DE3519576A1

DE3519576A1 - Sensor

Info

Publication number: DE3519576A1
Application number: DE19853519576
Authority: DE
Inventors: Masaya Yamatokoriyama Nara Hijikigawa; Junichi Tenri Nara Tanaka
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1984-05-31
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1985-12-05
Also published as: JPS60253958A; DE3519576C2; US4816888A; GB2160708B; GB2160708A; JPH0374947B2; GB8513488D0

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere eine Elektrodenstruktur in einem Feldeffekttransistor-Sensor.

Ein Sensor vom Feldeffekttransistor-Typ (FET-Typ), der ein FET-Bauelement mit einer eingebauten empfindlichen Einrichtung aufweist, die aufgrund einer physikalischen oder chemischen Wechselwirkung mit der zu erfassenden Größe eine elektrische Änderung der elektrostatischen Kapazität, der elektrischen Leitfähigkeit, des elektrostatischen Potentials oder dergleichen zeigt, erfaßt die physikalische Größe als eine Änderung des Gate-Betriebs des FET-Bauelements. Unter Ausnutzung der hohen Eingangsimpedanz und der Verstärkungsfunktion des FET-Bauelements kann ein solcher FET-Typ-Sensor ein hohes Ausgangssignal liefern, obwohl er in seinen Abmessungen extrem klein ist, und ist deshalb für den praktischen Einsatz von großem Vorteil. Für die Ausstattung eines FET-Bauelements mit einer empfindlichen Einrichtung ist es erforderlich, daß die Elektroden auf einem Siliciumoxid oder Siliciumnitrid enthaltenden Substrat gebildet werden. Also müssen sich die Werkstoffe für die Elektroden an Siliciumoxid und/oder Siliciumnitrid fest binden.

Andererseits, in Abhängigkeit von der Art der erforderlichen empfindlichen Einrichtung, wird die empfindliche Einrichtung auf den Elektroden in einer Atmosphäre hoher Temperatur und/oder hoher Luftfeuchtigkeit gebildet. Deshalb müssen die Elektrodenmaterialien gegenüber einer derartigen Atmo-Sphäre stabil sein. Außerdem, da der FET-Typ-Sensor bei Auslegung für die Verwendung als Gas-Sensor, Feuchtigkeits-Sensor, Ionen-Sensor, biologischer Sensor oder dergleichen einer Atmosphäre ausgesetzt ist, die zwangsläufig einer Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und empfindlicher Einrichtung unterworfen ist, müssen die Elektrodenmaterialien gegenüber solcher Atmosphäre ebenfalls stabil sein.

Obwohl Aluminium und dergleichen, welches als untere Gate-Elektrode in dem FET-Bauelement verwendet wird, eine ausgezeichnete Bindung an den Gate-Isolierfilm, z.B. Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder dergleichen, besitzt, oxidiert 5 oder korrodiert es leicht in einer Atmosphäre hoher Temperatur und/oder hoher Luftfeuchtigkeit oder einer Außenatmosphäre. Deshalb ist Aluminium und dergleichen als Elektrodenmaterial für die Verwendung in Sensoren nicht geeignet. Andererseits sind Edelmetalle, wie Platin, Gold, Silber und dergleichen, in einer Atmosphäre hoher Temperatur und/oder hoher Luftfeuchtigkeit oder einer Außenatmosphäre stabil, aber hinsichtlich der Bindung an Siliciumoxid, Siliciumnitrid und dergleichen schlecht und deshalb für Elektrodenmaterialien für FET-Typ-Sensoren nicht geeignet.

Der erfindunggemäße Sensor, der die oben beschriebenen Nachteile sowie weitere zahlreiche Einschränkungen und Mängel des Standes der Technik überwindet, hat eine Elektrodenstruktur, welche eine Schichtstruktur von wenigstens zwei Schichten umfaßt, zusammengesetzt aus einer an eine Isolier-Erdungsschicht gebundenen Titanschicht und einer die Titanschicht abdeckenden Edelmetallschicht.

Die Elektrodenstruktur bildet die Elektroden in einem FeIdeffekttransistor, welcher mit einer empfindlichen Einrichtung ausgestattet ist. Die Edelmetallschicht besteht aus Gold.

Die hier beschriebene Erfindung schafft einen Sensor mit einer Elektrodenstruktur, die (1) in einer Umgebung mit extremen Umweltbedingungen, z.B. hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit, nicht korrodiert oder geschädigt wird, (2) eine ausgezeichnete Bindung an eine Erdungsschicht für die Gewährleistung eines stabilen Betriebs aufweist, und (3) die in die Sensor-Struktur stabil eingebaut werden kann. Wenn die Elektrodenstruktur in das FET-Bauelement eingebaut wird, geht sie eine feste Bindung an die Gate-Isolierschicht aus z.B. Siliciumoxid, Siliciumnitrid und

dergleichen ein und ist stabil in einer Umgebungsatmosphäre, in welcher die empfindliche Einrichtung gebildet wird und an welche der sich ergebende FET-Typ-Sensor bei dessen Verwendung ausgesetzt ist.

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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert und die zahlreichen Vorteile aufgezeigt·

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen FET-Typ-Feuchtigkeitssensors.

Figur 1 zeigt einen FET-Typ-Feuchtigkeitssensor als eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen FET-Typ-Sensors, der ein FET-Bauelement 11 umfaßt, in das eine empfindliche Einrichtung 9 eingebaut ist.

Das FET-Bauelement 11 ist ein N-Kanal-MOS-FET, bei welchem eine η-leitende Source 2 und ein η-leitender Drain 3 in einer Reihe durch Diffusion von Phosphor um die Oberfläche eines p-leitenden Siliciumsubstrats 1 gebildet sind. Auf dem Siliciumsubstrat 1 deckt eine Siliciumdioxid-Isolierschicht 4-, die Durchgangs löcher aufweist, Source 2 und Drain 3 ab. Ein Teil des Isolierfilms 4, welcher auf dem Siliciumsubstrat 1 zwischen Source 2 und Drain 3 gebildet ist, bildet eine Gate-Isolierschicht 100. Eine Source-Elektrode 5 und eine Drain-Elektrode 6, welche jeweils mit den Enden mit Souic e 2 und Drain 3 in Berührung stehen, sind in den Isolierfilm 4 eingebettet. Die anderen Enden der Source- bzw. Drain-Elektroden 5 bzw. 6 sind jeweils mit einem äußeren Stromkreis an den Enden des Siliciumsubstrats 1 verbunden.

Auf den Gate-Isolierfilm 100 der Isolierschicht 4 werden nacheinander eine Titanschicht 7 niit einer Dicke von 50 nm und eine Goldschicht 8 mit einer Dicke von 500 nm durch Vakuumverdampfung aufgebracht. Die Titanschicht 7 und die

Goldschicht 8 werden mittels eines Abhebeverfahrens geformt, um eine untere Gate-Elektrode zu bilden. Die Schichtstruktur, bestehend aus zwei Schichten einer Titanschicht 7¹ und einer Goldschicht 8' wird in einer Reihe auf einem Teil der Isolierschicht 4, der von jenem mit der Gate-Isolierschicht · 100 verschieden ist, in der gleichen Weise wie oben beschrieben angeordnet, um einen Verbund (binding pad) zu bilden. Die untere Gate-Elektrode und der Verbund können mittels Abhebeverfahren gleichzeitig gebildet werden. Eine feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 wird so angeordnet, daß die untere Gate-Elektrode bedeckt und ein Ende des Verbunds berührt wird. Die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 ist mit einer feuchtigkeitsdurchlässigen oberen Front-Elektrode 10 bedeckt, deren eines Ende an der Seite der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 für den Anschluß an den Verbund absteht. Der Verbund ist mit einem Steuerschaltkreis verbunden.

Die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 besteht aus Polyvinylalkohol oder Celluloseacetat, welches durch Backen kristallisiert wurde, jedoch sind auch andere Stoffe möglich. Man kann eine organische oder anorganische Festelektrolyt-Schicht, eine Metalloxidschicht, wie z.B. eine Aluminiumoxidschicht - oder dergleichen, verwenden. Die feuchtigkeitsdurchlässige obere Front-Elektrode 10 besteht aus einer aufgedampften Goldschicht mit einer Dicke von etwa 10 mn, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die empfindliche Einrichtung 9 ist nicht beschränkt auf eine feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung, sondern es kann sich auch um eine gasempfindliche Einrichtung, eine ionenempfindliche Einrichtung, eine bezüglich verschiedener chemischer Substanzen empfindliche Einrichtung, eine wärmeempfindliche Einrichtung, eine lichtempfindliche Einrichtung oder dergleichen handeln. Als FET-Bauelement kann auch ein MIS-FET verwendet werden.

Wenn ein elektrischer Strom von der Source-Elektrode 5 zu der Drain-Elektrode 6 fließt, schwankt der in der Drain-

Elektrode 6 erhaltene Strom in Abhängigkeit von einer SpannungsSchwankung der unteren Gate-Elektrode, und zwar auf der Basis der Kennlinie des FET-Bauelements 11. Die untere Gate-Elektrode ist mit der oberen Frontelektrode durch die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 verbunden und ein gegebenes Potential wird an die obere Frontelektrode über den Verbund über den äußeren Steuerschaltkreis angelegt. Die Impedanz der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung ändert sich mit der Feuchtigkeit in der Umgebungsatmosphäre und dementsprechend ändert sich die Spannung in der unteren Gate-Elektrode mit der Impedanzänderung in der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9» woraus sich eine Stromschwankung in der Drain-Elektrode ergibt. Durch Bestimmen des Stroms kann die Feuchtigkeit in der Umgebungsatmo-Sphäre bestimmt werden.

Elektrische Ladungen neigen zur Akkumulation in der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer,wodurch eine ungleichförmige Gate-Spannung verursacht wird, welche zu einer Abnahme der Meßgenauigkeit führt. Zur Beseitigung dieses Problems wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Auffrischerpotential direkt an die untere Gate-Elektrode mittels eines äußeren Schaltkreises angelegt, um derartige akkumulierte elektrische Ladungen aus der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 zu entfernen.

Wie vorstehend beschrieben^ sind die untere Gate-Elektrode und der Verbund aus einer doppelschichtigen Anordnung

$0 der Titanschichten 7 und 7' und der Goldschichten 8 und 8¹ zusammengesetzt. Die Haftung zwischen jeder der Titanschichten 7 und 7¹ und der Isolierschicht 4- ist ausgezeichnet und darüber hinaus sind die Titanschichten 7 und 7* mit den Goldschichten 8 bzw. 8¹ beschichtet, so daß die Elektrodenstruktur sowohl bei Atmosphären hoher Temperatur und/oder hoher Luftfeuchtigkeit als auch bei einer Außenatmosphäre stabil i3t. Anstelle der Goldschichten 8 bzw. 8' können

Edelmetallschichten, z.B. Platin, Silber und dergleichen, verwendet werden.

Die Elektrodenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung wurde einer Untersuchung in einem Dampfkocher bei 120 X während 96 h bei einem Druck von 2 atm unterworfen, d.h. unter Bedingungen, die die Alterung beschleunigen. Es wurden weder eine Ablösung der Elektroden von der Isolierschicht noch eine Änderung der Widerstandswerte beobachtet.

Die vorstehend beschriebene Elektrodenstruktur ist nicht auf die Verwendung in FET-Typ-Sensoren beschränkt, sondern kann in weitem Umfang für Erdungsschichten aus Materialien, wie Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Glas, Keramik und dergleichen, verwendet werden.

Claims

Patentanwälte · European Patent Attorneys MÜNCHEN DR. H.-R. KRESSIN HAMBURG DIPL.-ING. J. GLAESER i DR. E. WIEGAND (1932-1980) DIPL.-ING. W. NIEMANN (1937-1982) DR. M. KÖHLER (1965-1984) KANZLEI/OFFICE: HERZOG-WILHELM-STR. D-8000 MÜNCHEN 2 V. 44710/85 51. Mai 1985 Sharp Kabushiki Kaisha Osaka (Japan) Sensor PATENTANSPRÜCHE

1. Sensor, gekennzeichnet durch eine Elektroden-Anordnung, die eine Schichtstruktur aus wenigstens zwei Schichten aufweist, die aus einer an eine Isolier-Erdungsschicht (4) gebundene Titanschicht (7, 7') und einer die Titanschicht bedeckenden Edelmetallschicht (8, 8') bestehen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Anordnung Elektroden in einem mit einer empfindlichen Einrichtung (9) ausgestatteten Feldeffekttransistor bildet.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallschicht aus Gold besteht.

Telefon

Fernschreiber

Telekopierer

Postgiro München Deutsche Bank München Bayer. Vereinsbank München

4-. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die empfindliche Einrichtung eine gegen Feuchtigkeit, Gase, Ionen, chemische Substanzen, Wärme oder Licht empfindliche Einrichtung ist.