Emitter-Basis-Dotierstoffprofile

für Höchstfrequenz-Silizium-Bipolartransistoren

Dissertation von Josef Böck

Betreuer: Prof. Dr. H. von Philipsborn

Abgabedatum: 09.12.1996

Abstract

Wichtige Innovationsfelder der Kommunikationstechnik wie das Internet oder der Mobilfunk sind dadurch gekennzeichnet, daß immer größere Datenmengen in immer kürzeren Zeiten übertragen werden müssen. Wegen ihrer guten Hochfrequenzeigenschaften werden Silizium-Bipolartransistoren häufig für diese Anwendungen eingesetzt. Um die Geschwindigkeit weiter zu erhöhen, wird seit Jahrzehnten die Abwärtsskalierung der Bauteile erfolgreich durchgeführt, d. h. die gezielte Verkleinerung ihrer Abmessungen sowohl in lateraler als auch vertikaler Richtung.

Durch die laterale Verkleinerung der Bauteile lassen sich die Widerstände und Kapazitäten im Transistor verringern. Verringert man die Breite des aktiven Emitters jedoch in den sub-µm-Bereich, wird i. a. eine Abnahme der Transitfrequenz beobachtet, die einer weiteren lateralen Skalierung entgegensteht. Die vertikale Skalierung erfolgt im wesentlichen durch die Verbesserung der Form der Dotierstoffprofile der Transistoren. Entscheidend ist dabei die Erzeugung möglichst großer Dotierstoffgradienten im geschwindigkeitsbestimmenden Basisprofil. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Charakterisierung und Optimierung der Emitter- und Basis-Dotierstoffprofile von Silizium-Bipolartransistoren.

Es konnte gezeigt werden, daß die Verwendung des üblicherweise durch Ionenimplantation dotierten Emitter-Polysiliziums zu einer ungenügenden Emitterdotierung in kleinen Transistoren führt. Durch eine zweidimensionale Transistorbeschreibung wurde darüber hinaus noch eine weitere Ursache für das verschlechterte Verhalten sehr kleiner Transistoren gefunden, die rein geometrischer Natur ist: Durch das bei der lateralen Skalierung erhöhte Verhältnis von Umfang zu Fläche des aktiven Transistors werden störende Randeffekte verstärkt. Das Problem der ungenügenden Emitterdotierung wurde durch die Verwendung eines in-situ, d. h. während der Schichtabscheidung, dotierten Emitter-Polysiliziums gelöst. Durch die Verbesserung von Form und Größe der selbstjustierten Emitter-Basis-Isolation wurde außerdem eine Möglichkeit gefunden, mit der das Verhältnis von Umfang zu Fläche im aktiven Bauteil reduziert werden kann. Dies ermöglicht die Realisierung von Bipolartransistoren mit nur 0.2 µm effektiver Emitterbreite, die keine Abnahme der Transitfrequenz mehr aufweisen.

Neben der Unabhängigkeit der Transitfrequenz von der Transistorgeometrie ist ein möglichst hoher Absolutwert dieser Größe für die Transistorperformance entscheidend. Daher wurden die Effekte bei der Skalierung des geschwindigkeitsbestimmenden Basisprofils untersucht. Vor allem die Wechselwirkung der Dotierstoffe mit den durch Ionenimplantation erzeugten Kristalldefekten erwies sich dabei als entscheidend. Die auftretenden anomalen Diffusionseffekte wurden charakterisiert und anschließend gezielt zur Optimierung der Form des Dotierstoffprofils genutzt. Damit lassen sich Silizium-Bipolartransistoren mit 50 GHz Transitfrequenz herstellen, was etwa einen Faktor zwei Geschwindigkeitsgewinn im Vergleich zu den schnellsten heute verfügbaren Bauteilen bedeutet.

Die Anwendbarkeit der Bauteile wurde durch die Herstellung aller für ein optoelektronisches Übertragungssystem nötigen digitalen elektrischen Komponenten demonstriert. Alle Schaltungen (Frequenzteiler, Multiplexer, Demultiplexer und Exklusiv-Oder Gatter) lieferten die höchsten veröffentlichten Arbeitsfrequenzen bzw. -datenraten für integrierte Schaltungen auf Siliziumbasis. Die Werte für den Multiplexer und Demultiplexer sind die besten für alle bekannten Halbleitertechnologien.