DE102008041960A1

DE102008041960A1 - Messsensor, Verfahren zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit, Verfahren zum Herstellen eines Messsensors

Info

Publication number: DE102008041960A1
Application number: DE102008041960A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krauss; Gottfried Flik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-03-11
Also published as: BRPI0901498A2; US20100060260A1; US8456151B2

Abstract

Ein Messsensor zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit beinhaltet einen Feldeffekttransistor, der einen freiliegenden Gatekontakt zum Benetzen mit der unpolaren Füssigkeit aufweist, und eine elektrische Abschirmung, die den Gatekontakt umgibt und Öffnungen zum Ein- und Auslassen der unpolaren Flüssigkeit aufweist.

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messsensor, ein Verfahren zum Herstellen eines Messsensors und ein Verfahren zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit.
US 4,882,292 beschreibt einen ChemFET zur Analyse polarer Flüssigkeiten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Messsensor zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit mit einem Feldeffekttransistor, der einen freiliegenden Gatekontakt zum Benetzen mit der unpolaren Flüssigkeit aufweist, und eine elektrische Abschirmung, die den Gatekontakt umgibt und Öffnungen zum Ein- und Auslassen der unpolaren Flüssigkeit aufweist.
In unpolaren Flüssigkeiten ist die Verwendung einer Referenzelektrode im konventionellen Sinn nicht sinnvoll, da keine elektrische oder auch ionische Ströme zum Ausgleichen von Potentialunterschieden in der Flüssigkeit fließen. Ein Bezugspotential wird erfindungsmäßig eingeführt, indem die gesamte Umgebung des ChemFETs auf ein definiertes Potential mittels der elektrischen Abschirmung gebracht wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit, indem eine Leitfähigkeit eines Stromkanals eines Feldeffekttransistors erfasst wird, dessen Gatedielektrikum von der unipolaren Flüssigkeit benetzt wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Messsensors mit den Schritten: Strukturieren von Drain- und Sourcebereichen in einem Halbleitersubstrat, Abscheiden eines Gatedielektrikums oberhalb eines Gatekanals definiert durch die Drain- und Sourcebereiche, Ankontaktieren der Drain- und Sourcebereiche, Vergraben des Gatedielektrikums in einem Opfermaterial, Abscheiden einer leitfähigen Halbleiterschicht auf dem Opfermaterial oberhalb des Gatedielektrikums, Einbringen von Öffnungen in die leitfähige Halbleiterschicht zum Ausbilden der elektrischen Abschirmung und Unterätzen der leitfähigen Halbleiterschicht zum Freilegen des Gatedielektrikums.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:
1 einen Teilquerschnitt eines Messsensors;
2 eine Draufsicht auf den Messsensor von 1.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform eines Messsensors 1, wird anhand eines Teilquerschnitts in 1 erläutert. 2 zeigt den Messsensor 1 in einer Draufsicht. Der Messsensor 1 weist einen ChemFET 2 und eine elektrische Abschirmung 3 auf.
Der ChemFET 2 ist in ein Halbleitersubstrat 10 strukturiert. Das Halbleitersubstrat 10 ist mit einem Dotierstoff eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert. In das Halbleitersubstrat 10 sind zwei mit einem Dotierstoff zweiten Leitfähigkeitstyps dotierte Bereiche für Source 11 und Drain 12 eingebracht. Source 11 und Drain 12 sind über Elektroden 13, 14 ankontaktiert. Source 11, Drain 12 und die Elektroden 13, 14 sind durch eine isolierende Schutzschicht 15 abgekapselt.
Oberhalb eines Kanalbereichs 20 zwischen Source 11 und Drain 12 ist ein Gatedielektrikum 21 aufgebracht. Das Gatedielektrikum 21 beeinflusst die Leitfähigkeit eines Gatekanals 22, der sich in dem Substrat 2 angrenzend an das Gatedielektrikum 21 und zwischen Source 11 und Drain 12 ausbilden kann.
Das Gatedielektrikum 21 kann auf das Halbleitersubstrat 10 aufgewachsen oder abgeschieden werden. Beispiele für das Gatedielektrikum 21 umfassen Al2O3, Si3N4, SiO2, Diamant, polykristallines bzw. amorphes SiC sowie Polymere mit einer hohen chemischen Beständigkeit gegenüber Treibstoffen (z. B. stabilisierte Polyamide, Polyetheretherketon, Polyethersulfon, Polyphenylensulfid, teilweise oder vollhalogenierte bzw. -fluorierte Olefine) und deren Schichtkombinationen. Darüberhinaus kann das Gatedielektrikum zusätzlich noch mit quellfähigen Kunststoffen oder porösen Materialien beschichtet werden. In der dargestellten Ausführungsform ist das Gatedielektrikum 21 von keiner weiteren Schicht bedeckt, sondern freiliegend und kann in Kontakt mit einer Flüssigkeit gebracht werden.
Das Gatedielektrikum 21 ist auf einem schwebenden Potential, da es nicht über eine Elektrode mit einem Bezugspotential gekoppelt ist. Das Gatedielektrikum 21 nimmt das Potential der Umgebung an. Die elektrischen Felder an dem Gatedielektrikum 21 werden somit durch die Umgebung festgelegt.
Die unpolare Flüssigkeit und in der unpolaren Flüssigkeit gelöste oder emulgierte Substanzen adsorbieren an der freiliegenden Oberfläche des Gatedielektrikums 22. Eine Adsorptionsrate ist für jede Kombination einer Substanz und dem gewählten Material für das Gatedielektrikum 21 charakteristisch. Die Adsorption führt zu geänderten elektrostatischen Feldern und nimmt Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften des Gatedielektrikums 21. Die Änderung des Gatedielektrikums 22 wirkt sich auf die Leitfähigkeit des Gatekanals 22 aus, welche durch eine externe hier nicht beschriebene Schaltung ausgewertet werden kann. Die Auswertung kann auf Tabellen gestützt werden, aus denen anhand einer absoluten Änderung der Leitfähigkeit, einer Geschwindigkeit der Änderung der Leitfähigkeit, etc. die Art und Menge der Substanzen ermittelt werden können.
Auf der Schutzschicht 15 ist die elektrische Abschirmung 3 angeordnet. Die elektrische Abschirmung 3 umgibt das Gatedielektrikum 21. Innerhalb der elektrischen Abschirmung 3 liegt ein konstantes elektrisches Potential vor, das von dem Potential der elektrischen Abschirmung 3 vorgegeben wird. Die unpolare Flüssigkeit nimmt gleich einem Vakuum keinen Einfluss auf die elektrischen Felder und Potentiale innerhalb der Abschirmung. Die elektrische Abschirmung 3 kann auf ein definiertes elektrisches Potential gelegt werden.
Die elektrische Abschirmung 3 kann aus dotiertem Halbleitermaterial oder einem Metall, insbesondere einem Metall der Platingruppe oder Gold, gebildet sein.
Die elektrische Abschirmung 3 weist Öffnungen 31 auf, durch die die unpolare Flüssigkeit die elektrische Abschirmung 3 durchströmen kann. Die Öffnungen 31 können durch ein Ätzverfahren in die elektrische Abschirmung 3 eingebracht werden.
Ein Verfahren zum Herstellen des Messsensors 1 kann sich folgender Schritte bedienen. Zunächst wird ein FET mit Source 11, Drain 12, einem Gatekanal 21 und einem Gatedielektrikum 21 hergestellt. Die hierfür notwendigen Verfahrensschritte sind hinlänglich bekannt und werden daher nicht weiter ausgeführt.
Ein Opfermaterial wird lokal auf das Gatedielektrikum 21 aufgebracht. Das Opfermaterial wird aus Materialien ausgewählt, die selektiv gegenüber dem Gatedielektrikum geätzt werden können. Eine Schicht aus leitfähigem Halbleitermaterial wird auf dem Opfermaterial abgeschieden. Die Schicht kann mechanisch auf einer Isolationsschicht oberhalb von Source 11 und Drain 12 abgestützt sein. Das leitfähige Halbleitermaterial kann beispielsweise poröses Siliziumcarbid umfassen. Öffnungen 31 können durch die Poren des porösen Siliziumcarbids gebildet werden. Bei anderen leitfähigen Halbleitermaterialien können mit Maskierungsschritten Öffnungen 31 in die Schicht in der Umgebung des Gatedielektrikums 21 geätzt werden. Die so strukturierte Schicht bildet die elektrische Abschirmung 3 Das Opfermaterial wird selektiv zu der elektrischen Abschirmung 3 und dem Gatedielektrikum 21 entfernt oder kann als poröse Schutzschicht auf dem Gate in unveränderter oder reduzierter Schichtdicke verbleiben.
Das Gatedielektrikum 3 kann mit einer dünnen Metallschicht z. B. 1 nm bis 3 nm, beispielsweise Gold oder einem Platinmetall beschichtet werden. Die Grenzschicht des Metalls mit dem Gatedielektrikum 21 beeinflusst die Leitfähigkeit des Gatekanals 22. Bei einer Adsorption auf der dünnen Metallschicht wird die Grenzschicht und in Folge auch die Leitfähigkeit des Gatekanals 22 beeinflusst. Die Adsorptionsraten auf den Metallschichten unterscheiden sich von denen auf dielektrischen Materialen und auch ihr Einfluss auf den Gatekanal 22.
Der Messsensor 1 kann zwei oder mehr ChemFETs aufweisen, deren Gatedielektrika 21 verschiedene Materialzusammensetzungen aufweisen oder die mit anderen Metallen beschichtet sind. Die unterschiedlichen Abhängigkeiten von den adsorbierten Substanzen ermöglicht deren Menge getrennt von einander zu erfassen.
Das Gatedielektrikum 21 kann ein aufquellendes Polymer aufweisen. Insbesondere kann ein in Benzin, Diesel, Kerosin oder Öl quellendes Polymer verwendet werden.
Die den Feldeffekttransistor umgebende elektrische Abschirmung 3 kann auf ein variierendes, z. B. oszillierendes, elektrisches Potential gelegt werden. Dabei kann über die Variation des Potentials eine Funktionskontrolle des Sensors durchgeführt werden. Ebenfalls können über ein variierendes Potential weitere Informationen über den Analyten, z. B. dielektrische Eigenschaften, bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4882292 [0002]

Claims

Messsensor zum Analysieren einer unpolaren und nichtleitfähigen Flüssigkeit mit einem Feldeffekttransistor, der einen freiliegenden Gatekontakt (21) zum Benetzen mit der Flüssigkeit aufweist, und eine elektrische Abschirmung (3), die den Gatekontakt (21) umgibt und Öffnungen (31) zum Ein- und Auslassen der Flüssigkeit aufweist.
Messsensor nach Anspruch 1, wobei der freiliegende Gatekontakt ein freiliegendes Gatedielektrikum (21) aufweist.
Messsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der freiliegende Gatekontakt (21) auf einem schwebenden elektrischen Potential liegt.
Messsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Abschirmung (3) aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist.
Messsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Abschirmung (3) und der Feldeffekttransistor auf einem Chip integriert sind.
Verfahren zum Analysieren einer unpolaren und nichtleitfähigen Flüssigkeit mittels eines Erfassens einer Leitfähigkeit eines Stromkanals eines Feldeffekttransistors, dessen Gatedielektrikum von der Flüssigkeit benetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine den Feldeffekttransistor umgebende elektrische Abschirmung (3) auf ein konstantes elektrisches Potential gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine den Feldeffekttransistor umgebende elektrische Abschirmung (3) auf ein variierendes elektrisches Potential gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei zwischen Gatedielektrikum und Flüssigkeit eine Polymerbeschichtung aufgebracht ist, die eine ganz oder teilweise selektive Aufnahme von Bestandteilen der Flüssigkeit aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Messsensors mit den Schritten: Strukturieren von Drain- und Sourcebereichen (11, 12) in einem Halbleitersubstrat (10), Abscheiden eines Gatedielektrikums (21) oberhalb eines Gatekanals (22) definiert durch die Drain- und Sourcebereiche (11, 12), Ankontaktieren der Drain- und Sourcebereiche (11, 12), Vergraben des Gatedielektrikums (21) in einem Opfermaterial, Abscheiden einer leitfähigen Halbleiterschicht auf dem Opfermaterial oberhalb des Gatedielektrikums, Einbringen von Öffnungen (31) in die leitfähige Halbleiterschicht zum Ausbilden der elektrischen Abschirmung (3) und Unterätzen der leitfähigen Halbleiterschicht zum Freilegen des Gatedielektrikums (21).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die elektrische Abschirmung (3) metallisiert wird.