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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen ionensensitiven Sensor mit
einer Elektrolyt-Isolator-Halbleiter-Struktur (EIS nach dem Englischen Elektrolyte-Insulator-Semiconductor),
insbesondere einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET) oder
einen ionensensitiven Sensor mit einer EIS-Struktur und einer lichtgestützten
Messwerterfassung.
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Ein
Sensor mit einer EIS-Struktur umfasst ein Halbleitersubstrat auf
dem ein Isolator angeordnet ist, der im Messbetrieb mit einem Elektrolyten
beaufschlagt ist.
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ISFETs
sind etablierte Beispiele für Sensoren mit einer EIS-Struktur,
wobei in diesem Fall der Isolator den ionensensitiven Gateisolator
eines Feldeffekttransistors bildet.
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Bei
den so genannten LAPS (Licht-adressierbaren Potentiometrischen Sensoren)
werden mittels eines modulierten Lichtsignals Photoelektronen im
Halbleitermaterial, einer EIS-Struktur erzeugt, wobei die Generierung
von Photoelektronen wiederum von den Elektrolyteigenschaften abhängt.
LAPS. Eine grundlegende Beschreibung von LAPS ist von Hafeman
et al. gegeben in „Light addressable potetntiometric sensor
for biochemical systems", Science 240 (1988) 1182–1185.
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ISFETs
sind etablierter und besser untersucht als andere EIS-Strukturen.
Daher wird in der folgenden Beschreibung von Problemen im Stand der
Technik im wesentlichen auf ISFETs Bezug genommen, wobei es in der
Natur der Sache liegt, dass diese Probleme entsprechend für
andere Sensoren mit einer EIS-Struktur gegeben sind.
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Ionensensitive
Feldeffekttransistoren (ISFET) werden zur Messung von Ionenkonzentrationen oder
speziellen Stoffkonzentrationen in Lösungen unterschiedlicher
Zusammensetzungen und Leitfähigkeiten eingesetzt. Anwendungen
von ISFETs zum kontinuierlichen Nachweis von Konzentrationen sind in
der Umweltüberwachung, in der industriellen Prozessüberwachung,
in der Lebensmittelindustrie und in der Biochemie/Medizintechnik.
Dabei kommt es insbesondere auf eine hochpräzise Konzentrationserfassung,
schnelle Inbetriebnahme und eine minimale Langzeitdrift des Sensors,
in Verbindung mit einem akzeptablen Preis, an.
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Die
sensitiven Schichten Ionensensitiver Feldeffekttransistoren sind
fast ausschließleich amorphe Schichten von einfachen Metalloxiden
wie z. B. Ta2O5 /1,
2/, Al2O3 /3/, TiO2 /4/, HfO2 /6/ und
einfachen Metallnitriden /9/, oder Doppelmetalloxidgemische wie
z. B. TaAlO und ZrAlO /5/, oder Kombinationen zweier verschiedener
amorpher Metalloxidschichten /10/, die immer auf SiO2 liegen.
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In
der Halbleitertechnologie und auch in der Sensorherstellungstechnologie
werden allgemein üblich die Strukturen einfacher Metalloxidschichten oder
Siliziumnitridschichten oder einfacher Metalloxidnitridschichten
auf eine möglichst amorphe Schicht hin optimiert /13/.
Einfache kristalline Metalloxidschichten werden bei sehr hohen Temperaturen und
Ionenkonzentrationen an den Korngrenzen durchdrungen und unterätzt,
so dass diese Schichten in Teilen abgelöst und schließlich
ganz zerstört werden. Dringen die Ionen der Messlösung
schließlich in den Halbleiter Si oder in seine Oxidschicht
vor, wird der Sensor unbrauchbar /10/.
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Weitere
Gründe für die amorphen Schichten sind möglichst
lineare pH-Sensoreigenschaften und zum anderen möglichst
niedrige Ansprechzeiten. Amorphes HfO2 zeigt
in /6, 7/ eine deutlich bessere pH-Linearität als polykristallines
/7, 8/.
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Auch
andere Bereiche der Halbleiterfertigung für integrierte
Schaltungen entwickeln ihre Prozessparameter so, dass amorphe Schichten
als Gate-Isolatoren entstehen, um den Leckstrom durch diese Schichten
zu minimieren. Andererseits ist die Ätzrate in Flusssäure
von amorphen Schichten viel größer als von getemperten
kristallinen Metalloxidschichten /15/.
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ISFET-Sensoren
werden im der Prozessindustrie oft belastenden Reinigungsprozeduren
unterzogen, dem so genannten Cleaning in Process bzw. CIP. In /10/
wird als erste Metalloxidschicht Al2O3 und als Deckschicht Ta2O5 genutzt. in dem Patent wird ausgeführt,
dass die Ta2O5 – Schicht
in heißen Laugen beim CIP teilweise durchgeätzt
wird und so der Sensor unbrauchbar wird, deshalb wurde dort eine Aluminiumoxid–Schicht
unter dem Ta2O5 auf
das Substratoxid SiO2 angeordnet. Es wird
angenommen, dass durch bekannte hohe chemische Stabilität dieses
Aluminiumoxides gegen Laugen, das Aluminiumoxid als Barriereschicht
gegen das Eindringen der Lauge in das SiO2 genutzt
werden kann. Durch diese Anordnung werden die Vorteile der einzelnen
Schichten Aluminiumoxid und Ta2O5 kombiniert, die sehr guten pH-sensorischen
Eigenschaften und ausgezeichneten Säurebeständigkeit
des Ta2O5 mit den
laugenbeständigeren Aluminiumoxid.
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Die
Eigenschaften von Aluminiumoxid sind jedoch vielfältig
und sind stark abhängig von der Herstellungstechnologie.
Aluminiumoxid tritt in einer Vielzahl von kristallographischen und
anderen strukturellen Modifikationen auf, die alle bei Arbeitstemperaturen
der pH-Messung stabil sein können, wobei aber nicht alle
unbedingt die gewollte chemische Stabilität gegen Laugen
haben. Um die laugenstabile Modifikation zu erhalten, muss die Schicht
bis mindestens 1000°C aufgeheizt werden, um die Schicht
in die alpha-Modifikation des Al2O3 kristallisieren zu lassen. In allen konventionellen
Schichtabscheidetechnologien der Halbleiterprozesse entsteht Al2O3 amorph. Kommt
amorphes Al2O3 mit
wässrigen Medien in Kontakt wird das Metalloxid hydratisert,
was die Zahl der möglichen Modifikationen weiter erhöht
/11/. Diese morphologische Vielfalt führt zu starken Schichtspannungsänderungen,
wenn die Schicht bis 1000°C aufgeheizt wird. Wenn das Al2O3 zum Zwecke der Laugenstabilität
in eine kristalline Phase überführt werden soll,
wird zudem eine dickere Schicht erforderlich, da der Angriff der
Lauge durch die Korngrenzen die Entstehung von Leckströmen
wieder erleichtert.
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Wird
das Al2O3 nicht
ausreichend ausgeheilt, erhöhen sich außerdem
Drift und Lichtempfindlichkeit des Sensors /12/.
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Wengleich
Al2O3 die Laugenstabilität
verbessert, so kann es doch die Sensorgenauigkeit beeinträchtigen,
denn es hat eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante
von 9 bis 10. Mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten können
nur niedrige Transistorsteilheiten erreicht werden. Die Sensorgenauigkeit wächst
aber mit der Transistorsteilheit.
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Ta2O5 ist das Anhydrid
der Tantalsäure, deshalb ist Ta2O5 oberhalb pH10 bei hohen Temperaturen unbeständig,
zeigt aber unterhalb pH10 die bekanntlich beste pH-Linearität,
Säurestabilität und die geringste Drift sowie
die kleinste Hysterese aller Metalloxide. Andererseits hat die Tantalsäure
thermodynamisch eine noch niedrigere Löslichkeit in alkalischen
Lösungen als Aluminiumoxid und die Aluminiumhydroxidverbindungen,
da Aluminium amphoteren Charakter hat und Aluminate ausbilden kann.
Die Stabilität des alpha-Al2O3 gegen Laugen wird allein durch die Gitterstruktur
des Festkörpers bestimmt.
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Außer
CIP wird in der Prozessindustrie auch SIP (sterilization in Prozess)
verwendet. Dabei wird heißer Wasserdampf von über
130°C auf die Sensoren geleitet. Wenn Sensoren unter diesen
extremen Bedingungen elektrisch betrieben werden, erfahren sie eine
Belastung, die bei Sensoren nach dem Stand der Technik zum vorzeitigen
Ausfall führen kann, entweder durch eine elektrische Drift
des Sensorarbeitspunktes oder eine elektrochemische Zerstörung.
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Im
Hinblick auf die zuvor beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung einen medienbeständigen ionensensitiven
Sensor mit einer EIS-Struktur, beispielsweise einen ISFET-Sensor
oder einen ionensensitiven LAPS, mit einer ausreichend hohen Empfindlichkeit
brereitzustellen.
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Zur
Lösung der Aufgabe sind insbesondere Metalloxide der Übergangselemente
sowie der Seltenerdmetalle mit höheren Dielektrizitätskonstanten geeignet.
Damit sind größere Schichtdicken möglich, die
gebraucht werden, um möglichst lange den Sensor in stark
korrodierenden Medien funktionsfähig zu halten.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
den Sensor gemäß Anspruch 1 und das Verfahren
gemäß Anspruch 10.
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Der
erfindungsgemäße ionensensitive Sensor mit einer
EIS-Struktur umfasst ein Halbleiter-Substrat, auf dem eine Schicht
eines Substratoxids erzeugt ist, eine Anpassungsschicht, welche
auf dem Substratoxid präpariert ist, ein chemisch stabiler Zwischenisolator,
der auf der Anpassungsschicht abgeschieden ist, und eine Sensorschicht,
welche ein Tantaloxid oder ein Tantaloxinitrid aufweist, die auf
dem Zwischenisolator aufgebracht ist, wobei der Zwischenisolator
Hafniumoxid oder Zirkonoxid oder ein Gemisch aus diesen Oxiden aufweist,
und wobei sich die Anpassungsschicht in ihrer chemischen Zusammensetzung
und/oder in ihrer Struktur von dem Zwischenisolator und von dem
Substratoxid unterscheidet.
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Das
Substratoxid, die Anpassungsschicht, der Zwischenisolator und die
Sensorschicht bilden zusammen den Isolator der EIS-Struktur.
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Im
Messbetrieb kann die Sensorschicht des Isolators mit einem Messmedium
beaufschlagt werden, wobei das Messmedium aufgrund seiner Elektrolyteigenschaften
für das „E” in der EIS-Struktur steht.
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Der
erfindungsgemäße Sensor mit EIS-Struktur kann
insbesondere einen ISFET-Sensor bzw. pH-ISFET-Sensor oder einen
LAPS umfassen.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung weist die Anpassungsschicht mindestens
ein Material auf, welches ausgewählt ist aus der Gruppe
von Stoffen die umfasst: Hafniumoxid-Silikat, Zirkoniumoxid-Silikat,
Gemische aus Hafniumoxid-Zirkoniumoxid-Silikat, Hafniumoxynitrid-Silikat,
Zirkoniumoxynitrid-Silikat, Gemische aus Hafniumoxynitrid-Zirkoniumoxynitrid-Silikat,
Hafniumoxid, Tantaloxid, Tantaloxynitrid, Tantal-Hafniumoxynitrid,
Gemische aus Tantal-Hafniumoxid-Silikat, Gemische aus Tantal-Hafniumoxynitrid-Silikat,
Hafnium-Lanthanoxid, Hafnium-Lanthanoxynitrid, Hafnium-Ceroxid oder
Hafnium-Ceroxynitrid.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung weist das Substratoxid eine Schichtdicke
von 2,5 nm bis 150 nm auf, insbesondere nicht weniger als 10 nm
und nicht mehr als 90 nm.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung beträgt die Schichtdicke der
Anpassungsschicht 1 nm bis 135 nm, insbesondere nicht weniger als
5 nm und nicht mehr als 40 nm.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenisolator eine
Schichtdicke von 20 nm bis 200 nm, insbesondere nicht weniger als
30 nm und nicht mehr als 170 nm, bevorzugt nicht weniger als 50
nm und nicht mehr als 150 nm auf.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist die Sensorschicht eine Schichtdicke
von 10 nm bis 200 nm, insbesondere nicht mehr als 100 nm, und bevorzugt
nicht mehr als 50 nm auf.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist das Substrat Silizium auf,
insbesondere n-Silizium.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Sensor mit EIS-Struktur
einen ISFET ein p-Kanal Feldeffekttransistor, oder ein n-Kanal Feldeffekttransistor
in einer p-Wanne ist.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist die Anpassungsschicht zwischen
dem Substratoxid und dem Zwischenisolator einen Übergang
von einer amorphen zu einer nanokristallinen Struktur auf.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist der Zwischenisolator eine
polykristalline Struktur auf, insbesondere eine nanokristalline
Struktur.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist die Sensorschicht eine amorphe,
teilkristalline oder polykristalline Struktur auf, insbesondere
eine nanokristalline Struktur.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen ionensensitiven Feldeffekttransistors
umfasst die Präparation der beschriebenen Schichtfolge,
wobei insbesondere der Zwischenisolator kristallin oder hochdicht-amorph bzw.
teilkristallin abgeschieden wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung werden der Zwischenisolator und
Sensorschicht gemeinsam durch eine Temperung ausgeheilt und die
Kristallinität eingestellt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung wird das Substratoxid durch eine
Temperung in seiner Dicke verstärkt, wobei mittels einer
kontrollierten Temperung die Schichtdicke kontrolliert und davon
abhängige Sensorparameter gezielt eingestellt werden können.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung werden die Metalloxide, Metalloxnitride,
Metalloxid-Silikate, Metalloxynitrid-Slikate durch Sputtern, Elektronenstrahldampfen
oder durch eine CVD-Abscheidungstechnologie aufgebracht.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung werden die Metalle, Metallnitride,
Metallsilizide, Metallnitrid-Silizide durch Sputtern, Elektronenstrahldampfen oder
durch eine CVD-Abscheidungstechnologie aufgebracht und in einem
Nachfolgeschritt oxidiert.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die kristalline Abscheidung
mit hohen Teilchenenergien auf ungeheizte Substrate.
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Nach
einer anderen Weiterbildung der Erfindung erfolgt die kristalline
Abscheidung auf Substrate mit mehr als 250°C, wobei auch
in diesem Fall die kristalline Abscheidung mit hohen Teilchenenergien erfolgen
kann.
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Die
Vorteile und Gesichtspunkte der Erfindung und Ihrer Weiterbildungen
sind im folgenden zusammengefasst.
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Das
Erfordernis einer hohen chemischen Stabilität schließt
aus, dass das gleiche Schichtmaterial eine pH-sensorische Aufgabe
in ausreichender Linearität mit geringer Hysterese übernehmen
kann. Gleichzeitig muss seine pH-Sensibilität gerade unter extremen
pH-Werten ausreichend gut sein, damit in diesen korrodierenden Lösungen
bei hohen Temperaturen der Sensor nicht sofort ungeeignet wird,
obwohl in die pH-Sensorschicht Löcher oder Spalten geätzt
werden und die hydratisierte Oberflächenzone anwachst.
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Eine
chemisch stabile Schicht muss ein möglichst in sich geschlossenes,
hochdichtes Material sein. Hochdichtes, chemisch stabiles Material
als relativ dicke Schicht hat jedoch keine so gute Haftung auf einem
Substratuntergrund wie dem oxidierten Siliziumwafer, wenn die Wafer
im Halbleiterprozess verschiedenen Temperaturbelastungen ausgesetzt werden.
Der Siliziumwafer selbst muss oxidiert sein, damit der Feldeffekttransistor
stabile Parameter erhält. Dieses Substratoxid SiO2 dient gleichzeitig als Schutzschicht gegen
eindiffundierende Metallionen der darüberliegenden Schichten
und isoliert diese elektrisch von den Metalloxiden, deren elektrische Isolationswirkung
unter SIP-Bedingungen geringer wird. Da das Oxid des Siliziums eine
sehr kleine Dielektrizitätskonstante hat, ist seine Schichtdicke
vorzugsweise begrenzt zu halten.
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Da
die Sensorstruktur elektrochemischem Stress ausgesetzt wird, müssen
die eingesetzten Materialien möglichst redoxstabil sein.
Die erforderliche Kombination von mehreren Schichten soll insbesondere
in der Weise erfolgen, dass die Korngrenzen der Metallverbindungen
sich nicht durchgehend von der Oberfläche bis zum SiO2 fortpflanzen, dieses unter mechanische
Spannung setzen oder gar aufreißen.
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Hochdicht-kristallin
abgeschiedene Metalloxide, beispielsweise HfO2,
mit hoher Dielektrizitätskonstante und ausreichender pH-Sensibilität
zeichnen sich durch eine sehr hohe chemische Beständigkeit
insbesondere in stark alkalischen Messmedien auch bei hohen Temperaturen
aus, wodurch sie sich als Zwischenisolator unter der pH-linearen
Sensorschicht sehr gut eignen und die Lebensdauer des Sensors beträchtlich
verlängern.
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Materialien
mit höherer Dielektrizitätskonstante zeigen ohnehin
niedrigere elektrische Leckströme bei gleicher effektiver
Isolatordicke. Die Stabilität des kristallin abgeschiedenen
Materials ist so hoch, dass eine gemeinsame Temperung mit den darüber- und
darunterliegenden Schichten nicht zur Vermischung führt
und dadurch nicht zu Störungen in den Schichten kommt.
Einmal kristallin abgeschieden wird die Struktur kaum noch geändert,
wenn die Temperatur der Schicht erhöht wird. Eine strukturelle Änderung
würde erst beim nächstliegenden Phasenübergang
erfolgen, der aber unter den üblichen Bedingungen nicht
vorkommt.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert. Es zeigt:
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1:
einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
pH-ISFET-Sensor; und
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2:
einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
LAPS.
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In
der dargestellten Skizze ist ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen
ISFET-Sensorchips dargestellt. Der Chip mit einer Fläche
von ca. 3,5 × 3,5 mm2 wird im Verbund
auf 150 mm Siliziumwafern in einer Halbleiterlinie gefertigt. Vereinzelte Chips
werden auf geeignete Substrate geklebt, kontaktiert und mittels
spezieller Aufbauverfahren zu kompletten Messsystemen komplettiert.
Aus den Chips/Boards werden beispielsweise Eintauchelektroden für
die pH-Messung hergestellt.
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Der
erfindungsgemäße ISFET-Sensor hat im wesentlichen
die folgende Struktur. Ein Substratoxid 103 auf einem Siliziumsubstrat 100 bildet
das Gateoxid und stabilisiert den Feldeffekt, der durch einen Mehrfachschichtstapel,
bestehend aus Sensorschicht 106, Zwischenisolator 105,
Anpassungsschicht 104 und Substratoxid 103, aufgrund
einer Beaufschlagung mit einer Messlösung 107 induziert wird.
Der Feldeffekt ermöglicht einen Kanalstrom zwischen Source 102 und
Drain 101, wenn zwischen Source 102 und Drain 101 eine
elektrische Potentialdifferenz durch elektrische Kontaktierung von
Source 102 und Drain 101 eingestellt wird. Gesteuert
werden kann die Wirkung des Feldeffekttransistors auch mit der elektrischen
Kontaktierung des Silizium Bulk 100.
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Die
erfindungsgemäß erzeugte Anpassungsschicht 104 unter
dem hochdichten Zwischenisolator 105 verbessert die Haftung
des Doppelschichtstapels Zwischenisolator 105/pH-Sensorschicht 106, unterbricht
die Korngrenzenfortpflanzung in Richtung Substrat 100 und
verlängert damit ebenfalls die Sensorlebensdauer des Sensors.
Die Anpassungsschicht 104 optimiert auch die mechanischen
Spannungen im Mehrschichtstapel. Die Anpassungsschicht 104 passt
den ansonsten abrupten Strukturübergang vom dem auch bei
sehr hohen Temperatur noch amorph bleibenden SiO2 auf
das kristalline Metalloxid HfO2 des Zwischenisolators 105 strukturell und
elektrisch an.
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Alle
geforderten Eigenschaften für den chemisch beständigen
und SIP-stabilen pH-Sensor werden im Ergebnis durch Erzeugung einer
Mehrfachschicht, insbesondere einer Dreifachschicht, auf dem Substratoxid,
beispielsweise SiO2 erlangt.
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Die
Dreifachschicht entsteht durch die Einfügung der Anpassungschicht
zwischen dem Substratoxid 103 SiO2 der
Doppelschicht Zwischenisolator 105 und pH-Sensorschicht 106.
Das Substratoxid 103 ist 25 bis 1500 Angström
dick.
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Die
Anpassungsschicht 104 können Metalloxid-Silikatverbindungen,
gesondert erzeugte Metalloxide oder -oxynitride, bzw. Metalloxynitrid-Silikate sein,
die mit ihrer spezifischen Struktur als Strukturanpassung für
den Zwischenisolator 105 dienen. Die Anpassungsschicht 104 ist
auch bei höheren Prozesstemperaturen nur schwer zu kristallisieren
und kann als Struktur amorph bis kristallin auftreten. Die Anpassungsschicht 104 ist
vorzugsweise eine besonders strukturierte Ta2O5 oder eine Hf- bzw. Zr-Silikat-Verbindung
mit 10 bis 1350 Angström Dicke.
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Der
Zwischenisolator 105, vorzugweise HfO2,
wird bei seiner Herstellung kristallin abgeschieden. Das geschieht
entweder durch CVD-Prozesse bei mehr als 250°C Substrattemperatur
oder durch PVD-Prozesse mit hoher Teilchenenergie entweder bei Raumtemperatur
oder ebenfalls über als 250°C Substrattemperatur,
dann aber jedoch mit etwas niedrigeren Teilchenenergien. Anstelle
von HfO2 können auch ZrO2, TiO2, Oxide der
3. Nebengruppe des Periodensystems und Seltenerdmetalloxide oder
deren Gemische eingesetzt werden. Der Zwischenisolator 105 ist
vorzugsweise 200 bis 2000 Angström stark.
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Auf
den kristallinen Zwischenisolator 105 wird die Sensorschicht 106,
vorzugsweise amorphes oder teilkristallines Ta2O5 von 100 bis 2000 Angström abgeschieden,
das gemeinsam mit den anderen Schichten und dem Substrat bei hohen
Temperaturen mittels spezieller Gase und Gasgemischen kristallisiert,
ausgeheilt und mit dem Zwischenisolator 105 fest verbunden
wird. Dabei vergrößert sich die Oberfläche
des Tantaloxides und die gewünschte kleine Hysterese mit
der hohen pH-Linearität wird erreicht.
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Durch
Temperprozesse mit oxidierenden Gasen kann durch die Metalloxide
hindurch die Substratoxiddicke 103 gezielt verstärkt
werden. Diese Substratoberflächeneinstellung kann durch
Ofenprozesse bei Temperaturen größer 750°C über
einen längeren Zeitraum (> 30
min) oder durch RTA-Prozesse bei Temperaturen bis 1150°C
im Sekundenbereich erfolgen. Eine Kombination beider Prozesse sind
für gezielte oberflächennahe Ausheilungen bei
gleichzeitig tiefgehender Oxidation sinnvoll bzw. notwendig.
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Die
Schichten Anpassungsschicht 104, Zwischenisolator 105,
pH-Sensorschicht 106 werden erfindungsgemäß durch
Sputtern der Metalle oder der Metalloxide mittels Ar/O2 oder
durch CVD abgeschieden und durch Tempern in oxidierend und reduzierend
wirkenden Gasen hergestellt und konditioniert. Die Temperaturbehandlungen
reichen von 1000°C bis 400°C. Durch die Anwendung
von Metalloxidkomponenten hoher Dielektrizitätskonstanten,
die bei hohen Temperaturen durchlässig bzw. leitfähig
für Sauerstoffionen sind, kann der gesamte Schichtstapel mit
einem einzigen Schritt von Sauerstoffvakanzen ausgeheilt und im
Sensorarbeitspunkt nachjustiert werden.
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Der
in 2 dargestellte lichtadressierbare potentiometrische
Sensor (LAPS) umfasst ein Siliziumsubstrat 200, auf dem
eine Schichtenfolge 203 bis 206 präpariert
ist, welche ein Substratoxid 203, eine Anpassungsschicht 204,
einen Zwischenisolator 205, und eine Sensorschicht 206 umfasst.
Hinsichtlich der chemischen, strukturellen und morphologischen Eigenschaften
der Schichtenfolge des erfindungsgemäßen LAPS
gelten die Ausführungen zu den gleichnamigen Schichten
des erfindungsgenmäßen ISFET-Sensor sinngemäß.
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Der
Erfindungsgemäße LAPS umfasst weiterhin eine modulierbare
(Laser-)Lichtquelle 210 zur Generierung von Photoelektronen
im Siliziumsubstrat. Der mit einer Messschaltung 212 erfasste
modulierte Photostrom zwischen einem Messmedium 207, mit
welchem die Sensorschicht 206 des LAPS beaufschlagt ist,
und dem Siliziumsubstrat 200 ist eine Funktion der Ionenkonzentration
des Messmediums, beispielsweise des pH-Werts.
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-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Hafeman et
al. gegeben in „Light addressable potetntiometric sensor
for biochemical systems”, Science 240 (1988) 1182–1185 [0004]