DE4239319A1 - Hybrid manufacture of air gap and gate of Suspended Gate FET without using spacers producing gate separately from base structure, with air gap height based on height difference of channel and field isolators - Google Patents

Description

Es wird ein Verfahren zum hybriden, spacerfreien Aufbau von Luftspalt und Gate von Suspended Gate Feldeffekttransistoren angegeben. Derartige Bauelemente eignen sich für den Einsatz als Sensoren in der Analyse von Flüssigkeiten (z. B. Bestimmung von Ionenkon­ zentrationen) und in der Gasanalyse (z. B. für die Schadgasdetektion in der Luftüber­ wachung). Suspended Gate Feldeffekttransistoren sind in der Gruppe der Chemosensoren ausgezeichnet durch kurze Ansprechzeiten, da ihr Detektionsvermögen in erster Linie auf Oberflächeneffekten beruht.

Bislang wurden zum Aufbau des Luftspaltes von SGFET Spacer auf den Kanalisolatoren, auf diesen wiederum die Gatestruktur abgeschieden. Der Luftspalt entsteht durch Herausätzen des Spacers. Chemisch sensitive Schichten unter dem Gate werden gemäß einer Bauvariante noch vor dem Gateaufbau als Kanalisolator oder zwischen Spacer und Gate mit eingebaut unter der Einschränkung, daß die Spacerätze die sensitive Schicht nicht angreifen darf. Eine andere Variante sieht eine Beschichtung des freistehenden Gates durch elektrochemische Abscheidung vor.

Die Nachteile der bislang angegebenen Verfahren zum Aufbau von Luftspalt, chemisch sensitiver Schicht und Gate bestehen entweder in der Beschränkung auf diejenigen sensitiven Materialien, die elektrochemisch abscheidbar sind, oder in der geringen Ober­ flächengüte der Schichten, die durch Herausätzen des Spacers freigelegt werden: Spacer- bzw. Ätzreste beeinträchtigen ihre chemische Reinheit, was die Reproduzierbarkeit der elektrischen Signale in Bezug auf die chemischen Eingangsgrößen stört und Langzeitdriften verursacht. Zudem muß für jeden Einsatz einer neuen sensitiven Schicht der Ätzschritt überprüft und ggf. ein neues Ätzverfahren, das die sensitive Schicht nicht angreift, gefunden werden. Kelvinsondenmessungen an vergleichbaren sensitiven Materialien liefern aus diesen Gründen nicht vergleichbare Ergebnisse und können zur Optimierung dieser Materialien nicht herangezogen werden.

Die Aufgabe besteht im Aufbau eines Systems Luftspalt/selektive Schicht/Gate über dem Kanalisolator einer Isolator-Halbleiter-Feldeffektstruktur mit den Möglichkeiten einer hohen Reinheit und geringen Rauhigkeit der Grenzfläche selektiver Schicht - Luftspalt unter der Beibehaltung der Auswahl chemisch selektiver Materialien, wie sie die Schichtein­ bauvariante gestattet.

Zur Erläuterung der nachstehend beschriebenen Lösung werden vier Figuren als Ausfüh­ rungsbeispiele gezeigt:

Fig. 1 Positionierung (1. ISFET -Struktur; 2. Gate-Struktur; 3. Feldisolation; 4. Metal­ lisierung, 5. Source und Draingebiete, 6. Kanalisolator, 7. Kanalgebiet, 8. Sensitive Schicht, 9. Gatemetallisierung, 10. Auflagerichtung);

Fig. 2 Luftspalt/Ausschnitt (11. Diffusionskanal, 12. Luftspalthöhe, 13. Auflage von sens. Schicht direkt auf Feldisolator);

Fig. 3. Befestigung/ Luftspalthöhe (14. Gehäuseboden, 15. Luftspalt, 16. Partikel, 17. Federbügel);

Fig. 4. Befestigung/Luftspalthöhe (18. Luftspalt, 19. Distanzstücke, 20. Klebestelle, 21. Kapillarsperre).

Der Aufbau geht erfindungsgemaß aus von einer Isolator-Feldeffektstruktur ohne Gate, wie sie z. B. der ISFET (1) darstellt. Zu dieser passend wird separat eine Gatestruktur (2) aus einem leitendem Material hergestellt, z. B. aus hochdotierten Si-Wafern. Seine Formgebung wird so gewählt, daß bei Auflage auf die Feldeffektstruktur der Kanalbereich (6, 7) ohne Kontakt zu den Metallisierungen (4) der Feldeffektstruktur überdeckt werden kann. Umgekehrt kann auch die Feldeffektstruktur für die Auflage auf ein, dann einfach gestaltetes Gate konstruiert werden. Die später dem Luftspalt (12, 15, 18) zugewandte Seite des Gates benötigt eine niedrige Oberflächenrauhigkeit. Hierauf können, wenn das Gatema­ terial nicht selbst als sensitiv gewählt ist, sensitive Materialien durch Methoden wie elektro­ chemische Abscheidung, Sputtern, reaktives Sputtern, Aufdampfen, Aufschleudern, Sublima­ tion, Epitaxie, Aufsprühen abgeschieden werden (8). Die Gaterückseite wird für eine spätere elektrische Kontaktierung vorbereitet, im Falle eines Si-Gates für den Bondschritt metal­ lisiert (9).

Das vorgefertigte Gate wird nun auf den Isolator der Feldeffektstruktur gelegt und so verschoben, daß es den Kanalbereich (6, 7) vollständig überdeckt. In einem Spitzenmanipula­ torplatz kann diese Justage erleichtert vorgenommen werden. Eine elektrische Messung der Kapazität zwischen Gate und dem Kanalgebiet (Steilheitsmessung) (2, 7) erhöht die Genauigkeit einer optischen Kontrolle der vollständigen Kanalüberdeckung. Vergrößert man die Kanalüberdeckung über das kapazitiv bestimmte Optimum hinaus, so verursacht dies verlängerte Ansprechzeiten des hybriden Feldeffektbauelementes. Übermäßige Kanalüberdeckungen wirken wie Diffusionskanäle (11) zwischen den umgeben­ den Medien und dem eigentlichen Luftspaltraum selbst. Mit Positionierung und Form­ gebung des Gates kann also das Ansprechverhalten des hybriden Bauelementes gesteuert werden. So wirken vertikale Öffnungen oder Ränder in der Gate- oder der Feldeffektstruk­ tur, die der Topografie des Kanals angepaßt sind, im Sinne kürzerer Ansprechzeiten.

Aus der Kapazitätsmessung läßt sich weiterhin durch Quotientenbildung mit den Werten, die man von einer identisch aufgebauten Struktur mit MOS-Metallisierung erhält, die Luftspalthöhe ermitteln. Dies ermöglicht die Kontrolle, ob sich Verunreinigungen zwischen den Auflageflächen befinden. Vergrößerte Luftspalthöhen führen zu verkleinerten Ein­ kopplungsfaktoren der gateseitigen Sensoreffekte in den elektrischen Gesamtstrom des hybriden Bauelementes. Die minimal erreichbare Luftspalthöhe wird durch die Höhen­ differenz von Kanal- und Feldisolatoren vorgegeben (12). Darüber hinaus einstellbar wird die Spalthöhe, indem Distanzkörper (19) an den Auflageflächen von Gate oder Feldeffekt­ struktur aufgebracht werden. Auch lose haftende Partikel (16) können diesen Zweck erfüllen. So genügt es, z. B. bei einem Si-Gate, Partikel, die vom Brechvorgang her an den Oberflächen haften, durch Reinigungs- oder Ätzschritte auf maximale Größen einzustellen.

Der hybride Gateaufbau wird bezüglich der Feldeffektstruktur dauerhaft fixiert, entweder durch mechanisches Klemmen des Gesamtaufbaus z. B. auf einem Header mit einer metallischen Feder (17), die dann zweckmäßigerweise auch zur Gatekontaktierung dienen kann, oder durch anodisches Bonden von dafür geeignet ausgeführten Auflagegebieten, oder durch Kleben (20) an einer Auflagefläche. Diese sollte, da der Luftspalt eine hohe Kapillar­ wirkung besitzt, von der Kanalregion durch geeignete weite Zwischenräume (21) derart abgesetzt sein, daß keine Kleberkomponente in den Luftspalt gelangt.

Die Vorteile des angegebenen Verfahrens liegen in der verbesserten Reproduzierbarkeit der Signale des Hybridsensors und ihrer erhöhten Stabilität bezüglich der Nullpunktdrift. Die im elektrischen Sensorsignal detektierten Austrittsarbeitsdifferenzen von selektiver Schicht und Kanalisolator entsprechen den Werten, die aus Kelvinsondenmessungen erhalten werden. Korrekturen sind anzusetzen mit dem Parameter der unterschiedlichen Luftspalthöhen ( 0,5-2 µ zu 200-500 µ) der beiden Meßverfahren. Weiter kann für den Aufbau des hybriden SGFET auf marktverfügbare ISFET als Basisstruktur zurückgegriffen werden. Zusammen mit einem Satz unterschiedlich beschichteter Gates ergibt sich ein modulares Baukastensystem von hybriden Sensoren, die im Hinblick auf differenzierte An­ wendungen spezifizierbar sind. Der technologische Aufwand reduziert sich gleichzeitig auf die Ebene von Aufbau- und Verbindungstechnik. Dies begünstigt auch die wirtschaftliche Produktion von kleinen und mittleren Sensorstückzahlen.

Beispiel

Auf einen n⁺-dotierten Si-Wafer wurde Ti/W als Haftvermittler gesputtert, darüber Pt als selektive Schicht. Die Rückseite wurde mit Al bedampft. Daraus wurde ein Gate von ca. 800×1200 µm Größe gebrochen, von Bruchpartikeln gereinigt und über dem Kanal eines ISFET-Chips mit Si₃N₄ als Isolator fixiert. Die Luftspalthöhe betrug bei kapazitiver Messung 1,5 µm. Der Sensor wurde in einem Gasmeßplatz mit einer Kelvinsonde mit Si₃N₄ und identischem platinierten Gate als selektive Schichten in Reihe geschaltet. Die Messung in Fig. 5 zeigt die Änderung der Austrittsarbeiten des Systems Pt-Si₃N₄ von Kelvinsonde und hybridem SGFET bei Raumtemperatur und einem Durchfluß von synthetischer Luft, in die H₂ in den Konzentrationen von 100 ppm und, in Stufen, 250 ppm beigemischt wurde.

Fig. 5 Änderung von ΔΦ als Reaktion auf Wasserstoff in Synthetischer Luft (1. ΔΦ in V/Skt.; 2. H₂ in 100 ppm/Skt.; 3. Zeit in 30 min/Skt. 4. Signal Kelvinsonde; 5. H₂- Konzentration; 6. Signal Hybrider SGFET.)

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors mit einem frei zugänglichen Raum zwischen Gateelektrode und Kanalisolator mit den Bezeichnungen Luftspalt für den Raum und Suspended Gate Field Effekt Transistor (SGFET) für den Gesamtaufbau, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Raumes additiv und spacerfrei, d. h. ohne Auftrag von Material, das wieder entfernt wird oder sich verflüchtigt, durchgeführt wird.

2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt durch ein Gate ausgebildet wird, welches von der Herstellung der Feldeffektgrundstruktur abgetrennt, und optional mit einer chemisch sensitiven Oberfläche versehen, aufgebaut wird und hybrid über der Grundstruktur aufgebracht wird mit einer Luftspalthöhe, die sich aus der Höhendifferenz von Kanal- und Feldisolatoren ergeben.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspalt­ höhe zwischen Gatestruktur und Feldeffektstruktur beeinflußt wird durch Partikel zwischen den mechanischen Kontakten.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspalthöhe durch eine Gestaltung der Kontaktpunkte bzw. -flächen zwischen Gatestruktur und Feldeffektstruktur in Form von Distanzhaltern oder -beschichtungen auf Gate- oder Feldeffektstruktur beeinflußt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas- oder Flüssigkeitsaustauschzeiten zwischen Umgebung und dem Luftspaltraum verkürzt werden durch Öffnungen oder vertikale Luftspaltaufweitungen in der Gate- oder Feldeffektstruktur.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine elektrische Messung als Justierhilfe für die Gateposition über der Kanalregion der Feldeffektstruktur und als Kontrolle der Luftspalthöhe.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Fixierung von Gatestruktur und Feldeffektstruktur zueinander mittels mechanischem Druck.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine mechanische Fixierung von Gate- und Feldeffektstruktur zueinander durch Kleben.

9. Verfahren nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Auflagefläche geklebt wird, die von der Kanalregion durch eine Spalterweiterung (Kapillarerweiterung) abgesetzt ist, wodurch ein Übertreten von Klebstoffkomponenten in den Luftspalt vermieden wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Fixierung von Gatestruktur und Feldeffektstruktur zueinander mittels anodischem Bonden der Auflagegebiete erfolgt.

11. Hybride SGFET-Bauelemente, hergestellt nach einem der Verfahren aus den Ansprüchen 1 bis 10.