DE4239319C2 - Verfahren zum spacerfreien, hybriden Aufbau von Luftspalt und Gate von Suspended Gate Feldeffekttransistoren (SGFET) sowie nach dem Verfahren hergestellte Bauelemente - Google Patents
Verfahren zum spacerfreien, hybriden Aufbau von Luftspalt und Gate von Suspended Gate Feldeffekttransistoren (SGFET) sowie nach dem Verfahren hergestellte BauelementeInfo
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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 (J. Janata, Device for Measuring
Concentrations in Gases and Electrically Nonconducting Fluids, U.S. Patent 44 11 741).
Der Luftspalt entsteht durch Herausätzen des Spacers. Chemisch sensitive Schichten unter
dem Gate werden gemäß einer Bauvariante (Nicht-elektrochemische Herstellung von
chemisch selektiven Schichten in Feldeffekttransistoren mit frei hängendem Gate, DE 38 34
189) 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 (M. Josowicz and J. Janata, Suspended Gate Field Effect
Transistor, in Chemical Sensor Technology, Elsevier, 1988).
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 erfindungsgemäß 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, Parikel, 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 Nullpunktsdrift.
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.
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
in Form eines Luftspaltes zwischen einer Gateelektrode und einer Feldeffektstruktur mit
einer Kanalregion (Suspended Gate FET, abgekürzt SGFET), dadurch gekennzeichnet,
daß der frei zugängliche Raum durch Zusammenfügen vorgeformter Gate- und
Grundstrukturen mittels mechanischer Kontakte entsteht.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatestruktur aus
einem sensitiven Material hergestellt wird.
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 mechanischen Kontakte 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 Öffnungen oder
vertikale Luftspaltaufweitungen in der Gate- oder Feldeffektstruktur angebracht werden um
Gas- oder Flüssigkeitsaustauschzeiten zwischen Umgebung und dem Luftspalt zu
verkürzen.
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.
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