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DE2035703A1 - Verfahren zur Verbesserung der Strahlungs resistenz von Siliziumtransistoren mit Sill ziumoxiddeckschicht - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung der Strahlungs resistenz von Siliziumtransistoren mit Sill ziumoxiddeckschicht

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DE2035703A1
DE2035703A1 DE19702035703 DE2035703A DE2035703A1 DE 2035703 A1 DE2035703 A1 DE 2035703A1 DE 19702035703 DE19702035703 DE 19702035703 DE 2035703 A DE2035703 A DE 2035703A DE 2035703 A1 DE2035703 A1 DE 2035703A1
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Rudolf Dipl Phys UhI Dieter 8520 Erlangen Bauerlem
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Siemens Corp
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Siemens Corp
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Description

Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsresistenz von Sili-ziumtransistören mit Siliziumoxiddeckschicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxiddeckschicht. ·
Erdsatelliten und andere Raumfahrzeuge sind während ihres Einsatzes der Einwirkung von Partikel- und Quantenstrahlung ausgesetzt. Beispielsweise tritt im Bereich des Strahlengürtels der Erde, des sogenannten Van-Allen-Gürtels, eine durchdringende Protonen- und Elektronenstrahlung auf. Transistoren, die in solchen Raumfahrzeugen Anwendung finden, sind durch diese Strahlung besonders gefährdet, da die elektrischen Kenndaten der Transistoren durch die unter Strahlungseinwirkung auftretende Ionisierung verändert werden. Insbesondere die Stromverstärkung der Transistoren kann unter Strahlungseinwirkung stark abnehmen. Ihnliehe Verhältnisse können auch bei der Anwendung von Transistoren bei Teilchenbeschleunigern, Kernreaktoren, Röntgenanlagen und anderen Anlagen auftreten, bei denen ionisierende Strahlung entsteht. Um eine zu starke Funktionsminderung der mit den Transistoren bestückten Schaltungen zu verhindern, sollten die Transistoren daher eine möglichst hohe Strahlungsresistenz besitzen.
In der deutschen Patentanmeldung Akt.Z. P 19 04 763.3-33 wurde bereits ein Verfahren zur Erhöhung der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxiddeckschicht vorgeschlagen. Dieses bereits vorgeschlagene Verfahren besteht darin, daß der Transistor zunächst einer ionisierenden Röntgen-, Gamma- oder Elektronenstrahlung mit solcher Energie, daß die Siliziumoxiddeckschicht wenigstens von einem Teil der Strahlung durchdrungen
4 9 wird, und einer Dosis zwischen 10 und 10^ rad ausgesetzt und anschließend ohne Strahlungseinwirkung einer elektrischen BeIa-
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stung unterzogen wird, bei welcher eine Sperrsehichttemperatur von etwa 50 bis 25O0C auftritt, und daß die Folge von Bestrahlung und elektrischer Belastung ohne Strahlungseinwirkung mehrfach durchlaufen wird. ·
Dieses bereits vorgeschlagene Verfahren liefert zwar gute Ergebnisse, ist jedoch wegen der erforderlichen mehrfachen Bestrahlung und elektrischen Belastung ohne Strahlungseinwirkung noch verhältnismäßig aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxiddeckschicht anzugeben, das gegenüber dem bereits vorgeschlagenen P Verfahren vereinfacht und in der Wirksamkeit noch erhöht ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Transistor oder eine Siliziumscheibe mit mehreren Transistorstrukturen einer Elektronenstrahlung mit einer Energie unterhalb von 150 keV und einer Dosis zwischen "\0J und 10 rad an der Grenzschicht zwischen Silizium und Siliziumoxiddecksciiicht ausgesetzt und der Transistor oder die Siliziumscheibe während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 150 und 45O°C gehalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Es erfordert gegenüber dem bereits Torgeschlagenen Ver- ^ fahren nur eine einzige Bestrahlung und ist daher wesentlich vereinfacht und für eine Einschaltung in den Fertigungsprozeß der Transistoren noch besser geeignet. Ferner kann es, je nachdem wie der Fertigungsprozeß dies erlaubt, an verschiedenen Stellen des Fertigungsprozesses eingeschaltet werden. Es können sowohl fertige Transistoren, zweckmäßigerweise bei noch offenem Gehäuse, als auch bereits Siliziumsoheiben bestrahlt werden, die eine Vielzahl von Transistorstrukturen enthalten und noch nicht in einzelne Transistoren aufgeteilt sind. Die Bestrahlung solcher' Siliziumscheiben kann ferner vor oder nach dem Aufbringen der elektrischen Kontakte auf die Transistorstrukturen erfolgen.
Es ist zwar bereits bekannt, daß bei Siliziumplanartransistoren· ' die bei Einwirkung einer ionisierenden Strahlung niedrigerer
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Strahlungadosis auftretende Abnahme der Stromverstärkung in vielen Fällen durch eine nach der Strahlungseinwirkung erfolgende Wärmebehandlung oder elektrische Belastung insbesondere des Emitter-Basis-tiberganges des Transistors in Durchlaßrichtung teilweise oder sogar vollständig wieder ausgeheilt werden kann.
Völlig überraschend ist es jedoch, daß bei Einwirkung von
α 12
Strahlungsdosen zwischen 10 und 10 rad und gleichzeitiger Erhitzung der Transistoren auf Temperaturen zwischen 150 bis 45O0C die Ionisationsschädigungen ausgeheilt werden können und darüber hinaus gleichzeitig die Strahlungsresistenz der Transistoren erheblich erhöht wird. Während zu erwarten war, daß bei' so hohen Strahlungsdosen die bestrahlten Transistoren bzw. Transistorstrukturen irreparabel geschädigt wurden, zeigte sich überraschenderweise, daß gerade bei den hohen Strahlungsdosen η· 12
zwischen 10 und 10 rad die Strahlungsresistenz der Transistoren besonders stark verbessert wird. Als besonders vorteilhaft
q 10 haben sich dabei Strahlungsdosen zwischen 5 · 10 und 2'· 10.
rad erwiesen.
Die Verbesserung der Strahlungsresistenz der Transistoren zeigt sich insbesondere darin, daß die Stromverstärkung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Transistors bei einer Testbestrahlung nur auf einen Wert absinkt, der wesentlich größer ist als der Wert, auf den die Stromverstärkung des Transistors ohne Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer gleichen Testbestrahlung absinkt. Unter Stromverstärkung ist hierbei jeweils die statische Stromverstärkung, d.h. der Quotient aus Kollektorstrom und Basisstrom zu verstehen, der die wichtigste Kenngröße eines Transistors darstellt.
Die Energie der anzuwendenden Elektronenstrahlung hängt von der Dicke der Siliziumoxid-Deckschicht des Transistors bzw. der Siliziumscheibe ab. Die Energie sollte dabei entsprechend der bekannten Energie-Reichweite-Beziehung so gewählt werden, daß die Elektronenstrahlung durch die Siliziumoxid-Deckschicht hindurch bis in die Grenzschicht zwischen Siliziumoxid-Deckschicht und Silizium eindringt. Elektronenstrahlung mit Energien von ' mehr als 150 keV ist nicht geeignet, da bei so hohen Energien Strahlenschädigungen im Inneren des Siliziumkörpers des Tran-
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aistors durch Verlagerung von Gitteratomen auftreten können. Mit Elektronenstrahlen einer Energie von weniger als 1 keV dürfte in der Regel die Siliziumoxid-Deckschicht nicht mehr zu durchdringen sein. Die erforderliche Strahlungsdosis zwischen
q 12
10 und 10 rad muß an der Grenzschicht zwischen Silizium und Siliziumoxid-Deckschicht erreicht werden. Mit großer Wahrscheinlichkeit beruht die Erhöhung der Strahlungsresistenz auf einer durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Verminderung der Konzentration von Grenzflächenzuständen an dieser Grenzschicht. \
Um bei der Bestrahlung von fertigen bipolaren Transistoren die üblichen Transistorhalterungen und -anschlüsse verwenden zu können, ist es vorteilhaft, den Transistor während der Bestrahlung nur auf eine Temperatur zwischen 150 und 3QO0C zu erhitzen. Dabei wird zwar in jedem Falle eine Verbesserung der Strahlungsresistenz erreicht, jedoch besteht unter Umständen die Gefahr, daß die bei der Bestrahlung auftretende StrahlungsSchädigung durch das Erhitzen nicht vollständig ausgeheilt wird, so daß der Transistor nach der Behandlung eine etwas kleinere Stromverstärkung aufweist als im unbehandelten Zustand. Eine völlige Ausheilung der StrahlungsSchädigung kann jedoch auch in diesem niedrigen Temperaturbereich mit Sicherheit dadurch erreicht werden, daß gleichzeitig mit der Bestrahlung zwischen Emitter- und Basisanschluß des Transistors eine elektrische Spannung in Durchlaßrichtung angelegt wirdi Diese Spannung soll möglichst hoch sein; der höchstzulässige Grenzwert des Basistromes soll dabei jedoch nicht überschritten werden.
Durch zusätzliches Anlegen einer elektrischen Spannung in Durchlaßrichtung zwischen dem Kollektor- und dem Basisanschluß des Transistors, wobei die höchstzulässigen Grenzwerte von Basis- und Kollektorstrom nicht überschritten werden sollen, können zusätzlich die Eigenschaften des Kollektor-Basis-Überganges, insbesondere die Durchbruchspannung und der Sperrstrom, im Sinne einer Ausheilung der Strahlungsschäden günstig beeinflußt werden.
Bei der Bestrahlung bipolarer Transistoren unter gleichzeitiger elektrischer Belastung haben sich insbesondere Temperaturen von
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200 "bis 25O0C als vorteilhaft erwiesen.
Insbesondere bei der Bestrahlung von Siliziumscheiben mit Transistorstrukturen, die nicht oder nur mit sehr großem apparativen Aufwand elektrisch belastet werden können, ist es vorteilhaft, die zu bestrahlenden Teile während der Bestrahlung auf einer höheren Temperatur zwischen 300 und 4000C zu halten. Nach der Bestrahlung werden diese Teile vorteilhaft noch wenigstens 10 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 300 und 4000C getempert, um eine völlige Ausheilung der Strahlungsschäden mit Sicherheit zu gewährleisten.
Auch wenn die zu bestrahlenden Teile, d.h. die Transistoren oder Siliziumscheiben, während der Bestrahlung nur auf einer Temperatur zwischen 200 und 2500C gehalten werden, können anstelle einer elektrischen Belastung während der Bestrahlung die Teile nach der Bestrahlung noch getempert werden. Das Tempern erfolgt dabei vorteilhaft bei einer Temperatur zwischen 300 und 35O0C und dauert wenigstens 10 Stunden.
Das erfindungagemäSe Verfahren ist insbesondere auf Siliziumplanartransistoren, sowohl mit PNP- als auch mit NPN-Struktur anwendbar, eignet sich jedoch auch für andere Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschicht, beispielsweise für MOS (metal-oxid-silicon)-Feldeffekt-Transistoren.
Anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt die Stromverstärkung von Siliziumplanartransistoren in Abhängigkeit vom Kollektorstrom vor und nach einer Behandlung nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie nach Testbestrahlungen.
Fig. 2 zeigt die Stromverstärkung von Siliziumplanartransistoren in Abhängigkeit vom Kollektorstrom vor und nach einer Behandlung nach einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie nach Testbestrahlungen. .
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Beispiel 1:
Als Beispiel für eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens soll zunächst die Behandlung eines Silizium-NPN-Planartransistors (Type BCY 59) näher erläutert werden.
Der Transistor wurde zunächst mit geöffnetem Gehäuse bzw. ohne Kappe in eine heiz- und kühlbare Plattenhaiterung eingesetzt, die aus einer mit Löchern zum Einsetzen der Transistoren versehenen Kupferplatte bestand. Ein guter Wärmekontakt zwischen Transistor und Kupfarplatte wurde dabei durch festes Andrücken der Grundplatte des Transistorgehäuses an die Kupferplatte gesichert. Die Kupferplatte wurde in den evakuierbaren Bestrahlungsraum eines Elektronenbeschleunigers eingebaut. Emitter-, Basis- und Kollektoranschluß des Transistors wurden über vakuumdichte Durchführungen aus dem Bestrahlungsraum herausgeführt.
Nach dem Evakuieren des Bestrahlungsraumes bis auf einen Rest-
—5
gasdruck von etwa 10 Torr wurde der Transistor mit Elektronen einer Energie von 25 keV und einer Strahlstromdichte von 1 /uA/cm etwa 1,5 Stunden lang bestrahlt, bis an der Grenzfläche zwischen Silicium und Siliziumoxid-Deckschicht eine Strahlungsdosis von etwa 10 rad erreicht war. Die Bestrahlung erfolgte dabei durch die Siliziumoxid-Deckschicht hindurch. Die Dicke dieser Deckschicht betrug etwa 0,2 bis 0,5 /u. Während der Bestrahlung wurde der Transistor durch Heizen der Kupfer- . platte auf einer Temperatur von etwa 2200C gehalten. Zwischen 5 Emitter- und Basisanschluß und zwischen Kollektor- und Basisanschluß des Transistors wurde gleichzeitig jeweils eine elektrische Spannung von etwa 0,7 V in Durchlaßrichtung angelegt. Nach einer Bestrahlungsdauer von etwa 1,5 Stunden wurde zunächst die Bestrahlung abgeschaltet. Dann wurden die Plattenheizung und die. elektrische Belastung des Transistors^abgeschaltet und die Kupferplatte mit dem Transistor auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die verbesserte Strahlungsresistenz des so behandelten Transistors ist aus Fig. 1 zu ersehen. In dieser Figur ist an der ' Ordinate die Stromverstärkung B und an der Abszisse der Kollektorstrom Iq in. Ampere jeweils in logarithmischem Maßstab
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aufgetragen. Zur Ermittlung der Kurven 1 bis 4 wurde jeweils die Stromverstärkung eines Transistors bei verschiedenen Kollektorströmen Iß gemessen. Vor der Behandlung nach der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Beispiel 1 entsprach die Stromverstärkung des Transistors der Kurve 1. Ein nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelter gleichartiger Transistor wurde zu Vergleichszwecken mit einer Testbe-
•7
strahlung (Elektronenstrahlung) mit einer Dosis von 10/ rad bestrahlt. Die Stromverstärkung sank dabei von der vor der Testbestrahlung gültigen Kurve 1 auf die Werte der Kurve 2 ab.
Der' gemäß der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens : nach Beispiel 1 behandelte Transistor hatte nach der Behandlung eine Stromverstärkung, die wiederum der Kurve 1 entsprach. Durch die Behandlung wurde also die ursprünglich vorhandene Stromver- " Stärkung nicht verschlechtert. Auch dieser Transistor wurde
7 einer Testbestrahlung mit einer Dosis von 10 rad unterzogen. Die Stromverstärkung sank dabei nur auf die Werte der Kurve 3 ab, war also nach der Testbestrahlung insbesondere im Bereich
-7-6 kleiner Kollektorströme zwischen 10 und 10 A um mehr als den Faktor 10 höher als die durch die Kurve 2 gegebene Stromverstärkung des unbehandelten Transistors nach der gleichen Testbestrahlung.
Die unterbrochen gezeichnete Kurve 4 zeigt zum weiteren Vergleich die Stromverstärkung eines gleichartigen Transistors, der zunächst bei Zimmertemperatur mit Elektronenstrahlung einer g Strahlungsdosis von etwa 10 rad bestrahlt und erst nach der Bestrahlung auf etwa 20O0O erhitzt und durch Anlegen elektrischer Spannungen in Flußrichtung zwischen Emitter- und Basisanschluß und Kollektor- und Basisanschluß elektrisch belastet wurde und nach dieser vom erfindungsgemäßen Verfahren abweichenden Behandlung ebenfalls einer Testbestrahlung mit einer Dosis
7
von 10 rad unterzogen wurde. Die Kurve 4 liegt zwar oberhalb der Kurve 2 aber weit unterhalb der Kurve 3. Ein Vergleich der Kurven 3 und 4 zeigt das völlig unerwartete Ergebnis, daß bei gleichzeitiger Anwendung von Bestrahlung, erhöhter Temperatur und elektrischer Belastung eine wesentlich höhere Strahlungsresistenz des Transistors erzielt wird als bei aufeinanderfol-
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genden Schritten von Bestrahlung einerseits und Anwendung erhöhter Temperatur und elektrischer Belastung andererseits. Die Kurven 1 Ms 4 in Fig. 1 betreffen nicht nur Messungen an ' einzelnen Transistoren, sondern wurden durch Untersuchungen an einer Vielzahl von Transistoren "bestätigt. Bei allen Testbestrahlungen waren die Transistoränschlüsse kurzgeschlossen.
Beispiel 2:
In diesem Ausführungsbeispiel soll eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne elektrische Belastung näher erläutert werden. Ein NPN-Siiiziumplanartransistor (Type BCY 59) wurde in gleicher Weise in der Bestrahlungskammer eines Elektronenbeschleunigers montiert, wie bereits im Beispiel 1 beschrieben wurde. Die Kollektor-, Basis- und Emitteranschlüsse wurden jedoch offen gelassen. Der Transistor wurde mit Elektronen einer Energie von 25 keV und einer Strahlstromdichte von
I /uA/cm etwa 1,5 Stunden lang bestrahlt, bis an der Grenzfläche zwischen Silizium und Siliziumoxid-Deckschicht eine Strahlungsdosis von etwa 10 rad erreicht war. Während der Bestrahlung wurde der Transistor auf einer Temperatur von 350 C gehalten. Nach der Bestrahlung wurde der Transistor noch etwa 50 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 350°° getempert.
Die durch diese Behandlung erzielte Verbesserung der Strahlungsresistenz des Transistors ist aus Fig. 2 zu ersehen, in der wiederum an der Ordinate die Stromverstärkung B und an der Abszisse der Kollektorstrom Iq in Ampere jeweils in logarithmischem Maßstab aufgetragen sind.
Vor und nach der Behandlung nach der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Beispiel 2 entsprach die Stromverstärkung des Transistors der Kurve 10. Die Stromverstärkung wurde also durch die Behandlung nicht beeinträchtigt. Der
Transistor wurde dann einer Testbestrahlung von 10 rad unterzogen. Dabei sank die Stromverstärkung auf die Werte der Kurve
II ab. Zu Vergleichszwecken wurde auch ein unbehandelter Tran-
sistor der Testbestrahlung von 10 rad unterzogen. Die Stromverstärkung dieses Transistors sank von Kurve 10 auf die Werte der Kurve 12 ab. Durch die Ausführungsform des erfindungsge-
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mäßen Verfahrens nach Beispiel 2 wurde also ebenfalls eine erhebliche Verbesserung der Strahlungsresistenz des Transistors erzielt. Auch die Kurven 10 bis 12 wurden durch Messungen an mehreren Transistoren bestätigt. .
Weitere Untersuchungen zeigten, daß bei vergleichbaren Transistoren, die im unbestrahlten Zustand eine niedrigere Stromverstärkung aufwiesen als die in den Beispielen 1 und 2 verwendeten Transistoren, durch das erfindungsgemäße Verfahren, nicht nur die Strahlungsresistenz verbessert sondern auch noch die Stromverstärkung über die Ausgangswerte erhöht werden konnte.
Versuche an PNP-Siliziumplanartransistoren lieferten ähnliche Ergebnisse wie die Versuche an den NPN-Siliziumplanartransistoren. Auch bei Testbestrahlungen mit anderen Strahlungsdosen, beispielsweise mit 10 oder 10 rad, wurde die erhebliche Verbesserung der Strahlungsresistenz der Transistoren durch das erfindungsgemäße Verfahren bestätigt.
Bei der Bestrahlung von Siliziumscheiben, die eine Vielzahl von Transistorstrukturen enthalten, kann vorteilhaft gemäß dem Beispiel 2 verfahren werden. Die Siliziumscheiben können dabei zweckmäßig auf die heizbare Kupferplatte aufgelegt werden. Das Tempern nach der Bestrahlung kann, ebenso wie bei fertigen Transistoren, beispielsweise auch in einem geeigneten Ofen erfolgen. Die Bestrahlung von Siliziumscheiben hat insbesondere J den Vorteil, daß bei einmaliger Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gleichzeitig eine große Anzahl von Transistoren erfaßt werden kann. Bei den Transistorstrukturen kann es sich auch um Transistoren von integrierten Schaltkreisen handeln.
7 Patentansprüche
2 Figuren
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Claims (7)

  1. YPA 70/7538
    Patentansprüche
    Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxiddeckschicht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor oder eine Siliziumscheibe mit mehreren Transistorstrukturen einer Elektronenstrahlung mit einer Energie unterhalb von· 150 keV und einer Dosis zwi-
    q 12
    sehen 10 und 10 rad an der Grenzschicht zwischen Silizium und Siliziumoxiddeckschicht ausgesetzt wird und daß der Transistor oder die Siliziumscheibe während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 150 und 4500C gehalten wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
    Q IQ
    Strahlungsdosis zwischen 5*10 und 2 · 10 rad angewandt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bestrahlung eines bipolaren Transistors der Transistor auf einer Temperatur zwischen 150 und 3000C gehalten wird und daß gleichzeitig zwischen Emitter- und Basisanschluß des Transistors eine elektrische Spannung in Durchlaßrichtung derart angelegt wird, daß der höchstzulässige Grenzwert des Basisstromes nicht überschritten wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zwischen Kollektor- und Basisanschluß des Transistors eine elektrische Spannung in Durchlaßrichtung derart angelegt wird, daß die höchstzulässigen Grenzwerte von Basis- und Kollektorstrom nicht überschritten werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 200 und 25O0C gehalten wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Teil während der Bestrahlung auf einer Temperatur von 300 bis 4000C gehalten und nach Beendigung der Bestrahlung wenigstens 10 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 300 und 4000C getempert wird.
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  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Teil während*der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 200 und 25O0G gehalten und nach der Beendigung der Bestrahlung wenigstens 10 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 300 und 350 C getempert wird.
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