DE4240738A1 - Bipolar transistor prodn. for long service life - by forming base in surface of substrate, short term temp. adjusting, and forming emitter - Google Patents

Bipolar transistor prodn. for long service life - by forming base in surface of substrate, short term temp. adjusting, and forming emitter

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Abstract

Prodn. comprises: (a) forming a base by implantation in the surface of a single crystalline Si substrate, in which an active region is defined by a collector; (b) after implantation, short term temp. and time adjusting so dose redn. is effected on the surface of the substrate by releasing the doping material and the diffusion of the doping material is a min.; and (c) forming an emitter on the surface of the base. ADVANTAGE - Used at high boundary frequencies and has a long service life.

Description

Viele Schaltungsanwendungen erfordern Bauelemente mit erhöh­ ter Schaltgeschwindigkeit. Dabei sind vor allem Bipolartran­ sistoren von Interesse.Many circuit applications require components with increased ter switching speed. Above all, bipolar oil sistors of interest.

Die Schaltgeschwindigkeit eines Bipolartransistors wird im wesentlichen durch dessen Basisweite bestimmt. Diese hängt bei vorgegebenem Basis-Pinchwiderstand von der Steilheit des Dotierstoffprofils ab. Unter Basis-Pinchwiderstand versteht man den reinen Schichtwiderstand der aktiven Basis. Ein übli­ cher Wert für den Basis-Pinchwiderstand in heutigen Technolo­ gien ist 10 Kiloohm/Square.The switching speed of a bipolar transistor is in essentially determined by its base width. This hangs for a given base pinch resistance from the steepness of the Dopant profile. Base pinch resistor the pure sheet resistance of the active base. A bad one value for the base pinch resistor in today's technology gien is 10 kilohms / square.

Um diesen Wert bei einer Basisweite im Bereich 50 bis 100 nm einzustellen, ist am Emitter-Basis-pn-Übergang eine Dotier­ stoffkonzentration von 1018 bis 1019 cm-3 Bor erforderlich.In order to set this value at a base width in the range from 50 to 100 nm, a dopant concentration of 10 18 to 10 19 cm -3 boron is required at the emitter-base-pn junction.

Die Basis eines Bipolartransistors wird im allgemeinen durch Ionenimplantation eingebracht. Zur Erzeugung einer geringen Basisweite mit hoher Profilsteilheit ist bei der Implantation eine niedrige Implantationsenergie erforderlich.The base of a bipolar transistor is generally made by Ion implantation introduced. To generate a low Base width with high profile steepness is during implantation low implantation energy required.

Bei Implantation werden im Silizium Implantationsschäden er­ zeugt. Diese Implantationsschäden führen bei nachfolgenden Prozeßschritten beim Auftreten höherer Temperaturen zu einer transienten Diffusion des Dotierstoffes. Damit verbunden ist eine starke Abnahme der Profilsteilheit. Das durch die niede­ renergetische Implantation erzeugte steile Profil für die Ba­ sis läuft dabei auseinander.During implantation, implantation damage is caused in silicon testifies. This implantation damage leads to the following Process steps when a higher temperature occurs transient diffusion of the dopant. Connected with it a sharp decrease in profile steepness. That through the low Renergic implantation created steep profile for the Ba sis diverges.

Wegen der von der Implantationsenergie abhängigen Reichweite des Dotierstoffes weist ein bei niedriger Implantationsener­ gie implantiertes Dotierstoffprofil ein Dotierstoffmaximum in der Nähe der Siliziumoberfläche auf. Bei der Herstellung ei­ nes Bipolartransistors mit geringer Basisweite weist das Do­ tierstoffmaximum eine hohe Dotierstoffkonzentration im Be­ reich über 1019 cm-3 auf. Diese hohe Maximalkonzentration an der Oberfläche des Siliziumsubstrats führt in einem Bipo­ lartransistor zu einer geringen Emitter-/Basis-Durchbruchs­ spannung. Dieses wiederum führt zu einer Reduktion der Le­ bensdauer, die bei Transistoren höchster Performance nicht tragbar ist.Because of the range of the dopant, which is dependent on the implantation energy, a dopant profile implanted at low implantation energy has a dopant maximum in the vicinity of the silicon surface. In the production of a bipolar transistor with a small base width, the maximum dopant has a high dopant concentration in the range above 10 19 cm -3 . This high maximum concentration on the surface of the silicon substrate leads to a low emitter / base breakdown voltage in a bipolar transistor. This, in turn, leads to a reduction in the lifespan, which cannot be tolerated with transistors of the highest performance.

Dieses Problem hat bisher die erzielbare Lebensdauer von Bi­ polartransistoren mit flachen Emitter-/Basisprofilen, womit hohe Grenzfrequenzen realisiert werden, begrenzt. Bipolar­ transistoren, die unter Verwendung einer höheren Implantati­ onsenergie bei der Bildung der Basis hergestellt werden, zei­ gen zwar eine höhere Lebensdauer, sind jedoch in ihren Hoch­ frequenz-Eigenschaften deutlich schlechter.So far, this problem has the achievable life of Bi polar transistors with flat emitter / base profiles, with what high cutoff frequencies can be realized, limited. Bipolar transistors using a higher implant onenergy are produced in the formation of the base, zei Although they have a longer lifespan, they are at their highest frequency characteristics significantly worse.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors anzugeben, mit dem Bipolartransistoren für hohe Grenzfrequenzen herstellbar sind, die eine verlängerte Lebensdauer zeigen.The invention is therefore based on the problem of a method specify to manufacture a bipolar transistor with which Bipolar transistors can be manufactured for high cut-off frequencies that have an extended lifespan.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfah­ ren nach Anspruch 1. In dem Verfahren wird unmittelbar nach der Implantation der Basis ein Kurzzeit-Temperaturschritt durchgeführt, in dem die Dauer und die Temperatur so einge­ stellt werden, daß an der Oberfläche des Substrats durch Ent­ weichen des Dotierstoffes aus dem Substrat eine Dosis-Reduk­ tion bewirkt wird. Gleichzeitig wird die Eindringtiefe des Dotierstoffes im Bereich des abfallenden Profilastes mini­ miert.According to the invention, this problem is solved by a method ren according to claim 1. In the process immediately after a short-term temperature step after the implantation of the base carried out in which the duration and temperature so turned are that on the surface of the substrate by Ent the dopant from the substrate gives a dose reduction tion is effected. At the same time, the depth of penetration of the Dopant in the area of the falling profile branch mini lubricated.

Die Erfindung macht sie dabei die Beobachtung zu nutze, daß in einem Kurzzeittemperaturschritt Dotierstoff im Bereich der Oberfläche des Siliziumsubstrats entweicht. Es kommt dadurch zu einer starken Dosisreduktion in diesem Bereich, die zu ei­ ner deutlichen Erhöhung der Emitter/Basis-Durchbruchsspan­ nung führt. Dadurch wird eine höhere Lebensdauer des Bipolar­ transistors erzielt.The invention makes use of the observation that in a short-term temperature step dopant in the range of Surface of the silicon substrate escapes. It comes through it to a strong dose reduction in this area that leads to egg  A significant increase in the emitter / base breakdown rate leads. This will increase the life of the bipolar transistor achieved.

Darüberhinaus wurde beobachtet, daß die durch Störstellen be­ dingte transiente Diffusion von Dotierstoff, die insbesondere bei Niederenergieimplantationen beobachtet wird, durch Ein­ satz eines Kurzzeit-Temperaturschrittes reduziert werden kann. Für eine vorgegebene Ausheilzeit läßt sich eine Tempe­ ratur finden, bei der durch das Ausheilen der Implantations­ schäden die transiente Diffusion reduziert wird, ohne daß eine nennenswerte normale Diffusion stattfindet. Für diese Temperatur erreicht die Basisweite des Bipolartransistors ein Minimum.In addition, it was observed that the be by impurities conditional diffusion of dopant, in particular is observed in low-energy implantations by Ein short-term temperature step can be reduced can. A temp can be set for a given healing time rature by healing the implantation damage the transient diffusion is reduced without significant normal diffusion takes place. For this Temperature reaches the base width of the bipolar transistor Minimum.

Vorzugsweise wird der Kurzzeit-Temperaturschritt bei einer Temperatur im Bereich zwischen 900°C und 1000°C und während einer Dauer im Bereich zwischen 5 und 20 Sekunden durchge­ führt. Die konkreten Parameter für Temperatur und Zeit werden dabei den übrigen Anforderungen des Herstellprozesses ange­ paßt.The short-term temperature step is preferably carried out at a Temperature in the range between 900 ° C and 1000 ° C and during a duration in the range between 5 and 20 seconds leads. The specific parameters for temperature and time are thereby the other requirements of the manufacturing process fits.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Oberfläche des Substrats vor der Implantation zur Bildung der Basis mit ei­ ner Streuschicht zu versehen, die erst nach dem Kurzzeit- Temperaturschritt wieder entfernt wird. Auch durch eine sol­ che Streuschicht, die insbesondere aus SiO2 gebildet wird, hindurch kommt es zu einem Entweichen des Dotierstoffes aus dem Konzentrationsmaximum in dem Substrat.It is within the scope of the invention to provide the surface of the substrate with a scattering layer prior to implantation to form the base, which is only removed again after the short-term temperature step. The dopant also escapes from the maximum concentration in the substrate through such a scatter layer, which is formed in particular from SiO 2 .

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.Further refinements of the invention result from the rest Claims.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In the following the invention with reference to the figures and one Embodiment explained in more detail.  

Fig. 1 zeigt die Basisweite in Abhängigkeit von der Tempera­ tur des Ausheilschrittes bei vorgegebener konstanter Dauer des Ausheilschrittes, wobei sowohl Basisweite als auch Temperatur normiert sind. Fig. 1 shows the base width as a function of the tempera ture of the healing step for a given constant duration of the healing step, both base width and temperature being normalized.

Fig. 2 zeigt SIMS-Analysen des Emitter-/Basis-Profils mit und ohne den erfindungsgemäßen Kurzzeit-Temperatur­ schritt. Fig. 2 shows SIMS analyzes of the emitter / base profile with and without the short-term temperature step according to the invention.

Fig. 3 zeigt einen Bipolartransistor, der nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Fig. 3 shows a bipolar transistor, which is produced by the inventive method.

In Fig. 1 ist die Basisweite eines Bipolartransistors als Funktion der Temperatur des Kurzzeitausheilschrittes aufge­ tragen, wobei eine konstante Ausheilzeit von z. B. 10 sec. angenommen wurde. Die Basisweite WB ist normiert auf die Ba­ sisweite WBO aufgetragen, die ohne Temperaturschritt erzielt wird. Es hat sich gezeigt, daß für Ausheilzeiten im technisch relevanten Bereich die Basisweite als Funktion der Temperatur T, die normiert auf einer Maximaltemperatur Tmax aufgetragen wird, ein Minimum zeigt. Dieses Minimum wird damit in Verbindung gebracht, daß durch Ausheilen der Implantationsschäden die transiente Diffusion, die mit Implantationsschäden in Verbindung gebracht wird, reduziert wird und daß andererseits aufgrund des thermischen Budgets noch keine nennenswerte normale Diffusion stattfindet.In Fig. 1, the base width of a bipolar transistor as a function of the temperature of the short-term healing step is carried up, with a constant healing time of z. B. 10 sec. Was accepted. The basic width W B is normalized to the basic width W BO , which is achieved without a temperature step. It has been shown that the base width as a function of the temperature T, which is plotted normalized to a maximum temperature T max , shows a minimum for healing times in the technically relevant range. This minimum is associated with the fact that the healing of the implantation damage reduces the transient diffusion, which is associated with implantation damage, and on the other hand, due to the thermal budget, no significant normal diffusion takes place.

In Fig. 2 sind SIMS-Analysen des Emitter- und Basis-Profils eines Bipolartransistors dargestellt. Mit B1 ist das Basis­ profil eines Bipolartransistors bezeichnet, der ohne den er­ findungsgemäßen Kurzzeit-Temperaturschritt hergestellt wurde. Mit B2 ist das Basisprofil eines Bipolartransistors bezeich­ net, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Kurz­ zeit-Temperaturschritt hergestellt wurde. Mit E ist das Pro­ fil des Emitters mit oder ohne Kurzzeittemperaturschritt be­ zeichnet. Der Emitter wird aus entsprechend dotiertem Polysi­ lizium ausdiffundiert, das erst nach dem erfindungsgemäßen Kurzzeit-Temperaturschritt abgeschieden wird. Da der Emitter erst nach der Herstellung der Basis gebildet wird, ist der Verlauf des Emitterprofils E weitgehend unabhängig von dem erfindungsgemäßen Kurzzeit-Temperaturschritt. Die Grenzfläche Polysilizium-Silizium ist in Fig. 2 als gestrichelte Linie eingezeichnet.In FIG. 2 SIMS analyzes are shown of the emitter and base-profile of a bipolar transistor. B1 is the base profile of a bipolar transistor, which was manufactured without the inventive short-term temperature step. With B2 the base profile of a bipolar transistor is designated, which was produced by the method according to the invention with a short-time temperature step. E is the profile of the emitter with or without a short-term temperature step. The emitter is diffused out of appropriately doped polysilicon, which is only deposited after the short-term temperature step according to the invention. Since the emitter is only formed after the base has been produced, the profile of the emitter profile E is largely independent of the short-term temperature step according to the invention. The polysilicon-silicon interface is shown in FIG. 2 as a dashed line.

Der Vergleich der Kurven B1 und B2 zeigt, daß durch den Kurzzeit-Temperaturschritt die Dotierstoffkonzentration n insgesamt abnimmt. In oberflächennahen Bereichen, bis zu einer Tiefe von etwa 50 nm, entweicht Dotierstoff aus dem Substrat. Da die Oberfläche zur Zeit des Kurzzeit-Temperatur­ schrittes die gestrichelte Linie ist, entspricht diese Tiefe in Fig. 2 einem x von 0,25-0,30 µm. Dadurch wird das Dotierstoffmaximum, das die Kurve B1 bei einer Tiefe von 0,01 µm zeigt, und das für die ungenügenden Emitter-/Basis-Durch­ bruchsspannungen verantwortlich ist, deutlich reduziert. Die Dotierstoffkonzentration n nimmt in diesem Bereich um einen Faktor von etwa 2 ab. Damit ist eine drastische Erhöhung der Lebensdauer des Bipolartransistors um viele Größenordnungen (Zehnerpotenzen) verbunden.The comparison of curves B1 and B2 shows that the dopant concentration n decreases overall as a result of the short-term temperature step. In areas close to the surface, down to a depth of about 50 nm, dopant escapes from the substrate. Since the surface at the time of the short-term temperature step is the dashed line, this depth in Fig. 2 corresponds to an x of 0.25-0.30 µm. This significantly reduces the dopant maximum, which curve B1 shows at a depth of 0.01 µm, and which is responsible for the insufficient emitter / base breakdown voltages. The dopant concentration n decreases in this area by a factor of about 2. This is associated with a drastic increase in the life of the bipolar transistor by many orders of magnitude (powers of ten).

Bei Tiefen x über etwa 0,3 µm zeigt das Profil B2 im Ver­ gleich zu dem Profil B1 einen steileren Abfall. Dieser wird damit in Verbindung gebracht, daß durch das Kurzzeitausheilen die transiente Diffusion reduziert wird. In dem Profil B1, das ohne Kurzzeit-Temperaturschritt gebildet wurde, ist die Steilheit oberhalb einer Tiefe x von 0,3 µm durch die transi­ ente Diffusion begrenzt.At depths x above about 0.3 µm, the profile shows B2 in the ver a steeper drop to profile B1. This will associated with that through the short term healing the transient diffusion is reduced. In profile B1, that was formed without a short-term temperature step is Steepness above a depth x of 0.3 µm through the transi ent diffusion limited.

Zur Herstellung eines Bipolartransistors nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren wird in ein Substrat 1 aus einkristallinem Silizium, an dessen Oberfläche eine vergrabene Schicht 13, die z. B. durch Implantation hergestellt wurde und die im fertigen Bipolartransistor zum Kollektoranschluß erforderlich ist, und eine n-leitende epitaktische Schicht 2 angeordnet sind, zur Bildung der Basis z. B. Bor mit einer Dosis von 6×1013 cm-2 und einer Energie von 3,4 keV implantiert. Alterna­ tiv kann die Implantation der Basis durch BF2 mit einer Ener­ gie von 15 keV und gleicher Dosis gebildet werden. Zur glei­ chen Zeit wird eine Podest-Implantation durchgeführt, die die Bor-Basis "abschneidet" und einen Kollektorbereich 21 des ak­ tiven Bipolartransistors bildet. Nach der Implantation zur Bildung der Basis 3 wird ein Kurzzeit-Temperaturschritt mit einer Temperatur z. B. im Bereich zwischen 900°C und 1000°C durchgeführt. Der Kurzzeit-Temperaturschritt wird mit einer Dauer von z. B. 5 bis 20 Sekunden durchgeführt.To produce a bipolar transistor according to the inventive method is in a substrate 1 made of single crystal silicon, on the surface of a buried layer 13 , the z. B. was produced by implantation and which is required in the finished bipolar transistor for collector connection, and an n-type epitaxial layer 2 are arranged to form the base z. B. Boron implanted with a dose of 6 × 10 13 cm -2 and an energy of 3.4 keV. Alternatively, the base can be implanted using BF 2 with an energy of 15 keV and the same dose. At the same time, a pedestal implantation is performed, which "cuts off" the boron base and forms a collector region 21 of the active bipolar transistor. After the implantation to form the base 3 , a short-term temperature step with a temperature z. B. in the range between 900 ° C and 1000 ° C. The short-term temperature step is with a duration of z. B. 5 to 20 seconds.

Die Basis 3 wird durch einen Basisanschlußbereich 4 seitlich kontaktiert, der die Basis 3 ringförmig umgibt. Der Basisan­ schlußbereich 4 wird z. B. durch Ausdiffusion aus einem an der Oberfläche des Substrats angeordneten Basisanschluß 5, der aus entsprechend dotiertem Polysilizium gebildet ist, hergestellt. Der Basisanschluß 5 wird vollständig mit einer Isolationsstruktur 6 abgedeckt. Zur Bildung eines Emitters 7 wird z. B. ein Emitteranschluß 8 aus entsprechend dotiertem Polysilizium aufgebracht. Der Emitter 7 wird durch Ausdiffu­ sion aus dem Emitteranschluß 8 gebildet.The base 3 is contacted laterally by a base connection area 4 which surrounds the base 3 in a ring shape. The Basisan circuit area 4 is z. B. by diffusion from a arranged on the surface of the substrate base terminal 5 , which is formed from appropriately doped polysilicon. The base connection 5 is completely covered with an insulation structure 6 . To form an emitter 7 z. B. an emitter terminal 8 made of appropriately doped polysilicon. The emitter 7 is formed by diffusion from the emitter terminal 8 .

Der Kollektor 21 des Transistors wird über die vergrabene Schicht 13, einen mittels Implantation dotierten Kollektoran­ schlußbereich 10, der durch eine Isolationsstruktur 11 seit­ lich vom Basisanschlußbereich 4 isoliert ist, und über einen Kollektoranschluß 12 aus entsprechend dotiertem Polysilizium von der Oberfläche her kontaktiert.The collector 21 of the transistor is in contact with the buried layer 13 , a connection region 10 doped by implantation, which is insulated from the base connection region 4 by an insulation structure 11 , and via a collector connection 12 made of appropriately doped polysilicon from the surface.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors,
  • - bei dem in der Oberfläche eines Substrats aus einkri­ stallinem Silizium, in dem ein aktives Gebiet mit minde­ stens einem Kollektor definiert ist, eine Basis durch Im­ plantation gebildet wird,
  • - bei dem nach der Implantation ein Kurzzeit-Temperatur­ schritt durchgeführt wird, in dem Dauer und Temperatur so eingestellt werden, daß an der Oberfläche des Substrats durch Entweichen des Dotierstoffs aus dem Substrat eine Dosisreduktion bewirkt wird und daß gleichzeitig die Dif­ fusion des Dotierstoffes minimiert wird,
  • - bei dem an der Oberfläche der Basis ein Emitter gebildet wird.
1. Method for producing a bipolar transistor,
  • in which a base is formed by implantation in the surface of a substrate made of single-crystal silicon, in which an active region is defined with at least one collector,
  • - In which a short-term temperature step is carried out after the implantation, in which the duration and temperature are set so that a dose reduction is effected on the surface of the substrate by escape of the dopant from the substrate and that at the same time the diffusion of the dopant is minimized ,
  • - In which an emitter is formed on the surface of the base.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Basis durch Implantation von Bor oder BF2 mit ei­ ner Energie unter 15 keV gebildet wird.2. The method of claim 1, wherein the base is formed by implantation of boron or BF 2 with an energy below 15 keV. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kurzzeit-Temperaturschritt im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1000°C und während einer Dauer zwischen 5 und 20 Sekunden durchgeführt wird.3. The method according to claim 1 or 2, where the short-term temperature step in the temperature range between 900 ° C and 1000 ° C and for a period between 5 and 20 seconds is performed. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Oberfläche des Substrats vor der Implantation zur Bildung der Basis mit einer Streuschicht versehen wird, die nach dem Kurzzeit-Temperaturschritt und vor der Bildung des Emitters entfernt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, in which the surface of the substrate prior to implantation Formation of the base is provided with a scattering layer that after the short-term temperature step and before the formation of the Emitters is removed. 5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Streuschicht aus SiO2 gebildet wird.5. The method according to claim 4, wherein the scattering layer is formed from SiO 2 . 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Emitter durch Ausdiffusion aus einen Basisan­ schluß aus entsprechend dotiertem Polysilizium gebildet wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, in which the emitter is diffused out of a base conclusion is formed from appropriately doped polysilicon.
DE4240738A 1992-12-03 1992-12-03 Bipolar transistor prodn. for long service life - by forming base in surface of substrate, short term temp. adjusting, and forming emitter Ceased DE4240738A1 (en)

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