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DE4445565C2 - Säulen-Bipolartransistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Säulen-Bipolartransistor und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE4445565C2 DE4445565A DE4445565A DE4445565C2 DE 4445565 C2 DE4445565 C2 DE 4445565C2 DE 4445565 A DE4445565 A DE 4445565A DE 4445565 A DE4445565 A DE 4445565A DE 4445565 C2 DE4445565 C2 DE 4445565C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltung und insbesondere einen Pfosten- bzw. Säulen-Bipolartransistor, der eine bidirektionale Betriebskennlinie aufweist und bei dem eine paräsitäre Verbindungskapazität der Basiselektrode auftritt, sowie ein Verfahren zur Herstellung davon.
Mit zunehmender Integration von Halbleiterschaltungen wird deren Steuergeschwindigkeit und Stromverstärkug erhöht, wobei allerdings ihre Betriebskennlinie etwas begrenzt ist.
Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird bereits an dieser Stelle auf die Figuren Bezug genommen.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines nach einem bekannten Verfahren hergestellten Bipolartransistors.
Bei dieser Technik wird die parasitäre Verbindungskapazität eines Kollektors 3, d. h. die parasitäre Verbindungskapazität zwischen einem Substrat 1 und einem vergrabenen Kollektor 2 vermindert, und die Größe des bipolaren Transistors wird weiterhin verkleinert.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 6 eine Isolierschicht, mit 7 ein Basisbereich und mit den Bezugszeichen 8 bzw. 9 ein Emitterbereich bzw. eine Elektrode gekennzeichnet.
Da bei dem in Fig. 1 dargestellten bipolaren Transistor der Basisbereich 7 breit ist und die Emitter- und Basisbereiche 8 und 7 bei hoher Störstellenkonzentration miteinander verbunden sind, tritt das Problem des hohen Leistungsverbrauchs auf.
Zur Verbesserung der Betriebskennlinie ist in der europäischen Patentanmeldung 84 113 062.8 (EP 140 369 A1) der Aufbau eines in Fig. 2 dargestellten Säulen-Bipolartransistors beschrieben.
Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, weist das Verfahren zur Herstellung des dort beschriebenen Säulen-Bipolartransistors die folgenden Verfahrensschritte auf selektives Ätzen eines Einkristall-Halbleitersubstrats 11 zur Ausbildung von Pfosten bzw. Säulen, Ausbilden eines Emitterbereichs 18, eines Basisbereichs 17, eines Kollektorbereichs 13 und eines Kollektorwallbereichs 15 in den Säulen, Isolieren von aktiven Bereichen durch eine vergrabene Isolierschicht 16 und Ausbilden einer Polysiliziumschicht 14 als störstellenleitender Basisbereich an beiden Seiten der einen Säule, um die. Herstellung des Säulen-Bipolartransistors zu vervollständigen.
Da bei dem nach dem bekannten Verfahren hergestellten Säulen-Bipolartransistor die Polysiliziumschicht 14 jedoch mit beiden Seiten der Säule verbunden ist, in der der Basisbereich 17 ausgebildet ist, wird der Basisbereich 17 noch größer. Somit wird die Betriebskennlinie des Säulen-Bipolartransistors verschlechtert.
Da zudem die Emitter- und Kollektorbereiche in einem oberen Teil der Säule ausgebildet werden müssen, tritt das Problem auf, daß es äußerst schwierig ist, einen selbstausrichtenden Kontaktöffnungsprozeß durchzuführen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Säulen-Bipolartransistor zu schaffen, der eine bidirektionale Betriebskennlinie besitzt und bei dem eine parasitäre Verbindungskapazität zwischen der Basis und dem Kollektor oder zwischen der Basis und dem Emitter verringert werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Säulen-Bipolartransistors zu schaffen, bei dem in einfacher Weise ein störstellenleitender Basisbereich in elektrischer Verbindung mit einem in einer Säule ausgebildeten Basisbereich sowie eine selbstausrichtende Kontakt­ öffnung für die Verbindung ausgebildet werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Patentansprüchen definiert. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung unterscheidet sich vom Bipolartransistor gemäß Fig. 1 dadurch, daß zwischen der Säule und dem störstellenleitenden Bereich eine Oxidschicht mit einem darin vorgesehenen Verbindungsabschnitt angeordnet ist, wodurch sich die Betriebskennlinie des Säulen-Bipolartransistors weniger verschlechtert.
Bei diesem Säulen-Bipolartransistor kann die eigenleitende Basis in der Größe weiter vermindert werden, da zwischen der eigenleitenden Basis und der störstellenleitenden Basis ein elektrischer Verbindungsabschnitt vorgesehen ist.
Zudem kann der aktive Bereich in Selbstausrichtung ausgebildet werden, wodurch die Integrationsfähigkeit erhöht werden kann. Die parasitäre Verbindungskapazität zwischen der Basis und dem Kollektor oder zwischen der Basis und dem Emitter kann vermindert werden, und zwar durch Ausbildung des aktiven Bereichs in Selbstausrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Aufbaus eines nach einem bekannten Verfahren hergestellten Bipolartransistors;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines nach einem weiteren bekannten Verfahren hergestellten Säulen-Bipolartransistors;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Aufbaus eines nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Säulen-Bipolartransistors; und
Fig. 4A bis 4K Querschnittsansichten zur Erläuterung der Schritte zur Herstellung des Säulen-Bipolartransistors nach Fig. 3 gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht des gemäß der Erfindung hergestellten Säulen-Bipolartransistors.
Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, weist ein Halbleitersubstrat 21 einen Grabenbereich mit mindestens drei Ausnehmungen sowie ersten und zweiten Säulenstrukturen 10 und 20 auf, die zwischen den Grabenbereichen ausgebildet sind. Der Kollektorbereich (oder Emitterbereich) ist unterhalb der ersten und zweiten Säulenstruktur und in der zweiten Säulenstrukur ausgebildet, und eine dünne Schicht für eine Basiselektrode oder einen störstellenleitenden Bereich 24 besteht aus einem in den Grabenbereichen vergrabenen Polysilizium. Zwischen der störstellenleitenden Basis 24 und dem Substrat 21 ist eine Oxidschicht 34 ausgebildet. Im Mittenbereich der ersten Säulenstruktur 10 ist auch ein Basisbereich 27 eines ersten Leitfähigkeits- bzw. Leitungstyps ausgebildet. Ein Verbindungsbereich bzw. -abschnitt 25 ist an beiden Seiten der ersten Säulenstruktur 10 ausgebildet, und der Emitterbereich (oder der Kollektorbereich) des zweiten Leitfähigkeitstyps ist im oberen Abschnitt der ersten Säulenstruktur 10 ausgebildet. Jede Elektrode ist an einem Abschnitt von jeweils dem störstellenleitenden Basisbereich 24, dem Emitter-(oder Kollektor-)Bereich 28 und dem Kollektor (oder Emitter) 23 ausgebildet.
Bei dem oben beschriebenen Säulen-Bipolartransistor kann eine leitende dünne Schicht 26, die breiter als der Emitter ist, ausgebildet sein, damit für die Verbindung zwischen dem Emitter (oder Kollektor) 28 und der Emitterelektrode 29 auf einfache Weise eine Kontaktöffnung vorgesehen ist. Die leitende dünne Schicht 26 besteht aus einem Polysilizium, das Störstellen des zweiten Leitfähigkeitstyps besitzt.
Im nachfolgenden wird das Verfahren zur Herstellung des Säulen-Bipolartransistors nach Fig. 3 anhand der Fig. 4A bis 4K beschrieben. Dabei sind die Teile mit den gleichen Funktionen wie die entsprechenden Teile des in Fig. 3 dargestellten Säulen-Bipolartransistors mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Wie aus Fig. 4A zu ersehen ist, ist auf einem p-Siliziumsubstrat 21 eine Oxidschicht ausgebildet. Danach wird eine Musterbildung der Oxidschicht durchgeführt, um eine erste Musteroxidschicht 32 auszubilden und einen Grabenbereich zu definieren. Danach wird ein anisotropes Ätzen unter Verwendung der ersten Musteroxidschicht als Ätzmaske durchgeführt, um eine erste und zweite Säulenstruktur 10 bzw. 20, getrennt durch den Grabenbereich, auszubilden. Beim Ätzen wird das Substrat 21 durch eine Differenz zwischen den Ätzraten der ersten Musteroxidschicht 32 und des Substrats 21 geätzt.
Wie aus Fig. 4B zu ersehen ist, wird nach dem Entfernen des Teils der Musteroxidschicht 32, der außerhalb der lediglich auf der ersten Säulenstruktur 10 ausgebildeten Oxidschicht liegt, eine Oxidschicht darauf ausgebildet. Danach wird die Oxidschicht einer Musterbildung unterzogen, um eine zweite Musteroxidschicht 33 zu bilden und einen Unterkollektorbereich zu definieren. Danach wird unter Verwendung der zweiten Musteroxidschicht 33 als Maske eine Störstelleninjektion durchgeführt, um eine Kollektorschicht 23 (oder Emitter), injiziert mit Fremdatomen hoher Konzentration, auszubilden. Im Falle der Fremdatominjektion wird die Kollektorschicht 23 unter der ersten und zweiten Säulenstruktur 10 bzw. 20 und in der zweiten Säulenstruktur 20 unter Verwendung einer Fremdatomdiffusionsdifferenz zwischen der zweiten Musteroxidschicht 33 und dem Substrat 21 ausgebildet.
Wie aus Fig. 4C zu ersehen ist, wird nach dem Entfernen aller Oxidschichten 32 und 33 eine Oxidschicht 34 darauf ausgebildet. Eine Polysiliziumschicht 24, die dicker ist als der Schritt zwischen dem Graben und der Säulenstruktur, wird darauf aufgebracht. Danach wird ein chemisch-mechanisches Polieren durchgeführt, um die Polysiliziumschicht 24' bis zur Oberfläche der Oxidschicht 34 zu polieren, wie es in Fig. 4D dargestellt ist. Beim Polieren wird für das Planmachen die Oxidschicht 34 als Polierstoppmittel verwendet.
Wie aus Fig. 4E zu ersehen ist, wird ein Trockenätzverfahren durchgeführt, um einen Teil der Polysiliziumschicht 24' und einen Teil der Oxidschicht 34 zu entfernen. Als Ergebnis wird eine dünne Schicht als Basiselektrode oder störstellenleitende Basis 24 im Grabenbereich ausgebildet. Danach wird lediglich die auf beiden Seiten der ersten Säulenstruktur 10 ausgebildete Oxidschicht 34 selektiv entfernt, um einen Verbindungsbereich 25' zu bilden. In den Verbindungsbereich 25' wird eine Polysiliziumschicht vergraben, um einen Verbindungsbereich 25 zur elektrischen Verbindung einer Basis, d. h. einer nach dem folgenden Verfahren ausgebildeten eigenleitenden Basis, mit der störstellenleitenden Basis 24 zu bilden, wie es in Fig. 4F dargestellt ist.
Nach Ausbildung einer Oxidschicht 36 wird, wie es in Fig. 4G dargestellt ist, eine Polysiliziumschicht 35 darauf aufgebracht. Danach wird ein chemisch-mechanisches Polieren unter Verwendung der Oxidschicht 36 als Polierstoppmittel durchgeführt, um eine plane Oberfläche zu erhalten, wie es in Fig. 4H dargestellt ist.
Wie aus Fig. 41 zu ersehen ist, wird nach dem Entfernen lediglich der Oxidschicht 36, die aufwärts der ersten Säulenstruktur 10 ausgebildet ist, eine Injektion von p-Fremdatomen durchgeführt, um die eigenleitende Basis 27 im Mittenbereich der ersten Säulenstruktur 10 zu bilden. Danach wird die eigenleitende Basis 27 elektrisch mit der störstellenleitenden Basis 24' verbunden. n-Fremdatome werden in die erste Säulenstruktur 10 injiziert, um einen Emitterbereich 28 (oder Kollektorbereich) im oberen Teil der ersten Säulenstruktur 10 zu bilden.
Zusätzlich wird nach Entfernen der Polysiliziumschicht 35 eine mit n-Fremdatomen dotierte Polysiliziumschicht 26 auf dem Emitterbereich (oder Kollektorbereich) 28 ausgebildet, wie es in Fig. 4.1 dargestellt ist. Die Polysiliziumschicht 26 ist breiter ausgebildet als der Emitterbereich 28.
Schließlich wird, wie es in Fig. 4K dargestellt ist, eine Passivierungsschicht 37 darauf aufgebracht. Danach wird die Bildung von selbstausrichtenden Kontaktöffnungen durchgeführt, um im jeweiligen Bereich der störstellenleitenden Basis 24, der Polysiliziumschicht 26 und dem Kollektor (oder Emitter) 23 Öffnungen zu bilden. Danach wird eine Metallisation durchgeführt, um Verdrahtungselektroden 29 auszubilden, so daß die Herstellung des Säulen-Bipolartransistors abgeschlossen ist.
Wie oben bereits beschrieben wurde, kann die eigenleitende Basis des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Säulen-Bipolartransistors weiter in ihrer Größe vermindert werden, da ein elektrischer Verbindungsbereich zwischen der eigenleitenden Basis und der störstellenleitenden Basis vorgesehen ist.
Bei dem Säulen-Bipolartransistor kann auch ein aktiver Bereich in Selbstausrichtung ausgebildet werden, wodurch seine Integrationsfähigkeit erhöht wird. Die parasitäre Verbindungskapazität zwischen der Basis und dem Kollektor oder zwischen der Basis und dem Emitter kann durch Ausbilden des aktiven Bereichs in Selbstausrichtung vermindert werden.
Zusätzlich dazu kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein SäulenBipolartransistor mit guter bidirektionaler Betriebskennlinie hergestellt werden.
Wegen der Verminderung der parasitären Kapazität und der Verbesserung der guten bidirektionalen Betriebskennlinie kann der Säulen-Bipolartransistor in einer integrierten Schaltung verwendet werden, die für einen niedrigen Leistungsverbrauch nötig wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es einfach, eine Mehrschichtverbindung durchzuführen, und zwar wegen des guten Planmachens der Oberfläche. Insbesondere können ein störstellenleitender Basisbereich, der mit einem eigenleitenden Basisbereich in dem Säulen-Bipolartransistor elektrisch verbunden werden soll, und selbstausrichtende Kontaktöffnungen für die Verbindung der Elektroden miteinander leicht ausgebildet werden.
Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen sind für den Fachmann ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung.

Claims (5)

1. Säulen-Bipolartransistor mit:
einem Halbleitersubstrat (21) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit mindestens drei Grabenbereichen und einer ersten und zweiten Säulenstruktur (10, 20), die zwischen den Grabenbereichen ausgebildet ist;
einem unterhalb der ersten und zweiten Säulenstruktur (10, 20) und in der zweiten Säulenstruktur sowie unterhalb eines Teils der Grabenbereiche ausgebildeten Kollektorbereich (23), der mit Fremdatomen eines zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist;
einem in den Grabenbereichen vergrabenen störstellenleitenden Basisbereich (24), welcher auf beiden Seiten der ersten Säulenstruktur (10) ausgebildet ist;
einer mit vorbestimmter Höhe auf den Seitenwänden der Grabenbereiche zwischen dem störstellenleitenden Basisbereich und dem Substrat ausgebildeten Oxidschicht (34) zur Isolierung des störstellenleitenden Basisbereichs (24) vom Halbleitersubstrat (21) und von der ersten Säulenstruktur (10);
einem eigenleitenden Basisbereich (27) des ersten Leitfähigkeitstyps, der im Mittenbereich der ersten Säulenstruktur (10) ausgebildet ist;
einem Verbindungsabschnitt (25), der zwischen dem störstellenleitenden Basisbereich (24) und dem eigenleitenden Basisbereich (27) ausgebildet ist, um den störstellenleitenden Basisbereich (24) elektrisch mit dem eigenleitenden Basisbereich (27) zu verbinden;
einem Emitterbereich (28) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in einem oberen Abschnitt der ersten Säulenstruktur (10) ausgebildet ist; und
Elektroden, die durch Kontaktöffnungen jeweils auf dem Emitterbereich (28), der zweiten Säulenstruktur (20) und dem störstellenleitenden Basisbereich (24) ausgebildet sind.
2. Säulen-Bipolartransistor nach Anspruch 1, der weiterhin eine leitende dünne Schicht (21) auf dem Emitterbereich (28) aufweist, die breiter ist als der Emitterbereich.
3. Säulen-Bipolartransistor nach Anspruch 2, bei dem die leitende dünne Schicht (26) aus Fremdatomen des zweiten Leitfähigkeitstyps enthaltendem Polysilizium besteht.
4. Säulen-Bipolartransistor nach Anspruch 2, bei dem der störstellenleitende Basisbereich (24) aus Polysilizium besteht.
5. Verfahren zur Herstellung eines Säulen-Bipolartransistors, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
Ätzen eines Siliziumsubstrats (21) eines ersten Leitfähigkeitstyps unter Verwendung einer ersten Musterisolierschicht als Maske zur Ausbildung einer ersten und zweiten Säulenstrukur, getrennt durch einen Grabenbereich darin;
Injizieren von Fremdatomen des zweiten Leitfähigkeitstyps unter Verwendung einer zweiten Musterisolierschicht als Maske zur Ausbildung eines Kollektorbereichs (23) unterhalb der ersten und zweiten Säulenstruktur (10, 20) in der zweiten Säulenstruktur (20) und unterhalb eines Teils der Grabenbereiche;
sequentielles Aufbringen einer ersten Oxidschicht (34) und einer ersten Polysiliziumschicht (24') auf der gesamten Oberfläche der freigelegten Substratstrukturen;
Polieren der ersten Polysiliziumschicht (24') unter Verwendung der ersten Oxidschicht (34) als Polierstopper;
Entfernen eines Teils der in den Grabenbereichen ausgebildeten ersten Polysiliziumschicht (24') und eines Teils der ersten Oxidschicht (34) zur Bestimmung eines störstellenleitenden Basisbereichs (24);
Ätzen der ersten Oxidschicht (34), die außerhalb der ersten Säulenstruktur (10) ausgebildet ist, bis zu einer bestimmten Tiefe, um einen Verbindungsabschnitt (25') zu definieren, und Ausbilden einer zweiten Polysiliziumschicht darin, die um den ersten Säulenabschnitt herum positioniert ist, um den Verbindungsabschnitt (25) zu bilden;
sequentielles Aufbringen einer zweiten Oxidschicht (36) und einer zweiten Polysiliziumschicht (35) auf der gesamten Oberfläche der Substratstrukur;
Polieren der zweiten Polysiliziumschicht (35) unter Verwendung der zweiten Oxidschicht (36) als Polierstopper, so daß sie in Gräben der zweiten Oxidschicht (36) verbleibt und mit der zweiten Oxidschicht (36) eine Ebene bildet;
Entfernen lediglich der zweiten Oxidschicht (36), die am oberen Teil der ersten Säulenstruktur (10) ausgebildet ist, um die Oberfläche der ersten Säulenstruktur freizulegen;
Injizieren von Fremdatomen des ersten Leitfähigkeitstyps in die erste Säulenstruktur, um einen Basisbereich (27) im Mittenabschnitt davon auszubilden;
Injizieren von Fremdatomen des zweiten Leitfähigkeitstyps, um einen Emitterbereich (28) im oberen Abschnitt der ersten Säulenstruktur zu bilden;
Aufbringen einer dritten Polysiliziumschicht (26) auf den Emitterbereich (28), wobei die dritte Polysiliziumschicht breiter ausgebildet ist als der Emitterbereich; und
Ausbilden von selbstausgerichteten Kontaktöffnungen, um den störstellenleitenden Basisbereich (24), die zweite Säulenstruktur (20) und die dritte Polysiliziumschicht freizulegen, nachdem eine dritte Oxidschicht auf der gesamten Oberfläche der Substratstrukturen abgelagert wurde.
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