DE2736200A1

DE2736200A1 - Chemisch sensitiver feldeffekt- transistor und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE2736200A1
Application number: DE19772736200
Authority: DE
Inventors: Gabriele Ing Grad Gilbers; Arno Dipl Phys Dr Neidig; Gerhard Dipl Phys Dr Popp
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1977-08-11
Filing date: 1977-08-11
Publication date: 1979-02-22
Also published as: GB1586389A; US4232326A; JPS5430896A; FR2400258A1; FR2400258B1

Description

BROWN, BOVERI & CIE . AKTIENGESELLSCHAFT

MANNHEIM BROWN bOVEfil

Mp.-Nr. 601/77 Mannheim, den 10. August 1977

ZFE/P3-Pp/dr

"Chemisch sensitiver Feldeffekt-Transistor und Verfahren zur '

i Herstellung desselben" !

Die Erfindung bezieht sich auf einen chemisch sensitiven Feldeffekt-Transistor, insbesondere einen ionensensitiven Feldeffekt-Transistor, bestehend aus einem Halbleiterkörper eines ersten j Leitungstyps mit zwei im Absland auf und von seiner Vorderseite

aus sich bis zu einer bestimmten Tiefe erstreckenden Diffusionszonen, einer Quelle- und einer Senke-Diffusionszone, eines zweiten Leitungstyps mit entgegengesetzter Polarität zum
ersten, die mit Leiterbahnen zur Kontaktierung von Anschlußleitungen verbunden sind und einen Kanal begrenzen, mit einer Stabilisierungsschicht auf der Vorderseite, mit einer chemisch sen-, sitiven Schicht auf letzterer und mit weiteren, insbesondere j randseitigen Stabilisierungsschichten» und ein Verfahren zur
Herstellung desselben.
Ein derartiger bekannter chemisch sensitiver"Feldeffekt-Wandlei? 1 (DT-OS 26 10 530; ebenso Biomedical Engineering, July 1976, j S. 241 - 245) besitzt im Gegensatz zu einer ebenfalls bekannten [ Vorrichtung speziell zum Aufspüren von Wasserstoff
(DT-OS 25 40 161) keine im Halbleiterkörper integrierte metallische Tor- bzw. Gate-Elektrode. Vielmehr wird seine chemisch

TTZur Terminologie: ETZ-A Bd. 16 (1964), H. 23, S. 682) _₂J

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sensitive und selektive Schicht in Verbindung mit einer vorzugsweise wässrigen Lösung mit dem zu untersuchenden Material gebracht, in welche Lösung eine Bezugselektrode taucht. Die ; sensitive Schicht tritt mit bestimmten Substanzen in der wäßrigen Lösung in Wechselwirkung, so daß dadurch ein in dem Halbleitermaterial zwischen Quelle und Senke erzeugtes elektrisches Feld in Übereinstimmung mit den chemischen Eigenschaften der Substanz moduliert wird. Diese Änderungen können

durch einen Verstärker erfaßt werden, wie er zum Beispiel aus den IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME-19, No. 5, Sept. 1972, S. 342 - 351 bekannt ist. !

Die industrielle Anwendung des aus der DT-OS 26 10 530 be- \ kannten Feldeffekt-Wandlers ist aus verschiedenen Gründen problematisch. Neben dem grundsätzlichen Problem der übertragbarkeit chemisch sensitiver Elektrodentechnik auf Halbleiterbauelemente existiert ein zusätzliches technologische Problem: Der chemisch sensitive Wandler muß mit seiner chemisch sensitiven Schicht in direktem Eontakt mit der,wie erwähnt,meist leitfähigen wässrigen Lösung sein, z.B. als pH-sensivites Element, ohne daß eine leitende Verbindung zwischen Wandler und Lösung vorhanden sein darf, In der heute üblichen Planartechnologie sind aber alle elektrischen Zuführungen auf einer einzigen Oberfläche eines solchen Halbleiterbauelementes angeordnet, an der im bekannten Fall auch gleichzeitig die chemisch sensitive Schicht liegt. Dadurch ergeben sich schwierige Isolationsprobleme .

Der Erfindung liegt, ausgehend von einem chemisch sensitiven Feldeffekt-^{rans s} °Ser eingangs beschriebenen Gattung, die Aufgabe zugrunde, unter Erhaltung der vorbeschriebenen Empfindlichkeit für diejzu untersuchenden Substanzen eine ausreichende Isolierung der Verbindungen zur Quelle und zur Senke sowie des Wandlers ingesamt, insbesondere seines Randes,zu erreichen.

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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß die genannten Leiterbahnen hoch dotierte Bereiche des zweiten ι Leitungstyps sind, die zu lateral gegen Quelle und Senke ver- ; setzten Zonen gleichen Leitungstyps und gleicher Leitfähigkeit führen, und daß letztere Zonen bis zur Rückseite des Halbleiterkörpers reichen und dort kontaktiert sind.

Torteilhaft können bei einem solchen Feldeffekt-Wandler die elektrischen Zuleitungen für die Quelle und die Senke auf der j Rückseite des Halbleiterkörpers zugeführt werden, so daß bei der Berührung der Vorderseite bzw. der sensitiven Schicht auf derselben mit der zu untersuchenden Materie keine Fehlverbindungen entstehen.

Eine durch den Halbleiterkörper führende leitende Zone ist mit normalen Diffusionsprozessen nicht herzustellen. Weiterhin löst die Anordnung solcher Zonen nur die Isolationsprobleme bezüglich Quelle und Senke. Beim Einsatz des Feldeffekt-Wandlers im direkten Kontakt mit wässrigen Lösungen ist auch der Rand des Halbleiterkörpers ausreichend zu isolieren, wobei die üblichen randseitigen Stabilisierungsschichten nicht immer genügen.

Der Erfindung liegt daher außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des chemisch sensitiven Feldeffekt-Wandlers anzugeben, mit dem die ztr Isolierung von Quelle und Senke dienenden vorgenannten Zonen hergestellt werden können. Weiterhin soll die randseitige Isolierung verbessert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß die den Halbleiterkörper durchdringenden Zonen durch Thermomigration hergestellt werden, vorzugsweise durch Thermomigration von Aluminium in η-leitendes Silizium.

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Die Thermomigration für Halbleiterbauelemente ist als solche bekannt aus IEEE Transactions on Electron Devices, Aug. 1976, pp. 818 - 823. Hinsichtlich des Verfahrens und der Wirkungsweise wird auf diese Literaturstelle verwiesen. Im bekannten Fall ist jedoch ausschließlich die Herstellung von pn-Ubergängen erwähnt. Die bekannte Methode wird erfindungsgemäß zur Verlängerung der Leiterbahnen auf die Rückseite des Halbleiterkörpers angewandt. :

Zweckmäßig wird das Verfahren in der in der Halbleitertechnologie üblichen Weise ausgehend von einer unzerteilten größeren Siliziumscheibe durchgeführt, wobei die Vorderseiten der Halbleiterkörper gleichzeitig durch ein thermisches Oxid, vorzugsweise Siliziumdioxid, und eine Diffusionsbarriere gegen unerwünschte Ionen,stabilisiert werden und als nachfolgend aufgebrachte chemisch sensitive Schicht eine Glasschicht, vorzugsweise ein Alkalisilicatglas, dient. Die Kombination eines Siliziumdioxidfilmes mit einem Siliziumnitridfilm ist in einem anderen Zusammenhang an sich bekannt (DT-OS 24 31 917). Im Zusammenhang mit ionensensitiven Feldeffekt-Transistoren (ISFET) ist als Isolierung auch bereits eine Siliziumdioxidschicht bekannt (IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME-19, No. 5, Sept. 1972, S. 342 - 351). Wie im erstgenannten bekannten Fall stabilisiert der Siliziumdioxidfilm die elektrischen Eigenschaften, und der Siliziumnitridfilm schirmt den Halbleiterkörper gegen Feuchtigkeit und Fremdstoffe ab.

Zur randseitigen Isolierung wird nach dem Zerteilen der Siliziumscheibe in die einzelnen Halbleiterkörper jeder derselben vorteilhaft in einen elektrisch isolierenden Rahmen eingekittet, dessen Innenrand mit einem als randseitige Stabilisierungsschicht dienenden Glas belegt ist, das einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Glas der sensitiven Schicht.

* vorzugsweise Siliziumnitrid, "5-,

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Diese Maßnahmen sind besonders vorteilhaft, wenn der Rahmen gleichzeitig Teil des Gehäuses des fertigen Halbleiterbauelementes wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch den Feldeffekt-Wandler quer zur'Scheibenebene und

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorderseite des Feldeffekt-Wandlers ohne Stabilisierungsschicht und ohne sensitive Schicht.

In Fig. 2 ist die Schnittlinie für Fig. 1 eingetragen. Ein vorzugsweise rechteckiges Halbleiterplättchen 1 besteht aus n-Si und hat typische Abmessungen von ca. 1x1 mm und eine Dicke von einigen 100 um. Dieses Halbleiterplättchen 1 ist vorzugsweise Bestandteil einer größeren Si-Scheibe von 50 bis 100 mm Durchmesser mit mehreren Hundert gleichartiger Bauelemente.

In jedem Plättchen 1 der gesamten Scheibe werden gleichzeitig von der Vorderseite 2 zur Rückseite 3 durchgehend stark pdotierte Zonen 4 und 5 durch Thermomigration von Aluminium erzeugt. Die geeigneten Strukturen für den FET, Quelle 6 und Senke 7, sowie gegebenenfalls ein flacher Kanal 8 zwischen Quelle 6 und Senke 7, werden nun nach den üblichen Verfahren der Halbleitertechnologie hergestellt. Zusätzlich macht man dabei elektrische Verbindungen zwischen Quelle 6 und Zone 5

sowie zwischen Senke.7 und Zone 4 durch Eindiffusion von j stark p-dotierten Bahnen 9 und 10. Zur elektrischen Stabilisierung der Halbleiterstruktur kann noch ein sogenannter j

Kanal-Begrenzer 11 eindiffundiert werden. Die Zonen 4 und 5 j

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besitzen eine ausreichend große, wahlweise rechteckige oder kreisrunde Querschnittsfläche, so daß man diese Zonen 4 und 5 auf der Unterseite 3 leicht durch die bekannten Thermokompressions- bzw. Ultraschall-Verfahren elektrisch mit Außenanschlüssen verbinden kann.

Auf der Unterseite 3 des Halbleiterplättchens kann man noch durch die bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie zusätzliche elektronische Bauelemente (Verstärker usw.) integrieren, die mit dem auf Oberseite 2 befindlichen FET eine Funktionseinheit bilden können.

Das Aufbringen einer chemisch sensitiven Schicht 12 auf die Vorderseite 2 und das dichte Verkapseln des Halbleiterplättchens 1 erfolgt zu geeigneten Zeitpunkten während der Herstellung des Bauelementes. Zum Beispiel kann für die Herstellung einer pH-sensitiven Glasschicht 12 folgendermaßen vorgegangen werden:

Die chemisch sensitive Glasschicht 12 wird vor dem Zerteilen der Halbleiterscheibe in einzelne Plättchen 1 auf die Oberseite 2 aufgebracht.

Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der chemisch sensitiven Schicht 12 nach dem Stabilisieren des FET auf der Oberseite durch ein thermisches Oxid, z.B. SiO₂, und eine geeignete Diffusionsbarriere gegen unerwünschte Ionen, z.B. Si-N. (nicht dargestellt). Als Aufbringverfahren für das pH-sensitive Glas, z.B. Alkalisilikatglasji kommen in Frage:

a) HF-Kathodenzerstäubung.

b) Aufschmelzen aus einer Glaspulver-Suspension.

c) Elektronenstrahlverdampfung.

d) Eintauchen in die Glasschmelze. Hier muß die Rückseite 3 der Scheibe ganz oder teilweise wieder frei geätzt werden.

e) Chemische Abscheidung aus der Gasphase. -7-

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Nach dem Zerteilen der Silizium-Scheibe in einzelne Halbleiterplättchen 1 (durch Laser- oder Diamant-Ritzen) werden die j Plättchen 1 in einen elektrisch isolierenden Rahmen 13 fest j eingekittet. Dies geschieht z.B. durch Einschmelzen in einen ; Rahmen 13, der mit einem dicken niedrig schmelzenden Glas 14 '

( /v 100 um Schichtdicke) belegt ist. Der Schmelzpunkt dieses

Isolierglases 14 sollte niedriger liegen als der des pH-sen- j

sitiven Glases. Das Isolierglas 14 fließt in die Spalten zwi- >

sehen Halbleiterplättchen 1 und Rahmen 13 und isoliert den j

Rand des Halbleiterplättchens 1. Der Rahmen 13 kann selbst i

Teil eines Gehäuses sein oder in ein solches eingebaut werden. Er untergreift möglichst die Rückseite des Plättchens 1 teil- ] weise. Die an die Unterseite 3 des Plättchens 1 durch Thermokompression oder Ultraschall anzubringenden elektrischen Ver- ; bindungen (Al- oder Au-Drähtchen) 15 können mit entsprechenden Durchführungen im Gehäuse verbunden werden.

Eine weitere Möglichkeit der Befestigung des Halbleiterplättchens 1 in einem Rahmen bzw. in einem Gehäuse besteht darin, daß das Plättchen mit der Vorderseite 2 nach unten in eine entsprechend große öffnung des Gehäuses gelegt wird, die mit einem niedrig schmelzenden Isolierglas belegt ist. Durch Erwärmen des Gehäuses auf den Schmelzpunkt des Isolierglases wird das Plättchen 1 dicht mit dem Gehäuse verbunden. Danach können die Kontakte 15 angebracht werden. Das Gehäuse 13 läßt sich nun leicht (durch Dichtringe oder ähnliches) gegen die zu untersuchende Lösung abdichten.

Einsatz und Wirkungsweise des fertigen Halbleiterbauelementes entsprechen den bekannten ISFET'S, wobei durch die Isolierungen jedoch eine wesentlich höhere Langzeitstabilität erreicht ist

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(1) Analytical Chemistry, Vol. 47, No. 2, February 1975, 255A - 263A (fünf Seiten);

(2) DT-OS 26 10 530 (The University of Utah ...";

(2a) Biomedical Engineering, July 1976, S. 241 - 245, (= (2));

(3) DT-OS 25 41 308 (The University of Utah ...);

(4) DT-OS 25 40 161 (Semiconductor Sensors ...);

(5) IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME-19, No. 5, Sept. 1972, S. 342 - 351;

(6) Science v. 27. April 1973, Vol. 180, No. 4084, S. 380 -

(7) IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME-, ' Nov. 1974, S. 485 - 487;

(8) Analytical Chemistry, Vol. 43, No. 2, Febr. 1971, S. 283;

(9) US-PS 3.719.564 (Iilly et al);

(10) Chemical Engineering News v. 27. Jan. 1975, S. 29 - 35;

(11) Electrochmica Acta 1977, Vol. 22, pp. 1 - 8 (Pergamon Press, GB);

(12) General Electric Reprint 7983 (1976) "Thermomigration .." aus IEEE Transactions on Electron Devices,Aug. 1976, pp. 818 - 823;

(13) DT-OS 24 31 917 (Mp.-Nr. 585/74).

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Claims

BHOWN, BOVERI & CIE · AKTIENGESELLSCHAFT jj^) _{L ;} j ^ ./>

MANNMEIM BROWN BOVLHI

Mp.-Nr. 601/77 Mannheim, den 10. August 1977

ZFE/P3-Pp/dr

Patentansprüche;

LJChemisch sensitiver Feldeffekt-Transistor (FET), insbesondere ionensensitiver FET (ISFET), bestehend aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps mit zwei im Abstand auf und von seiner Vorderseite aus sich bis zu einer bestimmten Tiefe erstreckenden Diffusionszonen, einer Quelle- und einer Senke-Diffusionszone, eines zweiten Leitungstyps mit entgegengesetzter Polarität zum ersten, die mit Leiterbahnen zur Kontaktierung von Anschlußleitungen verbunden sind.und einen Kanal begrenzen, mit einer Stabilisierungsschicht auf der Vorderseite, mit einer chemisch sensitiven Schicht auf letzterer und mit weiteren, insbesondere randseitigen Stabilisierungsschichten,

dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (9, 10) hoch dotierte Bereiche des zweiten Leitungstyps sind, die zu j lateral gegen Quelle (6) und Senke (7) versetzten Zonen | (5 bzw. 4) gleichen Leitungstyps und gleicher Leitfähig- j keit führen, und daß letztere Zonen (4, 5) bis zur Rück- ! seite des Halbleiterkörpers (1) reichen und dort kontaktiert sind.

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ORIGINAL INS

_____ 273B200
2. Verfahren zur Herstellung eines chemisch sensitiven Feldeffekt-Transistors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Halbleiterkörper durchdringenden Zonen durch Thermomigration hergestellt werden. |
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Thermomi- \

gration von Aluminium in η-leitendes Silizium. !
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 unter Durchführung der für mehrere Halbleiterkörper gleichen Verfahrensschritte an einer unzerteilten größeren Siliziumscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseiten der Halbleiterkörper durch ein thermisches Oxid und eine Diffusionsbarriere stabilisiert werden und daß als nachfolgend aufgebrachte chemisch sensitive Schicht eine Glasschicht dient. i
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zerteilen der Siliziumscheibe in die einzelnen Halbleiterkörper jeder derselben in einen elektrisch isolierenden Rahmen eingekittet wird, dessen Innenrand mit einem als randseitige Stabilisierungsschicht dienenden Glas belegt ist, das einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Glas der sensitiven Schicht. I

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