Beschreibungdescription
Silizium-Bipolartransistor , Schal tungsanordnung und Verfahren zum Herstellen eines Silizium-BipolartransistorsSilicon bipolar transistor, circuit arrangement and method for producing a silicon bipolar transistor
Die Erfindung betrifft einen Silizium-Bipolartransistor, eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Bipolartransistors .The invention relates to a silicon bipolar transistor, a circuit arrangement and a method for producing a silicon bipolar transistor.
Ein Silizium-Bipolartransistor, eine solcheA silicon bipolar transistor, such
Schaltungsanordnung und ein solches Herstellungsverfahren sind aus [1] bekannt.Circuit arrangement and such a manufacturing method are known from [1].
Ein üblicher Silizium-Bipolartransistor weist einen Emitter, eine Basis sowie einen Kollektor auf.A common silicon bipolar transistor has an emitter, a base and a collector.
Bei dem aus [1] bekannten Bipolartransistor ist bekannt, dass die maximale Schwingfrequenz eines Bipolartransistors sich ergibt gemäß folgender Vorschrift:In the case of the bipolar transistor known from [1], it is known that the maximum oscillation frequency of a bipolar transistor results according to the following rule:
wobei mitbeing with
• fmax die maximale Schwingfrequenz des Bipolartransistors,Fmax the maximum oscillation frequency of the bipolar transistor,
• f>p die Transitfrequenz des Bipolartransistors,F> p the transit frequency of the bipolar transistor,
• RR der Basiswiderstand des Bipolartransistors,R R the base resistance of the bipolar transistor,
• CRC die Basis-Kollektor-Kapazität des Bipolartransistors,C R C the base-collector capacitance of the bipolar transistor,
bezeichnet wird.referred to as.
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.As can be seen from [1], it is therefore desirable to reduce the base resistance RR of a bipolar transistor in order to to obtain the highest possible oscillation frequency of the bipolar transistor.
Der Basiswiderstand RR eines Bipolartransistors wird sowohl durch den elektrischen Widerstand des Anschlussgebiets als auch durch den Schichtwiderstand des Basis-Dotierprofiles mit Dotieratomen bestimmt.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.
Der Schichtwiderstand, der auch als Pinch bezeichnet wird, ist bei einer homogenen Dotierung der Transistorbasis mit Dotieratomen umgekehrt proportional zur Schichtdicke der Basis .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.
Eine Erhöhung der Schichtdicke der Basis des Bipolartransistors führt jedoch zur Vergrößerung der Basislaufzeit τ für die Minoritätsträger in dem Bipolartransistor .However, increasing the layer thickness of the base of the bipolar transistor leads to an increase in the base transit time τ for the minority carriers in the bipolar transistor.
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 .Increasing the doping of the base with doping atoms beyond a concentration of 5 × 10 cm causes the breakdown voltage of the transition between the emitter and the base of the bipolar transistor to be reduced to low values and at the same time increases the base-emitter junction capacitance.
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 cmIn order to reduce the base resistance, it is provided in [1] to dope the emitter of the bipolar transistor low with doping atoms in a concentration of approximately 10 cm
Die Basis des aus [1] bekannten Bipolartransistors hingegen wird hoch dotiert mit Dotierungsatomen in einer KonzentrationThe base of the bipolar transistor known from [1], on the other hand, is highly doped with doping atoms in one concentration
20 -3 der Dotieratome von ungefähr 10 cm20 -3 of the doping atoms of approximately 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 .In this way it is achieved that with low doping of the emitter a high doping of the base is made possible without the blocking capability of the emitter-base junction of the bipolar transistor being lost.
Um die Transitfrequenz zu erhöhen, enthält die Basis des in [ 1 ] beschriebenen Transistors Germanium.To increase the transit frequency, the base of the transistor described in [1] contains germanium.
Weiterhin ist in [ 2 ] die Verringerung der Bordiffusion durch Zugabe von Kohlenstoff-Atomen für einen Transistor mit Epitaxieemitter beschrieben .Furthermore, [2] describes the reduction in on-board diffusion by adding carbon atoms for a transistor with an epitaxial emitter.
Ferner ist aus [ 3] ein Bipolartransistor bekannt , der eine sehr hohe maximale Schwingfrequenz fmax von 74 GHz aufweist .Furthermore, a bipolar transistor is known from [3], which has a very high maximum oscillation frequency f max of 74 GHz.
[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[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
+ einer p -dotierten zweiten Basisschicht j eweils aus Gallium-+ a p -doped second base layer, each made of gallium-
Arsenid aufgebracht ist .Arsenide is applied.
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 .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.
Weiterhin zeigt [7] einen Silizium-Bipolartransistor, welcher eine zwei Basisschichten aufweisende Basis enthält, wobei auf[7] furthermore shows a silicon bipolar transistor which contains a base having two base layers, wherein on
+ einem n-dotierten Kollektor eine erste, p -dotierte+ an n-doped collector, a first, p -doped
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.Base layer is applied and on this a p-doped second base layer. On the second base layer there is an n- doped, ie weakly doped first intermediate layer applied and only then the highly doped 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.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.
In [8] ist ein Leistungstransistors beschrieben, bei dem in der Basisschicht eine weitere Schicht des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Basisschicht liegt.[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] beschreibt einen Transistor, bei dem der Emitterzone eine Zone vom Leitungstyp der Basiszone vorgelagert ist, deren[9] describes a transistor in which a conduction zone of the base zone is located in front of the emitter zone, the
Störstellenkonzentration kleiner ist als die der Basiszone,Impurity concentration is lower than that of the base zone,
16 3 jedoch mindestens 10 Störstellen pro cm beträgt.16 3 but at least 10 defects per cm.
[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.[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] beschreibt einen Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Charakteristik und einem Halbleiterkörper mit der[11] describes a transistor for switching with a partially falling characteristic and a semiconductor body with the
+ + , + + Zonenfolge npp n bzw. pnn p .+ +, + + Zone sequence npp n or 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.[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.
Weitere GaAs-Bipolartransistoren sind in [13], [14] und [15] beschrieben.Further GaAs bipolar transistors are described in [13], [14] and [15].
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.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].
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.The problem is solved by the silicon bipolar transistor, the circuit arrangement and by the method for producing a silicon bipolar transistor with the features according to the independent claims.
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 dieA 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
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.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.
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.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. In contrast, the first base region has a high doping with the doping atoms, for example with boron atoms.
Die Begriffe "niedrige Dotierung" und "hohe Dotierung" sind im Rahmen dieser Erfindung derart zu verstehen, dass dieThe terms “low doping” and “high doping” are to be understood in the context of this invention in such a way that the
3 Anzahl der Dotierungsatomen pro cm bei hoher Dotierung verglichen mit niedriger Dotierung erheblich größer ist, vorzugsweise um mindestens einen Faktor zwei größer ist.3 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.
Beispielsweise kann der zweite Basisbereich eine DotierungFor example, the second base region can be doped
17 19 3 von 5 x 10 bis 1 x 10 Dotierungsatomen pro cm aufweisen17 19 3 of 5 x 10 to 1 x 10 doping atoms per cm
19 und der erste Basisbereich eine Dotierung von 10 bis ca.19 and the first base region has a doping of 10 to approx.
20 , 320, 3
2 x 10 Dotierungsatomen pro cm .2 x 10 doping atoms per 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.The invention can clearly be seen in that 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.
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.In this way 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.
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:According to one embodiment of the invention, 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:
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.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. Furthermore, 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.
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.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.
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.In order to further reduce the diffusion of the individual doping atoms between the first base region and the second base region, it is advantageous, according to one embodiment of the invention, to supply carbon atoms to the base in order to reduce the diffusion of the boron doping atoms, for example.
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.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.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, den zweiten Basisbereich mit einer KonzentrationAccording to a further embodiment of the invention, the second base region is provided with a concentration
18 —3 von ca. 5 x 10 cm und den ersten Basisbereich mit18-3 of approx. 5 x 10 cm and the first base area with
19 -3 3 x 10 cm Dotierungsatomen zu dotieren.19 -3 3 x 10 cm doping atoms.
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. DieAs described in [3], 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-Struktur weist betrachtet von unten nach oben auf: • p+-Polysilizium,
• TEOS ,Viewed from bottom to top, the sandwich structure has: • p + polysilicon, • TEOS,
• Nitrid .• nitride.
Die Seitenwand des Emitterfensters wird durch einen Nitrid- Spacer ausgebildet.The side wall of the emitter window is formed by a nitride spacer.
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.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].
Weiterhin ist es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, anstelle von Bor-Atomen Aluminium-Atome oder auch Gallium-Atome als Dotierungsatome einzusetzen.Furthermore, it is provided according to a preferred embodiment of the invention to use aluminum atoms or also gallium atoms as doping atoms instead of boron atoms.
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 geringereHowever, the use of boron atoms has the advantage that the boron atoms are usually smaller than the other known doping atoms, which of course can be used alternatively
Diffusionsgeschwindigkeit aufweist, was insbesondere zum Herstellen der zwei Basisbereiche mit stark unterschiedlicher Dotierung vorteilhaft ist.Diffusion speed has, which is particularly advantageous for producing the two base regions with very different doping.
Eine Schaltungsanordnung mit mindestens einem solchenA circuit arrangement with at least one
Bipolartransistor eignet sich insbesondere für den Einsatz in Hochfrequenz-Anwendungen, beispielsweise im Mobilfunkbereich oder allgemein bei hochgetakteten Prozessoren.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.
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.In a method for producing a bipolar transistor, after the insulation, that is to say after the collector has been formed, 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. It should be noted that the incorporation of the doping atoms is, in a first approximation, linear to the partial pressure used during the gas phase epitaxy.
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.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.
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.With the formation of the base, 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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigenShow it
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Bipolartransistor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;1 shows a cross section through a bipolar transistor according to an embodiment of the invention;
Figuren 2a bis 2c Querschnitte durch die Struktur des Bipolartransistors zu unterschiedlichenFigures 2a to 2c cross sections through the structure of the bipolar transistor to different
Herstellungszeitpunkten; und
Figur 3 eine Skizze des Dotierungsprofils des Bipolartransistors aus Figur 1.Production times; and FIG. 3 shows a sketch of the doping profile of the bipolar transistor from FIG. 1.
Fig.l zeigt einen Bipolartransistor 100 mit einem Basis- Anschluss 101, einem Emitter-Anschluss 102 und einem Kollektor-Anschluss 103.1 shows a bipolar transistor 100 with a base connection 101, an emitter connection 102 and a collector connection 103.
Der Basis-Anschluss 101 ist über eine p-dotierte Polysilizium-Schicht 104 mit zwei Basisbereichen, die die Basis bilden, gekoppelt.The base connection 101 is coupled via a p-doped polysilicon layer 104 to two base regions which form the base.
Ein erster Basisbereich 105 weist eine hohe Dotierung vonA first base region 105 has a high doping of
19 3 x 10 Dotierungsatomen, gemäß diesem Ausführungsbeispiel von Bor-Atomen, auf.19 3 x 10 doping atoms, according to this embodiment of boron atoms.
Auf dem ersten Basisbereich 105 ist eine zweite Basisschicht 106 als zweiter Basisbereich mittels Gasphasenepitaxie aufgewachsen, wobei die Dotierung des zweiten BasisbereichsA 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 ungefähr bei 5 x 10 Dotierungsatomen pro cm liegt.18 3 106 is approximately 5 x 10 doping atoms per cm.
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 108The 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. There is an n -doped layer 108 in the collector layer
+ eingebettet (n -Buried Layer) .+ embedded (n -Buried Layer).
Über die n -dotierte Schicht 108 ist der Kollektor 107, d.h. die Kollektorschicht 107, mit dem Kollektor-Anschluss 103 gekoppelt.Over the n -doped layer 108, the collector 107, i.e. the collector layer 107, coupled to the collector connection 103.
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.The method for producing the bipolar transistor described below, as shown in FIGS. 2a to 2c, corresponds essentially to the production method as described in [3] for a Bipolar transistor with a homogeneously doped base has been described.
Ein Unterschied im Herstellungsverfahren ist jedoch im Rahmen der Bildung der Basisschicht vorgesehen.However, a difference in the manufacturing process is envisaged in the formation of the base layer.
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 .Starting from a silicon-containing collector layer 107, as described in [3], 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).
Die Sandwich-Struktur weist betrachtet von unten nach oben folgende Schichten auf:When viewed from bottom to top, the sandwich structure has the following layers:
• p-i—Polysilizium,P-i — polysilicon,
• TEOS,• TEOS,
• Nitrid.• nitride.
Die Seitenwand des Emitterfensters wird durch einen Nitrid- Spacer ausgebildet.The side wall of the emitter window is formed by a nitride spacer.
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.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].
17 -3 Die Kollektorschicht 107 ist mit 2 x 10 cm17 -3 The collector layer 107 is 2 x 10 cm
Dotierungsatomen n-dotiert.Doping atoms n-doped.
Nachdem dünne Nitrid-Spacer 203 auf der Sandwich-Struktur 201 gebildet worden sind, wird die Oxidschicht 202 mittelsAfter thin nitride spacers 203 have been formed on the sandwich structure 201, the oxide layer 202 is formed
+ Nassätzens unterhalb der p -dotierten Polysilizium-Schicht+ Wet etching below the p -doped polysilicon layer
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 208.204 undercut, so that about 0.1 μm wide contact areas 205 arise. In a further step (cf. FIG. 2b), 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.
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),According to this exemplary embodiment, 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 ),
• Chlor-Wasserstoff (HC1) ,Chlorine-hydrogen (HC1),
• Germanium-Wasserstoff (GeH/j),Germanium hydrogen (GeH / j),
• Methylsilan (SiH3CH3), welche Gase im Rahmen der Gasphasenepitaxie bei einem• Methylsilane (SiH3CH 3 ), which gases in the context of the gas phase epitaxy at a
-4 -2 Partialdruck von 10 - 10 vom Totaldruck, der im Rahmen der Gasphasenepitaxie eingesetzt wird, verwendet.-4 -2 partial pressure of 10 - 10 of the total pressure used in the gas phase epitaxy.
Als Dotiergas wird Diboran (B2Hg) beim Bilden der erstenDiborane (B2Hg) is used as the doping gas when the first is formed
-5 Basisschicht 207 mit einem Partialdruck von 10 des Totaldrucks verwendet. Dabei wird Germanium-Wasserstoff bei-5 base layer 207 used with a partial pressure of 10 of the total pressure. Germanium hydrogen is added
-4 einem Partialdruck von 10 der ersten Basisschicht zugegeben, so dass die erste Basisschicht eine Konzentration-4 added a partial pressure of 10 of the first base layer so that the first base layer has a concentration
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 .19 of germanium atoms of approximately 20% for 3 x 10 boron atoms, so that, for example, the doping profile for germanium described in [5] results, as shown in FIG.
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.As a result of the dependence of the concentration of the doping in a first approximation, linearly to the partial pressure, 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.
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.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.
Auf der ersten Basisschicht 207 wird unter Verwendung vonOn the first base layer 207, using
Diboran (B2Hg) die zweite Basisschicht 208 mit einemDiboran (B2Hg) the second base layer 208 with a
-6 Partialdruck von 10 des Totaldrucks gebildet.-6 partial pressure formed from 10 of total pressure.
Wiederum wird Germanium-Wasserstoff entsprechend dem in Fig.3 dargestellten Profil während des Bildens der zweitenAgain, germanium hydrogen is generated according to the profile shown in Figure 3 during the formation of the second
-5 Basisschicht 208 zugegeben, bei einem Partialdruck von 10 vom Totaldruck.-5 base layer 208 added, at a partial pressure of 10 of the total pressure.
Es entsteht somit die zweite Basisschicht 208 mit einerThe second base layer 208 with one is thus formed
18 Dotierungskonzentration von ungefähr 5 x 10 Bor-18 doping concentration of approximately 5 x 10 boron
3 Dotierungsatomen pro cm und ungefähr 5% Germanium-Atomen,3 doping atoms per cm and approximately 5% germanium atoms,
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.According to this exemplary embodiment, 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.
In einem weiteren Schritt (vgl. Fig.2c) werden die Nitrid-In a further step (see Fig. 2c) the nitride
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.Spacer 203 removed using phosphoric acid and according to the method described in detail in [3], 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.
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.Along the ordinate 301, which describes the local orientation against the growth direction of the individual layers within the bipolar transistor 100, the respective concentration of the doping atoms in the respective layer is represented by means of the abscissa 302.
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.It is advantageous to make the first base region as narrow as possible and to dope it high in order to keep the transit time of the electrons over the base low.
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 zweitenStarting from an emitter doping curve 303, which represents the doping concentration of the doping atoms in the emitter layer 209, a second basic doping curve 304 is then used along the second
Basisweite W2 der Verlauf der Dotierung von Bor-Atomen in derBase width W2 the course of the doping of boron atoms in the
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 ersten18 3 second base layer 208 of 5 x 10 boron atoms per cm, which is step-shaped, i.e. essentially jumps into a high doping in the first base region, i.e. the first base layer 207 with the first
Basisweite Wl, in der eine Dotierung von Bor-Atomen vonBase width Wl, in which a doping of boron atoms from
19 3 3 x 10 Bor-Atomen pro cm (symbolisiert durch den ersten19 3 3 x 10 boron atoms per cm (symbolized by the first
Basis-Dotierungsverlauf 305) .Basic doping curve 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 .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.
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.
It has been found experimentally that such a bipolar transistor with the doping profile shown above a sheet resistance of the base of usually 7 kΩ halved by using the base profile to 3.5 kΩ, the transit time τ of the bipolar transistor increasing only insignificantly from 1.5 ps with a homogeneous base to a transit time with a divided base with different doping to 1.6 ps ,
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:The following publications are cited in this document:
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Transistors in an Epi-Free Well, Single-Polysilicon Technology, IEDM 98, S. 703 - 706, 1998Transistors in an Epi-Free Well, Single-Polysilicon Technology, IEDM 98, pp. 703-706, 1998
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[5] Niu Guofu et al, Noise Parameter Modeling and SiGe[5] Niu Guofu et al, Noise Parameter Modeling and SiGe
Profile Design Tradeoffs for RF Applications, Proc. Of the 2nd Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems, S. 9 - 14, 2000Profile Design Tradeoffs for RF Applications, Proc. Of the 2nd Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems, pp. 9 - 14, 2000
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[14] JP 03-280 546[13] US 4,593,305 [14] JP 03-280 546
[15] JP 03-192 727
[15] JP 03-192 727
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
100 Bipolartransistor100 bipolar transistor
101 Basis-Anschluss101 basic connection
102 Emitter-Anschluss102 Emitter connection
103 Kollektor-Anschluss103 Collector connection
104 p-dotierte Polysilizium-Schicht104 p-doped polysilicon layer
105 Erste Basisschicht105 First base layer
106 Zweite Basisschicht106 Second base layer
107 Kollektorschicht107 collector layer
108 n-dotierte Schicht108 n-doped layer
201 Sandwich-Struktur201 sandwich structure
202 Kollektorschicht202 collector layer
203 Nitrid-Spacer203 nitride spacer
204 p-dotierte Polysilizium-Schicht204 p-doped polysilicon layer
205 Unterätzter Kontaktbereich205 underetched contact area
206 Basis206 base
207 Erste Basisschicht207 First base layer
208 Zweite Basisschicht208 Second base layer
209 Emitterschicht209 emitter layer
210 Spacer210 spacers
300 Dotierungsprofil300 doping profile
301 Ordinate301 ordinate
302 Abszisse302 abscissa
303 Emitter-Dotierung303 emitter doping
304 Dotierungsverlauf zweiter Basisbereich304 doping curve second base region
305 Dotierungsverlauf erster Basisbereich305 Doping course of the first base region
306 Konzentrationsverlauf Basis mit Germanium
306 Concentration course base with germanium