DE4115398C2 - - Google Patents

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, S. 467-470;
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, S. 155-158.

Aus der Fachveröffentlichung Electronics and Communications in Japan, Part 2, Vol. 71, Nr. 12, 1988, S. 93 bis 98 ist ein ISFET bekannt, der innerhalb des aktiven Gatebereiches eine extrem stufige Struktur aufweist, auf der eine gegen Ein­ reißen oder ähnliche mechanische Beschädigungen empfindliche biologische oder biomechanische Membran nicht aufgebracht werden könnte. Bei dem bekannten Sensor, der lediglich als pH-Wert-Sensor dient, ist innerhalb einer integrierten Schaltung im Bereich des ISFET direkt oberhalb des aktiven Gatebereichs ein Gateisolator vorgesehen, der eine Gate­ oxidschicht mit einer darüberliegenden Siliziumnitridschicht aufweist. Zwischen dem ISFET und weiteren Bauelementen der integrierten Schaltung sind vertikale Isolationen in Form von LOCOS-Gebieten vorgesehen, welche eine erheblich höhere Dicke verglichen mit der Stärke des genannten Gateisolators haben. Die Siliziumnitridschicht liegt hier nur im Bereich des ISFET und erstreckt sich nicht bis zu den die Feldoxid­ gebiete beinhaltenden LOCOS-Gebieten. Oberhalb der LOCOS-Ge­ biete liegt eine mehrschichtige Schutzstruktur, die aus einem Phosphorsilikat-Glas mit einer darüberliegenden PIQ-Schicht besteht, welche in lateraler Richtung bis über den Siliziumnitridfilm reichen und in Form einer steilen Stufe den aktiven Gatebereich des ISFET umgrenzen. Ein der­ artiger ISFET ist als Biosensor nicht einsetzbar.

Die Fachveröffentlichung IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 36, No. 3, 1989, S. 479 bis 487 befaßt sich gleichfalls mit der Herstellung einer integrierten Schaltung mit einem Ionen-sensitiven Feldeffekttransistor (ISFET), der jedoch als chemischer Sensor zur pH-Wert-Bestimmung dient. Der dort gezeigte ISFET hat im aktiven Gatebereich eine dreischichti­ ge Gatestruktur, die durch Oxidation eines Siliziumnitrid- Siliziumdioxid-Gates erzeugt wird. Die Nitridschicht liegt nur direkt oberhalb des Gates des ISFET. Es schließen sich stark stufige Strukturen an, die gleichfalls nicht erwarten lassen, daß auf diesen haltbare biologische oder biochemi­ sche Membranen aufgebracht werden könnten.

Ausgehend von dem obigen Stand der Technik liegt der vorlie­ genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Biosensors zu schaffen, durch das die Ge­ fahr des Einreißens von biologischen oder biochemischen Membranen auf der Oberfläche des ISFETs vermindert wird.

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 in dem einzi­ gen Patentanspruch angegebenen Merkmalen gelöst.

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 beispielhaften 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 ist mit Ausnahme der aktiven Sensorfläche in einem Gehäuse verkapselt. 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 (1)

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 LOCO-Ge­ bieten zur Abgrenzung des ISFET gegenüber weiteren Bauele­ menten;
• - Erzeugen eines Gateisolators, der eine Gateoxidschicht (5) umfaßt;
• - Abscheiden einer Nitridschicht (5a) sowohl auf die Gate­ oxidschicht (5) wie auch auf den die Feldoxidgebiete (4) umfassenden LOCOS-Gebieten,
• - Erzeugen einer Polysiliziumschicht (7);
• - Strukturieren eines Polysiliziumgates aufgrund der Poly­ siliziumschicht (7) zum Festlegen späterer Source- und Drainzonen (24, 25) des ISFET;
• - Implantieren der Source- und Drainzonen (24, 25), wobei Drain und Source (24, 25) des ISFET in Diffusionsbahnen (26, 27) übergehen, die sich ausgehend von dem aktiven Gatebereich (10) des ISFET bis zu Kontakten (28, 29) er­ strecken, die außerhalb des Fensters des Gehäuses (23) angeordnet sind;
• - Freilegen eines aktiven Gatebereiches (10) des ISFET, wo­ bei sämtliche Schichten oberhalb der Nitridschicht (5a) im Bereich von Gate, Source und Drain des ISFET sowie in an­ grenzenden Teilbereichen der die Feldoxidgebiete (4) um­ fassenden LOCOS-Gebiete durch Ätzen entfernt werden;
• - Anordnen des ISFET (20) innerhalb eines Gehäuses (23) der­ art, daß der aktive Gatebereich (10) des ISFET innerhalb eines Fensters (22) des Gehäuses (23) zu liegen kommt; und
• - Aufbringen der biologischen oder biochemischen Membran auf den aktiven Gatebereich (10).