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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzstruktur für Halbleitersensoren und insbesondere auf eine monolithische MIS-Schutzstruktur für Halbleitersensoren.
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Sensoren, die Umwelteinflüssen ausgesetzt sind um Messgrößen erfassen zu können, können nicht immer so effektiv wie andere Halbleiterbauelemente vor elektrischer oder elektrostatischer Überbeanspruchung geschützt werden. Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) zum Beispiel, haben kein metallisches Gate, an der Schutzstrukturen realisiert werden könnten. Vielmehr liegt hier der Gateisolator im Kanalbereich des Transistors funktionsbedingt frei und bietet so eine Angriffsfläche für elektrische Schädigungen. Solche negativen Einflüsse sind beispielsweise elektrostatische Entladungen (ESD, ESD = elektro-static dischargement) oder unerlaubte elektrische Betriebsbedingungen wie z. B. Überspannung, Verpolung und dergleichen.
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Ionensensitive Feldeffekttransistoren werden beispielsweise in der Analytik von flüssigen Medien eingesetzt. Bei diesen Sensoren wird beispielsweise ein Drain-Source Strom dadurch geregelt, dass Ionen in einem Messmedium direkten Kontakt zu dem Gateisolator haben und dort in Abhängigkeit von der Ionenladung ein elektrisches Feld hervorrufen, welches den Drain-Source Strom beeinflusst und dadurch dass Messmedium analysiert werden kann. Deswegen werden diese Sensoren auch als feldeffektbasierende Sensoren bezeichnet. Für eine einwandfreie Funktionsweise und für die Stabilität des Gateisolators ist es wichtig, dass diese Halbleitersensoren vor einer Entladung von statischen Spannungen und/oder vor unerlaubten elektrischen Betriebsbedingungen wie beispielsweise Verpolungen geschützt werden.
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Zur Zeit können spannungsempfindliche Sensorstrukturen dadurch geschützt werden, dass dem Sensorelement eine Struktur zur Seite gestellt wird, die z. B. pn-Übergänge oder auch Kondensatorelemente beinhalten können. Ein wesentlicher Nachteil von Schutzstrukturen in Form von konventionellen pn-Übergängen ist der relativ hohe Leckstrom, wodurch eine präzise potentiometrische Messung negativ beeinflusst werden kann. Andererseits sind Kondensatoren als Schutzstrukturen dahingehend nachteilig, dass sie leitend für Wechselströme sind (z. B. EMV-Beanspruchung) und keinen wirksamen Schutz vor anderen unerlaubten Betriebsfällen (Verpolung) leisten.
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Die
DE 199 21 545 A1 bezieht sich auf eine Solarzelle, die frontseitig eine integrierte Schutzdiode aufweist.
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Die
DE 1 803 392 A bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung für einen Feldeffekttransistor mit einer Quellen-, Senken- und Torelektrode, bei der zum Schutz des Torisolators des Feldeffekttransistors gegen irreversible elektrische Durchschläge parallel zu dessen Torelektrode eine Schutzdiode liegt.
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Die
US 4 589 970 A beschreibt eine Vorrichtung, die aufgebaut und angeordnet ist, um Ionen in einer Flüssigkeit zu messen und umfasst eine Messschaltung inklusive eines ISFET, eine Referenzelektrode, einen Verstärker und ein Schutzsystem/Schutzschaltung, die mit der Messschaltung verbunden ist. Das Schutzsystem/Schutzschaltung umfasst mindestens eine Elektrode, die über einen niederimpedanten Kontakt mit der Flüssigkeit verbunden ist und gekoppelt zu dem ISFET durch ein Schutzelement ist, welches niederimpedant für hohe Spannungen ist und einen niedrigen Widerstandswert für niedrige Spannungen hat. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der ISFET auf einem Chip ausgeführt und hat eine Elektrode, die so nahe wie möglich an der Torregion des ISFET angeordnet ist.
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Die
EP 07 49 632 B1 beschreibt Methoden, Vorrichtungen und Chipherstellungstechniken, welche einen elektrostatischen Entladeschutz für ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFET) bieten die genutzt werden, um selektiv Ionen in einer Flüssigkeit zu messen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine ESD Schutzschaltung, welche aus konventionellen Schutzelementen besteht, in denselben Siliziumchip integriert, auf welchem der ISFET gebildet ist, zusammen mit einer Schnittstelle, die in Kontakt mit der Flüssigkeit ist, die zu messen ist, und wobei die Schnittstelle keinen Pfad für Gleichstromleckströme zwischen dem ISFET und der Flüssigkeit bietet. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Kondensatorstruktur als Schnittstelle zwischen der Schutzschaltung und der Flüssigkeitsprobe genutzt. Weitere Aspekte der Erfindung sind gerichtet auf Verfahren, die per se ESD Schutz für ISFET Sensoren bieten, durch Nutzung einer Schnittstelle (beispielsweise der Kondensatorstruktur), auf welche vorhergehend Bezug genommen wurde und Verfahren für die Herstellung der neuen Schnittstellen auf einem Siliziumwafer.
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In
EP 1 557 884 A2 wird ein drahtloser sensorchip beschrieben, der geeignet ist für kompakte, hochsensible und kostengünstige Untersuchungsvorrichtungen, um leicht biologisches Material zu untersuchen, sowie z. B. Gene. Ein Sensorchip ist ausgebildet auf einem SOI Substrat, und eine n Typ Halbleiterschicht, auf welcher ein PMOS Transistor ausgebildet ist, und eine p Typ Halbleiterschicht, auf welcher ein NMOS Transistor ausgebildet ist, sind isoliert durch einen pn Übergang. Folglich hat die p Typ Halbleiterschicht am äußersten Teil (Kante des Chips, die in Kontakt mit einer Flüssigkeit ist) ein schwebendes Potenzial, und das maximale Potenzial und das minimale Potenzial des Chips werden einer n Typ Halbleiterschicht, respektive einer p Typ Halbleiterschicht zugeführt, die in dem äußersten Teil angeordnet sind. Der Chip ist ebenfalls bedeckt mit einem isolierenden Film, der für Ionen nicht durchlässig ist, um die Penetration von positiven Ionen durch das Oxid zu reduzieren.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement und insbesondere einen Halbleitersensor, welcher bei Verwendung in einem direkten Kontakt mit einem Messmedium steht, mit einer integrierten Schichtstruktur bzw. Schutzstruktur vor negativen elektrischen Einflüssen zu schützen, die zu einer Schädigung und/oder Zerstörung des Sensorelements führen können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schutzstruktur gemäß Anspruch 1 und die Verwendung eines integrierten Halbleitersensors nach Anspruch 13 gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Halbleitersensor oder eine feldeffektbasierende Sensorstruktur auf einem Substrat vor elektrostatischen Entladungen und/oder vor elektrochemisch ungünstigen Betriebsfällen bei einem Kontakt zu einem Messmedium dadurch geschützt werden kann, dass eine Metall-Isolator-Halbleiterstruktur (MIS-Struktur, MIS = Metal Insulator Semiconductor) auf dem gleichen Substrat oder vereinzelten Chip (sog. Die) integriert wird. Erfindungsgemäß ist somit eine Schutzstruktur in vorzugsweise enger räumlicher Bindung an den Halbleitersensor in demselben Substrat integriert.
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Zum Schutz der feldeffektbasierenden Sensorstruktur vor ESD und/oder zum Schutz von sensortypischen Funktionsschichten vor elektrochemisch ungünstigen Betriebsfällen wird eine MIS-Struktur als Schutzsensor genutzt, die im gleichen Substrat/vereinzelten Chip integriert ist wie die zu schützende Sensorstruktur und die folgende Schichten bzw. Strukturen aufweist.
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Zum einen ist dies ein stark n- oder p-dotiertes Gebiet im oder auf dem Substrat (n+- oder p+-leitendes Gebiet/Substrat). Darauf befindet sich beispielsweise eine epitaktische Schicht mit einem komplementären Leitungstyp mit einer Schichtdicke dj, die mit dem darunter liegendem n+- oder p+-leitendem Gebiet einen pn-Übergang bildet. Es folgt eine darauf liegende Isolatorschicht mit einer Schichtdicke diso, die beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 30 nm liegen kann. Abschließend weist die Schutzstruktur eine Metallschicht auf, die sich bei Verwendung des Halbleitersensors in einem Kontakt mit dem Messmedium befindet, wobei der Kontakt entweder über eine blanke ungeschützte Oberfläche oder aber über eine auf der Oberfläche erzeugte bzw. abgeschiedene Schutzschicht (z. B. eine Oxidschicht) gewährleistet ist. Die Schutzschicht kann dabei entweder erzeugt werden, um beispielsweise die Metallschicht vor den Ionen zu schützen, oder aber sie entsteht nativ (beispielsweise durch ein Einwirken des Messmediums auf die Metallschicht). Um eine möglichst hohe Sensitivität zu gewährleisten, ist es dabei vorteilhaft einen niederimpedanten Kontakt zwischen dem Messmedium und der Metallschicht zu erzeugen. Dies kann beispielsweise durch eine dem Messmedium angepasste Materialwahl für die Metallschicht bzw. durch Aufbringen einer dem Messmedium angepasste Schutzschicht geschehen.
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Die physikalischen Eigenschaften der Schutzstruktur kann nun durch eine Anpassung bzw. Variation der Schichtdicken und insbesondere der Schichtdicke der Isolatorschicht diso und der Schichtdicke der epitaktischen Schicht depi als auch durch eine geeignete Materialwahl den entsprechenden Erfordernissen angepasst werden.
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Die Materialwahl für das Metall und/oder Isolator bzw. die Anpassung der energetischen Barriere von Metall in den Isolator im Zusammenspiel mit der energetischen Bänderstruktur des Halbleiters beeinflusst die Strom-Spannungskennlinie der Struktur sowohl in ihrer Magnitude als auch in ihrem jeweiligen Verhalten in positiver und in negativer Richtung.
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Je nach Dotierungsprofilen, Schichtdicken und Materialwahl kann das elektrische Verhalten diese Struktur an die Erfordernisse angepasst werden. Durch eine entsprechende Materialwahl bei entsprechender Schichtdicke diso für die Isolatorschicht bildet sich zwischen der Metallschicht und dem halbleitenden Material entweder eine Schottky-Diode (wenn beispielsweise diso < 1 nm) oder eine MIS-Tunneldiode (1 nm < diso < 5 nm) oder eine MIS-Kapazität (für diso > 5 nm) aus. Die Schichtdicke diso kann verschiedene Werte aufweisen, beispielsweise diso < 50 nm und bevorzugt diso < 10 nm.
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Durch eine Variation der Schichtdicke depi der epitaktischen Halbleiterschicht kann eine MIS-Schaltdiode erzeugt werden, die sich in einem hochohmigen und einem niederohmigen Zustand betreiben lässt. Der hochohmige Zustand mindert Leckströme im Betriebsfall, d. h. im normalen Sensorbetrieb. Die Leckströme sind bei der erfindungsgemäßen Schutzstruktur deutlich kleine als bei herkömmlichen pn-Übergängen. Bei Überschreitung einer Schaltschwelle, beispielsweise wenn die einwirkende Spannung zu hoch wird, geht die Diode von dem hochohmigen in den niederohmigen Zustand über und ermöglicht eine gesteigerte elektrische Leitfähigkeit, wodurch der Halbleitersensor geschützt wird. Die Schichtdicke depi weist beispielsweise einen Wert von 0,1 < depi < 50 μm, bevorzugt einen Wert von 0,1 < depi < 15 μm, noch mehr bevorzugt einen Wert von 1 < depi < 15 μm auf, und noch weiter bevorzugt ist depi = 1...10 μm.
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Es ist ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Herstellung der Schutzstruktur mittels Halbleiterprozessen durchführbar und die Halbleiterprozesskompatibilität als auch eine Umweltverträglichkeit gewährleistet ist.
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Die vorliegende Erfindung ist darüber hinaus insbesondere hinsichtlich der Anpassbarkeit der elektrischen Schutzkennlinie an die spezifischen Erfordernisse vorteilhaft. Besonders erwähnenswert ist dabei eine Verminderung des Leckstromes im Mess- bzw. Betriebsfall und eine hohe Stromtragfähigkeit im Schutzfall durch eine Schaltfunktionalität der Struktur in einen An- und Aus-Zustand. Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt demnach in einem einstellbar geringen Leckstrom und einem raschen Ansprechen und einer hohen Stromtragfähigkeit im Schutzfall bei gleichzeitiger monolithischer Integration des Halbleitersensors und der Schutzstruktur in einem Halbleitersubstrat.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild einer monolithisch integrierten Schutzstruktur; und
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2 eine Querschnittsansicht eines ISFET-Sensors mit einer MIS-Schutzstruktur.
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Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schutzstruktur 100, die auf einem Substrat 110 zusammen mit einem Halbleitersensor 120 integriert ist. Sowohl die Schutzstruktur 100 als auch der Halbleitersensor 120 sind einem Messmedium 130 ausgesetzt. Erfindungsgemäß sind somit in dem Substrat 110 sowohl die Schutzstruktur 100 als auch der Halbleitersensor 120 monolithisch integriert, wobei sie beispielsweise in verschiedene Regionen des Substrats 110, welche in 1 durch eine Trennlinie 140 getrennt sind, integriert sind. Die Trennlinie 140 dient nur einer Veranschaulichung einer seitlichen Integration der Schutzstruktur 100 (neben dem Halbleitersensor 120) auf dem gleichen Substrat 110 und impliziert kein strukturelles Merkmal des Substrats 110.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Halbleitersensor 120 durch einen ISFET-Sensor gegeben ist und die Schutzstruktur 100 eine MIS-Schichtstruktur aufweist, wobei der Halbleitersensor 120 und die Schutzstruktur 100 wieder durch die Trennlinie 140 getrennt dargestellt sind. Sowohl der Halbeitersensor 120 als auch die Schutzstruktur 100 sind wiederum dem Messmedium 130 ausgesetzt, welches in der gewählten Darstellungsweise von oben einwirkt.
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Der Halbleitersensor 120, der in dem Substrat 110 integriert ist, weist dabei ein erstes dotiertes Bahngebiet 210 und ein zweites dotiertes Bahngebiet 220 auf. Das erste bzw. das zweite dotierte Bahngebiet 210, 220, welche in dem Substrat 110 eingebettet sind, sind beispielsweise ein Source- bzw. ein Drainanschluss des ISFET-Sensor 120. Daran anschließend weist der ISFET-Sensor 120 eine Isolierschicht 230 auf, auf der abschließend eine erste Metallschicht 240a und eine zweite Metallschicht 240b abgeschieden sind, welche einen Zwischenraum 250 freilassen. Das erste und zweite dotierte Bahngebiet 210, 220 und die erste und zweite Metallschicht 240a, 240b sind dabei derart angeordnet, dass der Zwischenraum 250 im wesentlichen einem Gebiet zwischen dem ersten und zweiten Bahngebiet 210, 220 entspricht. Bei einem konventionellen Feldeffekttransistor ist bei dem Zwischenraum 250 die Gateelektrode angebracht. Dieser Zwischenraum 250 liegt bei dem Halbleitersensor 120 frei, wodurch entlang des Zwischenraums 250 das Messmedium 130 von dem Substrat 110 nur durch die Isolierschicht 230 getrennt ist. Im Betriebsfall erzeugen beispielsweise Ionen des Messmediums 130 im Zwischenraum 250 ein elektrisches Feld, welches ein elektrisches Signal zwischen dem ersten und zweiten Bahngebiet 210, 220 beeinflusst und somit das Messmedium 130 analysiert werden kann.
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In einem benachbarten Gebiet des Substrats 110, welches durch die Trennlinie 140 getrennt ist, befindet sich die Schutzstruktur 100, welche bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine MIS-Schichtstruktur gegeben ist. Es umfasst beispielsweise ein Substratbereich 260, in dem eine Substratdotierung für die MIS-Struktur 100 vorgenommen ist. Darauf ist eine epitaktische, halbleitende Schicht 270 in einer Schichtdicke depi abgeschieden. Diese epitaktische, halbleitende Schicht 270 und das Substrat 110 ist von einer abschließenden dritten Metallschicht 240c durch eine Isolierschicht 280 getrennt. Zwischen der dritten Metallschicht 240c und der epitaktischen, halbleitenden Schicht 270 weist die Isolierschicht 280 eine Schichtdicke diso auf. Die Trennlinie 140 soll auch andeuten, dass die Schutzstruktur 100 neben dem Halbleitersensor 120 in dem Substrat 110 integriert ist.
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Bei der monolithischen Integration der Schutzstruktur 100 und der Halbleitersensorstruktur 120 kennen beteiligte Schichten gleiche Materialien aufweisen bzw. als eine Schicht aufgebracht worden sein. Beispielsweise können die beiden Isolierschichten 230 und 280 eine gewachsene Schicht sein, bzw. die erste, zweite und dritte Metallschicht 240a, 240b und 240c können ein gleiches Material aufweisen und gleichzeitig aufgebracht worden sein. Außerdem können die erste, zweite und/oder dritte Metallschicht 240a, 240b, 240c optional eine Schutzschicht (z. B. eine Oxidschicht) aufweisen, die entweder künstlich erzeugt wurde bzw. natürlich durch eine Einwirkung des Messmediums 130 entsteht. Ein Aufbringen der Schutzschicht auf die erste, zweite und/oder dritte Metallschicht 240a, 240b und 240c ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass dadurch ein gezielter Schutz der ersten, zweiten und/oder dritten Metallschicht 240a, 240b und 240c erreicht werden kann und/oder die Impedanz des Kontaktes der dritten Metallschicht 240c zu dem Messmedium 130 entsprechend niedrig eingestellt werden kann. Als Materialien für die Metallschichten 240a, 240b und 240c können beispielsweise Edelmetalle, Metalle der Übergangselemente oder aufgrund ihrer chemischen Stabilität geeignete Metalle verwandt werden.
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Vorzugsweise weist die Substratdotierung in dem Substratbereich 260 eine wesentlich stärkere Dotierung auf als in der epitaktischen, halbleitenden Schicht 270 und ist darüber hinaus von einem komplementären Leitungstyp. In Abhängigkeit von der gewählten Dotierung für den Substratbereich 260, d. h. entweder eine p+- bzw. n+-Dotierung, ist die MIS-Schutzstruktur 100 in Durchlass- bzw. Sperrrichtung in Abhängigkeit von der Spannung gegenüber dem Messmedium 130.
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Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung können abschließend wie folgt zusammengefasst werden. Eine MIS-Schutzstruktur 100 weist eine Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur (im nachfolgenden MIS-Struktur genannt), die auf dem gleichen Substrat 110 wie die zu schützende Struktur (d. h. das Halbleitersensorelement 120) integriert ist, auf. Die MIS-Struktur 100 kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Metallelektrode 240c einen niederimpedanten Kontakt zu den zu messenden Lösungen (d. h. des Messmediums 130) aufweist.
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Bezüglich der Schichtdicken sind folgende Bereiche möglich. Die Isolierschicht 280 zwischen dem halbleitenden Substrat 110 und der ersten und zweiten Metallelektrode 240a, 240b kann eine Schichtdicke diso von 0,1 bis 10 nm aufweisen und die epitaktische, halbleitende Schicht 270 kann eine Schichtdicke depi von 0,01 bis 50 μm und vorzugsweise von 0,1 bis 10 μm aufweisen.
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Die Dotierung der einzelnen Schichten, kann beispielsweise wie folgt gewählt werden. Die epitaktische Schicht 270 der MIS-Struktur 100 kann z. B. eine Dotierung von bis zu 1018 und die des Substratbereiches 260 eine Dotierung von bis zu 1021 aufweisen. Schließlich kann die Dotierung des Substratbereiches 260 einen inversen Leitungstyp zu der Dotierung der epitaktischen Schicht 270 aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Schutzstruktur 100 für den Halbleitersensor 120 ist somit insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass bei geeigneter Dimensionierung ein Schaltverhalten zwischen einem hochohmigen Zustand im Messfall und einem niederohmigen Zustand im Schutzfall erreicht werden kann. Durch eine Variation von Materialien, Schichtdicken und Dotierprofilen ist eine flexible Anpassung an konkrete Erfordernisse erreichbar. Somit bietet die MIS-Struktur 100 einen Schutz der Sensorstruktur 120 vor negative Einflüsse wie z. B. elektrostatischer Entladungen (ESD) oder vor unerlaubte elektrische Betriebsbedingung (Verpolung).
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Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist der ESD-Schutz eines ISFET 120 mittels einer MIS-Diode 120 erfindungsgemäß im selben Substrat 110 realisiert. Die MIS-Diode 120 dient somit erfindungsgemäß als Schutzelement für potentiometrische Sensoren.
