DE10005405A1 - Schichtstapel für pnp-Heterobipolar-Transistor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schichtstapel für einen Si-basierenden pnp-Heterobipolar-Transistor für den Einsatz in schnellen integrierten Schaltkreisen. Es soll ein Schichtstapel vorgeschlagen werden, bei dem es nicht zur Bildung von Barrieren für die Löcherbewegung im Valenzband kommt und der höhere Transitfrequenzen für pnp-Transistoren ermöglicht. Erfindungsgemäß ist eine p-leitend dotierte Kollektorschicht aus Silizium von einer p-leitend dotierten Emitterschicht aus Silizium durch eine n-leitende Basisschicht aus einem modifizierten Silizium getrennt. Die n-leitende Si-Schicht wird durch die Zugabe von Fremdatomen derartig verändert, daß sie eine kleinere Bandlücke als Silizium aufweist. Der Offset im Bandkantenverlauf liegt im wesentlichen im Leitungsband. Die Basisschicht aus Silizium wird neben einer n-leitenden Dotierung durch den zusätzlichen Einbau von Kohlenstoff-Atomen modifiziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtstapel für einen Si-basierenden pnp-Heterobipolar- Transistor für den Einsatz in schnellen integrierten Schaltkreisen.

Neben der Verwendung von Galliumarsenid zur Herstellung von Höchstfrequenztransistoren finden auch Silizium-basierende Bipolartransistoren infolge der geringeren Herstellungsko­ sten zunehmend Anwendung in den Höchstfrequenzbereichen.

Solche Transistoren bestehen meist aus einem n-leitenden Kollektor, einer p-leitenden Basis und einem n-leitenden Emitter (npn-Transistoren). Bekannt geworden sind auch Versuche mit npn-Transistoren, bei denen durch die Verwendung einer heteroepitaktisch aufgetragenen Basisschicht, bestehend aus einer Silizium-Germanium-Mischschicht, deutliche Vorteile be­ züglich der Hochfrequenzeigenschaften erreicht wurden. Begründet ist dieser Erfolg im we­ sentlichen darin, daß die Silizium-Germanium-Mischschicht eine kleinere Bandlücke als rei­ nes Silizium besitzt. Dadurch wird die Barriere für die Elektronenbewegung durch die Basis verringert. Bestimmte Schaltungsanwendungen erfordern jedoch eine Umkehr der Dotierun­ gen, d. h. einen pnp-Transistor mit einer p-leitenden Emitterschicht, einer n-leitenden Basis­ schicht und einer p-leitenden Kollektorschicht.

In dem Bestreben, die für npn-Transistoren so vorteilhafte Silizium-Germanium-Mischschicht auch für pnp-Transistoren einzusetzen, wurden auch gewisse Verbesserungen erzielt, bei­ spielsweise eine zweifache Verbesserung der Transitfrequenz. Erreicht wurde diese Verbesse­ rung durch die Verwendung eines schmalen Basisprofils in dem Schichtaufbau und durch ein retrogrades Ge-Profil über die Basis hinaus in die Basis-Kollektor-Übergangsschicht. Numerische Simulationen zeigten jedoch, daß die maximal erreichbare Transitfrequenz sehr empfindlich auf die Position des retrograden Ge-Profils in Bezug auf das Basis-Kollektor- Dotierungsprofil reagiert. Ein solches Verhalten birgt erhebliche Gefahren für die Stabilität in einer Fertigung. Darüber hinaus wurde aber auch erkannt, daß aufgrund der unterschiedlichen Bandstrukturen neben der vorteilhaften kleineren Bandlücke ebenfalls zusätzliche, störende Barrieren für die Bewegung der Löcher im Valenzband auftreten. Da aber im Falle des pnp-Transistors die Beweglichkeit der Löcher bestimmend für die Transistorgeschwindigkeit ist, beschränken diese Barrieren das Hochfrequenzverhalten dieser SiGe-basierenden pnp-Heterobipolar-Transistoren, so daß trotz der erzielten Verbesserungen das Resultat unbe­ friedigend ist (siehe Tech. Dig. IEDM 1990, p. 33).

Aufgabe der Erfindung ist es, die erkannten Beschränkungen zu überwinden und unter Aus­ nutzung der geringeren Herstellungskosten für Si-basierende pnp-Heterobipolar-Transistoren einen Schichtstapel vorzuschlagen, bei dem es nicht zur möglichen Bildung von Barrieren für die Löcherbewegung im Valenzband kommt und der somit prinzipiell höhere Transitfrequen­ zen für pnp-Transistoren ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine p-leitend dotierte Kollektor­ schicht aus Silizium von einer p-leitend dotierten Emitterschicht aus Silizium durch eine n-leitende Basisschicht aus einem modifizierten Silizium getrennt ist. Diese n-leitende Si-Schicht wird durch die Zugabe von Fremdatomen derartig verändert, daß sie eine kleinere Bandlücke als Silizium aufweist. Im Unterschied zu den bekannten SiGe-Schichten soll je­ doch der Offset im Bandkantenverlauf im wesentlichen im Leitungsband liegen. Dazu wird die Basisschicht aus Silizium neben einer n-leitenden Dotierung durch den zusätzlichen Ein­ bau von Kohlenstoff-Atomen modifiziert. Die Konzentration der in das Si-Gitter eingebauten Kohlenstoff-Atome liegt im Bereich von 0,1 bis 5 Atomprozent.

Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu meh­ reren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der zugehörigen Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schichtstapels für einen pnp-Heterobipolar-Transistor und

Fig. 2 Diagramm des Leitungs- und Valenzbandes für den in Fig. 1 gezeigten Schichstapel im Vergleich zu den bekannten [a)] p-Si/n-Si/p-Si-Stapeln (gezeigt im spannungslo­ sen Zustand)

In Fig. 1 zeigt der schematische Aufbau eines Schichtstapels für einen pnp-Heterobipolar- Transistor, bestehend aus einer p-leitend dotierten Kollektorschicht 1 aus Silizium und einer ebenfalls p-leitend dotierten Emitterschicht 2 aus Silizium. Beide Schichten sind voneinander durch eine n-leitend dotierte Basisschicht 3 aus Silizium getrennt. Das Silizium der Basis­ schicht 3 ist zusätzlich durch in das Gitter eingebaute Kohlenstoff-Atome verspannt. Der Aufbau des Schichtstapels wird deshalb als schematisch bezeichnet, weil einerseits die realen Größenverhältnisse hier unberücksichtigt bleiben und anderseits sowohl die Lage des Schicht­ stapels zwischen waagerecht und senkrecht variieren kann als auch die Positionen von Emitter und Kollektor verändert sein können. Die letztendlich wahre Lage des Stapels und die Rei­ henfolge seiner Schichten sind unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Lehre durch den konkreten Transistoraufbau und das gewählte Herstellungsverfahren bestimmt. Die Her­ stellung des Schichtstapels folgt zunächst scheinbar in seinen Grundzügen den bekannten Verfahren des Standes der Technik, deren Ausführung aber durch die erfindungsgemäße Leh­ re eine Veränderung erfährt. Auf der reinen Oberfläche des Siliziumsubstrates findet unter Anwendung eines der bekannten Epitaxieverfahren, wie Gasphasen-Epitaxie oder Molekular­ strahl-Epitaxie, eine einkristalline Abscheidung entsprechend dem gewünschten Transistor­ profil statt. Als Kollektorschicht 1 und als Emitterschicht 2 wird p-leitend dotiertes Silizium aufgetragen. Zwischen beiden wird eine n-leitend dotierte Basisschicht 3 aufgebaut. Als Do­ tanden können sowohl Phosphor, Arsen oder Antimon Verwendung finden. Die Konzentrati­ on der Dotanden im Basisgebiet liegt dabei zwischen 5 . 10¹⁸ cm^-3 und 5 . 10²⁰ cm^-3. Dabei kön­ nen die Dotanden sowohl während des epitaktischen Wachstums der Basisschicht 3 durch ein Ko-Verdampfen als auch nach dem Aufbau der Schicht durch Ionenimplantation eingebracht werden. Als Basismaterial findet heteroepitaktisch gewachsenes Silizium Verwendung, das im Gegensatz zum Stand der Technik durch die Zugabe von Kohlenstoff-Atomen verspannt ist. Hierbei entsteht nicht nur eine kleinere Bandlücke als bei reinem Silizium, sondern das Bandlücken-Offset liegt, so wie für einen pnp-Transistor erwünscht, im wesentlichen im Lei­ tungsband. Die Kohlenstoff-Konzentration in der Basisschicht 3 liegt dabei zwischen 0,1 und 5 Atomprozent. Ebenso wie bei den Dotanden ist es für die Funktion der erfindungsgemäßen Lehre ohne Bedeutung, ob die Kohlenstoff-Atome während des epitaktischen Wachstums der Basisschicht 3 oder nachträglich eingebracht werden.

Der Einbau der Kohlenstoffatome in die Basisschicht 3 verursacht eine Verringerung der Bandlücke im Vergleich zu Silizium (Fig. 2). Wie in der Abbildung schematisch gezeigt, ver­ ringert sich damit die Barriere für die Löcherbewegung durch den Transistor. Das führt zu einer Erhöhung der Transitfrequenz. Da im Fall eines undotierten Si/Si_1-yC_y/Si-Schichstapels die Verringerung der Bandlücke im wesentlichen durch einen Offset im Leitungsband hervor­ gerufen wird, entstehen auch bei Anlegung einer Arbeitsspannung an den erfindungsmäßig vorgeschlagenen pnp-Transistor mit der Schichtfolge p-Si/n-Si_1-yC_y/p-Si keine parasitären Barrieren im Valenzband.

In der vorliegenden Erfindung wurde anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels ein Schichtstapel für einen pnp-Heterobipolar-Transistor sowie die Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelementes erläutert. Es sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung in dem Ausführungsbeispiel beschränkt ist, da im Rahmen der Patentansprüche auch Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.

Claims (3)

1. Schichtstapel für einen Si-basierenden pnp-Heterobipolar-Transistor, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine p-leitend dotierte Kollektorschicht (1) aus Silizium von einer p- leitend dotierten Emitterschicht (2) aus Silizium durch eine n-leitende Basisschicht (3) aus einem durch den Einbau von Fremdatomen derart modifizierten Silizium getrennt ist, daß dessen Bandlücke kleiner als die des Siliziums ist, wobei der wesentliche Bandoffset zum Silizium sich im Leitungsband befindet.

2. Schichtstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (3) neben einer n-leitenden Dotierung durch den Einbau von Kohlenstoff-Atomen in das Siliziumgitter modifiziert ist.

3. Schichtstapel nach Ansprüch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Kohlenstoff-Atome in der Basisschicht (3) im Bereich von 0,1 bis 5 Atomprozent liegt.