Ionenunterstützte Antimon-Dotierung für die Silizium-Molekularstrahlepitaxie von Bauelementstrukturen

Abstract

Die Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist eine geeignete Methode zur Herstellung von aktuellen Höchstfrequenz-Bauelementstrukturen, wie dem Silizium-Germanium-Heterobipolartransistor (SiGe-HBT) mit einer ultradünnen (< 20 nm), hochdotierten Basis. Die MBE ermöglicht eine starke Reduzierung der Wachstumstemperatur, um Dotier- und Heterostrukturprofile mit Nanometer-Abmessungen zu erzeugen. In diesem Niedrigtemperatur-Bereich mit vernachlässigbarer Volumendiffusion zeigt sich, dass auch die Entmischung der Materialien an der wachsenden Oberfläche durch Segregation zu einer Verschmierung der Profile führt. Die Segregation kann durch eine passende Strategie verhindert werden, wenn das Ausmaß der Segregation in Abhängigkeit der beeinflussenden Parameter bekannt ist. In dieser Arbeit wird eine Wachstumsstrategie für einen npn-SiGe-HBT vorgestellt. Die Strategie und ihre Umsetzung werden anhand der Profile und elektrischen Ergebnisse diskutiert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wurde auf die exakte Verwirklichung des n-Dotierprofils mit Antimon (Sb) gelegt. Antimon neigt sehr stark zur Segregation, bietet jedoch gegenüber anderen Elementen der V. Hauptgruppe große Vorteile bei der Verdampfung im Ultrahoch-Vakuum (UHV). Als Maß für die Segregation wurde die Segregationsweite D in Abhängigkeit der Wachstumsparameter Temperatur T, Wachstumsrate R und Sb-Oberflächenkonzentration nS bestimmt. Weiterhin wurde die Möglichkeit aufgezeigt, die Segregation durch den Einfluss niederenergetischer Ionen zu unterdrücken. Bei dieser Dotierung mit Sekundärionen (DSI) werden Sb-Oberflächenatome durch im Substratpotenzial beschleunigte Ionen einige Atomlagen tief in den Kristall gestoßen und durch Umordnung der Atome eingebaut. Der Silizium-Elektronenstrahlverdampfer (Si-ESV) ist eine geeignete Ionenquelle, die ohne zusätzlichen Aufwand für das ionenunterstützte MBE-Wachstum genutzt werden kann. Die Generation und Ausbreitung von Ionen sowie deren Einfluss auf die Dotierung wurde anhand des Stroms am Substratkontakt und einer im Rahmen einer wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit der Akademie der Wissenschaften in Tashkent/Usbekistan entwickelten Ionensonde untersucht. Des Weiteren wurden zur Untersuchung der Segregation und der ionenbedingten Dotierung MBE-Schichten durch das Wachstum mit Vorbelegung unter Variation der entscheidenden Wachstumsparameter hergestellt. Die Ergebnisse der Vierspitzenmessung, der elektrochemischen Kapazitäts-Spannungsmessung (eCV) und der Sekundärionen-Massen-spektroskopie (SIMS) zeigen die Segregationsweite D in Abhängigkeit der beeinflussenden Parameter. Mit den Ergebnissen der Segregation und des ionenbedingten Einbaus können exakte Sb-Dotierprofile mit scharfen Übergängen für Bauelementstrukturen verwirklicht werden. Beim Wachstums mit Vorbelegung wird die Dotierung über die Segregationsweite, bzw. durch deren beeinflussende Parameter gesteuert. Am besten eignen sich dazu die Variation der Wachstumstemperatur oder der Ionendichte über die Substratspannung. Darauf aufbauend wurde ein HBT-Konzept mit einem niedrigdotierten 300 nm- Kollektor, hochdotierter 25 nm-Basis mit 3 nm-Zwischenschichten und einem dreiteiligen Emitter, bestehend aus "low doped"-, "high doped"-Emitter und Emitterkontakt umgesetzt. Als Vorstufe wurden Emitter-Basis-(EB-)Dioden und Basis-Kollektor-(BC-)Dioden hergestellt und deren SIMS-Profile und Diodenkennlinien untersucht. In den Dotierprofilen zeigen sich Abweichungen von den Segregationsergebnissen, wenn sich die Oberflächenkonzentrationen von Sb, Bor und Ge gegenseitig beeinflussen und sogenannte surfactant-Effekte zeigen, die in dieser Arbeit jedoch nicht weiter verfolgt werden. Aus den Ergebnissen der beiden Einzeldioden wurde eine HBT-Wachstumsstrategie entwickelt. Die wesentlichen Merkmale dieser Strategie sind der DSI-Kollektor zu Wachstumsbeginn und die Dotierung des "low doped"-Emitters. Beim Wachstum des Kollektors und der Basis wird nur ein geringer Teil der ursprünglichen Sb-Vorbelegung verbraucht, so dass diese zu Beginn des "low doped"-Emitters noch fast vollständig vorhanden ist. Mit dieser Vorbelegung kann die Dotierung des "low doped"-Emitters über die Wachstumstemperatur gesteuert werden. Im Dotierprofil des "high doped" Emitters und der Emitterkontaktschicht spiegelt sich die Abhängigkeit der Segregationsweite von der Sb-Oberflächenkonzentration wider. Mit den hergestellten Strukturen wurde der Nachweis eines funktionierenden npn-SiGe-HBTs erbracht, dessen gesamtes Dotierprofil in einem einzigen Prozessschritt durch MBE-Wachstum erzeugt wurde. Dabei wurden mit technologisch gut beherrschbaren Werten des Germaniumgehalts (16 %) und totaler Basisweite von 31 nm Verstärkungen b0 > 60 erreicht.

The molecular beam epitaxy (MBE) is an appropriate method for the production of recent high frequency electronic devices such as the Silicon Germanium heterobipolartransistor (SiGe-HBT) with an ultra-thin (< 20 nm) highly doped base. MBE enables a strong reduction of the growth temperature to achieve, in principle, doping and hetero structure profiles with nanometer dimensions. In this low temperature region with negligible bulk diffusion, demixing of the materials at the growing crystal surface by segregation also leads to smearing of the profiles. Segregation can be avoided with a suitable growth strategy, when the magnitude of segregation and its dependencies of the influencing parameters are understood. A growth strategy for an npn-SiGe-HBT has been developed for this work and is presented here. The strategy and its implementation are discussed in terms of the achieved profiles and electrical results. The main focus of the investigations was set on the realisation of an n-type doping profile with antimony (Sb). Antimony has a strong tendency to segregate, but has also relevant advantages over other elements of the V. main group in ultra high vacuum (UHV) due to it's low vapour pressure. To measure the magnitude of segregation, the segregation length was determined depending on the growth parameters temperature T, growth rate R and the Sb surface concentration nS. Sb segregation can also be suppressed by the influence of low energetic ions impinging on the growing surface . During this doping by secondary ions (DSI) Sb surface atoms are pushed a few atomic layers deep in the crystal by ions, accelerated due to the substrate potential. Afterwards the Sb atoms are incorporated by crystal reconstruction. The silicon electron beam evaporator (Si e-gun) is a capable ion source, which can be used for the ion assisted MBE growth without additional effort. The ion generation and distribution, as well as their influence on the doping level, were investigated by measuring the current at the substrate contact and with a special ion monitor developed in a cooperation with the Uzbek academy of science in Tashkent. Furthermore MBE layers were grown with the pre built up method by varying the main growth parameters to investigate segregation and ion induced doping. With the four point probe measurement, secondary ion mass spectrometry (SIMS) and electrochemical capacitance voltage measurement (eCV), the segregation length D was determined as function of the influencing growth parameters. With the results of segregation and ion induced incorporation, exact Sb doping profiles with steep transitions for electronic devices were realised. During the growth with a pre built up Sb adlayer the doping level is controlled by the segregation length or the parameters effecting the segregation length. The variation of growth temperature or the ion density is most suitable for this purpose. Based on these principles an npn-SiGe-HBT conception with a 300 nm, low doped collector layer, a 25 nm thick, high doped SiGe base with 3 nm SiGe spacers and a threepart emitter, consisting of a low doped layer next to the base, a high doped emitter and a very high doped contact layer was implemented. As a pre-stage for the HBT growth strategy, emitter base (EB) diodes and collector base (BC) diodes have been produced. SIMS profiles and diode characteristics were measured. The profiles show deviations from the segregation results when the surface concentrations of Sb, Boron and Ge interact with each other revealing so-called surfactant effects, which are not further pursued in this work. Based on the diodes results the HBT growth strategy was developed. The main features of the strategy are the DSI collector at the growth start and the doping of the low doped emitter. During the growth of the collector and the base layer, only a small part of the original Sb pre built up was spent so that the pre built up is nearly completely existing at the beginning of the low doped emitter. With this pre built up the doping of the low doped emitter can be controlled by the growth temperature. The profiles of the high doped emitter and the contact layer show the dependency of segregation length on the Sb surface concentration. Device structures and electrical data are produced as evidence for a working HBT concept, acheived in one process step, using MBE growth only, and without ion implantation. With a technologically well accomplished germanium content of 16% and a total base thickness of 31 nm an amplification of more than 60 was achieved.