DE4239319C2

DE4239319C2 - Process for the spacer-free, hybrid construction of air gap and gate of suspended gate field effect transistors (SGFET) as well as components manufactured according to the process

Info

Publication number: DE4239319C2
Application number: DE19924239319
Authority: DE
Inventors: Ignaz Prof Dr Eisele; Bertrand Dipl Phys Flietner; Karl-Theodor Dipl Phys Doll
Original assignee: DOLL KARL THEODOR DIPL PHYS
Current assignee: DOLL KARL THEODOR DIPL PHYS
Priority date: 1992-11-23
Filing date: 1992-11-23
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-11-24
Also published as: DE4239319A1

Description

Es wird ein Verfahren zum hybriden, spacerfreien Aufbau von Luftspalt und Gate von Suspended Gate Feldeffekttransistoren angegeben. Derartige Bauelemente eignen sich für den Einsatz als Sensoren in der Analyse von Flüssigkeiten (z. B. Bestimmung von Ionenkon zentrationen) und in der Gasanalyse (z. B. für die Schadgasdetektion in der Luftüber wachung). Suspended Gate Feldeffekttransistoren sind in der Gruppe der Chemosensoren ausgezeichnet durch kurze Ansprechzeiten, da ihr Detektionsvermögen in erster Linie auf Oberflächeneffekten beruht.It is a process for the hybrid, spacer-free construction of the air gap and gate of Suspended gate field effect transistors specified. Such components are suitable for use as sensors in the analysis of liquids (e.g. determination of ion concentration concentrations) and in gas analysis (e.g. for the detection of harmful gases in the air watch). Suspended gate field effect transistors are in the group of chemical sensors distinguished by short response times, since their detection ability primarily depends on Surface effects based.

Bislang wurden zum Aufbau des Luftspaltes von SGFET Spacer auf den Kanalisolatoren, auf diesen wiederum die Gatestruktur abgeschieden (J. Janata, Device for Measuring Concentrations in Gases and Electrically Nonconducting Fluids, U.S. Patent 44 11 741).So far, to build up the air gap of SGFET spacers on the channel insulators, the gate structure was deposited on these (J. Janata, Device for Measuring Concentrations in Gases and Electrically Nonconducting Fluids, U.S. Patent 44 11 741).

Der Luftspalt entsteht durch Herausätzen des Spacers. Chemisch sensitive Schichten unter dem Gate werden gemäß einer Bauvariante (Nicht-elektrochemische Herstellung von chemisch selektiven Schichten in Feldeffekttransistoren mit frei hängendem Gate, DE 38 34 189) noch vor dem Gateaufbau als Kanalisolator oder zwischen Spacer und Gate mit eingebaut unter der Einschränkung, daß die Spacerätze die sensitive Schicht nicht angreifen darf. Eine andere Variante sieht eine Beschichtung des freistehenden Gates durch elektrochemische Abscheidung vor (M. Josowicz and J. Janata, Suspended Gate Field Effect Transistor, in Chemical Sensor Technology, Elsevier, 1988).The air gap is created by etching out the spacer. Chemically sensitive layers under According to a construction variant (non-electrochemical production of chemically selective layers in field effect transistors with free hanging gate, DE 38 34 189) before the gate is built up as a channel insulator or between spacer and gate installed with the restriction that the spacer sets do not attack the sensitive layer may. Another variant sees a coating of the free-standing gate electrochemical deposition (M. Josowicz and J. Janata, Suspended Gate Field Effect Transistor, in Chemical Sensor Technology, Elsevier, 1988).

Die Nachteile der bislang angegebenen Verfahren zum Aufbau von Luftspalt, chemisch sensitiver Schicht und Gate bestehen entweder in der Beschränkung auf diejenigen sensitiven Materialien, die elektrochemisch abscheidbar sind, oder in der geringen Ober flächengüte der Schichten, die durch Herausätzen des Spacers freigelegt werden: Spacer- bzw. Ätzreste beeinträchtigen ihre chemische Reinheit, was die Reproduzierbarkeit der elektrischen Signale in Bezug auf die chemischen Eingangsgrößen stört und Langzeitdriften verursacht. Zudem muß für jeden Einsatz einer neuen sensitiven Schicht der Ätzschritt überprüft und ggf. ein neues Ätzverfahren, das die sensitive Schicht nicht angreift, gefunden werden. Kelvinsondenmessungen an vergleichbaren sensitiven Materialien liefern aus diesen Gründen nicht vergleichbare Ergebnisse und können zur Optimierung dieser Materialien nicht herangezogen werden.The disadvantages of the previously stated methods of building an air gap, chemically sensitive layer and gate are either limited to those sensitive materials that can be deposited electrochemically, or in the low upper surface quality of the layers that are exposed by etching out the spacer: spacer or etching residues impair their chemical purity, which affects the reproducibility of the electrical signals in relation to the chemical input variables and long-term drift caused. In addition, the etching step must be carried out for each use of a new sensitive layer checked and, if necessary, a new etching process found that does not attack the sensitive layer will. Kelvin probe measurements on comparable sensitive materials provide them Results not comparable and can optimize these materials not be used.

Die Aufgabe besteht im Aufbau eines Systems Luftspalt/selektive Schicht/Gate über dem Kanalisolator einer Isolator-Halbleiter-Feldeffektstruktur mit den Möglichkeiten einer hohen Reinheit und geringen Rauhigkeit der Grenzfläche selektiver Schicht - Luftspalt unter der Beibehaltung der Auswahl chemisch selektiver Materialien, wie sie die Schichtein bauvariante gestattet.The task is to build an air gap / selective layer / gate system the channel isolator of an isolator semiconductor field effect structure with the possibilities of high purity and low roughness of the interface of the selective layer - air gap while maintaining the selection of chemically selective materials as the layer construction variant allowed.

Zur Erläuterung der nachstehend beschriebenen Lösung werden vier Figuren als Ausfüh rungsbeispiele gezeigt:In order to explain the solution described below, four figures are shown Examples shown:

Fig. 1 Positionierung (1. ISFET -Struktur; 2. Gate-Struktur; 3. Feldisolation; 4. Metal lisierung; 5. Source- und Draingebiete; 6. Kanalisolator; 7. Kanalgebiet; 8. Sensitive Schicht; 9. Gatemetallisierung; 10. Auflagerichtung;) Fig. 1 position (1 ISFET structure;. 2 gate structure;.. 3 field isolation;. 4 Metal capitalization;. 5 source and drain regions;. 6 channel insulator;. 7 channel region;. 8-sensitive layer;. 9 gate metallization; 10 .

Fig. 2 Luftspalt/Ausschnitt (11. Diffusionskanal; 12. Luftspalthöhe; 13. Auflage von sens. Schicht direkt auf Feldisolator;) Fig. 2 air gap / cutout ( 11th diffusion channel; 12th air gap height; 13th layer of sens. Layer directly on field insulator;)

Fig. 3 Befestigung/Luftspalthöhe (14. Gehäuseboden; 15. Luftspalt; 16. Partikel; 17. Federbügel;) Fig. 3 fastening / air gap height ( 14th housing base; 15th air gap; 16th particle; 17th spring bracket;)

Fig. 4 Befestigung/Luftspalthöhe (18. Luftspalt; 19. Distanzstücke; 20. Klebestelle; 21. Kapillarsperre;). Fig. 4 Fastening / air gap height ( 18th air gap; 19th spacer; 20th glue point; 21st capillary barrier;).

Der Aufbau geht erfindungsgemäß aus von einer Isolator-Feldeffektstruktur ohne Gate, wie sie z. B. der ISFET (1) darstellt. Zu dieser passend wird separat eine Gatestruktur (2) aus einem leitendem Material hergestellt, z. B. aus hochdotierten Si-Wafern. Seine Formgebung wird so gewählt, daß bei Auflage auf die Feldeffektstruktur der Kanalbereich (6, 7) ohne Kontakt zu den Metallisierungen (4) der Feldeffektstruktur überdeckt werden kann. Umgekehrt kann auch die Feldeffektstruktur für die Auflage auf ein, dann einfach gestaltetes Gate konstruiert werden. Die später dem Luftspalt (12, 15, 18) /zugewandte Seite des Gates benötigt eine niedrige Oberflächenrauhigkeit. Hierauf können, wenn das Gatema terial nicht selbst als sensitiv gewählt ist, sensitive Materialien durch Methoden wie elektro chemische Abscheidung, Sputtern, reaktives Sputtern, Aufdampfen, Aufschleudern, Sublima tion, Epitaxie, Aufsprühen abgeschieden werden (8). Die Gaterückseite wird für eine spätere elektrische Kontaktierung vorbereitet, im Falle eines Si-Gates für den Bondschritt metal lisiert (9).The structure is based on an isolator field effect structure without a gate, as z. B. the ISFET ( 1 ). To match this, a gate structure ( 2 ) is made separately from a conductive material, e.g. B. from highly doped Si wafers. Its shape is selected so that when placed on the field effect structure, the channel area ( 6 , 7 ) can be covered without contact with the metallizations ( 4 ) of the field effect structure. Conversely, the field effect structure for the support on a then simply designed gate can also be constructed. The side of the gate that later faces the air gap ( 12 , 15 , 18 ) / requires a low surface roughness. If the Gatema material is not itself selected as sensitive, sensitive materials can then be deposited by methods such as electrochemical deposition, sputtering, reactive sputtering, vapor deposition, spin coating, sublimation, epitaxy, spraying ( 8 ). The back of the gate is prepared for later electrical contacting, in the case of a Si gate for the bonding step metalized ( 9 ).

Das vorgefertigte Gate wird nun auf den Isolator der Feldeffektstruktur gelegt und so verschoben, daß es den Kanalbereich (6, 7) vollständig überdeckt. In einem Spitzenmanipula torplatz kann diese Justage erleichtert vorgenommen werden. Eine elektrische Messung der Kapazität zwischen Gate und dem Kanalgebiet (Steilheitsmessung) (2, 7) erhöht die Genauigkeit einer optischen Kontrolle der vollständigen Kanalüberdeckung. Vergrößert man die Kanalüberdeckung über das kapazitiv bestimmte Optimum hinaus, so verursacht dies verlängerte Ansprechzeiten des hybriden Feldeffektbauelementes.The prefabricated gate is now placed on the insulator of the field effect structure and moved so that it completely covers the channel area ( 6 , 7 ). This adjustment can be carried out more easily in a tip manipulator space. An electrical measurement of the capacitance between the gate and the channel area (slope measurement) ( 2 , 7 ) increases the accuracy of an optical control of the complete channel coverage. If the channel coverage is increased beyond the capacitively determined optimum, this causes longer response times of the hybrid field effect component.

Übermäßige Kanalüberdeckungen wirken wie Diffusionskanäle (11) zwischen den umgeben den Medien und dem eigentlichen Luftspaltraum selbst. Mit Positionierung und Form gebung des Gates kann also das Ansprechverhalten des hybriden Bauelementes gesteuert werden. So wirken vertikale Öffnungen oder Ränder in der Gate- oder der Feldeffektstruk tur, die der Topografie des Kanals angepaßt sind, im Sinne kürzerer Ansprechzeiten.Excessive channel overlaps act like diffusion channels ( 11 ) between the surrounding media and the actual air gap itself. The positioning and shaping of the gate can thus be used to control the response behavior of the hybrid component. So vertical openings or edges in the gate or field effect structure, which are adapted to the topography of the channel, in the sense of shorter response times.

Aus der Kapazitätsmessung läßt sich weiterhin durch Quotientenbildung mit den Werten, die man von einer identisch aufgebauten Struktur mit MOS-Metallisierung erhält, die Luftspalthöhe ermitteln. Dies ermöglicht die Kontrolle, ob sich Verunreinigungen zwischen den Auflageflächen befinden. Vergrößerte Luftspalthöhen führen zu verkleinerten Ein kopplungsfaktoren der gateseitigen Sensoreffekte in den elektrischen Gesamtstrom des hybriden Bauelementes. Die minimal erreichbare Luftspalthöhe wird durch die Höhen differenz von Kanal- und Feldisolatoren vorgegeben (12). Darüber hinaus einstellbar wird die Spalthöhe, indem Distanzkörper (19) an den Auflageflächen von Gate oder Feldeffekt struktur aufgebracht werden. Auch lose haftende Partikel (16) können diesen Zweck erfüllen. So genügt es, z. B. bei einem Si-Gate, Parikel, die vom Brechvorgang her an den Oberflächen haften, durch Reinigungs- oder Ätzschritte auf maximale Größen einzustellen.From the capacitance measurement, the air gap height can also be determined by forming the quotient with the values obtained from an identically constructed structure with MOS metallization. This makes it possible to check whether there is any contamination between the contact surfaces. Increased air gap heights lead to smaller coupling factors of the gate-side sensor effects in the total electrical current of the hybrid component. The minimum air gap height that can be achieved is determined by the height difference between duct and field insulators ( 12 ). In addition, the gap height can be adjusted by applying spacers ( 19 ) to the contact surfaces of the gate or field effect structure. Loosely adhering particles ( 16 ) can also serve this purpose. So it is sufficient, for. B. with a Si gate, particles that adhere to the surfaces from the breaking process, by cleaning or etching steps to maximum sizes.

Der hybride Gateaufbau wird bezüglich der Feldeffektstruktur dauerhaft fixiert, entweder durch mechanisches Klemmen des Gesamtaufbaus z. B. auf einem Header mit einer metallischen Feder (17), die dann zweckmäßigerweise auch zur Gatekontaktierung dienen kann, oder durch anodisches Bonden von dafür geeignet ausgeführten Auflagegebieten, oder durch Kleben (20) an einer Auflagefläche. Diese sollte, da der Luftspalt eine hohe Kapillar wirkung besitzt, von der Kanalregion durch geeignete weite Zwischenräume (21) derart abgesetzt sein, daß keine Kleberkomponente in den Luftspalt gelangt.The hybrid gate structure is permanently fixed with respect to the field effect structure, either by mechanical clamping of the overall structure, e.g. B. on a header with a metallic spring ( 17 ), which can then expediently also serve for gate contacting, or by anodic bonding of suitably designed contact areas, or by gluing ( 20 ) to a contact surface. Since the air gap has a high capillary effect, this should be separated from the channel region by suitable wide gaps ( 21 ) in such a way that no adhesive component gets into the air gap.

Die Vorteile des angegebenen Verfahrens liegen in der verbesserten Reproduzierbarkeit der Signale des Hybridsensors und ihrer erhöhten Stabilität bezüglich der Nullpunktsdrift. Die im elektrischen Sensorsignal detektierten Austrittsarbeitsdifferenzen von selektiver Schicht und Kanalisolator entsprechen den Werten, die aus Kelvinsondenmessungen erhalten werden. Korrekturen sind anzusetzen mit dem Parameter der unterschiedlichen Luftspalthöhen (0,5-2 µ zu 200-500 µ) der beiden Meßverfahren. Weiter kann für den Aufbau des hybriden SGFET auf marktverfügbare ISFET als Basisstruktur zurückgegriffen werden: Zusammen mit einem Satz unterschiedlich beschichteter Gates ergibt sich ein modulares Baukastensystem von hybriden Sensoren, die im Hinblick auf differenzierte An wendungen spezifizierbar sind. Der technologische Aufwand reduziert sich gleichzeitig auf die Ebene von Aufbau- und Verbindungstechnik. Dies begünstigt auch die wirtschaftliche Produktion von kleinen und mittleren Sensorstückzahlen.The advantages of the specified method lie in the improved reproducibility the signals of the hybrid sensor and their increased stability with regard to the zero point drift. The work function differences detected in the electrical sensor signal are more selective Layer and channel insulator correspond to the values obtained from Kelvin probe measurements be preserved. Corrections are to be made with the parameter of the different Air gap heights (0.5-2 µ to 200-500 µ) of the two measuring methods. Further for the Construction of the hybrid SGFET based on available ISFET as a basic structure together with a set of differently coated gates results in a Modular modular system of hybrid sensors, which with regard to differentiated applications can be specified. The technological effort is reduced at the same time the level of assembly and connection technology. This also favors the economic Production of small and medium quantities of sensors.

example

Auf einen n⁺-dotierten Si-Wafer wurde Ti/W als Haftvermittler gesputtert, darüber Pt als selektive Schicht. Die Rückseite wurde mit Al bedampft. Daraus wurde ein Gate von ca. 800×1200 µm Größe gebrochen, von Bruchpartikeln gereinigt und über dem Kanal eines ISFET-Chips mit Si₃N₄ als Isolator fixiert. Die Luftspalthöhe betrug bei kapazitiver Messung 1,5 µm. Der Sensor wurde in einem Gasmeßplatz mit einer Kelvinsonde mit Si₃N₄ und identischem platinierten Gate als selektive Schichten in Reihe geschaltet. Die Messung in Fig. 5 zeigt die Änderung der Austrittsarbeiten des Systems Pt-Si₃N₄ von Kelvinsonde und hybridem SGFET bei Raumtemperatur und einem Durchfluß von synthetischer Luft, in die H₂ in den Konzentrationen von 100 ppm und, in Stufen, 250 ppm beigemischt wurde.Ti / W was sputtered onto an n⁺-doped Si wafer as an adhesion promoter, and Pt as a selective layer. The back was steamed with Al. From this a gate of about 800 × 1200 µm in size was broken, cleaned of broken particles and fixed over the channel of an ISFET chip with Si₃N₄ as an insulator. The air gap height was 1.5 µm with capacitive measurement. The sensor was connected in series in a gas measuring station with a Kelvin probe with Si₃N₄ and identical platinized gate as selective layers. The measurement in Fig. 5 shows the change in the work function of the Pt-Si₃N₄ system of Kelvin probe and hybrid SGFET at room temperature and a flow of synthetic air, into which H₂ was mixed in the concentrations of 100 ppm and, in stages, 250 ppm.

Fig. 5: Änderung von ΔΦ als Reaktion auf Wasserstoff in Synthetischer Luft (1. ΔΦ in V/Skt.; 2. H₂ in 100 ppm/Skt.; 3. Zeit in 30 min/Skt. 4. Signal Kelvinsonde; 5. H₂- Konzentration; 6. Signal Hybrider SGFET;). Fig. 5: Change in ΔΦ in response to hydrogen in synthetic air (1. ΔΦ in V / Skt .; 2. H₂ in 100 ppm / Skt .; 3. Time in 30 min / Skt. 4. Signal Kelvin probe; 5. H₂ concentration; 6th signal hybrid SGFET;).

Claims

1. A method for producing a field effect transistor with a freely accessible space in the form of an air gap between a gate electrode and a field effect structure with a channel region (suspended gate FET, abbreviated SGFET), characterized in that the freely accessible space by means of joining preformed gate and basic structures by means mechanical contacts.

2. The method according to claim 1, characterized in that the gate structure a sensitive material is produced.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the air gap height between gate structure and field effect structure is influenced by particles between the mechanical contacts.

4. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the Air gap height by designing the mechanical contacts between the gate structure and field effect structure in the form of spacers or coatings on gate or Field effect structure is affected.

5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that openings or vertical air gap widenings are placed around in the gate or field effect structure Gas or liquid exchange times between the environment and the air gap shorten.

6. The method according to claims 1 to 5, characterized by an electrical measurement as an adjustment aid for the gate position over the channel region of the field effect structure and as Check the air gap height.

7. The method according to claims 1 to 6, characterized by a fixation of Gate structure and field effect structure to each other by means of mechanical pressure.

8. The method according to claims 1 to 6, characterized by a mechanical Fixing the gate and field effect structure to each other by gluing.

9. The method according to claim 8, characterized in that on a support surface which is glued from the channel region through a widening of the gap (capillary widening) is separated, causing adhesive components to pass into the air gap is avoided.

10. The method according to claims 1 to 6, characterized in that a mechanical fixation of gate structure and field effect structure to each other by means of anodic bonding of the contact areas.

11. Hybrid SGFET components, produced by one of the methods from the Claims 1 to 10.