DE2235069C3 - Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschicht - Google Patents

Description

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Ji Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbessi

H rung der Strahlungsresistenz von ISihziumtransistor,

|ί mit Siliziumoxid-Deckschicht, bei welchem ein Tiar

fl sistor oder eine Siliziumscheibe mit mehreren Tran^

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Ijä Energie unterhalb von 150 keV und einer Dosis ?w

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f| Silizium und Siliziumoxid-Deckschicht ausgesei/

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sehen 200 und 300° Cgehalten und nach der Bestiah

f| lung wenigstens 10 Stunden lang getenpert wird, nach

'ü Patent 2 035 703.

schicht, bei dem ein Transistor oder eine Siliziumscheibe' mit mehreren Transistorstrukturen einer die Grenzschicht zwischen Silizium und Siliziumoxid-Deckschicht erreichenden Elektronenstrahlung ausgesetzt und erwärmt wird. Gemäß dem Vorschlag des Hauptpatents werden der Transistor oder die Siliziumscheibe während der Bestrahlung mit Elektronen einer Energie unterhalb von 150 keV und einer Dosis an der Grenzschicht zwischen Silizium und Siliziumoxid-Deckschicht zwischen 10" und 10^i: rad auf einer Temperatur zwischen 150 und 450° C gehalten.

Die Verbesserung der Strahlungsresistenz der Transistoren zeigt sich dabei insbesondere darin, daß die Stromverstärkung eines entsprechend behandelten Transistors bei einer Testbestrahlung mit einer überwiegend ionisierenden Strahlenart (Elektronen-. Röntgen-, y-Strahlung) nur auf einen Wert absinkt, der wesentlich großer ist als der Wert, auf den die Stromverstärkung des Transistors ohne Behandlung bei einer gleichen Testbestrahlung absinkt. Unter Stromverstärkung ist hierbei jeweils die statische Stromverstärkung, d.h. der Quotient aus Kollektorstrom und Basisstrom, zu verstehen, der eine der wichtigsten Kenngrößen eines Transistors darstellt. Jedoch wird auch die Strahlungsresistenz des Transistors in bezug auf andere Kenngrößen, wie beispielsweise die Sperrströme und das thermische Rauschen, verbessert.

Eine Erhöhung der Strahlungsresistenz ist vorzugsweise für Transistoren von Interesse, welche in Erdsatelliten und anderen Raumfahrzeugen verwendet werden, die während ihres Einsatzes der Einwirkung von Partikel- und Quantenstrahlung, beispielsweise im Bereich des Strahlengürtels der Erde, ausgesetzt sind. Transistoren sind bei derartigen Einsätzen besonders gefährdet, da ihre elektrischen Kenndaten durch die unter Strahlungseinwirkung auftretende Ionisierung verändert werden. Insbesondere die Stromverstärkung der Transistoren kann unter Strahlungseinwirkung stark abnehmen. Ähnliche 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.

Als besonders vorteilhaft wurde im Hauptpatent unter anderem ferner vorgeschlagen, die Transistoren während der Bestrahlung nur auf eine Temperatur zwischen 150 und 300° C, vorzugsweise 200 bis 250° C, zu erhitzen, um bei der Bestrahlung die üblichen Transistorhalterungen und -anschlüsse verwenden zu können. Um auch in diesem niedrigen Temperaturbereich eine vollständige Ausheilung der Strahlungsschädigung zu erreichen, wurde weiter vorgeschlagen, gleichzeitig mit der Bestrahlung zwischen Emitter- und Basisanschluß und gegebenenfalls zusätzlich zwischen Kollektor- und Basisanschluß des Transistors eine elektrische Spannung in Durchlaßrichtung anzulegen. Diese Spannung soll möglichst hoch sein, jedoch sollen die höchstzulässigen Grenzwerte von Basis- und Kollektorstrom nicht überschritten werden. Weiterhin wurde in der Hauptanmeldung

vorgeschlagen, die Transistoren oder Siliziumscheiben an Stelle einer gleichzeitig mit der Bestrahlung erfolgenden elektrischen Belastung nach der Bsstrahlung wenigstens 10 Stunden lang zwischen 300 und 350° C zu tempern.

Durch die im Hauptpatent vorgeschlagenen Maßnahmen wird eine erhebliche Erhöhung der Strahlungsresistenz der behandelten Transistoren erreicht. Langzeitversudie haben nun aber gezeigt, daß die nach der Behandlung vorhandene Stromverstärkung der Transistoren im Laufe einer mehrmonatigen Lagerung der Transistoren zurückgehl, wobei auch die Strahlungsresistenz etwas abnimmt. Trotz dieser Alterungserscheinungen ist die Strahlungsresistenz der nach dem im Hauptpatent vorgeschlagenen Verfahren behandelten Transistoren immer noch erheblich besser als die überhaupt nicht behandelter Transistoren.

Aufgabe der Erfindung ist es. das Verfahren nach dem Hauptpatent weiter zu verbessern und insbesondere so auszugestalten, daß Alterungserscheinungen auch bei langzeitiger Lagerung der Transistoren möglichst vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs erwähnten Verfahren, bei welchem ein Transistor oder eine SiIiziumscheibe mit mehreren Transistorstrukturen einer Elektronenstrahlung mit einer Energie unterhalb von 150 keV und einer Dosis zwischen 10" und H)¹" rad an der Grenzschicht zwischen Silizium und SiliziuTioxid-Deckschicht ausgesetzt, während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 200 und 300° C gehalten und nach der Bestrahlung wenigstens 10 Stunden lang getempert wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Temperatur zwischen 200 und 300° C getempert und während des Temperns zwischen Emitter und Basisanschluß des Transistors bzw. der Transistorstrukturen eine elektrische Spannung von wenigstens 0,3 V in Durchlaßrichtung angelegt wird.

Für die vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gerade die Kombination der verschiedenen Verfahrensmaßnahmen von besonderer Bedeutung. Die Wahl der Strahlungsdosis zwischen 10" und K)¹" rad ist wesentlich, weil bei Bestrahlungen mit weniger als 1O** rad die erreichbare Strahlungsresistenz erheblich zurückgeht, während bei einer Bestrahlung mit mehr als 10¹" rad die vor der Bestrahlung vorhandenen A.usgangswerte der Stromverstärkung bei der weiteren Behandlung häufig nicht mehr erreicht werden können. Die Aufrechterhaltung einer Temperatur von 200 bis 300° C während der Bestrahlung führt ebenfalls zu einer besonders hohen Strahlungsresistenz. Nach einer Bestrahlung bei tieferen Temperaturen ist die Stromverstärkung nach einer Testbestrahlung noch zu niedrig, während sie infolge einer Bestrahlung bei Temperaturen von mehr als 300° C ebenfalls wieder auf niedrigere Werte abfällt, als sie mit einer Bestrahlung bei Temperaturen von 200 und 300° C erreicht werden können. Das sich an die Bestrahlung anschließende, wenigstens 10 Stunden lange Tempern bei einer Temperatur zwisc'ien 200 und 300° C unter gleichzeitiger elektrischer belastung des Emitter-Basis-Übergangs in Durchlaßrichtung fuhrt einmal bei Einhaltung der angegebenen Bestrahlungsbedingungen zu einer voll ständigen Ausheilung der zunächst durch die Bestrahlung hervorgerufenen Abnahme der Stromverstärkung und zum anderen zu einer vollständigen Beseitigung der Alterungseffekte. Eine elektrische Spannung von wenigstens 0,3 V ist erforderlich, weil bei kleineren Spannungen noch keine vollständige Ausheilung erreicht wird. Die elektrische Spannung wird vorteilhaft noch höher als 0,3 V gewählt, jedocn soll der höchstzulässige Grenzwert des Basistromes nicht überschritten werden.

Durch zusätzliches Anlegen einer elektrischen Spannung von wenigstens 0,3 V in Durchlaßrichtung zwischen dem Kollektor- und dem Basisanschluß des

^lt> Transistors bzw. der Transistorstruktur während des Temperns, wobei die höchstzulässigen Grenzwerte von Basis- und Kollektorstrom ebenfalls nicht überschritten werden sollen, können zusätzlich die Eigenschaften des Kollektor-Basis-Übergangs, insbeson-

'5 dere die Durchbruchsspannung und der Sperrstrom, im Sinne einer Ausheilung der Strahlungsschäden günstig beeinflußt werden.

Um auch bei stark streuenden Transistoreigenschaften auf jeden Fall Alterungserscheinungen zu vermeiden, wird vorzugsweise nach der Bestrahlung wenigstens 40 Stunden lang getempert.

Die Energie der bei der Bestrahlung anzuwendenden Elektronenstrahlung hangt von der Dicke der S<liziumoxid-Deckschicht des Transistors bzw. der SiIiziumscheibe 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 einer Energie von mehr als 150 keV ist nicht geeignet, da bei so hohen Energien Strahlungsschäden im Inneren des Siliziumkörpers des Transistors 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.

An Hand einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Die Figur zeigt die Stromverstärkung von Silizium-NPN-Planartransistoren in Abhängigkeit vom Kollektorstrom vor und nach der Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach Testbestrahlungen sowie die Stromverstärkung entsprechender Transistoren, die zu Vergleichszwecken anderen Behandlungen unterworfen wurden. Als Ausführungsbeispiel soll die Behandlung eines Silizium NPN Planartransistors näher erläutert werden.

Der Transistor wurde zunächst mit geöffnetem Gehäuse bzw. ohne Kappe in eine heiz- und kühlbare Probenhalterung eingesetzt, die aus einer mit Löchern zum Einsetzen der Transistoren versehenen Kupferplatte bestand. Ein guter Wärmekontakt zwischen Transistor und Kupferplatte 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 wurden offengelassen.

i-iach dem Evakuieren des Bestrahlungsraumes bis auf einen Restgasdruck von etwa 10 ⁴ bis 10 ⁵ Torr wurde der Transistor mit Elektronen einer Energie von etwa 25 keV und einer Strahlstromdichte von etwa 5() μΑ/cm² etwa 100 Sekunden lang bestrahlt, bis an der Grenzfläche zwischen Silizium und Siliziumoxid-Deckschicht eine Strahlungsdosis von etwa 5 · K)" rad erreicht war. Die Bestrahlung erfolgte dabei durch die Siliziumoxid-Deckschicht hindurch, de-

ren Dicke etwa 0,2 bis 0,5 μπι betrug. Während der Bestrahlung wurde der Transistor durch Heizen der Kupferplatte auf einer Temperatur von etwa 250° C gehalten. Nach der Bestrahlungsdauer von etwa 100 Sekunden wurde zunächst die Bestrahlung abgeschaltet. Dann wurde die Plattenheizung abgeschaltet und die Kupferplatte mit dem Transistor auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach der Bestrahlung wurde der Transistor in einer Vakuumkammer unter Vakuum mit einem Restgasdruck von etwa 10"⁴ bis 10 ' Torr etwa 50 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 250" C getempert, wobei gleichzeitig zwischen Basis- und Emitteranschluß und zwischen Basis- und Kol· lektoranschluß eine elektrische Spannung von etwa 0,7 V in Durchlaßrichtung angelegt wurde. Nach dem Tempern wurde der Transistor abgekühlt, gekapselt und die Kapsel mit einem möglichst trockenen Schutzgas, beispielsweise trockener Luft oder trockenem Stickstoff, gefüllt.

Die verbesserte Strahlungsresistenz des so behandelten Transistors und die gegenüber dem Verfahren nach dem Hauptpatent erzielten Vorteile sind aus der Figur zu ersehen. In dieser Figur sind an der Ordinate die Stromverstärkung B und an der Abszisse der Kollektorstrom /, in Ampere jeweils in logarithmischem Maßstab aufgetragen. Zur Ermittlung der Kurven 1 bis 5 wurde jeweils die Stromverstärkung eines Transistors bei verschiedenen Kollektorströmen gemessen. Vor der Behandlung nach dem erfindungsgemaßen Verfahren entsprach die Stromverstärkung des Transistors der Kurve 1. Ein nicht nach dem erfindungsgemaßen Verfahren behandelter gleichartiger Transistor wurde /u Vergleichszweeken mit einer Testdosis von 10 rad bestrahlt. Die Testbestrahlung erfolgte in dem hier beschriebenen Beispiel ohne elektrische Beanspiuchung der Prüfmuster. Die Stromverstärkung sank dabei von der vor der Bestrahlung gültigen Kurve 1 auf die Werte der Kurve 2 ab.

Der nach dem vorstehend erläuterten Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemaßen Verfahrens behandelte Transistor hatte nach der Behandlung, also nach dem Tempern, eine Stromverstärkung, die wiederum der Kurve 1 entsprach. Durch die Behandlung wird also die ursprunglich vorhandene Stromverstärkung nicht verschlechten Auch dieser Transistor wurde nun einer Testbestrahlung mit Elektronen einer Dosis von 10" rad unterzogen. Die Stromverstärkung sank dabei nur auf die Werte der Kurve 3 ab. war also insbesondere im Bereich kleiner Kollektorstrome ?\vjschen 10 und 10 Ampere um mehr als den Faktor 10 höher als die durch Kurve 2 gegebene Stromverstärkung des unbehandelten Transistors nach der gleichen Testbestrahlung

Auch nach mehr als sechsmonatiger Lagerung bei Raumtemperatur zeigen die nach dem erfindungsgemaßen Verfahren behandelten Transistoren keine Veränderungen ihrer Kenndaten. Die Stromverstärkungentspricht auch nach dieser Lagerzeit bei Transistoren des entsprechenden Typs den Werten der Kurve 1 und nimmt nach der erwähnten Testbestrahlung lediglich auf die Werte der Kurve 3 ab.

Silizium-NPN-Transistoren des gleichen Typs, die gemäß dem Hauptpatent zunächst einer Elektronenstrahlung mit einer Energie von 25 ke V und einer Dosis von etwa 10"' rad ausgesetzt, während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 200 und 250 C" gehalten wurden und bei denen gleichzeitig zwischen Ϊ-mitter Basis-Anschluß und zwischen Kollektor-Basis-Anschluß jeweils eine elektrische Spannung von etwa 0,7 V in Durchlaßrichtung angelegt worden war, zeigten demgegenüber zunächst ebenfalls eine Stromverstärkung, die nach der erwähnten Behandlung etwa der Kurve 1 entsprach und nach der Testbestrahlung etwa auf die Kurve 3 absank. Nach einer dreimonatigen Lagerung bei Raumtemperatur entsprach jedoch die Stromverstärkung dieser Transistoren nur noch den Werten der Kurve 4 und sank nach einer entsprechcnden Testbestrahlung mit Elektronen einer Dosis von 10' rad auf die Werte der Kurve 5 ab. Die Werte dieser Kurve 5 liegen zwar noch erheblich über den Werten der Kurve 2, aber doch auch betrachtlich unter denen der Kurve 3. Aus einem Vergleich der Kurven 1 und 3 mit den Kurven 4 und 5 geht somit klar hervor, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren die Stabilität der Stromverstärkung und der Strahlungsresistenz der behandelten Transistoren gegen Alterungserscheinungen gegenüber dem Verfahren nach dem Hauptpatent noch erheblich verbessert wird.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß beim erfindungsgemaßen Verfahren die elektrische Belastung der Transistoren nicht schon während der Bestrahlung, sondern erst während des anschließenden Temperns vorgesehen ist. Es entfallen somit die elektrischen Durchfuhrungen an der Bestrahlungskammer, wodurch sich dieser Verfahrensschritt wesentlich vereinfacht. Auch lassen sich ohne wesentlichen Mehraufwand eine größere Anzahl von Transistoren gleichzeitig bestrahlen.

Die Kurven 1 bis 5 betreffen nicht nur Messungen an einzelnen Transistoren, sondern wurden durch Untersuchungen an einer Vielzahl von Transistoren bestatigt. Versuche an PNP-Silizium-Planartransistoren lieferten ahnliche Ergebnisse wie die Versuche an den NPN-Sihzium-Planartransistoren.

Da der Einfluß von Feuchtigkeit auf die Transistoroberflache, wie Versuche gezeigt haben, insbesondere wahrend der Temperbehandlung und der anschließenden Lagerung zu einer Verschlechterung der Strahlungsresistenz des Transistors führen kann, empfiehlt es sich, sowohl die Bestrahlung als auch die Temperbehandlung unter Vakuum, vorzugsweise mit 4-5 einem Restgasdruck von 10 " bis 10 ⁵ Torr oder weniger, oder unter trockenem Schutzgas, beispielsweise getrocknetem Stickstoff, vorzunehmen. Weiterhin ist es aus dem gleichen Grunde vorteilhaft, den Transistor möglichst bald nach dem Tempern mit einer Kapso sei zu versehen und diese mit sorgfältig getrocknetem Schutzgas zu füllen oder zu evakuieren. Eine ahnliche Schutzwirkung kann auch durch eine Lack- oder Kunststoffbedeckung, beispielsweise mit Siliconharzlack oder Polyimid, vor der Verkapselung oder durch Umhüllen des Transistorkristalls mit einem wasserdampfabweisenden Kunststoff, beispielsweise Siliconharz, erzielt werden. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, daß der Transistor bereits nach der Bestrahlung mit einer Kapsel versehen und diese mit trockenem Schutzgas gefüllt oder evakuiert wird. Fur die anschließende Temperbehandlung ist dann keine Vakuumapparatur erforderlich. Vielmehr kann die Temperbehandlung in einem normalen Ofen erfolgen, da sich der Transistor bereits innerhalb der Kapsel unter trockenem Schutzgas befindet. Ferner wird dadurch die elektrische Belastungdes Transistors wahrend des Temperns erheblich vereinfacht, da es nicht erforderlieh ist. die entsprechenden Anschlüsse

vakuumdicht in die Tempervorrichtung einzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zur Behandlung von einzelnen Silizium-Planartransiiitoren, sondern auch zur Behandlung von Siliziumscheiben, die eine Vielzahl von Transistorstrukturen enthalten. Falls die Siliziumscheiben zerteilt und zu einer Vielzahl von Transistoren weiterverarbeitet werden sollen und die Transistorstrukturen innerhalb der Siliziumscheiben noch nicht mit entsprechenden Emitter-Basis- und Kollektoranschlüssen versehen sind, können beispielsweise die Siliziumscheiben zunächst ohne Anschlüsse der Bestrahlung unterzogen und anschließend in einzelne Transistoren zerteilt werden. Diese können dann nach dem Aufbau auf dem Gehäuseboden und der Kontaktierung der Temperbehandlung bei gleichzeitiger elektrischer Belastung unterzogen werden. Bei der Aufbringung auf den Gehäuseboden und der Kontaktierung sollten die

S Transistoren jedoch möglichst nicht wesentlich über 300° C hinaus erhitzt werden. Enthält dagegen die Siliziumscheibe einen integrierten Schaltkreis und handelt es sich bei den Transistorstrukturen um die Transistoren eines solchen Schaltkreises, so werden

ίο die Transistorstrukturen in der Regel vor der Bestrahlungsbehandlung entsprechend kontaktiert und können daher während der anschließenden Temperbehandlung der Siliziumscheibe ohne weiteres elektrisch belastet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Silizium- oxid-Deckschicht, bei welchem ein Transistor oder eine Siliziumscheibe mit mehreren Transistorstrukturen einer Elektronenstrahlung mit einer Energie unterhalb von 150 keV und einer Dosis zwischen 10" und 10^lü rad an der Grenzschicht zwischen Silizium und Siliziumoxid-Deckschicht ausgesetzt, während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 200 und 300° C gehalten und nach der Bestrahlung wenigstens 10 Stunden lang getempert wird nach Patent 2035703, da- *5 durch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur zwischen 200 und 300° C getempert wird und während des Temperns zwischen Emitter- und Basisanschluß des Transistors bzw. der Transistorstrukturen eine elektrische Spannung von we- *° nigstens 0,3 V in Durchlaßrichtung angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Temperns zusiätzlich zwischen Kollektor- und Basisanschluß des Transistors bzw. der Transistorstrukturen eine elektrische Spannung von wenigsiens 0,3 V in Durchlaßrichtung angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 40 Stunden lang getempert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß Bestrahlung und Temperbehandlung unter Vakuum oder trockenem Schutzgas erfolgen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor nach dem Tempern mit einer Kapsel versehen und die Kapsel mit trockenem Schutzgas gefüllt oder evakuiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor nach der Temperung mit Kunstoff umhüllt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß dei Transistorkristall vor der Verkapselung eine Lack- oder Kunst-Stoffabdeckung erhält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dei Transistor bereits nach der Bestrahlung mit einer Kapsel versehen und die Kapsel mit trockenem Schutzgas gefüllt oder evakuiert wird.

Gegenstand des Hauptpatents 2035703 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsresistenz Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deck-