EP1295326A1 - Silizium-bipolartransistor, schaltungsanordnung und verfahren zum herstellen eines silizium-bipolartransistors - Google Patents

Silizium-bipolartransistor, schaltungsanordnung und verfahren zum herstellen eines silizium-bipolartransistors

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Publication number
EP1295326A1
EP1295326A1 EP01949264A EP01949264A EP1295326A1 EP 1295326 A1 EP1295326 A1 EP 1295326A1 EP 01949264 A EP01949264 A EP 01949264A EP 01949264 A EP01949264 A EP 01949264A EP 1295326 A1 EP1295326 A1 EP 1295326A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
base
bipolar transistor
doping
base region
atoms
Prior art date
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Ceased
Application number
EP01949264A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Franosch
Thomas Meister
Herbert Schäfer
Reinhard Stengl
Konrad Wolf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1295326A1 publication Critical patent/EP1295326A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/73—Bipolar junction transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1004—Base region of bipolar transistors

Definitions

  • the invention relates to a silicon bipolar transistor, a circuit arrangement and a method for producing a silicon bipolar transistor.
  • a silicon bipolar transistor such as
  • a common silicon bipolar transistor has an emitter, a base and a collector.
  • R R the base resistance of the bipolar transistor
  • the base resistance RR of a bipolar transistor is determined both by the electrical resistance of the connection region and by the sheet resistance of the base doping profile with doping atoms.
  • the sheet resistance which is also referred to as pinch, is inversely proportional to the layer thickness of the base in the case of homogeneous doping of the transistor base with doping atoms.
  • the base of the bipolar transistor known from [1] is highly doped with doping atoms in one concentration
  • the base of the transistor described in [1] contains germanium.
  • [2] describes the reduction in on-board diffusion by adding carbon atoms for a transistor with an epitaxial emitter.
  • a bipolar transistor is known from [3], which has a very high maximum oscillation frequency f max of 74 GHz.
  • [6] describes a bipolar transistor based on - gallium arsenide, with a base layer consisting of two partial base layers, a p -doped first base layer and a. Layer on a collector layer made of n-doped gallium arsenide
  • the p -doped gallium arsenide partial base layer serves as a diffusion barrier for the zinc doping atoms.
  • An n-doped emitter stop layer is applied to the p-doped gallium arsenide layer, which serves as a barrier layer between the emitter and the base for isolating the zinc, which is intended to ensure that the emitter is n-doped.
  • An n-doped "graded" emitter layer sequence made of gallium arsenide is applied to the emitter stop layer.
  • [7] furthermore shows a silicon bipolar transistor which contains a base having two base layers, wherein on
  • Base layer is applied and on this a p-doped second base layer.
  • This layer sequence has in particular the disadvantage that an n-doped intermediate layer has to be introduced between the base and the emitter, which means considerable expenditure in terms of production technology, in particular in mass production, and thus causes considerable technological difficulties. Furthermore, the mass production costs for such a transistor are very high.
  • [8] describes a power transistor in which there is another layer of the same conductivity type as the base layer in the base layer.
  • [9] describes a transistor in which a conduction zone of the base zone is located in front of the emitter zone, the
  • Impurity concentration is lower than that of the base zone
  • [10] describes a semiconductor device in which an emitter layer, an intrinsic base layer which surrounds the emitter layer, the surface of the emitter layer allowing exposure, external base layers and link base layers which lie between the intrinsic base layer and the external base layers, are formed on a collector layer become.
  • [11] describes a transistor for switching with a partially falling characteristic and a semiconductor body with the
  • [12] describes a bipolar transistor and a method for its production, the bipolar transistor having a collector region and insulation regions surrounding it. Above the collector area is a single-crystalline layer sequence and above that Isolation areas arranged a polycrystalline layer sequence, wherein a cover layer is arranged over the base layer, the cover layer being partially or completely removed in the active emitter region.
  • the invention is therefore based on the problem of specifying a silicon bipolar transistor, a circuit arrangement and a method for producing a silicon bipolar transistor, the silicon bipolar transistor having an increased maximum oscillation frequency fmax compared to a silicon bipolar transistor according to [3].
  • a silicon bipolar transistor has an emitter, a base and a collector.
  • the entire emitter is highly doped with doping atoms, the doping atoms being of the opposite conductivity type to that for the
  • Doping of the base regions uses doping atoms. This means that if the base regions are n-doped, the entire emitter is highly p-doped, and if the base regions are p-doped, the entire emitter is highly n-doped.
  • the emitter preferably has polysilicon.
  • the base is grouped into a first base region and into a second base region, the second base region being doped with doping atoms, for example with boron atoms, in a low concentration, ie the second base region has low doping with doping atoms.
  • the first base region has a high doping with the doping atoms, for example with boron atoms.
  • the number of doping atoms per cm in the case of high doping compared to low doping is considerably larger, preferably larger by at least a factor of two.
  • the second base region can be doped
  • the base of a bipolar transistor which is usually doped as homogeneously as possible, is divided into a first region, the first base region, with high doping and a second region, the second base region, with low doping.
  • the sheet resistance of the base i.e. the base resistance RR is considerably reduced, it can even be reduced by more than a factor of 5.
  • the widths of the first base area (first base width W1) and the second base area (second base width W2) can be dimensioned according to the following regulations:
  • the second base width W2 preferably has a width of 10 nm to 40 nm, which is selected according to the desired blocking voltage of the emitter-base-pn junction, for example, with a blocking voltage of 2 V, a second base width W2 of 20 nm.
  • the first base width Wl is chosen to be as thin as possible.
  • the first base region is doped as high as possible, so that there is no strong widening of the profile during subsequent temperature steps.
  • the first base width W1 can be, for example, 1 nm to 30 nm.
  • the first base region is located on the collector of the bipolar transistor and, as can be seen from the regulations described above, is preferably as narrow as possible, i.e. formed with the smallest possible first base width W1 and doped as high as possible with doping atoms.
  • a gain in the transistor current which possibly decreases with increasing base charge can advantageously be compensated for by adding germanium atoms in accordance with one embodiment of the invention. Furthermore, the transit frequency of the bipolar transistor and thus also the maximum oscillation frequency are further increased by adding Ge.
  • the second base region is provided with a concentration
  • the emitter window i.e. the area in which the emitter is to be formed is opened in a sandwich structure by means of dry etching.
  • the sandwich structure has: • p + polysilicon, • TEOS,
  • the side wall of the emitter window is formed by a nitride spacer.
  • the collector which is initially still covered by an oxide layer, is exposed by an isotropic wet etching. This results in a polysilicon overhang by undercutting the overlying polysilicon, as described in [4].
  • boron atoms are usually smaller than the other known doping atoms, which of course can be used alternatively
  • Diffusion speed has, which is particularly advantageous for producing the two base regions with very different doping.
  • Bipolar transistor is particularly suitable for use in high-frequency applications, for example in the mobile radio sector or in general for high-speed processors.
  • a first base layer which forms the first base region is grown on the collector, preferably by means of gas phase epitaxy using a first partial pressure, for example using diborane (B2Hg). as doping gas.
  • a first partial pressure for example using diborane (B2Hg).
  • B2Hg diborane
  • the incorporation of the doping atoms is, in a first approximation, linear to the partial pressure used during the gas phase epitaxy.
  • a second base layer, which forms the second base region, is grown on the first base layer using a second partial pressure by means of gas phase epitaxy, the second partial pressure being considerably lower than the first partial pressure and also using diborane as doping gas in the context of the gas phase epitaxy of the second base layer the second base layer and thus the second base region have a significantly lower doping than the first base layer, ie the first base area.
  • germanium is added in accordance with an embodiment of the invention in accordance with the procedure described in [5], it being ensured according to the invention that the step profile formed by the first base area and the second base area accordingly, as in the following in connection with FIG. 3 described, is formed.
  • the emitter is applied directly to the second base area.
  • the entire emitter is heavily doped with doping atoms.
  • FIG. 1 shows a cross section through a bipolar transistor according to an embodiment of the invention
  • FIGS. 2a to 2c cross sections through the structure of the bipolar transistor to different
  • FIG. 3 shows a sketch of the doping profile of the bipolar transistor from FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a bipolar transistor 100 with a base connection 101, an emitter connection 102 and a collector connection 103.
  • the base connection 101 is coupled via a p-doped polysilicon layer 104 to two base regions which form the base.
  • a first base region 105 has a high doping of
  • a second base layer 106 has been grown on the first base region 105 as a second base region by means of gas phase epitaxy, the doping of the second base region
  • 18 3 106 is approximately 5 x 10 doping atoms per cm.
  • the base in particular the first base region 105, has been grown on a collector layer 107 by means of gas phase epitaxy, as will be explained in more detail below.
  • a collector layer 107 by means of gas phase epitaxy, as will be explained in more detail below.
  • n -doped layer 108 in the collector layer
  • the collector 107 Over the n -doped layer 108, the collector 107, i.e. the collector layer 107, coupled to the collector connection 103.
  • the emitter region i.e. the area in which the emitter is to be formed at the end of the production process is defined by means of a sandwich structure which is formed on an oxide layer formed by means of a gas phase deposition process (CVD process).
  • CVD process gas phase deposition process
  • the sandwich structure When viewed from bottom to top, the sandwich structure has the following layers:
  • the side wall of the emitter window is formed by a nitride spacer.
  • the collector which is initially still covered by an oxide layer, is exposed by an isotropic wet etching. This results in a polysilicon overhang by undercutting the overlying polysilicon, as described in [4].
  • the collector layer 107 is 2 x 10 cm
  • the oxide layer 202 is formed
  • the base layer 206 is grown using gas phase epitaxy at a temperature of 650 ° C. to 900 ° C. and a pressure of 1 to 100 Torr, formed by the first base layer 207 and the second base layer 208.
  • the gases used in the gas phase epitaxy are a hydrogen carrier gas with 10 to 50 slm, the following gases for incorporating carbon atoms and germanium atoms to maintain the properties of the bipolar transistor and to reduce the diffusion of the doping atoms described below between the first base area and the second base area contains: • dichlorosilane (SiH2Cl 2 ),
  • Germanium hydrogen (GeH / j)
  • Diborane (B2Hg) is used as the doping gas when the first is formed
  • doping atoms are doped in the first base layer 207 which is at least a factor 2 larger than that Concentration, ie the doping with doping atoms in the second base layer 208.
  • the first base width Wl is chosen to be as thin as possible. Furthermore, the first base region is doped as high as possible, so that the profile is not greatly modified during subsequent temperature steps. According to this exemplary embodiment, the first base width W1 is 1 nm to 30 nm.
  • germanium hydrogen is generated according to the profile shown in Figure 3 during the formation of the second
  • the second base layer 208 with one is thus formed
  • the second base width W2 has a width of 10 nm to 40 nm, which is selected according to the desired blocking voltage of the emitter-base-pn junction, with a blocking voltage of 2 V a second base width W2 of 20 nm.
  • the n-doped polysilicon emitter 209 is formed on further spacers 210, which in turn are grown on the second base layer 208. According to this procedure, the doping profile 300 shown in FIG. 3 for the bipolar transistor 100 from FIG. 1 results.
  • the respective concentration of the doping atoms in the respective layer is represented by means of the abscissa 302.
  • a second basic doping curve 304 is then used along the second
  • Base width W2 the course of the doping of boron atoms in the
  • Base width Wl in which a doping of boron atoms from
  • the corresponding concentration curve for germanium atoms in the first base layer 207 and second base layer 208 in the base is shown with dashed lines 306.
  • the plateau area, i.e. the second base region contains approximately 5% germanium atoms.
  • the collector side area, i.e. the first base region contains approximately 20% germanium atoms.

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Abstract

Der Silizium-Bipolartransistor (100) weist eine Basis auf mit einer ersten, hoch dotierten Basisschicht (105) und einer zweiten, niedrig dotierten Basisschicht (106), die gemeinsam die Basis bilden. Der Emitter ist vollständig hoch dotiert und direkt auf der zweiten Basisschicht (106) aufgebracht.

Description

Beschreibung
Silizium-Bipolartransistor , Schal tungsanordnung und Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Bipolartransistors
Die Erfindung betrifft einen Silizium-Bipolartransistor, eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Bipolartransistors .
Ein Silizium-Bipolartransistor, eine solche
Schaltungsanordnung und ein solches Herstellungsverfahren sind aus [1] bekannt.
Ein üblicher Silizium-Bipolartransistor weist einen Emitter, eine Basis sowie einen Kollektor auf.
Bei dem aus [1] bekannten Bipolartransistor ist bekannt, dass die maximale Schwingfrequenz eines Bipolartransistors sich ergibt gemäß folgender Vorschrift:
wobei mit
• fmax die maximale Schwingfrequenz des Bipolartransistors,
• f>p die Transitfrequenz des Bipolartransistors,
• RR der Basiswiderstand des Bipolartransistors,
• CRC die Basis-Kollektor-Kapazität des Bipolartransistors,
bezeichnet wird.
Wie aus [1] ersichtlich ist, ist es somit wünschenswert, den Basiswiderstand RR eines Bipolartransistors zu verringern, um eine möglichst hohe Schwingfrequenz des Bipolartransistors zu erhalten.
Der Basiswiderstand RR eines Bipolartransistors wird sowohl durch den elektrischen Widerstand des Anschlussgebiets als auch durch den Schichtwiderstand des Basis-Dotierprofiles mit Dotieratomen bestimmt.
Der Schichtwiderstand, der auch als Pinch bezeichnet wird, ist bei einer homogenen Dotierung der Transistorbasis mit Dotieratomen umgekehrt proportional zur Schichtdicke der Basis .
Eine Erhöhung der Schichtdicke der Basis des Bipolartransistors führt jedoch zur Vergrößerung der Basislaufzeit τ für die Minoritätsträger in dem Bipolartransistor .
Eine Erhöhung der Dotierung der Basis mit Dotieratomen über eine Konzentration von 5 x 10 cm hinaus verursacht eine Verringerung der Durchbruchsspannung des Übergangs zwischen dem Emitter und der Basis des Bipolartransistors auf zu niedrige Werte und vergrößert gleichzeitig die Basis-Emitter- Sperrschichtkapazität .
Um den Basiswiderstand zu verringern, ist es in [1] vorgesehen, den Emitter des Bipolartransistors niedrig mit Dotieratomen zu dotieren in einer Konzentration von ungefähr 10 cm
Die Basis des aus [1] bekannten Bipolartransistors hingegen wird hoch dotiert mit Dotierungsatomen in einer Konzentration
20 -3 der Dotieratome von ungefähr 10 cm
Auf diese Weise wird erreicht, dass bei niedriger Dotierung des Emitters eine hohe Dotierung der Basis ermöglicht ist, ohne dass die Sperrfähigkeit des Emitter-Basis-Übergangs des Bipolartransistors verloren geht .
Um die Transitfrequenz zu erhöhen, enthält die Basis des in [ 1 ] beschriebenen Transistors Germanium.
Weiterhin ist in [ 2 ] die Verringerung der Bordiffusion durch Zugabe von Kohlenstoff-Atomen für einen Transistor mit Epitaxieemitter beschrieben .
Ferner ist aus [ 3] ein Bipolartransistor bekannt , der eine sehr hohe maximale Schwingfrequenz fmax von 74 GHz aufweist .
[6] beschreibt einen Bipolartransistor auf der Basis von - Gallium-Arsenid, wobei auf einer Kollektor Schicht aus n- dotiertem Gallium-Arsenid eine Basisschicht aus zwei Teil- Basisschichten, einer p -dotierten ersten Basisschicht und
+ einer p -dotierten zweiten Basisschicht j eweils aus Gallium-
Arsenid aufgebracht ist .
Die p -dotierte Gallium-Arsenid-Teil-Basissehicht dient als Diffusionsbarriere für die Zink-Dotieratome. Auf der p - dotierten Gallium-Arsenid-Schicht ist eine n -dotierte Emitter-Stoppschicht aufgebracht, die als Barriere-Schicht zwischen dem Emitter und der Basis zur Isolation des Zinks dient, wodurch gewährleistet bleiben soll, dass der Emitter n- dotiert ist. Auf der Emitter-Stoppschicht ist eine n-dotierte "gegradete" Emitter-Schichtenfolge aus Gallium-Arsenid aufgebracht .
Weiterhin zeigt [7] einen Silizium-Bipolartransistor, welcher eine zwei Basisschichten aufweisende Basis enthält, wobei auf
+ einem n-dotierten Kollektor eine erste, p -dotierte
Basisschicht aufgebracht ist und auf dieser eine p -dotierte zweite Basisschicht. Auf der zweiten Basisschicht ist eine n- dotierte, d.h. schwach dotierte erste Zwischenschicht aufgebracht und erst darauf der hoch dotierte n -Emitter.
Diese Schichtenfolge weist insbesondere den Nachteil auf, dass eine n-dotierte Zwischenschicht zwischen der Basis und dem Emitter eingebracht werden muss, was fertigungstechnisch insbesondere in der Massenproduktion erheblichen Aufwand bedeutet und damit erhebliche technologische Schwierigkeiten bereitet. Ferner sind die Fertigungskosten in der Massenfertigung für einen solchen Transistor sehr hoch.
In [8] ist ein Leistungstransistors beschrieben, bei dem in der Basisschicht eine weitere Schicht des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Basisschicht liegt.
[9] beschreibt einen Transistor, bei dem der Emitterzone eine Zone vom Leitungstyp der Basiszone vorgelagert ist, deren
Störstellenkonzentration kleiner ist als die der Basiszone,
16 3 jedoch mindestens 10 Störstellen pro cm beträgt.
[10] beschreibt eine Halbleitervorrichtung, bei der auf einer Kollektorschicht eine Emitterschicht, eine intrinsische Basisschicht, welche die Emitterschicht umgibt, wobei die Oberfläche der Emitterschicht eine Freilegung erlaubt, externe Basisschichten und Linkbasisschichten, welche zwischen der intrinsischen Basisschicht und den externen Basisschichten liegen, gebildet werden.
[11] beschreibt einen Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Charakteristik und einem Halbleiterkörper mit der
+ + , + + Zonenfolge npp n bzw. pnn p .
In [12] sind ein Bipolartransistor und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, wobei der Bipolartransistor einen Kollektorbereich und diesen umgebende Isolationsgebiete aufweist. Oberhalb des Kollektorbereichs ist eine einkristalline Schichtenfolge und oberhalb der Isolationsgebiete eine polykristalline Schichtenfolge angeordnet, wobei eine Deckelschicht über der Basisschicht angeordnet ist, wobei die Deckelschicht teilweise oder vollständig im aktiven Emitterbereich abgetragen ist.
Weitere GaAs-Bipolartransistoren sind in [13], [14] und [15] beschrieben.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen Silizium-Bipolartransistor, eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium- Bipolartransistors anzugeben, wobei der Silizium- Bipolartransistor eine verglichen mit einem Silizium- Bipolartransistor gemäß [3] erhöhte maximale Schwingfrequenz fmax aufweist.
Das Problem wird durch den Silizium-Bipolartransistor, die Schaltungsanordnung sowie durch das Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Bipolartransistors mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Ein Silizium-Bipolartransistor weist einen Emitter, eine Basis sowie einen Kollektor auf. Der gesamte Emitter ist mit Dotierungsatomen hoch dotiert, wobei die Dotierungsatome von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp sind als die für die
Dotierung der Basisbereiche verwendeten Dotierungsatome. Dies bedeutet, wenn die Basisbereiche n-dotiert sind, so ist der gesamte Emitter hoch p-dotiert, und wenn die Basisbereiche p- dotiert sind, so ist der gesamte Emitter hoch n-dotiert. Der Emitter weist vorzugsweise Polysilizium auf.
Die Basis ist in einen ersten Basisbereich und in einen zweiten Basisbereich gruppiert, wobei der zweite Basisbereich mit Dotierungsatomen, beispielsweise mit Bor-Atomen, in einer niedrigen Konzentration dotiert ist, d.h. der zweite Basisbereich weist eine niedrige Dotierung mit Dotierungsatomen auf. Der erste Basisbereich hingegen weist eine hohe Dotierung mit den Dotierungsatomen, beispielsweise mit Bor-Atomen, auf.
Die Begriffe "niedrige Dotierung" und "hohe Dotierung" sind im Rahmen dieser Erfindung derart zu verstehen, dass die
3 Anzahl der Dotierungsatomen pro cm bei hoher Dotierung verglichen mit niedriger Dotierung erheblich größer ist, vorzugsweise um mindestens einen Faktor zwei größer ist.
Beispielsweise kann der zweite Basisbereich eine Dotierung
17 19 3 von 5 x 10 bis 1 x 10 Dotierungsatomen pro cm aufweisen
19 und der erste Basisbereich eine Dotierung von 10 bis ca.
20 , 3
2 x 10 Dotierungsatomen pro cm .
Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass die üblicherweise möglichst homogen dotierte Basis eines Bipolartransistors, in ein erstes Gebiet, den ersten Basisbereich, mit hoher Dotierung und in ein zweites Gebiet, den zweiten Basisbereich, mit niedriger Dotierung, aufgeteilt ist.
Auf diese Weise wird der Schichtwiderstand der Basis, d.h. der Basiswiderstand RR erheblich verringert, er kann sogar mehr als einen Faktor 5 reduziert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können die Weiten des ersten Basisbereichs (erste Basisweite Wl) und des zweiten Basisbereichs (zweite Basisweite W2) gemäß folgenden Vorschriften dimensioniert werden:
Die zweite Basisweite W2 weist vorzugsweise eine Breite von 10 nm bis 40 nm auf, die nach der gewünschten Sperrspannung des Emitter-Basis-pn-Übergangs gewählt wird, beispielsweise bei einer Sperrspannung von 2 V eine zweite Basisweite W2 von 20 nm. Die erste Basisweite Wl wird so dünn wie möglich gewählt. Ferner wird der erste Basisbereich so hoch wie möglich dotiert, so dass während anschließender Temperaturschritte keine starke Verbreiterung des Profils stattfindet. Die erste Basisweite Wl kann beispielsweise 1 nm bis 30 nm betragen.
Der erste Basisbereich liegt am Kollektor des Bipolartransistors und wird, wie aus den oben dargestellten Vorschriften ersichtlich, vorzugsweise möglichst schmal, d.h. mit einer möglichst geringen ersten Basisweite Wl gebildet und möglichst hoch mit Dotierungsatomen dotiert.
Um weiter die Diffusion der einzelnen Dotierungsatome zwischen dem ersten Basisbereich und dem zweiten Basisbereich zu verringern ist es vorteilhaft, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung Kohlenstoff-Atome der Basis zuzuführen, um die Diffusion der beispielsweise Bor-Dotierungsatome zu verringern.
Eine möglicherweise mit ansteigender Basisladung abnehmende Verstärkung des Transistorstroms kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhafterweise durch Zugabe von Germanium-Atomen ausgeglichen werden. Ferner wird durch Zugabe von Ge die Transitfrequenz des Bipolartransistors und damit auch die maximale Oszillationsfrequenz weiter erhöht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, den zweiten Basisbereich mit einer Konzentration
18 —3 von ca. 5 x 10 cm und den ersten Basisbereich mit
19 -3 3 x 10 cm Dotierungsatomen zu dotieren.
Wie in [3] beschrieben, wird das Emitterfenster, d.h. der Bereich, in dem der Emitter gebildet werden soll, mittels Trockenätzens in einer Sandwich-Struktur geöffnet. Die
Sandwich-Struktur weist betrachtet von unten nach oben auf: • p+-Polysilizium, • TEOS ,
• Nitrid .
Die Seitenwand des Emitterfensters wird durch einen Nitrid- Spacer ausgebildet.
Der Kollektor, der zunächst noch durch eine Oxidschicht bedeckt ist, wird durch eine isotrope Nassätzung freigelegt. Hierbei entsteht durch Unterätzung des darüberliegenden Polysiliziums, wie in [4] beschrieben, ein Polysilizium- Überhang.
Weiterhin ist es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, anstelle von Bor-Atomen Aluminium-Atome oder auch Gallium-Atome als Dotierungsatome einzusetzen.
Der Einsatz von Bor-Atomen weist jedoch den Vorteil auf, dass die Bor-Atome gegenüber den weiteren bekannten Dotierungsatomen, die selbstverständlich alternativ eingesetzt werden können, üblicherweise eine geringere
Diffusionsgeschwindigkeit aufweist, was insbesondere zum Herstellen der zwei Basisbereiche mit stark unterschiedlicher Dotierung vorteilhaft ist.
Eine Schaltungsanordnung mit mindestens einem solchen
Bipolartransistor eignet sich insbesondere für den Einsatz in Hochfrequenz-Anwendungen, beispielsweise im Mobilfunkbereich oder allgemein bei hochgetakteten Prozessoren.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Bipolartransistors wird nach der Isolation, d.h. nachdem der Kollektor gebildet worden ist, eine erste Basisschicht die den ersten Basisbereich bildet, auf dem Kollektor aufgewachsen, vorzugsweise mittels Gasphasenepitaxie unter Einsatz eines ersten Partialdrucks beispielsweise unter Verwendung von Diboran (B2Hg) als Dotiergas. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Einbau der Dotierungsatome in erster Näherung linear zum eingesetzten Partialdruck während der Gasphasenepitaxie ist.
Auf der ersten Basisschicht wird eine zweite Basisschicht, die den zweiten Basisbereich bildet, unter Verwendung eines zweiten Partialdrucks mittels Gasphasenepitaxie aufgewachsen, wobei der zweite Partialdruck erheblich kleiner ist als der erste Partialdruck und durch Verwendung von Diboran als Dotiergas ebenfalls im Rahmen der Gasphasenepitaxie der zweiten Basisschicht die zweite Basisschicht und somit der zweite Basisbereich eine erheblich niedrigere Dotierung aufweist als die erste Basisschicht, d.h. der erste Basisbereich.
Mit dem Bilden der Basis wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung Germanium hinzugefügt gemäß der in [5] beschriebenen Vorgehensweise, wobei erfindungsgemäß gewährleistet wird, dass das Stufenprofil, gebildet durch den ersten Basisbereich und den zweiten Basisbereich entsprechend, wie im weiteren im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben, gebildet wird. Direkt auf dem zweiten Basisbereich wird der Emitter aufgebracht. Der gesamte Emitter wird mit Dotierungsatomen hoch dotiert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Bipolartransistor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figuren 2a bis 2c Querschnitte durch die Struktur des Bipolartransistors zu unterschiedlichen
Herstellungszeitpunkten; und Figur 3 eine Skizze des Dotierungsprofils des Bipolartransistors aus Figur 1.
Fig.l zeigt einen Bipolartransistor 100 mit einem Basis- Anschluss 101, einem Emitter-Anschluss 102 und einem Kollektor-Anschluss 103.
Der Basis-Anschluss 101 ist über eine p-dotierte Polysilizium-Schicht 104 mit zwei Basisbereichen, die die Basis bilden, gekoppelt.
Ein erster Basisbereich 105 weist eine hohe Dotierung von
19 3 x 10 Dotierungsatomen, gemäß diesem Ausführungsbeispiel von Bor-Atomen, auf.
Auf dem ersten Basisbereich 105 ist eine zweite Basisschicht 106 als zweiter Basisbereich mittels Gasphasenepitaxie aufgewachsen, wobei die Dotierung des zweiten Basisbereichs
18 3 106 ungefähr bei 5 x 10 Dotierungsatomen pro cm liegt.
Die Basis, insbesondere der erste Basisbereich 105 ist auf einer Kollektorschicht 107 mittels Gasphasenepitaxie, wie im weiteren noch detailliert erläutert wird, aufgewachsen. In der Kollektorschicht ist eine n -dotierte Schicht 108
+ eingebettet (n -Buried Layer) .
Über die n -dotierte Schicht 108 ist der Kollektor 107, d.h. die Kollektorschicht 107, mit dem Kollektor-Anschluss 103 gekoppelt.
Das im weiteren beschriebene Verfahren zum Herstellen des Bipolartransistors, wie es in den Fig.2a bis Fig.2c dargestellt ist, entspricht im wesentlichen dem Herstellungsverfahren, wie es in [3] für einen Bipolartransistor mit homogen dotierter Basis beschrieben worden ist.
Ein Unterschied im Herstellungsverfahren ist jedoch im Rahmen der Bildung der Basisschicht vorgesehen.
Ausgehend von einer Silizium aufweisenden Kollektorschicht 107 wird, wie in [3] beschrieben, der Emitterbereich, d.h. der Bereich, in dem am Ende des Herstellungsverfahrens der Emitter gebildet werden soll, definiert mittels einer Sandwich-Struktur, die auf einer mittels eines Abscheideverfahrens aus der Gasphase (CVD-Verfahren) gebildeten Oxidschicht gebildet wird .
Die Sandwich-Struktur weist betrachtet von unten nach oben folgende Schichten auf:
• p-i—Polysilizium,
• TEOS,
• Nitrid.
Die Seitenwand des Emitterfensters wird durch einen Nitrid- Spacer ausgebildet.
Der Kollektor, der zunächst noch durch eine Oxidschicht bedeckt ist, wird durch eine isotrope Nassätzung freigelegt. Hierbei entsteht durch Unterätzung des darüberliegenden Polysiliziums, wie in [4] beschrieben, ein Polysilizium- Überhang.
17 -3 Die Kollektorschicht 107 ist mit 2 x 10 cm
Dotierungsatomen n-dotiert.
Nachdem dünne Nitrid-Spacer 203 auf der Sandwich-Struktur 201 gebildet worden sind, wird die Oxidschicht 202 mittels
+ Nassätzens unterhalb der p -dotierten Polysilizium-Schicht
204 unterätzt, so dass ca.0,1 μm weite Kontaktbereiche 205 entstehen. In einem weiteren Schritt (vgl. Fig.2b) wird mittels Gasphasenepitaxie bei einer Temperatur von 650 °C bis 900 °C und einem Druck von 1 bis 100 Torr die Basisschicht 206 aufgewachsen, gebildet durch die erste Basisschicht 207 und die zweite Basisschicht 208.
Als Gase im Rahmen der Gasphasenepitaxie werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel eingesetzt ein Wasserstoffträgergas mit 10 bis 50 slm, das folgende Gase zum Einbau von Kohlenstoff- Atomen und Germanium-Atomen zum Erhalten der Eigenschaften des Bipolartransistors sowie zum Verringern der Diffusion der im weiteren beschriebenen Dotierungsatome zwischen dem ersten Basisbereich und dem zweiten Basisbereich enthält: • Dichlorsilan (SiH2Cl2),
• Chlor-Wasserstoff (HC1) ,
• Germanium-Wasserstoff (GeH/j),
• Methylsilan (SiH3CH3), welche Gase im Rahmen der Gasphasenepitaxie bei einem
-4 -2 Partialdruck von 10 - 10 vom Totaldruck, der im Rahmen der Gasphasenepitaxie eingesetzt wird, verwendet.
Als Dotiergas wird Diboran (B2Hg) beim Bilden der ersten
-5 Basisschicht 207 mit einem Partialdruck von 10 des Totaldrucks verwendet. Dabei wird Germanium-Wasserstoff bei
-4 einem Partialdruck von 10 der ersten Basisschicht zugegeben, so dass die erste Basisschicht eine Konzentration
19 von Germanium-Atomen von ungefähr 20% bei 3 x 10 Bor-Atomen aufweist, so dass sich beispielsweise das in [5] beschriebene Dotierungsprofil für Germanium ergibt, wie in Fig.3 dargestellt .
Es ergibt sich aufgrund der Abhängigkeit der Konzentration der Dotierung in erster Näherung linear zum Partialdruck eine Dotierung von Dotierungsatomen in der ersten Basisschicht 207, die um mindestens einen Faktor 2 größer ist als die Konzentration, d.h. die Dotierung mit Dotierungsatomen in der zweiten Basisschicht 208.
Die erste Basisweite Wl wird so dünn wie möglich gewählt. Ferner wird der erste Basisbereich so hoch wie möglich dotiert, so dass während anschließender Temperaturschritte keine starke Verbeiterung des Profils stattfindet. Die erste Basisweite Wl beträgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel 1 nm bis 30 nm.
Auf der ersten Basisschicht 207 wird unter Verwendung von
Diboran (B2Hg) die zweite Basisschicht 208 mit einem
-6 Partialdruck von 10 des Totaldrucks gebildet.
Wiederum wird Germanium-Wasserstoff entsprechend dem in Fig.3 dargestellten Profil während des Bildens der zweiten
-5 Basisschicht 208 zugegeben, bei einem Partialdruck von 10 vom Totaldruck.
Es entsteht somit die zweite Basisschicht 208 mit einer
18 Dotierungskonzentration von ungefähr 5 x 10 Bor-
3 Dotierungsatomen pro cm und ungefähr 5% Germanium-Atomen,
Die zweite Basisweite W2 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Breite von 10 nm bis 40 nm auf, die nach der gewünschten Sperrspannung des Emitter-Basis-pn- Übergangs gewählt wird, bei einer Sperrspannung von 2 V eine zweite Basisweite W2 von 20 nm.
In einem weiteren Schritt (vgl. Fig.2c) werden die Nitrid-
Spacer 203 entfernt unter Einsatz von Phosphorsäure und gemäß dem im Detail in [3] beschriebenen Verfahrens wird der n - dotierte Polysilizium-Emitter 209 auf weiteren Spacern 210, welche wiederum auf der zweiten Basisschicht 208 aufgewachsen werden, gebildet. Gemäß dieser Vorgehensweise ergibt sich das in Fig.3 dargestellte Dotierungsprofil 300 zu dem Bipolartransistor 100 aus Fig.l.
Entlang der Ordinate 301, mit der die örtliche Ausrichtung entgegen der Aufwachsrichtung der einzelnen Schichten innerhalb des Bipolartransistors 100 beschrieben wird, wird mittels der Abszisse 302 die jeweilige Konzentration der Dotierungsatome in der jeweiligen Schicht dargestellt.
Es ist von Vorteil, den ersten Basisbereich möglichst schmal auszugestalten und hoch zu dotieren, um die Laufzeit der Elektronen über die Basis gering zu halten.
Ausgehend von einer Emitter-Dotierungs-Kurve 303, mit der die Dotierungskonzentration der Dotierungsatome in der Emitter- Schicht 209 dargestellt ist, ist anschließend mittels eines zweiten Basis-Dotierungsverlaufs 304 entlang der zweiten
Basisweite W2 der Verlauf der Dotierung von Bor-Atomen in der
18 3 zweiten Basisschicht 208 von 5 x 10 Bor-Atomen pro cm dargestellt, die stufenförmig, d.h. im wesentlichen sprunghaft übergeht in eine hohe Dotierung in dem ersten Basisbereich, d.h. der ersten Basisschicht 207 mit der ersten
Basisweite Wl, in der eine Dotierung von Bor-Atomen von
19 3 3 x 10 Bor-Atomen pro cm (symbolisiert durch den ersten
Basis-Dotierungsverlauf 305) .
Mit gestrichelten Linien 306 ist der entsprechende Konzentrationsverlauf für Germanium-Atome in der ersten Basisschicht 207 bzw. zweiten Basisschicht 208 in der Basis dargestellt. Der Plateaubereich, d.h. der zweite Basisbereich enthält ungefähr 5% Germanium-Atome. Der kollektorseitige Bereich, d.h. der erste Basisbereich, enthält ungefähr 20% Germanium-Atome .
Es hat sich experimentell herausgestellt, dass ein solcher Bipolartransistor mit dem oben dargestellten Dotierungsprofil einen Schichtwiderstand der Basis von üblicherweise 7kΩ durch Einsatz des Basisprofils auf 3,5 kΩ halbiert, wobei sich die Transitzeit τ des Bipolartransistors von bei homogener Basis 1,5 ps nur unwesentlich auf eine Transitzeit bei aufgeteilter Basis mit unterschiedlichen Dotierungen auf 1,6 ps erhöht.
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[13] US 4 593 305 [14] JP 03-280 546
[15] JP 03-192 727
Bezugszeichenliste
100 Bipolartransistor
101 Basis-Anschluss
102 Emitter-Anschluss
103 Kollektor-Anschluss
104 p-dotierte Polysilizium-Schicht
105 Erste Basisschicht
106 Zweite Basisschicht
107 Kollektorschicht
108 n-dotierte Schicht
201 Sandwich-Struktur
202 Kollektorschicht
203 Nitrid-Spacer
204 p-dotierte Polysilizium-Schicht
205 Unterätzter Kontaktbereich
206 Basis
207 Erste Basisschicht
208 Zweite Basisschicht
209 Emitterschicht
210 Spacer
300 Dotierungsprofil
301 Ordinate
302 Abszisse
303 Emitter-Dotierung
304 Dotierungsverlauf zweiter Basisbereich
305 Dotierungsverlauf erster Basisbereich
306 Konzentrationsverlauf Basis mit Germanium

Claims

Patentansprüche
Silizium-Bipolartransistor, mit einer Basis, einem Emitter, der vollständig mit Dotierungsatomen hoch dotiert ist, einem Kollektor, wobei die Basis einen ersten Basisbereich und einen zweiten Basisbereich aufweist, wobei der erste Basisbereich mit Dotierungsatomen hoch dotiert ist, wobei der zweite Basisbereich mit Dotierungsatomen niedrig dotiert ist, und wobei der Emitter direkt auf dem zweiten Basisbereich aufgebracht ist.
2. Silizium-Bipolartransistor nach Anspruch 1, bei dem der erste Basisbereich näher bei dem Kollektor angeordnet ist als der zweite Basisbereich.
3. Silizium-Bipolartransistor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Basisbereich um mindestens einen Faktor zwei höher mit Dotierungsatomen dotiert ist als der zweite Basisbereich.
4. Silizium-Bipolartransistor nach Anspruch 3, bei dem der zweite Basisbereich eine Dotierung von ungefähr
18 3
5 x 10 Dotierungsatomen pro cm aufweist.
5. Silizium-Bipolartransistor nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der erste Basisbereich eine Dotierung von ungefähr
19 3
3 x 10 Dotierungsatomen pro cm aufweist.
6. Silizium-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der zweite Basisbereich eine Basisweite zwischen 10 nm und 40 nm aufweist.
7. Silizium-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der erste Basisbereich eine Basisweite zwischen 1 nm und 30 nm aufweist.
8. Silizium-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Basis zusätzlich weitere Dotierungsatome aufweist, mit denen ein im wesentlichen sprunghafter Übergang zwischen dem ersten Basisbereich und dem zweiten Basisbereich unterstützt wird.
9. Silizium-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Dotierungsatome Bor-Atome enthalten.
10. Silizium-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem in der Basis weitere Kohlenstoff-Atome zur Diffusionsreduktion der Dotieratome enthalten.
11. Silizium-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Basis Germanium-Atome enthält.
12. Silizium-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis
11, bei dem der Emitter Polysilizium enthält.
13. Schaltungsanordnung mit mindestens einem Silizium- Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Verfahren zum Herstellen eines Silizium- Bipolartransistors,
• bei dem ein Kollektor gebildet wird,
• bei dem eine Basis gebildet wird, • bei dem ein erster Basisbereich mit Dotierungsatomen hoch dotiert wird,
• bei dem ein zweiter Basisbereich mit Dotierungsatomen niedrig dotiert wird,
• bei dem ein Emitter direkt auf dem zweiten Basisbereich gebildet wird, und
• bei dem der gesamte Emitter mit Dotierungsatomen hoch dotiert wird.
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