DE3308656C2

DE3308656C2 -

Info

Publication number: DE3308656C2
Application number: DE19833308656
Authority: DE
Inventors: Max Dr. Kuisl; Jutta Richter; Hans 7900 Ulm De Merk
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1983-03-11
Filing date: 1983-03-11
Publication date: 1992-02-13
Also published as: DE3308656A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer für Natriumionen sensitiven Schicht nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Schicht, die bei einem ionensensitiven Feldeffekttransistor, der auch ISFET genannt wird, anwendbar ist.

Der ionensensitive Feldeffekttransistor (ISFET) ist ein Halbleiterbauelement zur Messung von Ionen in wässerigen Lösungen. Es besteht aus einem Feldeffekttransistor, dessen Gatemetallisierung durch eine Elektrolytlösung und eine darin eintauchende Bezugselektrode ersetzt ist. Werden ionensensitive Materialien als dünne Schicht auf die Gateflächen des Transistors aufgebracht, so reagiert dieser selektiv auf bestimmte Ionen. Aus der Zeitschrift IEEE Transactions on Biomedical Engineering, BME-25 (1981), Seiten 184 bis 191, ist eine Natrium(Na)ionen-sensitive Schicht bekannt, zu deren Herstellung eine Lösung verwendet wird, die Orthokieselsäuretetraethylester, Aluminiumtributylat und Natriummethylat enthält. Diese Lösung wird durch Aufschleudern ("spin-on-Verfahren") auf ein entsprechendes ISFET-Halbleiterbauelement aufgebracht. Diese Lösung hat den Nachteil, daß die erwähnten chemischen Bestandteile so stark hygroskopisch sind, daß deren gewerblicher Einsatz unwirtschaftliche Sicherheit- und/oder Vorsichtsmaßnahmen erfordert. Aus der Zeitschrift Biophys. Journal, Vol. 2, (1962), Seiten 259 bis 323, sind weiterhin Natrium-Aluminium-Silikatgläser bekannt, deren Selektivität gegenüber Natrium zunimmt, wenn der Aluminiumgehalt des Glases steigt, bei gleichbleibendem Si-Gehalt. Eine dort angegebene vorteilhafte Na-sensitive Schicht enthält 25 Gew.-% Na, 25 Gew.-% Al und 50 Gew.-% Si. Eine derartig zusammengesetzte Schicht ist jedoch nicht herstellbar aus einer Lösung, die in einem Aufschleuderverfahren für Halbleiterbauelemente anwendbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend zu verbessern, daß eine wirtschafliche Herstellung einer für Na⁺-Ionen empfindlichen Schicht ermöglicht, die insbesondere auf einem Halbleiterbauelement (ISFET) angebracht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Erfindung beruht auf einem Silizium-Aluminium-Ester mit der allgemeinen Form

bei der R, R′ Alkylgruppen bedeuten. Die angegebene Form des Esters bezeichnet lediglich eine durchschnittliche Zusammensetzung, da der Ester im allgemeinen nicht als einheitliche Substanz vorliegt. Es ist jedoch ein Verhältnis von Al zu Si von ungefähr 1 : 1 vorgegeben. Der Ester ist so stark hygroskopisch, daß die in der allgemeinen Raumluft vorhandene Luftfeuchtigkeit von ungefähr 50% relativer Feuchte ausreicht, um bei einem in der Halbleitertechnologie geläufigem Aufschleudervorgang ("spin-on-Verfahren") eine Schichtbildung zu bewirken. Diese Eigenschaften des Esters ermöglichen eine kostengünstige Herstellung einer Na⁺-ionensensitiven Schicht für einen ISFET mit einer aufschleuderbaren Lösung (spin-on-Lösung), die beispielsweise mit folgenden Substanzen angesetzt wird:

5 ml Al-Si-Ester mit R=C₂H₅
R′=C₄H₉ (sek)

0,13 g Natrium
30 g Ethanol
1 ml Polypropylenglycol

Dabei dient das schwerflüchtige Lösungsmittel Polypropylenglycol als Weichmacher, der eine Verkrustung der aufgeschleuderten Schicht vermeidet. Nach dem Aufschleudern bei ungefähr 6000 U/min und einer Temperung bei ungefähr 1000°C entsteht auf einem Halbleiterbauelement (ISFET) eine ungefähr 75 nm dicke Schicht, die ungefähr 22 Gewichtsprozent (Gew.-%) Na₂O, 33 Gew.-% Al₂O₃ und 45 Gew.-% SiO₂ enthält. Diese Zusammensetzung entspricht ungefähr dem Kationenverhältnis der angesetzten Lösung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer für Natriumionen sensitiven Schicht, die insbesondere auf einen ionensensitiven Feldeffekttransistor angebracht wird durch Aufschleudern einer Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Lösung mindestens ein Aluminium-Silizium-Ester verwendet wird, welcher der Formel (RO)₃Si-O-Al(OR′)₂ entspricht, in der R, R′ voneinander verschiedene Alkylgruppen bedeuten, daß die Lösung Natriumionen enthält und daß nach dem Aufschleudern eine Temperung vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium-Silizium-Ester mit den Alkylgruppen R=C₂H₅ und R′=C₄H₉ (sek) verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Natriummetall in wasserfreiem Alkohol gelöst wird, um Wasser in der Lösung zu vermeiden, daß die Lösung in einem wasserfreien Zustand gelagert wird und daß der Lösung während des Aufschleuderns dampfförmiges Wasser zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung ein schwerflüchtiges Lösungsmittel enthält, so daß eine Verkrustung der während des Aufschleuderns abgeschiedenen Schicht vermieden wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das schwerflüchtige Lösungsmittel Polypropylenglycol enthält.

6. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschleudern bei Raumtemperatur vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufschleudern durch Temperung in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200°C eine Schicht erzeugt wird, die ungefähr 22 Gew.-% Na₂O, 33 Gew.-% Al₂O₃ und 45 Gew.-% SiO₂ enthält.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem ISFET eine Schicht erzeugt wird, deren Dicke im Bereich von 20 nm bis 200 nm liegt.