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DE1904763A1 - Verfahren zur Erhoehung der Stromverstaerkung und der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschicht - Google Patents

Verfahren zur Erhoehung der Stromverstaerkung und der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschicht

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DE1904763A1
DE1904763A1 DE19691904763 DE1904763A DE1904763A1 DE 1904763 A1 DE1904763 A1 DE 1904763A1 DE 19691904763 DE19691904763 DE 19691904763 DE 1904763 A DE1904763 A DE 1904763A DE 1904763 A1 DE1904763 A1 DE 1904763A1
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DE
Germany
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radiation
silicon
transistor
transistors
cover layer
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DE19691904763
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English (en)
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DE1904763C (de
DE1904763B2 (de
Inventor
Dipl-Phys Rudolf Baeuerlein
Dieter Uhl
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Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
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Priority to US6724A priority patent/US3691376A/en
Priority to GB4422/70A priority patent/GB1259923A/en
Priority to FR7003440A priority patent/FR2029814B1/fr
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Description

SIEMENSAKTIENGESELLSCHAPT »904763 Erlangen, 30, Jan, 1969 Berlin und München Werner-von-3iemens-Str.50
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Verfahren zur Erhöhung d*r Stromverstärkung und der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deokschicht
Erdsatelliten und andere Raumfahrzeuge sind während ihres Einsatzes der Einwirkung von Partikel- und Quanten»trahlung 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. 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 Transietoren daher eine möglichst hohe Strahlungsresistenz besitzen. Ferner kann auch für Anwendungen von Traneistoren in nicht strahlungegefahrdeter Umgebung eine möglichst hohe Stromverstärkung von Interesse sein. Insbesondere ist für die Anwendung von Transistoren für die Elektronik im Mikrowatt-Leistungsbereioh eine möglichst hohe Stromverstärkung bei sehr kleinen Kollektor«trömen in der Größenordnung von 1/uA erwünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgab· zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine Erhöhung der Stromverstärkung und der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckachicht ermöglicht.
Dieses Verfahren besteht erfindungegemäß darin, daß der Transistor zunächst einer ionisierenden Röntgen-, Gamma- oder Elektronen-Strahlung mit einer solchen Energie, daß die Siliziumoxid-Decks.chicht wenigstens von einem Teil der Strahlung durchdrungen wird,
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Λ Q
und einer Dosis «wischen 10^" und 10J rad ausgesetzt und anschließend ohne Strahlungseinwirkung einer elektrischen Belastung unterzogen wird, bei welcher eine Sperrschichttemperatur von etwa 50 bis 25O0C auftritt, und daß die Folge von Bestrahlung und elektrischer Belastung ohne Strahlungeeinwirkung wenigstens noch einmal durchlaufen wird.
Es ist zwar bereits bekannt, daß bei Silizium-Planartransistoren die bei Einwirkung einer ionisierenden Strahlung auftretende Abnahme der Stromverstärkung in vielen Fällen durch eine nach der Strahlungseinwirkung erfolgende elektrische Belastung insbesondere des Emitter-Basis-Überganges des Transistors in Durchlaßrichtung teilweise oder sogar vollständig ausgeheilt werden kann. Völlig überraschend ist es jedoch, daß durch eine wiederholte Folge von Bestrahlung und elektrischer Belastung nicht nur eine Ausheilung der durch die erste Bestrahlung verursachten Abnahme der Stromverstärkung sondern darüber hinaus eine wesentliche Erhöhung der Stromverstärkung über den vor der ersten Bestrahlung vorhandenen Wert hinaus erzielt werden kann. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei kleinen Kollektorströmen. 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.
Während es bisher anzustreben war, eine Bestrahlung der Transistoren möglichst zu vermeiden, um die Stromverstärkung nicht herabzusetzen, wird beim erfindungagemäßen Verfahren eine Bestrahlung wiederholt im Wechsel mit einer elektrischen Belastung des Transistors ohne Strahlungseinwirkung gezielt herbeigeführt und so eine Erhöhung der Stromverstärkung erzielt. Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Strahlungsresistenz der Transistoren verbessert. Dies äußert sich darin, daß bei einer nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommenen Bestrahlung eines Transietors die Stromverstärkung zwar absinkt, jedoch nur auf einen Wert, der wesentlich größer ist als der Wert, auf" den die Stromverstärkung des Transistors bei einer Bestrahlung mit gleicher Dosis vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens absinken würde. ■
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Die Energie der anzuwendenden Strahlung hängt von der Dicke der Siliziumoxid-Deckschicht des Transietore und, falls die Bestrahlung bei geschlossenem Gehäuse erfolgt, auch von der Dicke des Transietorgehäuses ab. Die Energie iet dabei entsprechend den bekannten Energie-Reichweite-Beziehungen so zu wählen, daß die Siliziumoxid-Deokschioht wenigstens von einem Teil der Strahlung durchdrungen wird. Dadurch wird erreicht, daß die Strahlung näherungeweiee gleichmäßig innerhalb der garnen Dicke der Siliziumoxid-Decke chi cht wirkt. Die Strahlungedoeis muß zwischen 10 und 109 rad liegen, da bei kleinerer Strahlungedosis der durch das erfindungsgemäße Verfahren angestrebte Effekt nicht auftritt, und eine größere Strahlungedoeie iu irreversiblen Veränderungen und gegebenenfalls auoh zu unerwünschten Volumenechädigungen insbesondere durch Erzeugung von Fehlstellen im Siliziumkörper des Transistors
6 8 führen kann. Bevorzugt kann eine Strahlungedoeie von 10 bis 10 rad angewendet werden.
Auoh die elektrische Belastung ohne Strahlungseinwirkung hängt im einzelnen von den elektrischen Kenndaten der zu behandelnden Tranaistoren ab. Sie 1st so zu wählen, daß eine Sperrschichttemperatur von etwa 50 bis 25O0C auftritt. Bei niedrigeren Sperrschichttemperaturen wird nämlich der angestrebte Effekt nicht erzielt, während bei höheren Sperrsohichttemperatüren mit einer Schädigung bzw. Zerstörung des Tranaistors zu rechnen 1st. Vorzugsweise kann die elektrische Belastung so durchgeführt werden, daß eine Sperrschichttemperatur zwischen etwa 80 und 1600C auftritt. In diesem Temperaturintervall wird einerseits eine verhältnismäßig rasche Aushellung der Strahlungssohäden erzielt, während andererseits noch keine Schädigung dee Transistors durch die Temperaturen zu befürchten ist. Die Dauer der einzelnen elektrischen Belastungen ohne Strahlungseinwirkung hängt von den Eigenschaften des zu behandelnden Transistors und von der gewählten Sperrschichttemperatur ab und kann etwa 15 Minuten bis zwei Tage dauern.
Bei einem Silizium-Planartransistor wird zum Zwecke der elektrischen Belastung vorzugsweise zwischen Emitter- und Basiskontakt eine elektrische Spannung in Durchlaßrichtung und zwischen Emitter- und Kollektorkontakt bzw. Basis- und Kollektorkontakt eine weitere elektrische Spannung angelegt. Die Spannungen können dabei vor-
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zugsweise derart angelegt werden, daß der Kollektor-Basis-pn-Übergang des Transistors in Sperrichtung belastet ist.
Das erfindungegemäße Verfahren ist insbesondere auf Silizium-Planartransistoren anwendbar, eignet sich jedoch auch für andere Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschicht, beispielsweise für MOSdaetal-oxide-eilioonJ-Feldeifekt-Traneistoren.
Anhand einiger Figuren und einee Ausführungsbeispielee soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch einen npn-Silizium-Planartransistor
während der Bestrahlung beim Verfahren gemäß der Erfindung. Fig..2 zeigt schematisch einen npn-Silizium-Planartransistor während der elektrischen Belastung ohne Strahlungseinwirkung
beim Verfahren gemäß der Erfindung Fig. 3 zeigt durch Messung an mehreren gleichartigen npn-Silizium-Planartransistoren ermittelte Mittelwerte für die statische Stromverstärkung nach den einzelnen Bestrahlungen bzw.
elektrischen Belastungen beim Verfahren gemäß der Erfindung. Der in Figur 1 dargestellte npn-Silizium-Planartransistor besitzt eine η-leitende Emitterzone 1, eine p-leitende Basiszone 2 und eine η-leitende Kollektorzone 3· Die Emitterzone 1 ist mit einem metallischen Kontakt 4, die Basiszone 2 mit einem ringförmigen metallischen Kontakt 5 und die Kollektorzone 3 mit einem scheibenförmigen metallischen Kontakt 6 kontaktiert. Diejenige Oberfläche des Transietors, an der sich der Emitterkontakt und der Basiskontakt befinden, ist mit einer SiOg-Isolationsschicht 7 bedeckt.
Im ersten Verfahrensschritt wurde die mit der SiOp-Schicht 7 bedeckte Oberfläche des Transistors mit durch eine elektrische Span-nung beschleunigten, durch die Pfeile 8 angedeuteten Elektronen mit einer Energie von etwa 100 keV solange bestrahlt, bis eine Strahlungsdosis von etwa 10' rad erreicht war. Die Strahlungsenergie war dabei so bemessen, daß der überwiegende Teil der Strahlung die im Mittel etwa 0,5 /um dicke SiÖg-Schicht 7 durchdringen konnte. Die Kontakte 4, 5 und 6 waren während der Bestrahlung, durch die Verbindungsleitungen 9 kurzgeschlossen. Das in der Figur nicht dargestellte Gehäuse des Transistors war zum Zwecke der Bestrahlung, die unter Vakuum erfolgte, geöffnet. . '
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Abweichend von dem besehr!ebenen Aueführungsbeispiel kann der Transistor auch während der Bestrahlung elektrisch belastet sein
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Insbesondere ist es unter Umständen nicht erforderlich, die ohne Strahlungeeinwirkung angelegte elektrische Belastung bei der nächsten Bestrahlung wegzulassen. Entscheidend ist lediglich, daß auf eine Phase mit Strahlungseinwirkung eine Phase mit elektrischer Belastung ohne Strahlungeeinwirkung folgt.
Neben einer Elektronenstrahlung können beim erfindungsgemäßen Verfahren auch Röntgen- oder Gammastrahlen angewendet werden. Gleiche Strahlungedosen erzeugen bei diesen Strahlungen gleiche Wirkungen. Als Strahlungsquellen kommen beispielsweise auch radioaktive Isotopenquellen in Frage.
5 Patentansprüche 3 Figuren
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— ο —

Claims (6)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erhöhung der Stromverstärkung und der Strahlungsresistenz von SiIiziumtransistören mit Siliziumoxid-Deckschicht^ dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorfzunächst'einer ionisierenden Röntgen-, Gamma- oder Elektronenstrahlung mit solcher Energie, daß die Siliziumoxid-Deckschicht wenigstens von einem Teil der Strahlung durchdrungen wird, und einer Dosis zwischen 10 und 10° rad ausgesetzt und anschließend ohne Strahlungseinwirkung einer elektrischen Belastung unterzogen wird, bei welcher eine Sperrschichttemperatur von etwa 50 bis 2500O auftritt, und daß' die Folge von Bestrahlung und elektrischer Belastung ohne Strahlungseinwirkung wenigstens noch einmal durchlaufen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
6 8
Strahlungsdosis von 10 bis 10 rad angewandt. wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Belastung so durchgeführt wird, daß eine Sperrschichttemperatur zwischen etwa 80 und 16O0C auftritt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Silizium-Planartransietor zum Zwecke der elektrischen Belastung zwischen Emitter- und Basiskontakt eine elektrische Spannung in Durchlaßrichtung und zwischen Emitter- und Kollektorkontak'; bzw. Basis- und Kollektorkontakt eine weitere elektrische Spannung angelegt wird.
5· Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor-BaeiB-pn-Übergang des Transistors in Sperrichtungbelastet wird.
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DE19691904763 1969-01-31 1969-01-31 Verfahren zum Behandeln von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschichten Expired DE1904763C (de)

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Publications (3)

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GB1259923A (en) 1972-01-12
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Date Code Title Description
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E77 Valid patent as to the heymanns-index 1977
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