DE3226555A1

DE3226555A1 - Ionenempfindliche halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE3226555A1
Application number: DE19823226555
Authority: DE
Inventors: Félix 2016 Cortaillod Rudolf
Original assignee: FONDATION SUISSE POUR LA RECHERCHE EN MICROTECHNIQUE
Current assignee: FONDATION SUISSE POUR LA RECHERCHE EN MICROTECHNIQUE
Priority date: 1981-07-24
Filing date: 1982-07-16
Publication date: 1983-02-24
Also published as: DE3226555C2; GB2103014B; JPS5870155A; GB2103014A; FR2510260B1; JPH0153745B2; US4636827A; FR2510260A1; CH649173A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ionenempfindliche Halbleiteranordnungen im allgemeinen und betrifft insbesondere Anordnungen mit einem Feldeffekttransistor. Neuartige Anordnungen wurden kürzlich zur Erfassung und Messung chemischer Eigenschaften entwickelt wie der Ionenaktivität in einem flüssigen Milieu. Unter diesen bekannten Anordnungen ist der ISFET Transistor zu nennen (Ion-Sensitive Field Effect Transistor), dessen Aufbau und Funktionsweise beispielsweise in der US-PS 4 020 830 beschrieben sind. Der ISFET ist ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, das durch eine leitfähige Lösung ersetzt ist und dessen Isolierschicht in spezifischer Weise mit bestimmten, in der Lösung enthaltenen Ionen reagiert. Das Ansprechen des ISFET hängt demgemäß von der Natur und Konzentration von Ionen in der Lösung ab. Eines der bei bekannten Strukturen vorliegenden Probleme besteht darin, die Interferenz zwischen der Lösung und den rein elektronischen Komponenten zu vermeiden, also mit der Kanalzone, der Sourcezone, der Drainzone und den Anschlüssen. Die Materialien und Techniken für die Einkapselung, die gegenwärtig üblich sind, erlauben es nicht, vollständig diesen Nachteil zu vermeiden. Darüberhinaus muß die empfindliche Schicht, die im Kontakt mit der Lösung und der Kanalzone steht, relativ dünn sein, typischerweise in der Größen-Ordnung von 0,1 Mikron, um eine gute Funktionsweise des Transistors sicher zu stellen. Diese empfindliche Schicht muß dabei gleichermaßen als Barriere für die Migration

der Ionen in der Lösung in Richtung auf die elektronische Anordnung dienen und man versteht ohne weiteres, daß diese Barriere um so weniger wirkungsvoll ist, je geringer ihre Dicke ist.

Ein bekanntes Verfahren zum Vermeiden der Interferenzen zwischen der Lösung und den Kontakten von Drain und Source besteht darin, quer durch das Substrat tiefe Diffusionen vorzusehen und die Anschlüsse von Drain und Source auf der Rückseite des Chips vorzunehmen. Diese Methode bringt den Vorteil mit sich, alle Verbindungszonen auf der in Kontakt mit der Lösung stehenden Seite zu eliminieren. Die Ausführung solcher tiefer Diffusionen quer durch das Substrat ist jedoch nicht kompatibel mit den standardisierten technologischen Verfahren und diese Diffusionen sind im übrigen ziemlich schlecht steuerbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, eine ionenempfindliche Halbleiteranordnung vom Feldeffekttransistortyp zu schaffen, welche die oben erwähnten Nachteile nicht aufweist.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1.

Demgemäß umfaßt die Anordnung einen Feldeffekttransistor, ausgebildet auf einem Substrat und mit einem schwimmenden Gate , das sich über die Transistorzone hinaus er— streckt und der eine empfindliche, kapazitiv an das schwimmende Gate angekoppelte Schicht außerhalb der Transistorzone aufweist.

Dabei wird der Feldeffekttransistor vorzugsweise auf einer ersten Seite des Substrats ausgebildet, während die empfindliche Schicht auf der zweiten Seite des Substrats ausgebildet wird.

Auf diese Weise ist die elektronische Partie der Anordnung auf derjenigen Seite des Substrats angeordnet, die jener gegenübedjegt, welche in Kontakt mit dem Elektrolyten steht.- Es ist demgemäß leichter, die Isolation dieser elektronischen Partie zu realisieren. Ein weiterer Vorteil re-

sultiert aus der kapazitiven Ankopplung zwischen der empfindlichen Schicht und cfem schwimmenden Gitter oder Gate. Das Dielektrikum dieses Koppelkondensators, das zugleich als Barriere gegen die Ionenmigration dient, kann relativ dick sein, da seine Oberfläche groß sein darf. Wichtig ist nämlich allein der Gesamtwert der Kapazität des Koppelkondensators für die korrekte Funktion der Anordnung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei das Zusammenwirken der Einzelmerkmale sich aus der nachstehenden Erläuterung von bevorzugten Ausführungsbeispielen ergibt, welche in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt eine Struktur eines Feldeffekttransistors, der ionenempfindlich ist, nach der im Stand der Technik bekannten Bauweise.
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Fig. 2 zeigt eine erste ionenempfindüche Anordnung gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung und

Fig. 3 zeigt eine zweite ionenempfindliche An

ordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 bezieht sich auf den Stand der Technik und zeigt im Schnitt eine bekannte Struktur eines Feldeffekttransistors, der als elektrochemischer Wandler ausgebildet ist. Diese Struktur umfaßt ein Substrat 10 aus Silicium, das ρ dotiert ist, zwei getrennte Zonen 11 und 12 mit η Diffusion, welche die Source bzw. den Drain bilden, eine Isolierschicht 13, typischerweise aus SiO-t eine Schutzschicht 14, beispielsweise aus Si₃N₄, und eine empfindliche Schicht 15. Die empfindliche Schicht 15 ist in Kontakt mit

einem Elektrolyten, in dem eine Bezugselektrode 16 eingetaucht ist. Die empfindliche Schicht 15 ist vorgesehen zum Reagieren mit den Ionen eines bestimmten Typs im Elektrolyten unter Erzeugung eines elektrochemischen Oberflächenpotentials, das das elektrische Feld in der Kanalzone moduliert. Das Oberflächenpotential hängt von der Reaktionsgeschwindigkeit ab, die ihrerseits abhängt von der Konzentration der betreffenden Ionen eines bestimmten Typs im Elektrolyten. Änderungen dieser Konzentration führen zu Veränderungen des Leitstroms, gemessen mittels Amperemeter 19.

In einer Struktur, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, befinden sich die Kontaktzonen von Drain und Source (nicht dargestellt) auf der Seite des Elektrolyten, was unter Berücksichtigung der für die Einkapselung verwendeten Materialien nicht erlaubt, eine Langzeitstabilität der Anordnung sicherzustellen. Darüberhinaus ist die Dicke des Gateoxids 13 und der Schutzschicht 14 hinreichend schwach in der Kanalzone zu bemessen, daß die Funktion der Anordnung sichergestellt wird. Diese geringe Dicke jedoch bildet gleichermaßen einen Nachteil in dem Sinne, daß sie die Wirksamkeit der Schutzschicht 14 beeinträchtigt.

Demgemäß wird gemäß der Erfindung eine Struktur für einen Feldeffekttransistor vorgeschlagen, der ionenempfindlich ist und ein schwimmendes Gate aufweist, wobei die empfindliche Schicht sich auf der diesem schwimmenden Gitter abgewandten Seite befindet. Eine Aufbau gemäß dem Prinzip der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die zu den Elementen der Fig. 1 analogen Elemente mit den gleichen Bezugszahlen markiert sind. Man erkennt hier einen Feldeffekttransistor mit einem Kana vom Typ η mit einem Substrat 10 aus ρ Silicium, zwei Diffusionen 10 und 11 vom η Typ für Source und Drain sowie eine Isolierschicht SiO- 13, deren verdünnter Abschnitt 13a das Gateoxid darstellt. Das Gate 20, realisiert beispielsweise aus Aluminium oder aus polykristallinem dotiertem Silicium ist schwimmend und kapazitiv über eine dünne Oxidschicht 13b

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an die empfindliche Schicht 15 angekoppelt. Diese empfindliche Schicht 15 befindet sich auf der anderen Seite des Silicium-Chips, der vorher geätzt worden ist, um das Silicium in dem Bereich der dünnen Oxidschicht 13b abzutragen. Eine Isolierschicht 13 aus SiO₂ ist zwischen das

Substrat 10 und die empfindliche Schicht 15 geschaltet zum Verringern des Einflusses des Elektrolyten auf den Transistor. Die Struktur umfaßt ferner Kontaktzonen für Drain und Source, die nicht dargestellt sind, weil sie außerhalb der Schnittebene liegen, jedoch auf der Oberseite, d.h. auf der Seite gegenüber jener in Kontakt mit dem Elektrolyten. Die Oberseite ist ferner mit einer Isolierschicht 21 abgedeckt, welche das schwimmende Gate 20 isoliert.

Die Oxidschicht 13b, die als Dielektrikum des von dem schwimmenden Gate 20 einerseits und der empfindlichen Schicht 15 andererseits gebildeten Kondensators dient, kann dick sein unter der Voraussetzung, daß ihre Oberfläche groß ist, weil es der Gesamtwert der Koppelkapazität ist, auf den es ankommt. Es ist demgemäß möglich, eine wirksame Barriere gegen die Ionenmigration aus dem Elektrolyten in das schwimmende Gate zu realisieren.

Das Sxlicxumsubstrat 10 ist ein opaques Material, das infolgedessen den Transistor gegen Licht schützt,welches aus dem Elektrolyten herrühren könnte. Dies ergibt sich direkt aus den Merkmalen des erfindungsgemäßen Aufbaus.

Fig. 3 zeigt im Schnitt ein weiteres Beispiel für die Realisierung der Erfindung mit Hilfe einer Technologie auf einem isolierenden Substrat, etwa aus Saphir. Auf einem Saphirsubstrat 30 werden mit Hilfe der SOS Technologie (Silicon On Sapphire) welche konventionell ist, drei Zonen 31, 32 und 33 aus dotiertem Silicium mit alternierenden Polaritäten aufgebracht, welche jeweils Source, Kanal bzw. Drain eines Transistors bilden. Das schwimmende Gate 40 kann aus polykristallinem in üblicher Weise dotiertem Silicium realisiert werden. Eine Isolierschicht 34 aus SlO₂ überdeckt das schwimmende Gate 40 ebensowie die Zonen von Source, Kanal und Drain.

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Die Unterseite des Saphirplättchens wird maschinell bearbeitet, beispielsweise mit 'Ultraschall derart, daß sich eine Membran 41 einer Dicke von etwa 10 Micron gegenüber dem schwimmenden Gate ergibt. Diese Membran 41 dient gleichzeitig als empfindliche Schicht, als Barriere gegen die Ionenmigration und als Dielektrikum des Koppelkondensators zwischen der empfindlichen Schicht und dem schwimmenden Gate. Eine solche Anordnung kann als pH-Fühler eingesetzt werden, wobei der Saphir ein selektives Ansprechverhalten auf H -Ionen aufweist. Eine opaque Beschichtung 4 2 kann auf der Unterseite aufgebracht werden, um die Wirkung von Licht auf den Transistor zu unterdrücken.

Im Falle der Ausbildung der Anordnung auf einem isolierenden Substrat mit einer empfindlichen Schicht aus einem von dem des Substrats abweichenden Material ist es möglich, diese empfindliche Schicht auf derselben Seite aufzubringen wie den elektronischen Teil Diese sensible Schicht wird jedoch immer kapazitiv an das schwimmende Gate des Transistors in einem Bereich angekoppelt , der abliegt von der Zone des eigentlichen Transistors.

Die beiden beschriebenen Ausführungsformen sind nur als Beispiel zu verstehen und es versteht sich, daß sie die Tragweite der Erfindung nicht beschränken sollen. Insbesondere ist offensichtlich, daß andere bekannte Schichten als Barriere gegen Ionen dienen können und in diesem Sinne einsetzbar sind. Als Beispiel ist SigN. zu nennen. Es ist ebenso offensichtlich, daß andere Materialien als die genannten bei der Struktur gemäß der Erfindung anwendbar sind. Solche Materialien sind hinsichtlich ihrer elektrochemischen Eigenschaften bekannt und wurden bereits als empfindliche Elemente verwendet. Man kann beispielsweise die Oxide von Aluminium oder Tantal nennen, Gläser, Ionenaustauscher in einer PVC-Matrix oder einen Photoresist.

Claims

Ansprüche

/ 1.J Halbleiteranordnung, die selektiv auf Ionen einer Lösung ansprechend ausgebildet ist, der die Anordnung ausgesetzt wird mit einer empfindlichen Schicht (15) und einem Feldeffekttransistor, gebildet aus einer Sourcezone (11,31), einer Kanalzone (32), einer Drainzone (12,33), realisiert auf einem Substrat (10,30) und einem Gate (20,40), das von den genannten Source-, Kanal-und Drainzonen durch eine Iso]ierschicht (13,34) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (20,40) schwimmend ist und kapazitiv an die empfindliche Schicht (15) außerhalb der Source-, Kanal- und Drainzonen angekoppelt ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die empfindliche Schicht auf der Seite des Substrats ausgebildet ist, axe derjenigen abgewandt ist, auf der der Transistor

15 ausgebildet ist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Kopplung über eine dünne Membran (13b,41) aus isolierendem Material realisiert ist.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) ein Halbleitermaterial ist.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (30) ein Isoliermaterial ist.