DE3519576C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor-Sen­ sor mit einer Gate-Elektroden-Anordnung auf einem Ga­ te-Bereich einer Isolierschicht, die zwischen einem Source-Bereich und einem Drain-Bereich angeordnet ist, die auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ange­ ordnet sind, sowie mit einer empfindlichen Einrichtung.

Ein Feldeffekttransistor-Sensor (FET-Sensor), der ein FET-Bauelement mit einer eingebauten empfindlichen Ein­ richtung aufweist, die aufgrund ihrer physikalischen oder chemischen Wechselwirkung mit der zu messenden Größe eine Änderung der elektrostatischen Kapazität, der elektrischen Leitfähigkeit, des elektrostatischen Potentials oder dergleichen anzeigt, erfaßt die physi­ kalische Größe als eine Änderung des Gate-Betriebs des FET-Bauelements. Unter Ausnutzung der hohen Eingangs­ impedanz und der Verstärkungsfunktion des FET-Bauele­ ments kann ein solcher FET-Sensor ein hohes Ausgangs­ signal liefern trotz seiner extrem kleinen Abmessun­ gen, weshalb er für den praktischen Einsatz von großem Vorteil ist. Für die Ausstattung eines FET-Bauelements mit einer empfindlichen Einrichtung ist es erforderlich, daß die Elektroden aus einem Siliciumoxid oder Silicium­ nitrid enthaltenden Substrat gebildet werden, d. h. die Werkstoffe zur Herstellung der Elektroden müssen an Siliciumoxid und/oder Siliciumnitrid fest haften. Andererseits muß die Gate-Elektrode eine Struktur aufweisen, die in der äußeren Atmosphäre und insbe­ sondere in extremen Umgebungen (bei hoher Tempera­ tur und/oder hoher Luftfeuchtigkeit) dauerhaft ar­ beitet, insbesondere wenn der FET-Sensor als Gas- Sensor, Feuchtigkeits-Sensor, Ionen-Sensor oder bio­ logischer Sensor einer solchen äußeren Atmosphäre ausgesetzt ist.

Zwar ergeben Aluminium und ähnliche Werkstoffe, die für die Herstellung einer Gate-Elektrode in dem FET- Bauelement verwendet werden, eine ausgezeichnete Haftung an dem Gate-Isolierfilm, der beispielsweise aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder dgl. besteht, diese Werkstoffe haben jedoch den Nachteil, daß sie in einer Atmosphäre, in der sie einer hohen Tempera­ tur und/oder einer hohen Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind, leicht oxidiert oder korrodiert werden. Alumi­ nium und ähnliche Werkstoffe sind daher als Elektro­ denmaterial für die Verwendung in FET-Sensoren nicht geeignet. Andererseits sind Edelmetalle, wie Platin, Gold, Silber und dgl., zwar in einer Atmosphäre mit hoher Temperatur und/oder hoher Luftfeuchtigkeit stabil, ihre Haftung an Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder dgl. ist jedoch unzureichend und sie sind daher als Elektrodenmaterial für FET-Sensoren ebenfalls nicht geeignet.

Aus der DE-OS 24 07 110 ist bereits ein FET-Gassen­ sor bekannt, der aus einem anorganischen Halbleiter­ substrat mit darin vorgesehenem Source-, Drain- und Kanal-Bereich besteht, der in dem Kanalbereich zwi­ schen Source- und Drainbereich eine Schicht aus einem organischen Halbleiter aufweist, die damit erzielba­ ren Empfindlichkeiten sind jedoch unzureichend und nicht vergleichbar mit FET-Sensoren mit Metallelektro­ den auf einem Siliciumoxid oder Siliciumnitrid enthal­ tenden Substrat.

Aus der DE-OS 30 32 476 ist ein selektiver Dünn­ schicht-Gassensor bekannt, der eine Elektrodenanord­ nung als Schichtstruktur mit wenigstens zwei Schich­ ten enthält, die aus einer an eine Isolier-Erdungs­ schicht gebundenen Metallschicht und einer die Metall­ schicht bedeckenden Edelmetallschicht bestehen, dabei handelt es sich jedoch um keinen FET-Sensor, bei dem eine Elektrode auf einer Isolierschicht dauerhaft zu befestigen ist, da die in diesem Falle vorgesehenen Elektroden unmittelbar auf der Wolframoxid-Halblei­ terschicht angeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen FET-Sensor mit dem eingangs genannten Aufbau dahingehend weiter­ zuentwickeln, daß seine Elektrodenanordnung dauer­ haft an der Isolierschicht haftet und gegen äußere Einflüsse, wie hohe Temperatur und/oder hohe Luft­ feuchtigkeit, weitgehend unempfindlich ist, so daß Oxidation, Korrosion oder ähnliche Beeinträchtigun­ gen weitgehend ausgeschlossen sind.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungs­ gemäß dadurch gelöst werden kann, daß bei einem Feldeffekttransistor-Sensor mit dem eingangs genann­ ten Aufbau die empfindliche Einrichtung auf einer Gate-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, die eine Schichtstruktur aus mindestens zwei Schichten auf­ weist, die sich aus einer an die Isolierschicht ge­ bundenen Titanschicht und einer die Titanschicht abdeckenden Edelmetallschicht zusammensetzen.

Bei dem erfindungsgemäßen FET-Sensor ist somit eine mindestens zweischichtige Elektrodenstruktur vorge­ sehen, wobei die Edelmetallschicht die geforderte Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse gewährlei­ stet, während die darunterliegende Titanschicht ei­ ne ausgezeichnete Haftung bzw. Bindung an der Iso­ lierschcht sicherstellt. Diese Kombination aus ei­ ner Titanschicht und einer Edelmetallschicht ist erfindungswesentlich, da Titan zwar eine weniger gute Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse, hingegen eine ausgezeichnete Haftung an der Isolierschicht aufweist, während die darüberliegende korrosions­ feste Edelmetallschicht die Titanschicht vor äuße­ ren Einflüssen wirksam schützt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Edelmetallschicht aus Gold.

Die empfindliche Einrichtung des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor-Sensors besteht vorzugsweise aus einem Material, das zumindest eine seiner elek­ trischen Eigenschaften bei Einwirkung von Feuchtig­ keit, Gasen, Ionen, chemischen Substanzen, Wärme, Licht oder dgl. ändert.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen FET-Feuchtigkeitssen­ sors.

In der Fig. 1 ist ein FET-Feuchtigkeitssensor dargestellt, der ein FET-Bauelement 11 umfaßt, in das eine empfindliche Einrichtung 9 einge­ baut ist.

Bei dem FET-Bauelement 11 handelt es sich um ein N-Kanal-MOS-FET, bei dem eine n-leitende Source 2 und ein n-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 Durchgangslöcher aufweist, die Source 2 und den Drain 3 ab. Ein Teil des Isolierfilms 4, der 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, die jeweils mit den Enden mit der Source 2 und dem 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 ei­ nem äußeren Stromkreis an den Enden des Silici­ umsubstrats 1 verbunden.

Auf den Gate-Isolierfilm 100 der Isolierschicht 4 werden nacheinander eine Titanschicht 7 mit einer Dicke von 50 nm und eine Goldschicht 8 mit einer Dicke von 500 nm durch Vakuumver­ dampfung 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 7′ 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 beschrie­ ben angeordnet, um einen Verbund (binding pad) zu bilden. Die untere Gate-Elektrode und der Verbund können mittels Ab­ hebeverfahren gleichzeitig gebildet werden. Eine feuchtig­ keitsempfindliche 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-Elek­ trode 10 bedeckt, deren eines Ende an der Seite der feuch­ tigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 für den Anschluß an den Verbund absteht. Der Verbund ist mit einem Steuerschalt­ kreis 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 Aluminium­ oxidschicht oder dergleichen, verwenden. Die feuchtigkeits­ durchlässige obere Front-Elektrode 10 besteht aus einer aufgedampften Goldschicht mit einer Dicke von etwa 10 nm, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die empfindliche Einrichtung 9 ist nicht beschränkt auf eine feuchtigkeits­ empfindliche Einrichtung, sondern es kann sich auch um eine gasempfindliche Einrichtung, eine ionenempfindliche Einrich­ tung, 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 10 durch die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 verbunden und ein gegebenes Potential wird an die obere Frontelektrode über den Verbund über den äußeren Steuerschaltkreis ange­ legt. Die Impedanz der feuchtigkeitsempfindlichen Einrich­ tung ändert sich mit der Feuchtigkeit in der Umgebungs­ atmosphäre 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 Bestim­ men des Stroms kann die Feuchtigkeit in der Umgebungsatmo­ sphäre bestimmt werden.

Elektrische Ladungen neigen zur Akkumulation in der feuch­ tigkeitsempfindlichen 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 vor­ liegenden Ausführungsform ein Auffrischerpotential direkt an die untere Gate-Elektrode mittels eines äußeren Schalt­ kreises 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 der Titanschichten 7 und 7′ und der Goldschichten 8 und 8′ zusammengesetzt. Die Haftung zwischen jeder der Titanschich­ ten 7 und 7′ und der Isolierschicht 4 ist ausgezeichnet und darüber hinaus sind die Titanschichten 7 und 7′ mit den Goldschichten 8 bzw. 8′ beschichtet, so daß die Elektroden­ struktur sowohl bei Atmosphären hoher Temperatur und/oder hoher Luftfeuchtigkeit als auch bei einer Außenatmosphäre stabil ist. 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°C 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 Isolier­ schicht 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 der­ gleichen, verwendet werden.

Claims (3)

1. Feldeffekttransistor-Sensor mit einer Gate-Elektro­ den-Anordnung auf einem Gate-Bereich einer Isolier­ schicht, die zwischen einem Source-Bereich und einem Drain-Bereich angeordnet ist, die auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, sowie mit einer empfindlichen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die empfindliche Einrichtung (9) auf der Gate- Elektroden-Anordnung angeordnet ist, die eine Schichtstruktur aus mindestens zwei Schichten auf­ weist, die sich aus einer an die Isolierschicht (4) gebundenen Titanschicht (7, 7′) und einer die Titanschicht abdeckenden Edelmetallschicht (8, 8′) zusammensetzen.

2. FET-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetall­ schicht (8, 8′) aus Gold besteht.

3. FET-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die empfind­ liche Einrichtung (9) aus einem Material besteht, das zumindest eine seiner elektrischen Eigenschaften bei Einwirkung von Feuchtigkeit, Gasen, Ionen, chemischen Substanzen, Wärme, Licht oder dergleichen ändert.