DE69027282T2

DE69027282T2 - Halbleiterbauelement und elektronische Vorrichtung unter Verwendung des Halbleiters

Info

Publication number: DE69027282T2
Application number: DE1990627282
Authority: DE
Inventors: Masakazu Morishita
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1997-01-02
Anticipated expiration: 2010-11-30
Also published as: EP0431836B1; DE69022692D1; EP0431835B1; EP0431835A1; DE69022692T2; EP0431836A1; DE69027282D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement und eine elektronische Vorrichtung mit diesem Halbleiterbauelement und insbesondere auf ein Halbleiterbauelement mit der Struktur eines bipolaren Transistors und eine elektronische Vorrichtung mit diesem Halbleiterbauelement.

Verwandter Stand der Technik

Bei dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die als Emitter Dünnfilme haben, über die ein Tunnelstrom fließt, wie bipolare Transistoren (BPT) mit Misstruktur, heterobipolare Transistoren (HBT) mit einem Mikrokristall (µG; oder einem amorphen Halbleiter als Emitter usw.
In diesem Fall werden durch Nutzung der Differenz der Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen Elektronen und positiven Löchern die positiven Löcher aus der Basis durch den vorangehend genannten Dünnfilm behindert, wodurch eine Verringerung des Basisstromes hervorgerufen wird.
Da jedoch im Falle des vorangehend genannten bipolaren Transistors der vorangehend genannte Dünnfilm benutzt wird, übei den der Tunnelstrom fließt, wird der Serienwiderstand des Emitters höher, wodurch eine Reaktion on zwischen dem Metall und dem Isolierfilm entsteht, durch die manchmal die Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird. Da insbesondere im Bereich schwacher Ströme ein Kriechstromverlust des Basisstroms auftritt, ist es schwierig, eine Erhöhung des Stromverstärkungsverhältnisses herbeizuführen.
Im einzelnen ist bei dem vorangehend genannten bipolaren Transistor mit der MIS-Struktur nach dem Stand der Technik zum Erzielen der Eigenschaften für das Verringern dieses Basisstromes eine notwendige minimale Dicke des vorstehend genannten Dünnfilmes erforderlich, wodurch der Emitterwiderstand erhöht wird. Falls dagegen die Flimdicke zu gering ist, wird das Sperrverhältnis für die positiven Löcher kleiner, wodurch keine Verringerung des Basisstromes erzielt werden kann und das Stromverstärkungsverhältnis hFE verringert ist.
Da ferner eine Differenz hinsichtlich der Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen positiven Löchern und Elektronen auftritt, können manchmal die positiven Löcher zu Ladungsträgern werden und es kann daher zwar die Anwendung bei dem npn-Transistor möglich sein, aber es ist die Anwendung bei dem pnp-Transistor schwierig.
Wenn im einzelnen die Differenz hinsichtlich der Durchlässigkeit für positive Löcher und Elektronen gering ist, kann keine Sperrung der positiven Löcher erreicht werden. Ferner ist zwar die Nutzung dieser Differenz der Durchlässigkeit bei einem npn-Transistor, aber nicht bei einem pnp-Transistor anwendbar, der hinsichtlich der Art der Grenzschicht anders ist. Die Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen positiven Löchern und Elektronen ist durch den Tunnelflim bestimmt, dessen Dicke sich auf empfindliche Weise auf das Stromverstärkungsverhältnis hFE auswirkt, wodurch leicht Anweichungen zwischen einzelnen Transistoren auflreten. Ferner kann sich in manchen Fällen aur gleichartige Weise der Serienwiderstand ändern.
Andererseits ist bei dem heterobipolaren Transistor mit dein Mikrokristall (µC) nach dem Stand der Technik der Emitter-Basis-Übergang, nämlich die Grenzschicht zwischen dem Emitter mit µC-Si und der Basis instabil und es wird im Bereich schwacher Basisströme insbesondere die Rekombination vorherrschend, wodurch das Stromverstärkungsverhältnis hFE manchmal beträchtlich verringert wird.
Der heterobipolare Transistor mit dem Mikrokristall oder der heterobipolare Transistor mit einem amorphen Halbleiter gemäß den vorangehenden Ausführungen sind beide gegenüber einer Hitzebehandlung nicht widerstandsfähig, so daß daher manchmal die Stabilität verlorengeht. Ferner entstehen manchmal Probleme dadurch, daß eine Reaktion zwischen dem Mikrokristall oder dem amorphen Halbleiter und der Si-Einkristall-Grenzfläche auftritt, daß der Gehalt an Wasserstoff hoch ist, wodurch eine Ausscheidung eines Wasserstoffes verursacht wird und der Prozeß instabil wird, oder daß eine Verschlechterung während der Inbetriebnahme auftreten kann.
Im einzelnen ergibt bei dem µC-Si nach dem Stand der Technik die zusätzliche Wärmebehandlung eine Verringerung des Stromverstärkungsverhältnisses hFE selbst bei zum Beispiel 450ºC. Die Herstellungstemperatur von µC-Si beträgt im allgemeinen normalerweise 300ºC bis 400ºC. Die Ursache für diese Verringerung kann insbesondere darin gesehen werden, daß wegen der vergrößerten Teilchengröße von µC-Si an der Si-Grenzfläche der Bandabstand verringert ist und der in dem µC-Si enthaltene Wasserstoff H ausgeschieden wird usw. In dem µC-Si nach dem Stand der Technik ist während dessen Herstellung eine große Menge an Wasserstoff enthalten und es wird durch das Vorhandensein des Wasserstoffes auch µC-SiO stabilisiert. Die Umgebung von µC-Si kann als durch den Wasserstoff begrenzt angesehen werden.
Außerdem können manchmal Grenzflächendefekte auftreten, da im Bereich schwacher Ströme der Basisstrom abgeleitet werden kann oder an der PN-Übergangsgrenzfläche Hetero-Übergänge vorhanden sind.
In dem bipolaren Transistor mit der MIS-Struktur mit dem vorangehend beschriebenen Aufbau nach dem Stand der Technik ist insbesondere deshalb, weil im Bereich schwacher Ströme der Rekombinationsstrom in dem Oxidfilm vorherrschend ist, so daß der Basisstrom stärker wird, zu den schwächeren Strömen hin das Stromverstärkungsverhältnis hFE (= IC/IB) verringert, bis es im Extremfall zu 1 oder geringer wird. Im Falle dieser Struktur ist das Auftreten der Reaktion zwischen dem Metall und dem Isolierfilm wahrscheinlich, wodurch manchmal die Zuverlässigkeit mangelhaft sein kann. Da ferner der Isolierfiln eine beträchtliche Dicke hat, wurde der Serienwiderstand groß. Da die Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen positiven Löchern und Elektronen durch die Dicke des Oxidfilmes bestimmt ist, wirkt sich die Dicke auf empfindliche Weise auf das vorstehend genannte Verhältnis hFE aus, wodurch Abweichungen der Kennlinien einzelner bipolarer Transistoren auftreten. Auf gleichartige Weise ändert sich auch der Serienwiderstand. Daher ist die gleichmäßige Herstellung aller Oxidfilme in der Größenordnung von Å mit Schwierigkeiten verbunden.
Andererseits ist in dem heterobipolaren Transistor mit dem µC nach dem Stand der Technik gemäß der vorangehenden Beschreibung der Emitter-Basis-Übergang, nämlich die Grenzfläche zwischen dem Emitter mit dem µC-Si und der Basis gegenüber einer Wärmebehandlung instabil und gegen Anderungen anfällig, wodurch eine gleichmäßige Herstellung mit Schwierigkeiten erreicht werden kann. Dies ist deshalb der Fall, weil es auf der Instabilität von µC selbst oder der Instabilität an der Grenzfläche zu dem Einkristall- Silizium sowie ferner auf dem Gehalt einer großen Menge von Wasserstoff in dem gewöhnlichen µC basiert, welcher die Instabilität des Kristalls weiter fördert. Außerdem ist der Transistor mit dem µC gegen Kennlinienverschlechterungen nicht nur während der Herstellungsschritte, sondern auch während des Betriebes anfällig.
In einer Veröffentlichung des "International Electron Devices Meeting" in Washington, 4. bis 6. Dezember 1978, in IEEE, New York, ist auf den Seiten 333 bis 335 eine Halbleitervorrichtung beschrieben, die mit einem dünnen Isolierfum zwischen einer monokristallinen Emitterzone und einer auf den dünnen Film aufgebrachten polykristallinen Schicht versehen ist. Der Zweck dieses dünnen Isolierfilmes ist es, als Vorrichtung zum Verringern des Basisstromes zwischen Elektronen und Löchern zu unterscheiden. Sobald ein Tunnelstrom fließt, ergibt sich in dieser Vorrichtung ein beträchtlicher Elektronenstrom, während der Stromfluß der Löcher über den dünnen Isolierfilm verhindert ist.
In der US-A-4672413 ist eine Halbleitervorrichtung in der Art eines bipolaren Transistors offenbart, in dem der Injektionswirkungsgrad ohne wesentliche Erhöhung des Emitterwiderstandes des Transistors stark erhöht ist. Um dies zu erreichen, ist eine Emitter-Tunnelbarriere innerhalb der Emitterzone des Transistors statt an dem Übergang zwischen der Emitterzone und der Basiszone ausgebildet. Die an die Barriere angrenzende Emitterzone ist stark dotiert, was einen erhöhten Injektionswirkungsgrad ergibt, und die Barriere ist ausreichend dünn, um irgend eine wesentliche Erhöhung des Emitterwiderstandes zu verhindern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist auf das Vermindern von einigen der vorangehend beschriebenen Probleme bei den Halbleitervorrichtungen nach dem Stand der Technik gerichtet und die Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ersichtlich. Einige Ausführungsformen ergeben zum Beispiel eine Halbleitervorrichtung, die (i) über einen breiten Bereich von Kollektorströmen ein hohes Stromverstärkungsverhältnis beibehalten kann, (ii) gegen eine Wärmebehandlung widerstandsfähig ist, (iii) eine Verstärkung des Basisstromes im Bereich schwacher Ströme verhindern kann und (iv) in eine fotoelektrische Wandlervorrichtung eingebaut werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt ergibt die Erfindung ein Halbleiterbauelernent, das eine Kollektorzone eines ersten Leitungstyps, eine monokristalline Basiszone eines zweiten Leitungstyps, eine monokristalline Emitterzone des ersten Leitungstyps, die an einer Grenzfläche zu der Basiszone einen Emitter-Basis-Übergang in einem Einkristall bildet, einen auf die Emitterzone aufgebrachten Dünnfilm und eine auf den Dünnfilm aufgeschichtete polykristalline Schicht aufweist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Dünnfilm so dünn ist, daß er sowohl für Majoritätsträger als auch für Minoritätsträger einen merklichen Tunnelstromfluß ergibt, wobei die Tunnelwahrscheinlichkeiten der Majoritätsträger und der Minoritärsträger einander im wesentlichen gleich sind, und die polykristalline Schicht für den Fluß von aus der Basiszone injizierten Trägern eine Potentialbarriere bildet, um dadurch den Basisstrom zu verringern und das Stromverstärkungsverhältnis zu erhöhen.
Gemäß einem zweiten Aspekt ergibt die Erfindung eine fotoelektrische Wandlervorrichtung, die dieses Halbleiterbauelement enthält.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2A ist ein Diagramm, das das Energieniveau einer polykristallinen Schicht bei Qt > L Ni zeigt,
Fig. 2B ist ein Diagramm, das Verteilungen einer Kristallkorngrenze Bc und einer Verarmungsschicht Ep in einem Dünnfilm aus polykristallinem N-Silizium zeigt;
Fig. 3A ist ein Diagramm, das das Energieniveau der polykristallinen Schicht bei Qt < L Ni zeigt,
Fig. 3B ist ein Diagramm, das Verteilungen der Kristallkorngrenze Bc und der Verarmungsschicht Ep in einem Dünnfilm aus polykristallinem N-Silizium zeigt,
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Fremdstoffkonzentration der polykristallinen Schicht veranschaulicht,
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Höhe einer Potentialbarriere und der Fremdstoffkonzentration der polykristallinen Schicht veranschaulicht,
Fig. 6 ist ein Diagramm, das das Potential entlang einer Linie A-A' in Fig. 1 zeigt,
Fig. 7A ist eine Darstellung der polykristallinen Grenzfläche bei der Struktur nach dem Stand der Technik,
Fig. 7B ist eine schematische Darstellung der polykristallinen Grenzfläche bei der erfindungsgemäßen Struktur,
Fig. 8A ist ein erläuterndes Diagramm, das zur Darstellung des Tunnelfilmes den Zusammenhang zwischen dem Potential und dem Anstand zeigt,
Fig. 8B ist ein erläuterndes Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Potential und dem Abstand bei dem Anlegen einer beträchtlichen Spannung an den Tunnelfilm zeigt,
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung, die die Temperaturkennlinien des Kehrwertes des Schichtwiderstandes von polykristallinem Silizium zeigt,
Fig. 10A und Fig. 10B sind Diagramme&sub1; die für die Darstellung des Tunnelfilmes den Zusammenhang zwischen dem Potential und dem Abstand veranschaulichen,
Fig. 11 ist eine grafische Darstellung für den Vergleich von Zusammenhängen von Spannung und Strom zwischen dem erfindungsgemäßen Transistor und dem Transistor nach dem Stand der Technik,
Fig. 12 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Fremdstoffkonzentration und der Lebensdauer von positiven Löchern in der Emitterzone veranschaulicht,
Fig. 13A ist ein erläuterndes Diagramm, das das Energieniveau des Überganges von n-Si und n-SiC zeigt,
Fig. 13B ist ein erläuterndes Diagramm, das das Energieniveau des Überganges von n-Si, n-SiC und n-Si zeigt,
Fig. 13C ist ein erläuterndes Diagramm, das das Energieniveau des Überganges von n-Si, einem n-SiC-Dünnfilm und n-Si zeigt,
Fig. 14 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelementes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 15 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelementes gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 16 ist ein Schaltbiid, das ein Ausführungsbeispiel für eine elektronische Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement zeigt,
Fig. 17A bis Fig. 17D sind Darstellungen, die die Quantisierung der Energie von Elektronen in einer polykristallinen Schicht veranschaulichen,
Fig. 18 ist eine grafische Darstellung, die die Anderung der Fermi-Energie bei dem Verdichten von Elektronen in einer kubischen Quelle veranschaulicht,
Fig. 19 ist ein Diagramm, das das Potential entlang der Linie A-A' in Fig. 1 zeigt,
Fig. 20 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelementes gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 21 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelementes gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 22 ist ein Diagramm, das das Potential entlang der Linie A-A' in Fig. 1 zeigt, welche die Emitterzone ist,
Fig. 23 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Ladungsträgerdichte und der normierten Energie in einem Sillziumhalbleiter veranschaulicht,
Fig. 24 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelementes gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 25 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelementes gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Mit der Erfindung kann im Bereich schwache Ströme eine Verringerung des Basisstromes zum Erhalten eines hohen Stromverstärkungsverhältnisses dadurch bewirkt werden, daß an einer n&spplus;-Emitterzone ein Dünnfilm hergestellt wird und auf diesen im weiteren eine polykristalline Schicht aufgeschichtet wird, wodurch die polykristalline Schicht als Barriere gegen positive Löcher wirkt.
Durch das Herstellen des Emitter-Basis-Überganges in dem einzelnen Kristall kann in dem Bereich schwacher Ströme der Basisstrom verringert werden, um ein hohes Stromverstärkungsverhältnis zu erhalten.
Die Dicke des auf der n&spplus;-Emitterzone hergestellten Dünnfilmes sollte vorzugsweise 5 nm (50 Å) oder weniger betragen. Der Film sollte so dünn wie möglich sein. Dies ist deshalb der Fall, weil mit einer geringeren Dicke der Serienwiderstand in dem Emitter verringert werden kann, wodurch auch die positiven Löcher gleichermaßen wie die Elektronen die Tunnelerscheinung auslösen können.
Durch das Bilden eines Dünnfilmes, der die Tunnelerscheinung sowohl von positiven Löchern als auch von Elektronen auslöst, an der Emitterzone wird der Serienwiderstand in der Emitterzone gesenkt.
Durch das Bilden einer polykristallinen Schicht an diesem Dünnfilm wird eine sowohl an positiven Löchern als auch an Elektronen wirkende Barriere erzeugt, wodurch die Verringerung des Basisstromes hervorgerufen werden kann.
Wenn ferner der Emitter-Basis-Übergang in dem Einkristall gebildet wird&sub1; kann ein Anstieg des Basisstromes in dem Bereich schwacher Ströme verhindert werden.
Außerdem werden durch das Ausbilden eines äußerst dünnen Filmes an der Emitterzone die Tunnelwahrscheinlichkeiten sowohl für die positiven Löcher als auch für die Elektronen einander gleich, wodurch die Erhöhung des Stromverstärkungsverhältnisses herbeigeführt werden kann.
Durch das Bilden einer polykristallinen Schicht mit hoher Fremdstoffkonzentration an dem äußerst dünnen Film an der Emitterzone wird eine Barriere für aus der Basiszone injizierte Minoritätsträger erzeugt, was zu der Verringerung des Basisstromes beitragen kann, um das Stromverstärkungsverhältnis zu erhöhen.
Da ferner an dem Einkristall über einem äußerst dünnen Film ein Polykristall gebildet wird, ist dieser gegenüber Wärme im Vergleich zu dem Fall widerstandsfähiger, daß er direkt an dem Einkristall gebildet wird, und die Korngröße wird konstant, was auch einen gleichmäßigen Übergang ergibt.
Durch das Ausbilden eines äußerst dünnen Filmes können positive Löcher und Elektronen auf ausreichende Weise einen Tunnelstromfluß ergeben und es werden daher durch den Oxidfilm die Strom/Spannung-Kennlinien des bipolaren Transistors nicht beeinflußt. Da im einzelnen der Kollektorenstrom nur durch die Basis bestimmt ist und der Wert des Basisstromes durch die Fremdstoffkonzentration des Emitters und die Tiefe unter dem Tunnelfilm bestimmt werden kann, tritt keine Anderung des Verhältnisses hFE des bipolaren Transistors in Abhängigkeit von der Dicke des Tunnelfilmes auf.
Das heißt, es kann ein bipolarer Transistor mit einem stabilen Verhältnis hFE bei geringen Abweichungen erzielt werden.
Wenn ein Emitter-Basis-Übergang in dem Einkristall hergestellt wird, kann der Anstieg des Basisstromes in dem Bereich schwacher Ströme verhindert werden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun ausführlich bevorzugte besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
In Fig. 1 ist das Halbleiterbauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
In dieser Figur ist mit 1 ein Siliziumsubstrat bezeichnet und dieses Substrat 1 ist ein n-Substrat, welches durch Dotieren mit einem Fremdstoff wie Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) oder dergleichen n-leitfähig gemacht wurde, oder ein p-Substrat, welches durch Dotieren mit einem Fremdstoff wie Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga) oder dgl. p-leitfähig gemacht wurde.
2 ist eine n&spplus;-Zone (eingebettete n&spplus;-Zone) und diese erste eingebettete n&spplus;-Zone 2 kann vorzugsweise eine Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup6; bis 10²&sup0; [cm&supmin;³] erhalten.
3 ist eine n-Zone als Teil der Kollektorzone und diese n-Zone 3 ist eine nach einem Epitaxialverfahren oder dgl. gebildete Zone mit geringer Fremdstoffkonzentration (von z.B. 10¹³ bis 5x10¹&sup7; [cm&supmin;³]).
4 ist eine p-Zone als Basiszone und diese p-Zone 4 kann vorzugsweise eine Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup5; bis 10²&sup0; [cm&supmin;³] erhalten.
5 ist eine p+-Zone und diese p+-Zone 5 ist zum Senken des Basiswiderstandes vorgesehen und kann vorzugsweise eine Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup7; bis 10²&sup0; [cm&supmin;³] erhalten.
6 ist eine erste n&spplus;-Emitterzone.
7 ist eine zweite n&spplus;-Zone und diese zweite n&spplus;-Zone ist für das Senken des Kollektorwiderstandes zum Verbinden einer nachfolgend beschriebenen Kollektorelektrode 202 mit der vorangehend genannten eingebetteten Zone 2 vorgesehen, welche die n&spplus;-Zone ist.
8 ist eine polykristalline Schicht aus einem Halbleitermaterial. Diese polykristalline Schicht behindert das Injizieren der Ladungsträger aus der Basis.
30 ist ein Dünnfilm. Dieser Dünnfilm 30 ist für das Fließen von Tunnelstrom vorgesehen.
101, 102 und 103 sind Isolierfilme für die Isolierung zwischen den Elektroden, Elementen und Leitungen.
200, 201 und 202 sind jeweils eine Emitterelektrode, eine Basiselektrode und die Kollektorelektrode und die jeweiligen Elektroden 200, 201 und 202 sind aus Metallen, Siliziden oder dergleichen gebildet.
Der vorangehend genannte Dünnfilm 30 ist dünner als der Film des bipolaren MSI-Transistors nach dem Stand der Technik ausgebildet. Zumindest positive Löcher werden zu den Ladungsträgern für den Strom. Die durch diesen Dünnfilm 30 hindurchtretenden positiven Löcher werden durch die polykristalline Schicht 8 behindert.
Im folgenden wird die vorangehend genannte polykristalline Schicht 8 beschrieben.
Der Polykristall ist eine Masse aus einzelnen Kristallen mit einer Verteilung auf eine bestimmte Größe und diese Kristallkörner haben keine konstante Kristallrichtung. Sie haben auch Kristallkorngrenzen und an diesen Bereichen treten merkliche Regellosigkeiten der Gitter auf. Das Vorliegen der Kristallkorngrenze ist daher die Ursache für elektrische Eigenschaften, die von denjenigen eines Einkristalls verschieden sind.
Diese elektrischen Eigenschaften werden in starkem Ausmaß von der Kristallkorngröße und der Gitterstörstellendichte der Kristallkorngrenze beeinflußt. Die an der Kristallkorngrenze vorhandenen Gitterstörstellen werden als tiefes Akzeptor- oder Donorniveau zu Fangzentren für freie Ladungsträger, um Ladungen in dem verbotenen Band einzufangen. Durch dieses Einfangen entsteht um die Kristallkorngrenze herum eine verarmte Schichtzone zum Andern des Potentials und die Anderung dieses Potentials wirkt als Barriere gegen die Ladungsträger.
Der Polykristall ändert seine Eigenschaften in Abhängigkeit von seiner Korngröße L [cm], der Fremdstoffkonzentration Ni [cm&supmin;³] und der Hafttermdichte Qt [cm&supmin;²] an der Kristallkorngrenze und diese Eigenschaftsänderung wird nachstehend unter Bezugnahme auf polykristallines Silizium als Beispiel beschrieben.
Fig. 2A und 2B zeigen das Energiebanddiagramm bei Qt > L Ni (Fig. 2A) und die Ausbreitung der Kristallkorngrenze Bc und der Verarrnungsschicht Ep in dem Dünnfilm aus polykristallinem N-Silizium (Fig. 2B).
Fig. 3A und 3B zeigen das Energiebanddiagramm bei Qt < L Ni (Fig. 3A) und die Ausbreitung der Kristallkorngrenze Bc und der Verarmungsschicht Ep in dem Dünnfilm aus polykristallinem N-Silizium (Fig. 3B).
Im einzelnen ist bei Qt > L Ni gemäß der Darstellung in Fig. 28 das polykristalline Silizium innen völlig abgereichert. Andererseits breitet sich bei Qt < L Ni Gemäß der Darstellung in Fig. 38 die Verarmungsschichtzone nur in der Nähe der Kristallkorngrenze aus, wobei damit der Zustand dargestellt ist, bei dem in dem polykristallinen Silizium neutrale Zonen verbleiben. Das heißt, bei Qt > L Ni wird der Widerstand sehr viel höher.
Die Fig. 4 zeigt ein Beispiel für den spezifischen Widerstand p als Funktion der Fremdstoffkonzentration Ni in dem Fall, daß die Hafttermdichte Qt konstant ist und die Korngröße L 20 nm, 42 nm und 122 nm (200 Å, 420 Å und 1220 Å) beträgt.
Hierbei stellt der Bereich (a) den Fall Qt > L Ni und der Bereich (b) den Fall Qt < L Ni dar.
Der Bereich (c) entspricht dem Fall, daß die Fremdstoffkonzentration hoch ist und die in Fig. 3A dargestellte Barriere ΦB außerordentlich dünn wird und wegen des Durchlassens der Ladungsträger durch die Barriere durch die Tunnelerscheinung im wesentlichen keine Darriere darstellt, wodurch sich in dem Bereich ein spezifischer Widerstand ergibt, der einem Einkristall nahekommt.
Die vorstehend genannten Bereiche (a) und (b) sind Bereiche von spezifischen Eigenschaften eines Polykristallkörpers, jedoch ergibt der Bereich (a) einen zu hohen Widerstand und ist nicht für das Halbleiterbauelement geeignet.
Bei dem Ausgangsbeispiel ist es anzustreben, für die Emitterzone des bipolaren Transistors den Polykristallkörper in dem vorstehend genannten Bereich (b) zu nutzen.
Es ist schwierig, tatsächlich zu messen, wie hoch die Barriere in dem vorstehend genannten Bereich (b) ist, und es wird daher in Fig. 5 ein Beispiel gezeigt, welches durch Berechnung bestimmt ist.
Das heißt, bei konstanter Kristallkorngröße L = 10&supmin;&sup5; [cm] und den jeweiligen Werten der Hafttermdichte Qt als Parameter (wobei die (1) bis (7) in Fig. 5 entsprechenden jeweiligen Werte 1 x 10&supmin;¹³, 5 x 10&supmin;¹², 2 x 10&supmin;¹², 1 x 10&supmin; ¹², 5 x 10&supmin;¹¹, 2 x 10&supmin;¹¹ und 1 x 10&supmin;¹¹ sind) ist die Höhe ΦB dieser Barriere als Funktion der Fremdstoffkonzentration Ni [cm&supmin;³] aufgetragen.
Gemäß experimentellen Daten hat die Dichte Qt des Polykristalls gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Wert von ungefähr 1 x 10&supmin;¹² bis 1 x 10&supmin;¹³ [cm&supmin;²], während die Korngröße des durchschnittlichen Kristalls 200 bis 1000 [Å] beträgt und daher in Betracht gezogen werden kann, daß die Höhe ΦB der Barriere normalerweise einen Wert gemäß der Darstellung in Fig. 5 hat. Daher kann manchmal der maximale Wert der Höhe ΦB der Barriere ungefähr 0,45 [eV] betragen. Es ist jedoch erforderlich, die Korngröße L, die Hafttermdichte Qt an der Grenzfläche und die Fremdstoffkonzentration Ni zu optimieren.
Der in dem Bereich (b) des Polykristalis fließende Strom wird als Strom mit den über die Barriere ΦB fließenden Ladungsträgern zu einem "heißen" Elektronenstrahlungsstrom.
Andererseits ist die Breite W der Verarmungsschicht Ep (gemäß Fig. 3A) annähernd dargestellt durch:
W = Qt/Ni ...(1)
Beispielsweise ist bei Qt 5 X 10&supmin;¹² [cm&supmin;²] und Ni = 10¹&sup8; [cm&supmin;³] W = 5 X 10&supmin;&sup6; [cm] = 50 nm (500 Å)
und es tritt eine Höhe ΦB von ungefähr 0,35 [eV] auf. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 würde bei L = 100 nm (1000 Å) eine neutrale Zone nR von 50 nm (500 Å) verbleiben.
Die Fig. 6 ist ein Diagramm des Potentials an dem Querschnitt A-A' in Fig. 1. In Fig. 6 sind mit ER die Emitterzone, mit BR die Basiszone und mit CR die Kollektorzone dargestellt.
In der Figur sind mit WB die Breite der neutralen Zone der Basis, mit WEB die Breite der neutralen Zone des Emitters in dem Einkristall und mit δ die Dicke des vorangehend genannten Dünnfilmes 30 dargestellt.
Die bedeutendste charakteristische Funktion dieses Dünnfilmes 30 ist es, die polykristalline Schicht 8 von der ersten n&spplus;-Zone 6, welche der Einkristall in der Emitterzone 6 ist, zugleich mit dem Einebnen ihrer Grenzfläche zu isolieren und auch die polykristalline Schicht 8 zu stabilisieren.
Falls beispielsweise im einzelnen die polykristalline Schicht 8 direkt auf der n&spplus;-Zone 6 abgelagert wird, welche nicht als ein Einkristall mit der Struktur nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 7A ist, wird an dem Einkristall epitaxial der Kristall mit ungefähr der Korngröße eines Polykristalls gezüchtet, wodurch die inherente Grenzfläche (B-B' in Fig. 7A) mit dem Einkristall sich derart ändert, daß sie wellig wird und nicht stets eine konstante Form einhalten kann. Wenn in diesem Fall ein Polykristall auf einem natürlich oxidierten Film abgelagert und einer Wärmebehandlung unterzogen wird, kann manchmal der Oxidfilm zerstört werden und örtlich das epitaxiale Wachsen auftreten. Im Extremfall wird der natürlich oxidierte Film kugelförmig und der Polykristall wird zu einem Einkristall umkristallisiert.
Auf diese Weise ist bei der Struktur nach dem Stand der Technik keine der Grenzflächen zwischen dem Einkristall und dem Polykristall flach, wodurch das Auftreten von Schwankungen der Eigenschaften des bipolaren Transistors verursacht wird.
Wenn im einzelnen die aus der Basis in den Emitter injizierten Ladungsträger in dem Emitter rekombiniert werden, wird der Emitter innerlich ungleichförmig und es ist daher im hergestellten einzelnen bipolaren Transistor der Basisstromwert nicht konstant, sondern es wird die Abweichung zwischen den jeweiligen bipolaren Transistoren größer.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird gemäß Fig. 7B auf die erste n&spplus;-Zone 6, die ein Einkristall ist, der Dünnfilm 30 aufgebracht und auf diesem Dünnfilm (Siliziumoxidfilm bei dem Ausführungsbeispiel) wird die polykristalline Schicht 8 ausgebildet und es ist daher deren Grenzfläche in atomarer Größenordnung eben. Die polykristalline Schicht 8 wird über den stabilen Dünnfilm 30 abgelagert und daher tritt nicht leicht eine Umordnung des Polykristalls durch Wärmebehandlung auf und sie ist auch bei einer späteren Wärmebehandlung stabil. Bei polykristallinern Silizium, amorphem Silizium oder dgl. nach dem Stand der Technik (mit Ablagerungstemperaturen von 100 bis 300ºC) ändern sich leicht durch eine Wärmebehandlung bei 400 bis 600ºC die Eigenschaften, wodurch leicht eine Verschlechterung des Stromverstärkungsverhältnisses hFE auftritt.
Da bei dem Ausführungsbeispiel der Kristall ein Polykristall ist, ist dessen Ablagerungstemperatur höher, z.B. ungefähr 550 bis 650ºC im Falle von polykrisrallinem Silizium, und daher ist zusätzlich zu der größeren Kristallkorngröße im wesentlichen kein Wasserstoff enthalten, wobei die Kristallgröße in den späteren Schritten klein ist und weiterhin im wesentlichen nicht durch Ausscheiden von Wasserstoff verändert ist. Das polykristalline Silizium kann auf zufriedenstellende Weise eine Temperatur bis zu ungefähr 900ºC aushalten und es kann ein außerordentlich stabiler bipolarer Transistor erzielt werden.
Die Grenzfläche der polykristallinen Schicht 8 liegt an der Grenzfläche zu dem Dünnfilm 30 und es wird daher die Grenzfläche zu der Emitterzone außerordentlich glatt. Dies ist ein äußerst wichtiger Faktor für das Stabilisieren der Eigenschaften des bipolaren Transistors.
Wie es aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist es erforderlich, daß das Material dieses Dünnfilrnes 30 stabil ist und es sollte vorzugsweise ein chemisch stabiles Material wie SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, SiC, Al&sub2;O&sub3; oder dgl. sein. Außerdem ist ferner auch die Grenzfläche zwischen dem Dünnfilm 30 und dem Einkristall äußerst wichtig und es ist erforderlich, daß das Rekombinationsniveau an der Grenzfläche niedrig ist.
Gemäß der Darstellung in Fig. 6 ist innerhalb der polykristallinen Schicht 8 eine konvexe Potentialbarriere gegen Elektronen gebildet. Andererseits ist eine konkave Potentialbarriere gegen positive Löcher gebildet.
Wenn gemäß der Darstellung in Fig. 8A die Tiefe der Potentialmulde als -ΦB bezeichnet ist und die Breite a ist, beträgt die Durchlaßwahrscheinlichkeit Tth für die Ladungsträger mit
Als Beispiel ist in Fig. 8B die Durchlaßwahrscheinlichkeit Tth bei m* ΦBha²/h² = 8 dargestellt. Hierbei ist E die Elektronenenergie und bei E/ΦBh < 1 ist die Durchlaßwahrscheiniichkeit merklich verringert. Da E allgemein ungefähr kT beträgt, tritt die Wirkung zum Behindern der positiven Löcher bei ΦB > kT auf.
In Fig. 9 sind die Kennlinien des Kehrwertes des Schichtwiderstandes R (der elektrischen Leitfähigkeit) des in der Praxis bei dem Ausführungsbeispiel verwendeten polykristallinen Siliziums als Funktion des Kehrwertes der Temperatur T dargestellt.
Im Falle von (a) ist die Fremdstoffkonzentration des polykristallinen Siliziums am höchsten und darin wird die Konzentration in der Aufeinanderfolge (b) ' und (c) ' geringer. In diesem Fall gelten für die Ablagerungstemperatur, die Dicke und die Wärmebehandlung die gleichen Bedingungen.
Bei (b) ' und (c) ' steigt das vorangehend genannte Potential an und der Mechanismus des Stromflusses wird vorherrschend zu der Strahlung "heißer" Elektronen, wodurch die Kennlinien verändert werden. Die Verbesserung der Eigenschaften des bipolaren Transistors wird wirksam, wenn zumindest 1/R als Funktion der Temperatur flach verläuft oder 1/R mit ansteigender Temperatur größer wird.
Im Gegensatz zu dem Emitter bei der Verwendung von polykristallinem Silizium gemäß (a) ' wird in dem bipolaren Transistor bei der Verwendung von polykristallinem Silizium gemäß (b) ' und (c) ' der Basisstrom aufeinanderfolgend auf 2/3 und und 1/3 verringert. Demgemäß wird hFE jeweils zu dem 1,5-fachen bzw. 3-fachen.
Gemäß Fig. 1 ist die erste n&spplus;-Zone 6 innerhalb eines Einkristalls ausgebildet. Bei der Bestimmung des Basisstromes wird die erste n&spplus;-Zone 6 gleichfalls zu einem äußerst wichtigen Faktor.
Als nächstes wird der vorangehend genannte Tunneleffekt beschrieben. Wenn Elektronen aus der Schicht 8 aus Halbleitermaterial durch die in Fig. 6 dargestellte Emitterzone ER hindurchtreten, kann diese unter Bezugnahme auf ein in Fig. 10A dargestelites Modell für das Barrierenpotential beschrieben werden. Wenn hierbei ΦB die Höhe der Barriere ist und a die Breite der Barriere ist, ergibt sich aus der Schrödingerschen Wellengleichung die Tunnelwahrscheinlichkeit Tte wie folgt: mit
Bei ΦB » E und Ba « 1 ergibt sich Tt folgendermaßen: mit
Wenn dann eine Spannung angelegt wird, wird gemäß Fig. 10B das Potential schräg verlaufend, durch die Tunnelwahrscheinlichkeit Tt erhöht wird.
Hierbei ist folgender gesamter Tunnelstrom Iet zu erwarten:
In dieser Gleichung ist A eiiie Konstante, Tt ist die Tunnelwahrscheinlichkeit gemäß der vorangehenden Gleichung (3) ', Fc1 und Fc2 sind Fermi-Dirac-Verteilungsfunktionen der vorstehend genannten Schicht 8 aus Halbleitermaterial und der Emitterzone ER und nc1 und nc2 stellen die Zustandsdichten der Leitungsbänder der beiden Materialien dar.
In der vorangehenden Gleichung (4) fällt bei ΦB » E das die Dicke des Dünnfilmes 30 betreffende Element außerhalb des zu integrierenden Objektes, wobei es zu folgendem wird:
Ietα e x p (-2βa)
wodurch ersichtlich ist, daß hinsichtlich der Dicke des Dünnfilmes 30 ein Exponentialfunktionseffekt auftritt. Somit trägt die Dicke am stärksten zu dem Elektronentunnelstrom Iet bei.
In der vorangehenden Gleichung (5) ist ein anderes wichtiges Element das folgende:
Fc1(1 - Fc2)
wobei mit Fc1 eine Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins eines Elektrons an einer Seite A bezeichnet ist. Mit (1- Fc2) ist eine Wahrscheinlichkeit des Fehlens eines Elektrons an einer Seite B bezeichnet und das Produkt hiervon wirkt sich stark auf eine Wahrscheinlichkeit eines Elektronenüberganges aus, jedoch kann zum Erhöhen dieses Produktelementes an den Dünnfilm 30 eine Spannung angelegt werden, die ungefähr kT beträgt oder höher ist und beispielsweise bei Raumtemperatur ungefähr 0,025 V sein kann.
In dem bipolaren Transistor ist der Spannungsabfall in dem vorangehend genannten Dünnfilm 30 der vorstehend genannte Spannungswert und gemäß der Darstellung in Fig. 10B wird während des Anlegens der Spannung die Wahrscheinlichkeit des Vorliegens hinsichtlich der Energie gemäß der Darstellung durch A und B versetzt, wodurch in dem Energieband mit der gleichen Energie die die Energie von Elektronen seitens der Schicht 8 aus dem Halbleitermaterial (an der linken Seite nach Fig. 10B) seitens des Emitters (der rechten Seite nach Fig. 10B) kein Elektron vorhanden ist und der Übergang von Elektronen leicht hervorgerufen werden kann. Ferner wird durch das Anlegen von Spannung an den Dünnfilm 30 die Höhe der Barriere etwas verringert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind gemäß der Darstellung in Fig. 6 sowohl die Dicke WEO der Emitterzone ER als auch die Konzentration Ni wichtige Faktoren zum Verringern des Basisstromes.
Gewöhnlich hat der vorstehend genannte Dünnfilm 30 eine Dicke von 5 nm (50 Å) oder weniger, die im Vergleich zu der Dicke der n&spplus;-Emitterzone 6 geringer ist, und der Abstand von dem Emitter-Basis-Übergangsbereich zu der polykristallinen Schicht 8 ist gegeben durch
WE = WEG + δ
und wird im wesentlichen gleich WEO.
Andererseits wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein anderer wichtiger Faktor, nämlich das Sperren von aus der Basis injizierten Minoritätsträgern an der Grenzfläche zwischen der polykristallinen Schicht 8 und dem Dünnfilm 30 bewirkt. Da natürlich die Tunnelwahrscheinlichkeit für Elektronen und positive Löcher in dem Dünnfilm 30 für die Elektronen größer ist, wird die Wirkung zum Verringern des Basisstromes durch die positiven Löcher als überlappende Wirkung der beiden erzielt.
Als nächstes werden die Stromkomponenten in dem vorangehend beschriebenen bipolaren Transistor beschrieben.
Der Kollektorstrom Jc ist annähernd durch die folgende Gleichung (6) dargestellt:
wobei die Diffusionsstrecke länger als die Basisbreite gewählt ist. NB ist die Basiskonzentration, WB ist die Basisbreite, Dn ist die Diffusionsstrecke für die Elektronen, ni ist die spezifische Trägerdichte von Si und VBE ist die angelegte Basis-Emitter-Spannung.
Andererseits besteht der Basisstrom aus dem Rekombinationsstrom JBrec in der Basis und dem Diffusionsstrom JBdiff der aus der Basis in den Emitter injizierten positiven Löcher.
Hierbei ist der Rekombinationsstrom JBrec gegeben durch:
wobei Ln die Diffusionsstrecke für die Elektronen ist.
Kurz ausgedrückt ist in dem bipolaren Transistor mit dem einfachen bzw. homogenen übergang nach dem Stand der Technik JBdiff die Hauptkomponente und es kann keine hohe Stromverstärkung erzielt werden.
Wenn in dem bipolaren Transistor mit dem Homo-Übergang nach dem Stand der Technik die Diffusionslänge Lp für die positiven Löcher kleiner ist als die Dicke WE des Emitters (Fall 1) (Lp « WE), ist der Diffusionsstrom JBdiff1 gegeben durch:
Wenn andererseits begleitet mit einer höheren Integration eine Abfiachung des Emitterüberganges herbeigeführt wird, wird der Zusammenhang zu Lp » WE (Fall 2), wodurch der Diffusionsstrom JBdiff2 gegeben ist durch:
Daher wird der Diffusionsstrom weiter verstärkt, wodurch das Stromverstärkungsverhältnis hFE des bipolaren Transistors verringert wird.
Wenn im Falle des Ausführungsbeispiels die Rekombinationsgeschwindigkeit an dem Heteroübergang auf einen vernachlässigbaren Wert gebracht wird, ist der Diffusionsstrom JBdiff3 durch die folgende Gleichung (10) gegeben (Lp » WE)
In dem bipolaren Transistor gemäß dem Ausführungsbeispiel wird in dem vorangehend genannten Fall 1 der Duiffusionsstrom Ibdiff in Bezug auf den bipolaren Transistor mit dem Homoübergang nach dem Stand der Technik zu dem WE/Lp-fachen.
Ferner wird in dem vorangehend genannten Fall 2 der Diffusionsstrom JBdiff zu dem (WE/LP)²-fachen.
Somit kann bei dem Ausführungsbeispiel der Diffusionsstrom JBdiff drastisch verringert werden. Das heißt, das Stromverstärkungsverhältnis hFE kann drastisch erhöht werden.
In dein bipolaren Transistor mit der MIS-Struktur nach dem Stand der Technik entsteht wegen WE 0 kein Diffusionsstrom JBdiff, aber es sind andere Stromkomponenten vorhanden.
Die Fig. 11 ist eine grafische Darstellung, die schematisch die Strom/Spannung-Kennlinien des Transistors zeigt, wobei auf der Abszissenachse die zwischen die Basis und den Emitter angelegte Spannung dargestellt ist und auf der Koordinatenachse der Basisstrom I8 und der Kollektorstrom IC als logarithmische Werte dargestellt sind. In dem bipolaren Transistor gemäß dem Ausführungsbeispiel werden der Kollektorstrom IC und der Basisstrom I8 zueinander im wesentlichen parallel und es wird auch in dem Bereich schwacher Ströme (Hp) das Stromverstärkungsverhältnis hFE (= IC/I8) zu einem konstanten Wert. In dem bipolaren Transistor mit MIS- Struktur nach dem Stand der Technik fließt in dem Bereich schwacher Ströme (Ho) ein übermäßiger Strom.
Der Basisstrom in dem bipolaren Transistor gemäß dem Ausführungsbeispiel ist vor allem der durch die vorstehende Gleichung (7) dargestellte Rekombinationsstrom und der Maximalwert hFEmax des Stromverstärkungsverhältnisses ist in diesem Fall der folgende Wert:
hFEmax 2 (Ln/wB)2 ... (11)
wobei die obere Grenze von hFE allein durch die Beschaffenheit der Basis bestimmt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann hFE auf 10000 oder höher gebracht werden.
Die Fig. 12 veranschaulicht die Zusammenhänge zwischen der Fremdstoffkonzentration in der vorstehend genannten n&spplus;- Emitterzone 6 und der Diffusionsstrecke Lp für die Minoritätsträger (positiven Löcher) sowie der Lebensdauer τP dieser Minoritätsträger (positiven Löcher). Von der durch die Gleichung (10) bestimmten Bedingung ausgehend ist es vorzuziehen, daß die Emittertiefe mindestens ungefähr 1/5 der Diffusionsstrecke der positiven Löcher beträgt.
Als nächstes wird der Prozeß zum Herstellen des in Fig. 1 dargestellten Halbleiterbauelementes beschrieben.
(1) An einem Substrat 1 mit einem vorbestimmten Leitungstyp (p-Typ oder n-Typ) wird durch Ioneninjektion (oder Fremdstoffdiffusion oder dgl.) von As, Sb, P oder dgl. eine eingebettete n&spplus;-Zone 2 mit einer Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup5; bis 10¹&sup9; [cm&supmin;³] ausgebildet.
(2) Nach einem Epitaxialverfahren oder dergleichen wird eine n-Zone 3 mit einer Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup4; bis 10¹&sup7; [cm&supmin;³] gebildet.
(3) Zum Verringern des Kollektorwiderstandes wird eine n&spplus;-Zone 7 (mit einer Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup7; bis 10²&sup0; [cm&supmin;³]) gebildet.
(4) Nach dem selektiven Oxidationsverfahren, dem CVD- Verfahren oder dgl. wird ein Isolierfilm 102 zur Abgrenzung der Elemente hergestellt.
(5) Nach den Ioneninjektionsverfahren oder dgl. werden in dem aktiven Bereich eine p&spplus;-Zone 5 und eine p- Zone 4 gebildet, welche die Basiszone ist.
(6) Nach dem Öffnen eines Emitterkontaktes an dem Isolierflim 101 wird nach dem Ioneninjektionsverfahren oder dem thermischen Diffusionsverfahren eine mit As, Sb, P oder dgl. dotierte n&spplus;-Emitterzone 6 (mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 X 10¹&sup7; bis 5 x 10²&sup0; [cm&supmin;³]) gebildet.
(7) Durch Oxidation bei niedrigerer Temperatur von 500ºC bis 650ºC oder durch thermische Oxidation mit schneller thermischer Beschleunigung (RTA) wird ein Dünnfilm 30 hergestellt.
(8) Nach dem Aufbringen von auf n&spplus; dotiertem polykristallinem Si gemäß dem chemischen Niederdruck- Verdampfungsverfahren (LPCVD-Verfahren) und dem Einbringen von Fremdstoffen durch Ioneninjektion, Diffusion oder dergleichen wird das Silizium zu einem Muster geformt.
(9) Es wird ein Isolierfilm 103 aufgebracht, der ausgeglüht und dann mit Kontaktöffnungen versehen wird.
(10) Es wird Al-Si (1%) aufgesprüht, welches die Elektrode 200 bildet, wonach das Al-Si zu einem Muster geformt wird.
(11) Nach dem Legieren der Al-Si-Elektrode wird ein Passivierungsfum gebildet.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Prozedur wird ein bipolarer Transistor mit MIS-Struktur fertiggestellt.
Hinsichtlich des vorstehend genannten Dünnfilmes 30 ist ein Siliziumoxidfilm optimal, da er leicht bei niedriger Temperatur erzeugt werden kann, jedoch kann auch ein Isolierflim wie ein Siliziumnitridfilm, ein Aluminiumoxidfiim oder dergleichen verwendet werden.
Ferner kann mit SiC oder dergleichen eine Struktur erzeugt werden, die zu dc Tunnel-Barriere wird. Beispielsweise hat im Vergleich zu Si das Einkristall-SiC eine Leitungsbandenergie-Differenz ΔEv = 0,53 [eV], eine Valenzelektronenband-Differenz ΔBC = 0,55 [eV] und einen Bandabstand Eg = 2,2 [eV] und wenn sowohl SiC als auch Si vom n-Typ stufenweise verbunden werden, ergeben sie eine Struktur, die von dem Halbleiter/Isolator-Übergang verschieden ist.
Fig. 13A, 13B und 13C zeigen jeweils eine Bandstruktur eines Hetere-Überganges mit abwechselnd dem gleichen Leitungstyp (in diesem Fall dem n-Typ), nämlich dem Iso- Typ. In Fig. 13A ist der Übergang von n-Si und n-SiC dargestellt, wobei ΔEC und ΔEv jeweils oben bzw. unten auftreten und seitens des Leitungsbandes eine als Kerbe bezeichnete Barriere ΦW gebildet ist, während seitens des Valenzbandes die folgende Energiedifferenz entsteht:
ΔEc + ΔEv - ΔEF ... (12).
Andererseits wird durch die Verbindung von n-Si, n-SiC und n-Si das Energieniveau zu dem in Fig. 13B dargestellten.
Ferner wird durch das Formen von SiC zu einem Dünnfilm das SiC abgereichert, so daß es einem Isoliermaterial gleichartig wird, wobei das Energieniveau zu dem in Fig. 13C dargestellten wird.
Mit der in Fig. 13C dargestellten Struktur kann der Elektronenstrom stärker gemacht werden. In Fig. 13A bis 13C ist ein Beispiel mit SiC dargestellt, aber es ist ersichtlich, daß auch andere Materialien mit einer breiten verbotenen Bandlücke verwendet werden können.
In Fig. 14 ist ein Halbleiterbauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf der Basiszone (p-Zone 4) durch epitaxiale Züchtung eine Emitterzone 6 ausgebildet und auf der Emitterzone 6 ist ein Dünnfilm 30 für den Tunneleffekt gebildet. Durch diese Gestaltung wird die Struktur derart, daß um diese herum wegen der fehlenden Flächenausbreitung innerhalb der Basis keine Ladungsträger diffundieren, wodurch es möglilch wird, ein Stromverstärkungsverhältnis zu erzielen, welches dem vorangehend genannten maximalen Verstärkungsverhältnis hFEmax nahekommt.
Als nächstes ist in Fig. 15 ein drittes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement dargestellt und dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß auf dem Dünnfilm 30 eine Schicht 8 aus Halbleitermaterial gebildet ist und weiterhin auf der Schicht 8 aus dem Halbleitermaterial eine Halbleiterschicht 10 aus einem Material gebildet ist, das eine schmälere verbotene Bandlücke hat als das Halbleitermaterial der Schicht 8. Durch diese Gestaltung ist der Ohmsche Widerstand zwischen dem Emitter und dem Metall verbessert. Wenn das Halbleitermaterial der Schicht 8 das polykristalline oder amorphe SiC ist, sollte als Material der Halbleiterschicht 10 vorzugsweise Si gewählt werden, während dann, wenn das Halbleitermaterial der Schicht 8 das Si ist, als Material der Halbleiterschicht 10 vorzugsweise Ge oder dgl. verwendet werden sollte.
Der Leitungstyp der Halbleiterschicht 10 ist der gleiche wie derjenige der Halbleitermaterial-Schicht 8.
In Fig. 16 ist als Beispiel die Schaltung einer elektronischen Vorrichtung als Anwendungsbeispiel für das Halbleiterbauelement gemäß dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel dargestellt. Es ist der Fall dargestellt, daß der bipolare Transistor gemäß dem vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel in der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung verwendet ist, die von der Anmelderin in der japanischen Patentanmeldung Nr. 62- 321423 offenbart ist.
Im einzelnen wird gemäß Fig. 16 als Transistor Tr, der Sensorzellen C&sub1;&sub1;, C&sub1;&sub2;, .. . Cmn eines Flächensensors AS bildet, der bipolare MIS-Transistor gemäß dem vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel verwendet.
Wenn der in Fig. 16 dargestellte Flächensensor AS in einer Farbbildkamera eingesetzt wird, wird der Vorgang zum Auslesen von optischen Informationen aus der gleichen fotoelektrischen Wandlervorrichtung mehrmalig ausgeführt. In diesem Fall stellt hinsichtlich des mehrmaligen Auslesens aus dem gleichen Element das Verhältnis des elektrischen Ausgangssignals während des ersten Auslesens zu demjenigen während des zweiten Auslesens und danach ein Problem dar und es ist eine Korrektur erforderlich, wenn der Wert dieses Verhältnisses kleiner wird.
Wenn das Verhältnis des ersten Leseausgangssignals zu dem zweiten Leseausgangssignal als Nichtlöschungsgrad bezeichnet wird, so entspricht dieser der folgenden Gleichung:
Nichtlöschungsgrad = (Ctot x HFE)/
(Ctot x HFE + CV)
...(13).
Hierbei ist mit Ctot die gesamte, mit der Basis des in Fig. 16 dargestellten Transistors Tr verbundene Kapaziät bezeichnet, die durch die Basis-Kollektor-Kapazität Cbc und Cox bestimmt ist. Mit CV ist die schwebende Kapazität der durch VL&sub1;, ... VLn dargestellten Leseleitung bezeichnet. In Abhängigkeit von dem Schaltungssystem kann jedoch unter Umständen Cox nicht vorhanden sein.
Der vorstehend genannte Nichtlöschungsgrad kann daher auf einfache Weise durch Erhöhen des Stromverstärkungsverhältnisses hFE verbessert werden. Das heißt, durch Erhöhen von hFE kann der Nichtlöschungsgrad vergrößert werden.
Da hierbei in einem der hohen Auflösung (HD), nämlich der Hochzeilendarstellung entsprechenden Flächensensor beispielsweise Ctot = 10 pF und Cv = 2,5 pF ist, muß zum Erreichen eines Nichtlöschungsgrades von 0,90 oder darüber das Verhältnis hFE 2250 oder größer sein. Zum Erzielen eines zufriedenstellenden Nichtlöschungsgrades kann veranschlagt werden, daß ein Verhältnis hFE von 2000 oder größer erforderlich ist.
Im Gegensatz dazu beträgt bei dem Stand der Technik z.B. in dem bipolaren Transistor mit dem homogenen Übergang das Verhältnis hFE ungefähr 1000 und es kann daher kein ausreichender Nichtlöschungsgrad erzielt werden, während mit dem Halbleiterbauelement gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen ein hervorragender Nichtlöschungsgrad erreicht werden kann, da hFE ausreichend groß gemacht werden kann.
Ferner sollte der Nichtlöschungsgrad vorzugsweise 0,98 oder höher sein. In diesem Fall ist ein Verhältnis hFE von ungefähr 10000 oder darüber erforderlich, aber es ist schwierig, in dem bipolaren Transistor mit dem homogenen Übergang nach dem Stand der Technik einen solchen Wert zu erreichen.
In Fig. 16 ist als Beispiel ein Flächensensor dargestellt, aber die Erfindung ist selbstverständlich auch bei einem Zeilensensor anwendbar.
Ferner kann als Transistor der als zweites und drittes Ausführungsbeispiel beschriebene bipolare Transistor verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nun das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist gleichermaßen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorangehend genannte Dünnfilm 30 außerordentlich dünn ausgebildet (dünner als in dem bipolaren Transistor mit der MIS-Struktur nach dem Stand der Technik), so daß eine kleine Differenz hinsichtlich der Tunnelwahrscheinlichkeit für die beiden Ladungsträger, nämlich für die positiven Löcher und die Elektronen entstehen kann. Zumindest die positiven Löcher tragen auf ausreichende Weise als Stromladungsträger bei und die durch den Dünnfilm 30 durchgelassenen positiven Löcher werden durch die polykristalline Schicht 8 behindert.
Dieser Dünnfilm 30 besteht aus einem dünnen Isoliermaterial für den Durchfluß von Tunnelstrom.
Wenn in dem polykristallinen Silizium in dem in Fig. 4 dargestellten Bereich (b) die Korngröße des Polykristalls kleiner wird, tritt der nachstehend ausführlich beschriebene Quanteneffekt auf.
Betrachtet man beispielsweise insbesondere polykristallines n&spplus;-Silizlum, so kann der Zustand herbeigeführt werden, bei dem freie Elektronen Innerhalb eines Kornes infolge der an seiner Korngrenze gebildeten Potentialbarriere eingeschlossen sind. Infolgedessen verhalten sich feine Teilchen so als ob durch die Korngrenze eine dreidimensionale Potentialsenke gebildet wäre und die gewöhnlich kontinuierlich in dem Leitungsband vorhandenen Elektronen sind durch diese Senke gestreut vorhanden. Wenn diese Senke näherungsweise als ein Kubus mit einer Seltenlänge a angesehen wird, kann die Energie der in dem Leitungsband vorhandenen Elektronen durch die folgende Gleichung dargestellt werden: Hierbei stellen mt und ml jeweils die auf der längeren Achse und auf der kürzeren Achse effektive Masse der Elektronen dar und ni ist eine ganze Zahl.
Wenn die polykristalline Siliziumschicht in einer Filmdicke von beispielsweise 10 nm (100 Å) ausgebildet wird, wird die vorangehende Gleichung (14) zu der folgenden Gleichung:
Die Fig. 17A veranschaulicht schematisch die Quantisierung der Elektronenenergie.
Gemäß der Darstellung in dieser Figur ist die Energie der Elektronen in dem Leitungsband verteilt (E&sub1;&sub1;&sub1;, E&sub1;&sub2;&sub1;, E&sub1;&sub2;&sub2; usw.). Nimmt man beispielsweise an, daß sie der vorstehenden Gleichung (15) entsprechen, wird dann, wenn eine Seite a der vorangehend genannten Senke a = 10 nm (100 Å) ist, die geringste Energie (Basisenergie) der Elektronen um 20 meV höher als das Leitungsband. Die Elektronen der in das polykristalline Silizium eingeleiteten Fremdstoffe werden aufeinanderfolgend in dieses Niveau eingelagert.
Die Fig. 17B zeigt die Zustandsdichte P3D eines gewöhnlichen Halbleiters nach dem Stand der Technik als Funktion der Energie E. Durch die dreidimensinoale Quantisierung nimmt die Zustandsdichte P0D einen Streuwert bei der Energie E&sub1;&sub1;&sub1; und E&sub2;&sub1;&sub1; gemäß Fig. 17C an.
Vorstehend wurde die Senke als Kubus beschrieben, aber die Quantisierung erfolgt auch im Falle einer Säulenform, sobald deren Dimensionen kleiner werden. In diesem Fall besteht gemäß der Darstellung in Fig. 17D eine verteilte Zustandsdichte P1D bei der Energie E&sub1;&sub1; und E&sub2;&sub1;. Im einzelnen können zwar bei dem kristallinen Zustand Elektronen kontinuierlich für die Energie eingeführt werden, aber es karin durch Quantisierung die Elektronenenergie nur auf nicht kontinuierliche Weise entnommen werden, was eine Anderung des Fermi-Niveaus des polykristallinen Siliziums ergibt. Sobald daher auch in den Materialien mit der gleichen Fremdstoffdichte die Senke säulenförmig oder kubisch wird, wird das Energieniveau der Elektronen verteilt (Fig. 17C), und wenn die Elektronen an diesem Niveau eingefüllt werden sowie eine Seite die gleiche Größe hat, sind die Elektronen in dem kubischen Material sogar an der Stelle mit der höchsten Energie vorhanden. Das heißt, im Falle eines kubischen Körpers wird das Fermi-Niveau am höchsten. Es ist weiter hinzuzufügen, daß bei der Quantisierung in einem kubischen Körper oder säulenförmigen Körper der Quantisierungseffekt größer wird, sobald die Dimensionen kleiner werden.
Gemäß experimentellen Daten kann bei einer Filmdicke der polykristallinen Schicht von ungefähr 5 bis 10 nm (50 bis 100 Å) die Anderung des Fermi-Niveaus ausreichend beobachtet werden. Bei einer Dicke von 50 nm (500 Å) oder darüber tritt im wesentlichen kein Effekt auf und der Quantisierungseffekt tritt bei einer Dicke von 30 nm (300 Å) oder weniger auf.
Die Fig. 18 zeigt Simulationsergebnisse für die aus der Anderung der Fermi-Energie EF berechnete Anzahl n&sub1;&sub0;&sub0; von in die Senke eines Kubus mit einer Seitenlänge von 10 nm (100 Å) eingefügten Elektronen. Die Kurve K&sub1; zeigt den Fall eines Kristalls und die Kurve K&sub2; zeigt den Fall bei der Quantislerung. Die Fermi-Energie auf der Abszissenachse ist jedoch der von dem Boden des Leltungsbandes weg gemessene Energiewert und es kann dieser Figur entnommen werden, daß Fermi-Energie in das Leltungsband eingeleitet wird, sobald die Elektronenanzahl größer wird. In dem Leitungsband ist Fermi-Energie vorhanden, wenn die Fremdstoffkonzentration erhöht ist und die Dimensionen des kubischen Körpers kleiner sind.
Wenn das polykristalline Silizium vom P-Leitungstyp ist, besteht das Fermi-Niveau innerhalb des Valenzelektronenbandes.
Andererseits sind die obere Grenze und die untere Grenze der Fremdstoffkonzentration durch die Lage des Bereiches (b) nach Fig. 4 bestimmt und der Bereich (b) ist der am günstigsten anzustrebende. Da dies durch die Größe der Körner des Polykristalls und das Grenzflächenniveau der Korngrenze bestimmt ist, sollte der Bereich auf geeignete Weise gemäß experimentellen Ergebnissen festgelegt werden. Wenn die Korngröße kleiner wird, ist der Bereich (b) zu der Seite höherer Konzentration hin versetzt.
In Fig. 19 ist das Potential entlang der Linie A-A' in Fig. 1 dargestellt.
In Fig. 19 ist mit WB die Breite der neutralen Zone der Basis, mit WEO die Breite der neutralen Zone des Emitters und mit δ die Dicke des äußerst dünnen Tunnel- Filmes dargestellt.
Zusammengefaßt besteht der wichtigste Gesichtspunkt bei diesem Ausführungsbeispiel in der kleinen Körnung des Polykristalls in der n&spplus;-Emitterzone 6 und der polykristallinen Schicht 8 zum Hervorrufen des Quantisierungseffektes, wobei sich eine unterschiedliche Höhe des Fermi-Niveaus ergibt, wodurch die Zone der polykristallinen Schicht 8 zu einer Barriere gegen die aus der Basis injizierten positiven Löcher wird und daher die Diffusion von positiven Löchern behindert wird, um den Basisstrom zu verringern. Der Tunnel-Dünnfum 30 wird als extrem dünner Film (mit annähernd 1 nm (10 Å) oder weniger) ausgebildet, so daß die beiden Ladungsträger, nämlich die Elektronen und die positiven Löcher die Tunnelerscheinung zeigen können und auch der Emitterwiderstand gesenkt wird.
Die bedeutendste charakteristische Funktion des vorstehend genannten Dünnfilmes 30 besteht darin, zugleich mit der Glättung der Grenzfläche die polykristalline Schicht 8 von der n&spplus;-Zone 6 zu trennen, welche ein Einkristall ist, und auch eine Stabilisierung der polykristallinen Schicht 8 hervorzurufen.
Wenn im einzelnen gemäß der vorstehenden Beschreibung beispielsweise an der n&spplus;-Zone 6, die wie bei der in Fig. 7A dargestellten Struktur nach dem Stand der Technik lediglich ein Einkristall ist, durch Sprühen, Wärmebehandlung oder dgl. das Waschen der Oberfläche vollständig ausgeführt ist, um die polykristalline Schicht 8 bei einem Oberflächenzustand ohne natürlich oxidiertem Film aufzubringen, wächst an dem Einkristall epitaxial ein Kristall mit ungefähr der Korngröße von Polykristall, wodurch die Grenzfläche mit dem inherenten Einkristall (B- B' in Fig. 7A) wellig wird (oder epitaxial dünn anwächst und danach wellig wird) und nicht stets eine konstante Form beibehalten werden kann. Falls der Reinigungsprozeß an der Oberfläche unzureichend ist und ein Polykristall auf den natürlich oxidierten Film aufgebracht und einer Wärmebehandlung bei 1000ºC oder darüber unterzogen wird, kann der Oxidfilm teilweise durchbrochen werden, so daß ein örtliches epitaxiales Wachstum hervorgerufen wird. Im Extremfall wird der natürlich oxidierte Film zu einer Kugel geformt und der Polykristall zu Einkristallen umkristallisiert.
Auf diese Weise werden bei der Struktur nach dem Stand der Technik alle Grenzflächen zwischen dem Einkristall und dem Polykristall uneben, wodurch das Auftreten von Schwankungen der Eigenschaften des bipolaren Transistors hervorgerufen wird.
Wenn im einzelnen die aus der Basis in den Emitter injizierten Ladungsträger rekombiniert werden, wird der Emitter innerlich ungleichlörmig und es sind daher bei den hergestellten einzelnen bipolaren Transistoren die Basisstromwerte nicht konstant, wodurch die Abweichungen zwischen den jeweiligen bipolaren Transistoren größer werden.
Bei dem in Fig. 7B dargestellten Ausführungsbeispiel wird an der n&spplus;-Zone 6, die ein Einkristall ist, der Dünnfilm 30 ausgebildet und an diesem Dünnfilm (Siliziumoxidfilm bei diesem Ausführungsbeispiel) wird die polykristalline Schicht 8 gebildet, so daß daher deren Grenzfläche in atomarer Größenordnung eben ist. Die über dem stabilen Dünnfilm 30 aufgebrachte polykristalline Schicht 8 ist nicht gegen eine Umordnung des Polykristalls durch Wärmebehandlung anfällig und auch bei der späteren Wärmebehandlung stabil. In dem Mikrokristall-Silizium, dem amorphen Silizium und dergleichen nach dem Stand der Technik (mit der Ablagerungstemperatur von 100 bis 300ºC) werden dessen Eigenschaften leicht durch eine Wärmebehandlung bei 400 bis 600ºC verändert, wodurch leicht eine Verschlechterung des Stromverstärkungsverhältnisses hFE auftritt.
Da bei dem Ausführungsbeispiel der Kristall ein Polykristall ist, wird die Ablagerungstemperatur höher. Beispielsweise ist in dem polykristallinen Silizium bei einer Temperatur von ungefähr 550 bis 650ºC die Kristallkorngröße an der Oberfläche des Polykristalls groß, aber es ist im wesentlichen kein Wasserstoff enthalten, und es entsteht bei den nachfolgenden Schritten eine nur geringe Änderung der Kristallkorngröße und es tritt auch keine Änderung durch Ausscheiden von Wasserstoff auf. Es wurde jedoch festgestellt, daß in der Nachbarschaft der Grenzfläche zu SiO&sub2; die Korngröße mit 5 bis 10 nm (50 bis 100 Å) klein ist. Das polykristalline Silizium bei dem Ausführungsbeispiel kann auf zufriedenstellende Weise einer Temperatur bis zu 900ºC widerstehen und ergibt einen außerordentlich stabilen bipolaren Transistor.
Da die Grenzfläche der polykristallinen Schicht 8 an der Grenzfläche zu dem Dünnfilm 30 liegt, ist die Grenzfläche zu der Emitterzone außerordentlich eben, welche ein Einkristall ist. Dies stellt einen außerordentlich wichtigen Faktor hinsichtlich des Stabilisierens der Eigenschaften des bipolaren Transistors dar.
Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß das Material des vorstehend beschriebenen Dünnfilmes 30 stabil sein muß und daher vorzugsweise ein chemisch stabiles Material wie SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, SiC, Al&sub2;O&sub3; oder dgl. sein sollte. Ferner ist hinzuzufügen, daß die Grenzfläche zwischen dem Dünnfilm 30 und dem Einkristall gleichfalls außerordentlich wichtig ist und das Rekombinationsniveau der Grenzfläche niedrig gemacht werden muß.
Bei dem in Fig. 19 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Dicke WEO und die Konzentration Ni der Emitterzone ER gleichfalls wichtige Faktoren für das Verringern des Basisstromes. Die Fig. 19 ist das Diagramm des Potentials auf dem dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 entsprechenden Querschnitt A-A' und in dieser Figur sind mit ER die Emitterzone, mit BR die Basiszone. und mit CR die Kollektorzone dargestellt.
Als nächstes wird der Prozeß zum Herstellen der in Fig. 1 dargestellten Halbleiterbauelemente gemäß dem Ausführungsbeispiel beschrieben.
(1) An einem Substrat 1 mit einem vorbestimmten Leitungstyp (p-Typ oder n-Typ) wird durch Ioneninjektion (oder Fremdstoffdiffusion oder dgl.) von As, Sb, P oder dergleichen eine eingebettete n&spplus;-Zone 2 mit einer Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup5; bis 10¹&sup9; [cm&supmin;³] gebildet.
(2) Durch epitaxiales Verfahren oder dergleichen wird eine n-Zone 3 mit einer Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup4; bis 10¹&sup7; [cm&supmin;³] gebildet.
(3) Zum Verringern des Widerstandes des Kollektors wird eine n&spplus;-Zone 7 (mit einer Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup7; bis 10²&sup0; [cm&supmin;³]) gebildet.
(4) Nach dem selektiven Oxidationsverfahren, dem CVD- Verfahren oder dergleichen wird ein Isolierfilm 102 für das Abgrenzen der Elemente hergestellt.
(5) In dem aktiven Bereich werden nach dem Ioneninjektionsverfahren oder dergleichen eine p&spplus;-Zone 5 und eine p-Zone 4 ausgebildet, welche die Basiszone ist.
(6) Nach dem Herstellen einer Öffnung für einen Emitterkontakt an dem Isolierfllm 101 wird nach dem Ioneninjektionsverfahren oder dem thermischen Diffusionsverfahren eine mit As, Sb, P oder dgl. dotierte n&spplus;-Emitterzone 6 (mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 x 10¹&sup7; bis 5 X 10²&sup0; [cm&supmin;³]) gebildet.
(7) Durch Oxidation bei niedrigeren Temperaturen von 500ºC bis 650ºC oder durch thermische Oxidation mit schneller thermischer Beschleunigung (RTA) wird ein Dünnfilm 30 hergestellt.
(8) Nach dem Ablagern von auf n&spplus;-dotiertem polykristallinem Silizium gemäß dem LPCVD-Verfahren und dem Einleiten von Fremdstoffen durch Ioneninjektion, Diffusion oder dgl. wird das Silizium zu einem Muster geformt.
(9) Es wird ein Isolierfilm 103 abgelagert, der ausgeglüht und dann mit Öffnungen für Kontakte versehen wird.
(10) Durch Aufsprühen wird Al-Si (1%) aufgebracht, das zu der Elektrode 200 wird, wonach das Al-Si zu einem Muster geformt wird.
(11) Nach dem Legieren der Al-Si-Elektrode wird ein Passivierungsfum gebildet.
Mit der vorstehend beschriebenen Prozedur wird der bipolare Transistor fertiggestellt.
Als vorstehend genannter Dünnfilm 30 ist ein Siliziumoxidfilm optimal, da dieser leicht bei niedriger Temperatur geformt werden kann, aber es kann auch ein Isolierfilm wie ein Siliziumnitridfilm, ein Aluminiumoxidfilm oder dergleichen verwendet werden.
Ferner kann durch die Verwendung von SiC oder dergleichen eine Struktur gebildet werden, welche zu der Tunnel-Barriere wird. Beispielsweise hat SiC im Vergleich zu Si eine Leitungsbandenergie-Differenz ΔEv = 0,53 [eV], eine Valenzelektronenband-Differenz ΔEc 0,55 [eV] und einen Bandabstand Eg = 2,2 [eV] und wenn stufenweise in n- Ausführung sowohl SiC als auch Si miteinander verbunden werden, ergibt sich eine Struktur, die von der Halbleiter/Isolator-Verbindung verschieden ist.
Mit der in Fig. 13C dargestellten Struktur kann die Tunnelwahrscheinlichkeit für Elektronen und positive Löcher entsprechend der Filmdicke erhöht werden, wodurch der elektrische Strom von positiven Löchern und Elektronen verstärkt werden kann. Mit der Struktur nach Fig. 135 wird ein der Struktur nach dem Stand der Technik gleichartige Hetero-Struktur erhalten, über die nur die einen der Ladungsträger durchgelassen werden können. Bei dem Ausführungsbeispiel werden sowohl die positiven Löcher als auch die Elektronen durchgelassen und durch den Polykristall werden die einen der Ladungsträger behindert. Das Si kann monokristallin, polykristallin oder amorph sein.
114 Fig. 20 ist ein Halbleiterbauelement gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf der polykristallinen Schicht 8 mit dem Quanteneffekt ferner eine Schicht 20 mit niedrigem Widerstand ausgebildet und die Korngröße in dem Bereich der Schicht 20 mit dem niedrigen Widerstand ist im Vergleich zu derjenigen in dem Bereich der polykristallinen Schicht 8 größer eingestellt, wodurch eine Verringerung des Widerstandes bewirkt wird.
Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, entspricht der Widerstand in dem Bereich (b) außerordentlich fein der Korngröße und der Widerstand der Metallelektrode an der Kontaktseite wird selbst bei gleicher Konzentration gesenkt, um den Emitterwiderstand zu verringern.
In diesem Fall wird bei den Herstellungsschritten zuerst eine polykristalline Schicht 8 in einer Dicke aufgebracht, die der gesamten Dicke der polykristallinen Schicht und der Schicht 20 mit dem niedrigen Widerstand in Überlagerung entspricht, und dann wird durch Ioneninjektion ein der Schicht 20 mit dem niedrigen Widerstand entsprechender amorpher Bereich gebildet, wonach eine Wärmebehandlung zum Vergrößern der Korngröße allein in diesem amorphen Bereich folgt.
Anders als mit einem solchen Herstellungsverfahren kann die vorstehend genannte Schicht 20 mit dem niedrigen Widerstand mit As, Sb, P oder dgl. als n-Fremdstoff amorph gemacht werden und dann die Wärmebehandlung vorgenommen werden oder die Schicht kann alternativ auf andere Weise mit Ge, Si oder dergleichen statt durch die Injektion eines Fremdstoffes amorph gemacht werden. Falls die Wärmebehandlung nicht bei 900ºC oder darunter ausgeführt wird, wird jedoch die Korngröße der polykristallinen Schicht 8 größer.
Als anderes Hersteilungsverfahren besteht auch ein Verfahren, bei dem polykristallines Silizium aufgebracht wird, welches vom Anfang an einen Fremdstoff enthält, und nur die vorstehend genannte Schicht 20 mit dem niedrigen Widerstand durch Ioneninjektion mit Ge, Si oder dergleichen amorph gemacht wird, wonach die Wärmebehandlung folgt.
Es ist kritisch, daß der amorphe Bereich nach der Ioneninjektion derart geformt sein soll, daß er nicht die Grenzfläche zwischen dem polykristallinen Silizium und dem Einkristall-Silizium erreicht.
Andere Gestaltungen sind die gleichen wie bei dem vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel und es wird eine wiederholte Beschreibung weggelassen.
Die Fig. 21 stellt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf der p-Zone 4 als Basiszone durch epitaxiale Züchtung eine n&spplus;-Emitterzone 6 gebildet und auf dieser sind ein Dünnfilm 30 für den Tunneleffekt und eine polykristalline Schicht 8 ausgebildet.
Da bei dieser Gestaltung die n&spplus;-Emitterzone 6 in Flächenkontakt zu der Basiszone ist, wird die Diffusion der Ladungsträger in die Basiszone geringer, wodurch als Vorteil für den auffeine Weise geformten bipolaren Transistor der Seitenrichtungsstrom des Emitterstromes geringer wird.
Die anderen Gestaltungen sind die gleichen wie bei dem vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel und eine wiederholte Beschreibung wird weggelassen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Halbleiterbauelement gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird der vorangehend genannte Dünnfilm 30 außerordentlich dünn geformt (dünner als bei dem bipolaren Transistor mit der MIS-Struktur nach dem Stand der Technik), um im wesentlichen keine Differenz zwischen den beiden Tunnelwahrscheinlichkeiten der Ladungsträger in Form der positiven Löcher und der Elektronen zu bilden. Zumindest die positiven Löcher tragen auch ausreichend als Ladungsträger für den Strom bei und die durch diesen Dünnfilm 30 durchgelassenen positiven Löcher werden durch die polykristalline Schicht 8 abgefangen.
Das polykristalline Silizium bei diesem Ausführungsbeispiel wird mit dem Fremdstoffkonzentrationsverhältnis in dem Bereich (c) verwendet und die Breite W der Verarmungsschicht an der Korngrenze ist annähernd durch die folgende Gleichung gegeben:
W = 2Qt/Ni ... (16)
Normalerweise besteht die Tendenz, daß die Tunnelerscheinung von Elektronen und positiven Löchern bei einer Filmdicke des Dünnfilmes von 5 nm (50 Å) oder weniger auftritt; falls beispielsweise die Hafttermdichte Qf auf 5 X 10¹² [cm&supmin;²] gebracht ist, mufl die Fremdstoffkonzentration Ni 4 x 10¹&sup9; [cm&supmin;³] oder höher sein. Wenn die Fumdicke des Tunnel-Dünnfilmes 5 nm (50 Å) oder weniger beträgt, ist die Fremdstoffkonzentration Ni von Qt abhängig, entspricht aber dem Bereich (c), wenn der folgende Zusammenhang gilt:
Die Fig. 22 ist ein Diagramm des Potentials bei diesem Ausführungsbeispiel an dem Querschnitt entlang der Linie A- A' in Fig. 1 und es sind die Basisbreite durch WB, die Einkristall-Emittertiefe durch WEO und die Filmdicke des extrem dünnen Filmes durch δ dargestellt. Am wichtigsten ist die Höhe ΔΦB der Barriere zwischen dem Einkristallemitter und dem Polykristallemitter.
Die Höhe der Barriere ΔΦB als Barriere für die aus der Basiszone injizierten positiven Löcher verringert den Basisstrom. Die aus der Basiszone injizierten positiven Löcher werden nach dem Hindurchtreten durch den Tunnelfum weiter auf exp (-ΔΦB/kT) verringert und werden zu e-¹, wenn die Höhe ΔΦB der vorstehend genannten Barriere kT ist. Wenn demnach die Höhe ΔΦB der Barriere kT oder höher ist, welche die Wärmeenergie bei der Temperatur T ist, ergibt sich der Effekt der Basisstromverringerung.
Die Höhe der Barriere ΔΦB entsteht bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Differenz der Fermi-Niveaus zwischen der Emitterzone aus dem Einkristall und der Polykristallzone.
Infolge dieses Effektes entsteht in der Emitterzone ein Hetero-Übergangseffekt, wodurch die Erhöhung des Stromverstärkungsverhältnisses hFE herbeigeführt werden kann.
Diese Struktur kann als Problem hinsichtlich der Ausführung dadurch erzielt werden, daß die Konzentration in der n&spplus;-Emitterzone 6 geringer als diejenige in der polykristallinen Schicht 8 eingestellt wird.
Der Zusammenhang zwischen der Energie Ei und dem Fermi-Niveau EF kann annähernd durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden:
n-Halbleiter: EF-Ei = kTln ND/ni ... (18)
p-Halbleiter: Ei-EF = kTln NA/ni ... (19)
Hierbei sind ND und NA jeweils die n-Fremdstoffdichte und die p-Fremdstoffdichte und ni die Eigen- Ladungsträgerdichte des Halbleiters.
Während die vorstehenden Gleichungen in dem Bereich gelten, in dem die Boltzmann-Statistik anwendbar ist, wird jedoch dann, wenn die Ladungsträgerdichte ni zu einer höheren Konzentration wird, die Fermi-Dirac-Statistik angewandt und es können daher die vorstehenden Gleichungen nicht verwendet werden.
Die Fig. 23 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen dem Fermi-Niveau EF und der Ladungsträgerdichte ni in Halbleitersilizium. In dieser Figur sind auf der Abszissenachse die mit kT normierte Energie, nämlich jeweils (EF-EC)/kT für den n-Halbleiter und (EV-EF)/kT für den p-Halbleiter sowie auf der Ordinatenachse die Ladungsträgerdichte ni [cm&supmin;³] aufgetragen. Bei normaler Temperatur hat ni einen Wert, der annähernd gleich der Fremdstoffdichte ist.
In den auf der Abszissenachse dargestellten Ausdrücken sind EC und EV jeweils die Energien an dem Rand des Leitungsbandes bzw. des Valenzelektronenbandes und die Gegebenheit, daß die normierte Energie "0" ist, hat die Bedeutung, daß das Fermi-Niveau EF mit EC bzw. EV übereinstimmt. Falls verglichen mit dieser Übereinstimmung die Ladungsträgerdichte ni höher ist, bedeutet dies, daß das Niveau EF nicht in dem verbotenen Band liegt, sondern bei dem n-Typ in das Leitungsband und bei dem p-Typ in das Valenzelektronenband versetzt ist. Die Fremdstoffkonzentration wird dabei bei dem n-Typ zu 2,1 x 10¹&sup9; [cm&supmin;³] und bei dem p-Typ zu 8 x 10¹&sup8; [cm&supmin;³].
In Fig. 23 sind die strichpunktierten Linien (die geraden Linien BD&sub1; und BD&sub2;) Beispiele für die Anwendung der Boltzmann-Statistik und dre gestrichelten Linien (die gekrümmten Linien FD&sub1; und FD&sub2;) sind Beispiele für die Anwendung der Fermi-Dirac-Statistik und es tritt eine Differenz zwischen den beiden Statistiken in dem Bereich auf, in dem die normierte Energie größer als 1 ist. Das heißt, wenn die normierte Energie größer als 1 ist, kann die Fermi-Energie nicht richtig berechnet werden, falls nicht die Fermit-Dirac-Statistik angewandt wird. In dieser Figur betreffen die Kurven mit dem Symbol o den n- Halbleiter und die Kurven mit x den p-Halbleiter.
Die Differenz zwischen dem n-Halbleiter und dem p Halbleiter tritt infolge des Unterschiedes hinsichtlich der Bandstruktur und der effektiven Masse auf. Bei anderen Materialien ist natürlich dieser Wert davon verschieden.
Wenn die Konzentration in der Nähe des Emitter-Basis Bereiches mit NE1 und diejenige in dem polykristallinen Bereich mit der höheren Konzentration mit NE2 bezeichnet wird, ist von der vorstehenden Gleichung (18) äusgehend annähernd der folgende Zusammenhang gültig:
NE2 ≥ eNE1 ... (20)
wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus ist (= 2,718). Unter dieser Bedingung gilt ΔΦB ≥ kT. Auf richtige Weise werden NE1 und NE2 durch Einsetzen der Daten nach Fig. 23 bestimmt.
Wenn die Beziehung ΔΦB ≥ 2 kT gilt, wird der Zusammenhang zu NE2 ≥ e²NE1.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Dicke WEO und die Konzentration ND in der in Fig. 22 dargestellten Emitterzone ER gleichfalls wichtige Faktoren für das Verringern des Basisstromes. In dieser Figur stellen ER die Emitterzone, BR die Basiszone und CR die Kollektorzone dar.
Normalerweise sollte der vorangehend genannte Dünnfilm 30 vorzugsweise eine Dicke von 2 nm (20 Å) oder weniger haben. Da diese im Vergleich zu der Dicke der n&spplus;- Emitterzone 6 kleiner ist&sub1; ist der Abstand WE von dem Emitter-Basis-Übergang zu der polykristallinen Schicht 8 dargestellt durch:
WE ≈ WEO + δ ... (21)
und wird somit im wesentlichen gleich WEO.
Andererseits wird eine andere wichtige Funktion bei diesem Ausführungsbeispiel, nämlich das Sperren der aus der Basis injizierten Minoritätsträger an der Grenzfläche zwischen der polykristallinen Schicht 8 und dem Dünnfilm 30 bewirkt. Die Tunnelwahrscheinlichkeit für Elektronen und positive Löcher in dem Tunnelflim ist natürlich für Elektronen größer und daher ist dieser Sperreffekt auch gleichzeitig mit dem Tunneleffekt aufgetreten.
Ferner wird der Basisstrom in dem bipolaren Transistor gemäß diesem Ausführungsbeispiel in erster Linie zu dem durch die vorangehende Gleichung (7) dargestellten Rekombinationsstrom und der Maximalwert hFEmax des Stromverstärkungsverhältnisses ist in diesem Fall der folgende:
hFEmax = 2 (Ln/WB)²
wobei die Obergrenze von hFE allein durch die Basisbeschaffenheiten bestimmt ist. Das Verhältnis hFE gemäß diesem Ausführungsbeispiel beträgt 10000 oder mehr.
Die Fig. 12 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Fremdstoffkonzentration ND in der vorstehend genannten n&spplus;-Emitterzone 6 und der Diffusionsstrecke Lp der Minoritätsträger (der positiven Löcher) sowie der Lebensdauer τp dieser Minoritätsträger. Von diesem Zusammenhang ausgehend sollte die Emittertiefe vorzugsweise mindestens ungefähr 1/5 der Diffusionsstrecke der positiven Löcher sein.
Als nächstes wird der Prozeß zum Herstellen des Halbleiterbauelementes gemäß diesem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben.
(1) Auf einem Substrat 1 mit einem vorbestimmten Leitungstyp (p-Typ oder n-Typ) wird durch Ioneninjektion (oder Fremdstoffdiffusion oder dgl.) von As, Sb, P oder dgl. eine eingebettete n&spplus;-Zone 2 mit einer Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup5; bis 10¹&sup9; [cm-³] gebildet.
(2) Nach einem Epitaxialverfahren oder dgl. wird eine n-Zone 3 mit einer Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup4; bis 10¹&sup7; [cm&supmin;³} gebildet.
(3) Zum Verringern des Widerstandes des Kollektors wird eine n&spplus;-Zone 7 (mit einer Fremdstoffkonzentration von 10¹&sup7; bis 10²&sup0; [cm&supmin;³J) gebildet.
(4) Zum Abgrenzen der Elemente wird nach dem selektiven Oxidationsverfahren, dem CVD-Verfahren oder dgl. wird ein Isolierfilm 102 hergestellt.
(5) In dem aktiven Bereich werden nach dem Ioneninjektionsverfahren oder dgl. eine p&spplus;-Zone 5 und eine p-Zone 4 gebildet, welche die Basiszone ist.
(6) Nach dem Herstellen einer Öffnung für einen Emitterkontakt in dem Isolierflim 101 wird nach dem Ioneninjektionsverfahren oder dem thermischen Diffusionsverfahren eine mit As, Sb, P oder dgl. dotierte n&spplus;-Emitterzone 6 (mit einer Fremdstoffkonzentration von 5 x 10¹&sup7; bis 5 x 10¹&sup9; [cm&supmin;³]) gebildet.
(7) Durch Oxidation bei niedrigerer Temperatur von 500ºC bis 650ºC oder durch thermische Oxidation mit schneller thermischer Beschleunigung (RTA) wird ein Dünnfilm 30 hergestellt.
(8) Nach dem Ablagern von auf n&spplus;-dotiertem polykristallinen Silizium gemäß dem LPCVD-Verfahren wird durch Ioneninjektion ein n-Fremdstoff wie As oder P in hoher Konzentration (5 x 10¹&sup8; [cm&supmin;³] oder höher) eingebracht und einer Wärmebehandlung zur Aktivierung unterzogen. Die Wärmebehandlung wird jedoch bei niedriger Temperatur (von 850ºC oder weniger) ausgeführt, so daß der Fremdstoff nicht in die n&spplus;-Emitterschicht 6 unterhalb der Schicht aus dem polykristallinen Silizium eindiffundiert, oder aber durch schnelle Erwärmung innerhalb einer kurzen Zeit. Dann wird die polykristalline Schicht 8 zu einem Muster zum Bilden einer Emitterelektrode geformt.
(9) Es wird ein Isolierflim 103 aufgebracht, der enthärtet und dann mit Öffnungen für Kontakte versehen wird.
(10) Durch Zerstäuben wird Al-Si (1%) aufgebracht, welches zu der Elektrode 200 wird, wonach das Formen des Musters des Al-Si folgt.
(11) Nach dem Legieren der Al-Si-Elektrode wird ein Passivierungsfilm gebildet.
Gemäß der vorangehend beschriebenen Prozedur wird der bipolare Transistor gemäß diesem Ausführungsbeispiel fertiggestellt.
Bei den vorstehend beschriebenen Prozessen sind der Prozeß (7) für das Herstellen des Dünnfilmes 30 und die Prozesse (6) und (8) für das Einstellen der Emitterkonzentrationen wichtig. Der monokristalline Emitter nach (6) muß hinsichtlich der Tiefe des Überganges und der Konzentration derart eingestellt werden, daß der durch die vorangehende Gleichung (10) bestimmte Basisstrom minimal wird.
Falls während des Abflachens durch Erhöhen der Emitterkonzentration als eine Maßnahme diese Konzentration zu 10¹&sup9; [cm&supmin;³] oder höher wird, tritt der Bandnachzieheffekt mit einem Fremdstoff auf, so daß Minoritätsträger proportional zu exp (ΔE/kT) verstärkt werden, wodurch der durch die vorangehende Gleichung (10) dargestellte Basisstrom zuzunehmen beginnt. Wenn die Konzentration höher wird, wird es auch bei dem Herstellungsprozeß schwierig, einen flachen Übergang zu erzielen. Dies ist deshalb der Fall, weil der Fremdstoffdiffusionskoeffizient größer wird, sobald die Fremdstoffkonzentration höher ist.
Die Emitterzone, die ein Einkristall ist, wird daher derart gestaltet, daß ihre Konzentration in einer Übergangstiefe in der Nähe von 10¹&sup9; [cm&supmin;³] liegt.
Andererseits wird die Konzentration in der polykristallinen Schicht zumindest um eine Größenordnung höher eingestellt als in der Emitterzone. In dem bipolaren Transistor ohne Tunnel-Dünnfilm nach dem Stand der Technik tritt während der Wärmebehandlung eine Diffusion auf, wodurch die Herstellung schwierig wird, während bei dem Ausführungsbeispiel infolge des äußerst dünnen Filmes 30 die Diffusionsgeschwindigkeit des Fremdstoffes in diesem Dünnfilm im Vergleich zu dem Einkristall um 1 bis 2 Größenordnungen langsamer ist, so daß daher dieses Problem gelöst ist.
Andererseits ist die Diffusion eines Fremdstoffes unter Zwischensetzung einer Korngrenze von Polykristall im Vergleich zu einem Einkristall um 1 bis 2 Größenordnungen schneller, wodurch eine gleichmäßige Herstellung des bipolaren Transistors erzielt werden kann.
Andere charakteristische Funktionen des vorstehend genannten Dünnfilmes 30 bestehen darin, die polykristalline Schicht gleichzeitig mit dem Einebnen ihrer Grenzfläche gegen die n&spplus;-Zone 6 abzugrenzen, welche der Einkristall der Emitterzone 6 ist, und ferner die polykristalline Schicht 8 zu stabilisieren.
Wenn im einzelnen eine polykristailine Schicht 8 an der n&spplus;-Zone 6 ausgebildet wird, die ein reiner Einkristall ist, wächst an dem Einkristall der Kristall, der ungefähr die Größe des Polykristalls hat, wobei dadurch die Grenzfläche zu dem eigentlichen Einkristall wellig wird und nicht stets eine konstante Form beibehalten werden kann. Wenn in diesem Fall ein Polykristall auf einen natürlich oxidierten Film aufgebracht und der Wärmebehandlung unterzogen wird, wird der Oxidfilm teilweise zerstört, wodurch örtlich ein epitaxiales Wachsen auftritt, oder es wird im Extremfall der natürlich oxidierte Film zu einer Kugel geformt, was eine Umkristallisierung des Polykristalls zu einem Einkristall zur Folge hat.
Auf diese Weise wird in allen Strukturen nach dem Stand der Technik die Grenzfläche zwischen dem Einkristall und dem Polykristall uneben, wodurch Abweichungen der Eigenschaften der bipolaren Transistoren verursacht werden.
Im einzelnen wird dann, wenn die aus der Basis in den Emitter injizierten Ladungsträger innerhalb des Emitters rekombiniert werden, der Emitter im Inneren ungleichförmig, und es sind daher in den hergestellten einzelnen bipolaren Transistoren die Baisstromwerte nicht konstant, sondern es wird die Abweichung zwischen den jeweiligen bipolaren Transistoren größer.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird auf der n&spplus;-Zone 6, die ein Einkristall ist, der Dünnfilm 30 gebildet und auf diesem Dünnfilm (Siliziumoxidfilm bei diesem Ausführungsbeispiel) wird die polykristalline Schicht 8 gebildet, so daß daher deren Grenzfläche in atomarer Größenordnung eben ist. Die polykristalline Schicht 8, die über dem stabilen Dünnfilm 30 abgelagert wird, ist nicht gegen eine Umlagerung des Polykristalls durch Wärmebehandlung anfällig und auch bei der späteren Wärmebehandlung stabil. In dem Mikrokristall-Silizium, dem amorphen Silizium oder dergleichen nach dem Stand der Technik (mit einer Ablagerungstemperatur von 100 bis 300ºC) werden leicht dessen Eigenschaften durch eine Wärmebehandlung bei 400 bis 600ºC verändert, wodurch leicht eine Verschlechterung des Stromverstärkungsverhältnisses hFE auftritt.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel der Kristall ein Polykristall ist, wird die Ablagerungstemperatur höher. Bei polykristallinem Silizium beträgt die Temperatur beispielsweise ungefähr 550 bis 650ºC und die Kristallkorngröße ist groß, wobei außerdem im wesentlichen kein Wasserstoff enthalten ist und sich in nachfolgenden Schritten die Kristallkorngröße nur wenig ändert sowie auch keine Anderung durch das Ausscheiden von Wasserstoff auftritt. Das polykristalline Siliziurn kann auf zufriedenstellende Weise einer Temperatur bis zu 900ºC widerstehen, so daß sich ein außerordentlich stabiler bipolarer Transistor ergibt.
Da die Grenzfläche der polykristallinen Schicht 8 an der Grenzfläche zu dem Dünnfilm 30 liegt, wird die Grenzfläche zu der Emitterzone außerordentlich eben, welche ein Einkristall ist. Dies ist ein äußerst wichtiger Faktor hinsichtlich der Stabilisierung der Eigenschaften des bipolaren Transistors.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, muß das Material des vorangehend beschriebenen Dünnfilmes 30 stabil sein und es sollte gemäß der vorangehenden Beschreibung daher vorzugsweise ein chemisch stabiles Material wie SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, SiC, Al&sub2;O&sub3; oder dgl. sein. Es ist ferner hinzuzufügen, daß die Grenzfläche zwischen dem Dünnfilm 30 und dem Einkristall gleichfalls äußerst wichtig ist und das Rekombinationsniveau der Grenzfläche niedrig gehalten werden sollte.
Ferner kann die Struktur durch Verwendung von SiC oder dgl. eine Tunnel-Barriere ergeben. Zum Beispiel hat SiC im Vergleich zu Si eine Leitungsbandenergie-Differenz ΔEV = 0,53 [eV], eine Valenzelektronenband-Differenz ΔEC = 0,55 [eV] und einen Bandabstand Eg = 2,2 [eV], so daß sich eine von dem Halbleiter-Isolator-Übergang verschiedene Struktur ergibt, wenn SiC und Si beide vom n-Leitungstyp sind und stufenweise miteinander verbunden sind.
Da die Höhe ΦB der Barriere des Dünnfilmes 30 für den Tunnelstrom niedriger ist, wird die direkte Tunnelwahrscheinlichkeit höher, wodurch mehr Strom fließt. Das heißt, der Emitterwiderstand ist gesenkt, so daß sich ein vorteilhaftes Bauelernent ergibt. Als Material für diesen Dünnfilm 30 sind diejenigen Materialien vorzuziehen, die stabil sind und ein schmales verbotenes Band haben.
Als nächstes ist in Fig. 24 ein Halbleiterbauelement gemäß einem achten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Emitterzone 6 gemäß dem vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel durch epitaxiale Züchtung ausgebildet und über dieser Zone sind im weiteren ein Tunnel-Dünnfiim 30 und eine polykristalline Schicht 8 mit hoher Konzentration aufgeschichtet. Bei dieser Gestaltung steht die Emitterzone 6 in Flächenkontakt mit der Basiszone und es ist die Diffusion der meisten Ladungsträger aus der Emitterzone zu der Basiszone verhindert, wodurch der Seitenrichtungsstrom in der Emitterzone gering ist und die Einwirkung der Dimensionsgenauigkeit auf das Stromverstärkungsverhältnis verringert werden kann. Infolgedessen ist die Gestaltung für das Anwenden bei der feinen Erzeugung von Halbleiterbauelementen für hochintegrierte fotoelektrische Wandlervorrichtungen nutzvoll.
Andere Ausgestaltungen und Funktionen sind die gleichen wie die bei dem siebenten Ausführungsbeispiel beschriebenen und es wird daher eine wiederholende Beschreibung weggelassen.
Die Fig. 25 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen der polykristallinen Schicht 8 mit der hohen Konzentration und der Elektrode 200 gemäß dem siebenten Ausführungsbeispiel eine sogenannte Barrierenmetallschicht 10 aus TiN, TiW, Mo, W oder dgl. ausgebildet&sub1; welche als Diffusionsbarriere wirkt, um die Reaktion zwischen dem Polykristall und der Elektrode (Al) zu verhindern, wodurch ein Halbleiterbauelement hergestellt werden kann, welches stabil ist und geringe Abweichungen zeigt. Da die Elektrode (Al) gegenüber einer Eindiffusion in den Polykristall anfällig ist, könnte sie in manchen Fällen Auswirkungen auf die Eigenschaften des bipolaren Transistors haben.
Andere Ausgestaltungen und Funktionen sind die gleichen wie bei dem vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel und es wird daher eine wiederholte Beschreibung weggelassen.
Es wurde festgestellt, daß die bipolaren Transistoren gemäß dem vorangehend beschriebenen ersten bis neunten Ausführungsbeispiel außerordentlich stabile Transistorkennlinien haben.
Für den Sensorteil der in Fig. 16 dargestellten elektronischen Vorrichtung können natürlich die Transistoren gemäß dem vorstehend beschriebenen vierten bis neuten Ausführungsbeispiel gleichermaßen wie diejenigen gemäß dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel verwendet werden.

Claims

1 Halbleiterbauelement, das

eine Kollektorzone (3,7) eines ersten Leitungstyps,

eine monokristalline Basiszone (4,5) eines zweiten Leitungstyps,

eine monokristalline Emitterzone (6) des ersten Leitungstyps, die an einer Grenzfläche zu der Basiszone (4,5) einen Emitter-Basis-Übergang in einem einzelnen Kristall bildet,

einen auf die Emitterzone aufgebrachten Dünnfilm (30) und eine auf den Dünnfilm (30) aufgeschichtete polykristalline Schicht (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

der Dünnfilm (30) so dünn ist, daß er sowohl für Majoritätsträger als auch für Minoritätsträger einen merklichen Tunnelstromfluß ergibt, wobei die Tunnelwahrscheinlichkeiten der Majorität sträger und der Minoritätsträger einander im wesentlichen gleich sind, und

die polykristalline Schicht (8) flir den Fluß von aus der Basiszone (4,5) injizierten Trägern eine Potentialbarriere bildet, um dadurch den Basisstrom zu verringern und das Stromverstärkungsverhältnis zu erhöhen.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, in dem die Potentialbarriere an den Korngrenzen (Bc) der polykristallinen Schicht (8) liegt.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, in dem die polykristalline Schicht einen Widerstandswert hat, dessen Kehrwert entweder unabhängig von der Temperatur nahezu konstant ist oder alternativ eine ansteigende Funktion der Temperatur ist.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 in dem der Hauptbestandteil der polykristallinen Schicht (8) Silizium ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, in dem der Dünnfilm (30) eine Dicke von nicht mehr als 5 nm hat.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, in dem auf die polykristalline Schicht (8) eine Halbleiterschicht (10) mit einem Bandabstand aufgebracht ist, der schmäler als derjenige der polykristallinen Schicht (8) ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, in dem die Potentialbarriere eine Potentialbarriere zwischen der polykristallinen Schicht (8) und der Emitterzone (6) an der Grenzfläche der polykristallinen Schicht (8) und des Dünnfilmes (30) ist, die unter der thermischen Gleichgewichtsbedingung vorhanden ist, daß das Fermi-Niveau der polykristallinen Schicht (8) dem Fermi-Niveau der Emitterzone (6) angeglichen ist.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, in dem die polykristalline Schicht (8) in folge des Quanteneinschlußes von Trägern in deren Körnern eine Fermi-Niveau- Verschiebung hat.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, in dein die polykristalline Schicht (8) eine Dicke und eine Korngröße von nicht mehr als 30 nm hat.

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, in dem die polykristalline Schicht (8) eine Fremdstoffkonzentration N, eine Korngröße L und an den Korngrenzen eine Fangstellenpegeldichte Qt hat, die der Ungleichung N < Q/L genügen.

11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, in dem der Dünnfilm (30) eine Dicke von nicht mehr als 1 nm hat.

12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11. das auf der polykristallinen Schicht (8) eine polykristalline Schicht (20) niedrigen Widerstandes mit einer größeren Korngröße hat.

13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, in dem die Emitterzone eine Fremdstoffkonzentration NE1 hat und die polykristalline Schicht eine Fremdstoffkonzentration NE2 hat, die der Beziehung NE2 > eNE1 genügen, wobei e eine natürliche Zahl ist.

14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 7, in dem die Emitterzone (6) eine Dicke hat, die nicht größer als die Diffusionslänge von Minoritätstragern ist, welche aus der Basiszone (4,6) injiziert sind.

15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 in dem der Dünnfilm (30) eine Dicke von nicht mehr als 2 nm hat.

16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 7, in dem der Dünnfilm (30) aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, SiC oder Al&sub2;O&sub3; besteht.

17. Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, in dem zwischen der polykristallinen Schicht (8) und einer Elektrode (200) eine Barrierenmetallschicht (10) liegt.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 7, in dem die Barrierenmetallschicht (10) aus TiN, TiW, Mo oder W besteht.

19. Halbleiterbauelement nach einem der Anspruche 1, 2 oder 7, in dem die Emitterzone eine auf die Basiszone (4) aufgebrachte epitaxiale Schicht ist.

20. Elektronische Vorrichtung, die als photoelektrisches Wandlerelement das Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 7 enthält.