NL8400612A

NL8400612A - Chemisch gevoelige fet-component.

Info

Publication number: NL8400612A
Application number: NL8400612A
Authority: NL
Original assignee: Cordis Europ
Priority date: 1984-02-28
Filing date: 1984-02-28
Publication date: 1985-09-16
Also published as: CA1224524A; EP0155726A1; JPS60209162A

Description

ff ί t VO 614S Uitvinder: Hendrikus Cornelus Geert Ligtenberg

Titel: Chemisch gevoelige FET-component.___

De uitvinding heeft betrekking op een chemisch gevoelige FET-component» omvattend een substraat u.it een n-of p-gedoteerd halfgelei-dermateriaal? een ten opzichte van de bulk van het substraat aan het opper-5 vlak gelegen gescheiden paar p- of n-gedoteerde, als source resp. drain bruikbare gebieden uit het halfgeleidermateriaal ; een laag uit elektrisch isolerend materiaal dat het tussen de source en de drain liggende gebied alsmede ten minste een gedeelte van de source en de drain bedekt; en een chemisch selektieve bek!edtngslaag, 10 die op de laag uit het elektrisch isolerende materiaal is aangebracht.

Een veldeffecttransistor (FET, field-efféct transistor) die gevoelig is voor ionen of moleculaire stoffen is een zich snel verbreidend hulpmiddel, dat bruikbaar is voor toepassing fn meetsystemen ter bepaling van bijvoorbeeld de concentratie van een ionsoört in een vloei-15 stof respectievelijk voor het volgen van eventuele concentrateever~ anderingen die de betrokken ionsoort ondergaat. Zo vindt een dergelijk element, aangeduid als ÏSFET (ion-selective field-effect transistor]». ondergebracht in een katheter die in de menselijke bloedbaan kan worden gebracht en opgenomen als sensor in een daarvoor bestemd elektrisch 20 meetcircuit dat tevens een referent!eëlelektrode bevat, bijvoorbeeld toepassing voor in-viyo bepaling van de pfi van bloed. Dit houdt in dat de voor de meting relevante aktieve elementen van de ISFET-chip aan de inwerking van de elektrolyt moeten worden blootgesteld. De rest van de chip dient echter hermetisch van het elektrisch contact met de elektrolyt 25 te zijn afgeschermd en moet daartoe van een omhulling worden voorzien,

Om aan de strenge eis van een dergelijke elektrisch isolerende omhulling te voldoen, betekent uit fabrikage-oogpunt technisch een probleem, in het bijzonder bij fabrikage op grote schaal van sensoren die in een miniatuur behuizing gedurende lange tijd in de meetvloeistof dienen te ver-30 blijven en waarbij de nauwkeurigheidseis van belang is. Een van de redenen hiervoor is dat de ISFET-sensor zelf zeer kleine afmetingen heeft van ca.

1 x 2 mm. terwijl het gate-gebied waarbinnen zich de chemisch-gevoelige 8400612 -2- bekledingslaag bevindt, van nog kleinere afmeting is en ca. 20 x 400jx bedraagt. In de praktijk blijkt dan ook dat de meetvloeistof mettertijd toch tot de ISFET-sensor chip doordringt, waardoor een lekstroom optreedt die via de referentieëlèktrode naar de bulk, source 5 of drain van de ISFET-chip loopt. Deze lekstroom neemt in het algemeen in de tijd in sterkte toe. Vanwege de relatief hoge impedantie van de meeste referentieëlektrodén (10 cl 20 kOhm) geeft de zich ontwikkelende lekstroom een bijdrage aan het elektrochemisch potentiaalverschil tussen dè referentieëlektrode en de chemisch selectieve oppervlaktebekledjng van 10 de ISFET.. Deze bijdrage is in het meetsysteem niet te onderscheiden yan het meetsignaal dat het gevolg is van een eventuele wijziging van de chemische samenstelling van de meetvloeistof. Om deze reden beïnvloedt de lekstroom de nauwkeurigheid -van het ISFET-meetsysteem nadelig. Deze tengevolge van een tekort schietende omhulling veroorzaakte meetfout 15 kan aldus worden herleid tot in wezen een isolatieprobleem.

Doel van de uitvinding is, 1n overeenstemming met het bovenstaande, een chemisch gevoelige FET-component, die voorzien is van een verbe-terd elektrisch isolerend systeem dat zich bovendien goed leent te worden ingepast in de fabrikagewfjze van de FET-component en van de daaruit ver-20 vaardigde chemisch gevoelige sensoren respectievelijk daaruit samengestelde meetinrichtingen.

Volgens de uitvinding wordt daartoe een chemisch gevoelige FET-component van de in de aanhef vermelde soort verschaft die daardoor gekenmerkt is dat de source en de drain zijn aangebracht in een op en/of 25 in het substraat aangebracht eiland uit het halfgel ei dermateriaal met een dotering die tegengesteld is aan de dotering van het substraat.

De uitvinding wordt met verwijzing naar de tekening in het onderstaande nader toegelicht. In de tekening tonen figuren la en 1b schematisch in doorsnede respectievelijk een 30 ISFET-component op basis van een p-gedoteerd silicium-substraat en de op basis van een dergelijke ISFET in de praktijk te realiseren schakeling, en figuren 2a en 2b schematisch in doorsnede respectievelijk een ISFET-component op basis van een n-gedoteerd silicium-substraat en de op 8400612 -3- • φ basis van een dergelijke ISFET te realiseren schakeling.

De uitvinding wordt gemakshalve aan de hand van figuur 1 toegelicht. Op figuur 2 is dezelfde toelichting van toepassing met dien verstande» dat de daarbij in het geding zijnde polariteiten van het 5 si 1fcium-halfgeleidermateriaal tegengesteld zijn aan die volgens figuur 1.

In figuur la wordt door 1 de ISFET-component aangegeven, voorzien van het substraat 2 uit p-silicium waarin opgenomen is het halfgeleider-materiaalei1and 6 uit n-silicium, waarvan de zijwand 3 rondom bekleed is met p+ - silicium, In het materiaaleilaind 6 geven de 10 gebieden 14 en 15 de door diffusie gevormde p+ -source en de p+-drain aan. De ISFET-component is in de tekening aan de bovenzijde daarvan vóórts voorzien van een elektrisch isolerende Taag 7 uit siliciumdioxyde, In het gate-gebied 8 is op niet nader getoonde wijze een chemisch selectieve bekledingslaag, bijvoorbeeld een pH-gevoelig membraan» aangebracht, Onder 15 vrijlating van uitsluitend het gate-gebied voer contact van het chemisch selectieve membraan met de te onderzoeken vloeistof» zoals bloed, fs de ISFET 1 verder op gebruikelijke wijze voorzien van een niet nader getoonde omhulling uit een elektrisch isolerend materiaal.

Zoals aangegeven in figuur 1b Omvat het meetcfrcuit een refe* 20 rentieëlefctrode 5, waardoor doelmatig een Ag/AgCl -elektrode kan worden toegepast, die tezamen met de ISFET in de te onderzoeken vloeistof wordt geplaatst. Bij toepassing van de ISFET-component volgens figuur la dient zoals in de in figuur 1b getoonde schakeling is aangegeven, de refe-rentieëlektrode 5 onder een negatieve spanning ten opzichte van de source 25 14 te zijn geschakeld. Met de in figuur 2 getoonde ISFET-component» waar* bij de polariteiten van het silicium, toegepast in het substraat 2 , het halfgeleider-materiaaleiland 6 » de source 16 en de drain 17, tegen* gesteld zijn aan die van de ISFET-component in figuur 1, dient de referentieëlektrode 5 dienovereenkomstig onder een positieve spanning 30 ten opzichte van de source 16 geschakeld te staan.

Het bedieningspunt van de referentieëlektrode wordt binnen het meetsysteem zodanig gekozen, dat een eventuele elektrische stroom daarbij een onder tegenspanning verkerende p-n junctie moet passeren.

Eventuele lekstromen die kunnen optreden, bezitten In het 4 8400612 V -c · $ -4- algemeen een zeer lage stroomsterkte in de orde van nA en worden nu beperkt door de lekstroom van de gesperde p-n overgang. De isolatie-kwaliteit van dé omhulling bepaalt nu niet meer de maximale lekstroom die in het meetsysteem loopt. Lekstromen door de isolatie spelen nu 5 pas een rol- wanneer deze onder invloed van vocht op de isolatie kan afvloeierr naar de aansTuitdraden op de chip. Aangezien deze lek weg doorgaans veel langer is dan de oorspronkelijke weg naar de bulk van de chip heeft de sensor met de zelfde inkapseling nu een veel langere standtijd.

10 De materiaal ei landen ff, 6 uit silicium met een dotering, die tegengesteld is: aan die van het siliciumsubstraat» kunnen op diverse wijzen worden verkregen. Een methode daartoe is om dit eiland aan te brengen door diffusie of door implantatie waarna men in het eiland de source· en de drain gebieden aanbrengt door diffusie.

15 Volgens een andere werkwijze kan men uitgaan van n-op-p of r p-op-n epitaxiale wafers en de isolatie volgens de uitvinding realiseren door scheidingsdTffusies onder het afscheiden van gebieden waarin de ISFET-eomponent kan worden geplaatst Voorts is het ook mogelijk om, weer uitgaande van de n-op-p of p-op-n epitaxiale wafers, daarin sleuven 20 aan te brengen die de epitaxiale laag doorsnijden en vervolgens de zijwand van de aldus mechanisch afgescheiden materiaal ei landen te isoleren door bekleding met een elektrisch isolerend materiaal en/of door een tegengesteld doteringsmateriaal in te diffunderen.

De "on-chip” isolatie maakt het omhullen van de uiterste 25 kleine ISFET-eomponent tot een minder kritische werkwijze. Het aanbrengen van de isolatie zelf kan op doelmatige wijze ladinggewijze via "on-wafer,r technologie worden bewerkstelligd waarbij de~junctie-isolatie bovendien leidt tot een langere levensduur en betere stabiliteit -van de referentieëlektrode.

30 Uiteraard kunnen aan de chemisch"gevoelige FET-component zoals om het vorenstaande besproken en in de tekening toegelicht is nog wijzigingen worden aangebracht zonder dat men het kader van de uitvinding verlaat.

8400612

Claims

1. Chemisch gevoelige FET-component, omvattend een substraat uit een n- of p-gedoteerd halfgeleidermateriaaT; een ten opzichte van de bulk van het substraat aan het oppervlak gelegen gescheiden paar p- of n-gedoteerde, als source respec-5 tievelijk drain bruikbare gebieden uit het halfgeleidermateriaal; een laag uit elektrisch isolerend materiaal dat hèt tussen de source en de drain liggende gebied alsmede ten minste een gedeelte van de source en de drain bedekt? en een chemisch selectieve bekledingslaag, die op de laag uit het elektrisch isolerende materiaal is aangebracht» 10 met het kenmerk» dat de source en de drain zijn aangebracht in een op en/of in het substraat aangebracht eiland uit het half-• geleidermateriaal met een dotering, die tegengesteld is aan de dotering van het substraat.

2. Chemisch gevoelige FET-component volgens conclusie 1, m e t 15 het kenmerk, dat silicium als het halfgeleidermateriaal is toegepast.

' • 3. Werkwijze ter vervaardiging van een chemisch gevoelige FET- component volgens conclusies 1-2, met het kenmerk, dat men het eiland met aan het substraat tegengestelde dotering in het 20 substraat aanbrengt door diffusie of door implantatie, en men daarna in het eiland de source en drain gebieden diffundeert.

4. Werkwijze ter vervaardiging van een chemisch gevoelige FET-component volgens conclusies 1*2, met het kenmerk, dat men uitgaat van een n-op-p of p-op-n epitaxiale wafer en daarin de 25 n- of p-gedoteerde source en drain gebieden diffundeert.

5. Werkwijze ter vervaardiging van een chemisch gevoelige FET-component volgens conclusies 1-2, met het kenmerk, dat men uitgaat van een n-op-p of p-op-n epitaxiale wafer, in de 8400612 4 'r * ' % -6- epitaxiale laag sleuven aanbrengt die de epitaxiale laag doorsnijden waarna de zijwand van de sleuven door middel van een isolerende laag worden bekleed of door een tegengestelde dotering worden geïsoleerd. 8400612