese selektive Ätzung wird eine Öffnung gebildet, die
sich bis zur Epitaxialschicht 102 erstreckt. Als nächstes ist in Fig. 2E dargestellt, wie auf
die Halbleiterstruktur eine Oxidschicht 112 mittels CVD aufgebracht wird,
beispielsweise bis diese Oxidschicht 112 eine Dicke im Bereich von 2.000 bis 3.000 Å
erreicht hat.
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Wie in Fig. 2F gezeigt, wird die Oxidschicht 112 durch reaktives Ionenätzen selektiv
entfernt, so daß sie nur an den Seitenwänden der Öffnung zurückbleibt.
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Wie in Fig. 2G gezeigt, wird auf dem freigelegten Oberflächenbereich der
Epitaxialschicht 102 beispielsweise durch einen thermischen Oxidationsprozeß eine
Oxidschicht 113 ausgebildet. Dann wird die Halbleiterstruktur in einem vorbestimmten
Ausmaß wärmebehandelt. Durch diese Wärmebehandlung diffundieren Ionen 107' der
Verunreinigungen vom n-Typ (beispielsweise P) und Ionen 108' der Verunreinigungen
vom p-Typ (beispielsweise B) aus der Polysiliziumschicht 105&sub1; in die Epitaxialschicht
102 vom n-Typ. Ferner diffundieren Ionen 108 der Verunreinigungen vom p-Typ
(beispielsweise B) aus der Polysiliziumschicht 105&sub2; in die Epitaxialschicht 102 vom n-
Typ. Im Ergebnis werden ein Emitter-Bereich 115 mit einer hohen Konzentration vom
p&spplus; &spplus;-Typ, ein Bereich 116 mit einer hohen Konzentration vom n&spplus;-Typ (der als ein
innerer Basis-Bereich dient) und ein Kollektor-Elektroden-Leitbereich 114 mit einer
hohen Konzentration vom p&spplus; &spplus;-Typ gebildet. Da, wie oben erwähnt, die
Verunreinigungen vom n-Typ (beispielsweise P) und die Verunreinigungen vom p-Typ
(beispielsweise B) unterschiedliche Diffusionskoeffizienten haben, können der Bereich
115 vom p&spplus; &spplus;-Typ und der Bereich 116 vom Typ n&spplus;-Typ gleichzeitig durch eine
einzige Wärmebehandlung gebildet werden.
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Wie in Fig. 2H gezeigt, werden Verunreinigungen vom p-Typ, wie Bor (B), mit einer
Dosis von 1 * 10¹³ cm&supmin;² in die innerhalb der Öffnung gebildete Oxidschicht 113
ionenimplantiert und eine Wärmebehandlung bei 950 ºC durchgeführt. Durch diese
Maßnahmen wird unter der Oxidschicht 117 ein Kollektor-Bereich 117 vom p-Typ
gebildet.
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Wie in Fig. 21 dargestellt, wird die Oxidschicht 113 innerhalb der Öffnung durch Ätzen
entfernt. danach wird eine Polysiliziumschicht 118 mit Verunreinigungen vom n-Typ.
wie Arsen (As), mittels CVD auf die Halbleiterstruktur aufgebracht, bis die
Polysiliziumschicht 118 eine Dicke im Bereich von 1.000 bis 3.000 Å erreicht hat. Mit
thermisch aus der Polysiliziumschicht 118 diffundierten Verunreinigungen vom n-Typ
wird ein Bereich 119 mit hoher Konzentration vom n&spplus; &spplus;-Typ gebildet, der als ein
äußerer Basis-bereich dient.
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Wie in Fig. 2J dargestellt, wird die Polysiliziumschicht 118 durch Photoätzen in
vorbestimmter strukturiert, um dadurch eine Basis-Elektroden-Leitschicht 118 zu bilden,
Danach wird auf der Halbleiterstruktur beispielsweise durch thermische Oxidation eine
Oxidschicht 120 gebildet. Danach werden beispielsweise durch Photoätzung drei
Kontaktlöcher und die Oxidschichten 111 und 120 eingebracht, so daß ein s der
Kontaktlöcher an einer vorbestimmten Stelle auf der Polysiliziumschicht 118 und die
anderen an entsprechenden vorbestimmten Stellen auf der Polysiliziumschicht 105
gelegen sind. Anschließend wird durch Sputtern eine Aluminiumschicht auf die
Halbleiterstruktur aufgebracht. Diese Alum iniumsch icht wird in vorbestimmter Form
strukturiert, um dadurch eine Kollektor-Elektrode 121, eine Basis-Elektrode 122 und
eine Emitter-Elektrode 123 zu formen. Auf diese Weise wird der erfindungsgemäße
bipolare Transistor hergestellt.
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Bei dem oben erwähnten bipolaren Transistor und dem Herstellungsverfahren wird die
Breite der Basis nicht wie beim Stand der Technik durch die Bildauflösungsgrenze des
Lithographieverfahrens begrenzt, sondern durch die Verunre inigungsdiffusion aus der
Polysiliziumschicht 118. Daher ermöglicht das Herstellungsverfahren eines bipolaren
pnp-Transistors vom Selbstausrichtungstyp mit Lateralstruktur erfindungsgemäß eine
geringstmögliche Breite der Basis, was zu einer Verbesserung der Frequenzcharakteristik
führt. Darüberhinaus ist es zur Erzielung von Elementen kleiner Abmessungen geeignet.
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Eine durch das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung hergestellte
Halbleitervorrichtung soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben
werden.
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Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung des Eigenleitungs-Transistorbereichs eines
entsprechend der vorliegenden Erfindung erhaltenen bipolaren pnp-Transistors vom
Selbstausrichtungstyp mit Lateralstruktur. Die Bezugszahlen in Fig. 3 entsprechen
denjenigen. die in Fig. 2J verwendet wurden. Fig. 4 ist eine graphische Darstellung,
welche die Verunre inigungskonzentrationen der Diffusionsbereiche betrachtet entlang der
Linie A-A' von Fig. 3 darstellt.
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Unter Bezugnahme zunächst auf die Fig. 3 erstreckt sich der Eigenleitungs-
Transistorbereich in einem Schnitt entlang der Linie A-A'. Mit anderen Worten: der
Eigenleitungs-Transistorbereich erstreckt sich nicht in waagerechter Richtung, sondern er
erstreckt sich in schräger Richtung. Wegen dieser Anordnung ist der dem Kollektor-
Übergang gegenüberliegende Emitter-Übergang groß im Vergleich zu dem Fall, wo sich
der Eigenleitungs-Transistorbereich ausschließlich in waagerechter Richtung erstreckt.
Im Ergebnis kann der Stromverstärkungsfaktor befriedigen.
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Unter Bezugnahme auf die nächste Fig. 4 bezeichnet die Bezugszahl 301 die Beziehung
zwischen der Verunreinigungskonzentration und der Tiefe des Emitter-Bereichs 115, die
Bezugszahl 302 bezeichnet die Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration
und der Tiefe des Basis-Bereichs 116, die Bezugszahl 303 bezeichnet die Beziehung
zwischen der Verunreinigungskonzentration und der Tiefe des Kollektor-Bereichs 117
und die Bezugszahl 304 bezeichnet die Beziehung zwischen der
Verunreinigungskonzentration und der Tiefe der Epitaxialschicht 102. Wie aus dem in
Fig. 4 gezeigten Verunre inigungs-Konzentrationsprofil verständlich wird, ist die
Verunreinigungskonzentration im Kollektor-Bereich 117 niedrig, wie durch 303
angegeben, während sie im Emitter-Bereich 115 hoch ist, wie durch 301 angegeben.
Demzufolge ähnelt das Verunreinigungs-Konzentrationsprofil mehr demjenigen einer
Vertikalstruktur als demjenigen einer Lateralstruktur. Unter diesem Gesichtspunkt wird
verständlich, daß der Stromverstärkungsfaktor hoch und die Abhängigkeit vom
Kollektorstrom gering ist.
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Wie oben beschrieben wurde, wird die Breite der Basis eines bipolaren pnp-Transistors
vom Selbstausrichtungstyp, der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
hergestellt ist, durch die Verunreinigungsdiffusion bestimmt. Weil demzufolge die Breite
der Basis ohne Bezug zur Bildauflösungsgrenze des Lithographieverfahrens bestimmt
werden kann, ist der bipolare Transistor auch zur Größenreduzierung des Elements
geeignet. Zusätzlich wurde der Transistor bezüglich der Frequenzcharakteristik
verbessert. Weil darüberhinaus das Verunreinigungs-Konzentrationsprofil des Transistors
demjenigen einer Vertikalstruktur ähnlicher ist als demjenigen einer Lateralstruktur, ist
der Stromverstärkungsfaktor des Transistors hoch.
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Bezugszeichen wurden im Patentanspruch ausschließlich zu Zwecken der Bezugnahme
eingefügt; sie beeinflussen nicht den Schutzumfang.