Brevet FR2099452A1 — publié le 19720317

i 2099452 la présente invention se rapporte à un procédé d1 amélioration de la résistance aux radiations de transistors au silicium comportant une couche de recouvrement superficielle en oxyde de silicium. 5 Les satellites et autres engins spatiaux sont soumis, pen dant leur mission,, à l'action de radiations corpusculaires et quan-tiques. Il existe, par exemple dans la zone de la ceinture de radiations dite ceinture de Van Allen» entourant la terre, des radiations pénétrantes de protons et d'électrons. Ces radiations sont particu-10 librement dangereuses pour les transistors utilisés dans de tels engins spatiaux du fait que les caractéristiques électriques des transistors se trouvent modifiées par l'ionisation qui se produit sous l'action de ces radiations. Ces radiations peuvent en particulier entraîner une diminution considérable de l'amplification en 15 courant des transistors. Des conditions semblables peuvent apparaître en cas d'utilisation de transistors dans des accélérateurs de particules, des réacteurs nucléaires, des installations à rayons X et d'autres installations dans lesquelles se produit une radiation ionisante. Afin d'empêcher une altération trop importante des carac-20 téristiques de fonctionnnement des montages équipés de transistors, il convient donc de donner à ces transistors une résistance aux radiations aussi élevée que possible. le brevet français n° 7003440 décrit déjà un procédé d'amélioration de la résistance aux radiations de transistors au 25 silicium comportant une couche superficielle en oxyde de silicium. Ce procédé déjà proposé consiste dans le fait qu'on soumet le transistor d'abord à une irradiation ionisante par des rayons X, des rayons gamma ou des électrons, avec une énergie telle que la couche superficielle en oxyde de silicium soit traversée par une partie au 30 moins des radiations et avec une dose comprise entre 10^ et 10^ rads, qu'on le soumet ensuite, sans irradiation, à une sollicitation électrique au cours de laquelle la couche d'arrêt se trouve portée à une température d'environ 50 à 250°C, et qu'on répète plusieurs fois ce cycle d'irradiation et de sollicitation électrique sans irradia-35 tion. Ce procédé déjà proposé donne de bons résultats, mais est relativement onéreux, du fait qu'il est nécessaire de procéder plusieurs fois à une irradiation et à une sollicitation électrique sans irradiation. 40 la présente invention vise un procédé d'amélioration de 71 26056 2 2099452 la résistance aux radiations de transistors au silicium comportant une couche superficielle en oxyde de silicium, procédé qui soit plus simple et plus efficace que le procédé déjà proposé. Selon la présente invention, on obtient ce résultat par 5 le fait qu'on soumet un transistor ou une plaquette de silicium avec plusieurs structures de transistors à une irradiation par des électrons, avec une énergie inférieure à 150 keY et avec une dose com~ prise entre 10^ et lCp-^ rads à la couche limite entre le silicium et la couche superficielle en oxyde de silicium et qu'on maintient 10 le transistor ou la plaquette de silicium, pendant l'irradiation, à une température comprise entre 150 et 450°C. Le procédé conforme à l'invention présente ion grand nombre d'avantages. Par rapport au procédé déjà proposé, il n'exige qu'une unique irradiation, il est donc considérablement plus simple 15 et convient encore mieux à l'insertion dans le processus de fabrication des transistors. En outre, il peut être inséré à des endroits différents du processus de fabrication, selon que ce dernier le permet. On peut irradier aussi bien des transistors terminés, avantageusement lorsque les boîtiers sont encore ouverts, que déjà des 20 plaquettes de silicium qui comportent un grand nombre de structures de transistors et qui ne sont pas encore subdivisées en transistors élémentaires. En outre, 1'irradiation de telles plaquettes de silicium peut se faire avant ou après la mise en place des contacts électriques sur les structures de transistors. 25 II est déjà connu que dans le cas de transistors au silicium du type :tPlanar", on peut souvent compenser partiellement ou même complètement la diminution de l'amplification en courant qui apparaît sous l'action d'une radiation ionisante donnant une faible dose d'irradiation, en soumettant en particulier la jonction 30 émetteur-base du. transistor, après l'irradiation, à un traitement thermique ou à une sollicitation, électrique dans le sens direct. Cependant, il est absolument surprenant qu'une irradiation avec des doses comprises entre 10^ et 10"^ rads et un chauffage simultané des transistors à des températures comprises entre 150 et 450°C 35 permettent de ,:réparer:! les dégâts par ionisation et, en même temps, d'augmenter considérablement la résistance aux radiations des transistors. Tandis que l'on pouvait supposer que des doses d'irradiation si élevées entraîneraient des dommages irréparables ria/nn des transistors ou les structures de transistors irradiés, il s'est 40 avéré que ce sont précisément les doses d'irradiation élevées, 71 26056 3 2099452 comprises entre 1C>9 et l(P-2 rads, qui améliorent considérablement la résistance aux radiations des transistors. Des doses d'irradiation comprises entre 5 x 10^ et 2 x ÎO-*-® rads se sont avérées particulièrement avantageuses. 5 l'amélioration de la résistance aux radiations des tran sistors apparaît en particulier par le fait que l'amplification en courant d'un transistor traité selon le procédé conforme à l'invention ne diminue, au cours d'une irradiation d'essai, qu'à une valeur qui est sensiblement supérieure à la valeur à laquelle l'am-10 plification en courant du transistor n'ayant pas été soumis au traitement suivant le procédé conforme à l'invention tombe sous l'effet d'une même irradiation d'essai. Par amplification en courant, on entend ici l'amplification en courant statique, c'est-à-dire le quotient du courant de collecteur par le courant de base, 15 qui constitue la principale caractéristique d'un transistor. L'énergie de radiation d'électrons à mettre en oeuvre dépend de l'épaisseur de la couche superficielle en oxyde de silicium du transistor ou de la plaquette de silicium. L'énergie doit être choisie, en fonction de la relation connue qui lie l'énergie 20 au parcours, de telle manière que la radiation traverse la couche superficielle en oxyde de silicium pour pénétrer jusque dans la couche limite entre la couche superficielle en oxyde de silicium et le silicium. Des radiations d'électrons ayant des énergies de plus de 150 keV ne conviennent pas, du fait qu'à des énergies si 25 élevées, des endommagements par radiation peuvent se produire à l'intérieur du corps en silicium du transistor, par suite d'un déplacement d'atomes de réseau. Des radiations d'électrons d'une énergie inférieure à 1 keV ne devraient en général pas permettre de traverser la couche superficielle en oxyde de silicium. La dose 30 d'irradiation nécessaire, comprise entre 10^ et ÎO1^ rads, doit être atteinte à la couche limite entre le silicium et la couche superficielle en oxyde de silicium. On peut admettre que l'augmentation de la résistance aux radiations est due à une diminution de la concentration d'états de surface à cette couche limite, grâce 35 au traitement conforme à l'invention. Afin de pouvoir utiliser les supports et connexions usuels pour transistors lors de l'irradiation de transistors bipolaires terminés, il est avantageux de ne porter le transistor, pendant l'irradiation, qu'à une température comprise entre 40 150 et 300°C. On obtient ainsi, dans tous les cas, une amélio 71 26056 4 2099452 ration de la résistance a-uz radiations, mais les dommages apparaissant par suite de l'irradiation, risquent, le cas échéant, de ne pas être complètement "réparés" par le chauffage, de sorte que le transistor présente, après le traitement, une amplification en courant 5 légèrement plus faible que l'état non traité. Une réparation complète des dommages par irradiation peut cependant être obtenue avec certitude également dans cette plage de températures plus faibles par le fait que pendant l'irradiation, on applique simultanément entre les connexions de l'émetteur et de la base du transistor, une 10 tension électrique dans le sens direct. Cette tension doit être aussi élevée que possible? cependant, la valeur limite maximale admissible du courant de base ne doit pas être dépassée. . L'application supplémentaire d'une tension électrique dans le sens direct entre les connexions du collecteur et de la base 15 du transistor, sans que les valeurs limites maximales admissibles du courant de bg.se et du courant de collecteur ne soient dépassées, permet de façon supplémentaire d'agir favorablement sur les caractéristiques de la jonction collecteur-base, en particulier la tension disruptive et le courant inverse, dans le sens d'une répara-20 tion des dommages causés par l'irradiation. On a constaté que lors de l'irradiation de transistors bipolaires, avec sollicitation électrique simultanée, des températures comprises entre 200 et 250°C sont particulièrement avantageuses. 25 Notamment lors de l'irradiation de plaquettes de silicium avec des structures de transistors, qui ne peuvent pas être sollicitées électriquement ou alors seulement par la mise en oeuvre d'un appareillage très important, il est avantageux de maintenir les parties à irradier à une température plus élevée, comprise entre 30 300 et 400°C, pendant l'irradiation. Après 1'irradiation, on recuit ces parties avantageusement pendant encore au moins 10 heures à une température comprise entre 300 et 400°C, pour assurer une réparation complète des dommages causés par l'irradiation. Même si les parties irradiées, c'est-à-dire les tran-35 sistors ou les plaquettes de silicium, sont maintenues pendant l'irradiation à une température comprise seulement entre 200 et 250°C, on peut, au.lieu de les solliciter électriquement pendant l'irradia-tion, recuire encore ces parties après l'irradiation. Le recuit s'effectue alors avantageusement à une température comprise entre 40 300 et 350°C, pendant une durée d'au moins 10 heures. 71 26056 5 2099452 le procédé conforme à l'invention peut être utilisé en particulier pour des transistors au silicium du type "Planar", aussi bien à structure pnp qu'à structure npn, mais convient égale-* ment à d'autres transistors au silicium avec couches de recouvrement 5 superficielles en oxyde de silicium, par exemple des transistors à effet de champ du type MOS (metal-oxid-silicon)„ En se référant au dessin annexé et aux exemples de réalisation donnés ci-après, on va décrire plus en détail l'objet de l'invention; sur le dessin: 10 la figure 1 est un diagramme donnant l'amplification en courant de transistors au silicium du type "Planar1", en fonction du courant de collecteur, avant et après un traitement suivant un mode de réalisation du procédé conforme à l'invention, ainsi qu'après des irradiations d'essaij 15 la figure 2 est un diagramme donnant l'amplification en courant de transistors au silicium du type "Planar" en fonction du courant de collecteur, avant et après un traitement suivant un autre mode de réalisation du procédé conforme à l'invention, ainsi qu'après des irradiations d'essai. 20 Exemple 1 A titre d'exemple pour un mode de réalisation particulièrement avantageux du procédé conforme à l'invention, on va décrire d'abord en détail le traitement d'un transistor au silicium npn du type "Planar" (type BCY 59)• 25 On place d'abord le transistor, avec son boîtier ouvert ou sans capot, dans un support susceptible d'être chauffé et d'être refroidi et constitué par une plaque en cuivre pourvue de trous pour la mise en place des transistors. On assure un bon contact thermique entre le transistor et la plaque en cuivre en appliquant 30 étroitement la plaque de fond du boîtier du transistor contre la plaque en cuivre. On monte la plaque en cuivre dans la chambre d'irradiation sous vide d'un accélérateur d'électron. Par des traversées étanches au vide, on fait sortir de la chambre d'irradiation les connexions d'émetteurs, de base et de collecteur du tran-35 sistor. Après avoir mis sous vide la chambre d'irradiation jusqu'à une pression de gaz résiduelle d'environ 10~5 mm Hg, on irradie le transistor à l'aide d'électrons d'une énergie de 25 keV et d'une densité de courant du faisceau de 1/U A/cm2 pendant environ 1,5 10 40 heure, jusqu'à obtenir une dose d'irradiation d'environ Hr* rads 71 26056 6 2099452 à la surface limite entre le silicium et la couche superficielle en oxyde de silicium. On effectue l'irradiation à travers la couche superficielle en oxyde de silicium. L'épaisseur de cette couche superficielle est comprise entre environ 0,2 et 0,5/U. Pendant 5 l'irradiation, on maintient le transistor, par chauffage de la plaque en cuivre, à une température d'environ 220°C. Entre les connexions' de l'émetteur et de la base et entre les connexions du collecteur et de la base du transistor, on applique en même temps chaque fois une tension électrique d'environ 0,7 V dans le sens di-10 rect. Après une durée d'irradiation d'environ 1,5 heure, on arrête tout d'abord l'irradiation. Ensuite, on coupe le chauffage de la plaque et les tensions électriques appliquées au transistor et on refroidit la plaque en cuivre, avec le transistor, à la température ambiante. 15 La résistance améliorée aux radiations d'un transistor ainsi traité apparaît sur la figure 1. Sur cette figure, on a porté en ordonnées l'amplification en courant B et en abscisses le courant de collecteur I en ampère, chaque fois en échelle logarithmique. Pour obtenir les courbes 1 à 4, on mesure chaque fois l'amplifica-20 tion en courant d'un transistor avec des courants de collecteur 1^ différents. Avant le traitement suivant le mode de réalisation de l'exemple 1 du procédé conforme à l'invention, l'amplification en courant du transistor correspond à la courbe 1. A titre de comparaison, on soumet un transistor identique, n'ayant pas subi le traite-25 ment conforme à l'invention, à une irradiation d'essai (électrons) avec une dose de 107 rads. L'amplification en courant tombe alors des valeurs de la courbe 1 valable avant l'irradiation d'essai aux valeurs de la courbe 2. Le transistor traité selon le mode de réalisation de 30 l'exemple 1 du procédé conforme à l'invention possède, après le traitement, une amplification en courant correspondant de nouveau à la courbe 1. Par conséquent, le traitement ne diminue pas l'amplification en courant initiale. On soumet ce transistor également à une irradiation d'essai avec une dose de 10? rads. L'amplification en 35 courant ne tombe alors qu'aux valeurs de la courbe 3, c'est-à-dire qu'elle est, après l'irradiation d'essai, en particulier pour des courants de collecteur faibles compris entre 10~7 et 10"® A, supé~ rieure d'un facteur plus grand que 10 à l'amplification en courant selon la courbe 2 du transistor non traité, après la même irradia-40 tion d'essai. 71 26056 7 2099452 la courbe 4 en tirets indique, également à titre de comparaison, l'amplification en courant d'un transistor identique qu'on irradie d'abord à la température ambiante à l'aide d'électrons avec une dose d'irradiation d'environ ÎO-^ rads et qu'on ne porte qu'après 5 l'irradiation à environ 200°C, qu'on sollicite électriquement par application de tensions électriques dans le sens direct entre les connexions de l'émetteur et de la base et les connexions du collecteur et de la base et qu'on soumet, après ce traitement différent du procédé conforme à l'invention, également à une irradiation d'essai 10 avec une dose de 10~7 rads. Il est vrai que la courbe 4 se trouve au-dessus de la courbe 2, mais elle est loin en dessous de la courbe 3. Une comparaison des courbes 3 et 4 donne le résultat absolument inattendu que la mise en oeuvre simultanée d'une irradiation, d'une température élevée et d'une sollicitation électrique permet de don-15 ner au transistor une résistance aux radiations sensiblement plus élevée que la mise en oeuvre, en phases successives, d'une irradiation, d'une part, et d'une température plus élevée et d'une sollicitation électrique, d'autre part, les courbes 1 à 4 de la figure 1 sont non seulement obtenues par des mesures sur différents transis-20 tors, mais sont confirmées par des essais sur un très grand nombre de transistors. Au cours de toutes les irradiations d'essai, on court-circuite les connexions des transistors; Exemple 2 Dans cet exemple de réalisation, on met en évidence plus 25 en détail un mode de réalisation du procédé conforme à l'invention sans sollicitation électrique. On monte un transistor au silicium npn du type "Planar"(type BCY 59) dans la chambre d'irradiation d'un accélérateur d'électrons, de la même manière que dans l'exemple 1. Toutefois, on laisse ouvertes les connexions du collecteur, de la 30 base et de l'émetteur. On irradie le transistor pendant environ 1,5 heure à l'aide d'électrons avec une énergie de 25 keV et avec une densité de courant de faisceau de lyuA/cm , jusqu'à atteindre une dose d'irradiation d'environ 10-1-® rads à la surface limite entre le silicium et la couche superficielle en oxyde de silicium. Pendant 35 l'irradiation, on maintient le transistor à une température de 350°0. Après l'irradiation, on recuit le transistor encore pendant environ 50 heures à une température d'environ 350°C. l'amélioration que ce traitement procure quant à la résistance aux radiations du transistor apparaît sur la figure 2 sur 40 laquelle on a de nouveau porté en ordonnées l'amplification de cou 71 26056 8 2099452 rant B et en abscisses le courant de collecteur Iq en ampère, chaque fois en échelle logarithmique « Avant et après le traitement suivant le mode de réalisation de l'exemple 2 du procédé conforme à l'invention, 1*amplification 5 en courant du transistor correspond à la courbe 10. Par conséquent, l'amplification en courant n'est pas altérée par le traitement. Ensuite, on soumet le transistor à une irradiation d'essai de 10*7 rads. De ce fait l'amplification en courant tombe aux valeurs de la courbe.11. A titre de comparaison, on soumet également un 10 transistor non traité à l'irradiation d'essai de 10^ rads. l'amplification en courant de ce transistor tombe des valeurs de la courbe 10 aux valeurs de la courbe 12. la mise en oeuvre du mode de réalisation de l'exemple 2 du procédé conforme à l'invention procure donc également une amélioration considérable de la résistance aux 15 radiations du transistor, les courbes 10 'à 12 sont également confirmées par des mesures effectuées sur de nombreux transistors; D'autres essais montrent que sur des transistors comparables, présentant à l'état non irradié une amplification en courant plus faible que les transistors utilisés dans les exemples 1 et 2, 20 le procédé conforme à l'invention permet, non seulement une amélioration de la résistance aux radiations, mais encore une augmentation de l'amplification en courant au-delà des valeurs initiales. Des essais effectués sur des transistors au silicium npn du type "Planar" donnent des résultats semblables à eeux des essais 25 effectués sur des transistors pnp du type "Planar". En outre, les irradiations d'essai effectuées avec d'autres doses d'irradiation, go par exemple avec 10 ou 10 rads, confirment également l'amélioration considérable de la résistance aux rayonnements des transistors, que procure le procédé conforme à l'invention. 30 Pour l'irradiation de plaquettes de silicium comportant un grand nombre de structures de transistors, on peut de préférence procéder suivant l'exemple 2. On peut alors avantageusement poser les plaquettes de silicium sur la plaque de cuivre susceptible d'être chauffée, le recuit après l'irradiation peut, tout comme sur des 35 transistors terminés, être opéré par exemple également dans un four approprié, l'irradiation de plaquettes de silicium présente en particulier l'avantage qu'une unique mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention permet le traitement simultané d'un grand nombre de transistors, les structures de transistors peuvent également être 40 des transistors de circuits intégrés. 71 26056 9 2099452 REVENDICATIONS 1. Procédé d'amélioration de la résistance aux radiations de transistors au silicium comportant une couche de recouvrement superficielle en oxyde de silicium, caractérisé par le fait qu'on 5 soumet un transistor ou une plaquette de silicium comportant plusieurs structures de transistors à une irradiation par des électrons avec une énergie inférieure à 150 keV et avec une dose comprise entre 10^ et 1012 rads à la couche limite entre le silicium et la couche superficielle en oxyde de silicium, et qu'on maintient le 10 transistor ou la plaquette de silicium, pendant l'irradiation, à une température comprise entre 150 et 450°C. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on soumet le transistor ou la plaquette de silicium à une dose d'irradiation comprise entre 5 x 10^ et 2 x 10"^ rads» 15 3• Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que pendant l'irradiation d'un transistor bipolaire, on maintient le transistor à une température comprise entre 150 et 300°C et qu'on applique simultanément, entre les connexions de 11 émetteur et de la base du transistor, une tension électrique dans 20 le sens direct, de telle manière que la valeur limite maximale admissible du courant de base ne se trouve pas dépassée; 4» Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on applique de façon supplémentaire, entre les connexions du collecteur et de la base de transistor, une tension électrique 25 dans le sens direct, de telle manière que les valeurs limites maximales admissibles du courant de base et du courant de collecteur ne soient pas dépassées. 5. Procédé suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que pendant l'irradiation, on maintient le transistor à une 30 température comprise entre 200 et 250°C. 6. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que pendant l'irradiation, on maintient la partie irradiée à une température comprise entre 300 et 400°C et après la fin de l'irradiation, on la recuit pendant au moins 10 heures à une tempé-35 rature comprise entre 300 et 400°C. 7. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que pendant l'irradiation, on maintient la partie irradiée à une température comprise entre 200 et 250°0 et après la fin de l'irradiation, on la recuit pendant au moins 10 heures à une tempé-40 rature comprise entre 300 et 350°C;