JPS5882155A - 電界効果装置およびその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体デバイスであってその′電気的特性が
そのデバイスの一部と特定物質との選択的相互作用に依
存するものに関し、より詳しくは選択的反応域がその上
の適所に堅く固定された膜を構成する方法及び装置に胸
する。

１選択的化学感受性ＦｇＴ）ランスデューサ”（８１Ｌ
ＥＣＴＩＶＥ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　５ＥＮＳＩＴＩＶＥ
　’ＦＩＴＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ８）と題する。１９７
７年５月６日付でジョンソン外に発行され九米国特許４
．０２０，８５０号によって例示される一部のデバイス
があり、これらは化学的選択系の特定周囲物質に対する
相互作用によって変調される電気的特性ＶＣＩ￥を徴が
ある。ジョンソンの特許によると、基体層線ドレーン域
とソース域を有し、これら二域は、絶縁層と、予め決め
られた周囲物質と特定の相互作用を行うための化学的選
択系がその上に堆積されている一定の領域あるいはチャ
ネルによって隔てられている。化学的選択系は一般に物
質と相互作用する膜の形態をと９．特定周囲物質の濃Ｋ
Ｋ基づいてドレーンからソースへの電気伝導を変調させ
る。

ジョンソン外の特許は、ガスｍ＆、イオン活性。

免疫化学的１１１［、酵素と基質の濃度等を含む様々の
種類の周一条件を測定する化学的選択系を意図し、実際
に多くのこのような適用が様々な異種分野において有利
であることを見出した。当業者らはこれらそれぞれの適
用を別々に示すものとして命名しようとして来た０例え
ば、化学的選択膜デバイスにぽケムフエト（ｅＲＥＭＦ
ｌｃ丁げの呼称を。

イオン的反応デバイスには１イズフエト（ＩＮＦεＴげ
の呼称を、免疫学的反応デバイスには１イムノフエト（
ＩＭＭＵＮＯＦＥＴ）″などである。しかし２本願の目
的のために、＠ケムフエト（ｅｈ＠ｍｆ＠ｔ）”の用語
又は単に１デバイス（ｄ・マｉ＠・げの用語は、利用す
る感受性もしくは反応の種類、＊用する膜の特性、又は
−１定すべき周囲物質の性質に関係なく。

全てのこのような装置を含むものとして一般的に使用す
る。ｔた６本明細書で使用するケムフエト又社デバイス
の用語は、トランジスター型、ダイオード型、又は膜−
物質の相互作用に基づく類似の導電性変調に特徴がある
他の同様のデバイスを含む亀のとして使用する。

近年、デバイス構造の開発、及び高信頼性で安定で定量
測定の良好なデバイスの大規模生産を容易にする製造方
法の開発に、多くの努力がはられれてきた０例えば、デ
バイスの封止、膜の構成。

及び膜の堆積が極めて困難な技術問題でおることがわか
った。

優れたケム７エトデバイス製造のために、デバイス構造
と製法を提供することが本発明の一般的目的であり、該
デバイス社高い（ｌ軸性、良好に定量化され九仕様、適
切な物理的一体性、並びに合理的な動作寿命を有するも
のである。

これらデバイスの膜の態様を詳しく考察すると。

問題は製造段階においてと、デバイスの使用及び寿命の
点においての両方において存在することに気づく０例え
ば、可塑剤含有量が高いポリマー膜がこの分野で好まれ
て来たが、製造歩留り、動作の再現性及び物理的一体性
によってデバイスが特徴付けられることが多かった。製
造時にゲート絶縁体に不適切にケムフエト膜が固着され
ると、膜は周囲の封止から次第に脱離する結果となるこ
とは明らかである。これは、化学的応答の漸進的ロスを
もたらすばかりでなく、遅かれ早かれデバイス全体の故
障をもたらす結果になる。

よって６本発明のより具体的な目的は、ケムフエト膜が
高い信頼性で、確実に、シかも事実上永久的にデバイス
に固定され、それにより優れ九機械的一体性と改良され
た負特性の電気化学的動作が達成されるような機構（ｍ
ｅｃｈａｎｉｍｍｓ＞、系（ｓｙｓｔｅｍｓ）及び技術
を提供するととに関する。

本発明の原則は、非反応性材料からなる宙吊りのメック
：Ｌ（網目）　（ａｔｓｓｐｅｕｄ唸ｄ　ｗ＠ｓｈｉ　
をゲート−膜系の上に配置することを前提とし、＃メツ
シュは膜を絶縁体に堅く固定する一方、膜は咳メツシュ
を通して実質的に障害のない状態で周囲物質と反応する
０本発明のより具体的な態様によると、膜を塗布即ち形
成する前にこのような宙吊りメツシュがデバイスのチッ
プ上に形成される。そしてそれ故に、宙吊クメッシュは
、デバイスの有用寿命の間、膜を収容し固定する上部構
造としてだけでなく、正に膜形成の機構として機能する
。

本発明の原則の好ましい一態様では、ケムフエトデバイ
スは、デバイスのゲート絶縁体域上に宙吊りにされ、こ
のゲート絶縁体域の周辺の回りに固定され支持される。

ポリイミド製網目（メツシュ）格子を有する。ポリマー
の膜材料は液状でこのメツシュの上に置かれると、メツ
シュと絶縁体の間の空所（マａｉｄ）へ浸入し、残余は
メツシュの上で硬化されるか、あるいは蒸発除去される
。膜を適切に硬化させると、このメツシュは膜に対して
保持固定具兼包接体を形成する。

このようなデバイスの好ましい製造法では、格子の形成
は、一連の処理工程として基本的なデバイス製造の間に
はさまれ、好ましくはウェーハの加工と同時に行われる
。特に、ウェーハ加工の間において、アルミニウムボン
ディングバットをチップの上に配置するとき、又はデバ
イスの絶縁され九ゲート域の上にアルミニウム液種を形
成するときである。このゲート−絶縁体−アルミニウム
域、並びに少なくともその周りの境界部をポリイミドで
被覆した後、フォトレジストエツチングの技術を用いて
穴のあいた格子構造を、ポリイミドを貫ぬいてアルミニ
ウムに至るまで形成する０次に、再びフォトレジストエ
ツチングの技術を利用して、ポリイミドの下のアルミニ
ウムをエツチング除去し、ゲート絶縁体の上方に宙吊ら
れ、該ゲート域を囲む区域で支持されたポリイミドのメ
ツシュを残す、ポリイミドのメツシュとその下のゲート
絶縁体との間に形成された空所は、活性層の場所を形成
し、これが動作中はボリイ電ド格子メツシ二の穴を通じ
て回りの周囲物質と反応するととＫなる。

したがって９本発明の原則によって、多かれ少なかれ標
準的な集積回路加工工程及び材料が、比較的少ない加工
工程を追加して利用され、膜脱離やその結果起る機械的
電気的劣化や故障に通常伴ならた問題が大部分取除かれ
九ケムフエトデバイスが製造される。さらに、ポリイミ
ドをメツシュとして利用すると、優れた生物学的調和性
のある接触面が提供され、デバイスを近似した許容差内
で効率的に使用することが可能になり、生体臨床医学的
応用を強く要求する状況に応えるものである。

初めに図１を参照す□ると、従来技術のケム７エト型デ
バイスが示されている。特に、この図１のデバイ、スは
、先に引用したジョンソン外の米国特許４，０２０，８
５０号の図２を表す０図１において。

基体３０は、デバイスのソース域とドレーン域ヲ決定す
る拡散域３２と３４を有する。絶縁体Ｓ６の層はデバイ
スを周囲条件から保膜し、導電路４０．４２は、トレー
７及びソースの電極３２と３４を外部回路へ電気的に接
続する。膜５８ｔ−１゜ソースとドレーン（３２と３４
）の間のゲート域の上に重なり、ＷＩ液液浸浸透性層４
４によって適所に保持されている。溶液即ち周囲物質４
６は膜３８と接触し、また参照電極４８（回路素子５０
及び５２によって他の端子に対して適当にバイアス電圧
が加えられている）が、このデバイスの動作を可能にす
るために所要の参照電圧をもたらしている。

次に図２を参照すると９本発明の詳細な説明する実施例
が示されており、ポリイミドの格子メツシュ２０７がデ
バイスのゲート域を覆って施されている。詳しくは１図
２において、基体２０１はそこに拡散され九ドレーン域
２０２とソース域２０′５を有する０図２の実施例では
、ドレーンとソースの電極を外部へ接続する実際の電気
的接続（即ち１図１の象徴的な接続４０．４２）が示さ
れてい立いが、このデバイスの実際の構造（例えば９図
４Ａ及び４Ｂに関して述べるようＫ）は。

図２に示すよりもかなシ精緻であることは、理解されよ
う、ともかく１図２では、絶縁体層２０４が堆積され、
ドレーンとソース（２０２と２０３）の中間部がゲート
あるいはチャネル域２０５を形成し、その導電性は上に
重なる化学的選択膜の周囲物質との相互作用によって変
調されるものである。ゲートの絶縁体域２０５の直接上
の域２０６は−を施す場所であるが１図１に例示された
従来に宙吊りの格子メツシュ２０７をゲートの絶縁体域
２０５の上に形成して空所（マａｉｄ）　２０６をつく
り、その空所に後から膜を形成することが望ましい０図
２に示すように、宙吊りのメツシュ２０７はデバイスに
結合される。より詳しくは２例えば２０８及び２０９と
して示されるように、ゲート絶縁体域の周辺の回シで絶
縁体層２０４に結合される。宙吊りメツシュ２０７はそ
れを貫ぬ〈穴２１１を有し、２０６に設けられる膜はこ
の大を通して周囲物質と選択的に相互作用をすることに
表る。

図２に示す種類のデバイスを製造する好ましい方法は次
のとおりでおるが、従来の処理工程と共働し１時折部分
的に重複するような性格の中間処理工程をいくつか付は
加えることにより１本発明の原則を従来型のケム７エト
デバイ名の製造に完全に調和させて組入れられることを
、理解すべきである。またさらに、−説明のためにここ
で述べる図面はシングルデバイスのみに関しているが１
本発明の原則を組入れることが最も有利であるのは複数
のデバイスのウェーハ全体の製造においてである。

デバイスの絶縁層２０４と２０５を施してデバイスを完
成させた後、アルミニウムを例えば真空蒸着法によって
ウェーハ全体の上に蒸着させる。

この時点で、従来の方法はポンディングパッドの所、及
びもしあれば導電路の所を除いて、ウェーハから全アル
ミニウムをエツチングすることを必要とする。しかし１
本発明の原則によると、各チップのゲート域２０５の上
のアルミニウム被憬（例えば１ミクロン厚）を維持する
ために、エツチングフォトレジストマスクが配置される
。

次に、従来の製造法では、不浸透層（例１図１の４４）
の塗布を必要とする０本発明の好ましい実施例では、ポ
リイミド層がデバイス上に例えば厚さ１，０００オング
ストロームに引き延ばされる。

このポリイミド層は例えば前ベーキング（ｐｒ・−ｈａ
ｋｌｍｇ）によって固定され、フォトレジストのマスク
エ＠により慣用の方法の場合のようにスクライプライン
及びポンディングパッド′ｔ−露わにし。

またこの時点ではまだゲート絶縁体域を蝋っているアル
ミニウムパツドの上の点く図２の２１１１の格子構造即
ちメツシュをも廁わにする。

その後９通常のフォトレジスト技術を利用して。

ポリイミドをポンディングパッドにわたって、スクライ
ブラインから、エツチング除去しそして本発明の原則か
らして最も重要なことであるが、アルミニウムーゲート
絶縁体層の上の穴２１１の格子構造からエツチング除去
する０次いで、硬化を促進するために、ポリイミドをす
すぎ洗い、後ベーキング（ｐｏｓｔ−ｂａｋｉｎｇ）に
供することが望ましい。

本発明の原則にしたがって、先に形成されたメツシュの
下のアルミニウム層をエツチング除去しなければならな
いが、そこでアルミニウムポンディングパッドもエツチ
ング除去されてしまうのを防りタめにこの上、Ｋフォト
レジストを堆積させる。

次いで、宙吊りメツシ：Ｌ２０７とその下のゲート絶縁
体域２０５の間に図２に示される空所域２０６が形成さ
れるまで、ポリイミドメツシュの下からアルミニウムを
完全にエツチング除去する（例えば、酢酸、硝酸及びリ
ン酸の溶液を利用して）。

フォトレジストをポンディングパッドから除去し、デバ
イスを適切に乾燥し、清浄にし、この段階でウェーハの
通常の処理を必要なように続ける。

図２及び図３を参照すると、ｆｉ２１１が形成された宙
吊りメック５−構造２０７の好ましい形態が表されてい
る。好ましい実施態様では、メツシュ２０７はゲート絶
縁体の１約１ミクロンのところに宙吊りにされる。穴は
長さ１０ミクロン、暢１０ミクロンの範囲にあり、それ
ぞれ調和する寸法だけ離れている。デバイスを製造した
初めのときには、空所２０６は空気のみで満たされてい
る。

空所内に膜を形成するために、液状の膜材料（例。

シリンジを用いて配されるポリマー材料）を−液滴単に
置けばよい、この材料は宙吊クメツシエの大２１１に浸
入して空所２０６を満たし、硬化させると膜を形成する
。ひとつの態様では過剰の液体は蒸発により除かれる。

別の態様では膜祉メツシュの下だけでなく上にも形成さ
れる。

最後に図４Ａと４Ｂを参照すると９本発明の原則の二つ
のデバイスチップへの応用が多少象徴的に示されている
。詳しくは９図４Ａのチップ２０１は実用性があるとし
て知られている一種の半導体チップを示し、各チップ２
０１は２つの離れたケムフエトデバイスを含んでいる。

チップへのポンディングパッド４０１は、各デバイスの
ゲート絶縁体域４０５から間隔を置いて示されている。

図４Ｂに示すように、各ポリイミド重量りメツシュ４０
７は完成したチップの上に配置されていて。

チップの反対側の端部にデバイスがつり合って集められ
ている。

上記は本発明の原則の好ましい説明のだめの実施例を示
すこと、当業者は１本発明の精神ないしは範囲を逸脱す
ることなく、多数のこれに代わる実施例忙想到すること
は、理解されよう。例えば。

本発明の原則を宙吊りメツシュの特定の組成にも特定の
寸法にも限定しない（他のポリマー又は他の材料をポリ
イミドの代りに使用できる）、前述した製造処理工程は
主として半導体製造の技術水準に属するものであるが、
フォトレジスト−エツチング及び材料の硬化（ｃａｒ・
）並びに選択の具体的な態様は確かに日進月歩するであ
ろう、そして本発明の原則は、一層容易に新処理技術に
適用できることが予想できる。最後に９種々の一般的な
形態例えは入力と出力の間の種々の接合構造（例えばシ
ングル又はマルチプル接合型デノ（イス）をとるデバイ
スを、このよう表デバイスが本明細薔で述べた種類のゲ
ート型膜を使用する限り０本発明の原則を全く円滑に適
用できることも理解されよう。

【図面の簡単な説明】

図１は従来技術のケムフエトデバイスの横断面を示す。 図２は本発明の説明的実施例を示す。 図３は本発明の宙吊りメツシュゲート膜を示す。 図４ムは２デバイス・ケムフエト・チップの象徴的な一
例を表す。 図４Ｂは本発明によるデバイスを含むチップの平面図で
ある。 ３６・・・絶縁体　　　　５８・・・膜４６・・・周囲
物質　　　　２０５　・・・ゲート２０６・・・膜の場
所（空所１２０７−・・格子メツシュ２１１・−穴　　
　　　　　　４０１　・・・ポンプイングツミツド４０
５・・・ゲート絶縁体域 特許出願人　　フライティコン・インコーホレーテッド 代理人弁理士　松　井　政　広（外１名）図面の浄書（
内容に変更なし） 第１図 第４Ａ図 第４Ｂ図 第３図 手続補正書（１） 昭和５７年１２月３日 特許庁長官　若杉和夫　殿 １、事件の表示 昭和５７年特　許　願第１６４１５４号２、発明の名称
　電界効果デバイス及びその製法３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ４６代理人 ６、補正により増加する発明の数なし ７、補正の対象図面 ８、補正の内容別紙のとおり

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｔ　１を界効果デバイスの特定域の上を援う選択的反応
   膜を使用する系を含む電界効果デバイスにおいて、実質
   的に非反応性のメツシュ構造であって。 ２、特許請求の範囲第１項記載の電界効果デバイスであ
   って、前記メツシュが延びて前記特定域を包み、前記特
   定域の周辺の回りに固定され、そして前記膜の場所を包
   む穴あきの包接体を形成している電界効果デバイス。 五　特許請求の範囲第２項記載の電界効果デバイスであ
   って、前記メツシュが本質的にポリイミド材料のみから
   なる電界効果デバイス。 ４、ＩＩＩＩｌｌ！ＦｉＩｉ１求の範囲第１項記載の電
   界効果デバイスであって、前記メツシュ構造と前記特定
   域の関に少なくとも部分的に収容され九ポリマー性膜を
   さらに含な電界効果デバイス。 ＆　電気的特性が一定の物質に感応する１選択的感応性
   電界効果デバイスの製法であって９次の諸工程からなる
   もの： （１）　　絶縁されたゲート域を含む前記デバイスを少
   なくとも１つを用意し； （ｂ）　　少なくとも前記ゲート域を第１の材料で被傍
   し； （ｃｌ　　少なくとも前記第１の材料を第２の材料で被
   榎し、該第２の材料は前記ゲート城絢辺の回りの少なく
   とも予め決められた所で前記デバイスに結合され： ｔｄ）　　前記第２の材料を貫く穴を選択的に形成して
   格子パターンを形成し；そして （耐　前記第１の材料を前記ゲート域から選択的に除去
   する。 ６．４１許請求の範囲第５項記載の方法であって。 少なくと奄前記第１の材料によＦＪ以前占められてい友
   空所を充填することにょシ、前記ゲート域の上に＠を形
   成する工程をさらに含む方法。　□２、特許請求の範囲
   第５項記載の方法であって。 前記第１及びＭ２の材料が、それぞれ第１及び第２の処
   理によって互いにいずれか一方ずつ化学的に除去される
   方法。 ８、　　％許請求の範囲Ｗｃ１項記載の方法であって。 前記第１の材料がアルミニウムであり、前記第１の材料
   を選択的に除去する前記工程が、酸エツチング剤溶液を
   使用して前記アルミニウムを実質的に完全にエツチング
   除去することからなる方法。 ？、　　［ｆ請求の範囲第７項記載の方法であって。 前記第２の材料がポリイミドであり、穴を選択的に形成
   する前記工程が、フォトレジストからなる格子構造のパ
   ターンを前記第２の材料の上に展開し、エツチングして
   前記ポリイミドに前記第１の材料に至る穴をあけること
   からなる方法。 ＩＱ、％許請求の範囲第５．　６．　８．又は９項で特
   定された方法によシ製造された半導体デバイス。