DE102013205822A1 - A chemosensitive field effect transistor and method of making a chemosensitive field effect transistor - Google Patents
A chemosensitive field effect transistor and method of making a chemosensitive field effect transistor Download PDFInfo
- Publication number
- DE102013205822A1 DE102013205822A1 DE201310205822 DE102013205822A DE102013205822A1 DE 102013205822 A1 DE102013205822 A1 DE 102013205822A1 DE 201310205822 DE201310205822 DE 201310205822 DE 102013205822 A DE102013205822 A DE 102013205822A DE 102013205822 A1 DE102013205822 A1 DE 102013205822A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- electrode
- gate
- insulating layer
- effect transistor
- gate insulating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4148—Integrated circuits therefor, e.g. fabricated by CMOS processing
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft einen chemosensitiven Feldeffekttransistor mit einem Halbleitersubstrat (102), einem Source-Kontakt (110), einem Drain-Kontakt (112), einer Gate-Isolierschicht (114), einer ersten Gate-Elektrode (116) und einer weitere Elektrode (418). Das Halbleitersubstrat (102) weist einen ersten Kontaktbereich (104), einen zweiten Kontaktbereich (106) und einen zwischen dem ersten Kontaktbereich (104) und dem zweiten Kontaktbereich (106) angeordneten Kanalbereich (108) auf. Der Source-Kontakt (110) kontaktiert das Halbleitersubstrat (102) in dem ersten Kontaktbereich (104) elektrisch. Der Drain- Kontakt (112) kontaktiert das Halbleitersubstrat (102) in dem zweiten Kontaktbereich (106) elektrisch. Eine Gate-Isolierschicht (114) ist gegenüberliegend zu dem Kanalbereich (108) auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (102) angeordnet. Eine erste Gate-Elektrode (116) ist mit der Gate-Isolierschicht (114) verbunden, wobei die Gate-Isolierschicht (114) und die erste Gate-Elektrode (116) einen für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel ausbilden. Eine weitere Elektrode (418) ist mit der Gate- Isolierschicht (114) verbunden ist, wobei die Gate-Isolierschicht (114) und die weitere Elektrode (418) einen für die zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel ausbilden.The invention relates to a chemosensitive field effect transistor with a semiconductor substrate (102), a source contact (110), a drain contact (112), a gate insulating layer (114), a first gate electrode (116) and a further electrode ( 418). The semiconductor substrate (102) has a first contact area (104), a second contact area (106) and a channel area (108) arranged between the first contact area (104) and the second contact area (106). The source contact (110) makes electrical contact with the semiconductor substrate (102) in the first contact region (104). The drain contact (112) makes electrical contact with the semiconductor substrate (102) in the second contact region (106). A gate insulating layer (114) is arranged opposite to the channel region (108) on a surface of the semiconductor substrate (102). A first gate electrode (116) is connected to the gate insulating layer (114), the gate insulating layer (114) and the first gate electrode (116) forming a gate stack that is sensitive to at least one chemical species. A further electrode (418) is connected to the gate insulating layer (114), the gate insulating layer (114) and the further electrode (418) forming a gate stack which is not sensitive to the at least one chemical species.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen chemosensitiven Feldeffekttransistor, auf ein Verfahren zum Betreiben eines chemosensitiven Feldeffekttransistors sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines chemosensitiven Feldeffekttransistors.The present invention relates to a chemosensitive field effect transistor, to a method for operating a chemosensitive field effect transistor and to a method for producing a chemosensitive field effect transistor.
Halbleiterbauelemente (GaN, SiC, ...), MIS (Metall-Isolator-Semiconductor), FET (Feldeffekttransistor), usw. sind bekannt. Ebenso bekannt ist die Verwendung solcher Bauelemente zur Gassensierung (ChemFET). Der Fokus bisheriger Untersuchungen liegt auf der Gassensitivität. Dabei wird typischerweise eine Drift des Offsets beobachtet. Dieser Offsetdrift liegen verschiedene Ursachen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten zugrunde.Semiconductor devices (GaN, SiC, ...), MIS (metal-insulator-semiconductor), FET (field effect transistor), etc. are known. Also known is the use of such devices for gas sensing (ChemFET). The focus of previous investigations is on gas sensitivity. Typically, a drift of the offset is observed. This offset drift is based on different causes with different time constants.
Dazu gehört beispielsweise die Erzeugung, Beladung und Entladung von Grenzflächenzuständen, die Umverteilung freier Ladungsträger aus Haftstellen, die Entfernung freier Ladungsträger aus Haftstellen durch Tunneln, die Erzeugung von Defekten, mobile Ladungen in den Dielektrika und Veränderungen im Halbleiter, die für schwache elektrische Belastungen vergleichsweise gering sind. Insgesamt führt die Drift dazu, dass spontan auftretende gasbedingte Signale über die Betrachtung der Änderung wahrgenommen werden können aber über längere Zeiten im Zeitraum von Stunden keine quantitativen Messungen möglich sind.These include, for example, the generation, loading and discharge of interface states, the redistribution of free charge carriers from traps, the removal of free charge carriers from traps by tunneling, the generation of defects, mobile charges in the dielectrics and changes in the semiconductor, which are comparatively low for weak electrical loads are. Overall, the drift means that spontaneously occurring gas-related signals can be perceived by considering the change, but over a longer period of time no quantitative measurements are possible over a period of hours.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein chemosensitiver Feldeffekttransistor, ein Verfahren zum Betreiben eines chemosensitiven Feldeffekttransistors sowie ein Verfahren zum Herstellen eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention provides a chemosensitive field effect transistor, a method for operating a chemosensitive field effect transistor and a method for producing a chemosensitive field effect transistor according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Ein Signal eines chemosensitiven Feldeffekttransistors kann im Betrieb trotz gleichbleibender Konzentration einer zu erfassenden chemischen Spezies eine zeitliche Veränderung aufweisen. Die Veränderung kann als Signaldrift bezeichnet werden. Die Signaldrift kann das Resultat verschiedener physikalischer oder chemischer Phänomene im Bereich der Dielektrikumschicht sein.A signal of a chemosensitive field-effect transistor may have a temporal change during operation despite the constant concentration of a chemical species to be detected. The change can be called signal drift. The signal drift can be the result of various physical or chemical phenomena in the area of the dielectric layer.
Durch zumindest eine zusätzliche Elektrode im Bereich der Dielektrikumschicht kann der Feldeffekttransistor stabilisiert werden. Der stabilisierte Bereich kann vorteilhafterweise zum Erfassen der Konzentration der Spezies verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine solche zusätzliche Elektrode als eine sogenannte Getterelektrode eingesetzt werden, durch die mobile Ladungsträger aus der Dielektrikumschicht abgezogen und in Position gehalten werden können. Durch eine oder mehrere solcher zusätzlichen Elektroden kann ein langzeitstabiles Signal erreicht werden, wodurch eine absolute Messung der Konzentration der chemischen Spezies möglich ist. Auf diese Weise kann beispielsweise ein absolut messender Gassensor basierend auf dem ChemFET-Prinzip hergestellt werden.By at least one additional electrode in the region of the dielectric layer of the field effect transistor can be stabilized. The stabilized region can be advantageously used to detect the concentration of the species. Additionally or alternatively, such an additional electrode can be used as a so-called getter electrode, can be removed by the mobile charge carriers from the dielectric layer and held in position. By one or more such additional electrodes, a long-term stable signal can be achieved, whereby an absolute measurement of the concentration of the chemical species is possible. In this way, for example, an absolute measuring gas sensor based on the ChemFET principle can be produced.
Ein chemosensitiver Feldeffekttransistor weist die folgenden Merkmale auf:
ein Halbleitersubstrat, das einen ersten Kontaktbereich, einen zweiten Kontaktbereich und einen zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich angeordneten Kanalbereich aufweist;
einen Source-Kontakt, der das Halbleitersubstrat in dem ersten Kontaktbereich elektrisch kontaktiert;
einen Drain-Kontakt, der das Halbleitersubstrat in dem zweiten Kontaktbereich elektrisch kontaktiert;
eine Gate-Isolierschicht, die gegenüberliegend zu dem Kanalbereich auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist;
eine erste Gate-Elektrode, die mit der Gate-Isolierschicht verbunden ist, wobei die Gate-Isolierschicht und die erste Gate-Elektrode einen für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel ausbilden; und
mindestens eine weitere Elektrode, insbesondere einer zweiten Gate-Elektrode und/oder einer ersten Getter-Elektrode, die mit der Gate-Isolierschicht verbunden ist, wobei die Gate-Isolierschicht und die weitere Elektrode einen für die zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel ausbilden.A chemosensitive field effect transistor has the following features:
a semiconductor substrate having a first contact region, a second contact region, and a channel region disposed between the first contact region and the second contact region;
a source contact electrically contacting the semiconductor substrate in the first contact region;
a drain contact electrically contacting the semiconductor substrate in the second contact region;
a gate insulating layer disposed on a surface of the semiconductor substrate opposite to the channel region;
a first gate electrode connected to the gate insulating layer, the gate insulating layer and the first gate electrode forming a gate stack sensitive to at least one chemical species; and
at least one further electrode, in particular a second gate electrode and / or a first getter electrode, which is connected to the gate insulating layer, wherein the gate insulating layer and the further electrode form a non-sensitive for the at least one chemical species gate stack.
Unter einem chemosensitiven Feldeffekttransistor kann ein Sensorelement verstanden werden, das dazu ausgebildet ist, eine bestimmte chemische Spezies in einem Medium zu detektieren. Der chemosensitive Feldeffekttransistor kann als ChemFET bezeichnet werden. Unter einer Spezies kann beispielsweise eine Chemikalie oder eine Substanz, insbesondere ein Gas verstanden werden. Das Halbleitersubstrat kann ein Material sein, das sowohl als Trägermaterial des chemosensitiven Feldeffekttransistors als auch als Funktionsmaterial des chemosensitiven Feldeffekttransistors verwendet werden kann. Je nach Ausführungsform des Feldeffekttransistors können der erste Kontaktbereich und der zweite Kanalbereich eine andere Dotierung als der Kanalbereich aufweisen. Ein Source-Kontakt kann ein erster elektrischer Anschluss des chemosensitiven Feldeffekttransistors sein. Ein Drain-Kontakt kann ein zweiter elektrischer Anschluss des chemosensitiven Feldeffekttransistors sein. Eine Gate-Isolierschicht kann elektrisch isolierend sein. Die Gate-Isolierschicht kann ein dielektrisches Material aufweisen. Die Gate-Isolierschicht kann unmittelbar mit dem Halbleitersubstrat verbunden sein. Ein, für zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiver Gatestapel kann keine Beeinflussung durch ein Vorhandensein der Spezies zeigen. Im Unterschied dazu kann bei einem für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel eine Eigenschaft, beispielsweise eine Dielektrizitätszahl des Gatestapels durch eine Interaktion mit der Spezies verändert werden, wodurch ein Stromfluss durch den zwischen dem Drain-Kontakt und dem Source-Kontakt liegenden Kanalbereich verändert werden kann. Der chemosensitive Feldeffekttransistor kann beispielsweise eine Konzentrationsänderung der Spezies durch eine Änderung des Stromflusses abbilden.A chemosensitive field-effect transistor can be understood as meaning a sensor element which is designed to detect a specific chemical species in a medium. The chemosensitive field effect transistor may be referred to as ChemFET. By a species may be understood, for example, a chemical or a substance, in particular a gas. The semiconductor substrate may be a material that can be used both as a carrier material of the chemosensitive field effect transistor and as a functional material of the chemosensitive field effect transistor. Depending on the embodiment of the field-effect transistor, the first contact region and the second channel region may have a different doping than the channel region. A source contact may be a first electrical terminal of the chemosensitive field effect transistor. A drain contact may be a second electrical terminal of the chemosensitive field effect transistor. A gate insulating layer may be electrically insulating. The gate insulating layer may include a dielectric material. The gate insulating layer may be directly connected to the semiconductor substrate. A gate stack which is not sensitive to at least one chemical species can not be influenced by the presence of the species. In contrast, in the case of a gate stack that is sensitive to at least one chemical species, a property, for example a dielectric constant of the gate stack, can be changed by interaction with the species, whereby a current flow through the channel region lying between the drain contact and the source contact can be changed , The chemosensitive field-effect transistor can, for example, map a change in the concentration of the species due to a change in the current flow.
Die Gate-Isolierschicht kann ferner gegenüberliegend zu dem ersten Kontaktbereich und zusätzlich oder alternativ gegenüberliegend zu dem zweiten Kontaktbereich auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sein. Dadurch können mobile Ladungsträger aus der Gate-Isolierschicht in Richtung zumindest eines der Kontaktbereiche abgezogen werden. Dadurch kann die Baselinedrift des Feldeffekttransistors verringert werden.The gate insulating layer may further be disposed opposite to the first contact region and additionally or alternatively opposite to the second contact region on the surface of the semiconductor substrate. As a result, mobile charge carriers can be removed from the gate insulating layer in the direction of at least one of the contact regions. As a result, the baseline drift of the field effect transistor can be reduced.
Gemäß einer Ausführungsform kann die weitere Elektrode ausgebildet sein, um im Betrieb des chemosensitiven Feldeffekttransistors in dem Kanalbereich gegenüberliegend zu dem sensitiven Gatestapel ein homogeneres elektrisches Feld als gegenüberliegend zu dem nicht-sensitiven Gatestapel zu bewirken. Dazu kann durch die weitere Elektrode ein Teil des Gates des Feldeffekttransistors blockiert werden.According to one embodiment, the further electrode may be configured to cause a more homogeneous electric field than opposite the non-sensitive gate stack in operation of the chemosensitive field effect transistor in the channel region opposite the sensitive gate stack. For this purpose, a part of the gate of the field effect transistor can be blocked by the further electrode.
Gemäß einer Ausführungsform kann die weitere Elektrode ausgebildet sein, um im Betrieb des chemosensitiven Feldeffekttransistors bewegliche Ionen aus dem sensitiven Gatestapel abzuziehen. Dabei können die erste Gate-Elektrode und die weitere Elektrode unterschiedliche Materialien aufweisen. Beispielsweise kann die erste Gate-Elektrode aus einem für die Spezies durchlässigen oder porösen Material aufgebaut sein. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien können die erste Gate-Elektrode und die weitere Elektrode gemäß einer Ausführungsform auch elektrisch leitend verbunden sein.According to one embodiment, the further electrode may be designed to subtract mobile ions from the sensitive gate stack during operation of the chemosensitive field-effect transistor. In this case, the first gate electrode and the further electrode may have different materials. For example, the first gate electrode may be constructed of a species-permeable or porous material. Due to the different materials, the first gate electrode and the further electrode can also be connected in an electrically conductive manner according to one embodiment.
Die erste Gate-Elektrode und die weitere Elektrode können aus zwei unterschiedlichen Materialien (ggf. unterschiedlicher Materialstruktur) ausgebildet sein. Die erste Gate-Elektrode und die weitere Elektrode können sich über dem Kanal oder Kanalbereich auf der gleichen Dielektrikumsschicht befinden. Die erste nichtsensitive Elektrode kann sich über dem verarmten Bereich befinden. Die andere gassensitive Elektrode kann sich über dem Anreicherungsbereich befinden. Die Elektroden sind elektrisch getrennt.The first gate electrode and the further electrode may be formed from two different materials (possibly different material structure). The first gate electrode and the further electrode may be located over the channel or channel region on the same dielectric layer. The first nonsensitive electrode may be over the depleted area. The other gas sensitive electrode may be over the enrichment area. The electrodes are electrically isolated.
Gemäß einer Ausführungsform können die erste Gate-Elektrode und die weitere Elektrode auf einer dem Halbleitersubstrat abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht angeordnet sein. Dadurch wird ein einfacher Aufbau des Feldeffekttransistors ermöglicht. Gemäß einer Ausführungsform können sich einander zugewandte Endabschnitte der ersten Gate-Elektrode und der weiteren Elektrode berühren. Alternativ können einander zugewandte Endabschnitte der ersten Gate-Elektrode und der weiteren Elektrode voneinander beabstandet sein. Sind die Elektroden voneinander beabstandet, so können sie unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisen.According to one embodiment, the first gate electrode and the further electrode may be arranged on a surface of the gate insulating layer facing away from the semiconductor substrate. As a result, a simple structure of the field effect transistor is made possible. According to one embodiment, mutually facing end portions of the first gate electrode and the further electrode may touch. Alternatively, mutually facing end portions of the first gate electrode and the further electrode may be spaced from each other. If the electrodes are spaced apart from each other, they can have different electrical potentials.
Die weitere Elektrode kann elektrisch mit der ersten Gateelektrode verbunden sein.The further electrode may be electrically connected to the first gate electrode.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die weitere Elektrode, welche bspw. als zweite Gate-Elektrode ausgebildet ist, innerhalb der Gate-Isolierschicht angeordnet sein. Dadurch können sich die erste Gate-Elektrode und die zweite Gate-Elektrode auch überlappen.According to a further embodiment, the further electrode, which is formed, for example, as a second gate electrode, may be arranged inside the gate insulating layer. As a result, the first gate electrode and the second gate electrode may also overlap.
Die erste Gate-Elektrode kann auf einer dem Halbleitersubstrat abgewandten Oberfläche des Gatestapels angeordnet sein und die weitere Elektrode in der Gate-Isolierschicht eingebettet ist. Beispielsweise kann die erste Gate-Elektrode sich oben auf dem Gatestapel befinden und die zweite Gate-Elektrode kann im Dielektrikum oder verschiedenen Dielektrika eingebettet sein.The first gate electrode may be arranged on a surface of the gate stack facing away from the semiconductor substrate, and the further electrode may be embedded in the gate insulating layer. For example, the first gate electrode may be located on top of the gate stack, and the second gate electrode may be embedded in the dielectric or different dielectrics.
Beispielsweise kann sich die erste Gate-Elektrode von einer dem ersten Kontaktbereich zugewandten Seite der Gate-Isolierschicht in Richtung einer dem zweiten Kontaktbereich zugewandten Seite der Gate-Isolierschicht erstrecken. Die zweite Gate-Elektrode kann sich von einer dem zweiten Kontaktbereich zugewandten Seite der Gate-Isolierschicht in Richtung einer dem ersten Kontaktbereich zugewandten Seite der Gate-Isolierschicht erstrecken. Auf diese Weise kann der Kanalbereich vollständig oder teilweise durch die erste Gate-Elektrode und die zweite Gate-Elektrode abgedeckt werden. Dabei kann lediglich der von der zweiten Gate-Elektrode nicht abgedeckte Bereich des Kanalbereichs für den Sensorbetrieb des Feldeffekttransistors relevant sein.By way of example, the first gate electrode may extend from a side of the gate insulating layer facing the first contact region towards a side of the gate insulating layer facing the second contact region. The second gate electrode may extend from a side of the gate insulating layer facing the second contact region toward a side of the gate insulating layer facing the first contact region. In this way, the channel region can be completely or partially covered by the first gate electrode and the second gate electrode. In this case, only the region of the channel region not covered by the second gate electrode can be relevant for the sensor operation of the field effect transistor.
Gemäß einer Ausführungsform kann die weitere Elektrode (
Gemäß einer Ausführungsform können die erste Gate-Elektrode und die weitere Elektrode, welche insbesondere als zweite Gate-Elektrode ausgebildet sein kann, gegenüberliegend zu dem Kanalbereich angeordnet sein. In dem beide Gate-Elektroden auf Höhe des Kanalbereichs angeordnet sind, kann ein Abschnitt des gesamten Gates des Feldeffekttransistors für die Sensierung der Spezies blockiert werden. According to one embodiment, the first gate electrode and the further electrode, which may in particular be formed as a second gate electrode, may be arranged opposite to the channel region. By arranging both gate electrodes at the level of the channel region, a portion of the entire gate of the field effect transistor for the sensing of the species can be blocked.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Gate-Elektrode gegenüberliegend zu dem Kanalbereich und die weitere Elektrode, welche insbesondere als erste Getter-Elektrode ausgebildet sein kann, gegenüberliegend zu dem ersten Kontaktbereich angeordnet sein. Auf diese Weise können mobile Ladungsträger zu dem ersten Kontaktbereich gezogen werden und somit aus dem Sensierbereich des Feldeffekttransistors entfernt werden. Alternativ kann die erste Getter-Elektrode gegenüberliegend zu dem zweiten Kontaktbereich angeordnet sein. In diesem Fall können mobile Ladungsträger zu dem zweiten Kontatbereich gezogen werden.According to a further embodiment, the first gate electrode opposite to the channel region and the further electrode, which may be formed in particular as a first getter electrode, be arranged opposite to the first contact region. In this way, mobile charge carriers can be drawn to the first contact region and thus removed from the sensing region of the field effect transistor. Alternatively, the first getter electrode may be disposed opposite to the second contact region. In this case, mobile charge carriers can be pulled to the second area of the charge.
Entsprechend kann die erste Getter-Elektrode gegenüberliegend zu dem ersten Kontaktbereich angeordnet sein und der chemosensitive Feldeffekttransistor kann eine zweite Getter-Elektrode aufweisen, die gegenüberliegend zu dem zweiten Kontaktbereich angeordnet ist. Dabei können die Gate-Isolierschicht und die zweite Getter-Elektrode einen weiteren für die zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel ausbilden. Dadurch können mobile Ladungsträger unterschiedlicher Ladungen aus dem sensitiven Gatestapel abgezogen werden. Accordingly, the first getter electrode may be disposed opposite to the first contact region, and the chemosensitive field effect transistor may include a second getter electrode disposed opposite to the second contact region. In this case, the gate insulating layer and the second getter electrode can form another gate stack that is not sensitive to the at least one chemical species. As a result, mobile charge carriers of different charges can be removed from the sensitive gate stack.
Ein entsprechender chemosensitiver Feldeffekttransistor kann vorteilhaft als ein absolut messender Gassensor eingesetzt werden.A corresponding chemosensitive field effect transistor can advantageously be used as an absolute measuring gas sensor.
Ein Verfahren zum Herstellen eines chemosensitiven Feldeffekttransistors weist die folgenden Schritte auf:
Bereitstellen eines Halbleitersubstrats, das einen ersten Kontaktbereich, einen zweiten Kontaktbereich und einen zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich angeordneten Kanalbereich aufweist;
Bereitstellen eines Source-Kontakts, der das Halbleitersubstrat in dem ersten Kontaktbereich elektrisch kontaktiert;
Bereitstellen eines Drain-Kontakts, der das Halbleitersubstrat in dem zweiten Kontaktbereich elektrisch kontaktiert; Anordnen einer Gate-Isolierschicht gegenüberliegend zu dem Kanalbereich auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats;
Verbinden einer ersten Gate-Elektrode mit der Gate-Isolierschicht, um durch die Gate-Isolierschicht und die erste Gate-Elektrode einen für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel ausbilden; und
Verbinden mindestens einer weiteren Gate-Elektrode, insbesondere einer zweiten Gate-Elektrode und/oder eine ersten Getter-Elektrode, mit der Gate-Isolierschicht, um durch die Gate-Isolierschicht und die weitere Elektrode einen für die zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel ausbilden.A method of fabricating a chemosensitive field effect transistor comprises the following steps:
Providing a semiconductor substrate having a first contact region, a second contact region, and a channel region disposed between the first contact region and the second contact region;
Providing a source contact electrically contacting the semiconductor substrate in the first contact region;
Providing a drain contact electrically contacting the semiconductor substrate in the second contact region; Arranging a gate insulating film opposite to the channel region on a surface of the semiconductor substrate;
Bonding a first gate electrode to the gate insulating layer to form a gate stack sensitive to at least one chemical species through the gate insulating layer and the first gate electrode; and
Connecting at least one further gate electrode, in particular a second gate electrode and / or a first getter electrode, with the gate insulating layer to form through the gate insulating layer and the further electrode for the at least one chemical species non-sensitive gate stack ,
Der Aufbau des chemosensitiven Feldeffekttransistors weist folgende Komponenten auf:
ein Halbleitersubstrat, das einen ersten Kontaktbereich, einen zweiten Kontaktbereich und einen zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich angeordneten Kanalbereich aufweist;
ein Source-Kontakt, der das Halbleitersubstrat in dem ersten Kontaktbereich elektrisch kontaktiert;
ein Drain-Kontakt, der das Halbleitersubstrat in dem zweiten Kontaktbereich elektrisch kontaktiert;
ein Gate-Isolierschicht gegenüberliegend zu dem Kanalbereich auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats;
eine ersten Gate-Elektrode mit der Gate-Isolierschicht, um durch die Gate-Isolierschicht und die erste Gate-Elektrode einen für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel ausbilden; und
mindestens eine weitere Elektrode, insbesondere eine zweite Gate-Elektrode und/oder eine erste Getter-Elektrode, welche mit der Gate-Isolierschicht verbunden ist, um durch die Gate-Isolierschicht und die weitere Elektrode einen für die zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel ausbilden.The structure of the chemosensitive field-effect transistor has the following components:
a semiconductor substrate having a first contact region, a second contact region, and a channel region disposed between the first contact region and the second contact region;
a source contact electrically contacting the semiconductor substrate in the first contact region;
a drain contact electrically contacting the semiconductor substrate in the second contact region;
a gate insulating layer opposite to the channel region on a surface of the semiconductor substrate;
a first gate electrode having the gate insulating layer for forming a gate stack sensitive to at least one chemical species through the gate insulating layer and the first gate electrode; and
at least one further electrode, in particular a second gate electrode and / or a first getter electrode, which is connected to the gate insulating layer to form through the gate insulating layer and the further electrode for the at least one chemical species non-sensitive gate stack ,
Die einzelnen Komponenten können unter Verwendung bekannter Verfahren erzeugt werden.The individual components can be produced using known methods.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.
Ein Source-Kontakt
Auf Höhe des Kanalbereichs
Eine erste Gate-Elektrode
Eine zweite Gate-Elektrode
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Gate-Isolierschicht
Die erste Gate-Elektrode
Die zweite Gate-Elektrode
Einander zugewandte Endabschnitte der ersten Gate-Elektrode
Somit wird der Kanalbereich
Die erste Gate-Elektrode
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die zweite Gate-Elektrode
Die erste Gate-Elektrode
Je nach Ausführungsform des Feldeffekttransistors können sich einander zugewandte Endabschnitte der ersten Gate-Elektrode
Die erste Gate-Elektrode
Die Gate-Isolierschicht
Über eine von dem Halbleitersubstrat
Die zweite Gate-Elektrode
In einem Abschnitt der Gate-Isolierschicht
Zur Erzielung eines stabilen Betriebs des Feldeffekttransistors wird der Feldeffekttransistor typischerweise in Sättigung betrieben. Hier findet man die typische Ladungsträgerdichteverteilung, wie sie in
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel im Multigateaufbau werden Effekte aufgrund beweglicher Ladungen aus dem Verarmungsbereich bzw. Sättigungsbereich durch eine eine Zusatzelektrode in Form der zweiten Gate-Elektrode
Durch einen hohen Kanal-Widerstand im Bereich unter der zweiten Gate-Elektrode
Der Effekt von Gas, beweglicher Ionen und Störstellen aufgrund unterschiedlicher E-Felder ist damit minimiert. Kleine Veränderungen des Potenzials durch Gasbeaufschlagung wirken sich nur noch in der Nähe der Sourceregion auf den Kanalstrom aus. Das Feld im restlichen Bereich ist dann nicht abhängig vom Sensorbetrieb.The effect of gas, mobile ions and impurities due to different E fields is thus minimized. Small changes in gas potential only affect the channel flow near the source region. The field in the remaining area is then not dependent on the sensor operation.
Ein Source-Kontakt
Auf Höhe des Kanalbereichs
Eine erste Gate-Elektrode
Eine erste Getter-Elektrode
Entsprechend zur ersten Getter-Elektrode
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Gate-Isolierschicht
Die erste Gate-Elektrode
Die erste Getter-Elektrode
Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt
Dadurch ergibt sich ein Feldeffekttransistor mit einem Multigateaufbau, der die Vorteile der beiden, beispielsweise anhand der
Durch den hier vorgestellten Aufbau von Halbleiterbauelementen kann die Baselinedrift aufgrund mobiler Ladungen bzw. Ionen oder andere Störstellen reduziert werden, sodass eine quantitative Gasmessung möglich ist.Due to the structure of semiconductor devices presented here, the baseline drift due to mobile charges or ions or other impurities can be reduced, so that a quantitative gas measurement is possible.
Vorgestellt werden Sensorrealisierungsvarianten, die beispielsweise für eine stabilisierte Verteilung beweglicher Störstellen sorgen können und/oder eine zusätzliche Kontamination im Betrieb, beispielsweise Metallionen wie z. B. Na+ (Natriumionen), K+ (Kaliumionen) abfangen und somit die Bauteilperformance über seine Lebensdauer verbessern. Presented are Sensorrealisierungsvarianten that can provide, for example, a stabilized distribution of mobile defects and / or additional contamination during operation, such as metal ions such. B. Na + (sodium ions), K + (potassium ions) intercept and thus improve the component performance over its lifetime.
Anhand der vorangegangenen Figuren sind unterschiedliche Transducerrealisierungsvarianten hinsichtlich des Gatedesigns vorgestellt worden. Neben der Abgasresistenz wird im gassensitiven Gatestapel ein möglichst stabiler Zustand bezüglich beweglicher Ladungen, Umladung von Haftstellen oder Fehlstellen bezüglich des Betriebszustands erreicht. Gegebenenfalls werden ionische Verunreinigungen, die während des Betriebs zusätzlich in das Gate
Die Ausführungsbeispiele zeigen Anreicherungs-Feldeffekttransistoren. Die gezeigten und beschriebenen Konzepte sind ebenfalls für Verarmungs-Feldeffekttransistoren oder Tunnel-Feldeffekttransistoren anwendbar. Auslegungsdetails können dabei anwendungsspezifisch ausgeführt werden. The embodiments show enhancement field effect transistors. The concepts shown and described are also applicable to depletion field effect transistors or tunnel field effect transistors. Design details can be executed application-specific.
Der hier vorgestellte Ansatz kann bei allen Sensoren mit feldeffektbasierten Bauelementen, speziell bei halbleiterbasierten Gassensoren mit Transistor (MIS) (Metall-Isolator-Semiconductor) zum Einsatz kommen.The approach presented here can be used in all sensors with field-effect-based components, especially in semiconductor-based gas sensors with transistor (MIS) (metal-insulator-semiconductor).
In einem Schritt
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Genannte Verfahrensschritte können auch in einer anderen als der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Said method steps can also be carried out in a sequence other than that described.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102011002854 A1 [0004] DE 102011002854 A1 [0004]
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201310205822 DE102013205822A1 (en) | 2013-04-03 | 2013-04-03 | A chemosensitive field effect transistor and method of making a chemosensitive field effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201310205822 DE102013205822A1 (en) | 2013-04-03 | 2013-04-03 | A chemosensitive field effect transistor and method of making a chemosensitive field effect transistor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102013205822A1 true DE102013205822A1 (en) | 2014-10-09 |
Family
ID=51567511
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201310205822 Withdrawn DE102013205822A1 (en) | 2013-04-03 | 2013-04-03 | A chemosensitive field effect transistor and method of making a chemosensitive field effect transistor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102013205822A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102011002854A1 (en) | 2010-08-10 | 2012-02-16 | Robert Bosch Gmbh | Field effect gas sensor i.e. gas-sensitive chemical FET, for use in gas detector for detecting sensitivity and selectivity of gas, has rear electrode made of metal or semiconductor material and bordered at dielectric layer at side |
-
2013
- 2013-04-03 DE DE201310205822 patent/DE102013205822A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102011002854A1 (en) | 2010-08-10 | 2012-02-16 | Robert Bosch Gmbh | Field effect gas sensor i.e. gas-sensitive chemical FET, for use in gas detector for detecting sensitivity and selectivity of gas, has rear electrode made of metal or semiconductor material and bordered at dielectric layer at side |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102006052863B4 (en) | Protective structure for semiconductor sensors and their use | |
DE4333875C2 (en) | Semiconductor gas sensor based on a capacitive controlled field effect transistor (CCFET) | |
DE102016117555A1 (en) | BIOLOGICALLY SENSITIVE DUAL-GATE FIELD EFFECT TRANSISTOR | |
DE3517590C2 (en) | ||
DE3504401C2 (en) | ||
DE112017007068T5 (en) | Semiconductor device | |
EP1715333B1 (en) | Signal detection method at gas sensitive field effect transistor | |
DE2810597A1 (en) | ELECTRICAL COMPONENT STRUCTURE WITH A MULTI-LAYER INSULATING LAYER | |
DE102013215378B4 (en) | Lateral high voltage transistor and process for its manufacture | |
DE10325718B4 (en) | Semiconductor sensor with a FET and method for driving such a semiconductor sensor | |
DE102013018850A1 (en) | Apparatus and method for measuring low voltages and potentials on a biological, chemical or other sample | |
DE112011100324B4 (en) | Measuring biomolecules and charged ions in an electrolyte | |
EP2315013B1 (en) | Humidity sensor | |
DE10118367C2 (en) | Sensor for measuring a gas concentration or ion concentration | |
DE10118366C2 (en) | Sensor for measuring an ion concentration or gas concentration | |
EP2027459B1 (en) | Moisture sensor and method for measuring moisture of a gas-phase medium | |
DE112013004201T5 (en) | ion sensor | |
DE102010039325A1 (en) | Semiconductor arrangement with a load transistor and a measuring transistor and method for their production | |
DE102013205822A1 (en) | A chemosensitive field effect transistor and method of making a chemosensitive field effect transistor | |
DE102005010032A1 (en) | Gas-sensitive field-effect transistor, operating method and use | |
DE102015104419A1 (en) | Fluid sensor and method for assaying a fluid | |
DE3151891C2 (en) | ||
DE102005043271B4 (en) | Device for measuring the temperature in vertically structured semiconductor devices during operation and combined test structure for detecting the reliability | |
DE102010038725A1 (en) | Gas detecting device for use as e.g. chemical FET, in metal insulator semiconductor component, has metal film comprising aperture with width that includes ratio to thickness of insulator material, where material lies in region of aperture | |
DE10254523B4 (en) | Sensor for measuring a gas concentration or ion concentration |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |