DE3884665T2

DE3884665T2 - Hochleistungstransistor mit Seitenwandemitter.

Info

Publication number: DE3884665T2
Application number: DE88104842T
Authority: DE
Inventors: Michael Daniel Monkowski; Joseph Francis Shepard
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2008-03-26
Also published as: BR8801815A; CA1277780C; JPH0646638B2; DE3884665D1; EP0290763A1; JPS63292674A; EP0290763B1; AU1566788A; US4847670A; AU601575B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungs-Bipolar-Transistor und spezieller auf einen selbstjustierten Bipolar-Transistor, der mit einem Emitter ausgestattet ist, der lithographieunabhängig und von scharf kontrollierter Submikrometerbreite ist. Sie bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Herstellen desselben.

Hintergrund der Erfindung

Um die Leistungsfähigkeit von bipolaren Bauelementen zu verbessern, sind umfassende Anstrengungen unternommen worden, um neue Herstellungsverfahren zur Erzeugung kleinerer, so eng wie möglich beabstandeter Bauelemente zu entwickeln, die wiederum sowohl eine erhöhte Bauelementdichte als auch eine höhere Schaltgeschwindigkeit (Leistungsfähigkeit) zur Folge haben. Die gegenwärtigen Bipolar-Transistoren nach dem Stand der Technik machen sich solche Merkmale wie äußerst kleine und hoch dotierte Emitter, störstellenleitende und eigenleitende Basiszonen sowie Selbstjustiertechniken zur Kontaktierung der Emitter- und Basiszonen zunutze, um Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Produktionsausbeuten zu verbessern.
Der Ermitter muß zur Reduzierung des Emitterwiderstands hoch dotiert sein, um die Transistorverstärkung zu maximieren. Der Emitter muß äußerst klein sein, um die Emitter-Basis-Kapazität zu minimieren. Zusätzlich zu geringer Emitterausdehnung sollte der Transistor eine enge Toleranz bezüglich dieser geringen Ausdehnung aufweisen, um ein besseres Design des integrierten Schaltkreises zu fördern. Ein kleiner Emitter verbunden mit einer engen Toleranz resultiert in einem schnelleren oder hochleistungsfähigen Transistor.
Der Basisbereich des Transistors, der die (parasitäre) Basis- Kollektor-Kapazität bestimmt, ist einer der wichtigsten, die Leistungsfähigkeit beeinflussenden Parameter. In herkömmlichen Bipolar-Transistoren, bei denen die Basiszone in einem einzigen Verfahrensschritt gebildet wird, ist die aktive Basis der Teil der Basiszone, die direkt unterhalb des Emitters ist. Der Basisanschluß ist auf dem den Emitter umgebenden inaktiven Teil der Basiszone ausgebildet. In bipolaren Bauelementen nach dem Stand der Technik werden diese zwei Teile in zwei verschiedenen Verfahrensschritten gebildet, um dem Erfordernis verschiedener Dotierkonzentrationen für beide Teile Rechnung zu tragen. Die aktive Basis, die schwach dotiert ist, wird eigenleitende Basis genannt, während die inaktive Basis, die stark dotiert ist, um den Basiswiderstand zu reduzieren, als störstellenleitende Basis bezeichnet wird.
Selbstjustierung ist eine von der Halbleiterindustrie zur Reduzierung der Größe und zur Verbesserung der Ausbeuten verwendete Technik. Fehlt sie, kann zum Beispiel eine fehlerhafte Justierung der Emitterzone bezüglich des Basisanschlusses zu Variationen des störstellenleitenden Basiswiderstands führen. Zusätzlich kann diese fehlerhafte Justierung auch eine höhere Emitter-Basis-Spannung auf einer Seite des Emitters im Vergleich zur anderen nach sich ziehen. Selbstjustier-Techniken stellen sich bei der Herstellung integrierter Schaltkreise als absolut notwendig heraus und werden oft mit der Verwendung von dotiertem Polysilizium kombiniert, wobei dessen Fähigkeit ausgenutzt wird, beides darzustellen, eine Dotierquelle (z. B. zur Bildung der störstellenleitenden Basis) und/oder einen Leiter.
Typisch für den Stand der Technik, der Polysilizium-Selbstjustierschemata für die Herstellung bipolarer Bauelemente zeigt, sind jene, die in dem US-Patent 4,507,171 von Bhatia et al, das auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist, und in dem Artikel mit dem Titel "Self-Aligned Bipolar Transistor" von J.F. Shepard, der in IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 27, Nr. 2, Seiten 1008 und 1009, Juli 1984 veröffentlicht wurde, beschrieben sind. Diese Referenzen beschreiben die Verwendung einer dotierten Polysilizium-Seitenwand zur Bildung eines selbstjustierten pn-Übergangs, der dann durch eine horizontale Polysiliziumschicht kontaktiert wird. Der so gebildete Übergang wird als Emitter/Kollektor eines lateralen, bipolaren Bauelements oder als störstellenleitender Basisanschluß eines vertikalen, bipolaren Bauelements verwendet.
Die US-Patente 4,381,953 und 4,319,932, die auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen sind, offenbaren die Verwendung einer Isolator-Seitenwand für eine Selbstjustierung des Emitters zur Basis eines vertikalen Bipolar-Transistors.
US-Patent 4,531,282 von Sakai et al beschreibt einen Bipolar-- Transistor mit einer durch eine dotierte Polysiliziumschicht gebildeten, störstellenleitenden Basis, die auch als selbstjustierter Basisanschluß dient, der den Emitter umgibt. In der Basiszone ist ein inselförmiger Emitter ausgebildet, der vom Basisanschluß durch einen sich zwischen dem Rand des Emitters und dem Basisanschluß erstreckenden Isolator getrennt ist.
Das US-Patent 4,338,138 von Cavaliere et al, das auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist, offenbart ein Verfahren zur Minimierung des störstellenleitenden Basisbereichs eines bipolaren Bauelements, um die Basis-Kollektor-Kapazität zu reduzieren. Die störstellenleitende Basis ist durch ein laterales Eindiffundieren eines Dotierstoffs aus einer dotieren Polysiliziumschicht gebildet, die zusätzlich als selbstjustierter Basisanschluß dient. Wie im Patent von Sakai et al, ist der Emitter im Inneren der Basis ausgebildet.
Die EP-Patentanmeldung PN-Nr. 166923, die auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist, offenbart einen selbstjustierten npn-Transistor, der einen stark dotierten Emitter beinhaltet, der an seinen Seitenwänden durch eine schutzringförmige n-leitende Zone mit einer merklich niedrigeren Störstellenkonzentration als der des Emitters von der störstellenleitenden Basiszone getrennt ist. Der Schutzring befindet sich unterhalb einer isolierenden Abstandsschicht.
Das US-Patent 4,521,952 von Riseman, das auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist, offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines vertikalen bipolaren Bauelements mit selbstjustiertem Silizid-Basisanschluß. Die eigenleitenden und störstellenleitenden Basiszonen sind durch Ionenimplantation gebildet, und der Emitter ist durch Ausdiffusion eines Dotierstoffs aus einer dotierten Polysiliziumschicht gebildet.
Das US-Patent 4,234,357 von Scheppele offenbart die Verwendung von dotiertem Polysilizium, um flache Emitter zu bilden und als Emitteranschlüsse zu dienen.
Ungeachtet des vorerwähnten Standes der Technik für selbstjustierte Polysilizium-Bipolar-Transistoren ist ein Bedarfan einem Bauelement vorhanden, bei dem die Transistorwirkung auf einen äußerst kleinen, von den Anschlußzonen des Bauelements entfernt liegenden Bereich begrenzt ist. Da die Transistorwirkung auf den Emitterbereich (das heißt den Bereich des Emitter- Basis-Übergangs) beschränkt ist, würde ein derartiges Bauelement einen kleinen Emitter aufweisen, dessen Ausdehnung nicht von Lithographie-Beschränkungen abhängig ist. Außerdem sollte die geringe Emitterausdehnung mit einer engen Toleranz verknüpft sein. Ein weiteres Erfordernis des Transistors besteht darin, eine minimale Tiefe des Basis-Kollektor-Übergangs aufzuweisen, da eine derartige Tiefe die Basis-Kollektor-Kapazität minimiert. Noch ein weiteres Erfordernis besteht darin, daß das Bauelement äußerst niedrige Basis- und Emitter-Kontaktwiderstände besitzt. Der Stand der Technik ist nicht in der Lage gewesen, diesen gesamten Anforderungen zu entsprechen.
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, einen neuartigen Hochleistungs-Bipolar-Transistor, der mit einem lithographieunabhängigen und streng kontrollierten submikrometerbreiten Emitter ausgestattet ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wird ein neuartiges, bipolares Bauelement offenbart, das mit einem flachen, submikrometerbreiten und mit einem ersten Leitfähigkeitstyp (im folgenden der Kürze halber als n-Typ bezeichnet) hoch dotierten Emitter versehen ist, der von der störstellenleitenden Basis eines zweiten Leitfähigkeitstyps (im folgenden: p-Typ) völlig getrennt ist. Die innerhalb des Kollektors gebildete, störstellenleitende Basis liegt durch einen dazwischen eingebrachten Isolator unter dem Emitter vertieft und lateral von ihm beabstandet. Das Vertiefen der störstellenleitenden Basis in dieser Art vermindert die Basis-Kollektor-Kapazität beträchtlich. Die Transistorwirkung ist auf den kleinen Emitter begrenzt, der innerhalb der eigenleitenden Basis eingebettet ist, wobei letztere an die störstellenleitende Basis angrenzt, jedoch lateral zu ihr versetzt ist. Der kleine Emitter-Basis- Übergangsbereich hat eine niedrige Emitter-Basis-Kapazität zur Folge, was Leistungsfähigkeit, Emitterwirkungsgrad und Stromverstärkung des Bauelements verbessert. Ein elektrischer Silizid-Kontakt zum Emitter ist durch Verwendung einer dotierten, horizontalen Polysiliziumschicht in Verbindung mit einer vertikalen Polysilizium-Seitenwand, wobei letztere direkt mit dem Emitter in Kontakt ist, von der Zone der Transistorwirkung entfernt angeordnet. Ein selbstjustierter Silizid-Kontakt zur störstellenleitenden Basis ist in unmittelbarer Nachbarschaft des Emitters ausgeführt, um den Emitter-Basis-Serienwiderstand zu minimieren.
Das neuartige Verfahren beinhaltet in einer Ausführungsform das Bilden einer im wesentlichen horizontalen Doppelschicht, die aus einem Isolator und n-dotiertem Polysilizium mit wenigstens einer im wesentlichen vertikalen Oberfläche zusammengesetzt ist, auf einer Kollektorzone aus n-dotiertem, epitaxialem Silizium. Die eigenleitende Basis wird in einem Oberflächenbereich des Kollektors ausgebildet. Eine submikrometerbreite Seitenwand aus n-dotiertem Polysilizium mit einer Breite, die im wesentlichen der gewünschten Breite des Emitters entspricht, wird auf der vertikalen Oberfläche der Doppelschicht aufgebaut. Wenn der gewünschte Teil der eigenleitenden Basis mittels der Polysilizium-Seitenwand geschützt ist, wird durch anisotropes, reaktives Ionenätzen (RIE) ein merklicher Oberflächenteil der freiliegenden eigenleitenden Basis entfernt, um die zukünftige störstellenleitende Basiszone zu vertiefen. Auf dem horizontalen Polysilizium, der Seitenwand und dem vertieften Epi-Silizium wird durch thermische Oxidation eine Oxidschicht gebildet. Das Oxid wird durch RIE überall mit Ausnahme der nicht-horizontalen Oberflächen der Polysilizium-Seitenwand entfernt. In dem vertieften Silizium wird die störstellenleitende Basis derart gebildet, daß sie an die unter der Seitenwand liegende eigenleitende Basis angrenzt. Durch eine thermische Behandlung diffundiert Dotierstoff aus der Polysilizium-Seitenwand in einen den Emitter bildenden Oberflächenbereich der eigenleitenden Basis. Auf der freiliegenden horizontalen Polysiliziumschicht und auf der störstellenleitenden Basis wird ein selbstjustiertes Silizid gebildet. Zum Emitter, der störstellenleitenden Basis und dem Kollektor werden Anschlußkontakte eingerichtet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die neuartigen Merkmale, Elemente und Verfahrensschritte sowie deren für die Erfindung charakteristische Kombination sind in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst wird jedoch am besten unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verständlich, wobei:
Fig. 1 bis 8 Querschnittsdarstellungen der aufeinanderfolgenden Herstellungsstadien einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transistors mit Seitenwandemitter sind, deren Abschluß die in Fig. 8 gezeigte, neuartige Struktur bildet;
Fig. 9 bis 13 Querschnittsdarstellungen der aufeinanderfolgenden Herstellungsstadien einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transistors mit Seitenwandemitter sind, deren Abschluß die in Fig. 13 gezeigte, neue Struktur bildet;
Fig. 14 bis 17 Querschnittsdarstellungen der aufeinanderfolgenden Herstellungsstadien einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transistors mit Seitenwandemitter sind, deren Abschluß die in Fig. 17 gezeigte, neuartige Struktur bildet.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nunmehr spezieller auf die Fig. 1 bis 8 bezugnehmend, ist dort die erste Ausführungsform zur Herstellung eines Transistors mit selbstjustiertem Seitenwandemitter dargestellt. Die endgültige Transistorstruktur, illustrativ ein vertikales npn-Bauelement, ist in Fig. 8 dargestellt. Die Bauelementstruktur besteht aus einem p-Siliziumsubstrat 10 mit einer n&spplus;-Subkollektorzone 12 und einer epitaxialen n-Schicht 14, die als Kollektor des Transistors dient. Eine flache p-Basis, die aus einer störstellenleitenden Basiszone 42 und einer eigenleitenden Basiszone 40 zusammengesetzt ist, ist in den Oberflächenbereich des Kollektors 14 eingebettet. Die störstellenleitende Basiszone 42 ist flach und liegt vertieft unterhalb der Hauptoberfläche 34 des Kollektors, um die Emitter-Basis-Kapazität und den Leckstrom zu minimieren. Innerhalb der eigenleitenden Basiszone 40 und wirksam mittels einer Oxidschicht 36 von der störstellenleitenden Basiszone 42 getrennt, befindet sich ein flacher n-Emitter 38, der in selbstjustierter Weise mittels einer n-dotierten Polysilizium-Seitenwand 32 kontaktiert ist. Die Breite der Basis in der aktiven Zone (das heißt, der vertikale Abstand zwischen dem Emitter 38 und dem Kollektor 14) wird im wesentlichen gleich derjenigen im parasitären Seitenwandbereich (das heißt, gleich dem lateralen Abstand unter dem Isolationsoxid 18) zwischen dem Emitter und dem Kollektor gewählt, um einen Basisdurchgriff zu vermeiden und die Stromverstärkung zu maximieren. Ein Metall 52 stellt eine ohmsche Verbindung zum Emitter 38 über die im wesentlichen horizontale, mit der Polysilizium-Seitenwand 32 verbundene Doppelschicht aus n-dotiertem Polysilizium 20 und Silizid 46 her. Ein Metall 54 stellt eine elektrische Verbindung zur störstellenleitenden Basis 42 über das Silizid 44 her. In einer ähnlichen Weise stellt ein Metall 50 eine ohmsche Verbindung zum Kollektor 14 über die n-Kollektor-Durchgriffszone 16 her. Alle Metallanschlüsse werden mittels einer Passivierungsschicht 48 aus Oxid geeignet isoliert, um Kurzschlüsse zu verhindern.
Die Art, in der das in Fig. 8 gezeigte bipolare Bauelement hergestellt wird, wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 beschrieben. Nun spezieller auf Fig. 1 bezugnehmend, zeigt diese Figur einen kleinen und stark vergrößerten Teil eines Halbleitersiliziumkörpers, der zur Bildung eines sehr dicht gepackten, bipolaren, integrierten Hochleistungsschaltkreises verwendet wird. Es versteht sich jedoch, daß andere Halbleitermaterialien als Silizium in Verbindung mit diesem Verfahren verwendet werden können. Das unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 beschriebene Verfahren resultiert in einem npn-Transistor. Es sollte sich jedoch verstehen, daß die in den Zeichnungen gezeigten Leitfähigkeitstypen zum Zweck der Erläuterung ausgewählt wurden und daß entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen ebenso einfach verwendet werden können, um einen pnp-Transistor mit Seitenwandemitter zu realisieren. Schließlich können die Störstellenkonzentrationen nach Wunsch in einer dem Fachmann bekannten Weise entsprechend der spezifischen, gewünschten Leistungskriterien des Transistors erhöht oder verringert werden.
Typischerweise ist ein p&supmin;-Substrat 10 aus einkristallinem Silizium mit einem darin ausgebildeten n&spplus;-Subkollektor 12 versehen. Dann läßt man eine epitaxiale n-Schicht 14 auf die Oberseite des Substrats 10 aufwachsen. Diese Prozesse sind Standardprozesse bei der Erzeugung bipolarer Transistoren. Beim Substrat handelt es sich typischerweise um einen Silizium-Wafer mit kristallographischer (100)-Orientierung, der einen Widerstand von ungefähr 10 Ohm-cm bis 20 Ohm-cm aufweist. Eine Subkollektor-Diffusion wird typischerweise unter Verwendung von Arsen mit einer Oberflächenkonzentration von ungefähr 1·10²&sup0; Atome/cm³ durchgeführt.
Der epitaxiale Wachstumsprozeß zur Bildung der Schicht 14 kann eine beliebige herkömmliche Technik sein, wie mit Siliziumtetrachlorid/Wasserstoff oder Silanmischungen bei geeigneten Temperaturen. Der Dotierstoff in der n&spplus;-Schicht wandert während des epitaxialen Wachstums in die Epitaxialschicht, um so die Subkollektorzone 12, wie in Fig. 1 dargestellt, vollständig zu bilden. Die Dicke der Epitaxialschicht für integrierte Schaltkreise hoher Packungsdichte beträgt ungefähr 1 um bis 3 um. Die bevorzugte Dotierstoffkonzentration in der Epitaxialschicht 14 beträgt typischerweise ungefähr 1·10¹&sup6; Atome/cm³ bis 1·10¹&sup7; Atome/cm³.
Als nächstes wird unter Bildung einer Blendenmaske auf der Epitaxialschicht 14 der Kollektordurchgriff 16 durch Einführen eines n-Dotierstoffs dort in die frei liegende Schicht 14 erzeugt, um den n&spplus;-Subkollektor 12 zu erreichen.
Die nächsten Schrittfolgen schließen die Bildung von (nicht gezeigten) Isolationszonen des Bauelements ein, um die aktive Zone des Bauelements vom Rest des Substrats zu isolieren. Die Isolation kann eine teilweise oder vollständige dielektrische Isolation sein, die dielektrische Materialien wie Siliziumdioxid und Glas beinhaltet. Im Stand der Technik existieren viele Wege zur Bildung der dielektrischen Isolationszonen dieses Typs. Bevorzugt wird das in dem US-Patent 4,104,086 von J.A. Bondur et al, das auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist, beschriebene Verfahren verwendet.
Mit der Bezugnahme auf Fig. 1 fortfahrend, wird eine 300 nm bis 700 nm dicke Siliziumdioxidschicht 18, zum Beispiel durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf der Oberfläche 17 der Epi- Schicht 14 gebildet, gefolgt von der Bildung einer Schicht 20 aus Polysilizium. Die Polysiliziumschicht 20 ist n-dotiert und weist typischerweise eine Dicke im Bereich von 100 nm bis 400 nm auf. Als nächstes werden unter Verwendung eines strukturierten Photoresists 22 und von reaktivem Ionenätzen die Schichten 18 und 20 in einen (in Fig. 1 nur teilweise gezeigten) Formkern 24 mit im wesentlichen vertikalen Wänden 26 abgegrenzt.
Als nächstes bezugnehmend auf Fig. 2 wird die flache eigenleitende Basiszone 28 des Transistors erzeugt. Die Basis wird so ausgebildet, daß sie sich lateral im wesentlichen in die Epi- Schicht 14 hinein bis zu einer gewissen Länge unter dem Oxid 18 erstreckt. Mit anderen Worten wird dieser Schritt so ausgeführt, daß die Basisbreite (welche die kürzeste Entfernung zwischen dem Emitter, der zur gegebenen Zeit in der Schicht 14 nahe der Wand 26 gebildet wird, und dem Kollektor ist) im aktiven Bereich der Basis und die parasitäre Seitenwand vergleichbar sind. Dies ist eine wichtige Anforderung, da ansonsten die Basisbreite unter dem Oxid 18 kleiner als jene in der aktiven Zone ist, was zu einem Durchgriff zur Basis führt. Die eigenleitende Basiszone 28 kann durch eine Einfach- oder eine Mehrfach-Ionenimplantation des p-Typs gebildet werden. In der Einfach-Implantationsmethode kann Bor mit einer Dosis von 1·10¹³ Ionen/cm² bis 1·10¹&sup5; Ionen/cm² und einer Dosisenergie von 5 keV bis 20 keV verwendet werden. Im Anschluß an die Implantation wird durch eine thermische Behandlung bewirkt, daß der Dotierstoff sowohl lateral unter das Oxid 18 als auch vertikal in die Epi-Schicht 14 diffundiert, um die gewünschte Basisbreite zu erhalten. In der Mehrfach-Ionenimplantationsmethode wird anfänglich ein Teil der eigenleitenden Basiszone unter Verwendung von niederenergetischen 5 keV bis 20 keV Ionen des p-Typs (z. B. Bor) bei einer Dosis von 10¹² Ionen/cm² bis 10¹&sup4; Ionen/cm² implantiert, gefolgt von einem Eindiffundieren des Dotierstoffs, so daß er lateral in die Epi-Schicht 14 unter das Oxid 18 eindringt. Dieser Implantationsschritt wird gefolgt von einer selbstjustierten Sockelimplantation unter Verwendung von Phosphorionen bei einer Spitzenenergie im Bereich von 200 keV bis 400 keV und einer Dosis von 1012 Ionen/cm² bis 10¹³ Ionen/cm², so daß der aktive Basis-Kollektor-Übergang unter dem Oxid 18 durch die Resultierende aus der Sockelimplantation und der anfänglichen Basisimplantation bestimmt ist. Die Spitze der Sockelimplantation sollte beträchtlich unter dem Basis-Kollektor-Übergang liegen. Die Bildung der eigenleitenden Basis wird durch einen zu dem oben beschriebenen Einfach-Implantationsschritt analogen, dritten Implantationsschritt vollendet. Nach der Vollendung der Implantationsschritte wird ein Temperprozeß durchgeführt, um den Dotierstoff zu aktivieren und die Tiefe des Basis-Kollektor-Übergangs auf den gewünschten Wert einzustellen.
Ungeachtet dessen, ob die Einfach- oder Mehrfach-Ionenimplantationsmethode zum Erzeugen der eigenleitenden Basis verwendet wird, werden die Implantationsenergie und die Temperatur für das Eindiffundieren so eingestellt, daß die Basisbreite so flach wie möglich gemacht und die Stromverstärkung maximiert wird. Die Implantationsdosis(dosen) sollte(n) so abgestimmt werden, daß die Basiskonzentration hoch genug gemacht wird, um einen Durchgriff in die aktive Zone zu vermeiden.
Nach dem Bilden der eigenleitenden Basiszone 28 wird der Emitter dann innerhalb eines Teils dieser Basiszone eingebettet. Der Emitter kann durch Ionenimplantation von Stoffen des n-Typs, wie Arsen, in einen Oberflächenbereich der Zone 28 gebildet werden. Vor der Emitterimplantation kann auf der Basis 28 ein geeignetes Maskenoxid gebildet werden, das nach der Bildung des Emitters durch Strippen entfernt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, wird der Emitter durch Diffusion eines Dotierstoffs aus einer dotierten Polysilizium-Seitenwand gebildet. Um die Polysilizium-Seitenwand zu erzeugen, wird eine Schicht 30 aus Polysilizium gebildet. Die Schicht 30 kann mit einem n-Dotierstoff (z. B. Arsen) in-situ dotiert werden. Alternativ kann die Polysiliziumschicht 30 bei ihrer Bildung undotiert sein. Sie wird dann durch Arsen-Ionenimplantation bei einer Dosis von 5·10¹&sup5; Ionen/cm² bis 5·10¹&sup6; Ionen/cm² n-dotiert. Die Implantationsenergie wird so eingestellt, daß der Implantationsstoff innerhalb der Polysiliziumschicht 30 gehalten wird. Dann wird durch gerichtetes RIE die Polysiliziumschicht 30 geätzt, um eine Polysilizium-Seitenwand 32 als Schiene entlang der vertikalen Oberfläche 26 des Formkerns 24 auf zubauen. Die Seitenwand 32 dient als Emitteranschluß und als Dotierstoffquelle für die Emitterherstellung. Die Dicke des Polysiliziums 30 wird durch die gewünschte Emitterfläche bestimmt, wobei die maximale Dicke für eine gute Reproduzierbarkeit der Seitenwand 32 geringer als die Höhe des Formkerns 24 ist. Der RIE-Schritt zum Umformen der Polysiliziumschicht 30 in die Seitenwand 32 wird fortgesetzt, wie in Fig. 5 gezeigt, um die Oberfläche 17 zu vertiefen, die dem unmaskierten Teil der p-dotierten Zone 28 entspricht, wobei die vertiefte Oberfläche in Fig. 5 mit 34 bezeichnet ist. Wie zu gegebener Zeit ersichtlich werden wird, bildet die unmaskierte Zone 28 direkt unter der Oberfläche 34 die störstellenleitende Basis. Die in Fig. 5 mit X bezeichnete Vertiefungstiefe wird größer als die endgültige Tiefe des Emitter-Basis-Übergangs gewählt. Die Vertiefung X beträgt typischerweise ungefähr 100 nm bis 150 nm oder ungefähr zweimal bis dreimal die Tiefe des Emitter-Basis-Übergangs. Dieses Überätzen der dotierten Zone 28 entfernt den Emitter-Implantationsstoff von der unmaskierten Oberfläche 17 der Zone 28, wenn zur Bildung des Emitters eine Ionenimplantation verwendet wird. Dieses Überätzen hält die störstellenleitende Basis in einem ausreichenden Abstand vom Emitter entfernt, während der Basis-Serienwiderstand reduziert wird.
Nach dem Vertiefen (des störstellenleitenden Basisvorläufers des Transistors) in dieser Weise, wird die Struktur thermisch oxidiert, wie in Fig. 6 dargestellt, um auf der Siliziumoberfläche 34 und der n-dotierten Polysilizium-Seitenwand 32 sowie der Schicht 20 ein Oxid 36 aufwachsen zu lassen. Das auf dem Polysilizium gewachsene Oxid ist dicker als jenes auf dem Silizium. Der typische Dickenbereich des Oxids 36 beträgt 20 nm bis 50 nm. Während dieses thermischen Oxidationsschritts wird bewirkt, daß der n-Dotierstoff aus der Seitenwand 32 in das darunterliegende epitaxiale Silizium diffundiert und einen flachen und selbstjustierten, n-dotierten Emitter 38 bildet. Die schwach p-dotierte Zone 40 direkt unterhalb des Emitters 38 dient als eigenleitende Basis des Transistors. Der Rest der p-dotierten Zone 28 bildet den Vorläufer der störstellenleitenden Basis. Die Temperatur und Dauer der thermischen Oxidation (oder des Eindiffundierens des Dotierstoffs) wird so gesteuert, daß die Tiefe des Emitter-Basis-Übergangs typischerweise ungefähr 40 nm bis 60 nm beträgt.
Mit dem Herstellungsprozeß des Transistors mit Seitenwandemitter fortfahrend, ist der nächste Verfahrensschritt die Erzeugung der störstellenleitenden Basis 42 (Fig. 6). Die störstellenleitende Basis 42 wird durch Implantieren von Ionen des p-Typs durch das Oxid 36 in den Vorläufer 28 der störstellenleitenden Basis gebildet. Die Dosis und die Energie der Ionenimplantation zum Bilden der störstellenleitenden Basis sollten darauf abgestellt sein, daß die Dotierstoffkonzentration in der störstellenleitenden Basiszone 42 hoch genug, um einen Schottky-Kontakt zwischen dem Basis-Silizid (das als nächstes gebildet wird) und der störstellenleitenden Basis zu vermeiden, jedoch niedrig genug ist, um kein Tunneln quer durch die störstellenleitende Basis zum Emitterübergang zu verursachen. Als ein Beispiel können Borionen einer Energie von 20 keV bis 40 keV und einer Dosis von 10¹&sup4; Ionen/cm² bis 10¹&sup5; Ionen/cm² in diesem Schritt verwendet werden, um ein Eindringen des p-Dotierstoffs in den Kollektor 14 bis zu einer maximalen Tiefe von ungefähr 300 nm bis 400 nm zu bewirken. Während der Implantation der störstellenleitenden Basis gelangt ein Teil des p-Dotierstoffs in die Emitter-Seitenwand 32 aus n-dotiertem Polysilizium und in die horizontale Polysilizium-Verbindung 20, da jedoch die Dosis dieser Implantation verglichen mit der Emitterimplantation (wenn der Emitter durch Ionenimplantation gebildet wird) gering ist, hat dies eine vernachlässigbare Wirkung auf die n-Dotierstoffkonzentration im Polysilizium. Als nächstes wird ein Temperschritt bei einer Temperatur von ungefähr 800 ºC bis 900 ºC ausgeführt, um den Implantationsstoff der störstellenleitenden Basis zu aktivieren, ohne eine Migration der implantierten Stoffe zu verursachen. Es kann Tempern in einem Ofen bei der spezifizierten Temperatur oder schnelles thermisches Tempern angewendet werden.
Nach dem Bilden der störstellenleitenden Basis wird durch gerichtetes RIE das Oxid 36 auf den horizontalen Silizium- und Polysiliziumoberflächen entfernt, während auf den nicht-horizontalen Polysilizium-Oberflächen eine Oxidschicht verbleibt. Mit anderen Worten wird eine Oxidschicht 36' (auf die hier auch als Seitenwand-Oxid Bezug genommen wird) auf der Seitenwand 32 aufrechterhalten, wie in Fig. 7 dargestellt. Das Seitenwand-Oxid 36' trennt die störstellenleitende Basis 42 vom Emitter 38 und verhindert außerdem eine Silizidbildung auf der Emitter-Seitenwand 32 aus Polysilizium.
Als nächstes wird, wie in Fig. 8 gezeigt, eine Schicht aus Metall, wie Pt, Ti oder Ni, abgeschieden und man läßt dieses reagieren, um eine Silizidschicht in den Siliziumbereichen zu bilden. Speziell werden der Basisanschluß 44 aus Silizid auf der störstellenleitenden Basiszone 42 und der Emitteranschluß 46 aus Silizid-Polysilizium auf der Polysiliziumschicht 20 gebildet. In diesem Silizidbildungsschritt sollte darauf geachtet werden, sicherzustellen, daß nicht das gesamte Polysilizium 20 verbraucht wird. Da die Polysilizium-Seitenwand 32 durch das Oxid 36' überdeckt ist, wird darauf kein Silizid-Polysilizium gebildet. Auf diese Weise werden in einem einzigen Schritt ein selbstjustierter Silizid-Basisanschluß und ein Silizid-Polysilizium-Emitteranschluß erzeugt.
Weiterhin bezugnehmend auf Fig. 8 wird als nächstes, um einen Kollektoranschluß anzufertigen, was über den Durchgriff 16 bewerkstelligt wird, eine Öffnung in das Oxid 18 und das Polysilizium 20 korrespondierend mit dem Durchgriff 16 gefertigt. Über der gesamten Struktur wird eine dicke Passivierungsschicht 48 aus Siliziumdioxid gebildet. Im Oxid 48 werden Kontaktlöcher erzeugt und leitende (z. B. aus Metall) Anschlüsse 50, 52 und 54 zum Kollektor, zum Emitter beziehungsweise zur Basis werden in einer herkömmlichen Weise, wie durch eine Lift-off-Technik, hergestellt.
Es ist entscheidend, daß das Silizid auf der störstellenleitenden Basiszone 42 um die Siliziumecke 56 herum in der Nähe des Emitters 38 und der störstellenleitenden Basis 42 nicht reagiert und den Emitter erreicht. Die Vertiefung/Tiefe der störstellenleitenden Basis unter der allgemeinen Oberfläche der epitaxialen Schicht 14 sollte wenigstens 100 nm betragen. Die Tiefe wird so eingestellt, daß der Implantationsstoff der eigenleitenden Basis nicht abgeschnürt wird. Sie sollte flacher gehalten werden als der Basis-Kollektor-Übergang. In dieser Hinsicht ist noch entscheidender, daß entweder eine oder beide der obigen Übergangstiefen darauf abgestellt sein sollten, daß eher ein Emitter-Basis-Leckverlust verhindert als daß der Basiswiderstand reduziert wird, da die störstellenleitende Basis selbst wahrscheinlich dazu beitragen kann, den Basiswiderstand zu reduzieren. Die Oberfläche der störstellenleitenden Basis wird bis zu einer Tiefe vertieft, die größer als die Tiefe des Emitter-Basis-Übergangs, jedoch kleiner als die Tiefe des Übergangs von der eigenleitenden Basis zum Kollektor ist.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in den Figuren 9 bis 13 dargestellt ist und bei der entsprechende Bezugszeichen zu jenen in den Fig. 1 bis 8 gleichartige Elemente bezeichnen, wird eine flache, dielektrische Isolationszone 60 auf einem ausgewählten Oberflächenbereich der Epitaxialschicht 14 gebildet. Typischerweise handelt es sich bei der Isolation 60 um eine Grabenisolation aus vertieftem Oxid. Danach wird eine Oxidschicht 62 aufgebracht und strukturiert, um darin eine Öffnung 63 mit im wesentlichen vertikalen Wänden 64, wie in Fig. 9 gezeigt, zu erhalten. Die eigenleitende Basis 66 wird, wie in Verbindung mit der Basis 28 der ersten Ausführungsform beschrieben, implantiert. Eine n-dotierte Polysiliziumschicht 68 wird abgeschieden. Dann wird eine Maske 70 auf dem Polysilizium 68 gebildet, um den Teil des Polysiliziums 68 über dem Oxid 62 zu bedecken. Daraufhin wird durch RIE das Polysilizium 68 in einen Polysiliziumbereich 72 und eine Polysilizium-Seitenwand 74 abgegrenzt. Der Polysiliziumbereich 72 wird für die Herstellung eines leitenden Anschlusses zum Emitter benötigt, da die Emitter-Seitenwand 74 aus Polysilizium zu schmal ist. Des weiteren erleichtert diese Methode das Erzeugen eines von der Transistorwirkungszone entfernt gelegenen Emitteranschlusses. Die Polysiliziumbereiche 72 und 74 bilden einen zusammenhängenden Teil, da die Polysilizium-Seitenwand 74 auf allen drei Seiten der Öffnung 63 im Oxid 62 gebildet wird. Dieses Merkmal ist in Fig. 12 dargestellt, die eine Draufsicht auf die Polysilizium-Struktur ist.
Der Rest der Verfahrensschritte folgt den in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Verfahrensschritten. Dies beinhaltet das Vertiefen der störstellenleitenden Basis unter die Hauptoberfläche der Epi-Schicht (der Schicht 14), das Bilden des selbstjustierten Emitters 78 durch Diffusion des Dotierstoffs aus der Polysilizium-Seitenwand 74 in einen Teil der eigenleitenden Basis, wodurch auch die eigenleitende Basis 80 erzeugt wird, das Aufwachsen eines Oxids auf allen freiliegenden Polysilizium- und Epi-Silizium-Oberflächen und das reaktive Ionenätzen des aufgewachsenen Oxids, um eine Oxidbedeckung 82 auf der Seitenwand 74 zu belassen, das Bilden der störstellenleitenden Basis 84, das Aufbauen des selbstjustierten Silizids 86 in der störstellenleitenden Basis 84 und des Silizid-Polysiliziums 88 im Emitter 72 aus Polysilizium, das Herstellen einer Öffnung in dem Oxid 62 korrespondierend mit dem Kollektor-Durchgriff 16, das Erzeugen einer Passivierungsschicht 90 aus Oxid, das Herstellen von Kontaktöffnungen in der Schicht 90 und das Bilden leitender Anschlüsse 92, 94 und 96 zum Emitter, zur Basis beziehungsweise zum Kollektor.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die in den Figuren 14 bis 17 dargestellt ist, werden, ausgehend von einem Halbleitersubstrat 10 mit einem Subkollektor 12 und einer Epitaxialschicht 14 analog zu jenem in Verbindung mit Fig. 1 erörterten, eine Isolationsschicht 100 aus Oxid sowie eine Schicht 102 aus Polysilizium, Silizid, Silizid-Polysilizium oder hochschmelzendem Metall gebildet. Die Silizid-Polysiliziumschicht wird durch Aufbringen einer Schicht aus n-dotiertem Polysilizium gefolgt von der Abscheidung einer Schicht aus hochschmelzendem Metall sowie einem Sintern der beiden gebildet. Besteht die Schicht 102 aus Silizid oder einem hochschmelzenden Metall, wird sie direkt auf dem Oxid 100 abgeschieden. Silizid-Polysilizium wird gegenüber Polysilizium bevorzugt, da es den Emitter-Kontaktwiderstand sehr niedrig macht.
Als nächstes wird auf der Schicht 102 eine Oxidschicht 104 gebildet, und die drei Schichten 100, 102 und 104 werden mittels RIE geätzt, um darin eine Öffnung 106 mit im wesentlichen senkrechten Wänden 108 auszubilden.
Als nächstes werden, wie in Fig. 15 gezeigt, submikrometerbreite, dotierte Polysilizium-Seitenwände 112 auf den vertikalen Oberflächen 108 hergestellt, wie in Verbindung mit der Erzeugung der Seitenwand 32 in Fig. 4 beschrieben. Die Polysilizium-Seitenwände 112, die als Ring im Inneren der Öffnung 106 gebildet werden, dienen dazu, den selbstjustierten Emitter und den selbstjustierten Emitteranschluß zu bilden sowie den Emitter mit dem Leiter 102 zu verbinden, wobei letzterer einen elektrischen Anschluß zum Emitter an einer von der aktiven Zone des Bauelements entfernt gelegenen Stelle ermöglicht. Der Rest der Verfahrensschritte verläuft ganz analog zu denjenigen in Verbindung mit der oben erwähnten ersten Ausführungsform beschriebenen. Bezugnehmend auf die Fig. 16 und 17 beinhalten diese Schritte das reaktive Ionenätzen zur Vertiefung der unmaskierten Basiszone 110 bis zu einer Tiefe X unter die Oberfläche der Epitaxialschicht 14, die Diffusion des n-Dotierstoffs aus der Seitenwand 112 in die darunterliegende eigenleitende Basiszone, um den selbstjustierten Emitterring 114 zu bilden, während gleichzeitig die eigenleitende Basis 116 direkt unter dem Emitter 114 erzeugt wird, das Bilden einer Oxidbedeckung auf den Polysilizium-Seitenwänden 112, das Implantieren der störstellenleitenden p-Basis 120, das Erzeugen des selbstjustierten Basis-Silizids 122, das Bilden einer Passivierungsschicht 124 aus Oxid und das Herstellen leitender Anschlüsse 126, 128 und 130 zu dem Kollektor 14, der störstellenleitenden Basis 120 beziehungsweise dem Emitter 114.
Somit wurde ein neuartiger Transistor bereitgestellt, bei dem der Emitter durch ein leitendes Seitenwandmaterial gebildet wird, das als selbstjustierter Emitteranschluß dient. Da die Größe des Emitters nicht lithographieabhängig ist, ist der Emitter von äußerst kleiner (im Submikrometerbereich) Breite (weniger als 0,5 Mikrometer) und weist eine enge Toleranz auf. Der Transistor besitzt einen niedrigen Emitterwiderstand, eine niedrige Emitter-Basis-Kapazität, einen niedrigen Basiswiderstand und eine niedrige Basis-Kollektor-Kapazität. Da das Bauelement vollständig selbstjustiert gebildet ist, steigert es die Bauelement-Integrationsdichte auf dem Halbleiterchip.
Während die Erfindung in Verbindung mit speziellen, bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, daß für Fachleute in Anbetracht der vorhergehenden Beschreibung zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Variationen offensichtlich sind. Während die integrierte Schaltkreisstruktur und der damit verbundene Herstellungsprozeß im Zusammenhang mit der Siliziumtechnologie beschrieben wurden, können andere vergleichbare Materialien, wie Galliumarsenid, ebenso wie bestimmte supraleitende Materialien ohne weiteres verwendet werden.

Claims

1. Vertikaler Bipolar-Transistor mit:

einer Kollektorzone (14) eines ersten Leitfähigkeitstyps (N);

einer Basiszone eines zweiten Leitfähigkeitstyps (P), die eine eigenleitende Basiszone (40, 80, 116) und eine störstellenleitende Basiszone (42, 84, 120) beinhaltet, die innerhalb der Kollektorzone ausgebildet ist und bezüglich der Hauptoberfläche der Kollektorzone eine im wesentlichen der störstellenleitenden Basiszone entsprechende Vertiefung aufweist, wobei sich die eigenleitende Basis bis zu der an die Vertiefung angrenzenden Hauptoberfläche erstreckt;

einer ersten Isolationsschicht (18, 62, 100), die auf der Kollektorzone ausgebildet ist und eine im wesentlichen vertikale Wand aufweist, so daß die eigenleitende Basiszone an der Hauptoberfläche teilweise freiliegt;

einer ersten leitenden Schicht (30, 68, 112) des ersten Leitfähigkeitstyps (N), die wenigstens eine an die Wand der ersten Isolationsschicht angrenzende Seitenwand (32, 74, 112) auf dem freiliegenden Teil an der Hauptoberfläche der eigenleitenden Basiszone bildet;

einer zweiten Isolationsschicht (36', 82, 118), die auf der leitenden Seitenwand und auf der angrenzenden Wand der Vertiefung ausgebildet ist;

einer Emitterzone des ersten Leitfähigkeitstyps (N), die in der eigenleitenden Basiszone und an die Vertiefung angrenzend ausgebildet ist, mit einer Breite, die im wesentlichen gleich derjenigen der Seitenwand ist;

einer ganzflächigen Passivierungsschicht (48);

einem Basisanschluß (54) zu der störstellenleitenden Basiszone;

einem Emitteranschluß (52) zu der Emitterzone über die leitende Seitenwand; und

einem Kollektoranschluß (50) zu der Kollektorzone.

2. Transistor nach Anspruch 1, der des weiteren eine zweite leitende Schicht (20, 102) aufweist, die oberhalb der ersten Isolationsschicht in Kontakt mit der leitenden Seitenwand und unterhalb der ganzflächigen Passivierungsschicht ausgebildet ist.

3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Basisanschluß (54) durch die ganzflächige Passivierungsschicht hindurch hergestellt ist.

4. Transistor nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Emitteranschluß zu der zweiten leitenden Schicht durch die ganzflächige Passivierungsschicht hindurch hergestellt ist.

5. Transistor nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, wobei der Basis- und der Emitteranschluß über eine Silizid-Polysilizium-Schicht (44/46) hergestellt ist.

6. Transistor nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5, wobei der Kollektoranschluß durch die ganzflächige Passivierungsschicht hindurch über eine Durchgriffszone (16) hergestellt ist.

7. Verfahren zum Bilden eines vertikalen Bipolar-Transistors mit folgenden Schritten:

Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (10) mit einer Epitaxialschicht (14) eines ersten Leitfähigkeitstyps als der darauf befindlichen Kollektorzone;

Bilden einer ersten Isolationsschicht (18, 62, 100) auf der Epitaxialschicht mit einer Öffnung (26, 63, 106) mit wenigstens einer im wesentlichen vertikalen Wand;

Bilden einer eigenleitenden Basiszone (28, 66, 110) eines zweiten Leitfähigkeitstyps in einem an die Wand angrenzenden Oberflächenbereich der Epitaxialschicht unter Benutzung der Isolationsschicht als Maske;

Bilden einer mit einem ersten Leitfähigkeitstyp dotierten Submikrometer-Seitenwand (32, 74, 112), die an die vertikale Wand angrenzt;

anisotropes Ätzen zur Erzeugung einer Vertiefung in der eigenleitenden Basiszone, die nicht durch die Seitenwand und die Isolationsschicht abgedeckt ist;

Bilden einer Emitterzone (38, 78, 114) eines ersten Leitfähigkeitstyps durch Eindiffundieren eines Dotierstoffes von der Seitenwand in einen der Seitenwand zugewandten Oberflächenbereich der eigenleitenden Basiszone;

Bilden einer zweiten Isolationsschicht (36, 82, 118) auf der Seitenwand und auf der angrenzenden Wand der Vertiefung;

Bilden einer an die verbleibende eigenleitende Basiszone (28/40) angrenzenden, störstellenleitenden Basiszone (42, 84, 120) eines zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereich der vertieften Epitaxialschicht; und

Bilden von Anschlüssen zu der störstellenleitenden Basis-, der Emitter- und der Kollektorzone.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Isolationsschicht durch eine zusammengesetzte Isolations-/Leiterschicht (18/20, 100/102) ersetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das des weiteren einen Schritt zum Bilden einer selbstjustierten, leitenden Silizidschicht auf der störstellenleitenden Basis beinhaltet.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, das des weiteren ein auf dem Leiter gebildetes, selbstjustiertes, leitendes Silizid beinhaltet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Leiter aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Polysilizium, Silizid-Polysilizium und Silizid besteht.