DE1904763C - Verfahren zum Behandeln von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschichten - Google Patents

Description

Stromes huu im l'ransistor frei werdende Leistung war wiederum so niedrig, dalS in dom Transistor praL· tisch keine Temperaturerhöhung auftrat.

Weitere bekannte Untersuchungen an Siliziumiransistoren mit gasgefüllter Kapsel ohne Siliciumoxid-Deckschicht betreffen ebenfalls die Abhängigkeil des Stromes lato von der auf den Transistor auftreffenden Strahlung (»The Bell System/Technical Journal*. Band 42 U963), Heft I, S. 95 bis 129). Auch bei diesen Untersuchungen wurde lediglich eine teilweise oder vollständige Ausheilung der Strahlimgsschäden, aber keine Erhöhung du Strahlungsresistenz erzielt. Der Einfluß einer Strahlung auf die Stromverstärkung eines Siliziumtransistors, die vom Kollektor-Basis-Sperrstrom Icbo weitestgehend unabhängig ist, wird in der. erwähnten Aufsätzen nicht untersucht.

•\>r Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sk --»!verstärkung und die Sirahlungsresisten/ \on S'.i / iimtransistoren mit Sihziumoxid-Deckschichten zu s rhöhen. _ao

'{.] einem Verfahren zum Behandelt', von Siliziumtr 'Motoren mit Siliziumoxid-Deckschichten. bei dem des Transistor einer ionisierenden Röntgen-, Ciammac.;jr Elekironenstrahlung so hoher Energie ausgesetzt W;!Ü. daß die Siliziumoxid-Deckschicht wenigstens v. !'. einem Teil der Strahlung durchdrungen wird, wird d.> errindungsgemäß dHureh erreicht, daß der Transistor einer wiederholten Folge von Bestrahlung und elektrischer Belastung der pn-Übergänge ohne .itrahlungseinwirkung unterworfen wird, wobei die verwendete Strahiungsdosis im Bereich zwischen 10* und Il* rad liegt und wobei infolge der elektrischen Belastung eine Sperrschichttemperatur zwischen etwa 50 bis 250 C auftritt.

Es ist zwar bereits bekannt, daß bei Silizuim-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 ausgehei't 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 Stromverstärkunr sondern darüber hinaus eine wesentliche Erhöhung dei 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 erfindungsgemäßen Verfahren eine Bestrahlung wiederholt im Wechsel mit einer elektrischen Belastung des Transistors ohne Strahlungseinwirkimg gezielt herbeigeführt und so eine Erhöhung der Stromverstärkung erzielt. Gleichzei'/g wird durch das erlindungsgcmäße Verfahren die Strahlungsresistenz der Transistoren verbessert. Dies äußert sich darin, daß bei einer nach Durchführung de* erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommenen Bestrahlung eines Transistors die Stromverstärkung zwar absinkt, jedoch nur auf einen Wert, der wesentlich größer ist als der Wert, auf den die Stromverstärkung des Transistors bei eintr Bestrahlung mit gleicher Dosis vor Durchführung des ertindungsgemälkn Verfahrens absinken würde.

Die Energie der anzuwendenden Strahlung hängt von der Dicke der Siliziumoxid-Deckschicht des Transistors und, falls die Bestrahlung bei geschlossenem Gehäuse erfolgt, auch von der Dicke des Transistorgehäuses ab. Die Energie ist dabei entsprechend den bekannten Energie-Reichweite-Beziehuugen so zu wählen, daß die Süiziumoxid-Deckschichi wenigstens von einem Teil der Strahlung durchdrungen wird. Dadurch wird erreicht, daß die Strahlung näherungsvveise gleichmäßig innerhalb der ganzen Dicke der Siliziumoxid-Deckschicht wirkt. Die Strahlungsdosis muß zwischen 10* und 10' rad liegen, da bei kleinerer Strahlungsdosis der durch das ernndungsgemäße Verfahren angestrebte Effekt nicht auftriit, und eine größere Sirahlungsdosis zi rreversiblen Veränderungen und gegebenenfalls auch ζ·λ unerwünschten VoIumenschädtgungen insbesondere durch Erzeugung von Fehlstellen km Siliziumkorper des Transistors fuhren kann. Bevorzugt kann eine Strahlungsdosis von 10* .;is 10" rad angewendet werden.

Auch die elektrische Belastung ohne Strahlungseinvvirkung hängt im einzelnen von den elektrischen Ken;*, daten der zu behandelnden Transistoren ab. Sie ist so zu wählen, daß eine Sperrschichltemperatur von etwa 50 bis 25Ü C auftritt. Bei niedrigeren Sperrschichttemperaturen wird nämlich der angestrebte Effekt nicht erzielt, während bei höheren Soeirschichttemperaturen mit einer Schädigung bzw. Zerstörung des Transistors zu rechnen ist. Vorzugsweise kann die elektrische Belastung so durchgeführt werden, daß eine Sperrschichttemperatur zwischen etwa 80 und 160°C auftritt. In diesem TemperaPJrintervall wird einerseits eine verhältnismäßig rasche Ausheilung der Strahlungsschäden erzielt, während andererseits noch keine Schädigung des Transistors durch die Temperaturen zu befürchten ist. Di·" Dauer der ein/einen 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 vorzugsweise derart angelegt werden, daß der Kollektor-Basis-pn-Übergang des Transistors in Sperrichtung belastet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auf Silizium-Planartransistoren anwendbar, eignet sich jedoch auch für andere Siliziumtransistoren mit SiIiziumoxid-Deckschicht, beispielsweise für MOS-FeIdeffekt-Transistoren.

An Hand einiger Figuren und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung noch näher erläutert-werden.

F i g. 1 zeigt schematisch einen npn-Silizium-Planartransistor während der Bestrahlung beim Verfahren gernäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt schematisch einen npn-Silizium-Planartransistor währer.d der elektrischen Belastung ohne Strahliingseinwirkimg beim Verfahren gemäß der Erfindung;

Fig. 3 zeigt durch Messung an mehreren gleich-

artigen npn-Silizium-Planartransistoren ermittelte Mit- Nach jeder Bestrahlung bzw. elektrischen Belastung

telwerte für die statische Stromverstärkung nach den wurde die statische Stromverstärkung B bei einem

einzelnen Bestrahlungen bzw. elektrischen Belastungen Kollektorstrom von 10 μΑ und einer Kollektor-Basis-

beim Verfahren gemäß der Erfindung. Spannung von 2 V gemessen. Der verhältnismäßig

Der in Fig. 1 dargestellte npn-Silizium-Planar- 5 kleine Kollektorstrom wurde für diese Messungen getransistor besitzt eine η-leitende Emitterzone 1, eine wählt, weil sich der Einfluß der Bestrahlung auf die p-leitende Basiszone 2 und eine η-leitende Kollektor- Stromverstärkung bei kleinen Kollektorströmen besser zone 3. Die Emitterzone 1 ist mit einem metallischen beobachten läßt. Die aus Messungen an mehreren der Kontakt 4, die Basiszone 2 mit einem ringförmigen gleichen Behandlung unterzogenen npn-Silizium-Plametallischen Kontakt 5 und die Kollektorzone 3 mit io nartransistoren gleichen Typs ermittelten Mittelwerte einem scheibenförmigen metallischen Kontakt 6 kon- für die Stromverstärkung B nach den einzelnen Vertaktiert. Diejenige Oberfläche des Transistors, an der fahrensschritten sind in Fig. 3 dargestellt. An der sich der Emitterkontakt und der Basiskontakt nenn- Ordinate ist die Stromverstärkung aufgetragen; an der den, ist mit einer SiOj-Isolationsschicht 7 bedeckt. ' Abszisse sind die einzelnen Verfahrensschritte darge-

Im ersten Verfahrensschritt wurde die mit der S1O2- 15 stellt. Mit A ist der Ausgangszustana vor Durchfüh-Schicht 7 bedeckte Oberfläche des Transistors mit rung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit S₁ bis S₅ durch eine elektrische Spannung beschleunigten, durch der Zustand nach fünf aufeinanderfolgenden Bestrahdie Pfeile 8 angedeuteten Elektronen mit einer Energie lungen, mit E, bis E₆ der Zustand nach den fünf elekvon etwa 100 keV so lange bestrahlt, bis eine Strah- trischen Belastungen ohne Strahlungseinwirkung belungsdosis von etwa IO¹ rad erreicht war. Die Strah- ao zeichnet, die sich jeweils an eine Bestrahlung anlungsenergie war dabei so bemessen, daß der über- schlossen. Die F i g. 3 zeigt deutlich, daß durch wiederwiegende Teil der Strahlung die im Mittel etwa 0,5 μπι holte Durchführung der Folge von Bestrahlung und dicke SiO₂-Schicht 7 durchdringen konnte. Die Kon- ekMrischer Belastung die Stromverstärkung wesentlich takte 4, S und 6 waren während der Bestrahlung durch erhöht werden konnte. Beispielsweise stieg die Stromdie Verbindungsleitungen 9 kurzgeschlossen. Das in 35 verstärkung, die im Ausgangszustand A etwa 18,6 beder Figur nicht dargestellte Gehäuse des Transistors trug, nach der fünften eleKtrischen Belastung, also im war zum Zwecke der Bestrahlung, die unter Vakuum Zustand E₅. aυ* etwa 32.0. d. h. auf etwa das l,7fache erfolgte, geöffnet. der Stromverstärkung im Ausgangszustand A, an. Die

Im Anschluß an die Bestrahlung wurde ebenfalls bei Erhöhung der Stromverstärkung ist eindeutig auf die

geöffnetem Gehäuse in einer Atmosphäre aus trocke- 30 Folge von Bestrahlungen und elektrischen Belastungen

nem Stickstoff der zweite Verfahrensschritt, nämlich zurückzuführen. Die elektrische Belastung allein führt,

die elektrische Belastung des Transistors durchgeführt. wie Vorversuche ergaben, nicht zu einer Erhöhung der

Zu diesem Zweck wurden an die Kontakte 4, S und 6 Stromverstärkung.

mit Hilfe der in Fig. 2 schematisch dargestellten Auch die durch das erfindungsgemäße Verfahren er-Gleichspannungsquellen 10 und 11 elektrische Span- 35 zielte Verbesserung der Strahlungsresistenz der Trannungen in der Weise angelegt, daß der Emitter-Basis- sistoren ist aus F i g. 3 klar zu erkennen. Während die Übergang in Durchlaßrichtung gepolt war und ein Stromverstärkung durch die erste Bestrahlung, also im Kollektorstrom /₍- von etwa 0,3 A vom Kollektor 3 Zustand S₁, noch auf den Wert 5,3 abnahm, verrinüber die Basis 2 zum Emitter 1 floß. Die Spannung gerte sich die Stromverstärkung nach der fünften Bezwischen dem Kollektorkontakt 6 und dem Emitter- 40 strahlung, also im Zustand S₅, nur noch auf etwa 7,8. kontakt 4 betrug dabei etwa 5,7 V, die Spannung zwi- Die Stromverstärkung nach der fünften Bestrahlung sehen dem Emitterkontakt 4 und dem Basiskontakt 5 betrug somit etwa das l,5fache der Stromverstärkung etwa 0,8 V. Der Kollektor-B^sis-pn-Übergang ist hier- nach der ersten Bestrahlung,
bei in Sperrichtung gepolt. Statt unter Stickstoff kann die elektrische Belastung

Bei dieser elektrischen Belastung ergibt sich rechne- 45 bei geöffnetem Transistorgehäuse auci. unter einem risch eine Temperatur der Kollektor-Basis-Sperr- anderen Schutzgas, beispielsweise unter trockenem schicht von etwa 150⁰C. Diesen Wert erhält man als Argon, oder auch unter Luft erfolgen. Das erfindungs-Kollektor-Basis-Sperrschichttemperatur aus der im gemäße Verfahren kann auch vorzugsweise als abTransistor umgesetzten Leistung, wenn man den schließende Behandlung der Transistoren während des Wärmewiderstand des Transistorgehäuses und die 50 Herstellungsprozesses bei geschlossenem Gehäuse Gehäusetemperatur (nahe Zimmertemperatur) in Rech- durchgeführt werden.

nung setzt. Bei dem relativ hohen Kollektorstrom von Abweichend von dem beschriebenen Ausführungetwa 0,3 A ist die Oberflächentemperatur über der beispiel kann der Transistor auch während der BeEmitterzone des Transistors, bedingt durch die in den strahlung elektrisch belastet sein.
Bahnwiderständen der Emitterzone und der Basiszone 55 Insbesondere ist es unter Umständen nicht erforder und durch die im Emitter-Basis-pn-Übergang umge- lieh, die ohne Strahlungseinwirkung angelegte elek setzte elektrische Leitung, vermutlich höher als der trische Belastung bei der nächsten Bestrahlung wegzu berechnete Wert. lassen. Entscheidend ist lediglich, daß auf eine Phass

Nach etwa cinslündiiger elektrischer Belastung wurde mit Strahlungseinwirkung eine Phase mit elektrische

der Transistor wiederum erner Bestrahlung durch Elek- 60 Belastung ohne Strahlungseinwirkung folgt,

tronen in der bereits beschriebenen Weise ausgesetzt. Neben einer Elektronenstrahlung können beim er

Anschließend an diese Bestrahlung wurde der Tran- findlingsgemäßen Verfahren auch Röntgen- ode

sistor erneut in der ebenfalls bereits beschriebenen Gammastrahlen angewendet werden. Gleiche Strah

Weise elektrisch belastet. An diese elektrische Bc- lungsdosen erzeugen bei diesen Strahlungen gleich lastung schlossen sich weitere Folgen von Bestrahlung 65 Wirkungen. Als Strahlungsquellcn kommen bcispiels

und elektrischer Belastung an. weise auch radioaktive Isotopenqucllcn in Frage.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 Patentansprüche: für die Anwendung von Transistoren für die Elek-

1. Verfahren zum Behandeln von Siliziumtran- tronik im Mikrowatt-Leistungsbereich eine möglichst sistoren mit Siliziumojjd-Deckschichten, bei dem hohe Stromverstärkung bei sehr kleinen K.oiieKiorder Transistor einer ionisierenden Röntgen-, strömen in der Größenordnung von 1 μΑ erwünscht. Gamma- oder Elektronenstrahlung so hoher 5 Verfahren zum Behandeln von Sil.ziumtransistoren, Energie ausgesetzt wird, dal* die Siliziumoxid- bei denen der Transistor einer ionisierenden Strahlung Deckschicht wenigstens von einem Teil der Strah- hoher Energie ausgesetzt wird, sind bekannt. Uiese lung durchdrungen wird, dadurch gekenn- Verfahren dienen jedoch lediglich zur Untersuchung zeichnet, daß der Transistor einer wiederhol- von !,rahlungsschäden, die in den Transistoren intolge ten Folge von Bestrahlung und elektrischer Be- io der Bestrahlung auftreten.

lastung der pn-Übergänge ohne Strahlungsein- In einem Aufsatz in der Zeitschrift ■»Ibbb Iranswirkung unterworfen wird, wobei die verwendete actions on Nuclear Science«, Band Nb-IU (I\)b3_h Strahlungsdosis im Bereich zwischen 10¹ und 10»rad Nr. 5, S. 28 bis 34, ist sine Untersuchung des hinliegt und wobei infolge der elektrischen Belastung flusses von Gammastrahlung auf den Kollektor-Basiseine Sperrschichttemperatur zwischen etwa 50 bis 15 Sperrstrom Icbo eines Silizium-PIanar-Transistors, also 250⁰C auftritt. eines Siliziumtransistors mit Siliziumoxid-Deckschirht

2. Veria.iren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- beschrieben. Der Transistor wird dabei zunächst enui zeichnet, daß eine Strahlungsdosis von 10« bis hochenergetischen Gammastrahlung ausgesetzt uni 10" ad angewandt wird. dann sich selbst überlassen. Während und nach der

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ao Bestrahlung wird zur Messung des Kollektor-Basisgekennzeichnet, daß die elektrische Belastung so Sperrstromes an den Transistor eine Kollektor-Basis durchgeführt wird, daß eint. Sperrschichttempe- Sperrspannung angelegt. Infolge der Bestrahlung steigt ratur zachen etwa 80 und 160⁰C auftritt. der Kollektor-Rasis-Sperrstrom stark an, um nach

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Wegnahme der Bestrahlung etwas abzufallen und bei dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Be- 25 erneuter bestrahlung sofort wieder anzusteigen. L··* lastung eines Silizium-Planartransistors dadurch tritt also nur eine teilweise Wiederausheilung der erfolgt, dar der Emitter-Basis-Üb^rgang in Durch- Strahlungsschädigung nach Wegnahme der Bestrahlaßrichtung gepolt wird und daß zwischen dem lung, aber keinerlei Erhöhung der Strahlungsresisten/. Enitter- und dem Kollektorkontakt bzw. zwischen auf. Die durch den infolge der angelegten Kollektordt:m Basis- und dem Koilekmrkontakt eine weitere 30 Basis-Sperrspannung fließerden Kollektor-Basis-Sperrelektrische Spannung angelegt wird. strom im Transistor frei werdende Leistung ist so

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn- niedrig, daß eine ins Gewicht fallende Temperaturzdchnet, daß der Kollektor-Basis-Übergang des erhöhung im Transistor nicht auftritt.
Sfliziumtransistors in Sperrichtung belastet wird. Aus dem gleichen Aufsatz ist es bekannt, daß bei

35 einem mit Glas überzogenen 'JUiziumtransistor durch kurzes Erhitzen auf etwa 315° C Strahlungsschäden ausgeheilt werden können, die durch eine vorhergehende Bestrahlung erzeugt wurden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln In einem weiteren Aufsatz in der Zeitschrift »IEEE von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschich- 40 Transactions on Nuclear Science«, Band NS-10 (1963), len, bei dem der Transistor einer ionisierenden Nr. 5, S. 35 bis 44, ist eine Untersuchung dir Ab-Röntgen-, Gamma- oder Elektronenstrahlung so hängigkeit der Erhöhung des Kollektor-Basis-Sperrhoher Energie ausgesetzt wird, daß die Siliziumoxid- stromes Icbo von der während der Bestrahlung am Deckschicht wenigstens von einem Teil der Strahlung Transistor anliegenden Kollektor-Basis-Sperrspannung durchdrungen wird. 45 beschrieben. Bei dieser Untersuchung wird ein SiIi-Erdsatelliten und andere Raumfahrzeuge sind wan- ziumtransistor mit gasgefülüer Kapsel ohne Siliziumrend ihres Einsatzes der Einwirkung von Partikel- und oxid-Deckschicht zunächst bei angelegter Kollektor-Quantenstrahlung ausgesetzt. Beispielsweise tritt im Basis-Sperrspannung mit Gammastrahlung bestrahlt. Bereich des Strahlengürtels der Erde, des sogenannten wobei der Strom Icbo stark ansteigt. Der Transistor Van-Allen-Gürtels, eine durchdringende Protonen- 50 wird dann einige Zeit ohne Strahlungseinwirkung bei und Elektronenstrahlung auf. Transistoren, die in angelegter Kollektor-Basis-Sperrspannung sich selbst solchen Raumfahrzeugen Anwendung finden, sind überlassen, wobei der Strom Icbo etwas absinkt. Andurch diese Strahlung besonders gefährüet, da die schließend wird mehrfach ohne Kollektor-Basis-Sperrelektrischen Kenndaten der Transistoren durch die spannung, also unter völlig anderen Bedingungen als unter Strahlungseinwirkung auftretende Ionisierung 55 vorher, 30 Sekunden lang mit einer Dosis von etwa verändert werden. Insbesondere die Stromverstärkung 7 · 10³ rad bestrahlt und nach jeder Bestrahlung wieder Transistoren kann unter Strahlungseinwirkung derum die Kollektor-Basis-Sperrspannung angelegt, stark abnehmen. Ähnliche Verhältnisse können auch Während der einzelnen Bestrahlungen ohne Kollektorbei der Anwendung von Transistoren bei Teilchen- Basis-Sperrspannung wurde der Strom leno erniedrigt, beschleunigern, Kernreaktoren, Röntgenanlagen und 60 Beim Anlegen der Kollektor-Basis-Sperrspannung trat anderen Anlagen auftreten, bei denen ionisierende jedoch kein zusätzlicher Ausheilungseffekt auf. Der Strahlung entsteht. Um eine zu starke Funktionsminde- während der Bestrahlung auftretende Ausheilungsrung der mit den Transistoren bestückten Schaltungen effekt ist lediglich darauf zurückzuführen, daß bei den zu verhindern, sollten die Transistoren daher eine nachfolgenden Bestrahlungen gegenüber der ersten möglichst hohe Strahlungsresistenz besitzen. Ferner 65 Bestrahlung die gesamten Bestrahlungsbedingungen kann auch für Anwendungen von Transistoren in nicht verändert waren. Von einer Erhöhung der Strahlungsstrahlungsgefährdeter Umgebung eine möglichst hohe resistenz kann daher nicht die Rede sein. Die auf Stromverstärkung von Interesse sein. Insbesondere ist Grund der Kollektor-Dasis-Sperrspannung und des