DD227562A1

DD227562A1 - Chemisch sensitiver feldeffekttransistor

Info

Publication number: DD227562A1
Application number: DD26352784A
Authority: DD
Inventors: Werner Hoffmann; Minh T Pham; Wolfgang Skoruba; Eberhard Hensel; Ulrich Kreissig
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1984-05-30
Filing date: 1984-05-30
Publication date: 1985-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor, der zum Nachweis von Ionen, Atomen und Molekuelen in Loesungen und Gasen dient sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors. Das Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines kostenguenstigen chemisch sensitiven Feldeffekttransistors hoher Qualitaet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor zu schaffen, zu dessen Herstellung das bisherige Standard-Substratmaterial Silizium eingesetzt werden kann und bei dem parasitaere Stroeme ueber das Substrat maximal unterdrueckt werden. Die Aufgabe schliesst ein solches Herstellungsverfahren ein. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass zwischen den elektrisch aktiven Gebieten (Source-, Drain- und Gategebiet) des Feldeffekttransistors eine Isolatorschicht angeordnet ist. Bezueglich des Herstellungsverfahrens wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die zwischenliegende Isolatorschicht durch chemische oder physikalische Abscheideverfahren auf dem Siliziumsubstrat erzeugt wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor, der zum Nachweis von Ionen, Atomen und Molekülen in Lösungen und Gasen dient sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Chemisch sensitive Feldeffekttransistoren nutzen als Signalwandlungsprinzip die Modulation der elektrischen Leitfähigkeit eines Kanals zwischen zwei Elektroden (Source und Drain) im Halbleiter-Silizium durch ein von außen senkrecht auf das Kanalgebiet (Gate) einwirkendes elektrochemisches Grenzflächenpotential. Die Größe des elektrochemischen Grenzflächenpotentials hängt wiederum von der Zusammensetzung des Meßmediums ab, d. h. das chemische Signal "Zusammensetzung des Meßmediums" wird in ein elektronisches Signal "Kanalleitfähigkeit" umgewandelt /f"P. Bergveld, N. F. de Rooij, J. N. Zemel' "Physical mechanisms for chemically sensitive semiconductor devices", Nature 273 (1978) 438 - 443__7. Die Kanalleitfähigkeit eines chemisch sensitiven Feldeffekttransistors wird aber - in gleicher Weise wie beim bekannten analogen elektronischen Bauelement, dem MIS-Feldeffekttransistor - u, a. auch vom elektrischen Potential des Halbleitersubstrates beeinflußt /_~Έ. Kobierska, M. J. Gautier, "Transistore ä Effect de champ sensible aux ions dans un milieu liquide", L'oude glectrique 59 (1979) 82 - 85_7.

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Für die stabile Sensorfunktion ist deshalb die Konstanthaltung des Siliziumsubstratpotentials erforderlich.« Das bedeutet, elektrische Kurzschlüsse zwischen dem Siliziumsubstrat und dem Meßmedium müssen verhindert .werden. Unerwünschte parasitäre elektrisch leitfähige Kanäle können z. B. durch Lochbildung bei der 7erkapselung von chemisch sensitiven Feldeffekttransistoren entstehen, die in üblicher Weise durch Einbetten der gebondeten Siliziumchips in Epoxidharz, Silikonkautschuk oder andere Polymermaterialien erfolgt · £~J» Janata, R. J. Huber, "Ionsensitive field effect transistors", Ion-selective Elektrode Rev Λ_ (-1979) 31 - 79_7.

Aber auch mangelnde Haftung der Verkapselungsmaterialien am Substrat kann zur Unterwanderung durch das Meßmedium führen und somit ebenfalls elektrischen Kurzschluß bewirken» Man ist deshalb bestrebt, bereits vor der Verkapselung eine möglichst weitgehende Passivierung des Siliziumsubstrates vorzunehmen.

Bekannt ist die elektrische Isolation des Siliziumsubstrates durch eine Umhüllung mit passivierenden Schichten, die bereits im Verlauf der Silizium-Scheibenpräparation (Zyklus 1 der Mikroelektroniktechnologie) erfolgen kann ^~T. Matsuo, M. Esashi, "Methods of ISFET, fabrication", Sensors and Actuators ± (1981) 77 - 96 J7. Zu diesem Zweck erhalten die einzelnen Sensorchips auf einer Scheibe durch Siliziumätzen zum Beginn des Zyklus 1 eine zungenförmige Geometrie. Bei nachfolgender thermischer Oxydation sowie chemischer Dampfphasenabscheidung werden sowohl die Vorder- und Rückseite als auch die Seiten des Substrates passiviert. Beim Vereinzeln der zungenförmigeη Chips aus dem Verband der Siliziumscheibe entstehen jedoch wiederum Bruchkanten mit ungeschütztem, frei liegendem Silizium.

Dieser Nachteil läßt sich, vermeiden, indem man in an sich ebenfalls "bekannter Weise von einem Isolator als Substratmaterial ausgeht /~T. Akiyama, et al. "Fabrication of ion-sensitive field effect transistors using silicon-on-Saphire", Bunscki kagaku 30 (1981) 754 - 756 7· Das Substratmaterial ist in diesem Fall Saphir. Darauf wird epitaktisch einkristallines Silizium abgeschieden, das für die Bildung der elektrisch aktiven Gebiete des Feldeffekttransistors dient und das durch thermische Oxydation und chemische Dampfphasenabscheidung in bekannter Weise abschließend oberflächlich passiviert werden kann« Mit diesem Aufbau des Feldeffekttransistors können parasitäre Ströme über das Substrat maximal unterdrückt werden. Von großem Nachteil sind aber dabei die sehr hohen Kosten für das Substratmaterial Saphir. Außerdem ist die Kontamination der Siliziumschicht durch Aluminium möglich.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines kostengünstigen chemisch sensitiven Feldeffekttransistors hoher Qualität.

Darlegung des Lesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor zu schaffen, zu dessen Herstellung das bisherige Standard-Substratmaterial Silizium eingesetzt werden kann und bei dem parasitäre Ströme über das Substrat maximal unterdrückt werden. Die Aufgabe schließt ein solches Herstellungsverfahren ein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen den elektrisch aktiven.Gebieten (Source-, Drain- und Gategebiet) des Feldeffekttransistors eine Isolatorschicht angeordnet ist« Diese Isolatorschicht bewirkt gemeinsam mit einer nachfolgenden Oberflächenpassivierung mittels thermischer Oxydation und chemischer Dampfphasenabscheidung die praktisch allseitige Passivierung der elektrisch aktiven Gebiete des· Feldeffekttransistors.

Bezüglich des Herstellungsverfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die zwischenliegende Isolatorschicht durch chemische oder physikalische Abscheideverfahren auf dam Siliziumsubstrat erzeugt wird. Die Isolatorschicht wird entsprechend dem jeweiligen Verfahren lithografisch struktu riert und darauf wird amorphes oder polykristallines Silizium abgeschieden. Anschließende Bestrahlung (z. B. mit Elektronenstrahlen, Halogenlampen oder Blitzlampen) führt zur Bildung von einkristallinem Silizium über der Isolatorschicht, in dem dann die elektrisch aktiven Gebiete des Feldeffekttran-' sistors aufgebaut werden·

Die Substratisolation kann auch selektiv auf dem Siliziumsubstrat ausgeführt werden, so daß freibleibende Flächen sowie die Scheibenrückseite frei verfügbar sind für die Integration weiterer elektronischer Bauelemente in konventioneller Technologie oder auch für die Integration anderer Sensoren.

Die Isolatorschicht besteht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder aus Oxiden oder Nitriden von Tantal, Zikonium, Titan oder chemisch ähnlichen Elementen.

Das Verfahren zur Isolation des chemisch sensitiven Feldeffekttransistors gegenüber dem Siliziumsubstrat ist voll kompativel mit den bisher in der Mikroelektroniktechnologie 'üblichen Verfahren.

Ausführungsbeispiel

Die Herstellung eines erfindungsgemäß allseitig elektrisch isolierten chemisch sensitiven Feldeffekttransistors wird in den Figuren 1 bis 7 -schematisch in Querschnittsdarstellungen gezeigt.

Beispiel 1

Ausgegangen wird von einem Standard-Siliziumsubstrat CO» auf dem eine Siliziumdioxidschicht (2) von 0,6 /um Dicke durch Abscheideverfahren erzeugt wird. Anschließend wird darauf mit Hilfe mikrolithografischer Verfahren ein Oberflächenrelief strukturiert, über dem eine polykristalline Siliziumschicht (3) von 0,3 /um Dicke abgeschieden wird. Bei nachfolgender Energieeinstrahlung mittels eines Lasers bewirkt das Oberflächenrelief die Rekristallisation des Siliziums zu einkristallinen Siliziumbereichen (1¹)·

Anschließend wird mit Hilfe in der Mikroelektroniktechnologie üblichen Verfahren das spätere Gategebiet mit einer Si^N,-Schicht (4) maskiert, die sich über einer dünnen SiO₂-Schicht (5) befindet (Fig. 3). Durch Beschüß mit Bor-Ionen sowie anschließende Formierung eines oberflächlichen Oxides (6) und Ausheilung werden die sich außerhalb der Gatemaskierung befindlichen Gebiete zu p-leitendem Silizium (7).

Es schließt sich die lithografische Strukturierung der Source- und Drainelektroden (7 Oj (7^lf) an, die mittels anisotropen Siliziumätzens erfolgt, wobei die SiOp-Schicht (2) als Atzstop wirkt (Fig. 4). Danach wird die Maskierung über dem Gate ge "biet (4, 5) entfernt und eine dünne Gate oxidschicht (8) durch thermische Oxydation gebildet (Fig. 5). Dabei werden außer dem Gategebiet auch die' von der Source- und Drainelektrodenstrukturierung her freiliegenden Siliziumkanten oxidpassiviert. Ss wird danach Si~N, (9) abgeschieden. Si-,Ν. erhöht die Stabilität und chemische Resistenz der Transistoroberfläche gegenüber dem Meßmedium. Es bewirkt zugleich aber auch eine Wasserstoff-.ionen-Sensitivität des Gategebietes, d. h. die Leitfähigkeit des Kanäles zwischen der Source- (7') und der Drainelektrode (7¹O wird moduliert durch die Wasserstoffionenaktivität des Meßmediums. Der Transistor ist im gebondeten und verkapselten Zustand dann als pH-Sensor einsetzbar.

Beispiel 2

Ausgegangen wird von einem einkristallinen Standard-Siliziumsubstrat (1), auf dem durch Abscheideverfahren eine SiOp-Schicht (2). von 1 ,um Dicke erzeugt wird. Anschließend werden in dieser Schicht mikrolithografisch Gräben erzeugt, die bis zum einkristallinen Si-Substrat reichen (Fig. 6).

Darauf wird polykristallines Silizium abgeschieden (3^ mit einer Dicke von 0,4 Aim. Bei nachfolgender Snergieeinstrahlung mit einem Streifenheizer wird das polykristalline Silizium in einkristallines Silizium (1O umgewandelt, wobei die Rekristallisation von den Gräben ausgeht.

In den einkristallinen-Gebieten über der nun vergrabenen Isolatorschicht werden anschließend analog Beispiel 1 chemisch sensitive Feldeffekttransistoren erzeugt.

Claims

Erfindungsanspruch

1. Chemisch sensitiver Feldeffekttransistor mit den elektrisch aktiven Gebieten (Source-, Drain- und Gategebiet) auf einem Halbleite'r-Siliziuinsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daI3 zwischen den elektrisch aktiven Gebieten des Feldeffekktransistors und dem Halbleiter-Substrat eine Isolatorschicht angeordnet ist.
2. Chemisch sensitiver Feldeffekttransistor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder aus Oxiden oder Nitriden von Tantal, Zirkonium, Titan oder chemisch ähnlichen Elementen besteht.
3. Verfahren zur Herstellung eines chemisch sensitiven Feldeffekktransistors nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht durch chemische oder physikalische Abscheideverfahren auf ' dem Siliziumsubstrat erzeugt wird.

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