WO2006013289A1 - Capteur pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de charges électriques contenues dans une ambiance, utilisations et procédé de fabrication correspondants. - Google Patents

Capteur pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de charges électriques contenues dans une ambiance, utilisations et procédé de fabrication correspondants. Download PDF

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WO2006013289A1
WO2006013289A1 PCT/FR2005/001761 FR2005001761W WO2006013289A1 WO 2006013289 A1 WO2006013289 A1 WO 2006013289A1 FR 2005001761 W FR2005001761 W FR 2005001761W WO 2006013289 A1 WO2006013289 A1 WO 2006013289A1
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air
gap
sensor according
sensor
electric field
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Application number
PCT/FR2005/001761
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English (en)
Inventor
Tayeb Mohammed-Brahim
Anne-Claire Salaun
France Le Bihan
Hicham Kotb
Farida Bendriaa
Oliver Bonnaud
Original Assignee
Universite De Rennes 1
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • G01N27/4143—Air gap between gate and channel, i.e. suspended gate [SG] FETs

Definitions

  • Sensor for detecting and / or measuring a concentration of electrical charges contained in a corresponding atmosphere uses and manufacturing process.
  • the field of the invention is that of chemical or biological sensors that can be used in gaseous or liquid environments.
  • the invention relates to a very high sensitivity sensor for the detection and / or measurement of a concentration of electrical charges present in a gaseous or liquid atmosphere.
  • the sensor of the invention belongs to the category of sensors comprising a field effect transistor structure comprising a bridge which forms the gate and is suspended over an active layer located between drain and source areas.
  • the invention has many applications, such as, for example, sensors sensitive to NH 3 , NO 2 , humidity, smoke, in gaseous atmospheres, or sensors sensitive to the pH of solutions, in atmospheres. liquids.
  • Transistor "in English) chemically sensitive began 30 years ago. It groups together gas-sensitive structures in gaseous atmospheres, as well as ion-sensitive structures in liquid environments.
  • a gas-sensitive field effect transistor (FET) structure is produced using: either a permeable grid, made of palladium or polymers, and placed against the active layer located between the drain and source zones so that the gas reaches the active layer through openings passing through the permeable grid; - or a suspended grid (also called “suspension bridge") which allows the presence of gas in the area called “air-gap" between the grid and the active layer located between the drain and source areas, or between the gate and an insulating layer deposited on the active layer.
  • the suspended grid FET structure has been described by J. Janata in U.S. Patent Nos. 4,411,741 (1983) and 4,514,263 (1985).
  • This structure uses a conventional P-type FET transistor in monocrystalline silicon with a metal grid, suspended and perforated, forming a bridge.
  • the sensitive parameter is the output work of the bridge which varies as a function of the adsorption of dipoles contained in the fluid, also imposing a variation of the tension of flat bands of the structure.
  • Hybrid suspended-gate FET Hybrid suspended-gate FET
  • the sensitive parameter is 1 output work which varies as a function of the adsorption by the sensitive layer of molecules (for example dipoles) contained in the zone (so-called air-gap) between the bridge and the active layer (and more specifically, in the present case where it adsorption, between the bridge and the sensitive layer).
  • the current between the zones of drain and source I DS current flowing in the active layer
  • the variation of the measured current results from the adsorption of molecules by the sensitive layer.
  • the current I DS is even greater than the quantity of dipoles adsorbed by a sensitive layer deposited on the active layer is great.
  • the adsorbed dipoles are aligned, the positive end of each of the adsorbed dipoles being oriented towards the active layer, which leads to an increase in the number of electrons attracted and therefore to an increase in the current I DS that goes into the active layer.
  • the ion-sensitive structure in a liquid environment is called Bergveld's Ion Sensitive FET (ISFET). It is a structure without a grid, comprising on the one hand a sensitive layer, which covers the insulator on the channel, and on the other hand a reference electrode immersed in the solution and fixing the gate bias.
  • ISFET Ion Sensitive FET
  • ISFET ISFET The main topics discussed concern the improvement of the sensitivity and selectivity of the sensitive layer on which the phenomenon of adsorption occurs (US Patents 5,319,226 / 5,350,701 / 5,387,328), the study of the drift as well as the effect of temperature and the use of a reference FET structure (JM Chovelon, Sensors and Actuators B8 (1992) pp. 221-225).
  • the sensitivity of the ISFETs is explained by the variation of the threshold voltage induced by the variation of the voltage of flat bands V FB . In other words, only the effect of the adsorption phenomenon is used in the known ISFETs.
  • V FB V ref - ⁇ o - ⁇ soX - ⁇ -
  • V ref the contribution of the reference electrode
  • ⁇ Q the surface potential at the interface between the insulation and the solution ⁇ g the work function of the semiconductor.
  • a is a dimensionless parameter, between 0 and 1.
  • a is a dimensionless parameter, between 0 and 1.
  • a disadvantage of known sensors comprising a field effect transistor structure is that they have limited sensitivity. Typically, this sensitivity is limited to 59 mV / pH in the case of a liquid environment.
  • the invention particularly aims to overcome these disadvantages of the state of the art.
  • the invention also aims, in at least one embodiment, to provide such a sensor that can be used in a gaseous environment.
  • Another object of the invention in at least one embodiment, is to provide such a sensor that can be used in a liquid environment.
  • a complementary objective of the invention in at least one embodiment, is to provide such a sensor that is simple to manufacture and inexpensive.
  • Yet another object of the invention in at least one embodiment, is to provide such a sensor for removing the stress of choice of the material used for the sensitive layer (on which the phenomenon of adsorption occurs). 4. Essential characteristics of the invention
  • a sensor for the detection and / or measurement of a concentration of electrical charges contained in an environment
  • said sensor comprising a field effect transistor structure comprising a bridge which forms a gate and is suspended over an active layer located between drain and source areas.
  • a gate voltage having a determined value is applied to the bridge.
  • a so-called air-gap zone is between the bridge and the active layer or an insulating layer deposited on said active layer, and has a determined height.
  • An electric field E defined as the ratio between the gate voltage and the height of the air-gap, is created in the air-gap.
  • the electric field E created in the air gap has a value greater than or equal to a determined threshold value, sufficiently large for the electric field E to influence the distribution of electrical charges contained in the atmosphere and present in the atmosphere. the air-gap, and allows to obtain a high sensitivity of the sensor by an accumulation of electrical charges on the active layer.
  • the general principle of the invention is to create a large electric field in the air-gap, to push electrical charges to the active layer and thus improve the sensitivity of the sensor.
  • the present invention therefore does not apply to electrically neutral environments, in which there are no electric charges on which can act the electric field created in the air-gap.
  • the present invention is based on the effect that a new distribution of charges in the air-gap results from the application of a large electric field, and not on the phenomenon of adsorption.
  • the effect on which the present invention is based does not exist because the electric field applied in the air-gap is much too low.
  • the inventors consider that the effect on which the present invention is based only if the electric field applied in the air-gap is a strong field, greater than or equal to 50 000 V / cm.
  • the electric field applied in the air-gap is a weak field, generally much less than 1000 V / cm.
  • the sensor of the invention only uses the effect specific to the invention (new distribution of the charges in the air gap thanks to the application of a large electric field), and therefore does not use the effect of adsorption.
  • the invention therefore makes it possible to remove the stress of choice of the material used for the sensitive layer (on which the phenomenon of adsorption occurs); and in a second implementation, the sensor combines the effect of the invention
  • the invention relates to any geometry where the field effect, due to the voltage applied on the suspension bridge, is high enough to influence the distribution of electrical charges present in the environment. It is recalled that the modulation of the current between the drain and source zones is mainly due to the variation of the distribution of the charges present in the air-gap, between the bridge and the active layer (or between the bridge and an insulating layer deposited on the active layer).
  • the electric field created in the air-gap has a value greater than or equal to 100,000 V / cm.
  • the electric field created in the air-gap has a value greater than or equal to 200,000 V / cm.
  • the height of the air-gap is less than 1 ⁇ m.
  • the height of the air-gap is less than 0.5 microns.
  • the height of the air-gap it is possible to apply a larger electric field without increasing the gate voltage V GS applied to the bridge, or else to apply the same electric field with a gate voltage V GS plus low.
  • at least a portion of the surface of the structure, including the drain and source areas, the suspension bridge and the active layer, is covered with an insulating material, so that the sensor can be immersed in a liquid environment.
  • the senor according to the invention differs from the known structure ISFET (see discussion above) in that the grid (suspension bridge) plays the role of the reference electrode and in that the height of the air-gap and the gate voltage applied to the bridge are suitably chosen so that there is a large electric field in this air-gap for pushing electric charges towards the active layer.
  • the invention also relates to a use of the aforementioned sensor (according to the invention) for detecting and / or measuring a concentration of electrical charges contained in an environment.
  • the environment containing electrical charges belongs to the group comprising gaseous atmospheres and liquid environments.
  • the electric charges are NH 3 molecules contained in a gaseous environment.
  • the electric charges are NO 2 molecules contained in a gaseous environment.
  • the NH 3 and NO 2 molecules are dipolar molecules, and as such can be described as electric charges within the meaning of the present invention. Indeed, the electric field created in the air-gap influences the displacement of the dipolar molecules present in this air-gap (even if these dipolar molecules are globally electrically neutral).
  • the electric charges are H + ions contained in a liquid atmosphere.
  • the senor according to the invention is used for detection and / or measurement of a moisture content in a gas atmosphere, for detecting and / or measuring an OH ion concentration "content in said gaseous environment.
  • the sensor according to the invention is used for the detection and / or measurement of a concentration of smoke in a gaseous environment, by detection and / or measurement of electrical charges included in said smoke and contained in said gaseous atmosphere.
  • the sensor according to the invention is used for measuring the quality of the air, by measuring a quantity of negative electrical charges contained in the air.
  • the senor according to the invention is used for the detection and / or measurement of a vacuum level in a gaseous environment, by detection and / or measurement of electrical charges not removed from said gaseous environment.
  • the senor according to the invention is used for measuring the pH of a liquid environment, by measuring a concentration of H + ions contained in said liquid environment.
  • the pH sensitivity depends on the field effect via the thickness of the air-gap. It decreases when the thickness of the air-gap increases.
  • the senor according to the invention is used for the detection of electrically charged biological entities contained in said environment.
  • biological entities is meant, but not exclusively, cells or branches of DNA.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a sensor as mentioned above
  • the suspended bridge field effect transistor structure is realized with a micro-surface technology technique.
  • the advantage of using the technique of micro-surface technology is that it makes it possible to easily obtain a low air-gap as recommended by the present invention (advantageously less than or equal to 0.5 ⁇ m, and preferentially less than or equal to 1 ⁇ m). 5.
  • Figures la and Ib each show a schematic view, in section and in perspective respectively, of a first particular embodiment of a sensor according to the invention, adapted for use in a gaseous environment;
  • Figure Ic is a view by electron microscopy of a sensor according to the invention, of the type shown schematically in Figures la and Ib;
  • - Figure Id is a zoom of part of Figure Ic, showing particularly the air-gap;
  • FIG. 2a shows two transfer characteristics (drain-source current I DS - gate voltage V GS ) of the same particular embodiment of a sensor according to the invention, one being obtained when the sensor is placed in dry air, the other after introduction of 100 ppm NH 3 into the atmosphere;
  • FIG. 2b shows two transfer characteristics (drain-source current I DS - gate voltage V GS ) of the same particular embodiment of a sensor according to the invention placed in the air with a relative humidity level 10%, respectively before and after introduction of 2 ppm NO 2 ;
  • FIG. 2c represents a plurality of transfer characteristics (drain-source current I DS - gate voltage V GS ) of the same particular embodiment of a sensor according to the invention, obtained at different successive instants after introduction of smoke in the mood;
  • FIG. 2d completes FIG. 2c by showing a curve of variation of the threshold voltage as a function of the time elapsed since the introduction of the smoke
  • FIG. 2e represents a linear plot (and not a logarithmic scale as in the other figures) of a plurality of transfer characteristics (drain-source current I DS - gate voltage V GS ) of the same particular embodiment a sensor according to the invention, obtained at different successive times after introduction of smoke into the atmosphere
  • FIG. 2f represents a plurality of transfer characteristics (drain-source current I DS - gate voltage V GS ) of the same particular embodiment of a sensor according to the invention, obtained for different relative humidity levels in the atmosphere
  • FIG. 2g completes FIG.
  • FIG. 2f by showing a curve of variation of the threshold voltage as a function of the humidity level
  • FIG. 2h represents a plurality of transfer characteristics (drain-source current I DS - gate voltage V GS ) of the same particular embodiment of a sensor according to the invention, obtained for 10% and 20% of relative humidity and before and after introduction of smoke into the atmosphere
  • FIG. 3 is a diagrammatic sectional view of a second particular embodiment of a sensor according to the invention, adapted for use in a liquid environment
  • FIG. 4a represents a curve of variation of the gate voltage as a function of the pH, for a drain-source current of 100 ⁇ A and for an air gap of 0.5 ⁇ m thick
  • FIG. 4b represents a curve of variation of the gate voltage as a function of the pH, for a drain-source current of 400 ⁇ A and for an air gap of 0.8 ⁇ m thick; and FIG. 5 represents a plurality of transfer characteristics (drain-source current I DS - gate voltage V GS ) of the same particular embodiment of a sensor according to the invention, obtained after the sensor has been immersed in different liquid environments: deionized water, KOH solution, KCl solution and NaCl solution. 6. Description of an embodiment of the invention
  • the present invention therefore relates to a highly sensitive sensor for detecting and measuring the concentration of electrical charges contained in an environment.
  • the effect of amplification of the sensitivity is due to a field effect introduced by a suspension bridge above (at low height) of a resistive region (active layer) between drain and source regions.
  • the modulation of the current measured between the drain and source regions (“drain-source current I DS ) is due for the most part to the modification of the distribution of the charges present in the air-gap, between the bridge and the active layer (or between the bridge and an insulating layer deposited on the active layer).
  • a first particular embodiment of a sensor according to the invention suitable for use in a gaseous environment.
  • the senor according to the invention comprises a typical field effect transistor structure 3, deposited on a glass substrate 1 covered by a silicon nitride film 2.
  • the field effect transistor structure 3 comprises a suspension bridge 4 serving as gate (G), made of highly doped polycrystalline silicon.
  • the field effect transistor is actually a Thin Film Transistor (TFT).
  • TFT Thin Film Transistor
  • the polycrystalline silicon bridge is made using micro-surface technology techniques.
  • SGTFT Small Gate Thin Film Transistor
  • the invention relates to all field effect structures for which the electric field is strong enough to influence the distribution of electrical charges present in the environment.
  • the field effect transistor structure 3 comprises a non-intentionally doped polycrystalline silicon film (active layer) 10, deposited on the glass substrate 1 covered with the silicon nitride layer 2. Any other insulating or covered substrate any electrical insulation may also be used.
  • the polycrystalline silicon layer is for example deposited in amorphous form and is then crystallized. It can also be deposited directly in crystallized form. Any other undoped or weakly doped semiconductor may also be used.
  • amorphous form can also be deposited in amorphous form and then crystallized or directly in crystallized form. It can also be post-doped by any method of doping. Any other highly conductive material can also be used.
  • a bi-layer of silicon oxide / silicon nitride or a layer of silicon nitride alone 8 is then deposited and etched so as to cover the surface between the source and drain zones. Any type of electrical insulation layer can also be used.
  • a germanium layer (not shown) is then deposited and used as a sacrificial layer.
  • a layer of SiO 2 or any other material, compatible with the other layers present in the structure, can also be used as a sacrificial layer.
  • the thickness h of the sacrificial layer gives the final value of the height of the air gap 9 (space under the bridge).
  • the electric field E created in the air-gap is defined as the ratio between the gate voltage V GS and the height of the air-gap. According to the invention, this electric field created in the air-gap has a value greater than or equal to a determined threshold value (50 000 V / cm, and preferably 100 000 V / cm or 200 000 V / cm).
  • the height h of the air-gap and the gate voltage V GS are chosen so that this condition relating to the electric field E is respected.
  • This height h of the air-gap must be low, for a given gate voltage V GS , so that the electric field created in the air-gap is important and therefore the field effect is the preponderant effect on the sensitivity. In other words, this height h must be sufficiently small for a V GS gate voltage applied to the bridge to create an electric field E large enough to influence the distribution of electric charges contained in the atmosphere and present in the air. -gap. According to the invention, this height is less than or equal to 1 ⁇ m, and preferably less than or equal to 0.5 ⁇ m.
  • the electric field E is equal to at least 50,000 V / cm, 100,000 V / cm or 200,000 V / cm depending on whether the gate voltage V GS is at least 2.5 V, 5 V or 10 V respectively.
  • a heavily doped in-situ polycrystalline silicon layer 4 is then deposited and etched to form the gate bridge (G). Any other highly conductive material, compatible with the other layers present in the structure and having sufficient mechanical properties for maintaining the bridge, can also be used.
  • a metal layer (not shown) may then be deposited and etched to form the source, drain and gate electrical contacts.
  • the field effect transistor structure 3 can also be made without this metal layer.
  • the sacrificial layer is etched (i.e. deleted) to free space
  • (air-gap) 9 located under the bridge 4, either before or after the metal deposition of the contacts, depending on the compatibility between the different materials used.
  • the gaseous atmosphere can occupy this space 9.
  • the first embodiment of the sensor according to the invention is sensitive to different gases. Sensitivity to different moods has been shown.
  • the structure is not sensitive to electrically neutral environments.
  • the characteristic of the transistor is similar under vacuum and under O 2 , or under N 2 for example. In all these atmospheres, the threshold voltage is very high. This high value of the threshold voltage is normal by considering the usual equations of the MOS theory when the dielectric constant is 1 and the gate insulator has a thickness greater than or equal to 0.5 ⁇ m.
  • the characteristic of the transistor varies in electrically charged environments.
  • a sensor of the invention is used in which the shift of the threshold voltage of the transistor is due to: the field effect (effect peculiar to the present invention): an important electric field is created in the air-gap zone which causes a new distribution of charges in the air-gap; and the adsorption effect (well-known effect) on the surface of a sensitive layer deposited on the active layer of the transistor.
  • the field effect effect peculiar to the present invention
  • the adsorption effect well-known effect
  • ⁇ F is the position of the Fermi level relative to the middle of the band gap
  • Q sc is the space charge in the semiconductor
  • C is the total capacitance per unit area between the bridge and the semiconductor
  • e ox is the total thickness of insulation (sum of the height h of the air-gap and the thickness of the layer of insulator 8 (e.g. bi- silicon oxide layer (SiO 2) / silicon nitride (Si 3 N 4) or a layer of silicon nitride (Si 3 N 4) alone)
  • p (x) is the load in the insulation at a distance x from the bridge.
  • any variation of the atmosphere in the air-gap causes a variation of the total charge in the insulation and a possible variation of its distribution.
  • chemical reactions at the inner surface of the air-gap can occur, leading to a variation of the parameter ⁇ MS .
  • the transistor is in thin films with a suspended grid made of N-type polycrystalline silicon.
  • the air-gap has a height of 0.5 ⁇ m. It is clear that many other uses can be envisaged without departing from the scope of the present invention.
  • FIG. 2a shows that under NH 3 ( Figure 2a) or NO 2 ( Figure 2b), the structure has a significant sensitivity.
  • NO 2 and NH 3 were chosen as the gas of test for their opposite effects on the characteristics of the transistors.
  • FIG. 2a shows that during the introduction of NH 3 , the I DS curve (V GS ) moves towards the lower voltages (negative displacement of the threshold voltage).
  • Figure 2b shows that the introduction of NO 2 has the opposite effect.
  • a displacement of the threshold voltage of 6 V is obtained with 100 ppm of NH 3 gas or 2 ppm of NO 2 .
  • Figures 2c and 2d show that during the introduction of smoke, the threshold voltage and the slope below the threshold decrease sharply and the transfer characteristic saturates.
  • Figures 2f and 2g show that during the introduction of moisture, the threshold voltage and the slope below the threshold decrease sharply and the transfer characteristic saturates.
  • the threshold voltage varies by more than 18 V when the humidity level increases from 25 to 70%.
  • Figure 2h shows that the sensitivity of the structure is selective for smoke at low relative humidity (for example when the humidity is kept constant and is less than 25%).
  • This structure differs from that of FIG. 1a (first embodiment adapted for use in a gaseous environment) in that a layer of silicon nitride 30 is deposited on its surface (and therefore especially on the surface of drain
  • the structure thus modified can be immersed in a liquid and allows an in-situ measurement in the liquid.
  • any other material for isolating the structure of the solution can also be used.
  • the contact areas are covered with resin or any other electrical insulator.
  • This structure is for example used to measure the amount of charge contained in a liquid. It is for example called “Ion Sensitive Thin Film Transistor” (ISTFT).
  • FIG. 4a shows that a pH sensitivity of 285 mV / pH is obtained with an air gap of a height equal to 0.5 ⁇ m.
  • the variation of the gate voltage between approximately 6.5V and 9V corresponds to a variation of the electric field (in the air-gap) between approximately 130 000 V / cm and 180 000 V / cm.
  • FIG. 4b shows that this sensitivity drops to 90 mV / pH for an air-gap of a height equal to 0.8 ⁇ m.
  • the variation of the gate voltage between approximately 6.25V and 7.25V corresponds to a variation of the electric field (in the air-gap) between approximately 62 500 V / cm and 72 500 V / cm.
  • This decrease in sensitivity shows that the field effect is predominant for obtaining a high sensitivity.
  • the modified structure of the invention gives a high sensitivity to pH, approximately 2 to 6 times greater than that of the usual ISFET structures, this sensitivity depending on the thickness of the air. gap.
  • the high sensitivity to electrically charged environments of the sensor according to the invention is explained by the large field effect which is created (c '). that is to say the creation of a strong electric field in the air-gap, greater than or equal to 50 000 V / cm, or even 200
  • This distribution is no longer uniform when the electric field E becomes large (greater than or equal to 50 000 V / cm), in particular because the thickness of the air-gap decreases (case of the technique according to the invention) .
  • the sensitivity of the sensor according to the invention becomes high because of a greater accumulation of charges on one of the faces of the air-gap (unlike in the case of the prior art where Ia load distribution is uniform). This accumulation becomes more and more important when the gate-source voltage and thus the field effect increase.
  • the saturation of the transfer characteristic is explained by the saturation of the surface of the air-gap when the electric charges accumulate under the effect of the field. This saturation appears for lower gate-source voltages (weaker field effect) when the amount of charges contained in the environment increases.
  • the pH does not change when saline solutions such as KCl and NaCl are used. Therefore, when one traces the transfer characteristics of a sensor according to the invention which is placed in these solutions, only the effect of the electric field on the charge distribution is observed. On the other hand, in the presence of KOH, the pH changes and therefore not only the effect of the new charge distribution (under the action of the electric field), but also the effect of the adsorption.
  • FIG. 5 shows the transfer characteristics (drain-source current I DS - gate voltage V GS ) of the same particular embodiment of a sensor according to the invention, obtained after the sensor has been immersed in the ambiences.
  • following liquids DI water and solutions of KOH, KCl and NaCl with the same concentration.
  • the insulating layer also acts as a sensitive layer for adsorption. Consequently, in the presence of KOH, the shift in the transfer characteristic is due firstly to the new charge distribution (under the action of the electric field) and secondly to the adsorbed charge. Thus, the two effects accumulate and contribute to the good pH sensitivity of this example of a sensor according to the invention.

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Abstract

L'invention concerne un capteur pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de charges électriques contenues dans une ambiance. Le capteur comprend une structure de transistor à effet de champ comprenant un pont (4) qui forme une grille et est suspendu au-dessus d'une couche active (10) située entre des zones de drain (6) et de source (7). Une tension de grille possédant une valeur déterminée est appliquée au pont. Une zone, dite air-gap (9), est comprise entre le pont (4) et la couche active (10) ou une couche isolante (8) déposée sur ladite couche active, et possède une hauteur déterminée. Un champ électrique E, défini comme le rapport entre la tension de grille et la hauteur de l'air-gap, est crée dans l'air-gap. Selon l'invention, le champ électrique créé dans l'air-gap possède une valeur supérieure ou égale à une valeur seuil déterminée (50 000 V/cm, 100 000 V/cm, ou encore préférentiellement 200 000 V/cm), suffisamment importante pour que le champ électrique E influence la distribution de charges électriques contenues dans l'ambiance et présentes dans l'air-gap, et permette l'obtention d'une sensibilité élevée du capteur par une accumulation de charges électriques sur la couche active.

Description

Capteur pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de charges électriques contenues dans une ambiance, utilisations et procédé de fabrication correspondants.
1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui des capteurs chimiques ou biologiques pouvant être utilisés dans des ambiances gazeuses ou liquides.
Plus précisément, l'invention concerne un capteur de très grande sensibilité pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de charges électriques présentes dans une ambiance gazeuse ou liquide. Le capteur de l'invention appartient à la catégorie des capteurs comprenant une structure de transistor à effet de champ comprenant un pont qui forme la grille et est suspendu au-dessus d'une couche active située entre des zones de drain et de source.
L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple des capteurs sensibles au NH3, au NO2, à l'humidité, à la fumée, dans des ambiances gazeuses, ou encore des capteurs sensibles au pH de solutions, dans des ambiances liquides.
Plus généralement, elle peut s'appliquer dans toute ambiance, gaz ou liquide, contenant des charges électriques. En revanche, il est important de noter que la présente invention ne s'applique pas aux ambiances électriquement neutres.
2. Art antérieur L'histoire du transistor à effet de champ (ou FET, pour « Field Effect
Transistor » en anglais) chimiquement sensible a commencé il y a 30 ans. Elle regroupe des structures sensibles aux gaz dans des ambiances gazeuses, ainsi que des structures sensibles aux ions dans des ambiances liquides.
De façon classique, une structure de transistor à effet de champ (structure FET) sensible aux gaz est réalisée en utilisant : soit une grille perméable, réalisée en paladium ou polymères, et placée contre la couche active située entre les zones de drain et de source, de sorte que le gaz atteigne la couche active en passant par des ouvertures traversant la grille perméable ; - soit une grille suspendue (aussi appelée « pont suspendu ») qui permet la présence de gaz dans la zone appelée « air-gap » comprise entre la grille et la couche active située entre les zones de drain et de source, ou entre la grille et une couche isolante déposée sur la couche active. La structure FET à grille suspendue a été décrite par J. Janata dans les brevets US n° 4,411,741 (1983) et 4,514,263 (1985). Cette structure utilise un transistor FET classique de type P en silicium monocristallin avec une grille métallique, suspendue et trouée, formant un pont. Le paramètre sensible est le travail de sortie du pont qui varie en fonction de l'adsorption de dipôles contenus dans le fluide, imposant également une variation de la tension de bandes plates de la structure.
Un autre brevet [S.C. Pyke, brevet US n° 4,671,852 (1987)] décrit une méthode pour fabriquer un FET chimiquement sensible à grille suspendue, basée sur la suppression d'une couche sacrificielle. Comme pour le brevet précédent, une grille métallique est utilisée pour le pont suspendu.
B. Flietner, T. DoIl, J. Lechner, M. Leu et I. Eisele (Sensors and Actuators B, 18- 19 (1994) pp. 632-636) ont proposé un FET à grille suspendue hybride (Hybrid suspended-gate FET : HSGFET) permettant de déposer facilement des couches sensibles entre la grille et le canal du transistor (c'est-à-dire entre la grille et la couche active du transistor). Dans ce procédé, la grille est fabriquée séparément et est ensuite fixée sur le FET sans grille précédemment fabriquée.
A la suite de ces brevets, un nombre important de publications et de brevets ont été réalisés dans le but d'optimiser la structure du FET à grille suspendue sensible aux gaz. Ces travaux ont pour la plupart porté sur l'optimisation des matériaux utilisés pour réaliser la couche sensible sur laquelle se produit le phénomène de l'adsorption.
La sensibilité aux gaz de ces structures FET connue s'explique par la variation du travail de sortie de la couche sensible lors de l'exposition aux gaz, qui produit un déplacement de la tension de seuil. En d'autres termes, le paramètre sensible est 1 travail de sortie qui varie en fonction de l'adsorption par la couche sensible de molécules (par exemple des dipôles) contenues dans la zone (dite air-gap) comprise entre le pont et la couche active (et plus précisément, dans le cas présent où il y adsorption, entre le pont et la couche sensible). On rappelle que, de façon classique, pour obtenir une indication de la quantité de molécules recherchées présentes dans l 'air-gap, on mesure le courant entre les zones de drain et de source (courant IDS qui passe dans la couche active) et on détermine comment varie le courant mesuré. Avec la technique actuelle décrite ci-dessus, basée sur le phénomène de l'adsorption, la variation du courant mesuré résulte de l'adsorption de molécules par la couche sensible. Par exemple, comme expliqué dans le brevet US n°4,514,263 précité, dans le cas où une charge positive est présente sur le pont, le courant IDS est d'autant plus grand que la quantité de dipôles adsorbés par une couche sensible déposée sur la couche active est grande. En effet, dans ce cas, les dipôles adsorbés s'alignent, l'extrémité positive de chacun des dipôles adsorbés étant orientée vers la couche active, ce qui conduit à une augmentation du nombre d'électrons attirés et donc à une augmentation du courant IDS qui passe dans la couche active.
La structure sensible aux ions dans une ambiance liquide (ou solution) est appelée Bergveld's Ion Sensitive FET (ISFET). Il s'agit d'une structure sans grille, comprenant d'une part une couche sensible, qui recouvre l'isolant sur le canal, et d'autre part une électrode de référence plongée dans la solution et fixant la polarisation de grille. Bien que la première publication sur cette structure soit de P. Bergveld
["Development of an ion-sensitive solid -state device for neuro-physiological measurements", IEEE Trans. Biomed. Eng. 17 (1970) pp. 70-71], le premier brevet est dû à CC. Johnson, S. D. Moss, J.A. Janata, "Sélective chemical sensitive FET Transducers, US. Patent 4,020,830 (1977). Depuis ce brevet, plus de 500 publications et 150 brevets ont été dédiés aux
ISFET. Les principaux sujets abordés concernent l'amélioration de la sensibilité et la sélectivité de la couche sensible sur laquelle se produit le phénomène de l'adsorption, (US. Patents 5,319,226 / 5,350,701 / 5,387,328), l'étude de la dérive ainsi que l'effet de la température et l'utilisation d'une structure FET de référence (J.M. Chovelon, Sensors and Actuators B8 (1992) pp. 221-225).
Comme pour les structures FET sensibles aux gaz, la sensibilité des ISFET s'explique par la variation de la tension de seuil induite par la variation de la tension de bandes plates VFB. En d'autres termes, seul l'effet du phénomène de l'adsorption est utilisé dans les ISFET connus.
VFB s'exprime par : VFB = Vref -Ψo - χsoX -^- où Vref est la contribution de l'électrode de référence, ^so1 le potentiel dipolaire de surface de la solution, ΨQ le potentiel de surface à l'interface entre l'isolant et la solution, Φg le travail de sortie du semiconducteur.
Seul ΨQ est sensible à la valeur du pH. La relation ΨQ - pH est donnée par (R.E.G. van HaI, J.C.T. Eijkel, P. Berveld, "A gênerai model to describe the electrostatic potential at electrolyte/oxide interfaces", Adv. Colloid. Interface Sci. 69 (1996) pp. 31- 62) :
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où a est un paramètre sans dimension, compris entre 0 et 1. Lorsque a est égal à 1, la sensibilité maximale de 59 mV/pH, appelée sensibilité de Nernst, est atteinte.
Aucun brevet et aucune publication n'ont reporté de sensibilité plus élevée sans utiliser de circuit d'amplification.
Un inconvénient des capteurs connus comprenant une structure de transistor à effet de champ est qu'ils présentent une sensibilité limitée. Typiquement, cette sensibilité est limitée à 59 mV/pH dans le cas d'une ambiance liquide.
3. Objectifs de l'invention
L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.
Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir un capteur comprenant une structure de transistor à effet de champ et possédant une sensibilité plus élevée que celle des capteurs connus.
L'invention a également pour objectif, dans au moins un mode de réalisation, de fournir un tel capteur pouvant être utilisé dans une ambiance gazeuse.
Un autre objectif de l'invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir un tel capteur pouvant être utilisé dans une ambiance liquide.
Un objectif complémentaire de l'invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir un tel capteur qui soit simple à fabriquer et peu coûteux.
Encore un autre objectif de l'invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir un tel capteur permettant de lever la contrainte de choix du matériau utilisé pour la couche sensible (sur laquelle se produit le phénomène de l'adsorption). 4. Caractéristiques essentielles de l'invention
Ces différents objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un capteur pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de charges électriques contenues dans une ambiance, ledit capteur comprenant une structure de transistor à effet de champ comprenant un pont qui forme une grille et est suspendu au-dessus d'une couche active située entre des zones de drain et de source. Une tension de grille possédant une valeur déterminée est appliquée au pont. Une zone, dite air-gap, est comprise entre le pont et la couche active ou une couche isolante déposée sur ladite couche active, et possède une hauteur déterminée. Un champ électrique E, défini comme le rapport entre la tension de grille et la hauteur de l'air-gap, est crée dans l'air-gap. Selon l'invention, le champ électrique E créé dans l'air- gap possède une valeur supérieure ou égale à une valeur seuil déterminée, suffisamment importante pour que le champ électrique E influence la distribution de charges électriques contenues dans l'ambiance et présentes dans l'air-gap, et permette d'obtenir une sensibilité élevée du capteur par une accumulation de charges électriques sur la couche active.
Le principe général de l'invention, que celle-ci soit appliquée dans une ambiance gazeuse ou liquide, consiste à créer un champ électrique important dans l'air-gap, permettant de pousser des charges électriques vers la couche active et ainsi améliorer la sensibilité du capteur. La présente invention ne s'applique donc pas aux ambiances électriquement neutres, dans lesquelles il n'existe pas de charges électriques sur lesquelles peut agir le champ électrique créé dans l'air-gap.
Il est important de noter que la présente invention repose sur l'effet que produit une nouvelle répartition des charges dans l'air-gap grâce à l'application d'un champ électrique important, et non pas sur le phénomène de l'adsorption. Dans les capteurs connus basés sur le phénomène de l'adsorption, l'effet sur lequel repose la présente invention n'existe pas car le champ électrique appliqué dans l'air-gap est beaucoup trop faible. En effet, les inventeurs considèrent que l'effet sur lequel repose la présente invention n'existe que si le champ électrique appliqué dans l'air-gap est un champ fort, supérieur ou égal à 50 000 V/cm. Or, dans les capteurs connus, le champ électrique appliqué dans l'air-gap est un champ faible, généralement très inférieur à 1 000 V/cm. On notera également que les préjugés de l'homme du métier l'ont toujours incité à croire qu'il ne fallait pas trop augmenter la valeur du champ électrique créé dans l'air- gap, afin de ne pas saturer l'adsorption par les surfaces de l'air-gap.
Deux mises en œuvre du capteur de l'invention sont donc possibles : - dans une première mise en œuvre, le capteur n'utilise que l'effet propre à l'invention (nouvelle répartition des charges dans l'air-gap grâce à l'application d'un champ électrique important), et n'utilise donc pas l'effet de l'adsorption.
Dans ce cas, aucune couche sensible n'est nécessaire et l'invention permet donc de lever la contrainte de choix du matériau utilisé pour la couche sensible (sur laquelle se produit le phénomène de l'adsorption) ; et dans une seconde mise en œuvre, le capteur combine l'effet propre à l'invention
(nouvelle répartition des charges dans l'air-gap grâce à l'application d'un champ électrique important) et l'effet de l'adsorption. Dans ce cas, une couche sensible est nécessaire pour l'adsorption. L'invention concerne n'importe quelle géométrie où l'effet de champ, dû à la tension appliquée sur le pont suspendu, est assez élevé pour influencer la distribution de charges électriques présentes dans l'ambiance. On rappelle que la modulation du courant entre les zones de drain et de source est due principalement à la variation de la distribution des charges présentes dans l'air-gap, entre le pont et la couche active (ou entre le pont et une couche isolante déposée sur la couche active).
Préférentiellement, le champ électrique créé dans l'air-gap possède une valeur supérieure ou égale à 100 000 V/cm.
Encore plus préférentiellement, le champ électrique créé dans l'air-gap possède une valeur supérieure ou égale à 200 000 V/cm. Avantageusement, la hauteur de l'air-gap est inférieure à 1 μm.
Préférentiellement, la hauteur de l'air-gap est inférieure à 0,5 μm.
On comprend qu'en réduisant la hauteur de l'air-gap, on peut appliquer un champ électrique plus important sans augmenter la tension de grille VGS appliquée au pont, ou bien appliquer un même champ électrique avec une tension de grille VGS plus faible. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, au moins une partie de la surface de la structure, incluant les zones de drain et de source, le pont suspendu et la couche active, est recouverte d'un matériau isolant, de façon que le capteur puisse être plongé dans une ambiance liquide. Dans ce mode de réalisation spécifique à une ambiance liquide, le capteur selon l'invention se distingue de la structure connue ISFET (voir discussion ci-dessus) en ce que la grille (pont suspendu) joue le rôle de l'électrode de référence et en ce que la hauteur de l'air-gap et la tension de grille appliquée au pont sont choisis convenablement pour qu'il existe un champ électrique important dans cet air-gap permettant de pousser des charges électriques vers la couche active.
L'invention concerne également une utilisation du capteur précité (selon l'invention) pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de charges électriques contenues dans une ambiance.
De façon avantageuse, l'ambiance contenant des charges électriques appartient au groupe comprenant des ambiances gazeuses et des ambiances liquides.
Dans une première utilisation avantageuse du capteur selon l'invention, les charges électriques sont des molécules NH3 contenus dans une ambiance gazeuse.
Dans une deuxième utilisation avantageuse du capteur selon l'invention, les charges électriques sont des molécules NO2 contenues dans une ambiance gazeuse. On notera que les molécules NH3 et NO2 sont des molécules dipolaires, et à ce titre peuvent être qualifiées de charges électriques au sens de la présente invention. En effet, le champ électrique créé dans l'air-gap influence le déplacement des molécules dipolaires présentes dans cet air-gap (même si ces molécules dipolaires sont globalement électriquement neutres). Dans une troisième utilisation avantageuse du capteur selon l'invention, les charges électriques sont des ions H+ contenus dans une ambiance liquide.
Dans une quatrième utilisation avantageuse, le capteur selon l'invention est utilisé pour la détection et/ou la mesure d'un taux d'humidité dans une ambiance gazeuse, par détection et/ou mesure d'une concentration d'ions OH" contenus dans ladite ambiance gazeuse. Dans une cinquième utilisation avantageuse, le capteur selon l'invention est utilisé pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de fumée dans une ambiance gazeuse, par détection et/ou mesure de charges électriques comprises dans ladite fumée et contenues dans ladite ambiance gazeuse. Dans une sixième utilisation avantageuse, le capteur selon l'invention est utilisé pour la mesure de la qualité de l'air, par mesure d'une quantité de charges électriques négatives contenues dans l'air.
Dans une septième utilisation avantageuse, le capteur selon l'invention est utilisé pour la détection et/ou la mesure d'un taux de vide dans une ambiance gazeuse, par détection et/ou mesure de charges électriques non éliminées de ladite ambiance gazeuse.
En effet, lors de l'établissement du vide, l'air, et donc les charges contenues dans l'ambiance, sont éliminées.
Dans une huitième utilisation avantageuse, le capteur selon l'invention est utilisé pour la mesure du pH d'une ambiance liquide, par mesure d'une concentration d'ions H+ contenus dans ladite ambiance liquide.
La sensibilité au pH dépend de l'effet de champ par l'intermédiaire de l'épaisseur de l'air-gap. Elle décroît lorsque l'épaisseur de l'air-gap augmente.
Dans une neuvième utilisation avantageuse, le capteur selon l'invention est utilisé pour la détection d'entités biologiques électriquement chargées contenues dans ladite ambiance.
Par entités biologiques, on entend notamment mais non exclusivement des cellules ou des branches d'ADN.
Il est clair que de nombreuses autres applications peuvent être envisagées sans sortir du cadre de la présente invention. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un capteur tel que précité
(selon l'invention). Dans ce procédé, la structure de transistor à effet de champ à pont suspendu est réalisée avec une technique de micro-technologie de surface.
L'intérêt d'utiliser la technique de micro-technologie de surface est qu'elle permet d'obtenir facilement un air-gap de faible hauteur comme préconisé par la présente invention (hauteur avantageusement inférieure ou égale à 0,5 μm, et préférentiellement inférieure ou égale à 1 μm). 5. Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : - les figures la et Ib présentent chacune une vue schématique, en coupe et en perspective respectivement, d'un premier mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, adapté à une utilisation dans une ambiance gazeuse ; la figure Ic est une vue par microscopie électronique d'un capteur selon l'invention, du type représenté schématiquement sur les figures la et Ib ; - la figure Id est un zoom d'une partie de la figure Ic, montrant particulièrement l'air-gap ; la figure 2a représente deux caractéristiques de transfert (courant drain-source IDS - tension de grille VGS) d'un même mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, l'une étant obtenue quand le capteur est placé dans un air sec, l'autre après introduction de 100 ppm de NH3 dans l'ambiance ; la figure 2b représente deux caractéristiques de transfert (courant drain-source IDS - tension de grille VGS) d'un même mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention placé dans l'air avec un taux d'humidité relative de 10%, obtenues respectivement avant et après introduction de 2 ppm de NO2 ; - la figure 2c représente une pluralité de caractéristiques de transfert (courant drain-source IDS - tension de grille VGS) d'un même mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, obtenues à différents instants successifs après introduction de fumée dans l'ambiance ; la figure 2d complète la figure 2c en représentant une courbe de variation de la tension de seuil en fonction du temps écoulé depuis introduction de la fumée ; la figure 2e représente un tracé linéaire (et non pas en échelle logarithmique comme sur les autres figures) d'une pluralité de caractéristiques de transfert (courant drain-source IDS - tension de grille VGS) d'un même mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, obtenues à différents instants successifs après introduction de fumée dans l'ambiance ; la figure 2f représente une pluralité de caractéristiques de transfert (courant drain-source IDS - tension de grille VGS) d'un même mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, obtenues pour différents taux d'humidité relative dans l'ambiance ; la figure 2g complète la figure 2f en représentant une courbe de variation de la tension de seuil en fonction du taux d'humidité ; la figure 2h représente une pluralité de caractéristiques de transfert (courant drain-source IDS - tension de grille VGS) d'un même mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, obtenues pour 10% et 20% d'humidité relative et avant et après introduction de fumée dans l'ambiance ; la figure 3 présente une vue schématique, en coupe, d'un second mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, adapté à une utilisation dans une ambiance liquide ; la figure 4a représente une courbe de variation de la tension de grille en fonction du pH, pour un courant drain-source de 100 μA et pour un air-gap de 0,5 μm d'épaisseur ; la figure 4b représente une courbe de variation de la tension de grille en fonction du pH, pour un courant drain-source de 400 μA et pour un air-gap de 0,8 μm d'épaisseur ; et - la figure 5 représente une pluralité de caractéristiques de transfert (courant drain- source IDS - tension de grille VGS) d'un même mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, obtenues après que le capteur a été plongé dans différentes ambiances liquides : eau désionisée, solution de KOH, solution de KCl et solution de NaCl. 6. Description d'un mode de réalisation de l'invention
La présente invention concerne donc un capteur très sensible pour la détection et la mesure de la concentration de charges électriques contenue dans une ambiance. L'effet d'amplification de la sensibilité est dû à un effet de champ introduit par un pont suspendu au-dessus (à faible hauteur) d'une région résistive (couche active) comprise entre des régions de drain et de source. La modulation du courant mesuré entre les régions de drain et de source (« courant drain-source IDS) est due en majeure partie à la modification de la distribution des charges présentes dans l'air-gap, entre le pont et la couche active (ou entre le pont et une couche isolante déposée sur la couche active).
On présente maintenant, en relation avec les figures la. Ib. Ic et Id. un premier mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, adapté à une utilisation dans une ambiance gazeuse.
Dans ce premier mode de réalisation, le capteur selon l'invention comprend une structure typique de transistor à effet de champ 3, déposée sur un substrat de verre 1 recouvert par un film de nitrure de silicium 2.
La structure de transistor à effet de champ 3 comprend un pont suspendu 4 servant de grille (G), réalisé en silicium poly cristallin fortement dopé.
Dans cet exemple, le transistor à effet de champ est en réalité un transistor en films minces (Thin Film Transistor : TFT). Le pont en silicium polycristallin est réalisé en utilisant des techniques de micro-technologie de surface. La structure ainsi fabriquée en utilisant les techniques de micro-technologie de surface est par exemple appelée « Suspended Gâte Thin Film Transistor » (SGTFT).
Il est clair cependant que l'invention est relative à toutes les structures à effet de champ pour lesquelles le champ électrique est suffisamment fort pour influencer la distribution des charges électriques présentes dans l'ambiance.
La structure de transistor à effet de champ 3 comprend un film en silicium polycristallin non intentionnellement dopé (couche active) 10, déposé sur le substrat de verre 1 recouvert de la couche de nitrure de silicium 2. N'importe quel autre substrat isolant ou recouvert d'un isolant électrique quelconque peut aussi être utilisé. La couche de silicium polycristallin est par exemple déposée sous forme amorphe et est ensuite cristallisée. Elle peut également être déposée directement sous forme cristallisée. N'importe quel autre semiconducteur non dopé ou faiblement dopé peut également être utilisé.
Une seconde couche de silicium polycristallin 5, fortement dopé in-situ cette fois, est alors déposée et gravée pour former des zones de source (S) 7 et de drain (D) 6.
Elle peut également être déposée sous forme amorphe puis cristallisée ou directement sous forme cristallisée. Elle peut également être post-dopée par n'importe quelle méthode de dopage. Tout autre matériau très conducteur peut également être utilisé. Optionnellement, une bi-couche d'oxyde de silicium / nitrure de silicium ou une couche de nitrure de silicium seule 8 est ensuite déposée et gravée de façon à recouvrir la surface entre les zones de source et de drain. Tout type de couche d'isolant électrique peut également être utilisé. Une couche de germanium (non représentée) est ensuite déposée et utilisée comme couche sacrificielle. Une couche de SiO2 ou tout autre matériau, compatible avec les autres couches présentes dans la structure, peut également être utilisée comme couche sacrificielle. L'épaisseur h de la couche sacrificielle donne la valeur finale de la hauteur de l'air-gap 9 (espace sous le pont). On rappelle que le champ électrique E créé dans l'air-gap est défini comme le rapport entre la tension de grille VGS et la hauteur de l'air-gap. Selon l'invention, ce champ électrique créé dans l'air-gap possède une valeur supérieure ou égale à une valeur seuil déterminée (50 000 V/cm, et préférentiellement 100 000 V/cm voire 200 000 V/cm). La hauteur h de l'air-gap et la tension de grille VGS sont choisies de façon que cette condition portant sur le champ électrique E soit respectée.
Cette hauteur h de l'air-gap doit être faible, pour une tension de grille VGS donnée, de façon que le champ électrique créé dans l'air-gap soit important et donc que l'effet de champ soit l'effet prépondérant sur la sensibilité. En d'autres termes, cette hauteur h doit être suffisamment faible pour qu'une tension de grille VGS appliquée au pont crée un champ électrique E suffisamment important pour influencer la distribution de charges électriques contenues dans l'ambiance et présentes dans l'air-gap. Selon l'invention, cette hauteur est inférieure ou égale à 1 μm, et préférentiellement inférieure ou égale à 0,5 μm.
Ainsi, pour une hauteur h d'air-gap égale à 0,5 μm, le champ électrique E est égal à au moins 50 000 V/cm, 100 000 V/cm ou 200 000 V/cm selon que la tension de grille VGS est égale à au moins 2,5 V, 5 V ou 10 V respectivement.
Une couche de silicium polycristallin fortement dopé in-situ 4 est alors déposée et gravée pour former le pont qui sert de grille (G). Tout autre matériau fortement conducteur, compatible avec les autres couches présentes dans la structure et qui possède des propriétés mécaniques suffisantes pour le maintient du pont, peut également être utilisé. Une couche métallique (non représentée) peut ensuite être déposée et gravée pour former les contacts électriques de source, drain et pont servant de grille. La structure de transistor à effet de champ 3 peut également être réalisée sans cette couche métallique. La couche sacrificielle est gravée (c'est-à-dire supprimée) afin de libérer l'espace
(air-gap) 9 situé sous le pont 4, soit avant, soit après le dépôt métallique des contacts, en fonction de la compatibilité entre les différents matériaux utilisés. Ainsi, l'ambiance gazeuse peut occuper cet espace 9.
Le premier mode de réalisation du capteur selon l'invention, décrit ci-dessus, est sensible à différents gaz. La sensibilité à différentes ambiances a été montrée. La structure n'est pas sensible aux ambiances électriquement neutres. La caractéristique du transistor est similaire sous vide et sous O2, ou sous N2 par exemple. Dans toutes ces ambiances, la tension de seuil est très élevée. Cette forte valeur de la tension de seuil est normale en considérant les équations usuelles de la théorie du MOS lorsque la constante diélectrique est de 1 et que l'isolant de grille a une épaisseur supérieure ou égale à 0,5 μm. La caractéristique du transistor varie dans les ambiances électriquement chargées.
On donne maintenant une explication théorique de l'effet propre à l'invention (nouvelle répartition des charges dans l'air-gap grâce à l'application d'un champ électrique important), ainsi que de sa combinaison éventuelle avec l'effet d'adsorption. On se place ici dans le cas d'un capteur de l'invention dans lequel le décalage de la tension de seuil du transistor est dû à : l'effet de champ (effet propre à la présente invention) : un champ électrique important est créé dans la zone d' air-gap qui provoque une nouvelle répartition des charges dans l'air-gap ; et - l'effet d'adsorption (effet bien connu) à la surface d'une couche sensible déposée sur la couche active du transistor. Il est clair cependant, comme déjà indiqué ci- dessus, que l'invention s'applique également dans le cas où seul l'effet de champ est utilisé (sans être combiné à l'effet d'adsorption).
Dans ce cas, la tension de seuil VTH du capteur (c'est-à-dire la valeur de la tension de grille VGS pour laquelle le courant drain-source IDS sature),s'écrit : O 1 e°x VTH = ΦMS + 2ΦF +^ -TΓ- /χP(χ)dx (1)
Ceox o où ΦMS est la différence entre les travaux de sortie de la grille et du semiconducteur, φF est la position du niveau de Fermi par rapport au milieu de la bande interdite, Qsc est la charge d'espace dans le semiconducteur, C est la capacité totale par unité de surface entre le pont et le semiconducteur, eox est l'épaisseur totale d'isolant (somme de la hauteur h de l'air-gap et de l'épaisseur de la couche d'isolant 8 (par exemple une bi- couche d'oxyde de silicium (SiO2) / nitrure de silicium (Si3N4) ou une couche de nitrure de silicium (Si3N4) seule), et p(x) est la charge dans l'isolant à une distance x du pont.
Toute variation de l'ambiance dans l'air-gap provoque une variation de la charge totale dans l'isolant et une possible variation de sa distribution. En outre, des réactions chimiques à la surface interne de l'air-gap (phénomène d'adsorption) peuvent se produire, conduisant à une variation du paramètre ΦMS.
Avec les techniques antérieures, seule cette dernière variation liée au phénomène d'adsorption est considérée. Or, comme proposé par la présente invention, quand un fort champ électrique est présent dans l'air-gap, la distribution de la charge dans l'air-gap varie, ce qui provoque une variation de p(x). En outre, ce champ fort peut influencer l'adsorption en poussant les charges sur la surface de la couche sensible.
Tous ces effets mènent à une variation de ΦMS mais aussi au dernier terme de l'expression (1) ci-dessus. Par conséquent, la variation de la tension de seuil VTH peut être très grande si, selon l'invention, les effets d'un fort champ électrique sont considérés.
On présente maintenant, en relation avec les figures 2a à 2h, plusieurs exemples d'utilisation de ce premier mode de réalisation du capteur selon l'invention. Dans ces exemples d'utilisation, le transistor est en films minces avec une grille suspendue en silicium poly cristallin de type N. L'air-gap possède une hauteur de 0,5 μm. Il est clair que de nombreux autres utilisations peuvent être envisagées sans sortir du cadre de la présente invention.
Les figures 2a et 2b montrent que sous NH3 (Fig. 2a) ou NO2 (Fig. 2b), la structure présente une sensibilité significative. NO2 et NH3 ont été choisis comme gaz de test pour leurs effets contraires sur les caractéristiques des transistors. La figure 2a montre que lors de l'introduction de NH3, la courbe IDS (V GS) se déplace vers les tensions plus faibles (déplacement négatif de la tension de seuil). La figure 2b montre que l'introduction de NO2 a l'effet contraire. Ainsi, un déplacement de la tension de seuil de 6 V est obtenu avec 100 ppm de gaz NH3 ou 2 ppm de NO2.
On voit également sur les figures 2a et 2b que, avec cet exemple de capteur selon l'invention, la tension de grille VGS doit être supérieure à 10 V pour qu'une détection soit possible, et donc que le champ électrique doit être supérieur à 200 000 V/cm (=
10V / 0,5μm). Les figures 2c et 2d montrent que lors de l'introduction de fumée, la tension de seuil et la pente sous le seuil diminuent fortement et la caractéristique de transfert sature.
Ceci est particulièrement visible sur le tracé en échelle linéaire de la figure 2e.
De même, les figures 2f et 2g montrent que lors de l'introduction d'humidité, la tension de seuil et la pente sous le seuil diminuent fortement et la caractéristique de transfert sature. Ainsi, la tension de seuil varie de plus de 18 V lorsque le taux d'humidité passe de 25 à 70%.
La figure 2h montre que la sensibilité de la structure est sélective à la fumée pour de faibles taux d'humidité relative (par exemple lorsque le taux d'humidité est maintenu constant et est inférieur à 25%). On présente maintenant, en relation avec la figure 3. un second mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, adapté à une utilisation dans une ambiance liquide.
Cette structure se distingue de celle de la figure la (premier mode de réalisation adapté à une utilisation dans une ambiance gazeuse) en ce qu'une couche de nitrure de silicium 30 est déposée à sa surface (et donc notamment à la surface des zones de drain
6 et de source 5, de la couche active 10 et du pont suspendu 4). La structure ainsi modifiée peut être plongée dans un liquide et permet une mesure in-situ dans le liquide.
Tout autre matériau permettant d'isoler la structure de la solution peut également être utilisé. Par ailleurs, les zones de contacts sont recouvertes de résine ou de tout autre isolant électrique. Cette structure est par exemple utilisée pour mesurer la quantité de charges contenue dans un liquide. Elle est par exemple appelée « Ion Sensitive Thin Film Transistor » (ISTFT).
La figure 4a montre qu'une sensibilité au pH de 285 mV/pH est obtenue avec un air-gap d'une hauteur égale à 0,5 μm. Avec une telle hauteur d'air-gap, la variation de la tension de grille entre environ 6,5V et 9V correspond à une variation du champ électrique (dans l'air-gap) entre environ 130 000 V/cm et 180 000 V/cm. La figure 4b montre que cette sensibilité descend à 90 mV/pH pour un air-gap d'une hauteur égale à 0,8 μm. Avec une telle hauteur d'air-gap, la variation de la tension de grille entre environ 6,25V et 7,25V correspond à une variation du champ électrique (dans l'air-gap) entre environ 62 500 V/cm et 72 500 V/cm. Cette diminution de la sensibilité, par rapport au cas de la figure 4a, montre que l'effet de champ est prépondérant pour l'obtention d'une forte sensibilité. En d'autres termes, dans un liquide, la structure modifiée de l'invention donne une grande sensibilité au pH, environ 2 à 6 fois plus importante que celle des structures ISFET usuelles, cette sensibilité dépendant de l'épaisseur de l'air-gap.
D'une façon générale, et comme expliqué ci-dessus en relation avec la formule (1), la forte sensibilité aux ambiances électriquement chargées du capteur selon l'invention s'explique par l'effet de champ important qui est créé (c'est-à-dire la création d'un champ électrique fort dans l'air-gap, supérieur ou égal à 50 000 V/cm, voire à 200
000 V/cm) grâce notamment à un air-gap de faible épaisseur h (par exemple, h≤lμm si VGS≥10V, ou h≤0,5μm si VGS≥5V, pour obtenir un champ électrique E supérieur ou égal à 100 000 V/cm). Lorsque l'épaisseur de l'air-gap est importante et que le champ électrique E dans l'air-gap est inférieur à 50 000 V/cm (cas des techniques antérieures, où E est très inférieur à 1 000 V/cm), l'effet de champ n'est pas suffisant et la distribution des charges électriques est uniforme à l'intérieur de l'air-gap. Cette distribution n'est plus uniforme lorsque le champ électrique E devient important (supérieur ou égal à 50 000 V/cm), notamment du fait que l'épaisseur de l'air-gap diminue (cas de la technique selon l'invention). La sensibilité du capteur selon l'invention devient élevée à cause d'une accumulation plus importante de charges sur une des faces de l'air-gap (contrairement au cas de la technique antérieure où Ia distribution de charges est uniforme). Cette accumulation devient de plus en plus importante lorsque la tension grille-source et donc l'effet de champ augmentent. La saturation de la caractéristique de transfert s'explique par la saturation de la surface de l'air-gap lorsque les charges électriques s'accumulent sous l'effet du champ. Cette saturation apparaît pour des tensions grille-source plus basses (effet de champ plus faible) lorsque la quantité de charges contenues dans l'ambiance augmente. Enfin, l'importance de l'effet de champ est clairement montré car la sensibilité au pH décroît lorsque l'épaisseur de l'air-gap augmente (voir ci-dessus la discussion des figures 4a et 4b). On illustre maintenant, à travers un exemple et en relation avec la figure 5. l'effet de champ propre à l'invention (nouvelle répartition des charges électriques dans l'air-gap grâce à l'application d'un champ électrique important), ainsi que de sa combinaison éventuelle avec l'effet d'adsorption.
Des solutions salines de KCl et NaCl et une solution basique de KOH ont été préparées avec exactement la même concentration.
Le pH ne change pas quand on utilise des solutions salines telles que KCl et NaCl. Par conséquent, quand on trace les caractéristiques de transfert d'un capteur selon l'invention qui est placé dans ces solutions, seul l'effet du champ électrique sur la distribution de charges est observée. En revanche, en présence de KOH, le pH change et par conséquent on observe non seulement l'effet de la nouvelle distribution de charges (sous l'action du champ électrique), mais aussi l'effet de l'adsorption.
La figure 5 montre les caractéristiques de transfert (courant drain-source IDS — tension de grille VGS) d'un même mode de réalisation particulier d'un capteur selon l'invention, obtenues après que le capteur a été plongé dans les ambiances liquides suivantes : eau désionisée (« DI Water ») et solutions de KOH, KCl et NaCl avec une même concentration.
En présence de KCl ou NaCl avec la même concentration, on observe un même déplacement de la caractéristique de transfert, par rapport à la caractéristique de transfert obtenue avec l'eau désionisée. Ce déplacement est dû seulement à la nouvelle répartition des charges électriques dans l'air-gap qui résulte de l'application d'un champ électrique important. Le déplacement de la tension de seuil VTH est induit par la variation du dernier terme de l'équation (1) ci-dessus. Une même répartition des charges donne un même décalage.Avec la solution de KOH de même concentration, un décalage supplémentaire est observé. Il est dû au pH de KOH et donc aux charges qui s'adsorbent à la surface de la couche isolante (référencée 30 sur la figure 3) de nitrure de silicium
Si3N4 (premier terme de l'équation (1) ci-dessus). On notera que dans cet exemple, la couche isolante également joue le rôle de couche sensible pour l'adsorption. Par conséquent, en présence de KOH, le décalage de la caractéristique de transfert est dû d'une part à la nouvelle distribution de charges (sous l'action du champ électrique) et d'autre part à la charge adsorbée. Ainsi, les deux effets se cumulent et contribuent à la bonne sensibilité au pH de cet exemple de capteur selon l'invention.
Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en relation avec un nombre limité de modes de réalisation, l'homme du métier, à la lecture de la présente description, comprendra que d'autres modes de réalisation peuvent être imaginés sans sortir du cadre de la présente invention. En conséquence, la portée de l'invention n'est limitée que par les revendications ci-jointes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de charges électriques contenues dans une ambiance, ledit capteur comprenant une structure de transistor à effet de champ comprenant un pont (4) qui forme une grille et est suspendu au-dessus d'une couche active (10) située entre des zones de drain (6) et de source (7), une tension de grille possédant une valeur déterminée étant appliquée au pont, une zone, dite air-gap (9), étant comprise entre le pont (4) et la couche active (10) ou une couche isolante (8) déposée sur ladite couche active, et possédant une hauteur déterminée, un champ électrique E, défini comme le rapport entre la tension de grille et la hauteur de l' air-gap, étant crée dans l' air-gap, caractérisé en ce que le champ électrique créé dans l' air-gap possède une valeur supérieure ou égale à une valeur seuil déterminée, suffisamment importante pour que le champ électrique E influence la distribution de charges électriques contenues dans l'ambiance et présentes dans l'air-gap, et permette l'obtention d'une sensibilité élevée du capteur par une accumulation de charges électriques sur la couche active.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ électrique créé dans l'air-gap possède une valeur supérieure ou égale à 50 000 V/cm.
3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le champ électrique créé dans l'air-gap possède une valeur supérieure ou égale à 100000 V/cm.
4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le champ électrique créé dans l'air-gap possède une valeur supérieure ou égale à 200 000 V/cm.
5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la hauteur de l'air-gap est inférieure à 1 μm.
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la hauteur de l'air-gap est inférieure à 0,5 μm.
7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la surface de la structure, incluant les zones de drain et de source, le pont suspendu et la couche active, est recouverte d'un matériau isolant (30), de façon que le capteur puisse être plongé dans une ambiance liquide.
8. Utilisation du capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de charges électriques contenues dans une ambiance.
9. Utilisation selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'ambiance contenant des charges électriques appartient au groupe comprenant des ambiances gazeuses et des ambiances liquides.
10. Utilisation selon la revendication 9, caractérisée en ce que les charges électriques sont des molécules NH3 contenus dans une ambiance gazeuse.
11. Utilisation selon la revendication 9, caractérisée en ce que les charges électriques sont des molécules NO2 contenues dans une ambiance gazeuse.
12. Utilisation selon la revendication 9, caractérisée en ce que les charges électriques sont des ions H+ contenus dans une ambiance liquide.
13. Utilisation du capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour la détection et/ou la mesure d'un taux d'humidité dans une ambiance gazeuse, par détection et/ou mesure d'une concentration d'ions OH' contenus dans ladite ambiance gazeuse.
14. Utilisation du capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour la détection et/ou la mesure d'une concentration de fumée dans une ambiance gazeuse, par détection et/ou mesure de charges électriques comprises dans ladite fumée et contenues dans ladite ambiance gazeuse.
15. Utilisation du capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour la mesure de la qualité de l'air, par mesure d'une quantité de charges électriques négatives contenues dans l'air.
16. Utilisation du capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour la détection et/ou la mesure d'un taux de vide dans une ambiance gazeuse, par détection et/ou mesure de charges électriques non éliminées de ladite ambiance gazeuse.
17. Utilisation du capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour la mesure du pH d'une ambiance liquide, par mesure d'une concentration d'ions H+ contenus dans ladite ambiance liquide.
18. Utilisation du capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour la détection d'entités biologiques électriquement chargées contenues dans ladite ambiance.
19. Procédé de fabrication d'un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la structure de transistor à effet de champ à pont suspendu est réalisée avec une technique de micro-technologie de surface.
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