DE19856294A1 - Chemical field effect transistor with carbon gate electrode - Google Patents

Chemical field effect transistor with carbon gate electrode

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Heiner Ryssel
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Abstract

Chemical field effect transistor consists of source and drain regions (11, 12) connected by a conducting channel arranged on a semiconductor substrate (5) and a carbon gate electrode (13). Independent claims are also included for: (1) the production of a chemical field effect transistor comprising: (a) arranging source and drain regions (11, 12) connected by a conducting channel on a semiconductor substrate; and (b) preparing a carbon gate electrode by forming a carbonaceous layer on the semiconductor substrate (5) and making the carbonaceous layer amorphous by ion implantation; and (2) a CHEMFET array having a number of the above chemical effect transistors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen chemi­ schen Feldeffekttransistor, ein Verfahren zu seiner Herstellung und dessen Verwendung.The present invention relates to a chemi 's field effect transistor, a method for its Manufacturing and its use.

Dabei umfaßt der Begriff "chemischer Feldeffekt­ transistor" bzw. "CHEMFET" ("Chemically sensitive Field Effect Transistor") alle einen Feldeffekttransistor bildenden Vorrichtungen, die eine Kombination von Bau­ elementen aus der Halbleitertechnologie mit chemischen Beschichtungen der Gate-Elektrode darstellen, wodurch der Feldeffekttransistor seine Sensitivität gegenüber bestimmten chemischen Verbindungen erhält. Insbesondere wird bei einem CHEMFET ein Strom zwischen Source- und Drain-Elektrode über ein elektrochemisches Potential an der Gate-Elektrode gesteuert. Beispiele für CHEMFETs umfassen ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs), bei denen die Gate-Elektrode aus einer ionen­ sensitiven Schicht besteht und die zur qualitativen sowie zur quantitativen Messung von Ionen jeglicher Art, beispielsweise H⁺, Na⁺, Ca2+, NO3 2- usw. eingesetzt werden können, sowie redoxsensitive Feldeffekt­ transistoren (REDOXFETs), die eine Pt-Gate-Elektrode aufweisen und z. B. auch mit ionensensitiven Polymer­ membranen oder Enzymen beschichtet werden können. Derartige Vorrichtungen werden detaillierter in T. Mikolajick, "Feldeffektsensoren zur pH-Wert-Messung und als Transducer für Biosensoren", Erlanger Berichte Mikroelektronik, Shaker Verlag, Aachen, 1997, und in F. The term "chemical field effect transistor" or "CHEMFET"("Chemically sensitive Field Effect Transistor") all forms a field effect transistor forming devices that represent a combination of construction elements from semiconductor technology with chemical coatings of the gate electrode, whereby the field effect transistor maintains its sensitivity to certain chemical compounds. In particular, in a CHEMFET, a current between the source and drain electrodes is controlled via an electrochemical potential at the gate electrode. Examples of CHEMFETs include ion-sensitive field effect transistors (ISFETs), in which the gate electrode consists of an ion-sensitive layer and which is used for the qualitative and quantitative measurement of ions of all kinds, for example H⁺, Na⁺, Ca 2+ , NO 3 2- etc. can be used, as well as redox-sensitive field effect transistors (REDOXFETs), which have a Pt gate electrode and z. B. can also be coated with ion-sensitive polymer membranes or enzymes. Such devices are described in more detail in T. Mikolajick, "Field Effect Sensors for pH Value Measurement and as a Transducer for Biosensors", Erlangen Reports Microelectronics, Shaker Verlag, Aachen, 1997, and in F.

Oehme, "Chemische Sensoren", Vieweg Verlag, Braun­ schweig, 1991 beschrieben.Oehme, "Chemical sensors", Vieweg Verlag, Braun Switzerland, 1991.

Beim ISFET wird die Gate-Elektrode des bekannten MOSFET durch die Kombination aus einer pH-sensitiven Schicht (beispielsweise Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Tantalpentoxid), einem Elektrolyt und einer Referenzelektrode und beim REDOXFET durch die Kombina­ tion aus einer inerten Metallelektrode, beispielsweise aus Platin, einer ionenselektiven Membran, einem Elektrolyten und einer Referenzelektrode ersetzt. Da beim ISFET und beim REDOXFET an der Elektrolyt/Fest­ körper-Grenzfläche ein Potentialsprung auftritt, der von der Zusammensetzung des Elektrolyten abhängt, kann der Strom von Source nach Drain hier durch die Zusam­ mensetzung der Lösung gesteuert werden.In ISFET, the gate electrode of the known MOSFET through the combination of a pH sensitive Layer (for example silicon nitride, aluminum oxide or tantalum pentoxide), an electrolyte and one Reference electrode and with the REDOXFET by the Kombina tion of an inert metal electrode, for example made of platinum, an ion selective membrane, a Electrolyte and a reference electrode replaced. There with the ISFET and with the REDOXFET at the electrolyte / fixed body interface a potential jump occurs that depends on the composition of the electrolyte the current from source to drain here through the combination solution can be controlled.

Die bekannten chemischen Feldeffekttransistoren weisen jedoch den Nachteil auf, daß das Material für die Gate-Elektrode oftmals für die nachzuweisenden Stoffe eine schlechte Anbindungsmöglichkeit oder Kompatibilität bietet. Insbesondere können aufgrund der Chemisorption von Sulfidverbindungen in der Regel keine Enzyme oder enzymähnlichen Verbindungen zusammen mit einem REDOXFET, bei den die Gate-Elektrode eine Platin­ elektrode umfaßt, eingesetzt werden.The well-known chemical field effect transistors have the disadvantage, however, that the material for the gate electrode often for those to be detected Fabrics a bad connection possibility or Offers compatibility. In particular, due to the Chemisorption of sulfide compounds usually does not Enzymes or enzyme-like compounds together with a REDOXFET, in which the gate electrode is a platinum electrode includes, are used.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten chemischen Feldeffekttran­ sistor zu schaffen, bei dem die Gate-Elektrode mit den nachzuweisenden Stoffen gut kompatibel ist und auch eine gute Anbindungsmöglichkeit für nachzuweisende Stoffe bietet, und der insbesondere für den Einsatz mit Enzymen oder enzymähnlichen Verbindungen geeignet ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen chemischen Feldeffekttransistors anzugeben.The present invention is therefore the object based on an improved chemical field effect oil to create sistor, in which the gate electrode with the Substances to be detected is well compatible and also a good connection possibility for those to be proven Offers fabrics, and especially for use with  Enzymes or enzyme-like compounds is suitable. The invention is also based on the object Process for producing such a chemical Specify field effect transistor.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 8 gelöst.According to the present invention, the object solved by the subject matter of claims 1 and 8.

Der erfindungsgemäße chemische Feldeffekttran­ sistor weist Source- und Drain-Bereiche auf, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet und durch einen leitenden Kanal miteinander verbunden sind. Die Gate- Elektrode des Feldeffekttransistors wird erfindungs­ gemäß durch eine Kohlenstoffelektrode gebildet.The chemical field effect oil according to the invention sistor has source and drain regions on arranged a semiconductor substrate and by a conductive channel are interconnected. The gate Electrode of the field effect transistor is fiction according to formed by a carbon electrode.

Dieser chemische Feldeffekttransistor unterschei­ det sich von bekannten chemischen Feldeffekttransisto­ ren darin, daß seine Gate-Elektrode aus einer Kohlen­ stoffschicht besteht. Der erfindungsgemäße chemische Feldeffekttransistor kann dabei ebenso wie der herkömm­ liche eine ionenselektive Membran, eine Gate-Isolier­ schicht usw. enthalten. Der Vorteil einer Kohlen­ stoffelektrode als Gate-Elektrode liegt darin, daß eine solche Gate-Elektrode eine hervorragende Anbindungsmög­ lichkeit für biologische Moleküle bietet. Insbesondere, wenn die Kohlenstoffelektrode anstelle eines metal­ lischen Gate-Materials, beispielsweise Platin, verwen­ det wird, tritt der Vorteil auf, daß solch ein chemi­ scher Feldeffekttransistor auch mit Enzymen oder enzym­ ähnlichen Verbindungen verwendet werden kann.This chemical field effect transistor makes a difference detects itself from known chemical field effect transistors ren that its gate electrode from a coal layer of fabric. The chemical according to the invention Field effect transistor can just like the conventional an ion-selective membrane, a gate insulation layer etc. included. The advantage of a coal Cloth electrode as a gate electrode is that a such a gate electrode an excellent connection offers biological molecules. Especially, if the carbon electrode instead of a metal Use gate material such as platinum det, there is the advantage that such a chemi shear field effect transistor also with enzymes or enzyme similar compounds can be used.

Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsge­ mäßen chemischen Feldeffekttransistors bereit. Bei diesem Verfahren werden zunächst Source- und Drain- Bereiche auf einem Halbleitersubstrat erzeugt. Das kann durch herkömmliche Verfahren der Dotierung durch Ionen­ implantation und Diffusion erfolgen. Im nächsten Ferti­ gungsschritt folgt analog zu MOSFETs die Herstellung des Gate-Oxides. Anschließend wird die Gate-Elektrode durch Aufbringen einer Kohlenstoffelektrode herge­ stellt. Die zugehörigen elektrischen Kontakte können durch übliche Metallisierungsverfahren aufgebracht werden.The present invention also provides also a method for producing the fiction  chemical field effect transistor ready. At this process, source and drain Areas created on a semiconductor substrate. That can by conventional methods of ion doping implantation and diffusion. In the next ferti The manufacturing step follows analogous to MOSFETs of the gate oxide. Then the gate electrode by applying a carbon electrode poses. The associated electrical contacts can applied by conventional metallization processes become.

Das Aufbringen der Kohlenstoffelektrode erfolgt vorzugsweise durch Aufbringen einer kohlenstoffhaltigen Schicht sowie nachfolgender Amorphisierung der Schicht durch Ionenimplantation. Die Strukturierung der Schicht kann vor oder mittels der Ionenimplantation erfolgen.The carbon electrode is applied preferably by applying a carbon-containing one Layer and subsequent amorphization of the layer through ion implantation. The structuring of the layer can be done before or by means of ion implantation.

Insbesondere wird die Ionenimplantation gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens selektiv an durch die Position der Gate-Elektrode vorgegebenen Bereichen der kohlenstoffhaltigen Schicht durchgeführt, wobei nachfolgend die nicht amorphisier­ ten Teile der kohlenstoffhaltigen Schicht mit einem Lösungsmittel entfernt werden.In particular, the ion implantation is according to a preferred embodiment of the method selectively by the position of the gate electrode predetermined areas of the carbon-containing layer carried out, the following being non-amorphous parts of the carbon-containing layer with a Solvents are removed.

Ferner ist ein direktes selektives Schreiben bzw. Überstreichen der kohlenstoffhaltigen Schicht mit fokussierten Ionenstrahlen möglich, um dadurch eine Strukturierung der Schicht zu erzeugen.Furthermore, direct selective writing or Paint over the carbon-containing layer with focused ion beams possible to achieve a To create structuring of the layer.

Alternativ kann die kohlenstoffhaltige Schicht ein photoempfindlicher Lack sein, der durch Belichtung wenig löslich oder gerade leicht löslich in einem Lösungsmittel wird. In diesem Fall kann die Strukturie­ rung durch selektives Belichten des aufgetragenen Lacks und Entfernen des unbelichteten oder belichteten Lacks (je nach verwendetem Photolack) in einem Lösungsmittel vor dem Amorphisieren erfolgen, wodurch ebenfalls eine strukturierte Kohlenstoffschicht in Form einer Kohlen­ stoffelektrode hergestellt wird.Alternatively, the carbon-containing layer can be be photosensitive varnish by exposure little soluble or just slightly soluble in one Solvent. In this case, the structure by selective exposure of the applied varnish and removing the unexposed or exposed paint  (depending on the photoresist used) in a solvent before amorphizing, which also results in a structured carbon layer in the form of a coal fabric electrode is manufactured.

Somit kann die Strukturierung der Kohlenstoff­ schicht zur Bildung der Gate-Elektrode durch herkömm­ liche Lithographieschritte vor der Implantation erfol­ gen und erlaubt somit Linienbreiten der Strukturen bis herab in den Submikrometerbereich. Entsprechend wird eine Strukturierung der Kohlenstoffschichten in den für die Halbleitertechnik erforderlichen Dimensionen ermög­ licht. Bei der Strukturierung durch selektive Bestrah­ lung mit dem Ionenstrahl ist es möglich, Kohlenstoff­ elektroden mit Strukturbreiten zu schaffen, die unter­ halb des Bereiches liegen, der mittels optischer Litho­ graphie erreichbar ist. So können beispielsweise Kohlenstoffelektroden mit einer Strukturbreite unter­ halb 200 bzw. 100 nm bis herab zu 3 nm geschaffen werden.Thus, the structuring of the carbon layer to form the gate electrode by conventional Successful lithography steps before implantation and thus allows line widths of the structures up to down to the submicron range. Accordingly a structuring of the carbon layers in the for the dimensions required for semiconductor technology light. When structuring through selective irradiation With the ion beam it is possible to carbon to create electrodes with structure widths below half of the range, which is by means of optical litho graph is available. For example Carbon electrodes with a structure width below half 200 or 100 nm down to 3 nm become.

Durch die Verwendung dieses einfachen und damit kostengünstigen Verfahrens wird die halbleiterkompati­ ble Herstellung der Gate-Elektrode in Form einer Kohlenstoffelektrode ermöglicht.By using this simple and therefore The semiconductor is cost-effective ble manufacture of the gate electrode in the form of a Allows carbon electrode.

Der erfindungsgemäße chemische Feldeffekttransi­ stor mit einer Kohlenstoff-Gateelektrode bildet darüber hinaus die Grundlage zur Entwicklung von Miniatursystemen zur elektrochemischen Analyse und zur Abnahme von Biosignalen bis hin zu Arrays für Multi­ sensor- und -aktuatoranwendungen. The chemical field effect transi invention forms with a carbon gate electrode also the basis for the development of Miniature systems for electrochemical analysis and for Acceptance of bio signals up to arrays for multi sensor and actuator applications.  

Der erfindungsgemäße chemische Feldeffekttransi­ stor, das erfindungsgemäße CHEMFET-Array sowie das erfindungsgemäße CHEMFET-Meßsystem können vorteilhaf­ terweise zur Bestimmung von REDOX-Potentialen spezifi­ scher Substanzen, zur Konzentrationsbestimmung spezifi­ scher Substanzen sowie zur Steuerung enzymatisch katalysierter Reaktionen verwendet werden.The chemical field effect transi invention stor, the CHEMFET array according to the invention and the CHEMFET measuring system according to the invention can advantageously Specifically for the determination of REDOX potentials sher substances, speci shear substances as well as for the control enzymatically catalyzed reactions can be used.

Insbesondere umfaßt ein interessanter Anwendungs­ bereich die Biosensoren auf der Basis von pH-FETs. Diese sind so aufgebaut, daß die mit einer pH-sensiti­ ven Schicht versehene Kohlenstoffelektrode mit einem immobilisierten Enzym beschichtet ist (Enzym-FET) Werden bei der enzymatisch katalysierten Reaktion saure oder alkalische Reaktionsprodukte frei, also etwa H⁺-Ionen oder NH3, kommt es zu einer von der Substrat­ konzentration abhängigen pH-Verschiebung, welche vom pH-FET gemessen wird.In particular, an interesting area of application includes biosensors based on pH-FETs. These are constructed in such a way that the carbon electrode, which is provided with a pH-sensitive layer, is coated with an immobilized enzyme (enzyme FET). In the enzymatically catalyzed reaction, acidic or alkaline reaction products, for example H etwa ions or NH 3 , are released it to a pH shift dependent on the substrate concentration, which is measured by the pH-FET.

Die vorliegende Erfindung wird in folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigen:The present invention is illustrated in the following an embodiment with reference to the Drawings described in more detail. Here show:

Fig. 1 ein Beispiel für Verfahrensschritte zur Herstellung von strukturierten Kohlenstoff­ schichten; und Figure 1 shows an example of process steps for the production of structured carbon layers. and

Fig. 2 ein Beispiel für den Aufbau eines erfindungs­ gemäßen CHEMFETs im Querschnitt. Fig. 2 shows an example of the structure of an inventive CHEMFET in cross section.

In Fig. 1a, das ein Beispiel für die prinzipielle Erzeugung von Kohlenstoffelektroden darstellt, bezeich­ net Bezugszeichen 5 ein Substrat, das beispielsweise ein p-Typ Siliziumsubstrat sein kann. Bezugzeichen 6 bezeichnet einen n-dotierten Bereich, Bezugzeichen 4 bezeichnet eine SiO2-Schicht, und Bezugszeichen 3 bezeichnet eine kohlenstoffhaltige Schicht, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch eine Photolack­ schicht realisiert ist. Dabei kann der erfindungsgemäße chemische Feldeffekttransistor natürlich auch auf einem aus anderen Einzelkomponenten aufgebauten Feldeffekt­ transistor realisiert sein.In FIG. 1 a, which represents an example of the basic production of carbon electrodes, reference numeral 5 denotes a substrate, which can be, for example, a p-type silicon substrate. Reference numeral 6 denotes an n-doped region, reference numeral 4 denotes an SiO 2 layer, and reference numeral 3 denotes a carbon-containing layer, which is realized by a photoresist layer in accordance with the present embodiment. The chemical field effect transistor according to the invention can of course also be implemented on a field effect transistor constructed from other individual components.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzte kohlenstoffhaltige Schicht kann beispielsweise eine Novolack-Schicht sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann sie insbesondere, wie vorstehend beschrieben, eine photoempfindliche Schicht aus einem Photoresist- Material sein. Wenn die kohlenstoffhaltige Schicht photoempfindlich ist, kann sie leicht unter Verwendung der typischerweise verwendeten Belichtungsverfahren strukturiert werden. Außer Novolack sind auch Polyimid (PI) oder ähnliche Materialien, beispielsweise photo­ empfindliche Schichten aus Polymethylmethacrylat- (PMMA-) Lack denkbar.The used according to the present invention carbon-containing layer can, for example Novolac layer. According to the present invention can, in particular, as described above, a photosensitive layer of a photoresist Material. If the carbonaceous layer is photosensitive, it can easily be used of the exposure methods typically used be structured. In addition to novolak, there are also polyimide (PI) or similar materials, for example photo sensitive layers of polymethyl methacrylate (PMMA) lacquer conceivable.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung gehen davon aus, daß durch die Ionenimplantation einerseits der Kohlenstoff in der kohlenstoffhaltigen Schicht amorphisiert wird, andererseits in der kohlenstoffhal­ tigen Schicht enthaltene Sauer- oder Wasserstoffatome abgespalten werden. Daher wird vorzugsweise eine kohlenstoffhaltige Schicht eingesetzt, die aus einer organischen Kohlenstoff-Verbindung aufgebaut ist. Insbesondere wird bevorzugt, daß die kohlenstoffhaltige Schicht aus einem Polymer besteht, speziell einem Polymer, bei dem die Polymerkette aus Kohlenstoffatomen aufgebaut ist. Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, daß die kohlenstoffhal­ tige Schicht außer Kohlenstoff nur Elemente enthält, die durch die durch die Ionenimplantation zugeführte Energie abgespalten werden können. Beispiele für diese Elemente umfassen Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Chlor.The inventors of the present invention go assume that by ion implantation on the one hand the carbon in the carbonaceous layer is amorphized, on the other hand in the kohlstoffhal term layer contained acid or hydrogen atoms be split off. Therefore, a carbon-containing layer used, which consists of a organic carbon compound is built. In particular, it is preferred that the carbonaceous Layer consists of a polymer, especially one Polymer in which the polymer chain consists of carbon atoms  is constructed. Furthermore, according to the present Invention particularly preferred that the kohlstoffhal layer contains only elements apart from carbon, the one supplied by the ion implantation Energy can be split off. Examples of this Elements include hydrogen, oxygen, nitrogen and chlorine.

Auch eine nicht notwendigerweise photoempfindliche kohlenstoffhaltige Schicht kann gemäß der vorliegenden Erfindung in einfacher Weise dadurch strukturiert werden, daß nach der Amorphisierung durch Ionenimplan­ tation die verbliebene Kohlenstoffschicht in Lösungs­ mitteln unlöslich ist. Entsprechend kann durch eine selektive Ionenimplantation an vorbestimmten Stellen, beispielsweise unter Verwendung einer FIB("Focussed Ion Beam")-Vorrichtung oder einer Maske die Kohlenstoff­ schicht nach Wunsch strukturiert werden.Also not necessarily a photosensitive one carbon-containing layer can according to the present Invention structured in a simple manner be that after the amorphization by ion implant the remaining carbon layer in solution is insoluble. Accordingly, by a selective ion implantation at predetermined locations, for example using a FIB ("Focussed Ion Beam ") device or mask the carbon layer can be structured as desired.

Zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements mit Kohlenstoffelektrode werden zunächst die Herstellungs­ schritte der jeweils eingesetzten Bauelemente (z. B. chemische Feldeffekttransistoren, integrierte Verstär­ kerschaltungen etc.) durchgeführt und eine Passivie­ rungs- und Schutzschicht 4 abgeschieden. Analog zu den in der Halbleitertechnik standardisierten Strukturie­ rungsverfahren wird dann die Photolackschicht 3 auf die Prozeßscheibe aufgeschleudert, ausgebacken und bei­ spielsweise unter Verwendung einer Maske 2 mit entspre­ chender Belichtungsstrahlung 1 belichtet.To produce a semiconductor component with a carbon electrode, the manufacturing steps of the components used in each case (for example chemical field effect transistors, integrated amplifier circuits etc.) are first carried out and a passivation and protective layer 4 is deposited. The photoresist layer is approximately analogous to the standardized procedure in the semiconductor art structuring then spun 3 on the process wafer, baked and exposed at play, using a mask 2 with entspre chender exposure radiation. 1

Dies wird durch den Einsatz von parallelen (DUV-, UV-Belichtung usw.) oder auch seriellen (Elektronen-, Ionen-, Röntgenstrahl- usw.) Belichtungsverfahren durchgeführt. Anschließend wird der Lack entwickelt, d. h. an den nicht für Elektroden vorgesehenen Flächen entfernt, wie in Fig. 1b gezeigt ist.This is done by using parallel (DUV, UV exposure, etc.) or serial (electron, ion, X-ray, etc.) exposure methods. The lacquer is then developed, ie removed on the surfaces not intended for electrodes, as shown in FIG. 1b.

Anschließend wird die Lackschicht durch Ionen­ implantation amorphisiert, wie in Fig. 1c gezeigt ist. In Fig. 1c bezeichnet Bezugszeichen 7 die zur Ionen­ implantation verwendeten Ionenstrahlen. Um eine voll­ ständige Amorphisierung des Photolacks zu erzielen, sind die Dicke der Schichten und die Ionenenergien passend aufeinander abzustimmen. Beispielsweise können bei Verwendung von Phosphor und einer Ionenenergie von 200 keV Lacke bis zu einer Dicke von 400 nm vollständig durch Implantation modifiziert werden. Generell gilt: je leichter die Ionen, desto dickere Lackschichten können verwendet werden. Dickere Lackschichten haben in diesem Zusammenhang den Vorteil, daß sie leichter strukturiert werden können. Entsprechend ist es bevorzugt, leichte Ionen zu verwenden, wobei allgemein hinsichtlich der verwendeten Ionen keine Einschränkung gilt. Generell werden außerdem Lackdicken im Bereich von einigen nm bis in den µm-Bereich bevorzugt.The lacquer layer is then amorphized by ion implantation, as shown in FIG. 1c. In Fig. 1c, reference numeral 7 designates the ion beams used for ion implantation. In order to achieve a complete amorphization of the photoresist, the thickness of the layers and the ion energies must be matched to one another. For example, when using phosphorus and an ion energy of 200 keV, coatings up to a thickness of 400 nm can be completely modified by implantation. In general, the lighter the ions, the thicker layers of paint can be used. In this context, thicker layers of lacquer have the advantage that they can be structured more easily. Accordingly, it is preferred to use light ions, with no general limitation on the ions used. In addition, lacquer thicknesses in the range from a few nm to the µm range are generally preferred.

Durch eine Variation der Ionendosis ist darüber hinaus die Einstellung der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit möglich. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führen dies darauf zurück, daß durch die Ionenimplantation nicht nur der Kohlenstoff amor­ phisiert wird sondern auch noch eine Dotierung stattfindet. Die größten Veränderungen in der Leit­ fähigkeit des Kohlenstoffs werden jedoch nur im Dosisbereich von 1014 bis 1016 Ionen/cm2 erzielt, höhere Dosen führen dann nur noch zu geringfügigen Änderungen der physikalischen Eigenschaften.The desired electrical conductivity can also be set by varying the ion dose. The inventors of the present invention attribute this to the fact that not only the carbon is amorized by the ion implantation but also a doping takes place. However, the greatest changes in the conductivity of the carbon are only achieved in the dose range from 10 14 to 10 16 ions / cm 2 , higher doses then only lead to minor changes in the physical properties.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 betrifft einen chemischen Feldeffekttransistor, der als REDOXFET einsetzbar ist. In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 5 das Substrat, beispielsweise aus p-dotiertem Silizium, in dem der leitfähige Kanal ausgebildet ist, Bezugszei­ chen 11 bezeichnet den Source-Kontakt, und Bezugszei­ chen 12 bezeichnet den Drain-Kontakt, die jeweils aus n⁺-dotiertem Silizium gebildet sein können. Bezugszei­ chen 14 bezeichnet eine Isolationsschicht, beispiels­ weise aus SiO2, und Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Zuführungsleitung zu dem Source- und dem Drain-Kontakt, beispielsweise aus Aluminium. Bezugszeichen 13 bezeich­ net die Gate-Elektrode, die als eine Kohlenstoffelek­ trode ausgebildet ist.An embodiment according to FIG. 2 relates to a chemical field effect transistor that can be used as a REDOXFET. In FIG. 2, reference symbol 5 denotes the substrate, for example made of p-doped silicon, in which the conductive channel is formed, reference symbol 11 denotes the source contact, and reference symbol 12 denotes the drain contact, which each consist of n⁺- doped silicon can be formed. Reference numeral 14 denotes an insulation layer, for example made of SiO 2 , and reference numeral 15 denotes a supply line to the source and drain contact, for example made of aluminum. Reference numeral 13 designates the gate electrode, which is designed as a carbon electrode.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen REDOXFETs wird im Anschluß an die aus den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines chemischen Feldeffekttransistors bekannten Fertigungsschritte für den Transistor und die Signalverarbeitung die Kohlenstoffschicht 13 durch das erfindungsgemäße Verfahren auf den Gatebereich des REDOXFETs aufgebracht, wie in Fig. 2 gezeigt ist, so daß die Kohlenstoffschicht eine Kohlenstoff-Gate- Elektrode bildet. Nach Immobilisieren einer ionenselek­ tiven Membran auf der Gate-Elektrode ist beispielsweise die Aktivitätsänderung von Ionen aufgrund der sich ergebenden Änderung des Gate-Oberflächenpotentials möglich. To prepare the REDOXFETs invention, the carbon layer 13 is applied by the inventive method on the gate region of the REDOXFETs following known from the conventional process for the production of a chemical field effect transistor fabrication steps for the transistor and the signal processing, as shown in Fig. 2, so that the carbon layer forms a carbon gate electrode. After immobilizing an ion-selective membrane on the gate electrode, for example, the activity change of ions is possible due to the resulting change in the gate surface potential.

Dieser REDOXFET mit einer Gate-Elektrode, die eine Kohlenstoffelektrode umfaßt, gestattet nun die Verwen­ dung enzymatischer Systeme, die auf der Kohlenstoff­ schicht immobilisiert werden können. Dies bietet die Möglichkeit, Konzentrationen von Substanzen zu erfas­ sen, die nur mittels enzymatischer Reaktion nachweisbar sind. Durch Zusammenfügen mehrerer Sensoren zu einem Array kann eine miniaturisierte Analyseeinheit aufge­ baut werden. Verbunden mit den Methoden der Fließ- Injektionsanalyse ist die vollständige Automatisierung des Meßsystems möglich.This REDOXFET with a gate electrode, the one Includes carbon electrode, now allows use of enzymatic systems based on carbon layer can be immobilized. This is what the Possibility to measure concentrations of substances sen, which can only be detected by means of an enzymatic reaction are. By combining several sensors into one Array can set up a miniaturized analysis unit be built. Associated with the methods of flow Injection analysis is complete automation of the measuring system possible.

In Umkehrung der Sensoreigenschaft kann auch die Aktuatoreigenschaft des REDOXFETs ausgenutzt werden, so daß durch den erfindungsgemäßen REDOXFET die elek­ trische Steuerung enzymatisch katalysierter Reaktionen möglich ist, wenn ein elektrisch zu aktivierendes Enzym auf die Kohlenstoffelektrode aufgebracht wird, dessen Aktivität durch Ändern des Potentials der Kohlenstoff- Gate-Elektrode gesteuert werden kann.The sensor property can also be reversed Actuator property of the REDOXFETs can be exploited, so that by the REDOXFET invention the elek tric control of enzymatically catalyzed reactions is possible if an enzyme to be activated electrically is applied to the carbon electrode, the Activity by changing the potential of carbon Gate electrode can be controlled.

Claims (22)

1. Chemischer Feldeffekttransistor mit auf einem Halbleitersubstrat (5) angeordneten Source- und Drain-Bereichen (11, 12), die durch einen leiten­ den Kanal miteinander verbunden sind, und einer Gate-Elektrode (13), dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode durch eine Kohlenstoffelek­ trode gebildet wird.1. Chemical field effect transistor with on a semiconductor substrate ( 5 ) arranged source and drain regions ( 11 , 12 ), which are connected to one another by a conductive channel, and a gate electrode ( 13 ), characterized in that the gate Electrode is formed by a carbon electrode. 2. Chemischer Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffelektrode aus einer amorphen Kohlenstoffschicht besteht.2. Chemical field effect transistor according to claim 1, characterized, that the carbon electrode from an amorphous Carbon layer exists. 3. Chemischer Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffelektrode eine Strukturbreite von weniger als 200 nm aufweist.3. Chemical field effect transistor according to claim 1 or 2, characterized, that the carbon electrode has a structure width of less than 200 nm. 4. Chemischer Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drain-Bereiche (11, 12) durch n⁺-dotierte Halbleiterbereiche realisiert sind, und das Substrat (5) einschließlich des leitenden Kanals durch einen p-dotierten Halbleiterbereich gebildet ist. 4. Chemical field effect transistor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the source and drain regions ( 11 , 12 ) are realized by n⁺-doped semiconductor regions, and the substrate ( 5 ) including the conductive channel by a p -doped semiconductor region is formed. 5. Chemischer Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß auf der Kohlenstoffelektrode eine pH-sensitive Schicht aufgebracht ist.5. Chemical field effect transistor according to one of the Claims 1 to 4, characterized that a pH sensitive on the carbon electrode Layer is applied. 6. Chemischer Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der chemische Feldeffekttransistor als Feld­ effekttransistor zur Redoxpotentialmessung ausge­ staltet ist.6. Chemical field effect transistor according to one of the Claims 1 to 5, characterized, that the chemical field effect transistor as a field Effect transistor for redox potential measurement is designed. 7. Chemischer Feldeffekttransistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der chemische Feldeffekttransistor ein immobi­ lisiertes Enzym enthält, welches auf der mit der pH-sensitiven Schicht versehenen Kohlenstoffelek­ trode aufgebracht ist.7. Chemical field effect transistor according to claim 6, characterized, that the chemical field effect transistor is an immobi lized enzyme, which on the with the pH-sensitive layer provided carbon electrodes trode is applied. 8. Verfahren zur Herstellung eines chemischen Feldeffekttransistors nach Anspruch 1 mit den Schritten:
  • - Bereitstellen von Source- und Drain-Bereichen (11, 12), die durch einen leitenden Kanal mitein­ ander verbunden sind, auf einem Halbleitersubstrat (5); und
  • - Bereitstellen einer Gate-Elektrode (13);
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Bereitstellen der Gate-Elektrode durch Herstellung einer Kohlenstoffelektrode erfolgt.
8. A method for producing a chemical field effect transistor according to claim 1, comprising the steps:
  • - Providing source and drain regions ( 11 , 12 ), which are connected to one another by a conductive channel, on a semiconductor substrate ( 5 ); and
  • - Providing a gate electrode ( 13 );
    characterized,
    that the provision of the gate electrode is carried out by producing a carbon electrode.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung einer Kohlenstoffelektrode die Schritte umfaßt:
  • - Aufbringen einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf das Halbleitersubstrat (5); und
  • - Amorphisieren der kohlenstoffhaltigen Schicht durch Ionenimplantation.
9. The method according to claim 8, characterized in that the production of a carbon electrode comprises the steps:
  • - Applying a carbon-containing layer on the semiconductor substrate ( 5 ); and
  • - Amorphization of the carbon-containing layer by ion implantation.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltige Schicht eine organische kohlenstoffhaltige Schicht ist.10. The method according to claim 9, characterized, that the carbon-containing layer is an organic carbon-containing layer. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltige Schicht aus Novolack besteht.11. The method according to claim 9 or 10, characterized, that the carbon-containing layer of novolac consists. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation selektiv in vorbestimmte Bereiche der kohlenstoffhaltigen Schicht erfolgt, und daß anschließend nicht amorphisierte Bereiche der kohlenstoffhaltigen Schicht mit einem Lösungs­ mittel entfernt werden.12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized, that the ion implantation selectively into predetermined Areas of the carbon-containing layer takes place and that subsequently non-amorphized areas the carbon-containing layer with a solution medium be removed. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kohlenstoffhaltige Schicht ein photo­ empfindlicher Lack ist. 13. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized, that the carbon-containing layer is a photo sensitive paint.   14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein photoempfindlicher Lack eingesetzt wird, der nach einer Belichtung eine verringerte Lös­ lichkeit in einem Lösungsmittel aufweist, wobei vor dem Schritt des Amorphisierens die Schritte erfolgen:
  • - selektives Belichten des aufgetragenen Lacks; und
  • - Entfernen von unbelichtetem Lack mit dem Lö­ sungsmittel.
14. The method according to claim 13, characterized in that a photosensitive lacquer is used which, after exposure, has a reduced solubility in a solvent, the steps taking place before the amorphizing step:
  • - selective exposure of the applied lacquer; and
  • - Remove unexposed paint with the solvent.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein photoempfindlicher Lack eingesetzt wird, der nach einer Belichtung eine erhöhte Löslichkeit in einem Lösungsmittel aufweist, wobei vor dem Schritt des Amorphisierens die Schritte erfolgen:
  • - selektives Belichten des aufgetragenen Lacks; und
  • - Entfernen von belichtetem Lack mit dem Lösungs­ mittel.
15. The method according to claim 13, characterized in that a photosensitive lacquer is used which, after exposure, has an increased solubility in a solvent, the steps taking place before the amorphization step:
  • - selective exposure of the applied lacquer; and
  • - Remove exposed paint with the solvent.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation mit Arsen- oder Phos­ phorionen erfolgt.16. The method according to any one of claims 9 to 15, characterized, that the ion implantation with arsenic or Phos phorions occurs. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Ionenimplantation verwendete Ionendosis 1014 bis 1016 Ionen/cm2 beträgt. 17. The method according to any one of claims 9 to 16, characterized in that the ion dose used for the ion implantation is 10 14 to 10 16 ions / cm 2 . 18. CHEMFET-Array mit einer Vielzahl von chemischen Feldeffekttransistoren nach einen der Ansprüche 1 bis 7.18. CHEMFET array with a variety of chemical Field effect transistors according to one of claims 1 to 7. 19. CHEMFET-Meßsystem mit einem CHEMFET-Array nach Anspruch 18 in Form einer Durchflußzelle sowie einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung der er­ haltenen Meßwerte.19. CHEMFET measuring system with a CHEMFET array after Claim 18 in the form of a flow cell and an evaluation device for evaluating the measured values. 20. Verwendung des chemischen Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, des CHEMFET-Ar­ rays nach Anspruch 18 oder des CHEMFET-Meß­ systems nach Anspruch 19 zur Bestimmung von REDOX-Po­ tentialen spezifischer Substanzen.20. Use of the chemical field effect transistor according to one of claims 1 to 7, the CHEMFET-Ar rays according to claim 18 or the CHEMFET measurement systems according to claim 19 for the determination of REDOX-Po potential of specific substances. 21. Verwendung des chemischen Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, des CHEMFET-Ar­ rays nach Anspruch 18 oder des CHEMFET-Meß­ systems nach Anspruch 19 zur Konzentrationsbestim­ mung spezifischer Substanzen.21. Use of the chemical field effect transistor according to one of claims 1 to 7, the CHEMFET-Ar rays according to claim 18 or the CHEMFET measurement systems according to claim 19 for determining the concentration specific substances. 22. Verwendung des chemischen Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, des CHEMFET-Ar­ rays nach Anspruch 18 oder des CHEMFET-Meß­ systems nach Anspruch 19 zur Steuerung enzymatisch katalysierter Reaktionen.22. Use of the chemical field effect transistor according to one of claims 1 to 7, the CHEMFET-Ar rays according to claim 18 or the CHEMFET measurement systems according to claim 19 for control enzymatically catalyzed reactions.
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