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 PDF

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DE102013205822A1
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Juergen Graf
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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 DE 10 2011 002 854 A1 beschreibt einen Feldeffekt-Gassensor.The DE 10 2011 002 854 A1 describes a field effect gas sensor.

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 (818) als Getter-Elektrode (818) ausgebildet sein und eine zweite Getter-Elektrode (820) über Source und Drain des Feldeffekttransistors zum Gettern beweglicher Ionen vorgesehen sein.According to one embodiment, the further electrode ( 818 ) as a getter electrode ( 818 ) and a second getter electrode ( 820 ) may be provided across the source and drain of the field effect transistor for gettering of movable ions.

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:

1 eine Darstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors; 1 a representation of a chemosensitive field effect transistor;

2 ein Diagramm einer Kennlinie eines chemosensitiven Feldeffekttransistors; 2 a diagram of a characteristic of a chemosensitive field effect transistor;

3 ein Kennlinienfeld verschiedener Kennlinien von chemosensitiven Feldeffekttransistoren; 3 a characteristic field of different characteristics of chemosensitive field-effect transistors;

5 bis 10 Darstellungen von chemosensitiven Feldeffekttransistoren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und 5 to 10 Representations of chemosensitive field effect transistors according to embodiments of the present invention; and

11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 11 a flowchart of a method for producing a chemosensitive field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

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.

1 zeigt eine Darstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors. Der chemosensitive Feldeffekttransistor weist ein Halbleitersubstrat 102 mit einem ersten Kontaktbereich 104, einen zweiten Kontaktbereich 106 und einem Kanalbereich 108, einen Source-Kontakt 110 (S–), einen Drain-Kontakt 112 (D+), eine Gate-Isolierschicht 114 und eine Gate-Elektrode 116 (G) auf. Der Kanalbereich 108 ist zwischen dem ersten Kontaktbereich 104 und dem zweiten Kontaktbereich 106 angeordnet. Der erste Kontaktbereich 104 und der zweite Kontaktbereich 106 weisen eine erste Dotierung n+ auf. Der Kanalbereich 108 weist eine zweite Dotierung p 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. Die Gate-Isolierschicht 114 ist im Kanalbereich 108 auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 102 angeordnet. Die Gate-Elektrode 116 ist auf einer von dem Halbleitersubstrat 102 abgewandten Seite der Gate-Isolierschicht 114 angeordnet und von dem Halbleitermaterial 102 elektrisch isoliert. Die empfindliche, ggf. poröse Elektrode 116 mit dem Dielektrikum 114 zeigen Chemosensitivität. Im Kanalbereich 108 ist eine Ladungsverteilung dargestellt, die sich bei normalem Betrieb des chemosensitiven Feldeffekttransistors einstellt. Somit zeigt 1 einen chemosensitiven Feldeffekttransistor in Form eines FET-Bauelements mit typischer Feldverteilung im Betriebsbereich des chemosensitiven Feldeffekttransistors als einen ChemFET-Sensor. 1 shows a representation of a chemosensitive field effect transistor. The chemosensitive field effect transistor has a semiconductor substrate 102 with a first contact area 104 , a second contact area 106 and a channel area 108 , a source contact 110 (S-), a drain contact 112 (D +), a gate insulating layer 114 and a gate electrode 116 (G). The channel area 108 is between the first contact area 104 and the second contact area 106 arranged. The first contact area 104 and the second contact area 106 have a first doping n +. The channel area 108 has a second doping p. The source contact 110 contacts the semiconductor substrate 102 in the first contact area 104 electric. The drain contact 112 contacts the semiconductor substrate 102 in the second contact area 106 electric. The gate insulating layer 114 is in the channel area 108 on a surface of the semiconductor substrate 102 arranged. The gate electrode 116 is on one of the semiconductor substrate 102 opposite side of the gate insulating layer 114 arranged and of the semiconductor material 102 electrically isolated. The sensitive, possibly porous electrode 116 with the dielectric 114 show chemosensitivity. In the canal area 108 a charge distribution is shown which occurs during normal operation of the chemosensitive field effect transistor. Thus shows 1 a chemosensitive field effect transistor in the form of a FET device with typical field distribution in the operating range of the chemosensitive field effect transistor as a ChemFET sensor.

2 zeigt ein Diagramm einer Kapazitäts-Spannungskurve (CV) 200 eines chemosensitiven MetalI-Insulator-Semiconductor-Struktur (MIS) mit einem Sättigungsbereich 202 und einem linearen Bereich 204. Das Diagramm zeigt eine deutliche, durch bewegliche Ionen verursachte Hysterese auf. Speziell hier wirken sich die beweglichen Ladungen deutlich auf das Signal, in Form einer Offsetdrift eines ChemFET-Sensors aus. 2 shows a diagram of a capacity-voltage curve (CV) 200 a chemisensitive MetalI Insulator Semiconductor (MIS) structure with a saturation region 202 and a linear range 204 , The diagram shows a significant hysteresis caused by moving ions. Especially here, the moving charges have a significant effect on the signal, in the form of an offset drift of a ChemFET sensor.

3 zeigt typische Kennlinien eines kontaminierten Feldeffekttransistors (Drain-Source-Strom über Drain-Source-Spannung für unterschiedliche Gatespannungen). Die Unterschiede zum nicht kontaminierten Transistor sind im Sättigungsbereich zu sehen. Hier treten ohne Kontamination nur geringfügige Änderungen des Stromes bei einer Erhöhung der Drain-Source-Spannung auf. 3 zeigt jedoch starke Änderungen aufgrund der Kontaminationen. Gezeigt ist ein Sättigungsbereich 302 und ein linearer Bereich 304. 3 shows typical characteristics of a contaminated field effect transistor (drain-source current via drain-source voltage for different gate voltages). The differences to the uncontaminated transistor can be seen in the saturation region. Here occur without contamination only minor changes in the current with an increase in the drain-source voltage. 3 however, shows strong changes due to the contaminations. Shown is a saturation region 302 and a linear range 304 ,

4 zeigt eine Darstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Feldeffekttransistor weist, wie anhand von 1 beschrieben, ein Halbleitersubstrat 102 auf, das einen ersten Kontaktbereich 104, einen zweiten Kontaktbereich 106 und einen zwischen dem ersten Kontaktbereich 104 und dem zweiten Kontaktbereich 106 angeordneten Kanalbereich 108 aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen der erste Kontaktbereich 104 eine Dotierung n++, der zweite Kontaktbereich 106 eine Dotierung n++, der Kanalbereich 108 eine Dotierung n- und der übrige Bereich des Substrats 102 eine Dotierung p– auf. 4 shows a representation of a chemosensitive field effect transistor according to an embodiment of the present invention. The field effect transistor has, as shown by 1 described, a semiconductor substrate 102 on, this is a first contact area 104 , a second contact area 106 and one between the first contact area 104 and the second contact area 106 arranged channel area 108 having. According to this embodiment, the first contact area 104 a doping n ++, the second contact area 106 a doping n ++, the channel region 108 a doping n and the remaining area of the substrate 102 a doping p- up.

Ein Source-Kontakt 110 kontaktiert das Halbleitersubstrat 102 in dem ersten Kontaktbereich 104 und bildet somit einen ersten Anschluss des Feldeffekttransistors. Ein Drain-Kontakt 112 kontaktiert das Halbleitersubstrat 102 in dem zweiten Kontaktbereich 106 und bildet somit einen zweiten Anschluss des Feldeffekttransistors.A source contact 110 contacts the semiconductor substrate 102 in the first contact area 104 and thus forms a first terminal of the field effect transistor. A drain contact 112 contacts the semiconductor substrate 102 in the second contact area 106 and thus forms a second terminal of the field effect transistor.

Auf Höhe des Kanalbereichs 108 und jeweils etwas überlappend mit dem ersten Kontaktbereich 104 und dem zweiten Kontaktbereich 106 ist eine Gate-Isolierschicht 114 auf einer Oberfläche des Substrats 102 angeordnet. Angrenzend an die Isolierschicht 114 ist auf Höhe des ersten Kontaktbereichs 104 eine erste Passivierungsschicht (und Isolationsschicht) 421 auf der Oberfläche des Substrats 102 und auf Höhe des zweiten Kontaktbereichs 106 eine zweite Passivierungsschicht (und Isolationsschicht) 422 auf der Oberfläche des Substrats 102 angeordnet.At the height of the canal area 108 and each slightly overlapping with the first contact area 104 and the second contact area 106 is a gate insulating layer 114 on a surface of the substrate 102 arranged. Adjacent to the insulating layer 114 is at the height of the first contact area 104 a first passivation layer (and insulation layer) 421 on the surface of the substrate 102 and at the level of the second contact area 106 a second passivation layer (and insulation layer) 422 on the surface of the substrate 102 arranged.

Eine erste Gate-Elektrode 116 erstreckt sich ausgehend von der ersten Passivierungsschicht 421 entlang einer dem Substrat 102 abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 in Richtung der zweiten Passivierungsschicht 422. A first gate electrode 116 extends from the first passivation layer 421 along a the substrate 102 remote surface of the gate insulating layer 114 in the direction of the second passivation layer 422 ,

Eine zweite Gate-Elektrode 418 erstreckt sich über die zweite Passivierungsschicht 422 und ausgehend von der zweiten Passivierungsschicht 422 entlang einer dem Substrat 102 abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 in Richtung der ersten Passivierungsschicht 421.A second gate electrode 418 extends over the second passivation layer 422 and starting from the second passivation layer 422 along a the substrate 102 remote surface of the gate insulating layer 114 towards the first passivation layer 421 ,

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Gate-Isolierschicht 114 beispielhaft einen Schichtaufbau aus drei übereinander angeordneten Schichten 431, 432, 433 auf. According to this embodiment, the gate insulating layer 114 exemplified a layer structure of three superimposed layers 431 . 432 . 433 on.

Die erste Gate-Elektrode 116 bildet zusammen mit dem zwischen der ersten Gate-Elektrode 116 und dem Substrat 102 liegenden Abschnitt der Gate-Isolierschicht 114 einen für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel. Dabei kann beispielsweise die erste Gate-Elektrode 116 und zusätzlich oder alternativ eine der Schichten 431, 432, 433 der Gate-Isolierschicht 114 durch die Spezies beeinflussbar sein.The first gate electrode 116 forms together with the between the first gate electrode 116 and the substrate 102 lying section of the gate insulating 114 a gate stack sensitive to at least one chemical species. In this case, for example, the first gate electrode 116 and additionally or alternatively one of the layers 431 . 432 . 433 the gate insulating layer 114 be influenced by the species.

Die zweite Gate-Elektrode 418 bildet zusammen mit dem zwischen der zweiten Gate-Elektrode 418 und dem Substrat 102 liegenden Abschnitt der Gate-Isolierschicht 114 einen für zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel. Dabei kann beispielsweise die zweite Gate-Elektrode 418 undurchlässig für die Spezies ausgeführt sein.The second gate electrode 418 forms together with the between the second gate electrode 418 and the substrate 102 lying portion of the gate insulating layer 114 a non-sensitive for at least one chemical species gate stack. In this case, for example, the second gate electrode 418 impermeable to the species.

Einander zugewandte Endabschnitte der ersten Gate-Elektrode 116 und der zweiten Gate-Elektrode 418 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel um einen Abstand 441 voneinander beabstandet. Die zweite Gate-Elektrode 418 weist eine aktive Überlappung 442 mit dem Kanalbereich 108 auf.Mutually facing end portions of the first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 are according to this embodiment by a distance 441 spaced apart. The second gate electrode 418 has an active overlap 442 with the channel area 108 on.

Somit wird der Kanalbereich 108 in einem Abschnitt von einem sensitiven Gatestapel 116, 431, 432, 433 und in einem weiteren Abschnitt von einem nicht-sensitiven Gatestapel 418, 431, 432, 433 abgedeckt. Der sensitiven Gatestapel 116, 431, 432, 433 wird im Betrieb des Feldeffekttransistors zur Sensierung einer Spezies, beispielsweise zur Gassensierung verwendet. Durch den nicht-sensitiven Gatestapel 418, 431, 432, 433 wird ein Teil des gesamten Gates des Feldeffekttransistors für die Sensierung der Spezies blockiert.Thus, the channel area becomes 108 in a section of a sensitive gate stack 116 . 431 . 432 . 433 and in another portion of a non-sensitive gate stack 418 . 431 . 432 . 433 covered. The sensitive gate stack 116 . 431 . 432 . 433 is used in the operation of the field effect transistor for sensing a species, for example for gas sensing. Through the non-sensitive gate stack 418 . 431 . 432 . 433 a part of the entire gate of the field effect transistor is blocked for the sensing of the species.

Die erste Gate-Elektrode 116 und die zweite Gate-Elektrode 418 sind im Bereich der Gate-Isolierschicht 114 elektrisch voneinander isoliert. Im Betrieb des Feldeffekttransistors kann an der ersten Gate-Elektrode 116 eine andere Spannung als an der zweiten Gate-Elektrode 418 anliegen.The first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 are in the area of the gate insulating layer 114 electrically isolated from each other. During operation of the field effect transistor, at the first gate electrode 116 a different voltage than at the second gate electrode 418 issue.

5 zeigt eine Darstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Feldeffekttransistor entspricht dem anhand von 4 beschriebenen Feldeffekttransistor, mit dem Unterschied, dass sich die erste Gate-Elektrode 116 und die zweite Gate-Elektrode 418 berühren. Die erste Gate-Elektrode 116 und die zweite Gate-Elektrode 418 erstrecken sich über die gesamte Länge des Kanalbereichs 108 sowie der Gate-Isolierschicht 114. Die zweite Gate-Elektrode 418 weist eine aktive Überlappung 442 mit dem Kanalbereich 108 auf. 5 shows a representation of a chemosensitive field effect transistor according to an embodiment of the present invention. The field effect transistor corresponds to the basis of 4 described field effect transistor, with the difference that the first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 touch. The first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 extend over the entire length of the channel area 108 and the gate insulating layer 114 , The second gate electrode 418 has an active overlap 442 with the channel area 108 on.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die zweite Gate-Elektrode 418 über die Mitte der Gate-Isolierschicht 114 hinaus, weist also eine größere Ausdehnung als die erste Gate-Elektrode 116 auf.According to this embodiment, the second gate electrode extends 418 over the middle of the gate insulating layer 114 In addition, therefore, has a greater extent than the first gate electrode 116 on.

Die erste Gate-Elektrode 116 und die zweite Gate-Elektrode 418 sind auf der Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Im Betrieb des Feldeffekttransistors entspricht die an der ersten Gate-Elektrode 116 anliegende Spannung Vgate1 der an der zweiten Gate-Elektrode 418 anliegenden Spannung Vgate2. Die erste Gate-Elektrode 116 und die zweite Gate-Elektrode 418 weisen gemäß diesem Ausführungsbeispiel unterschiedliche Materialien auf.The first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 are on the surface of the gate insulating layer 114 electrically conductive interconnected. During operation of the field effect transistor, that corresponds to the first gate electrode 116 applied voltage V gate1 at the second gate electrode 418 applied voltage V gate2 . The first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 have different materials according to this embodiment.

6 zeigt eine Darstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Feldeffekttransistor entspricht dem anhand von 4 beschriebenen Feldeffekttransistor, mit dem Unterschied, dass zwar die erste Gate-Elektrode 116 auf einer dem Substrat 102 abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 angeordnet ist, die zweite Gate-Elektrode 418 jedoch innerhalb der Gate-Isolierschicht 114 angeordnet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die zweite Gate-Elektrode 418 in der von dem Substrat 102 am weitesten entfernten Schicht 433 der Gate-Isolierschicht 114. Im weiteren Verlauf erstreckt sich die zweite Gate-Elektrode 418 über eine dem Substrat 102 abgewandte Oberfläche der zweiten Passivierungsschicht 422. 6 shows a representation of a chemosensitive field effect transistor according to an embodiment of the present invention. The field effect transistor corresponds to the basis of 4 described field effect transistor, with the difference that although the first gate electrode 116 on a the substrate 102 remote surface of the gate insulating layer 114 is arranged, the second gate electrode 418 however, within the gate insulation layer 114 is arranged. According to this embodiment, the second gate electrode extends 418 in the from the substrate 102 furthest layer 433 the gate insulating layer 114 , In the further course, the second gate electrode extends 418 over a the substrate 102 remote surface of the second passivation layer 422 ,

Je nach Ausführungsform des Feldeffekttransistors können sich einander zugewandte Endabschnitte der ersten Gate-Elektrode 116 und der zweiten Gate-Elektrode 418 in Bezug auf ihre Längserstreckungsrichtung im Bereich der Gate-Isolierschicht 114 auf gleicher Höhe befinden, einander überlappen oder voneinander beabstandet sein. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen die erste Gate-Elektrode 116 und die zweite Gate-Elektrode 418 eine Überlappung 643 auf. Die zweite Gate-Elektrode 418 weist eine aktive Überlappung 442 mit dem Kanalbereich 108 auf.Depending on the embodiment of the field effect transistor, mutually facing end portions of the first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 with respect to its longitudinal direction in the region of the gate insulating layer 114 be at the same height, overlap each other or be spaced from each other. According to this embodiment, the first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 an overlap 643 on. The second gate electrode 418 has an active overlap 442 with the channel area 108 on.

Die erste Gate-Elektrode 116 und die zweite Gate-Elektrode 418 sind im Bereich der Gate-Isolierschicht 114 elektrisch voneinander isoliert. Im Betrieb des Feldeffekttransistors kann an der ersten Gate-Elektrode 116 eine andere Spannung als an der zweiten Gate-Elektrode 418 anliegen.The first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 are in the area of the gate insulating layer 114 electrically isolated from each other. During operation of the field effect transistor, at the first gate electrode 116 a different voltage than at the second gate electrode 418 issue.

7 zeigt eine Darstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Feldeffekttransistor entspricht dem in 1 gezeigten Feldeffekttransistor, mit dem Unterschied, dass der in 7 gezeigte Feldeffekttransistor eine mehrlagige Gate-Isolierschicht 114 und einen zweiten Gate-Kontakt 418 aufweist. 7 shows a representation of a chemosensitive field effect transistor according to an embodiment of the present invention. The field effect transistor corresponds to the in 1 shown field effect transistor, with the difference that in 7 shown field effect transistor has a multilayer gate insulating layer 114 and a second gate contact 418 having.

Die Gate-Isolierschicht 114 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwei Lagen auf. Eine erste Lage 734 der Gate-Isolierschicht 114 ist direkt auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 102 und eine zweite Lage 735 der Gate-Isolierschicht 114 ist auf der ersten Lage 734 angeordnet. The gate insulating layer 114 has two layers according to this embodiment. A first location 734 the gate insulating layer 114 is directly on a surface of the semiconductor substrate 102 and a second location 735 the gate insulating layer 114 is on the first location 734 arranged.

Über eine von dem Halbleitersubstrat 102 abgewandte Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 erstreckt sich die erste Gate-Elektrode 116. Die zweite Gate-Elektrode 418 erstreckt sich zwischen der ersten Lage 734 und der zweiten Lage 735 in die Gate-Isolierschicht 114 hinein.About one of the semiconductor substrate 102 remote surface of the gate insulating layer 114 the first gate electrode extends 116 , The second gate electrode 418 extends between the first layer 734 and the second location 735 in the gate insulating layer 114 into it.

Die zweite Gate-Elektrode 418 ist von der ersten Gate-Elektrode 116 durch die zweite Lage 735 elektrisch isoliert. Die zweite Gate-Elektrode 418 erstreckt sich in Längserstreckungsrichtung der der Gate-Isolierschicht 114 über einen Teilbereich der Gate-Isolierschicht 114. Über einen Restbereich der Gate-Isolierschicht 114 erstreckt sich lediglich die erste Gate-Elektrode 116. Die zweite Gate-Elektrode 418 beginnt auf einer Seite des Drain-Kontakts 112 und erstreckt sich in Richtung des Source-Kontakts 110. Dabei erstreckt sich die zweite Gate-Elektrode 418 etwas über die Hälfte der Länge des Kanalbereichs 108. The second gate electrode 418 is from the first gate electrode 116 through the second layer 735 electrically isolated. The second gate electrode 418 extends in the longitudinal direction of the extension of the gate insulating layer 114 over a portion of the gate insulating layer 114 , Over a residual region of the gate insulating layer 114 only the first gate electrode extends 116 , The second gate electrode 418 starts on one side of the drain contact 112 and extends toward the source contact 110 , In this case, the second gate electrode extends 418 just over half the length of the canal area 108 ,

In einem Abschnitt der Gate-Isolierschicht 114, in dem sich die erste Gate-Elektrode 116 und die zweite Gate-Elektrode 418 nicht überlappen wird durch die erste Gate-Elektrode 116 und die Gate-Isolierschicht 114 ein, beispielsweise für ein Gas sensitiver Gatestapel ausgeformt. In einem weiteren Abschnitt der Gate-Isolierschicht 114, in dem sich die erste Gate-Elektrode 116 und die zweite Gate-Elektrode 418 überlappen wird durch die erste Gate-Elektrode 116, die zweite Gate-Elektrode 418 und die Gate-Isolierschicht 114 ein nicht-sensitiver Gatestapel ausgeformt.In a portion of the gate insulating layer 114 in which is the first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 does not overlap through the first gate electrode 116 and the gate insulating layer 114 a, for example, formed for a gas-sensitive gate stack. In another section of the gate insulating layer 114 in which is the first gate electrode 116 and the second gate electrode 418 overlap is through the first gate electrode 116 , the second gate electrode 418 and the gate insulating layer 114 formed a non-sensitive gate stack.

Zur Erzielung eines stabilen Betriebs des Feldeffekttransistors wird der Feldeffekttransistor typischerweise in Sättigung betrieben. Hier findet man die typische Ladungsträgerdichteverteilung, wie sie in 1 schematisch dargestellt ist. Das Gate 114 wird durch das Gas beeinflusst. Das Feld zwischen Gate 114 und Kanal 108 ist von Source 110 zu Drain 112 nicht konstant. Somit erhält man unterschiedliche Empfindlichkeiten in Abhängigkeit von der Position.To achieve stable operation of the field effect transistor, the field effect transistor is typically operated in saturation. Here one finds the typical charge carrier density distribution, as in 1 is shown schematically. The gate 114 is influenced by the gas. The field between gate 114 and channel 108 is from Source 110 to drain 112 not constant. Thus you get different sensitivities depending on the position.

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 418, die bis nahe der des als Source dienenden ersten Kontaktbereichs 110 geführt wird, eliminiert. Durch die zweite Gate-Elektrode 418 wird ein gasempfindlicher Bereich mit lokal nahezu konstantem Feld im Kanal 108 realisiert.In the embodiment shown here in the multi-gate structure, effects due to mobile charges from the depletion region or saturation region become due to an additional electrode in the form of the second gate electrode 418 which is close to that of the first contact area serving as the source 110 is led, eliminated. Through the second gate electrode 418 becomes a gas-sensitive area with locally almost constant field in the channel 108 realized.

Durch einen hohen Kanal-Widerstand im Bereich unter der zweiten Gate-Elektrode 418 wird erreicht, dass das Feld 751 unter der ersten Gate-Elektrode 116 gegenüber dem Halbleiter 102, außerhalb der zweiten Gate-Elektrode 418 nahezu konstant ist und sich nur in einem Feld 752 unter der zweiten Gate-Elektrode 418 ein Spannungsverlauf einstellt. Dabei gilt, dass die an der zweiten Gate-Elektrode 418 anliegende Spannung kleiner als die an der ersten Gate-Elektrode 116 anliegende Spannung ist. Ferner sind die Dicken der zweiten Gate-Elektrode 418 und der ersten Gate-Elektrode 116 unterschiedlich. Dadurch tragen Fremdioneneinflüsse aus dem Bereich unterhalb der zweiten Gate-Elektrode 418 nicht mehr zu dem als Sensorsignal dienenden Signal oder Kanalstrom des Feldeffekttransistors bei. Due to a high channel resistance in the area under the second gate electrode 418 will reach that field 751 under the first gate electrode 116 opposite the semiconductor 102 , outside the second gate electrode 418 is almost constant and only in one field 752 under the second gate electrode 418 sets a voltage curve. It is true that the at the second gate electrode 418 applied voltage smaller than that at the first gate electrode 116 voltage is applied. Further, the thicknesses of the second gate electrode are 418 and the first gate electrode 116 differently. As a result, foreign ion influences from the area below the second gate electrode 418 no longer to the sensor signal serving as a signal or channel current of the field effect transistor.

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.

8 zeigt eine Darstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Feldeffekttransistor weist, wie anhand von 1 beschrieben, ein Halbleitersubstrat 102 auf, das einen ersten Kontaktbereich 104, einen zweiten Kontaktbereich 106 und einen zwischen dem ersten Kontaktbereich 104 und dem zweiten Kontaktbereich 106 angeordneten Kanalbereich 108 aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen der erste Kontaktbereich 104 eine Dotierung n++, der zweite Kontaktbereich 106 eine Dotierung n++, der Kanalbereich 108 eine Dotierung n- und der übrige Bereich des Substrats 102 eine Dotierung p– auf. 8th shows a representation of a chemosensitive field effect transistor according to an embodiment of the present invention. The field effect transistor has, as shown by 1 described, a semiconductor substrate 102 on, this is a first contact area 104 , a second contact area 106 and one between the first contact area 104 and the second contact area 106 arranged channel area 108 having. According to this embodiment, the first contact area 104 a doping n ++, the second contact area 106 a doping n ++, the channel region 108 a doping n and the remaining area of the substrate 102 a doping p- up.

Ein Source-Kontakt 110 kontaktiert das Halbleitersubstrat 102 in dem ersten Kontaktbereich 104 und bildet somit einen ersten Anschluss des Feldeffekttransistors. Ein Drain-Kontakt 112 kontaktiert das Halbleitersubstrat 102 in dem zweiten Kontaktbereich 106 und bildet somit einen zweiten Anschluss des Feldeffekttransistors.A source contact 110 contacts the semiconductor substrate 102 in the first contact area 104 and thus forms a first terminal of the field effect transistor. A drain contact 112 contacts the semiconductor substrate 102 in the second contact area 106 and thus forms a second terminal of the field effect transistor.

Auf Höhe des Kanalbereichs 108 und jeweils überlappend mit dem ersten Kontaktbereich 104 und dem zweiten Kontaktbereich 106 ist eine Gate-Isolierschicht 114 auf einer Oberfläche des Substrats 102 angeordnet. Angrenzend an die Isolierschicht 114 ist auf Höhe des ersten Kontaktbereichs 104 eine erste Passivierungsschicht 421 auf der Oberfläche des Substrats 102 und auf Höhe des zweiten Kontaktbereichs 106 eine zweite Passivierungsschicht 422 auf der Oberfläche des Substrats 102 angeordnet.At the height of the canal area 108 and each overlapping with the first contact area 104 and the second contact area 106 is a gate insulating layer 114 on a surface of the substrate 102 arranged. Adjacent to the insulating layer 114 is at the height of the first contact area 104 a first passivation layer 421 on the surface of the substrate 102 and at the level of the second contact area 106 a second passivation layer 422 on the surface of the substrate 102 arranged.

Eine erste Gate-Elektrode 116 erstreckt sich entlang einer dem Substrat 102 abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 über den kompletten Kanalbereich 108 und überlappt etwas mit dem ersten Kontaktbereiche 104 sowie etwas mit dem zweiten Kontaktbereich 106. A first gate electrode 116 extends along a the substrate 102 remote surface of the gate insulating layer 114 over the entire canal area 108 and overlaps with the first contact areas 104 as well as something with the second contact area 106 ,

Eine erste Getter-Elektrode 818 erstreckt sich ausgehend von der ersten Passivierungsschicht 421 entlang einer dem Substrat 102 abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 in Richtung der ersten Gate-Elektrode 116. Die erste Getter-Elektrode 818 ist somit gegenüberliegend zu dem ersten Kontaktbereich 104 angeordnet. Die erste Getter-Elektrode 818 weist eine Weite 844 auf. Zwischen der ersten Gate-Elektrode 116 und der ersten Getter-Elektrode 818 liegt eine Distanz 845.A first getter electrode 818 extends from the first passivation layer 421 along a the substrate 102 remote surface of the gate insulating layer 114 towards the first gate electrode 116 , The first getter electrode 818 is thus opposite to the first contact area 104 arranged. The first getter electrode 818 has a width 844 on. Between the first gate electrode 116 and the first getter electrode 818 there is a distance 845 ,

Entsprechend zur ersten Getter-Elektrode 818 erstreckt sich eine zweite Getter-Elektrode 820 ausgehend von der zweiten Passivierungsschicht 422 entlang einer dem Substrat 102 abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 in Richtung der ersten Gate-Elektrode 116. Die zweite Getter-Elektrode 820 ist somit gegenüberliegend zu dem zweiten Kontaktbereich 106 angeordnet. Ein Abstand 846 zwischen der zweiten Getter-Elektrode 820 und einer Grenze des Kanalbereichs 108 (Ohm/aktive Grenze) ist in 8 dargestellt.Corresponding to the first getter electrode 818 extends a second getter electrode 820 starting from the second passivation layer 422 along a the substrate 102 remote surface of the gate insulating layer 114 towards the first gate electrode 116 , The second getter electrode 820 is thus opposite to the second contact area 106 arranged. A distance 846 between the second getter electrode 820 and a boundary of the channel area 108 (Ohm / active limit) is in 8th shown.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Gate-Isolierschicht 114 beispielhaft einen Schichtaufbau aus drei übereinander angeordneten Schichten 431, 432, 433 auf. According to this embodiment, the gate insulating layer 114 exemplified a layer structure of three superimposed layers 431 . 432 . 433 on.

Die erste Gate-Elektrode 116 bildet zusammen mit dem zwischen der ersten Gate-Elektrode 116 und dem Substrat 102 liegenden Abschnitt der Gate-Isolierschicht 114 einen für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel. Dabei kann beispielsweise die erste Gate-Elektrode 116 und zusätzlich oder alternativ eine der Schichten 431, 432, 433 der Gate-Isolierschicht 114 durch die Spezies beeinflussbar sein.The first gate electrode 116 forms together with the between the first gate electrode 116 and the substrate 102 lying portion of the gate insulating layer 114 a gate stack sensitive to at least one chemical species. In this case, for example, the first gate electrode 116 and additionally or alternatively one of the layers 431 . 432 . 433 the gate insulating layer 114 be influenced by the species.

Die erste Getter-Elektrode 818 und die zweite Getter-Elektrode 820 sind ausgebildet, um mobile Ionen aus dem zwischen der ersten Gate-Elektrode 116 und dem Kanalbereich 108 liegenden Abschnitt der Gate-Isolierschicht 114 wegzuziehen.The first getter electrode 818 and the second getter electrode 820 are designed to remove mobile ions from between the first gate electrode 116 and the channel area 108 lying portion of the gate insulating layer 114 pull away.

9 zeigt eine Darstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Feldeffekttransistor entspricht dem in 1 gezeigten Feldeffekttransistor, mit dem Unterschied, dass bei dem im 9 gezeigten Feldeffekttransistor sich die Gate-Isolierschicht 114 bis weit über den ersten Kontaktbereich 104 und weit über den zweiten Kontaktbereich 106 erstreckt. Beispielsweise kann mehr als die Hälfte der Oberfläche des ersten Kontaktbereichs 104 und mehr als die Hälfte der Oberfläche des zweiten Kontaktbereichs 106 von der Gate-Isolierschicht 114 bedeckt sein. Im Bereich des Kanalbereichs 108 weist die Gate-Isolierschicht 114 eine weitere Lage auf, die sich auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 102 nur im Bereich des Kanalbereichs 108 befindet. Als weiteren Unterschied zu dem in 1 gezeigten Feldeffekttransistor weist der in 9 gezeigte Feldeffekttransistor, entsprechend zu 8 eine erste Getter-Elektrode 818 und eine zweite Getter-Elektrode 820 auf. Die erste Getter-Elektrode 818 ist im Bereich des ersten Kontaktbereichs 104 auf einer dem ersten Kontaktbereich 104 abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 angeordnet. Die zweite Getter-Elektrode 818 ist im Bereich des zweiten Kontaktbereichs 106 auf einer dem zweiten Kontaktbereich 106 abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht 114 angeordnet. Somit sind die erste Getter-Elektrode 818 und die zweite Getter-Elektrode 820 im Gegensatz zur ersten Gate-Elektrode 116 außerhalb des Bereichs des Kanals 108 angeordnet. 9 shows a representation of a chemosensitive field effect transistor according to an embodiment of the present invention. The field effect transistor corresponds to the in 1 shown field effect transistor, with the difference that in the im 9 shown field effect transistor, the gate insulating layer 114 far beyond the first contact area 104 and far beyond the second contact area 106 extends. For example, more than half of the surface of the first contact area 104 and more than half of the surface area of the second contact area 106 from the gate insulating layer 114 be covered. In the area of the canal area 108 has the gate insulating layer 114 another layer on, located on the surface of the semiconductor substrate 102 only in the area of the channel area 108 located. As another difference to that in 1 the field effect transistor shown in FIG 9 shown field effect transistor, corresponding to 8th a first getter electrode 818 and a second getter electrode 820 on. The first getter electrode 818 is in the range of the first contact area 104 on a first contact area 104 remote surface of the gate insulating layer 114 arranged. The second getter electrode 818 is in the range of the second contact area 106 on a second contact area 106 remote surface of the gate insulating layer 114 arranged. Thus, the first getter electrode 818 and the second getter electrode 820 in contrast to the first gate electrode 116 outside the area of the canal 108 arranged.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 9 einen Multigateaufbau mit seitlichen Getter-Elektroden in Form der ersten Getter-Elektrode 818 und der zweiten Getter-Elektrode 820, die ausgebildet sind, um gegebenenfalls mobile Ladungsträger zu gettern. Durch zwischen der ersten Getter-Elektrode 818 und der zweiten Getter-Elektrode 820 angelegte laterale Felder werden bewegliche Ladungen entsprechend ihrer Ladung zu der jeweiligen Getter-Elektrode 818, 820 gezogen und gemäß einem Ausführungsbeispiel in ein getterndes Material eingelagert.According to one embodiment shows 9 a Multigateaufbau with side getter electrodes in the form of the first getter electrode 818 and the second getter electrode 820 , which are designed to possibly getter mobile charge carriers. Through between the first getter electrode 818 and the second getter electrode 820 Applied lateral fields become movable charges according to their charge to the respective getter electrode 818 . 820 pulled and stored according to an embodiment in a getterndes material.

10 zeigt eine Darstellung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Feldeffekttransistor ist aufgebaut, wie der anhand von 7 beschriebene Feldeffekttransistor und weist zusätzlich die erste Getter-Elektrode 818 auf, die auf einer Fortführung der Gate-Isolierschicht 114 über den ersten Kontaktbereich 104 angeordnet ist, wie es anhand von 9 beschrieben ist. 10 shows a representation of a chemosensitive field effect transistor according to an embodiment of the present invention. The field effect transistor is constructed as the basis of 7 described field effect transistor and additionally has the first getter electrode 818 on, on a continuation of the gate insulating layer 114 over the first contact area 104 is arranged, as it is based on 9 is described.

Dadurch ergibt sich ein Feldeffekttransistor mit einem Multigateaufbau, der die Vorteile der beiden, beispielsweise anhand der 7 und 9 beschriebenen Konzepten kombiniert. Ein solcher Feldeffekttransistor weist somit die zwei Gate-Elektroden 116, 418 und die erste Getter-Elektrode 818 auf.This results in a field effect transistor with a multi-gate construction, the advantages of the two, for example on the basis of 7 and 9 combined concepts. Such a field effect transistor thus has the two gate electrodes 116 . 418 and the first getter electrode 818 on.

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 114 eindringen, unschädlich gemacht. With reference to the preceding figures, different transducer realization variants have been presented with regard to the gate design. In addition to the exhaust gas resistance in the gas-sensitive gate stack as stable as possible with respect to mobile charges, reloading of traps or defects in the operating state is achieved. Optionally, ionic impurities are added to the gate during operation 114 invade, rendered harmless.

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).

11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 11 shows a flowchart of a method for producing a chemosensitive field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

In einem Schritt 1101 wird ein Halbleitersubstrat bereitgestellt. Das Halbleitersubstrat weist, wie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben, einen ersten Kontaktbereich, einen zweiten Kontaktbereich und einen zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich angeordneten Kanalbereich auf. In einem Schritt 1103 wird ein Source-Kontakt an dem ersten Kontaktbereich elektrisch kontaktiert. In einem Schritt 1105 wird ein Drain-Kontakt an dem zweiten Kontaktbereich elektrisch kontaktiert. In einem Schritt 1107 wird eine Gate-Isolierschicht gegenüberliegend zu dem Kanalbereich auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet. In einem Schritt 1109 wird eine erste Gate-Elektrode mit der Gate-Isolierschicht verbunden, um durch die Gate-Isolierschicht und die erste Gate-Elektrode einen für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel ausbilden. In einem Schritt 1111 wird zumindest eine zweite Gate-Elektrode mit der Gate-Isolierschicht verbunden, um durch die Gate-Isolierschicht und die zweite Gate-Elektrode einen für die zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel ausbilden.In one step 1101 a semiconductor substrate is provided. As described with reference to the preceding figures, the semiconductor substrate has a first contact region, a second contact region and a channel region arranged between the first contact region and the second contact region. In one step 1103 For example, a source contact is electrically contacted at the first contact region. In one step 1105 For example, a drain contact is electrically contacted at the second contact region. In one step 1107 For example, a gate insulating film is disposed opposite to the channel region on a surface of the semiconductor substrate. In one step 1109 For example, a first gate electrode is connected 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. In one step 1111 For example, at least one second gate electrode is connected to the gate insulating layer to form a gate stack that is not sensitive to the at least one chemical species by the gate insulating layer and the second gate electrode.

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.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011002854 A1 [0004] DE 102011002854 A1 [0004]

Claims (12)

Chemosensitiver Feldeffekttransistor mit folgenden Merkmalen: einem Halbleitersubstrat (102), das einen ersten Kontaktbereich (104), einen zweiten Kontaktbereich (106) und einen zwischen dem ersten Kontaktbereich (104) und dem zweiten Kontaktbereich (106) angeordneten Kanalbereich (108) aufweist; einem Source-Kontakt (110), der das Halbleitersubstrat (102) in dem ersten Kontaktbereich (104) elektrisch kontaktiert; einem Drain-Kontakt (112), der das Halbleitersubstrat (102) in dem zweiten Kontaktbereich (106) elektrisch kontaktiert; einer Gate-Isolierschicht (114), die gegenüberliegend zu dem Kanalbereich (108) auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (102) angeordnet ist; einer ersten Gate-Elektrode (116), die mit der Gate-Isolierschicht (114) verbunden ist, wobei die Gate-Isolierschicht (114) und die erste Gate-Elektrode (116) einen für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel ausbilden; und mindestens einer weiteren Elektrode (418; 818), insbesondere einer zweiten Gate-Elektrode (418) und/oder eine ersten Getter-Elektrode (818), die mit der Gate-Isolierschicht (114) verbunden ist, wobei die Gate-Isolierschicht (114) und die weitere Elektrode (418; 818) einen für die zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel ausbilden.A chemosensitive field effect transistor comprising: a semiconductor substrate ( 102 ), which has a first contact area ( 104 ), a second contact area ( 106 ) and one between the first contact area ( 104 ) and the second contact area ( 106 ) channel region ( 108 ) having; a source contact ( 110 ), which the semiconductor substrate ( 102 ) in the first contact area ( 104 ) contacted electrically; a drain contact ( 112 ), which the semiconductor substrate ( 102 ) in the second contact area ( 106 ) contacted electrically; a gate insulating layer ( 114 ), which are opposite to the channel area ( 108 ) on a surface of the semiconductor substrate ( 102 ) is arranged; a first gate electrode ( 116 ), with the gate insulating layer ( 114 ), wherein the gate insulating layer ( 114 ) and the first gate electrode ( 116 ) form a gate stack sensitive to at least one chemical species; and at least one further electrode ( 418 ; 818 ), in particular a second gate electrode ( 418 ) and / or a first getter electrode ( 818 ), with the gate insulating layer ( 114 ), wherein the gate insulating layer ( 114 ) and the further electrode ( 418 ; 818 ) form a non-sensitive for the at least one chemical species gate stack. Chemosensitiver Feldeffekttransistor gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Gate-Elektrode (116) und die weitere Elektrode (418; 818) aus zwei unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind. A chemosensitive field-effect transistor according to claim 1, wherein the first gate electrode ( 116 ) and the further electrode ( 418 ; 818 ) are formed of two different materials. Chemosensitiver Feldeffekttransistor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die weitere Elektrode (418; 818) elektrisch mit der ersten Gate-Elektrode (116) verbunden ist.Chemosensitive field-effect transistor according to one of the preceding claims, in which the further electrode ( 418 ; 818 ) electrically connected to the first gate electrode ( 116 ) connected is. Chemosensitiver Feldeffekttransistor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die erste Gate-Elektrode (116) auf einer dem Halbleitersubstrat (102) abgewandten Oberfläche des Gatestapels angeordnet ist und die weitere Elektrode (418; 818) in der Gate-Isolierschicht (114) eigebettet ist. A chemosensitive field-effect transistor according to one of the preceding claims, wherein the first gate electrode ( 116 ) on a semiconductor substrate ( 102 ) facing away from the gate stack and the further electrode ( 418 ; 818 ) in the gate insulating layer ( 114 ) is embedded. Chemosensitiver Feldeffekttransistor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die weitere Elektrode (818) insbesondere als Getter-Elektrode (818) ausgebildet ist und eine zweite Getter-Elektrode (820) über Source und Drain des Feldeffekttransistors zum Gettern beweglicher Ionen vorgesehen ist.Chemosensitive field-effect transistor according to one of the preceding claims, in which the further electrode ( 818 ) especially as a getter electrode ( 818 ) and a second getter electrode ( 820 ) is provided across the source and drain of the field effect transistor for gettering movable ions. Chemosensitiver Feldeffekttransistor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die erste Gate-Elektrode (116) und die weitere Elektrode (418; 818) und ggf. die zweite Getter-Elektrode (820) auf einer dem Halbleitersubstrat (102) abgewandten Oberfläche der Gate-Isolierschicht (114) angeordnet sind.A chemosensitive field-effect transistor according to one of the preceding claims, wherein the first gate electrode ( 116 ) and the further electrode ( 418 ; 818 ) and possibly the second getter electrode ( 820 ) on a semiconductor substrate ( 102 ) facing away from the surface of the gate insulating layer ( 114 ) are arranged. Chemosensitiver Feldeffekttransistor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 bei dem die weitere Elektrode (418) insbesondere als zweite Gate-Elektrode (418) ausgebildet und innerhalb der Gate-Isolierschicht (114) angeordnet ist.Chemosensitive field-effect transistor according to one of Claims 1 to 5, in which the further electrode ( 418 ) in particular as a second gate electrode ( 418 ) and within the gate insulating layer ( 114 ) is arranged. Chemosensitiver Feldeffekttransistor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die erste Gate-Elektrode (116) und die weitere Elektrode (418), welche insbesondere als zweite Gate-Elektrode (418) ausgebildet ist, gegenüberliegend zu dem Kanalbereich (108) angeordnet sind.A chemosensitive field-effect transistor according to one of the preceding claims, wherein the first gate electrode ( 116 ) and the further electrode ( 418 ), which in particular as a second gate electrode ( 418 ) is formed, opposite to the channel region ( 108 ) are arranged. Chemosensitiver Feldeffekttransistor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die erste Gate-Elektrode (116) gegenüberliegend zu dem Kanalbereich (108) und die weitere-Elektrode (818), welche insbesondere als erste Getter-Elektrode (818) ausgebildet ist, gegenüberliegend zu dem ersten Kontaktbereich (104) angeordnet sind.A chemosensitive field-effect transistor according to one of claims 1 to 7, wherein the first gate electrode ( 116 ) opposite the channel region ( 108 ) and the further electrode ( 818 ), which in particular as a first getter electrode ( 818 ) is formed, opposite to the first contact area ( 104 ) are arranged. Chemosensitiver Feldeffekttransistor gemäß Anspruch 6, wobei die zweite Getter-Elektrode (820) gegenüberliegend zu dem zweiten Kontaktbereich (106) angeordnet ist, wobei die Gate-Isolierschicht (114) und die zweite Getter-Elektrode (820) einen weiteren für die zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel ausbilden.A chemosensitive field-effect transistor according to claim 6, wherein said second getter electrode ( 820 ) opposite to the second contact area ( 106 ), wherein the gate insulating layer ( 114 ) and the second getter electrode ( 820 ) form another gate stack that is not sensitive to the at least one chemical species. Verfahren (900) zum Herstellen eines chemosensitiven Feldeffekttransistors, wobei das Verfahren (900) die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen (1101) eines Halbleitersubstrats (102), das einen ersten Kontaktbereich (104), einen zweiten Kontaktbereich (106) und einen zwischen dem ersten Kontaktbereich (104) und dem zweiten Kontaktbereich (106) angeordneten Kanalbereich (108) aufweist; Bereitstellen (1103) eines Source-Kontakts (110), der das Halbleitersubstrat (102) in dem ersten Kontaktbereich (104) elektrisch kontaktiert; Bereitstellen (1105) eines Drain-Kontakts (112), der das Halbleitersubstrat (102) in dem zweiten Kontaktbereich (106) elektrisch kontaktiert; Anordnen (1107) einer Gate-Isolierschicht (114) gegenüberliegend zu dem Kanalbereich (108) auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (102); Verbinden (1109) einer ersten Gate-Elektrode (116) mit der Gate-Isolierschicht (114), um durch die Gate-Isolierschicht (114) und die erste Gate-Elektrode (116) einen für zumindest eine chemische Spezies sensitiven Gatestapel ausbilden; und Verbinden (1111) mindestens einer weiteren Elektrode (418; 818), insbesondere einer zweiten Gate-Elektrode (418) und/oder eine ersten Getter-Elektrode (818), mit der Gate-Isolierschicht (114), um durch die Gate-Isolierschicht (114) und die weitere Elektrode (418; 818) einen für die zumindest eine chemische Spezies nicht sensitiven Gatestapel ausbilden. Procedure ( 900 ) for producing a chemosensitive field-effect transistor, the method ( 900 ) comprises the following steps: providing ( 1101 ) of a semiconductor substrate ( 102 ), which has a first contact area ( 104 ), a second contact area ( 106 ) and one between the first contact area ( 104 ) and the second contact area ( 106 ) channel region ( 108 ) having; Provide ( 1103 ) of a source contact ( 110 ), which the semiconductor substrate ( 102 ) in the first contact area ( 104 ) contacted electrically; Provide ( 1105 ) of a drain contact ( 112 ), which the semiconductor substrate ( 102 ) in the second contact area ( 106 ) contacted electrically; Arrange ( 1107 ) a gate insulating layer ( 114 ) opposite the channel region ( 108 ) on a surface of the semiconductor substrate ( 102 ); Connect ( 1109 ) of a first gate electrode ( 116 ) with the gate insulating layer ( 114 ) to pass through the gate insulating layer ( 114 ) and the first gate electrode ( 116 ) form a gate stack sensitive to at least one chemical species; and connect ( 1111 ) at least one further electrode ( 418 ; 818 ), in particular a second gate electrode ( 418 ) and / or a first getter electrode ( 818 ), with the gate insulating layer ( 114 ) to pass through the gate insulating layer ( 114 ) and the further electrode ( 418 ; 818 ) form a non-sensitive for the at least one chemical species gate stack. Verwendung eines chemosensitiven Feldeffekttransistors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 als absolut messender Gassensor.Use of a chemosensitive field effect transistor according to one of claims 1 to 10 as an absolute measuring gas sensor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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

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