DE69109890T2 - Lateraler Heterogrenzflächen-Bipolartransistor. - Google Patents

Lateraler Heterogrenzflächen-Bipolartransistor.

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Description

    Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungen darstellende horizontale bipolare Transistoren.
    • Verwandter Stand der Technik
  • Es ist bereits ein horizontaler bipolarer Transistor bekannt, bei dem der Strom horizontal, nämlich längs der Oberfläche eines Substrates fließt. Ein solcher horizontaler bipolarer Transistor wird wegen des Vorteils, daß er mit einem vertikalen bipolaren Transistor, in welchem der Strom vertikal, nämlich in die Richtung der Tiefe des Substrates fließt, auf einfache Weise kompatibel sein kann, ausgedehnt verwendet. Beispielsweise kann ein horizontaler bipolarer Transistor vom pnp-Aufbau mit einem vertikalen bipolaren Transistor vom entgegengesetzten npn-Aufbau auf ein gleiches Substrat gepackt werden.
  • Der herkömmliche horizontale bipolare Transistor war jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß der Stromverstärkungsfaktor hFE aus den folgenden Gründen nicht erhöht werden kann.
  • Dies ist infolge der Tatsache der Fall, daß wegen einer niedrigen Emitter-Kollektor-Durchschlagsspannung, die von der symmetrischen Anordnung des Emitter-Bereiches und des Kollektor-Bereiches in einem solchen bipolaren horizontalen Transistor herrührt, die Basisbreite dazu neigt, durch die Kollektorspannung beeinflußt zu werden, was schließlich einen sogenannten Früheffekt (Verbreiterung der Sperrschicht) zur Folge hat, und daß wegen der weiten internen Verbreiterung des vom Emitter in die Basis fließenden Stromes der rekombinierte Strom im Basisbereich die Funktion bestimmt, und der erhöhte Basisstrom reduziert den Stromverstärkungsfaktor hFE signifikant.
  • R.L. Thornton et al. offenbaren in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 36, no. 10 (1989), Seiten 2156-2164 einen lateralen bipolaren Transistor mit einer Heterogrenzflächen-Basis.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft einen lateralen bipolaren Transistor mit: einer Emitter-Region; einer seitlich beabstandet von und der Emitter-Region gegenüberliegenden Kollektor-Region; und einer zwischen den Emitter- und Kollektor-Regionen angeordneten Basis-Region, wobei der Transistor dadurch gekennzeichnet ist, daß: die Basis-Region einen ersten Abschnitt hat, der unter der Unterseite der Emitter- Region in einer Tiefe liegt, die kürzer als die Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern in einem zweiten Abschnitt der Basis-Region ist, wobei der zweite Abschnitt unmittelbar unter der Emitter-Region zwischen der Emitter-Region und dem ersten Abschnitt liegt und an seiner Grenzfläche zum ersten Abschnitt eine Potentialschwelle gegen Minoritätsladungsträger im zweiten Abschnitt bildet, welche von der Emitter- Region (5) dort hineingebracht wurden, womit die Diffusion von Minoritätsladungsträgern in die Basis-Region verhindert wird.
  • Ferner kann auch ein dritter Abschnitt der Basis-Region vorgesehen sein, welcher eine erhöhte Dotierungsstoffkonzentration aufweist und unmittelbar unter dem ersten Abschnitt liegt.
  • Die Schwelle kann selbst bei Raumtemperatur ausreichend effektiv gemacht werden, indem die Größe des Potentials der Schwelle zumindest gleich der entsprechenden thermischen Energie bei der gewünschten Temperatur gewählt wird.
  • Ferner kann durch Ausbilden der die Schwelle bildenden Fläche in der Art, daß sie die Emitter- und Kollektorflächen umgibt, sowohl eine drastische Verringerung des Rekombinationsstromes der Minoritätsladungsträger als auch eine Verringerung des Kontaktwiderstandes zwischen den Emitter-, Basis- und Kollektor-Bereichen erreicht werden.
  • Ferner haben die ersten und zweiten Abschnitte der Basis vorzugsweise verschiedene Bandabstände, wobei der Bandabstand des ersten Abschnittes breiter ist als der Bandabstand des zweiten Abschnittes. Die ersten und zweiten Abschnitte der Basisregion können auch heterogen sein, womit an der Grenzfläche dazwischen eine Heterogrenzfläche definiert wird und somit die die Diffusion der Minoritätsladungsträger in die Basis verhindernde Schwelle geschaffen und damit der Stromverstärkungsfaktor hFE des horizontalen bipolaren Transistors erhöht wird.
  • Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Abschnitte der Basis-Region aus Silizium Si bzw. Silizium-Germanium-Mischkombination Si1-xGex.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann der Transistor ferner eine Kontaktschicht aus polykristallinem Silizium oder polykristallinem Siliziumkarbid aufweisen, welche auf dem Emitter gebildet ist und eine erhöhte Dotierungsstoffkonzentration und ein breiteres verbotenes Band als der Emitter hat, um die Diffusion von Elektronen in den Emitter zu verhindern.
  • Im dritten Ausführungsbeispiel hat der Transistor eine unter einer Oberflächenschicht-Region aus Silizium eingebettete Basis-Region.
  • Im vierten Ausführungsbeispiel besteht die Schwelle aus einer heterogenen Grenzfläche, und oberhalb des Emitter- Bereiches ist ein dünner Tunnelfilm und eine polykristalline Siliziumschicht mit einem breiteren verbotenen Band als das des Emitter-Bereiches ausgebildet, um die Diffusion von in den Emitter-Bereich hineingebrachten Elektronen zu verhindern.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2A ist eine schematische Ansicht, die die Potentialverteilung längs einer Linie A-A' in Fig. 1 zeigt;
  • Fig. 2B ist eine schematische Ansicht, die die Potentialverteilung längs einer Linie B-B' in Fig. 1 zeigt;
  • Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Beweglichkeit, die Lebensdauer und die Diffusionslänge von positiven Löchern als Funktion der Konzentration an n-Typ-Störstellen zeigt;
  • Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Änderung des Bandabstandes als Funktion des Mischkristallverhältnisses in Si1-xGex zeigt;
  • Fig. 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles;
  • Fig. 6A ist eine schematische Ansicht, die die Potentialverteilung längs einer Linie A-A' in Fig. 5 zeigt;
  • Fig. 6B ist eine schematische Ansicht, die die Potentialverteilung längs einer Linie B-B' in Fig. 5 zeigt;
  • Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die Beweglichkeit, die Lebensdauer und die Diffusionslänge von Elektronen als eine Funktion der Konzentration von p-Typ-Störstellen zeigt;
  • Fig. 8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispieles;
  • Fig. 9 ist eine schematische Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispieles;
  • Fig. 10A ist eine schematische Ansicht, die die Potentialverteilung längs einer Linie A-A' in Fig. 9 zeigt;
  • Fig. 10B ist eine schematische Ansicht, die die Potentialverteilung längs einer Linie B-B' in Fig. 9 zeigt.
  • Die Erfindung wird im folgenden detailliert anhand der in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele erklärt.
    • [Ausführungsbeispiel 1]
  • Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Siliziumsubstrat 1 aus einem p-Substrat gebildet, das mit einem p- Typ-Fremdstoff wie Bor (B) dotiert ist, welcher in der Lage ist, den Leitungstyp in den p-Typ zu steuern.
  • Ein eingebetteter Bereich 2, der mit einem Fremdstoff dotiert ist, welcher in der Lage ist, den Leitungstyp zu steuern, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem n- Typ-Fremdstoff wie Phosphor (P) mit einer Störstellenkonzentration von 10¹&sup6; - 10²&sup0; [cm&supmin;³] dotiert.
  • Ein n-Bereich 3, der einen Teil des Basis-Bereiches BR bildet, ist beispielsweise durch epitaxiales Wachsen mit einer niedrigen Störstellenkonzentration (beispielsweise 10¹&sup4; - 5x10&sup7; [cm&supmin;³] gebildet.
  • Ein n-Bereich 4, welcher ein Merkmal der vorliegenden Erfindung bildet, ist aus einem Mischkristall Si1-xGex mit einem engeren verbotenen Band als in Si zusammengesetzt und bildet den Basis-Bereich BR.
  • p&spplus;-Bereiche 5, 5' sind in diesem n-Bereich 4 gebildet und bilden einen Emitter-Bereich ER bzw. einen Kollektor- Bereich CR.
  • Ein n&spplus;-Bereich 6 verbindet den eingebetteten Bereich 2 mit einer Metall-Basis-Elektrode 201, um den Basiswiderstand des horizontalen bipolaren Transistors zu verringern.
  • Ein n-Bereich 7 und ein p-Bereich 8 bilden Kanalsperren.
  • Es sind auch ein Oxidfilm 30, ein Elementtrennungsbereich 100, ein Isolationsbereich 110 zum Separieren von Elektroden, eine Metall-Basis-Elektrode 201 und eine Metall- Kollektor-Elektrode 202 gezeigt.
  • Fig. 2A und 2B zeigen schematisch die Potentialverteilung der in Fig. 1 gezeigten Halbleitervorrichtung längs der darin gezeigten Linien A-A' bzw. B-B'.
  • Wie in Fig. 2B gezeigt ist, ist die Potentialverteilung längs der Linie B-B' ähnlich der in einem gewöhnlichen bipolaren Transistor, und der Kollektorstrom IC kann leicht berechnet werden, da er durch die Konzentration NB des Basis- Bereiches BR und die Basisbreite WB bestimmt wird. Im herkömmlichen bipolaren Transistor stehen sich der Emitter- Bereich und der Kollektor-Bereich gegenseitig nur in einem sehr kleinen Bereich gegenüber, während sie sich sehr weit entlang der Oberfläche des Substrates erstrecken. Der Kollektorstrom fließt nur durch den einander gegenüberliegenden Bereich des Emitters und Kollektors. Andererseits wird der Basisstrom im wesentlichen bestimmt durch einen Strom, der durch die Rekombination der vom Emitter-Bereich ER in den Basis-Bereich BR in Richtung der Tiefe des Substrates hineingebrachten Löcher mit den die Majoritätsladungsträger bildenden Elektronen erzeugt wird und durch einen Diffusionsstrom, der durch die vom Basis-Bereich in den Emitter-Bereich hineingebrachten Elektronen beigetragen wird, und wird groß, weil ein weiter Bereich betroffen ist. Diese Fakten stellen eine Begrenzung im Anwachsen des Stromverstärkungsfaktors hFE dar.
  • In der vorliegenden Erfindung wird, um die Diffusion von positiven Löchern zu verhindern, die vom Emitter-Bereich in Richtung der Tiefe des Substrates injiziert werden, eine heterogene Grenzfläche in einer Tiefe XB zwischen dem n- Bereich 3 und dem Bereich 4 gebildet. Die Potentialverteilung in der Richtung der Tiefe ist in Fig. 2A gezeigt.
  • Im folgenden werden die Stromkomponenten im horizontalen bipolaren Transistor erläutert.
    • (I) Kollektorstrom IC
  • Der Kollektorstrom IC zwischen den einander gegenüberliegenden Emitter und Kollektor kann im wesentlichen durch die folgende Gleichung bestimmt werden.
  • Die Größe des dem Kollektor-Bereiches gegenüberstehenden Emitter-Bereiches in einem horizontalen bipolaren Transistor kann näherungsweise durch XE L ausgedrückt werden, wobei XE und L die Tiefe bzw. die Länge des Emitters sind.
  • wobei q die Elementarladung [C], Dp der Diffusionskoeffizient [cm²/s] von positiven Löchern, Lp die Diffusionslänge [cm] von positiven Löchern, ni die wahre Ladungsträgerdichte [cm&supmin;³], VBE die Emitter-Basis-Spannung, WB die Basisbreite [cm], NB die Basis-Störstellenkonzentration, XE die Emittertiefe, L die Emitterlänge, k die Boltzmann-Konstante [J/K] und T die absolute Temperatur [ºK] sind.
    • (II) Basisstrom IB:
  • Der Basisstrom IB ist im wesentlichen aus drei in den folgenden Gleichungen (2) bis (4) aufgeführten Komponenten zusammengesetzt.
  • (a) Rekombinationsstrom IB1, der im Basis-Bereich BR durch die vom Emitter-Bereich ER horizontal fließenden positiven Löcher erzeugt wird:
  • (b) Rekombinationsstrom IB2, der durch die vom Emitter- Bereich ER vertikal fließenden positiven Löcher erzeugt wird:
  • wobei XB die Distanz in Richtung der Tiefe vom Emitter- Bereich ER, und WE die Emitterbreite sind.
  • (c) Diffusionsstrom IB3, der durch die vom Basis-Bereich BR zum Emitter-Bereich ER fließenden Elektronen erzeugt wird:
  • wobei NE die Störstellenkonzentration im Emitter-Bereich ER, Ln die Diffusionslänge der Elektronen und Dn der Diffusionskoeffizient der Elektronen sind.
  • In der vorliegenden Erfindung wird insbesondere die durch Gleichung (3) angegebene Basisstromkomponente IB2 betrachtet.
  • Beim herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor fließen die meisten der vom Emitter-Bereich EB injizierten positiven Löcher vertikal und tragen zum Basisstrom durch Rekombination bei. Andererseits ist bei der vorliegenden Erfindung in einem Abstand von XB vom Emitter-Bereich ER eine Potentialschwelle ΔφB gebildet, um die injizierten Ladungsträger zu stoppen.
  • Die Wahrscheinlichkeit des Durchtretens durch die Schwelle wird durch exp(-ΔφB/kt) repräsentiert.
  • Die Wahrscheinlichkeit ist beispielsweise bei Raumtemperatur ΔφB = 0,1 eV, was ungefähr 1/54 der Wahrscheinlichkeit beim herkömmlichen bipolaren Transistor ist.
  • Wenn in Gleichung (3) XB « Lp ist, wird, da tanh(XB/Lp) ≈ XB/LB ist, IB2 im horizontalen bipolaren Transistor der vorliegenden Erfindung deutlich geringer als beim herkömmlichen.
  • Im folgenden wird die Diffusionslänge Lp der positiven Löcher im n-Bereich erläutert.
  • Folgende Gleichung steht für die Beweglichkeit Lp von positiven Löchern in einem weiten Bereich der n-Störstellen- Konzentration ND:
  • Wie aus dieser Gleichung (5) verstanden werden wird, nähert sich die Beweglichkeit up einem konstanten Wert von 500 [cm²/V sec], wenn die Störstellenkonzentration ND kleiner wird, wird aber eine Funktion der Konzentration ND, wenn sie 10¹&sup7; [cm&supmin;³] übersteigt.
  • Andererseits wird, wenn die Störstellenkonzentration 10¹&sup7; [cm&supmin;³] übersteigt, die Lebensdauer Tp der Minoritätsladungsträger durch die folgende Gleichung repräsentiert:
  • 1/τp = 7.8 x 10&supmin;¹³ND + 1.8 x 10&supmin;³¹ND² [sec&supmin;¹] (6)
  • Basierend auf der Beweglichkeit up und der Lebensdauer Tp wird die Diffusionslänge Lp von positiven Löchern im allgemeinen repräsentiert durch:
  • Fig. 3 zeigt die Beweglichkeit up (Kurve F&sub3;), die Lebensdauer τp (Kurve F&sub1;) und die Diffusionslänge Lp (Kurve F&sub2;) von positiven Löchern, die die Minoritätsladungsträger in n-Typ-Silizium darstellen, wie aus den vorstehenden Gleichungen (5), (6) und (7) in einem Bereich von ND von 10¹&sup7; - 10¹&sup9; [cm&supmin;³] berechnet wurde.
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Diffusionslänge von positiven Löchern extrem lang und beträgt bis zu 120 [um] bei ND = 10¹&sup7; [cm&supmin;³]. Sie beträgt selbst bei ND = 10¹&sup8; [cm&supmin;³] noch ungefähr 30 [um].
  • In einem horizontalen bipolaren Transistor vom pnp-Typ, der zusammen mit einem gewöhnlichen vertikalen bipolaren Transistor vom npn-Typ auf dem selben Substrat gebildet ist, wird die Störstellenkonzentration des Basis-Bereiches die selbe wie die des Kollektor-Bereiches des vertikalen bipolaren Transistors vom npn-Typ und ist 10¹&sup4; - 5x10¹&sup7; [cm&supmin;³] niedrig, so daß die Beziehung XB « Lp leicht erhalten werden kann. Es ist jedoch eine Bedingung von ungefähr XB ≤ Lp/10 wünschenswert.
  • Unter einer solchen Bedingung wird der Rekombinationsstrom IB2 drastisch reduziert, so daß der Basisstrom IB hauptsächlich durch IB1 und IB3 bestimmt wird und der Stromverstärkungsfaktor hFE nahe dem des vertikalen bipolaren Transistors gebracht werden kann. Im Fall eines Mischkristalls Si1-xGex ist die Beweglichkeit der Ladungsträger infolge des Vermischungseffekts reduziert, aber in einem hohen Störstellenkonzentrationsbereich (beispielsweise 10¹&sup8; [cm&supmin;³] oder höher) wird der Störstelleneffekt vorherrschend, und Mischkristall und Silizium-Einkristall verhalten sich fast gleichartig.
  • Wenn der Rekombinationsstrom IB2 verringert wird und die Komponenten des Basisstroms eine Bedingung IB3 « IB1 erfüllen, kann, wenn WE « Lp, durch Erhöhung des folgenden Verhältnisses eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors hFE des horizontalen bipolaren Transistors erreicht werden:
  • Beim Entwurf können XE/WE und NE/NB in Gleichung (8) leicht größer gemacht werden. Ein höherer Wert von NE/NB ist gleich wie beim gewöhnlichen vertikalen bipolaren Transistor, aber ein höherer Wert von XE/WE ist beim horizontalen bipolaren Transistor spezifisch.
  • Im folgenden wird ein Beispiel des Herstellungsprozesses der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispieles gezeigt:
  • (1) Auf einem p-Typ-Siliziumsubstrat 1 wurde ein eingebetteter n&spplus;-Bereich 2 mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹&sup5; - 10¹&sup9; [cm&supmin;³] durch Implantation (oder Diffusion) von zumindest einem aus den Elementen der Gruppe V ausgewählten Element wie As, Sb, P etc. gebildet.
  • (2) Ein n-Bereich 3 mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹&sup4; - 10¹&sup7; [cm&supmin;³] wurde beispielsweise durch epitaxiales Wachsen gebildet.
  • (3) Ein n&spplus;-Bereich 6 (mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹&sup7; - 10²&sup0; [cm&supmin;³]) wurde zur Reduzierung des Basis-Widerstandes gebildet.
  • (4) Ein Isolationsfilm 100 zur Elementseparation wurde durch selektive Oxidation oder CVD gebildet, und ein Kanalsperrenbereich 7 wurde unter dem Isolationsfilm gebildet.
  • (5) Ge-Ionen wurde selektiv beispielsweise mit einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup6; - 1x10¹&sup7; [cm&supmin;²] in das Siliziumsubstrat 1 implantiert, und eine Wärmebehandlung wurde durchgeführt, um einen aus Si1-xGex bestehenden n- Bereich 4 zu bilden.
  • (6) B&spplus;-Ionen wurden mit einer Konzentration von 1x10¹&sup5; [cm&supmin;²] implantiert, und eine Wärmebehandlung wurde durchgeführt, um den Emitter und den Kollektor bildende p&spplus;-Bereiche 5, 5' zu bilden.
  • (7) Ein Isolationsfilm 110 wurde aufgebracht und getempert, und Kontaktlöcher wurden geöffnet.
  • (8) Al-Si (1%) zum Bilden der Elektroden 200, 201, 202 wurde durch Sputtern aufgebracht und nachfolgend gestaltet.
  • (9) Die Verbindungsbildung der Al-Si-Elektroden wurde beispielsweise 30 Minuten bei 450ºC durchgeführt, und ein Passivierungsfilm wurde gebildet.
  • Die Halbleitervorrichtung des ersten Ausführungsbeispieles wurde durch das vorstehend erläuterte Verfahren hergestellt.
  • Fig. 4 zeigt die Änderung des Bandabstandes des Mischkristalls Si1-xgex, wobei die Abszisse das Mischkristallverhältnis von Ge (X 100%) bezeichnet, und wobei die ordinate die Verringerung des Bandabstandes -ΔE im Vergleich mit dem Si-Einkristall bezeichnet. Eine Kurve HO bezeichnet einen verzerrungsfreien Zustand, wohingegen eine Kurve HU einen verzerrten Zustand bezeichnet, welcher in einer Halbleitervorrichtung ausgewählt ist.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt ist, entspricht eine Bandabstandsabnahme -ΔE 0,1 [eV] näherungsweise einem Mischungsumfang von 0,12, und in diesem Zustand wird eine Schwelle von 0,1 [eV] gebildet.
  • Wenn Ge-Ionen mit einer Konzentration von 1x10¹&sup6; [cm&supmin;²] und mit einer Beschleunigungsspannung von 150 [keV] implantiert wurden, ist die Spitzenkonzentration ungefähr 1x10²&sup0; [cm&supmin;³]. Da die Dichte des monokristallinen Silizium 5x10²³ [cm&supmin;³] beträgt, wird der Mischungsumfang von Ge ungefähr 2%. X = 0,12 kann beispielsweise mit einer Ge-Konzentration von 6x10¹&sup6; [cm&supmin;³] erhalten werden.
    • [Ausführungsbeispiel 2]
  • Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Siliziumsubstrat 1 zusammengesetzt aus einem p-Substrat, das mit einem p-Typ-Fremdstoff wie Bor (B) dotiert ist, welcher in der Lage ist, den Leitungstyp in den p-Typ zu steuern.
  • Ein eingebetteter Bereich 2, der mit einem Fremdstoff dotiert ist, welcher in der Lage ist, den Leitungstyp zu steuern, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem n- Typ-Fremdstoff wie Phosphor (P) mit einer Störstellenkonzentration von 10¹&sup6; - 10²&sup0; [cm&supmin;³] dotiert.
  • Ein einen Teil des Basis-Bereiches BR bildender n- Bereich 3 ist beispielsweise durch epitaxiales Wachsen mit einer geringen Störstellenkonzentration (beispielsweise 10¹&sup4; - 5x10¹&sup7; [cm&supmin;³] gebildet.
  • Ein n-Bereich 4, der ein Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt, ist aus einem Mischkristall Si1-xGex mit einem engen verbotenen Band zusammengesetzt und bildet den Basis-Bereich BR.
  • p&spplus;-Bereiche 5, 5' sind in dem n-Bereich 4 gebildet und stellen einen Emitter-Bereich ER bzw. einen Kollektor-Bereich CR dar.
  • Ein n&spplus;-Bereich 6 verbindet den eingebetteten Bereich 2 mit einer Metall-Basis-Elektrode 201, um den Basiswiderstand des horizontalen bipolaren Transistors zu reduzieren.
  • Ein n-Bereich 7 und ein p-Bereich 8 bilden Kanalsperren.
  • Halbleiterschichten 730, 731 sind aus polykristallinem p-Silizium zusammengesetzt, das mit Bor (B) mit hoher Konzentration (beispielsweise 10¹&sup8; - 10²&sup0; [cm&supmin;³]) dotiert ist.
  • Es sind ferner ein Elementseparierungsbereich 100, ein Elektrodenseparierungs-Isolationsbereich 110, eine Metall- Basis-Elektrode 201 und eine Metall-Kollektor-Elektrode 202 gezeigt.
  • Fig. 6A und 6B zeigen schematisch die Potentialverteilung der in Fig. 5 gezeigten Halbleitervorrichtung längs darin gezeigter Linien A-A' bzw. B-B'.
  • Wie in Fig. 6B gezeigt ist, ist die Potentialverteilung längs der Linie B-B' in Fig. 5 ähnlich der in einem gewöhnlichen bipolaren Transistor, und der Kollektorstrom IC kann leicht berechnet werden, da er durch die Konzentration NB des Basis-Bereiches BR und der Basis-Breite WB bestimmt wird. Im herkömmlichen bipolaren Transistor liegen der Emitter-Bereich und der Kollektor-Bereich einander nur in einem sehr kleinen Bereich gegenüber, während sie sich sehr weit längs der Oberfläche des Substrates erstrecken. Der Kollektorstrom fließt nur durch den einander gegenüberliegenden Bereich des Emitters und des Kollektors. Andererseits wird der Basisstrom hauptsächlich durch einen Strom, der durch Rekombination der positiven Löcher erzeugt wird, welche vom Einitter-Bereich ER in den Basis-Bereich BR in Richtung der Tiefe des Substrates hineingebracht werden, wobei die Elektronen die Majoritätsladungsträger darstellen, und durch einen Diffusionsstrom bestimmt, der durch die vom Basis-Bereich in den Emitter- Bereich injizierten Elektronen beigesteuert wird, und wird groß, weil ein weiter Bereich involviert ist. Diese Fakten sorgen für eine Begrenzung des Anwachsens des Stromverstärkungsfaktors hFE.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher eine heterogene Grenzfläche in einer Tiefe XB vom Emitter ausgebildet, und eine Halbleiterschicht 730 mit einem breiteren verbotenen Band als im Emitter ist darauf ausgebildet. Die Potentialverteilung in Richtung der Tiefe ist in Fig. 6A gezeigt.
  • Im folgenden werden die Stromkomponenten im horizontalen bipolaren Transistor erläutert, wenngleich die Erläuterung sich teilweise mit der vorhergehenden Beschreibung decken kann.
    • (I) Kollektorstrom IC
  • Der Kollektorstrom IC zwischen den einander gegenüberliegenden Emitter und Kollektor kann im wesentlichen durch die folgende Gleichung bestimmt werden.
  • Die Größe des dem Kollektor-Bereich gegenüberliegenden Emitter-Bereiches in einem horizontalen bipolaren Transistor kann näherungsweise durch XE L angegeben werden, wobei XE und L die Tiefe bzw. die Länge des Emitters sind.
  • wobei q die Elementarladung [C], Dp der Diffusionskoeffizient [cm²/s] der positiven Löcher, Lp die Diffusionslänge [cm] der positiven Löcher, ni die wahre Ladungsträgerdichte [cm&supmin;³], VBE die Emitter-Basis-Spannung, NB die Basis-Störstellenkonzentration [cm&supmin;³], XE die Emittertiefe, L die Emitterlänge, k die Boltzmann-Konstante [J/K] und T die absolute Temperatur [ºK] sind.
    • (II) Basisstrom IB
  • Der Basisstrom IB setzt sich hauptsächlich aus den in den folgenden Gleichungen (2) bis (4) gezeigten Komponenten zusammen.
  • (a) Rekombinationsstrom IB1, der im Basis-Bereich BR durch horizontal vom Emitter-Bereich ER fließende positive Löcher erzeugt wird:
  • (b) Rekombinationsstrom IB2, der durch die vertikal vom Emitter-Bereich ER fließenden positiven Löcher erzeugt wird:
  • wobei XB der Abstand in Richtung der Tiefe vom Emitter- Bereich ER, und WE die Emitterbreite sind.
  • (c) Diffusionsstrom IB3, der durch die vom Basis-Bereich BR in den Emitter-Bereich ER fließenden Elektronen erzeugt wird:
  • wobei NE die Störstellenkonzentration im Emitter-Bereich ER, Ln die Diffusionslänge der Elektronen und Dn der Diffusionskoeffizient der Elektronen sind.
  • In der vorliegenden Erfindung wird der durch Gleichung (3) repräsentierten Basisstromkomponente IB2, und dem durch (9) repräsentierten IBB besondere Aufmerksamkeit geschenkt.
  • Im herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor fließen die meisten der vom Emitter-Bereich EB injizierten positiven Löcher vertikal und tragen zum Basisstrom durch Rekombination bei. Andererseits wird bei der vorliegenden Erfindung eine Potentialsperre ΔφB in einem Abstand XB vom Emitter-Bereich EB gebildet, um die injizierten Ladungsträger zu stoppen.
  • Die Wahrscheinlichkeit des Durchtritts durch die Sperre wird durch exp(-ΔφB/kT) ausgedrückt, wie vorstehend bereits erläutert wurde.
  • Die Wahrscheinlichkeit ist beispielsweise bei Raumtemperatur ΔφB = 0,1 [eV], was ungefähr 1/54 der im herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor ist.
  • Wenn in Gleichung (3) XB « Lp ist, wird, da tanh(XB/Lp) ≈ XB/Lp ist, IB2 im horizontalen bipolaren Transistor der vorliegenden Erfindung deutlich geringer als beim herkömmlichen.
  • Im folgenden wird die Diffusionslänge Lp von positiven Löchern im n-Bereich erläutert.
  • Folgende Gleichung steht für die Beweglichkeit Lp der positiven Löcher über einen weiten Bereich der n-Störstellenkonzentration ND:
  • Wie aus dieser Gleichung (5) verstanden werden wird, nähert sich die Beweglichkeit up einem konstanten Wert von 500 [cm²/V sec], wenn die Störstellenkonzentration ND kleiner wird, wird aber eine Funktion der Konzentration ND, wenn diese 10¹&sup7; [cm&supmin;³] übersteigt.
  • Andererseits wird die Lebensdauer τp der Minoritätsladungsträger durch die folgende Gleichung repräsentiert, wenn die Störstellenkonzentration 10¹&sup7; [cm&supmin;³] übersteigt:
  • 1/τp = 7.8 x 10&supmin;¹³ND + 1.8 x 10&supmin;³¹ND² [sec&supmin;¹] (6)
  • Basierend auf der Beweglichkeit up und der Lebensdauer τp wird die Diffusionslänge Lp der positiven Löcher im allgemeinen repräsentiert durch:
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Diffusionslänge der positiven Löcher extrem lang und beträgt 120 [um] bei ND = 10¹&sup7; [cm&supmin;³]. Selbst bei ND = 10¹&sup8; [cm&supmin;³] beträgt sie noch ungefähr 30 [um].
  • In einem horizontalen bipolaren Transistor vom pnp-Typ, der zusammen mit einem gewöhnlichen vertikalen bipolaren Transistor vom npn-Typ auf dem selben Substrat gebildet ist, wird die Störstellenkonzentration des Basis-Bereiches gleich der des Kollektor-Bereiches des vertikalen bipolaren Transistors vom npn-Typ und ist 10¹&sup4; - 5x10¹&sup7; [cm&supmin;³] niedrig, so daß die Beziehung XB « Lp leicht erhalten werden kann. Es ist jedoch eine Beziehung von ungefähr XB ≤ Lp/10 wünschenswert.
  • Unter einer solchen Bedingung wird der Rekombinationsstrom IB2 drastisch reduziert, so daß der Basisstrom IB hauptsächlich durch IB1 und IB3 bestimmt wird und der Stromverstärkungsfaktor hFE nahe dem des vertikalen bipolaren Transistors gemacht werden kann.
  • Mit der Verringerung des Rekombinationsstromes IB2 wird der Basisstrom IB überwiegend durch den Rekombinationsstrom IB1 und den Diffusionsstrom IB3 bestimmt, wohingegen er beim herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor überwiegend durch einen Strom, der durch die Rekombination der Minoritätsladungsträger erzeugt wird, welche sich vom Emitter in Richtung der Tiefe ausbreiten, und den Diffusionsstrom IB3 bestimmt wird.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist somit über dem Emitter-Bereich eine halbleitende polykristalline Siliziumschicht 730 mit einem breiteren verbotenen Band als im Emitter-Bereich, wie in Fig. 6A gezeigt ist, vorgesehen, um die Diffusion der Elektronen zu verhindern.
  • Im herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor ist der Diffusionsstrom IB3 beträchtlich groß, weil direkt oberhalb des Emitter-Bereiches 5 eine Metallelektrode gebildet ist.
  • Wenn die Elektronen vom Basis-Bereich in den Emitter- Bereich unter einer Bedingung XB « LN injiziert werden, ist, wie aus der Gleichung (4) verstanden werden wird, der Diffusionsstrom IB3 proportional zu XE/LN², ist aber beim herkömmlichen bipolaren Transistor proportional zu 1/XE². Somit ist IB3 beim horizontalen bipolaren Transistor der vorliegenden Erfindung um ein Verhältnis XE²/Ln² kleiner als beim herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor.
  • Es wird nun die Diffusionslänge der Elektronen im p&spplus;- Bereich 5 erläutert.
  • Folgende Beziehung gilt für die Beweglichkeit un von Elektronen über einen weiten Bereich der Konzentration Na der p-Störstellen:
  • Folglich nähert sich die Beweglichkeit un für eine niedrigere Störstellenkonzentration Na an 1412 [cm²/V.sec], und wird für eine unendliche Störstellenkonzentration gleich 232 [cm²/V sec].
  • Andererseits wird die Lebensdauer τn der Minoritätsladungsträger durch die folgende Gleichung für eine Störstellenkonzentration von gleich oder größer als 10¹&sup7; [cm&supmin;³] repräsentiert:
  • 1/τn = (3.45 x 10&supmin;¹²Na) + (9.5 x 10&supmin;³²Na²) sec&supmin;¹ (11)
  • Basierend auf der Beweglichkeit un und der Lebensdauer τn wird die Diffusionslänge Ln im allgemeinen repräsentiert durch:
  • Fig. 7 zeigt die Beweglichkeit un (Kurve M&sub3;), die Lebensdauer Tn (Kurve M&sub1;) und die Diffusionslänge Ln (Kurve M&sub2;) der Elektronen, berechnet durch die Gleichungen (10), (11) und (12) in einem Bereich der p-Störstellenkonzentration Na von 10¹&sup7; - 10²&sup0; [cm&supmin;³].
  • Folgende Tatsache wird aus Fig. 7 verstanden werden. Der p-Emitter-Bereich des horizontalen bipolaren Transistors ist gewöhnlich gemeinsam mit dem Basis-Bereich des vertikalen bipolaren Transistors und hat deshalb eine 10¹&sup8; [cm&supmin;³] nicht überschreitende Störstellenkonzentration, und die Diffusionslänge wird in einem solchen Zustand 15 - 70 [um] groß. Folglich kann der Diffusionsstrom IB3 im Emitter-Bereich ausreichend verringert werden, wenn die Emittertiefe XE ungefähr Ln/5 oder weniger ist.
  • Den n-Bereich 4 bildendes Si1-xGex zeigt infolge des Verbindungseffektes eine geringe Ladungsträgerbeweglichkeit, aber bei einer hohen Störstellenkonzentration von beispielsweise gleich oder größer als 10¹&sup8; [cm&supmin;³] verhält es sich wie Si, weil der Ladungsträgereffekt durch die Störstellen vorherrschend wird.
  • Beim Aufbau des vorliegenden Ausführungsbeispieles nähert sich, wie vorstehend beschrieben, des Basisstrom dem Wert des Rekombinationsstromes IB1, und der Stromverstärkungsfaktor hFE nähert sich dem des vertikalen heterogenen bipolaren Transistors. Wenn die Bedingung WB « Lp erfüllt ist, kann der Stromverstärkungsfaktor in einem solchen Zustand ausgedrückt werden durch:
  • Wie vorstehend erläutert wurde, ist das vorliegende Ausführungsbeispiel entworfen, um die positiven Löcher, die vom p&spplus;-Emitter-Bereich 5 injiziert werden, durch die heterogene Grenzfläche zwischen dem n-Bereich 4 und dem n-Bereich 3 aus Mischkristall abzublocken und somit die Diffusion der positiven Löcher in den tieferen Bereich des Substrates zu verhindern, und um die Diffusion der Elektronen, die in den Emitter-Bereich injiziert werden, durch die an der an der heterogenen Grenzfläche zwischen dem Si-Ge-Mischkristall und dem monokristallinen Silizium gebildete Potentialsperre zu verhindern
  • Im folgenden wird ein Beispiel des Herstellungsprozesses der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung des zweiten Ausführungsbeispieles erläutert.
  • (1) Auf einem p-Typ-Siliziumsubstrat 1 wurde ein eingebetteter n&spplus;-Bereich 2 mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹&sup5; - 10¹&sup9; [cm&supmin;³] durch Implantation (oder Diffusion) von zumindest einem aus den Elementen der Gruppe V ausgewählten Element wie As, Sb, P etc. gebildet.
  • (2) Ein n-Bereich 3 mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹&sup4; - 10¹&sup7; [cm&supmin;³] wurde beispielsweise durch epitaxiales Wachsen gebildet.
  • (3) Ein n&spplus;-Bereich 6 (mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹&sup7; - 10²&sup0; [cm&supmin;³]) wurde zur Reduzierung des Basis-Widerstandes gebildet.
  • (4) Ein Isolationsfilm 100 zur Elementseparation wurde durch selektive Oxidation oder CVD gebildet, und ein Kanalsperrenbereich 7 wurde unter dem Isolationsfilm 100 gebildet.
  • (5) Ge-Ionen wurden selektiv beispielsweise mit einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup6; - 1x10¹&sup7; [cm&supmin;²] in das Si-Substrat 1 implantiert, und eine Wärmebehandlung wurde durchgeführt, um einen aus Si1-xGex bestehenden n-Bereich 4 zu bilden.
  • (6) B&spplus;-Ionen wurden mit einer Konzentration von 1x10¹&sup5; [cm&supmin;²] implantiert, und eine Wärmebehandlung wurde durchgeführt, um den Emitter und den Kollektor bildende p&spplus;-Bereiche 5, 5' zu bilden.
  • (7) Aus polykristallinem Silizium bestehende Halbleiterschichten 730, 731 wurden beispielsweise mit einer Dicke von 400 nm aufgebracht, dann einer Bor-Ionenimplantation mit einer Konzentration von 1x10¹&sup6; [cm&supmin;²] unterworfen, ferner einer Wärmebehandlung bei 800 - 900ºC unterworfen und gestaltet. Im Fall von monokristallinem Silizium wurde ein epitaxiales Wachsen bei beispielsweise ungefähr 800ºC durchgeführt.
  • (8) Ein Isolationsfilm 110 wurde aufgebracht und getempert, und Kontaktlöcher wurden geöffnet.
  • (9) Al-Si (1%) zum Bilden der Elektroden 200, 201, 202 wurde durch Sputtern aufgebracht und wurde nachfolgend gestaltet.
  • (10) Die Verbindungsbildung der Al-Si-Elektroden wurde beispielsweise 30 Minuten bei 450ºC durchgeführt, und ein Passivierungsfilm wurde gebildet.
  • Die Halbleitervorrichtung des zweiten Ausführungsbeispieles wurde durch das vorstehend erläuterte Verfahren hergestellt.
  • Die Bereiche 730, 731 können nicht nur durch Si gebildet werden, sondern auch aus polykristallinem Material wie SiC oder mikrokristallinem Si oder einem Verbindungshalbleiter wie GaAs oder GaAlAs.
    • [Ausführungsbeispiel 3]
  • Fig. 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel.
  • Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist hauptsächlich durch das Vorhandensein einer n-Si-Schicht 50 auf dem aus Si1-xGex bestehenden n-Bereich 4 gekennzeichnet. In dem vorhergehenden ersten Ausführungsbeispiel werden die Kontaktelektode und die heterogenen Übergänge gemeinsam verwendet, aber im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die n-Bereiche 3, 4 und die n-Si-Schicht 50 kontinuierlich durch Epitaxie gebildet.
  • Auch hat der Elementseparierungsbereich 100 einen Nutenaufbau und separiert die n-Bereiche 2, 3, 4 und 50 voneinander. 120 bezeichnet einen Oxidfilm.
  • Weitere Strukturen und Funktionen sind die selben wie die im vorhergehenden zweiten Ausführungsbeispiel und werden daher nicht weiter erläutert.
    • [Ausführungsbeispiel 4]
  • Fig. 9 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Siliziumsubstrat 1 ist auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusammengesetzt aus einem p-Substrat, das mit einem p-Fremdstoff wie Bor (B) dotiert ist, welcher in der Lage ist, den Leitungstyp in den p-Typ zu steuern.
  • Ein eingebetteter Bereich 2, der mit einem Fremdstoff dotiert ist, der in der Lage ist, den Leitungs-Typ zu steuern, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem n-Typ- Fremdstoff wie Phosphor (P) mit einer Störstellenkonzentration von 10¹&sup6; - 10²&sup0; [cm&supmin;³] dotiert.
  • Ein einen Teil des Basis-Bereiches BR bildender n- Bereich 3 ist beispielsweise durch epitaxiales Wachsen mit einer niedrigen Störstellenkonzentration (beispielsweise 10¹&sup4; - 5x10¹&sup7; [cm&supmin;³]) gebildet.
  • Ein ein Merkmal der vorliegenden Erfindung bildender n- Bereich 4 ist aus einem Mischkristall Si1-xGex mit einem engen verbotenen Band zusammengesetzt und bildet den Basis-Bereich BR.
  • p&spplus;-Bereiche 5, 5' sind in dem n-Bereich 4 gebildet und stellen einen Emitter-Bereich ER bzw. einen Kollektor-Bereich CR dar.
  • Ein n&spplus;-Bereich 6 verbindet den eingebetteten Bereich 2 mit einer Metall-Basis-Elektrode 201, um den Basiswiderstand des horizontalen bipolaren Transistors zu reduzieren.
  • Ein n-Bereich 7 und ein p-Bereich 8 stellen Kanalsperren dar.
  • Ein ultradünner Tunnel-Oxidfilm 920 (beispielsweise mit einer Dicke von nicht mehr als 2 nm) dient zum Durchtritt sowohl der Elektronen als auch der positiven Löcher durch den Tunneleffekt.
  • Polykristalline Halbleiterschichten 930, 931 sind aus polykristallinem Silizium zusammengesetzt, das mit Bor (B) mit hoher Konzentration (beispielsweise 10¹&sup8; - 10²&sup0; [cm&supmin;³]) dotiert ist.
  • Es sind ferner ein Elementseparierungsbereich 100, ein Elektrodenseparierungs-Isolationsbereich 110, eine Metall- Basis-Elektrode 201 und eine Metall-Kollektor-Elektrode 202 gezeigt.
  • Fig. 10a und 10b zeigen schematisch die Potentialverteilung der in Fig. 9 gezeigten Halbleitervorrichtung längs darin gezeigter Linien A-A' bzw. B-B'.
  • Wie in Fig. 10B gezeigt ist, ist die Potentialverteilung längs der Linie B-B' in Fig. 9 ähnlich der im üblichen bipolaren Transistor, und der Kollektorstrom IC kann leicht berechnet werden, da er durch die Konzentration NB des Basis- Bereiches BR und die Basisbreite WB bestimmt wird. Im herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor liegen der Emitter-Bereich und der Kollektor-Bereich einander nur in einem sehr kleinen Bereich gegenüber, während sie sehr weit längs der Oberfläche des Substrates erstreckt sind. Folglich bestimmen ein Strom, der durch die positiven Löcher erzeugt wird, die vom Emitter-Bereich ER in den Basis-Bereich BR längs der Richtung der Tiefe des Substrates injiziert wird, und ein Diffusionsstrom, der durch die vom Basis-Bereich in den Emitter-Bereich fließenden Elektronen erzeugt wird, vorwiegend die Funktion, und es ergibt sich eine Beschränkung des Anwachsens des Stromverstärkungsfaktors hFE.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher eine aus einer heterogenen Grenzfläche zwischen dem Emitter-Bereich und einer Halbleiterschicht bestehende Schwelle ΔφB in einer Tiefe von XB vom Emitter-Bereich gebildet, und über dem Emitter-Bereich sind ein dünner Tunnelfilm und eine polykristalline Siliziumschicht 930 mit einem breiteren verbotenen Band als im Emitter-Bereich gebildet, um die Diffusion der in den Emitter-Bereich injizierten Elektronen zu verhindern.
  • Im folgenden werden die Stromkomponenten im horizontalen bipolaren Transistor erläutert, wenngleich sich die Erläuterung sich teilweise mit der vorhergehenden Beschreibung decken kann.
    • (I) Kollektorstrom IC
  • Der Kollektorstrom IC zwischen den einander gegenüberliegenden Emitter und Kollektor kann im wesentlichen durch die folgende Gleichung bestimmt werden.
  • Die Größe des dem Kollektor-Bereich gegenüberliegenden Emitter-Bereiches in einem horizontalen bipolaren Transistor kann näherungsweise durch XE L angegeben werden, wobei XE und L die Tiefe bzw. die Länge des Emitters sind.
  • wobei q die Elementarladung [C], Dp der Diffusionskoeffizient [cm²/s] der positiven Löcher, Lp die Diffusionslänge [cm] der positiven Löcher, ni die wahre Ladungsträgerdichte [cm&supmin;³], VBE die Emitter-Basis-Spannung, WB die Basisbreite [cm], NB die Basis-Störstellenkonzentration [cm&supmin;³], TE die Emittertiefe, L die Emitterlänge, k die Boltzmann-Konstante [J/K] und T die absolute Temperatur [ºK] sind.
    • (II) Basisstrom IB
  • Der Basisstrom IB setzt sich hauptsächlich aus den in den folgenden Gleichungen (2) bis (4) gezeigten drei Komponenten zusammen.
  • (a) Rekombinationsstrom IB1, der im Basis-Bereich BR durch die horizontal vom Emitter-Bereich ER fließenden positiven Löcher erzeugt wird:
  • (b) Rekombinationsstrom IB2, der durch die vertikal vom Emitter-Bereich ER fließenden positiven Löcher erzeugt wird:
  • wobei XB der Abstand in Richtung der Tiefe vom Emitter- Bereich ER, und WE die Emitterbreite sind.
  • (c) Diffusionsstrom IB3, der durch die vom Basis-Bereich BR zum Emitter-Bereich ER fließenden Elektronen erzeugt wird:
  • wobei NE die Störstellenkonzentration im Emitter-Bereich ER, Ln die Diffusionslänge der Elektronen, und Dn der Diffusionskoeffizient der Elektronen sind.
  • Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der durch Gleichung (3) repräsentierten Basisstromkomponente IB2, und der durch (4) repräsentiertem Basisstromkomponente IB3 besondere Aufmerksamkeit geschenkt.
  • Im konventionellen horizontalen bipolaren Transistor fließen die meisten der vom Emitter-Bereich EB injizierten positiven Löcher vertikal und tragen zum Basisstrom durch Rekombination bei. Andererseits wird bei der vorliegenden Erfindung eine Potentialsperre ΔφB in einem Abstand XB vom Emitter-Bereich ER gebildet, um die injizierten Ladungsträger zu stoppen.
  • Die Wahrscheinlichkeit des Durchtritts durch die Schwelle wird durch exp(-ΔφB/kT) repräsentiert.
  • 25 Die Wahrscheinlichkeit ist beispielsweise bei Raumtemperatur ΔφB = 0,1 [eV], was ungefähr 1/54 der im herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor ist.
  • Wenn in Gleichung (3) XB « Lp ist, wird, da tanh(XB/Lp) ≈ XB/Lp ist, IN2 im horizontalen bipolaren Transistor der vorliegenden Erfindung deutlich geringer als beim herkömmlichen.
  • Im folgenden wird die Diffusionslänge Lp von positiven Löchern im n-Bereich erläutert.
  • Folgende Gleichung steht für die Beweglichkeit up der positiven Löcher über einen weiten Bereich der n-Störstellenkonzentration ND:
  • Wie aus dieser Gleichung (5) verstanden werden wird, nähert sich die Beweglichkeit up einem konstanten Wert von 500 [cm²/V sec], wenn die Störstellenkonzentration ND kleiner wird, wird aber eine Funktion der Konzentration ND, wenn diese 10¹&sup7; [cm&supmin;³] übersteigt.
  • Andererseits wird die Lebensdauer Tp der Minoritätsladungsträger durch die folgende Gleichung repräsentiert, wenn die Störstellenkonzentration 10¹&sup7; [cm&supmin;³] übersteigt:
  • 1/τp = 7.8 x 10&supmin;¹³ND + 1.8 x 10&supmin;³¹ND²[sec&supmin;¹] (6)
  • Basierend auf der Beweglichkeit up und der Lebensdauer Tp wird die Diffusionslänge Lp der positiven Löcher im allgemeinen repräsentiert durch:
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Diffusionslänge der positiven Löcher extrem lang und beträgt 120 [um] bei ND = 10¹&sup7; [cm&supmin;³]. Selbst bei ND = 10¹&sup8; [cm&supmin;³] beträgt sie noch ungefähr 30 [um].
  • In einem horizontalen bipolaren Transistor vom pnp-Typ, der zusammen mit einem gewöhnlichen vertikalen bipolaren Transistor vom npn-Typ auf dem selben Substrat gebildet ist, wird die Störstellenkonzentration des Basis-Bereiches die selbe wie die des Kollektor-Bereiches des vertikalen bipolaren Transistors vom npn-Typ und ist 10¹&sup4; - 5x10¹&sup7; [cm&supmin;³] niedrig, so daß die Beziehung XB « Lp leicht erhalten werden kann. Es ist jedoch eine Beziehung von ungefähr XB « Lp wünschenswert.
  • Unter einer solchen Bedingung wird der Rekombinationsstrom IB2 drastisch reduziert, so daß der Basisstrom IB hauptsächlich durch IB1 und IB3 bestimmt wird und der Stromverstärkungsfaktor hFE nahe dem des vertikalen bipolaren Transistors gemacht werden kann.
  • Mit der Verringerung des Rekombinationsstromes IB2 wird der Basisstrom IB überwiegend durch den Rekombinationsstrom IB1 und den Diffusionsstrom IB3 bestimmt, wohingegen er beim herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor überwiegend durch den Diffusionsstrom IB3 bestimmt wird.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist somit über dem Emitter-Bereich eine polykristalline Schicht 930 mit einem breiteren verbotenen Band als im Emitter-Bereich, wie in Fig. 10A gezeigt ist, vorgesehen, um die Diffusion der Elektronen zu verhindern.
  • Beim herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor ist der Diffusionsstrom IB3 beträchtlich groß, weil direkt oberhalb des Emitter-Bereiches 5 eine Metallelektrode gebildet ist.
  • Wenn die Elektronen vom Basis-Bereich in den Emitter-Bereich unter einer Bedingung XB « LN injiziert werden, ist, wie aus der Gleichung (4) verstanden werden wird, der Diffusionsstrom IB3 proportional zu WE/LN², ist aber beim herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor proportional zu 1/WE. Somit ist IB3 beim horizontalen bipolaren Transistor der vorliegenden Erfindung um ein Verhältnis WE²/Ln² kleiner als der beim herkömmlichen horizontalen bipolaren Transistor.
  • Es wird nun die Diffusionslänge der Elektronen im p&spplus;- Bereich 5 erläutert.
  • Folgende Beziehung gilt für die Beweglichkeit un von elektronen über einen weiten Bereich der Konzentration Na der p-Störstellen:
  • Folglich nähert sich die Beweglichkeit un für eine niedrigere Störstellenkonzentration Na an 1412 [cm²/V.sec], und wird für eine unendlich hohe Störstellenkonzentration gleich 232 [cm²/V sec].
  • Andererseits wird die Lebensdauer τn der Minoritätsladungsträger durch die folgende Gleichung für eine Störstellenkonzentration von gleich oder größer als 10¹&sup7; [cm&supmin;³] repräsentiert:
  • 1/τn = (3.45 x 10&supmin;¹²Na) + (9.5 x 10&supmin;³²Na²) sec&supmin;¹ (11)
  • Basierend auf der Beweglichkeit un und der Lebensdauer τ n wird die Diffusionslänge Ln im allgemeinen repräsentiert durch:
  • Folgende Tatsache wird aus Fig. 7 verstanden werden. Der p-Emitter-Bereich des horizontalen bipolaren Transistors ist gewöhnlich gemeinsam mit dem Basis-Bereich des vertikalen bipolaren Transistors und hat deshalb eine 10¹&sup8; [cm&supmin;³] nicht überschreitende Störstellenkonzentration, und die Diffusionslänge wird in einem solchen Zustand 15 - 70 [um] groß. Folglich kann der Diffusionsstrom IB3 im Emitter-Bereich ausreichend verringert werden, wenn die Emitterbreite WE ungefähr Ln/r oder weniger ist.
  • Den n-Bereich 4 bildendes Si1-xGex zeigt infolge des Verbindungseffektes eine geringe Ladungsträgerbeweglichkeit, aber bei einer hohen Störstoffkonzentration von beispielsweise gleich oder größer als 10¹&sup8; [cm&supmin;³] verhält es sich wie Si, weil der Ladungsträgereffekt durch die Störstellen vorherrschend wird.
  • Beim Aufbau des vorliegenden Ausführungsbeispieles nähert sich, wie vorstehend beschrieben, der Basisstrom dem Wert des Rekombinationsstromes IB1, und der Stromverstärkungsfaktor hFE nähert sich dem des vertikalen heterogenen bipolaren Transistors. Wenn die Bedingung WB « Lp erfüllt ist, kann der theoretische Stromverstärkungsfaktor in einem solchen Zustand ausgedrückt werden durch:
  • Wie vorstehend erläutert wurde, ist das vorliegende Ausführungsbeispiel entworfen, um die positiven Löcher, die von dem p&spplus;-Emitter-Bereich 5 injiziert werden, durch die heterogene Grenzfläche zwischen dem n-Bereich 4 und dem n-Bereich 3 aus Mischkristall abzublocken und somit die Diffusion der positiven Löcher in den tieferen Bereich des Substrates zu verhindern, und um die Diffusion der Elektronen, die in den Emitter-Bereich injiziert werden, durch die an der an der heterogenen Grenzfläche zwischen dem Si-Ge-Mischkristall und dem monokristallinen Silizium ausgebildete Potentialschwelle zu verhindern.
  • Im folgenden wird ein Beispiel des Herstellungsprozesses der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung des vierten Ausführungsbeispieles erläutert.
  • (1) Auf einem p-Typ-Siliziumsubstrat 1 wurde ein eingebetteter n&spplus;-Bereich 2 mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹&sup5; - 10¹&sup9; [cm&supmin;³] durch Implantation (oder Diffusion) von zumindest einem aus den Elementen der Gruppe V ausgewählten Element wie As, Sb, P etc. gebildet.
  • (2) Ein n-Bereich 3 mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹&sup4; - 10¹&sup7; [cm&supmin;³] wurde beispielsweise durch epitaxiales Wachsen gebildet.
  • (3) Ein n&spplus;-Bereich 6 (mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹&sup7; - 10²&sup0; [cm&supmin;³]) wurde zur Reduzierung des Basis-Widerstandes gebildet.
  • (4) Ein Isolationsfilm 100 zur Elementseparation wurde durch selektive Oxidation oder CVD gebildet, und ein Kanalsperrenbereich 7 wurde unter dem Isolationsfilm 100 gebildet.
  • (5) Ge-Ionen wurden selektiv beispielsweise mit einer Störstellenkonzentration von 1x10¹&sup6; - 1x10¹&sup7; [cm&supmin;²] in das Si-Substrat 1 implantiert, und eine Wärmebehandlung wurde durchgeführt, um einen aus Si1-xGex bestehenden n-Bereich 4 zu bilden.
  • (6) B&spplus;-Ionen wurden mit einer Konzentration von 1x10¹&sup5; [cm&supmin;²] implantiert, und eine Wärmebehandlung wurde durchgeführt, um den Emitter und den Kollektor bildende p&spplus;-Bereiche 5, 5' zu bilden.
  • (7) Ein ultradünner Oxidfilm 920 mit einer beispielsweise 2 nm nicht übersteigenden Dicke wurde durch eine Niedrigtemperaturoxidation zum Beispiel bei 500 - 650ºC gebildet.
  • (8) Polykristalline Siliziumschichten 930, 931 wurden beispielsweise mit einer Dicke von 400 nm aufgebracht, dann einer Bor-Ionenimplantation mit einer Konzentration von beispielsweise 1x10¹&sup6; [cm&supmin;²] unterworfen, ferner einer Wärmebehandlung bei 800 - 900ºC unterworfen und gestaltet. Im Fall von monokristallinem Silizium wurde ein epitaxiales Wachsen bei beispielsweise ungefähr 800ºC durchgeführt.
  • (9) Ein Isolationsfilm 110 wurde aufgebracht und getempert, und Kontaktlöcher wurden geöffnet.
  • (10) Al-Si (1%) zum Bilden der Elektroden 200, 201, 202 wurde durch Sputtern aufgebracht und wurde nachfolgend gestaltet.
  • (11) Die Verbindungsbildung der Al-Si-Elektroden wurde beispielsweise 30 Minuten bei 450ºC durchgeführt, und ein Passivierungsfilm wurde gebildet.
  • Die in Fig. 9 gezeigte Halbleitervorrichtung wurde durch das vorstehend erläuterte Verfahren hergestellt.
  • Wie vorstehend im Detail erläutert wurde, kann die vorliegende Erfindung eine Halbleitervorrichtung mit einem horizontalen bipolaren Transistor schaffen, der eine hohe Emitter-Kollektor-Durchschlagsspannung aufweist, in der Lage ist, den sogenannten Früheffekt zu unterdrücken und einen niedrigen Basisstrom hat, womit er in der Lage ist, den Stromverstärkungsfaktor hFE zu erhöhen.
  • Auch kann die Erfindung eine Halbleitervorrichtung schaffen, die exzellent im Widerstand gegen Umgebungsbedingungen ist.
  • Ferner kann die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung billig geschaffen werden, da die Massenproduktionstechnologie der herkömmlichen integrierten Schaltungen benutzt werden kann. Darüber hinaus hat die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung ein breites Anwendungsgebiet, da andere Elemente wie MOS-Transistoren gleichzeitig integriert werden können.
  • Die vorhergehenden Ausführungsbeispiele waren auf einen horizontalen bipolaren Transistor vom pnp-Typ beschränkt, doch ist die vorliegende Erfindung natürlich auf einen horizontalen bipolaren Transistor vom npn-Typ anwendbar.
  • Bei Betrieb bei Raumtemperatur ist der Wert x in Si1-xGex vorzugsweise zumindest gleich 0,03, weil ΔE zumindest gleich kt sein muß. Bei Raumtemperatur ist kT 25 meV, so daß ΔE als Schwelle funktioniert, wenn x 0,03 oder größer ist. Ferner ist x bei einem Betrieb bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff vorzugsweise mindestens gleich 0,08. Ferner ist die obere Grenze des Wertes x vorzugsweise 1.

Claims (10)

1. Lateraler bipolarer Transistor mit:
einer Emitter-Region (5);
einer seitlich beabstandet von und der Emitter-Region (5) gegenüberliegenden Kollektor-Region (5'); und
einer zwischen den Emitter- und Kollektor-Regionen (5, 5') angeordneten Basis-Region (3, 4);
wobei der Transistor dadurch gekennzeichnet ist, daß:
die Basis-Region (3, 4) einen ersten Abschnitt (3) hat, der sich unter der Unterseite der Emitter-Region (5) in einer Tiefe (XB) befindet, die kürzer als die Diffusionslänge (Lp oder LN) von Minoritätsladungsträgern in einem zweiten Abschnitt (4) der Basis-Region (3, 4) ist, wobei der zweite Abschnitt (4) unmittelbar unter der Emitter-Region (5) zwischen der Emitter-Region (5) und dem ersten Abschnitt (3) liegt und an seiner Grenzfläche zum ersten Abschnitt (3) eine Potentialschwelle (ΔφB) gegen Minoritätsladungsträger im zweiten Abschnitt (4) bildet, welche von der Emitter-Region (5) dort hineingebracht wurden.
2. Transistor nach Anspruch 1, wobei die Potentialschwelle (ΔφB) zumindest gleich der thermischen Energie der Minoritätsladungsträger bei der Betriebstemperatur ist.
3. Transistor nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei der zweite Abschnitt (4) der Basis (3, 4) zwischen Emitter- und Kollektor-Regionen (5, 5') und unmittelbar unter der Kollektor-Region (5') angeordnet ist.
4. Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Abschnitte (3, 4) der Basis-Region (3, 4) jeweils verschiedene Bandabstände haben, wobei der Bandabstand des ersten Abschnittes (3) breiter ist als der Bandabstand des zweiten Abschnittes (4).
5. Transistor nach Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten Abschnitte (3, 4) der Basis-Region (3, 4) heterogen sind&sub1; wobei somit eine Heterogrenzfläche an der Grenzfläche dazwischen gebildet wird.
6. Transistor nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten Abschnitte (3, 4) der Basis-Region (3, 4) aus Silizium Si w bzw. Silizium-Germanium-Mischkombination Si1-xGex sind.
7. Transistor nach Anspruch 6, wobei die Basis-Region (3, 4) unter einer Oberflächenschicht-Region aus Silizium (50) eingebettet ist.
8. Transistor nach Anspruch 6, wobei die Emitter-Region (5) aus Silizium-Germanium-Mischkombination Si1-xGex ist und einen Kontakt (730; 930) aus polykristallinem Silizium oder polykristallinem Siliziumkarbid mit erhöhter Dotierungsstoffkonzentration hat.
9. Transistor nach Anspruch 8, wobei eine dünne Schicht (920) aus Isolationsmaterial zwischen die Emitter-Region (5) und den Kontakt (930) eingefügt ist, um dazwischen einen Tunnelübergang zu definieren.
10. Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basis-Region (3, 4) einen dritten Abschnitt (2) hat, der eine erhöhte Dotierungsstoffkonzentration hat und unmittelbar unter dem ersten Abschnitt (3) angeordnet ist.
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