DE4115398A1 - Verfahren zum herstellen eines biosensors - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines biosensorsInfo
- Publication number
- DE4115398A1 DE4115398A1 DE19914115398 DE4115398A DE4115398A1 DE 4115398 A1 DE4115398 A1 DE 4115398A1 DE 19914115398 DE19914115398 DE 19914115398 DE 4115398 A DE4115398 A DE 4115398A DE 4115398 A1 DE4115398 A1 DE 4115398A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- isfet
- layer
- gate
- sensor
- etching
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her
stellen eines Biosensors. Insbesondere befaßt sich die vor
liegende Erfindung mit einem Verfahren zum Herstellen eines
Biosensors in Form einer integrierten CMOS-Schaltung mit
einem ISFET und wenigstens einem MISFET zur Auswertung der
Signale des ISFET, wobei die integrierte Schaltung in Poly
siliziumtechnologie realisiert ist und von einem Gehäuse um
schlossen ist.
Es sind bereits integrierte Flüssigkeitssensorschaltungen
auf Feldeffekttransistorbasis zum Nachweisen von Ionen in
einer zu untersuchenden Probenflüssigkeit bekannt.
Typischerweise werden derartige integrierte Flüssigkeitssen
sorschaltungen mit ionensensitiven Feldeffekttransistoren
(ISFET) realisiert, denen zur Signalauswertung eine Auswer
tungsschaltung zugeordnet ist, welche MISFETs (Metal Insu
lator Semiconductor Field Effect Transistor) aufweist.
Typischerweise wird bei derartigen integrierten Flüssig
keitssensorschaltungen die Probenflüssigkeit über eine sepa
rate Referenzelektrode auf ein definiertes Potential ge
setzt, wodurch die in ihr enthaltenen Ionen, die beispiels
weise H⁺-Ionen sein können, an der Sensoroberfläche eine
Ladung bilden. Diese bewirkt ebenso wie das Gatepotential
bei einem MOS-Transistor innerhalb des ISFET ein elektri
sches Feld, welches den Feldeffekt bewirkt. Bei einem Be
trieb des ISFET kann dessen Gate-Source-Spannung gemessen
werden, die über eine Eichkennlinie für den jeweils verwen
deten ISFET eine Zuordnung der Ionenkonzentration in der
Flüssigkeit ermöglicht, welche beispielsweise im Falle von
H⁺-Ionen der pH-Wert ist. Zum Nachweis anderer Ionen können
Ionophore oder andere Schichten auf der Oberfläche des ISFET
verwendet werden.
Wird der aktive Gatebereich des ISFET mit einer biologischen
oder biochemischen Membran versehen, so kann der ISFET als
Biosensor zur Detektion biologischer und/oder biochemischer
Stoffe in der Flüssigkeit verwendet werden. Diese Stoffe
bringen mit Hilfe von biologisch wirkenden Komponenten, wie
beispielsweise Mikroben, oder mit Hilfe von biochemisch
wirkenden Komponenten, wie beispielsweise Enzyme, Antikör
per, Rezeptoren usw., physikalische Effekte hervor, die
ihrerseits direkt oder indirekt über weitere Zwischenreak
tionen innerhalb der Sensoren ein elektrisches Ausgangssig
nal als Gate-Source-Spannung des ISFET erzeugen.
Aus der Dissertation A. Näbauer, "Biosensoren auf der Basis
von Feldeffekttransistoren", Technische Universität München,
1988 ist ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten
Schaltung mit einem Biosensor-ISFET und einem zugeordneten
Auswertungs-MISFET bekannt. Zwar haben hier die ISFETs einen
Doppelschichtgateisolator, der eine Siliziumdioxid- und eine
Siliziumnitridschicht umfaßt. Jedoch wird bei dem bekannten
Verfahren keine selbstjustierende Source-Drain-Implantation
vorgenommen, so daß die metallurgische Kanallänge zwangs
läufig von der wirksamen Kanallänge der Feldeffekttransisto
ren abweicht. Die Eigenschaften der sich ergebenden inte
grierten Schaltung hängen somit von der Genauigkeit ab, mit
der die einzelnen Masken während des Herstellungsverfahrens
angeordnet werden. Bei dem bekannten Verfahren wird, wie er
wähnt, keine selbstjustierende Polysiliziumgatetechnologie
eingesetzt. Für die Feldeffekttransistoren werden Aluminium
gates verwendet, woraus sich eine stufige Oberfläche ergibt,
auf der die empfindlichen, biochemischen Membranen leicht
einreißen können.
Aus der Fachveröffentlichung L. Bousse, et al., "A Process
for the Combined Fabrication of Ion Sensors and CMOS-Cir
cuits", IEEE Electron Device Letters, Band 9, Nummer 1, Ja
nuar 1988, Seiten 44 bis 46 ist bereits ein Verfahren zum
Herstellen einer integrierten CMOS-Schaltung mit einem ISFET
und mit einem Auswertungs-MISFET in Polysiliziumgatetechno
logie bekannt. Bei diesem Verfahren werden zunächst Isola
tionsgebiete zur Abgrenzung der einzelnen Bauelemente unter
einander erzeugt, sodann ein eine Gateoxidschicht aufweisen
der Gateisolator gebildet, woraufhin ein Polysiliziumgate
geschaffen und strukturiert wird. Anschließend werden Source
und Drain der Feldeffekttransistoren realisiert. Nunmehr
wird der aktive Gatebereich des ISFET freigelegt, woraufhin
eine Passivierungsschicht aufgebracht wird. Bei der bekann
ten integrierten Schaltung besteht der Gateisolator aus
schließlich aus Siliziumdioxid. Sowohl bei dem ISFET als
auch bei dem MISFET der integrierten Schaltung ist der Poly
siliziumbereich oberhalb der Gateoxidschicht erhalten. Der
MISFET weist oberhalb des Polysiliziumgates eine Isolations
schicht aus einem Niedertemperaturoxid auf, welches auf Sei
ten des ISFET im Bereich des Polysiliziumgates eine Ausneh
mung aufweist. Die integrierte Schaltung weist als ab
schließende Passivierungsschicht eine Siliziumnitridschicht
auf, die im Bereich des MISFET oberhalb des Niedertempera
turoxids liegt und sich im Bereich des ISFET bis zu dessen
Polysiliziumgate erstreckt. Hierdurch ergeben sich unter
schiedliche elektrische Eigenschaften des MISFET und des
ISFET der integrierten Schaltung, so daß es bei dieser inte
grierten Schaltung nicht möglich ist, ein weitgehend von
Störgrößen befreites Meßsignal zu erhalten.
Zum technologischen Hintergrund der Erfindung werden ferner
folgende Literaturstellen genannt:
D. Harame, et al., "An Implantable Ion Sensor Transducer" Tagungsband "IEDM", 1981;
J. Kimura, et al., "An Integrated SOS/FET Multi-Biosensor" Sensors and Actuators, 9 (1986), Seiten 373 bis 387; und
K. Tsukada, et al., "A Multiple-ChemFET Integrated with CMOS Interface Circuits" Tagungsband "Transducers′ 87", 1987.
D. Harame, et al., "An Implantable Ion Sensor Transducer" Tagungsband "IEDM", 1981;
J. Kimura, et al., "An Integrated SOS/FET Multi-Biosensor" Sensors and Actuators, 9 (1986), Seiten 373 bis 387; und
K. Tsukada, et al., "A Multiple-ChemFET Integrated with CMOS Interface Circuits" Tagungsband "Transducers′ 87", 1987.
Ausgehend von dem oben gewürdigten Stand der Technik liegt
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren zum Herstellen eines Biosensors anzugeben, der eine pla
narisierte Oberfläche hat, um die Gefahr des Einreißens von
biologischen oder biochemischen Membranen auf seiner Ober
fläche zu vermindern.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der selbstjustierenden
Polysiliziumtechnologie realisiert, so daß der Biosensor
auch als Bestandteil einer integrierten Schaltung mit einem
Sensor-ISFET und Auswertungs-MISFETs ausgeführt werden kann,
die aneinander angeglichene elektrische Eigenschaften haben,
so daß das ausgewertete Meßsignal von Störgrößen befreit
ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentan
spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungs
gemäßen Verfahrens sowie die Strukturen des sich ergebenden
Biosensors in Form einer integrierten CMOS-Schaltung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a bis 1e ein Flußdiagramm eines ersten Ausführungsbeispie
les des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2a bis 5b Schnittdarstellungen eines beispielshaften Biosen
sors in Form einer integrierten CMOS-Schaltung ge
mäß der Erfindung jeweils nach Ausführung einzel
ner Prozeßabschnitte des erfindungsgemäßen Verfah
rens, wobei sich die mit a bezeichneten Figuren
auf eine n-Kanal-Schaltung und die mit b bezeich
neten Figuren auf eine p-Kanal-Schaltung der CMOS-
Schaltung beziehen;
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Bio
sensor mit einem Träger und einem Gehäuse; und
Fig. 7 eine Detailansicht des in Fig. 6 gezeigten Biosen
sors.
Bei der nachfolgenden Beschreibung eines ersten Ausführungs
beispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gleichzei
tig auf das Flußdiagramm der Fig. 1 und auf die Quer
schnittsdarstellungen der Halbleiterstruktur des erfindungs
gemäßen Biosensors in Form einer integrierten CMOS-Schaltung
gemäß den Fig. 2a bis 5b Bezug genommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich als Ausgangsma
terial einer Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von 100
mm, welche im Floating Zone-Kristallzuchtverfahren mit einer
Orientierung (100) erzeugt ist, mit Bor dotiert ist und
einen spezifischen Widerstand von 17 bis 33 Ohm cm aufweist.
Die Fig. 2a, 2b zeigen die Bauelementeeinteilung für den
MISFET, den ISFET und im Falle der Fig. 2b einen integrier
ten Lösungskontakt.
Ein erster bis elfter Prozeßschritt wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Fig. 3a, 3b beschrieben. Zur Definition
der Bauelemente wird die LOCOS-Technologie angewendet.
Bei einem ersten Verfahrensschritt wird eine Prenitridoxi
dation als Trockenoxidation bei einer Temperatur von 950°
durchgeführt. Hierbei wird eine SiO2-Schicht mit einer Dicke
von 40 nm erzeugt.
Bei dem darauffolgenden zweiten Prozeßschritt wird eine 100
nm dicke Si3N4-Schicht 5a auf dem Substrat 1 abgeschieden.
In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt die Fototechnik
einer Feldoxidmaske. Mit dieser werden die aktiven Gebiete
definiert. In einem vierten Schritt wird das Nitrid durch
Trockenätzen in einem Plasmareaktor entsprechend
strukturiert. In einem fünften Prozeßschritt wird der
Fotolack entfernt.
In einem sechsten Prozeßschritt wird eine n-Wannen-Fototech
nik zur Festlegung einer n-Wanne 3 (Fig. 3b) als sogenannter
Bulk für einen p-Kanal-MISFET bzw. einen p-Kanal-ISFET
durchgeführt, wobei der Fotolack für die aufeinanderfolgen
den Ionenimplantationen dient.
In einem siebten Prozeßschritt erfolgt die n-Wannen-Implan
tation mit P++-Ionen bei einer Implantationsenergie von 150 keV
bei einer Implantationsdosis von 6×1012 cm-2. Bei dem
darauffolgenden achten Verfahrensschritt erfolgt die p-Ka
nal-Stop-Implantation mit As⁺-Ionen bei einer Energie von
100 keV und einer Dosis von 6×1012 cm-2. Nach dem Entfernen
des Fotolacks in einem neunten Prozeßschritt und einem
naßchemischen Ätzen des Prenitridoxids in einem zehnten Pro
zeßschritt schließt sich in einem elften Prozeßschritt die
Wanneneintreibung der n-Wanne 3 bei 1150°C in einer Stick
stoffatmosphäre an. Zweckmäßigerweise erfolgt vor der Wan
neneintreibung eine Standardreinigung und eine anschließende
Trockenoxidation bei 950°C.
Nunmehr wird für die nachfolgende Erläuterung der folgenden
Prozeßschritte auf die Fig. 4a, 4b Bezug genommen. In einem
zwölften Prozeßschritt erfolgt eine maskenlose Borimplanta
tion zur Erhöhung der Feldschwellenspannung im Substratbe
reich als sogenannte n-Kanal-Stop-Implantation. Die Parame
tereinstellung (B⁺, 16 keV, 3×1013 cm-2) ermöglicht ein
Eindringen der Ionen nur in den nitridfreien Gebieten. Bei
der anschließenden Feuchtoxidation bei 1000°C wachsen lokal
Feldoxidbereiche 4 mit einer Dicke von etwa 650 nm auf.
In einem vierzehnten Verfahrensschritt erfolgt ein Naßätzen,
um das von der Feuchtoxidation verbliebene Restnitrid zu
entfernen.
Bei einem fünfzehnten Prozeßschritt wird das Prenitridoxid
zunächst aufoxidiert, wobei das Oxinitrid in Oxid umgewan
delt wird. Dieses sogenannte "Sacrificial Oxide" wird sodann
naß geätzt.
Wie insbesondere die Detaildarstellung des Gateisolators ge
mäß Fig. 4b zeigt, ist diese in zweischichtiger Bauweise
realisiert. Das Substrat 1 ist nacheinander mit einer Sili
ziumdioxidschicht 5 und einem Siliziumnitrid 5a beschichtet.
Das Nitrid als oberste Lage des Gateisolators ist im Gegen
satz zum Oxid hydrophob und verhindert eine Absorption von
H⁺-Ionen, die das Sensormeßergebnis verfälschen würden,
falls sie im Gateisolator eingebaut würden. Da jedoch die
Haftfähigkeit von Siliziumnitrid auf Silizium durch mecha
nische Spannungen eingeschränkt ist, wird die Silizium
dioxidschicht 5 als Zwischenschicht verwendet. Zudem wird
mit ihr die Störstellendichte an der Grenzfläche zwischen
dem Siliziumsubstrat 1 und dem Siliziumdioxid 5 herabge
setzt.
In einem sechzehnten Prozeßschritt erfolgt neben einer Stan
dardreinigung und einem HF-Dip eine Trockenoxidation bei
950°C zum Erzeugen einer Gateoxiddicke von 30 nm.
Hierauf folgt der siebzehnte Prozeßschritt in Form einer
maskenlosen Kanalimplantation (Enhancement-Implantation) von
Bor mit einer Energie von 20 keV. Mit der Splittung der
Ionendosis (0; 2,5×1011 cm-2; 5,0×1011 cm-2; 7,5×1011 cm-2)
kann die Einsatzspannung der Transistoren eingestellt sowie
deren Klassifizierung als Anreicherungstyp oder Ver
armungstyp festgelegt werden.
In einem achtzehnten Prozeßschritt wird eine Nitridabschei
dung in einem LPCVD-Reaktor zur Erzeugung einer Nitrid
schichtdicke von 70 nm vorgenommen. Diesem Schritt wird eine
Standardreinigung vorgeschaltet.
Nach Ausführung dieses Prozeßschrittes ergibt sich das Bau
elementbild nach den Fig. 4a, 4b.
In einem neunzehnten Prozeßschritt findet nach einer Stan
dardreinigung und einem HF-Dip eine Polysiliziumabscheidung
in einem LPCVD-Reaktor zur Erzeugung einer resultierenden
Gesamtdicke von 500 nm statt.
In einem zwanzigsten Prozeßschritt findet die Dotierung der
Polysiliziumschicht 7 in einem Belegungs- und Diffusionspro
zeß innerhalb eines POCl3-Ofens bei 950°C mit Phosphor
statt. Hierbei stellt sich ein Schichtwiderstand der Polysi
liziumschicht 7 von 17 bis 31 Ohm/sq ein. Anschließend fin
det ein Entfernen des Phosphorsilikatglases durch Ätzen
statt.
Bei der Beschreibung der nun folgenden Prozeßschritte wird
auf die Fig. 5a, 5b Bezug genommen. In einem einundzwanzig
sten Prozeßschritt findet eine fototechnische Definition
einer Polysiliziummaske statt. Im nächsten Prozeßschritt
wird die Polysiliziumschicht 7 naßchemisch strukturiert, wo
raufhin in einem dreiundzwanzigsten Prozeßschritt der Foto
lack entfernt wird.
Wie nachfolgend erläutert werden wird, dient die struktu
rierte Polysiliziumschicht 7 als Maske für die noch zu er
läuternde Implantation der Source-Gebiete und Drain-Gebiete
der Transistoren und Sensoren in n-Kanal- und p-Kanal-Aus
führung in der selbstjustierenden Silicon-Gate-Technologie,
die auch als Polysiliziumtechnologie bezeichnet wird.
Nach einem HF-Dip zur Oberflächenreinigung und einer Stan
dardreinigung findet in einem vierundzwanzigsten Prozeß
schritt eine Temperung bzw. ein Ausheizschritt bei 850°C
statt. Nach einer weiteren Standardreinigung wird in einem
fünfundzwanzigsten Prozeßschritt innerhalb eines LPCVD-Reak
tors eine TEOS-Abscheidung (Si(OC2H5)4) zur Erzeugung einer
50 nm dicken SiO2-Schicht statt. Ein sechsundzwanzigster
fototechnischer Prozeßschritt dient zur fototechnischen
Definition der Maske für die folgende Implantation der
Source-/Drain- Gebiete der n-Kanal-Transistoren bzw. -Senso
ren. Mit der als SN-Maske bezeichneten Maske werden die Ge
biete der p-Kanal- Transistoren abgedeckt, woraufhin nach
dem Naßätzen der TEOS-Schicht in einem siebenundzwanzigsten
Verfahrensschritt die Source-/Drain-Inseln der n-Kanal-Tran
sistoren und -Sensoren implantiert werden. Die P⁺-Implanta
tion findet mit einer Energie von 110 keV bei einer Dosis
von 5×1015 cm-2 in einem achtundzwanzigsten Prozeßschritt
statt.
Nach der Fotolackentfernung in einem neunundzwanzigsten Pro
zeßschritt und der TEOS-Entfernung in einem dreißigsten Pro
zeßschritt werden die implantierten Phosphorgebiete in einem
einunddreißigsten REOX-Prozeßschritt nach einer Standardrei
nigung durch Trockenoxidation bei 975°C eingetrieben und ak
tiviert, wobei gleichzeitig ein 120 nm dickes Oxid 9 auf den
polykristallinen Flächen 7, nicht jedoch auf dem Gatenitrid
5a aufwächst.
Diese thermische Oxidschicht bzw. SiO2-Schicht 9 schützt die
Gateelektroden vor dem Eindringen von Boratomen in das Poly
silizium bei der auf die fototechnische Definition einer so
genannten SP-Maske folgenden p-Kanal-Source-/Drain-Implanta
tion mit B⁺-Ionen bei 60 keV und einer Dosis von 3×1015
cm-2. Hierbei dient sie aus Gründen der Symmetrie gleichzei
tig als "Spacer". Mit der sogenannten Spacer-Technik wird
durch Oxidation der Polysilizium-Gatekanten eine bei Borato
men im Vergleich zu Phosphoratomen stärker ausgeprägte Un
terdiffusion und damit eine Kanallängenverkürzung während
des Ausheilvorganges vermindert.
Mit den bisher beschriebenen Prozeßschritten ist die Ent
wicklung der Bauelemente unterhalb der Siliziumoberfläche
abgeschlossen. Die MISFETs und ISFETs sind bis zu dem jetzt
beschriebenen Prozeßschritt identisch ausgeführt.
Nachfolgend wird die Strukturierung des Halbleiteroberbaus
erläutert.
Nach dem Fotolackentfernen in einem vierunddreißigsten Pro
zeßschritt findet in einem fünfunddreißigsten Prozeßschritt
die fototechnische Definition einer Maske für die aktiven
Sensorbereiche statt. Diese Maske dient der Festlegung der
aktiven Sensor-FET-Gebiete, bei denen der Gate-Isolator
oberhalb des Kanalbereichs mit der Probenflüssigkeit in Kon
takt kommt und den Feldeffekt bewirkt. Hierzu wird in einem
sechsunddreißigsten Prozeßschritt die Oxidschicht naßche
misch geätzt und in einem siebenunddreißigsten Prozeßschritt
die Polysiliziumschicht 7 naßchemisch geätzt und der Gate-
Isolator an dem mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten akti
ven Sensorbereich freigelegt.
In einem neununddreißigsten Prozeßschritt wird nach einem
durch Ätzen bewirkten Entfernen von Phosphorsilikatglas eine
Standardreinigung durchgeführt, woraufhin in einem LPCVD-
Reaktor eine TEOS-Abscheidung zur Erzeugung einer Schicht
von 100 nm Dicke durchgeführt wird. Diese TEOS-Schicht 11
dient zum Schutz des Gate-Isolators im aktiven Sensorbereich
10 beispielsweise vor Polymerisationsreaktionen mit Foto
lacken und als Ätzstoppschicht und verbleibt dort bis zum
Prozeßende. Als Vorbereitung für ein zu Reinigungszwecken
der Halbleiterstruktur angewandtes Getterverfahren, das den
einundvierzigsten Prozeßschritt bildet, wird bei einem vier
zigsten Prozeßschritt ein rückseitiges Ätzen der Halbleiter
struktur ausgeführt. Dazu wird die Scheibenvorderseite mit
Fotolack abgedeckt, bevor auf der Rückseite nacheinander die
TEOS-Schicht, die Gatenitrid-Schicht und die Gateoxid-
Schicht geätzt werden. Anschließend wird der Fotolack ent
fernt.
Das Gettern erfolgt nach einer Standardreinigung in einem
POCl3-Dotierofen bei 900°C, womit der letzte Hochtemperatur
schritt vor der noch zu erläuternden Passivierung ausgeführt
ist. Abschließend wird ein Phosphorsilikatglasätzen durchge
führt, woraufhin der Flächenwiderstand 18 bis 20 Ohm/sq be
tragen soll.
Der nachfolgende zweiundvierzigste Prozeßschritt umfaßt nach
einer Standardreinigung eine Temperung bei 850°C.
Zur Realisierung von Kontaktlöchern sowohl zu den Polysili
ziumbahnen als auch zu den Diffusionsbahnen dient eine Me
tallkontaktmaske, die in einem dreiundvierzigsten Prozeß
schritt fototechnisch definiert wird. Hieran schließt sich
ein vierundvierzigster Prozeßschritt an, bei dem ein TEOS-
Trockenätzen mittels eines Plasmaätzers durchgeführt wird.
In einem fünfundvierzigsten bis achtundvierzigsten Verfah
rensschritt findet abwechselnd ein Nitridttrockenätzen und
ein Oxidtrockenätzen statt, wobei die Passivierungsnitrid
schicht, die Oxidschicht, die Gatenitridschicht und das
Gateoxid trocken und damit anisotrop zur Erzeugung von Kon
taktlöchern 13 geätzt werden.
Nach dem Lackentfernen in einem neunundvierzigsten Verfah
rensschritt werden im Rahmen eines fünfzigsten Prozeßschrit
tes nach Durchführen einer Standardreinigung und eines der
Oberflächenreinigung dienenden HF-Dip eine 1 µm dicke Alu
miniumschicht 14 mit 1% Siliziumgehalt abgeschieden.
In dem folgenden Prozeßschritt wird fototechnisch eine Maske
zur Definition metallischer Leiterbahnen festgelegt. Die
Strukturierung der Metall-Leiterbahnen findet in einem sech
zigsten Prozeßschritt durch Aluminiumtrockenätzen mittels
eines Plasmaätzers statt.
Nach dem Ablösen des Fotolacks in einem dreiundfünfzigsten
prozeßschritt schließt sich eine Legierung durch Formier
gastempern in einem vierundfünfzigsten Prozeßschritt an. Zum
Schutz vor Korrosion des Aluminiums wird eine 100 nm dicke
Oxidschicht 15 in einem Plasmareaktor (PECVD-Reaktor) abge
schieden.
Ein sechsundfünfzigster fototechnischer Prozeßschritt dient
zur Festlegung einer weiteren Maske zur Definition von Flüs
sigkeitssensorbereichen. Bei einem siebenundfünfzigsten Ver
fahrensschritt werden mit Hilfe der Maske die Bondpads und
der aktive Sensorbereich 10 geöffnet, aus welchem die
während des Halbleiterprozesses benötigte TEOS-Schutzschicht
11 durch Ätzen entfernt wird. Bei dem Freilegen des aktiven
Gatebereichs 10 bzw. Sensorbereichs 10 werden die Schichten
oberhalb der Nitridschicht 5a im Bereich von Gate, Source
und Drain des ISFET sowie in den angrenzenden Teilbereichen
der Feldoxidgebiete 4 durch Ätzen entfernt. In einem
achtundfünfzigsten Verfahrensschritt wird der Photolack
entfernt. Die sich ergebende fertige Struktur des erfin
dungsgemäßen Biosensors ist in den Fig. 5a, 5b gezeigt.
Der Gateisolator der Transistoren der erfindungsgemäßen
CMOS-Schaltung ist im Gegensatz zu herkömmlichen MOS-Tran
sistoren, die in Polysiliziumtechnolgie erzeugt werden, in
Sandwich-Technik aufgebaut. Wie erwähnt, umfaßt der Gateiso
lator auf dem Siliziumsubstrat 1 eine Doppelschicht beste
hend aus 30 nm thermisch oxidiertem SiO2 5 und 70 nm LPCVD-
Si3N4 5a.
Nitrid weist gegenüber Flüssigkeiten eine hohe chemische Be
ständigkeit auf und ist insbesondere durch seine im Gegen
satz zu thermischem Oxid hydrophobe Eigenschaft resistent
gegen H⁺-Ionen und bildet zudem eine Barriere gegen
Na⁺-Ionen.
Die erfindungsgemäßen Sensorbauelemente sind daher durch
eine hohe Durchbruchfestigkeit bei geringem Leckstrom ge
kennzeichnet. Gleichfalls weist die erfindungsgemäße Struk
tur eine geringe Gateisolatordicke auf, wie sie bei MOS-
Transistoren angestrebt wird.
Die Eigenschaft des LPCVD-Nitrids wird gleichfalls für die
Passivierung ausgenutzt. Entsprechend dem Temperaturprofil
des Gesamtprozesses erfolgt aus Gründen der Haftfestigkeit
und Oberflächenspannung die Hochtemperaturpassivierung nach
der Polysiliziumoxidation und der Getterung sowie vor der
Metallisierung mit Aluminium.
Der erfindungsgemäße Biosensor in Form einer integrierten
Schaltung kann mit Ausnahme der aktiven Sensorfläche in
einem Gehäuse verkapselt werden. Dies muß derart geschehen,
daß sämtliche Aluminiumbahnen von dem Gehäuse umschlossen
werden und nicht der Flüssigkeit ausgesetzt werden können.
Hingegen können Diffusionsbahnen und Polysiliziumbahnen zu
den Drain- und Source-Gebieten bis unmittelbar an den ak
tiven Bereich 10 herangeführt werden, da sie durch die Hoch
temperaturpassivierung mit LPCVD-Nitrid 5a den nötigen
Schutz erhalten.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine zweite
Passivierung zum Beispiel in Form einer Fotopolymerschicht
entfallen, da bei geeigneter Gehäusung die Aluminiumbahnen
14 nicht mit der Probenflüssigkeit in Kontakt kommen können.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Passivie
rungsschicht lediglich durch die Gateisolator-Nitridschicht
5a gebildet. Diese Ausführungsform des Biosensors eignet
sich besonders für empfindliche und leicht reißende
Schichten, wie sie im aktiven Sensorbereich eingesetzt
werden und beispielsweise aus Langmuir-Blodgett-Filmen
bestehen. Die Sensorstruktur hat eine planarisierte
Oberfläche im aktiven Bereich 10. Die TEOS-Schutzschicht
wird auf dem Gatenitrid 5a über dem gesamten ISFET bis in
die angrenzenden Feldoxidgebiete 4 hinein geätzt. Die einzig
verbleibende Kante wird durch den fließenden Übergang der
LOCOS-Struktur gebildet, die bei entsprechender Dimensionie
rung der Source/Drain-Gebiete einen großen Abstand zu dem
aktiven Sensor 10 aufweist. Der Anschluß mit den Aluminium
leiterbahnen erfolgt ebenfalls weit außerhalb des Sensors
unter dem Gehäuse, das auch die Elektronik (MISFETs)
abdeckt.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist bei einer bevorzugten Ausfüh
rungsform des erfindungsgemäßen Biosensors die in den vor
herigen Figuren gezeigte integrierte Schaltung mit dem Bio
sensor-ISFET auf einem Chip 20 angeordnet, welcher seiner
seits auf einem Träger 21 angeordnet ist. Ein Gehäuse 23,
das beispielsweise durch eine Fotopolymerschicht gebildet
sein kann, umschließt den Träger 21 im Bereich des Chips 20
und deckt den Chip 20 mit Ausnahme eines kleinen Fensters 22
im aktiven Gatebereich 10 des Biosensor-ISFET ab.
Wie in der vergrößerten Darstellung dieses Fensterbereiches
des ISFET gemäß Fig. 7 zu sehen ist, umschließt das Fenster
22 den planarisierten, aktiven Gatebereich 10, der unter Be
zugnahme auf Fig. 5a, Fig. 5b erläutert wurde, so daß das
Drain 24 und die Source 25 des ISFET und der aktive Gatebe
reich 10 desselben innerhalb des Fensters 22 zu liegen kom
men.
Von dem Drain 24 und der Source 25 erstrecken sich Diffu
sionsbahnen 26, 27 bis zu Kontakten 28, 29, die außerhalb
des Fensters 22 des Gehäuses 23 angeordnet sind. Die Bezugs
zeichen 30 und 31 bezeichnen kontaktierte Aluminiumleiter
bahnen.
Claims (2)
1. Verfahren zum Herstellen eines Biosensors mit einem mit
einer biologischen oder biochemischen Membran versehenen
ISFET in Polysiliziumtechnologie und einem den ISFET um
schließenden Gehäuse, mit folgenden Verfahrensschritten:
- - Erzeugen von Feldoxidgebiete (4) beinhaltenden Isola tionsgebieten zur Abgrenzung des ISFET gegenüber weite ren Bauelementen;
- - Erzeugen eines Gateisolators, der eine Gateoxidschicht (5) umfaßt;
- - Erzeugen einer Polysiliziumschicht (7);
- - Strukturieren eines Polysiliziumgates aufgrund der Poly siliziumschicht (7);
- - Realisieren von Source (24) und Drain (25);
- - Freilegen eines aktiven Gatebereiches (10) des ISFET;
- - Anordnen des ISFET (20) innerhalb eines Gehäuses (23) derart, daß der aktive Gatebereich (10) des ISFET inner halb eines Fensters (22) des Gehäuses (23) zu liegen kommt; und
- - Aufbringen der biologischen oder biochemischen Membran auf den aktiven Gatebereich (10);
- - wobei Drain und Source (24, 25) des ISFET in Diffu sionsbahnen (26, 27) übergehen, die sich ausgehend von dem aktiven Gatebereich (10) des ISFET bis zu Kontakten (28, 29) erstrecken, die außerhalb des Fensters des Gehäuses (23) angeordnet sind;
- - wobei nach dem Verfahrensschritt des Erzeugens der Gateoxidschicht (5) eine Nitridschicht (5a) sowohl auf die Gateoxidschicht (5) wie auch auf Feldoxidgebiete (4) abgeschieden wird; und
- - wobei bei dem Verfahrensschritt des Freilegens des ak tiven Gatebereiches (10) Schichten oberhalb der Nitrid schicht (5a) im Bereich von Gate, Source und Drain des ISFET sowie in angrenzenden Teilbereichen der Feld oxidgebiete (4) durch Ätzen entfernt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgenden Verfahrens
schritten:
- - Entfernen (37) des Polysiliziumgates nach dem Verfah rensschritt (28 bis 33) des Realisierens von Source und Drain;
- - ganzflächiges Aufbringen (39) einer Ätzstoppschicht;
- - Trockenätzen (43 bis 49) von Kontaktlöchern;
- - Aufbringen (50) einer Metallisierung;
- - Strukturieren (51 bis 53) der Metallisierung; und
- - naßchemisches Entfernen (57) der Ätzstoppschicht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914115398 DE4115398A1 (de) | 1991-05-10 | 1991-05-10 | Verfahren zum herstellen eines biosensors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914115398 DE4115398A1 (de) | 1991-05-10 | 1991-05-10 | Verfahren zum herstellen eines biosensors |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4115398A1 true DE4115398A1 (de) | 1992-11-12 |
DE4115398C2 DE4115398C2 (de) | 1993-08-05 |
Family
ID=6431454
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914115398 Granted DE4115398A1 (de) | 1991-05-10 | 1991-05-10 | Verfahren zum herstellen eines biosensors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4115398A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6185507B1 (en) | 1996-08-23 | 2001-02-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Microprocessor, in particular for use in a chip card, with a control unit and with a housing surrounding the control unit |
DE10211901A1 (de) * | 2002-03-18 | 2003-10-16 | Infineon Technologies Ag | Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels eines Feldeffekt-Transistors, Biosensor und Schaltungsanordnung mit Biosensor und damit gekoppelter Auswerteschaltung |
DE10211900A1 (de) * | 2002-03-18 | 2003-10-16 | Infineon Technologies Ag | Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren und Verfahren zur Herstellung eines Biosensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren |
EP1729121A1 (de) | 2005-05-30 | 2006-12-06 | Mettler-Toledo AG | Elektrochemischer Sensor |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2010011A (en) * | 1977-11-04 | 1979-06-20 | Matsuo T | Selective chemical-sensitive fet transistor device and method for the manufacture of the same |
DE3024295A1 (de) * | 1980-03-19 | 1981-09-24 | Olympus Optical Co., Ltd., Tokyo | Ionenmessfuehler und verfahren zu dessen herstellung |
-
1991
- 1991-05-10 DE DE19914115398 patent/DE4115398A1/de active Granted
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2010011A (en) * | 1977-11-04 | 1979-06-20 | Matsuo T | Selective chemical-sensitive fet transistor device and method for the manufacture of the same |
DE3024295A1 (de) * | 1980-03-19 | 1981-09-24 | Olympus Optical Co., Ltd., Tokyo | Ionenmessfuehler und verfahren zu dessen herstellung |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
A. Näbauer, "Biosensoren auf der Basis von Feld- effekttransistoren", Dissertation, Techn. Univ. München, 1988 * |
Electronics and Communications in Japan, Part. 2, Vol. 71, No. 12, 1988, S. 93-98 * |
IEEE Electron Devices Letters, Bd. 9, No. 1, 1988, S. 44-46 * |
IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 36, No. 3, 1989, S. 479-487 * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6185507B1 (en) | 1996-08-23 | 2001-02-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Microprocessor, in particular for use in a chip card, with a control unit and with a housing surrounding the control unit |
EP0923763B1 (de) * | 1996-08-23 | 2001-02-28 | Infineon Technologies AG | Mikroprozessor, insbesondere zur verwendung in einer chipkarte, mit einer steuerungseinheit und mit einem die steuerungseinheit umgebenden gehäuse |
DE10211901A1 (de) * | 2002-03-18 | 2003-10-16 | Infineon Technologies Ag | Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels eines Feldeffekt-Transistors, Biosensor und Schaltungsanordnung mit Biosensor und damit gekoppelter Auswerteschaltung |
DE10211900A1 (de) * | 2002-03-18 | 2003-10-16 | Infineon Technologies Ag | Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren und Verfahren zur Herstellung eines Biosensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren |
EP1729121A1 (de) | 2005-05-30 | 2006-12-06 | Mettler-Toledo AG | Elektrochemischer Sensor |
WO2006128804A1 (de) * | 2005-05-30 | 2006-12-07 | Mettler-Toledo Ag | Elektrochemischer sensor |
CN101189507B (zh) * | 2005-05-30 | 2012-02-15 | 梅特勒-托利多公开股份有限公司 | 电化学传感器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4115398C2 (de) | 1993-08-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE4430811C1 (de) | Verfahren zum Herstellen eines integrierten ionensensitiven Feldeffekttransistors in CMOS-Silizium-Planartechnologie | |
DE19537285B4 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements mit einer flexiblen Anordnung, Halbleiterelement, Feldeffektsensor mit beweglichem Gate, Verfahren zur Verwendung eines Transistors mit beweglichem Gate als Sensor, sowie kapazitiver Sensor | |
DE3226555C2 (de) | ||
DE19621996C2 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Kombination eines Drucksensors und eines elektrochemischen Sensors | |
DE4401999C3 (de) | Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Absolutdrucksensors durch Mikrobearbeitung einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats sowie solchermaßen hergestellter Absolutdrucksensor | |
EP0750744B1 (de) | Miniaturisierte durchflussmesskammer mit integrierten chemo- und/oder biosensorelementen | |
DE4309207C2 (de) | Halbleitervorrichtung mit einem piezoresistiven Drucksensor | |
DE3132905C2 (de) | ||
DE69327556T2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines dynamischen Halbleitersensors mit einer Struktur mit dünner Stärke | |
DE4410631A1 (de) | Kapazitiver Sensor bzw. Wandler sowie Verfahren zu dessen Herstellung | |
DE19621997C1 (de) | Elektrochemischer Sensor | |
DE10239281A1 (de) | Gassensor vom Membrantyp und Verfahren zum Herstellen desselben | |
DE10207147A1 (de) | Kapazitiver Feuchtigkeitssensor und dessen Herstellungsverfahren | |
EP1601957B1 (de) | Ionensensitiver feldeffekttransistor und verfahren zum herstellen eines ionensensitiven feldeffekttransistors | |
EP1436607B1 (de) | Ionensensitiver feldeffekttransistor und verfahren zum herstellen eines ionensensitiven feldeffekttransistors | |
DE3918769C2 (de) | Halbleiterdrucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung | |
EP1115649B1 (de) | Mikromechanisches bauelement mit verschlossenen membranöffnungen | |
DE3519576C2 (de) | ||
DE2736200A1 (de) | Chemisch sensitiver feldeffekt- transistor und verfahren zur herstellung desselben | |
DE69032074T2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils | |
DE4115398C2 (de) | ||
DE3024295A1 (de) | Ionenmessfuehler und verfahren zu dessen herstellung | |
DE19832271A1 (de) | Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren derselben | |
EP1583957B1 (de) | Ionensensitiver feldeffekttransistor und verfahren zum herstellen eines ionensensitiven feldeffekttransistors | |
DE3608418C2 (de) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |