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Beschreibung
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Chemisch empfindlicher Feldeffekttransistor-Sensor Die vorliegende
Erfindung betrifft einen chemisch empfindlichen Feldeffekttransistor (FET!-Sensor.
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Der chemisch empfindliche FET-Sensor (im Nachfolgenden kurz CHEMFET
genannt) wird von einem MOS-FET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) modifizierter
Bauart gebildet, bei welcher ein Metallgate des MOS-FET durch eine chemisch empfindliche
Schicht ersetzt wird. Im Hinblick auf Einzelheiten wird z. B. auf den Artikel von
Matsuo und Esashi mit dem Titel "FET Type Chemical Sensor And Applications Thereof",
erschienen im Applied Physics, Vol. 49, Nr. 6, Seite 586, 1980, Bezua aenommen.
Da der CHEMFET normalerweise dazu bestimmt ist, in einer Probenlösung verwendet
zu werden, welche große Mengen von alkalischen Metallionen, Halogenionen oder anderen
Ionen enthält, ergibt sich ein ernsthaftes Problem in bezug auf den Schutz des CHEMFET-Sensorelementes
gegen solche Ionen und die Isolation demgegenüber. Bei dem bisher bekannten CHEMFET-Sensor
wird als Material zur Herstellung des Sensorelementes ein volumen- bzw. massenleitfähiges
Plättchen verwendet. Demzufolge ergeben sich Schwierigkeiten bei der Isolierung
der Rückseite des Siliziumplättchens, auf welchem die chemisch empfindliche Schicht
gebildet wird, und der Isolierung der Chip-Ritzoberfläche. Entsprechend einer typischen
bekannten Methode wird ein Siliziumplättchen zur
Ausbildung einer
kammartigen Siliziumstruktur mit einer Vielzahl von nadelartigen Zähnen oder Stellen
geätzt, welche dann mit einem Sourcegebiet und einem Draingebiet versehen wird.
Anschließend wird ein Isolationsfilm oder eine Isolationsschicht über der gesamten
Oberfläche durch thermische Oxidation oder eine entsprechende Behandlung zur Isolierung
des Sensorelementes ausgebildet. Bezug genommen wird hierbei insbesondere auf die
oben zitierte Literatur. Praktisch gesehen ist es schwierig, den Isolationsfilm
oder die Isolationsschicht über dem Siliziumchip mit kammartigem Aufbau, bestehend
aus nadelartioen Zähnen,einheitlich auszubilden. Insbesondere wird häufig in nachteiliger
Weise die Ausbildung von Feinlunkern bzw. Löchern beobachtet, welche eine Verkürzung
der Lebensdauer des CHEMFET-Sensors verursachen.
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Kürzlich ist ein Aufbau des CHEMFET vorgeschlagen worden, bei welchem
ein SOS (Silizium auf Saphir)-Plättchen verwendet wird, um die Isolierung der Chip-Ritzfläche
und der auszusparenden Chip-Rückseite zu ermöglichen. Vergleiche z. B. japanische
Offenlegungsschrift 191539/1982. Da bei diesem vorgeschlagenen Aufbau die Sourceelektrode
und die Drainelektrode jedoch auf der gleichen Siliziumoberfläche ausgebildet sind,
auf welcher die chemisch empfindliche Schicht ausgebildet wird, wird nach ungefähr
einem Benutzungsmonat eine Korrosion des Metalls der Source- und Drainelektroden
beobachtet. Dies bedeutet, daß die Lebensdauer des CHEMFET nicht in einem zufriedenstellenden
Umfang verbessert werden kann. Das vorgeschlagene Element leidet daher ebenfalls
an dem diesbezüglichen Nachteil.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen
neuen und verbesserten Aufbau eines CHEMFET-Sensors zu schaffen, der erheblich einfacher
isoliert werden kann und eine erheblich verlängerte Lebensdauer aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen chemisch empfindlichen
FET (Feldeffekttransistor)-Sensor gemäß
Anspruch 1 gelöst. ErfindungsgemäB
ist ein chemisch empfindlicher FET-Sensor vorgesehen, der in einem SOI (Silizium
auf Isolator)-Substrat mit einem Zweischichtenaufbau ausgebildet ist, der aus einem
unteren Isolations-Substrat und einer oberen Einkristall-Siliziumdünnschicht besteht,
welche einheitlich auf dem unteren Isolations-Substrat abgelagert wird, wobei voneinander
isolierte Source- und Draingebiete in der oberen Einkristall-Siliziumdünnschicht
gebildet werden, welche mit Fremdatomen hoher Konzentration und eines Leitfähigkeitstyps
dotiert sind, der sich von demjenigen der oberen Einkristall-Siliziumdünnschicht
unterscheidet. Ein Teil des unteren Isolations-Substrates, der unter einem aktiven
Siliziumdünnschichtgebiet liegt, welches zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet
angeordnet ist, wird vollständig bis zur Grenze zwischen dem unteren Isolations-Substrat
und der oberen Einkristall-Siliziumdünnschicht entfernt, wobei die Bodenoberfläche
der oberen Einkristall-Siliziumdünnschicht, welche auf der Seite des unteren Isolations-Substrates
infolge der Entfernung des oben erwähnten Teils freigelegt ist, als empfindliche
Gateoberfläche verwendet wird. Eine Isolationsschicht und eine chemisch empfindliche
Schicht sind auf der empfindlichen Gateoberfläche vorgesehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen: Figuren 1A bis 1E Querschnitte zur
Illustrierung eines Herstellungsverfahrens eines chemisch empfindlichen Feldeffekttransistor-Sensorelementes
oder CHEMFET-Sensorelementes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figuren
2 und 6 Querschnitte einer Mehrfach-CHOlFET-Sensoranordnung gemäß verschiedenen
beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung, Figuren 3 und 7 Darstellungen zur
Illustrierung von Beispielen der Verwendung der Mehrfach-CHEMFET-Sensoranordnungen
jeweils gemäß den Figuren 2 und 6, Figuren 4A bis 4C und Figuren 8A und 8C Darstellungen
zur graphischen Illustrierung der Ansprecheiaenschaften der jeweils in den Figuren
2 und 6 gezeigten Mehrfach-CHEMFET-Sensoranordnungen, und Figuren 5A bis 5F Querschnitte
zur Illustrierung eines Herstellungsverfahrens eines CHEMFET-Sensorelementes gemäß
einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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Im Nachfolgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
erläutert.
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Wenn, wie bereits oben erwähnt, ein massenleitfähiges Siliziumplättchen
als Ausgangsmaterial für das CHEMFET-Element verwendet wird, ist es unmöglich, auf
die Isolationsbearbeitung oder Isolationsbehandlung der rückseitigen Oberfläche
und der Ritzoberfläche des Chips zu verzichten.
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Wenn die Source- und Drainelektroden in der gleichen Ebene wie die
chemisch empfindliche Schicht angeordnet sind, kann eine Verschlechterung der Sensorleistungsfähigkeit
aufgrund der Korrosion der Elektroden nicht vermieden werden. Im Gegensatz hierzu
wird erfindungsgemäß ein SOI (Silizium auf Isolator)-Substrat verwendet, wobei die
empfindliche Gateoberfläche auf der Grenze zwischen einer
oberen
Einkristall-Siliziumdünnschicht und einem unteren Isolations-Substrat, welche den
SOI-Substrataufbau hilden, vorgesehen ist. Mit dieser Anordnung kann ein CHEMFET-Sensor
verwirklicht werden, bei dem die Source- und Drainmetallelektroden wirksam und vollständig
gegenüber einer Berührung mit einer Probenlösung geschützt sind. Gemäß einer vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist eine Leitfähigkeitssteuerelektrode auf der oberen
Oberfläche der oberen Einkristall-Siliziumschicht an einer Stelle gegenüber der
empfindlichen Gateoberfläche vorgesehen.
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Diese Steuerelektrode weist ebenfalls eine lange Lebensdauer auf,
da sie so ausgebildet werden kann, daß sie in der gleichen Weise wie die Source-
und Drainelektroden nicht mit der Probenlösung in Berührung kommt, wodurch ein CHEMFET-Sensor
geschaffen wird, dessen Arbeitspunkt beliebig eingestellt werden kann.
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In den Figuren 1A bis 1E sind Querschnitte zur Illustrierung eines
Verfahrens zur Herstellung eines CHEMFET-Sensorelementes dargestellt. Figur 1A zeigt
ein SOI (Silizium auf Isolator)-Substrat wie z. B. ein Quarzsubstrat Figur 1B zeigt
einen Zustand des Substrats' in welchem ein Sourcegebiet und ein Draingebiet ausgebildet
sind.
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Figur 1C zeigt einen Zustand, in welchem eine chemisch empfindliche
Gateoberfläche ausgebildet ist. Figur 1D zeigt einen Zustand, in welchem Isolationsschichten
ausgebildet sind und Figur 1E zeigt einen Zustand, in welchem eine chemisch empfindliche
Schicht, eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode ausgebildet sind. Figur 2
zeigt einen Querschnitt einer Mehrfach-CHEMFET-Sensoranordnung. Figur 3 zeigt eine
Darstellung zur Illustrierung einer typischen Anwendung, bei welcher der Mehrfach-CHEMFET-Sensor,
der in Figur 2 gezeigt ist, eingesetzt wird. Figuren 4A bis 4C zeigen Darstellungen
der Ansprechcharakteristiken der Mehrfach-CHEMFET-Sensoranordnung, die bei der in
Figur 3 gezeigten Anwendung benutzt wird. In Figur 1A ist das SOI-Substrat 1, 2
ein p-leitendes SOI-Substrat, welches aus einer unteren Isolatorgrundplatte oder
einem Isolator-
Substrat 1 aus Quarz und einer p-leitenden Einkristall-Siliziumdünnschicht
2 besteht, welche auf dem Isolator-Substrat 1 gebildet ist, zur Ausbildung des Sensorelementes
in Form eines n-Kanal-CHEMFET. Selbstverständlich kann ein p-Kanal-CHEMFET durch
Verwendung eines n-leitenden SOI-Substrats verwirklicht werden. Anschließend wird
durch eine herkömmliche Verunreinigungsdotiermethode (z. B.
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durch thermische Diffusion oder alternativ durch Ionenimplantation)
ein n-leitendes Sourcegebiet 3 und ein nleitendes Draingebiet 4 in der p-leitenden
Einkristall-Siliziumdünnschicht 2 gebildet, wie in Figur 1B gezeigt ist.
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Da die Stärke der Einkristall-Siliziumschicht 2, die in dem SOI-Substrataufbau
verwendet wird, im Bereich von 0,5 ßm bis 1 m liegt, erstreckt sich das n-leitende
Sourcegebiet 3 und das n-leitende Draingebiet 4 bis zur Grenze zwischen der Einkristall-Siliziumdünnschicht
2 und der darunterliegenden Isolatorbasis oder dem Isolator-Substrat 1. Anschließend
wird ein Teil des Isolator-Substrates 1, welcher unter einem aktiven Siliziumdünnschichtgebiet
5, das zwischen dem Sourcegebiet 3 und dem Draingebiet 4 angeordnet ist, liegt,
vollständig durch chemisches Ätzen unter Verwendung von Flußsäure bis zur Grenze
zwischen dem unteren Isolator-Substrat 1 und der Einkristall-Siliziumdünnschicht
2, wie in Figur 1C gezeigt ist, entfernt. Zur gleichen Zeit werden diejenigen Teile
der unteren Isolatorbasis oder des Isolator-Substrats 1, welche jeweils unter den
benachbarten Source- und Draingebieten 3 und 4 liegen, ebenfalls teilweise entfernt.
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Die freigelegte Rückseite der Einkristall-Dünnschicht, welche sich
durch diese Behandlung ergibt, wird als empfindliche Gateoberfläche 6 des CHEMFET
verwendet. Anschließend werden jeweils aufeinanderfolgend auf der empfindlichen
Gateoberfläche 6 und der Einkristall-Siliziumdünnschicht 2 Siliziumdioxid (SiO2)-Isolationsschichten
7 durch thermische Oxidationsbehandlung, Siliziumnitrid (Si3N4)-Isolationsschichten
8 durch chemisches Aufdampfen und Tantaloxid (Ta205)-Isolationsschichten 9 durch
Zerstäuben oder chemisches Aufdampfen, wie in Figur 1D gezeigt
ist,
aufgebracht. Obwohl drei Isolationsschichten der SiO2-Membrane 7, der Si3N4-Membrane
8 und der Ta205-Membrane 9 im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels verwendet
werden, wird angemerkt, daß eine dieser Isolationsschichten oder eine Kombination
von zwei beliebig ausgewählten Isolationsschichten verwendet werden kann. Anschließend
werden Teile der einzelnen Isolationsschichten 7, 8 und 9, welche über dem Sourcegebiet
3 und dem Draingebiet 4 liegen, teilweise durch eine herkömmliche fotolithographische
Methode entfernt. Anschließend wird eine Metallsourceelektrode 10 und eine Metalldrainelektrode
11 durch Verdampfen von Aluminium ausgebildet, wie dies in Figur 1E illustriert
ist. Abschließend wird eine chemisch empfindliche Schicht 12 durch ein Tauchbeschichtungsverfahren
unter Verwendung einer organischen Lösung von Polyvinylchlorid (PVC), welche Valinomycin
und Dioctyladipat (hiernach kurz DOA genannt) in einem dispergierten Zustand + enthält,
zur Herstellung eines K -Ion empfindlichen CHEMFET-Elements ausgebildet.
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In Figur 2 ist ein Querschnitt eines Aufbaus einer sogenannten Mehrfach-CHEMFET-Sensoranordnung
gezeigt, in welchem eine Vielzahl von CHEMFET-Elementen mit einem Aufbau gemäß Figur
1E in einem einzigen Chip verwirklicht sind.
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Ein CHEMFET-Element A mit einer Sourceelektrode 10 und einer Drainelektrode
11 und ein CHEMFET-Element B mit einer Sourceelektrode 13 und einer Drainelektrode
14 sind in entsprechenden nahe voneinander isolierten Siliziuminseln ausgebildet.
Wenn die CHEMFET-Elemente A und B nicht voneinander isoliert sind durch Ausbildung
entsprechender Siliziuminseln, kann im Gebiet der Einkristall-Siliziumdünnschicht
2, welches zwischen beiden CHEMFET-Elementen A und B liegt, ein Kanalsperrbereich
ausgebildet werden, welcher unabsichtlich als aktives Gategebiet arbeiten kann.
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In Figur 2 ist eine chemisch empfindliche Schicht oder Membrane 15
des CHEMFET-Elements B gezeigt.
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In Figur 3 ist beispielsweise eine Anwendung einer Mehr-
fach-CHEMFET-Anordnung
gezeigt, welche aus vier in einem einzigen Chip angeordneten CHEMFET-Elementen besteht,
+ nämlich einem Na -Ion empfindlichen CHEMFET-Element 16, einem K -Ion empfindlichen
CHEMFET-Element 17, einem Cl -Ion empfindlichen CHEMFET-Element 18 und einem Bezugs-CHEMFET-Element
19. Der SOI-Chip, in welchem diese vier CHEMFET-Elemente 16, 17, 18 und 19 verwirklicht
sind, wird zwischen einer hohlzylindrischen Elektrodenhülse 20 und einer Elektrodenkappe
21 gehalten, mit Hilfe von O-Ringen 22 und 23 festgeklemmt und in eine Probenlösung
24 einsetaucht. Sourceelektrodenleitungsdrähte 25 und Drainelektrodenleitungsdrähte
26 der vier CHEMFET-Elemente sind zusammen mit einer gemeinsamen, in die Probenlösung
24 eingetauchten Elektrode 27 mit einer Detektorschaltung oder einem Meßverstärker
28 verbunden. Die Ausgangsdaten des Verstärkers 28 werden in einer Anzeigeeinrichtung
29 wie z. B. einem Drucker angezeigt. Die chemisch empfindlichen Membranen oder
Schichten der vier CHEMFET-Elemente 16, 17, 18 und 19 weisen jeweils Zusammensetzungen
auf, welche im Nachfolgenden spezifiziert sind. Die chemisch empfindliche Schicht
des Na -Ion empfindlichen CHEMFET-Elements 16 wird von einer organischen Membrane
gebildet, welche aus PVC besteht, das verteiltes DOA und neutrale Träger enthält,
welche selektiv Komplexe mit Na + -Ionen bilden können. Die chemisch empfindliche
Schicht des K -Ion CHEMFET-Elements 17 wird durch eine organische Membrane aus PVC
gebildet, das darin verteiltes Valinomycin und DOA enthält. Die chemisch empfindliche
Schicht des C1--Ion CHEMFET-Element 18 wird von einer organischen Membrane aus PVC
gebildet, das darin verteiltes quartäres Ammoniumchlorid enthält.
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Als chemisch empfindliche Schicht des Bezugs-CHEMFET-Elements 19 wird
schließlich ein Polystyrolfilm verwendet, der gegenüber K+- und C1--Ionen unempfindlich
ist.
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Die Ergebnisse von Experimenten, welche zum Studium der Ansprecheigenschaften
des Na -Ion CHEMFET-Elements 16, des K -Ion CHEMFET-Elements 17 und des Cl -Ion
CHEMFET-Elements 18 durch Veränderung der Konzentration der in der Probenlösung
enthaltenen Na+ -, K+ - und Cl -Ionen durchge-
führt worden sind,
sind graphisch in den Figuren 4A bis 4C illustriert. In Figur 4A ist die Ionenkonzentration-Ansprechcharakteristik
des Na -Ion CHEMFET-Elements 16, in + Figur 4B diejenige des K -Ion CHEMFET-Elements
17 und in Figur 4C diejenige des C1--Ion CHEMFET-Elements 18 gezeigt.
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Es ist festgestellt worden, daß eine Empfindlichkeit von 60 mV/Dekade
im Konzentrationsbereich von 10 5 mol/l bis 10 mol/l in den jeweiligen CHEMFET-Elementen
16, 17 und 18 erzielt werden kann. Die Lebensdauerprüfung der CHEMFET-Elemente wird
in der in Figur 3 gezeigten Anordnung durchgeführt. Die Korrosion der Source- und
Drainelektroden und andere unerwünschte Phänomene der'CHEMFET-Elemente sind ungefähr
ein Jahr lang beobachtet worden, wobei die Temperatur des Probenlösungsbades 24
bei 340C gehalten worden ist. Eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des CHEMFET-Elementes
aufgrund der Korrosion von Elektroden ist nicht beobachtet worden. Es ist daher
experimentell bestätigt worden, daß das vorliegende CHEMFET-Element eine erheblich
verlängerte Lebensdauer im Vergleich mit dem bisher bekannten CHEMFET-Element aufweist,
dessen Lebensdauer höchstens ein Monat oder dergleichen ist.
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Bei dem oben beschriebenen Ausführunqsbeispiel wird ein SOI-Plättchen
verwendet, bei dem die untere Isolatorbasis oder das untere Isolatorsubstrat 1 aus
Quarz besteht. Es ist jedoch klar, daß ganz ähnliche Effekte erzielt werden können,
wenn ein anderer Substrataufbau wie z. B. ein SOS (Silizium auf Saphir)-Substrat
mit einer Basis aus Saphir verwendet wird.
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Im Nachfolgenden wird eine andere Ausführungsform beschrieben. In
den Figuren 5A bis 5F ist ein CHEMFET-Sensorelement gemäß einer anderen Ausführungsform
in Querschnitten in der Reihenfolge der Herstellungsschritte gezeigt. Hierbei wird
ebenfalls ein p-leitendes SOI-Substrat aus einer p-leitenden Einkristall-Siliziumdünnschicht
2, die auf einer Isolatorbasis oder einem Isolatorsubstrat 1 aus Quarz aufgebracht
ist (vgl. Figur 5A),zur Ausbildung eines n-Kanal
CHEMFET-Sensorele::tentes
verwendet. Es wird jedoch angemerkt, daß ebenfalls ein p-Kanal CHEMFET-Element durch
Verwendung eines n-leitenden SOI-Substrataufbaus ohne Betriebsverschlechterung eingesetzt
werden kann. Im Nachfolgenden wird der Aufbau des CHEMFET-Sensors gemäß der zweiten
Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren 5A bis 5F beschrieben. Bei dieser
Ausführungsform ist das SOI-Substrat ein p-leitendes SOI-Substrat (vgl. Figur 5A),
das aus einer unteren Isolatorbasis oder einem Isolatorsubstrat 1 aus Quarz und
einer p-leitenden Einkristall-Siliziumdünnschicht 2, welche auf der Isolatorbasis
1 ausqebildet ist, zur Herstellung des n-Kanal CHEMFET-Sensoreleentes besteht. Zunächst
werden mit Hilfe einer konventionellen Fremdatomdotiermethode (z. B. durch thermische
Diffusion oder alternativ durch Ionenimplantation) ein n-leitendes Sourcegebiet
3 und ein n-leitendes Draingebiet 4 in der p-leitenden Siliziumdünnschicht 2 ausgebildet
(vgl. Figur 5B). Da die Stärke der Siliziumschicht oder Membrane 2, die in dem SOI-Substrat
verwendet wird, im Bereich zwischen 0,5 am und 1 ßm liegt, erstreckt sich das n-leitende
Sourcegebiet 3 und das n-leitende Draingebiet 4 bis zur Grenze zwischen der Siliziumdünnschicht
2 und der darunterliegenden Isolatorbasis oder dem darunterliegenden Substrat 1.
Anschließend wird ein Teil des Isolatorsubstrates 1, welcher unter einem aktiven
Siliziumdünnschichtgebiet 5 liegt, welches zwischen dem Sourcegebiet 3 und dem Draingebiet
4 liegt, vollständig bis zur Grenze zwischen der unteren Isolatorbasis 1 und der
Siliziumdünnschicht 2 entfernt (vgl. Figur 5C). Gleichzeitig werden diejenigen Teile
der unteren Isolatorbasis oder des Substrats 1, welche unter den jeweils benachbarten
Source- und Draingebieten 3 und 4 liegen, ebenfalls teilweise entfernt.
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Hierzu wird ein chemisches Ätzverfahren unter Verwendung von Flußsäure
eingesetzt. Die freigelegte Oberfläche 6 der Siliziumdünnschicht 2, welche sich
durch diese Behandlung ergibt, wird als empfindliche Gateoberfläche des CHEMFET-Elementes
verwendet. Anschließend werden aufeinander-
folgend jeweils SiO2-Schichten
7, Si3N4-Schichten 8 und Ta205-Schichten 9 gebildet (vgl. Figur 5D). Obwohl bei
den vorliegenden Ausführungsformen drei Arten on Isolationsschichten, nämlich SiO2-Membranen,
Si3N4-Membranen und Ta2O5-Membranen verwendet werden, wird angemerkt, daß nur eine
dieser Isolationsschichten oder eine Kombination von willkürlich ausgewählten Isolationsschichten
verwendet werden kann. Anschließend werden diskrete Teile der einzelnen Isolationsschichten
7, 8 und 9, welche jeweils das Sourcegebiet 3, das Draingebiet 4 und das aktive
Siliziumgebiet überdecken, teilweise durch eine herkömmliche fotolithographische
Methode entfernt. Anschließend wird eine Metallsourceelektrode 10, eine Metalldrainelektrode
11 und eine Steuerelektrode 30 ausgebildet. Schließlich werden eine chemische empfindliche
Schicht 12 zur Vervollständigung der Herstellung des CHEMFET-Sensorelementes ausgebildet.
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Obwohl die Steuerelektrode 30 direkt mit der oberen Einkristall-Siliziumdünnschicht
in dem in Figur 5E gezeigten Aufbau verbunden ist, ist es auch möglich, den SiO2-Film
7 auf der oberen Einkristall-Siliziumdünnschicht zu belassen, wie dies in Figur
5F gezeigt ist. Die Trägerübertragun in dem empfindlichen Gategebiet kann angemessen
aesteuert werden,selbst bei Anwesenheit des dazwischen liegenden SiO2-Films 7,aufgrund
der äußerst kleinen Dicke dieses Films in der Größenordnung von 0,5 bis 1 ßm.
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In Figur 6 ist ein Mehrfach-CHEMFET-Sensoraufbau gezeigt, in welchem
eine Vielzahl von CHEMFET-Elementen der unter Bezugnahme auf die Figuren 5A bis
5F beschriebenen Bauart in einem einzigen Chip einverleibt sind. Ein CHEMFET-Element
A mit einer Sourceelektrode 10, einer Steuerelektrode 30 und einer Drainelektrode
11 und ein CHEMFET-Element B mit einer Sourceelektrode 10', einer Steuerelektrode
30' und einer Drainelektrode 11' sind in den jeweiligen voneinander isolierten Siliiuminseln
verwirklicht. Wenn die CHEMFET-Elemente A und B nicht in jeweils voneinander isolierten
Siliziuminseln verwirklicht werden, kann ein Kanalsperrgebiet im Gebiet der Siliziumdünnschicht
2
ausgebildet werden, welches zwischen den CHEMFET-Elementen A und B liegt und sonst
als aktives Gategebiet wirken könnte.
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Im Falle der in den Figuren 5A bis 5F und 6 illustrierten Ausführungsformen
wird eine Metallelektrode als Sourceelektrode, Drainelektrode und Steuerelektrode
verwendet.
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Es kann jedoch auch ein nichtmetallisches Material wie z. B. elektrisch
leitfähiges Polysilicon für diese Elektroden mit ganz ähnlichen Effekten verwendet
werden.
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In Figur 7 ist beispielsweise eine Anwendung einer Mehrfach-CHEMFET-Sensoranordnung
gezeigt, die aus vier in einer einzigen Chip angeordneten CHEMFET-Elementen besteht,
nämlich einem Na + -Ion empfindlichen CHEMFET-Element 31, einem K empfindlichen
CHEMFET-Element 32, einem Cl -Ion empfindlichen CHEMFET-Element 33 und einem Bezugs-CHEMFET-Element
34. Diese CHEMFET-Elemente werden mit einer gemeinsamen Elektrode 27 verwendet.
Der SOI-Chip, in welchem diese vier CHEMFET-Elemente verwirklicht sind, wird zwischen
einer hohlzylindrischen Elektrodenhülse 20 und einer Elektrodenkappe 21 gehalten.
Zwischen die Elektrodenhülse 20 und die Elektrodenkappe 21 wird ein Paar von O-Ringen
22 und 23 eingeführt. Sourceelektrodenleitungsdrähte, Drainelektrodenleitungsdrähte
und Steuerelektrodenleitungsdrähte 35 der vier CHEMFET-Elemente sind mit einem Meßregelverstärker
36 verbunden, so daß die Ausgangsdaten der einzelnen CHEMFET-Elemente durch einen
Drucker 37 angezeigt werden. Die chemisch empfindlichen Schichten des Na -Ion-CHEMFET-Elements
31, des K -Ion-CHEMFET-Elements 32, des Cl -Ion-CHEMFET-Elements 33 und des Bezugs-CHEMFET-Elements
34 weisen jeweils die oben erwähnten Zusammensetzungen auf. Die chemisch empfindliche
Schicht des Na -Ion-CHEMFET-Elements 31 besteht aus einer organischen Membrane aus
PVC, das verteiltes DOA und neutrale Träger enthält , welche selektiv mit Na -Ionen
Komplexe bilden können. Die chemisch empfindliche Schicht des K -Ion-CHEMFET-Elements
32 besteht aus einer organischen
Membrane aus PVC, das darin verteiltes
Valinomycin und DOA enthält. Die chemisch empfindliche Schicht des Cl -Ion-CHEMFET-Elements
38 besteht aus einer organischen Membrane aus PVC, das darin verteiltes quartnres
Ammoniumchlorid enthält. Als chemisch empfindliche Schicht des Bezugs-CHEMFET-Elements
34 wird ein Polystyrolfilm verwendet, der gegenüber Na -, K - und Cl -Ionen unempfindlich
ist.
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Die Ergebnisse von Experimenten, welche zum Studium der Ansprechcharakterietiken
des Na -Ion-CHEMFET-Elements 31, des K+-Ion-CHEMFET-Elements 32 und des Cl-Ion-CHEMFET-Elements
33 durch Veränderung der in der Probenlösung 24 enthaltenen Konzentrationen an Na
+ -, K - und Cl -Ionen durchgeführt worden sind, sind graphisch in den Figuren 8A
bis 8C illustriert. In Figur 8A ist die lonenkonzentration-Ansprechcharakteristik
des Na -Ion-CHEMFET-Elements 31, in Figur 8B diejenige des K -Ion-CHEMFET-Elements
32 und in Figur 8C diejenige des C1--Ion-CHEMFET-Elements 33 gezeigt. Man hat festgestellt,
daß in den jeweiligen CHEMFET-Elementen 31, 32 und 33 in einem Konzentrationsbereich
von 10-5 mol/1 eine 10-1 mol/1 eine Empfindlichkeit von 60 mV/ Dekade erzielt werden
kann.
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Eine Prüfung der Lebensdauer der Mehrfach-CHEMFET-Anordnung ist in
der in Figur 7 gezeigten Anordnung durchgeführt worden. Die Korrosion der Source-,
Drain- und Steuerelektroden und andere unerwünschte Phänomene der CHEMFET-Elemente
sind ungefähr ein Jahr lang geprüft worden, wobei die Temperatur der Probenlösung
24 auf 340C gehalten worden ist.
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Es ist keine Beeinträchtigung der CHEMFET-Elemente aufgrund von Korrosion
der Elektroden beobachtet worden. Es ist hierdurch bestätigt worden, daß das CHEMFET-Element
der vorliegenden Art eine erheblich verlängerte Lebensdauer aufweist im Vergleich
zu derjenigen des bisher bekannten CHEMFET-Elements, welche höchstens ein Monat
oder dergleichen beträgt.
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Im Verlaufe der Tests haben sich die elektrostatischen Charakteristiken
der einzelnen CHEMFET-Elemente aufgrund
der Veränderung in den
chemischen Oberflächenbedingungen des chemisch empfindlichen Films verändert. Solche
Veränderungen in den elektrostatischen Eigenschaften können jedoch angemessen durch
eine an die Steuerelektrode angelegte Kompensationsspannung kompensiert werden.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein SOI-Plättchen
verwendet, welches eine untere Isolatorbasis oder ein Substrat aus Quarz enthält.
Es ist jedoch klar, daß die gleichen Effekte erzielt werden können, wenn andere
Substrataufbauten wie z. B. ein SOS-Plättchen mit einem Substrat aus Saphir alternativ
verwendet wird.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß der chemisch
empfindliche Feldeffekttransistor in einem solchen Sensoraufbau verwirklicht werden
kann, in welchem ein Kontakt der Metallsourceelektrode sowie der Metalldrainelektrode
und der Steuerelektrode, falls vorhanden, mit der Probenlösung wirksam und vollständig
verhindert werden kann.
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Das CHEMFET-Element weist daher eine erheblich erhöhte Lebensdauer
ohne Elektrodenkorrosionsrisiko und Isolationsverschlechterung auf, dessen Arbeitspunkt
weitgehend beliebig eingestellt werden kann.
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