SE501218C2 - Lateral bipolär transistor med variabel basvidd och ett förfarande för styrning av basvidden - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 PJ 501 218 Qe Hfe = š Ur ekvationen framgär att transistorns förstärkning kan ökas genom att basladdningen sänks med bibehållen emitterladdning.

Basladdningen kan sänkas genom att minska basvidden. Att minska basvidden genom att andra i transistorns tillverkningsprocess har visat sig vara svärt, eftersom de litografiska metoder som används vid tillverkningen har svärt att klara basvidder mindre än l um.

En annan typ av transistor är MOS-transistorn som visas i figur 2a. Pä ett P-dopat halvledarsubstrat har anordnats tvà kraftigt N-dopade omräden 2l, 22, vilka försetts med varsin kontakt. De N-dopade omrädena skiljs ät av ett P-dopat omräde som utgör kanalomräde 23. anordnad ovanpà ett tunt isolerande skikt 25, Ovanför kanalomrädet är en styrelektrod 24 som fungerar som en isolator mellan substratet och styrelektroden.

MOS-transistorn är normalt oledande, eftersom P-omradet förhindrar ledning mellan de bäda N-dopade omrädena. Om emellertid styrelektroden päfors en tillräckligt stor positiv spänning relativt näraliggande kontakt och substrat, uppträder Falteffekt innebär att fälteffekt i kanalomrädet, se figur 2b. fria elektroner rör sig mot elektroden, vilket medför att i kanalomràdet närmast kiselskiktets yta utbildas en N-ledande kanal 26.

Det är tidigare känt att kombinera en bipolär transistor och en MOS transistor i samma integrerade krets. 4,965,872 frän 23 bipolär transistor utförd i SOI teknik I US-patentet oktober 1990 finns beskrivet en lateral (Silicon on Isolator), vilket innebär att transistorn är utförd pä en halvledäre pä ett isolerande lager. Över transistorns basomräde finns en isolerad styrelektrod som kontrollerar basens resistans. Genom att ge styrelektroden en negativ potential övergär basomràdet frän att vara ett P* omräde till ett P* omräde, vilket innebär att basresistansen minskar, och transistorns förstärkning ökar. 10 15 20 25 30 35 501 218 En nackdel med ovanstäende metod att framställa en lateral bipolär transistor med hög förstärkning är att framställning enligt SOI-teknik är mycket dyrare och mer komplicerad än användning av traditionella tillverkningsmetoder. En annan nackdel är att basvidden inte kan varieras utan bestäms av storleken pä styrelektroden, vilket sätter gränser för hur höga frekvenser transistorn kan klara.

Ett ändamäl med uppfinningen är att anvisa en elektrodstyrd lateral bipolär transistor som har hög gränsfrekvens och en hög förstärkning, som är billig och enkel att tillverka, och där tillverkningen av transistorn endast kräver ett fätal ytterligare masknings- eller dopningsförfaranden, förutom de som används vid tillverkning av vanliga standard CMOS kretsar. Ett annat ändamäl med uppfinningen är att anvisa ett förfarande för styrning av transistorns basvidd.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning avser en lateral bipolär transistor innefattande en halvledarkropp som har ett med en basanslutning försett basomràde, ett med en emitteranslutning försett emitteromräde och en med kollektoranslutning försett kollektoromràde. och kollektoromrädet. att minska basvidden ästädkommes en högre förstärkning, vilket i Basomrädet angränsar till bade emitteromrädet Basomrädet har en variabel basvidd. Genom sin tur leder till att transistorn fär en högre gränsfrekvens.

Med basvidd avses här den effektiva basvidden.

Basomrädet gränsar till kollektoromrädet i vertikalled via en bas-kollektorövergäng. Den variabla basvidden erhålles genom att en frän halvledarkroppen isolerad styrelektrod anordnas över den del av basomrädet som är belägen mellan emitteromrädet och bas- kollektorövergängen, samt över ett till bas-kollektorövergángen angränsande parti av kollektoromrädet. Styrelektroden kan med fördel sträcka sig över hela kollektoromràdet.

Uppfinningen avser även ett förfarande för styrning av transistorns basvidd. När styrelektroden spänningssätts 10 l5 20 25 30 35 501 218 uppträder falteffekt i basomrädet vilket innebär att basomrädet minskar i storlek samtidigt som kollektoromrädet ökar i storlek.

Genom att variera spänningen pä styrelektroden kan storleken pa basvidden och därmed forstärkningen styras.

FIGURBESKRIVNING Figur l visar en känd bipolär transistor.

Figur 2a och 2b visar en känd MOS-transistor.

Figur l-2 har behandlats ovan.

Figur 3a och Bb visar ett snitt genom en bipolär transistor enligt uppfinningen.

Figur 4a, 4b och 4c visar nägra viktiga steg i framställningsprocessen av den bipolära transistorn enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPLEL Figur Ba visar ett exempel pä en bipolär transistor enligt uppfinningen. I figuren visas en NPN~transistor, men uppfinningen är tillämpbar även pä en PNP-transistor.

Transistorn utförs pä ett substrat 1 i ett halvledarmaterial, tex kisel, som har en svag grunddopning. Emitter, bas och kollektoromräden utformas som dopade omràden i halvledarsubstratet. I detta exempel bestär substratet av en svagt P-dopad kiselskiva.

Transistorn har ett P-dopat basomräde 2 vilket innefattar ett närmast kiselytan anordnat hogre dopat baskontaktomräde 2a. I basomrádet finns närmast kiselytan anordnat ett starkt N-dopat emitteromräde 3. Till basomrädet angränsar ett N-dopat kollektoromräde 4, kraftigt N-dopat kollektorkontaktomràde 4a. Emitteromrädet 3 är vilken innefattar ett vid ytan anordnat beläget mellan baskontaktomrädet 2a och kollektorkontaktomràdet 10 15 20 25 30 35 501 218 4a. De kraftigare dopade omradena 2a,3,4a utgör kontaktomräden och är försedda med metallkontakter 5,6,7, vilka är försedda med anslutningar B, E resp C som utgör transistorns huvudanslutningar. ' De olika omrädena är alstrade genom jonimplantation, följt av en diffusion av dopingämnen, tex fosfor för de N-dopade områdena och bor för de P-dopade omrädena. Med en dopningsdos avses den totala dopningen per ytenhet av ett skikt lika med dopningskoncentrationen integrerad över skiktets tjocklek.

Dopningsdosen är tex N 5 * 1012 cm"2.

P 2 * 1013 cm~2.

P+/N+ 5 * 1015 cm-2.

En bas-kollektorövergäng ll utgörs av den vertikala PN- övergängen mellan basomrädet 2 och kollektoromrädet 4.

Ovanför omradet mellan emitteromrädet 3 och kollektorkontaktomrädet 4a, och skilt frän kislet av ett tunt isolerande skikt av tex kiseldioxid 8 är en styrelektrod 9 anordnad. Styrelektroden kan exempelvis utgöras av polykristallint kisel med lämplig dopning och är försedd med en metallkontakt lO, vilken i sin tur är förbunden med en styranslutning G. Styrelektroden bildar tillsammans med emitteromrädet 3, kollektoromrädet 4 och basomràdet 2 en MOS- transistor. Kanalomräde i MOS-transistorn utgörs av den del av basomrädet som ligger mellan emitteromrädet och bas- kollektorövergängen. Styrelektroden sträcker sig i det här exemplet över hela kollektoromrädet vilket har den fördelen att kollektorresistansen kan moduleras.

Figur Bb visar hur basvidden i den bipolära transistorn minskar när styrelektroden päförs en positiv spänning relativt emittern.

Med början vid bas-kollektorövergängen utbildas i det P-dopade basomrädet 2 pä grund av fälteffekt ett N-ledande omrâde 30.

Genom att öka den positiva spänningen pä styrelektroden 9 växer det N-ledande omradet i storlek, vilket medför att basvidden 10 15 20 25 30 35 501 218 minskar. Spanningen pa styrelektroden 9 far inte vara sa hög att en ledande kanal utbildas mellan emitteromradet 3 och kollektoromradet 4. Tröskelspanningen, dvs den spannings skillnad mellan emittern och styrelektroden för vilken en kanal bildas, ligger pa ca 1 - 5 V.

I figur 3b visas ett exempel dar basanslutningen (B) har kopplats ihop med styranslutningen (G)\ Eftersom den maximala bas-emitterspanningen ar ca 0.7 V, vilket ar langt under tröskelspanningen, ar det da ingen risk att det utbildas en ledande kanal mellan emitter- och kollektoromradena.

I övergangen mellan basomradet och kollektoromradet finns alltid ett utarmningsomrade vars storlek beror pa backspanning mellan bas och kollektor. Om basvidden görs för smal finns risk för punch-through, vilket innebar att utarmningsomradet fyller upp hela langden av basomradet och transistorn far ett sammanbrott.

Detta satter en nedre grans för hur smal basvidden WB kan göras, vid en given spanning.

För en PNP-transistor galler detsamma som beskrivits ovan, men dopningar och polaritet pa styrelektroden blir omvända.

En komponent enligt uppfinningen kan framstallas pa ett flertal olika satt. En föredragen framstallningsmetod ar CMOS-bulk- teknik, 4a, 4b, dopad kiselskiva l med en resistivitet i storleksordningen 10 - 15 Qcm. som skall beskrivas nedan i anslutning till figurerna 4c. Utgangsmaterialet ar i detta exempel en svagt P- Genom implantation av fosfor bildas en N-dopad ficka 4 i kiselskivan. N-fickans djup DC har ett typiskt matt pa 4 pm, men kan variera mellan l um - 5 pm. Med hjalp av en normal LOCOS- process alstras sedan en faltoxid i utvalda omraden 40. Nar flera komponenter tillverkas pa samma kiselskiva har faltoxidomradena till uppgift att skilja komponenterna at.

Darefter alstras det tunna styroxidskikt 8 som isolerar styrelektroden fran kiselskivan. Styroxidskiktet har en tjocklek av ca 35 nm. Vidare alstras ovanpa styroxiden ett skikt av

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 501 218 polykisel 9, vilket har en tjocklek av ca 500nm och utgör styrelektroden. Styrelektrodens bredd WG kan variera mellan 0.2 pm - 2 pm. Med polykislet som mask bildas därefter ett P- basomräde 2 genom implantation av bor. Djupet pa basomràdet DB är ca 0.4 pm - 1.0 um. Längden L pä basomrädet är okritisk. Figur 4a visar resultatet av ovanstående steg i framställningsprocessen. Genom en värmebehandling av kiselskivan i lO50°C i ca en timme erhälles en diffusion av P-basomrädet ät sidorna och pä djupet. I figur 4b visas hur P-basomrädet efter värmebehandlingen sträcker sig in under polykislet. Basvidden WB utgör längden av den del av basomrädet som sträcker sig in under styrelektroden. och kan variera mellan 0.2 pm och l.0pm. I figur 4c visas nästa steg där de kraftigt N-dopade kontaktomrädena 3, 4a bildas genom jonimplantation av arsenik, och det kraftigt P-dopade kontaktomrädet 2a bildas genom jonimplantation av BF2. Djupet pä kontaktomràdena DK är 0.1 um - 0.5 um. Längden pä kontaktomrädena kan variera. Därefter följer en normal metalliserings- och kontakteringsprocess. En transistor enligt uppfinningen kan även utföras i SOI-teknik. PAT ENTKRAV

1. l. Lateral bipolär transistor med varabel basvidd, varvid och innefattar. (3). försett kollektoromräde transistorn är anordnad i en halvledarkropp (1) - ett med en emitteranslutning (E) försett emitteromràde - ett med en kollektoranslutning (C) (4), - ett med en basanslutning (B) försett basomräde (2), som gränsar till kollektoromrädet via en bas-kollektorövergàng (ll), och - en med en styranslutning (G) försedd styrelektrod (9), vilken är skild fran halvledarkroppen av ett isolerande skikt (8), och styrelektroden (9) är anordnad över den del av basomrädet (2) som är belägen mellan emitteromrädet (3) och bas- lO 15 20 25 30 (35 501 218 (ll) kollektorovergängen angränsande parti av kollektoromrädet kollektorövergängen samt över ett till bas- (4), k ä n n e t e c k n a d a v att transistorn är anordnad sä att spänningsskillnaden mellan emitteranslutningen och styr- elektroden alltid understiger en tröskelspänning, för vilken en ledande kanal bildas mellan emitteromràdet och kollektoromràdet.

2. En lateral bipolär transistor enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att basanslutningen (B) är ansluten till styranslutningen (G).

3. En lateral bipolär transistor enligt patentkrav l eller 2 att emitteromrädet (3) är anordnat (B,C) k ä n n e t e c k n a d a v i basomrädet (2) och mellan anslutningarna för bas respektive kollektor.

4. , Forfarande for styrning av en lateral bipolär transistors basvidd (WB), vilken transistor är anordnad i en halvledarkropp (l) och innefattar, (3), försett kollektoromràde - ett med en emitteranslutning (E) försett emitteromràde - ett med en kollektoranslutning (C) (4), - ett med en basanslutning (B) och, (2), gränsar till kollektoromrädet via en bas-kollektorövergäng (9), vilken skikt (8), att en spanningsignal päföres försett basomräde som (ll), - en med en styranslutning (G) försedd styrelektrod är skild frän halvledarkroppen av ett isolerande k ä n n e t e c k n a t a v styranslutningen (G) för styrning av basvidden.

5. Förfarande for styrning av en lateral bipolär transistors basvidd (WB) k ä n n e t e c k n a t enligt patentkrav 4, a v att vid ett N-dopat basomràde skall styrelektroden (9) paforas en positiv potential relativt emitteromradet, respektive vid P-dopat basomräde skall styrelektroden päforas en negativ potential relativt emitteromràdet.

6. Förfarande för styrning av en lateral bipolär transistors basvidd (WB) enligt patentkrav 4 eller 5, 501 218 k a^n n e t e c k n a t a v att den paforda spänningssignalens maximala storlek är i beroende av att en troskelspànning, för vilken en ledande kanal bildas mellan emitceromrádet och kollektoromradet, alltid ska understigas.