DE102011089261B4

DE102011089261B4 - Transistorstruktur, Verfahren zur Herstellung einer Transistorstruktur, Kraftmesssystem

Info

Publication number: DE102011089261B4
Application number: DE102011089261.3A
Authority: DE
Inventors: Ignaz Eisele; Martin Heigl; Karl Haberger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: US20130153970A1; DE102011089261A1; US9312397B2

Abstract

Transistorstruktur (10) mit folgenden Merkmalen: einem ersten Anschlussbereich (14), einem zweiten Anschlussbereich (16) und einem dazwischenlegenden Kanalbereich (18) in einem Halbleiter-Substrat (12); und einer dem Kanalbereich (18) zugeordneten Steuerelektrode (20), wobei die Steuerelektrode (20) einen unter einer Krafteinwirkung (F) elastisch auslenkbaren, von dem Kanalbereich (18) beabstandeten Steuerelektrodenabschnitt (22) aufweist, um einen Abstand (d22, d22-1, d22-2) zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt (22) und dem Kanalbereich (19) basierend auf der Krafteinwirkung (F) zu ändern, wobei die Steuerelektrode (20) mit dem Steuerelektrodenabschnitt (22) eine monokristalline Gitterstruktur aufweist, und wobei sich eine atomare Gitterstruktur des Halbleiter-Substrats (12) in einem Halbleiter-Material der Steuerelektrode (20) mit seinem Steuerelektrodenabschnitt (22) fortsetzt.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Transistorstruktur, ein Verfahren zur Herstellung einer Transistorstruktur und auf ein Kraftmesssystem. Insbesondere beziehen sich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf eine Transistorstruktur mit einer Steuerelektrode und einem unter einer Krafteinwirkung elastisch auslenkbaren Steuerelektrodenabschnitt, der ein sogenanntes mikromechanisches System (MEMS, mikro-elektro-mechanisches System) darstellt.
Unter einem mikromechanischen System wird beispielsweise ein miniaturisiertes elektromechanisches Element, wie ein miniaturisiertes Mikrofon oder ein miniaturisierter Sensor bzw. Aktor verstanden. Charakteristisch für MEMS ist, dass solche elektro-mechanischen Elemente direkt auf einem Halbleiter-Substrat auf Basis von Herstellungstechnologien für integrierte Schaltungen hergestellt werden bzw. dass diese direkt in eine Elektronik, wie z. B. eine integrierte Schaltung, integriert sind.
Derzeitig verfügbare Sensoren auf Basis von mikromechanischen Systemen verfügen über eine piezoresistive, piezoelektrische oder kapazitive Auswertefunktionalität, d. h., dass beispielsweise bei einer Kraftmessung oder Beschleunigungsmessung ein Messsignal, welches von der zu messenden Größe (z. B. Kraft oder Beschleunigung) abhängig ist, auf einer piezoresistiven, piezoelektrischen oder kapazitiven Änderung basiert. Insbesondere ist die piezoresistive Signal-Abnahme bei solchen Sensoren weit verbreitet, da piezoresistive Elemente einen hohen Kompatibilitätsgrad zu Halbleiter- bzw. Silizium-Technologien aufweisen. Piezoresistive, aber auch piezoelektrische oder kapazitive Elemente haben jedoch starke Abhängigkeiten von Umgebungsbedingungen, wie z. B. von einer Umgebungstemperatur oder von einer jeweiligen Materialumgebung der mikromechanischen Elemente, was sich beeinflussend auf die Genauigkeit derselben auswirkt.
Nachfolgend werden weitere mikromechanische Systeme erläutert, die auf Halbleiterstrukturen aufbauen:
Die Offenlegungsschrift DE 43 39 190 A1 zeigt einen Halbleiterbeschleunigungssensor.
Die Offenlegungsschrift US 4 411 741 A zeigt einen Sensor zum Messen einer Konzentration in Fluiden bzw. Gasen.
Die Patentschrift DE 44 44 149 A1 zeigt einen Halbleiter-Giersensor.
Die Patentanmeldung DE 42 39 319 A1 zeigt einen hybriden Flip-Chip-Aufbau eines Gassensors nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung in Form eines CMOS-Transistors.
Die Patentanmeldung US 2008/0 145 989 A1 zeigt einen teilweise isolierten Feld-Effekt-Transistor.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept zur Realisierung eines Schaltungselements zu schaffen, welches beispielsweise eine möglichst exakte Bestimmung einer Kraft auf das Schaltungselement ermöglicht und darüber hinaus möglichst robust gegen Umgebungseinflüsse ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Transistorstruktur gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Transistorstruktur gemäß Anspruch 9 und durch ein Kraftmesssystem gemäß Anspruch 13 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Transistorstruktur mit einem ersten Anschlussbereich, einem zweiten Anschlussbereich und einem dazwischenliegenden Kanalbereich in einem Halbleiter-Substrat. Des Weiteren umfasst die Transistorstruktur eine dem Kanalbereich zugeordnete Steuerelektrode, wobei die Steuerelektrode einen unter einer Krafteinwirkung elastisch auslenkbaren, von dem Kanalbereich beabstandeten Steuerelektrodenabschnitt aufweist, um einen Abstand zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt und dem Kanalbereich basierend auf der Krafteinwirkung zu ändern.
Kern der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltungselement mit einer mechanisch beweglichen Gate-Struktur auf einem Substrat so zu realisieren, um einen „Nanogap” über dem Kanalbereich eines (Feldeffekt-)Transistors zu bilden, wobei die Gate-Struktur das gleiche Material bzw. die gleiche atomare Gitterstruktur wie das Substrat aufweist. Aufgrund der gleichen atomaren Gitterstruktur des Substrats und der Gate-Struktur weisen diese beiden Bereiche identische Materialeigenschaften, z. B. hinsichtlich Elastizität und thermischer Ausdehnung auf, was das Schaltungselement besonders robust gegen äußere Umgebungseinflüsse macht. Die Gate-Struktur bzw. der Steuerelektrodenabschnitt ist hierbei dem Kanalbereich zugeordnet und durch den Nanogap von demselben getrennt, so dass ein aktives Bauelement beispielsweise zur Messung einer Kraft gebildet wird. Hierbei bewirkt eine Abstandsänderung des mechanischen, unter Krafteinwirkung beweglichen oder elastisch verformbaren Steuerelektrodenabschnitts eine Änderung einer Stromstärke durch den Transistor oder eine Änderung einer Spannung in dem Transistor, so dass die Stromstärke oder die Spannung als Messsignal abgreifbar ist. Entsprechend der zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeit eines (Feldeffekt-)Transistors können mit einer derartigen Transistorstruktur Masseänderungen bzw. Kraftänderungen, die eine mechanische Bewegung des Steuerelektrodenabschnitts bewirken, exakt detektiert werden.
Infolgedessen erstrecken sich mögliche Anwendungen dieses Konzepts auf Sensorik bzw. auf sensorische Elemente, wobei auch weitere alternative Anwendungsgebiete, wie z. B. Filter, möglich sind. Vorteilhaft bei diesem Konzept ist die (laterale) Skalierbarkeit der Transistorstruktur. Unabhängig von der Skalierung wird ein einfach auszuwertendes Messsignal erzeugt, da über die lateralen Abmessungen (bzw. das relative Verhältnis der lateralen Abmessungen) des Steuerelektrodenabschnitts die Transistor-Kennlinie mit ihrer Steilheit einstellbar ist.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Transistorstruktur mit den Schritten des Erzeugens eines ersten Anschlussbereichs, eines zweiten Anschlussbereichs und eines dazwischen liegenden Kanalbereichs in einem Halbleiter-Substrat. Das Verfahren umfasst weiterhin den Schritt des strukturierten Aufbringen einer Zwischenschicht, die auch Opferschicht genannt wird, auf den Kanalbereich mit einer Dicke, so dass sich eine Gitterstruktur des Halbleiter-Substrats durch die Zwischenschicht fortsetzt. Des Weiteren umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des selektiven Entfernens der Zwischenschicht, so dass ein unter Krafteinwirkung elastisch auslenkbarer Steuerelektrodenabschnitt gebildet wird, wobei ein Abstand zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt und dem Kanalbereich basierend auf der Krafteinwirkung änderbar ist. Das selektive Entfernen kann z. B. mittels Plasmaätzen erfolgen, wobei beispielsweise Silizium-Germanium-Verbindungen im Vergleich zu Silizium-Silizium-Verbindungen mit einer höheren Ätzrate geätzt werden können, so dass diese vor den Silizium-Silizium-Verbindungen gelöst werden. Durch diesen Effekt können die Silizium-Germanium-Verbindungen mit hoher Selektivität entfernt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, dass das Herstellungsverfahren in einen CMOS-Prozess integrierbar ist. Ein weiterer Vorteil bei diesem Herstellungsverfahren ist, dass der Steuerelektrodenabschnitt und die Steuerelektrode dieselbe atomare Gitterstruktur (z. B. eine monokristalline Gitterstruktur) wie das Halbleiter-Substrat aufweisen, da sich die Gitterstruktur durch die Zwischenschicht bzw. Opferschicht in die Steuerelektrodenstruktur fortsetzt. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften der Steuerelektrode bzw. des Steuerelektrodenabschnitts, beispielsweise hinsichtlich thermischer Ausdehnung oder Elastizitätsverhalten, verbessert, was sich positiv auf die Genauigkeit der zu Messzwecken einsetzbaren Transistorstruktur auswirkt.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung ein Kraftmesssystem mit der oben genannten Transistorstruktur und einer Auswerteeinrichtung, die mit dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich sowie dem Steuerelektrodenabschnitt der Transistorstruktur verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, um ein Messsignal zwischen dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich zu ermitteln, das von einem Abschnitt zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt und dem Kanalbereich und somit von der Krafteinwirkung auf den Steuerelektrodenabschnitt abhängig ist. Wie schon oben erwähnt, ist es hierbei vorteilhaft, dass das von der Krafteinwirkung auf den Steuerelektrodenabschnitt abhängige Messsignal, welches nahezu unabhängig von dem Skalierungsfaktor der Transistorstruktur ist, genau und differenziert mittels der Auswerteeinrichtung auswertbar ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a–b schematische Schnittdarstellungen einer Transistorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel mit und ohne Krafteinwirkung;
2a–b schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen der Transistorstruktur mit unterschiedlichen Steuerelektrodenstrukturen;
3a–e fünf schematische Darstellungen von fünf Schritten eines Verfahrens zur Herstellung der Transistorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
4a–b Schnittdarstellungen einer Transistorstruktur vor und nach dem Ätzen zur Illustration des Herstellungsverfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 3a–e.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindungen anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung der Elementen mit gleichen Bezugszeichen aufeinander anwendbar ist bzw. austauschbar ist.
Im Folgenden wird Bezug nehmend auf 1a und 1b eine Transistorstruktur und insbesondere deren Funktionsweise detailliert erläutert, wobei 1a eine unbelastete Transistorstruktur 10 (Grundzustand) und 1b dieselbe, aber belastete Transistorstruktur 10 (belasteter Zustand) zeigen.
1a zeigt die Transistorstruktur 10, die auf dem Halbleiter-Substrat 12, z. B. einem Wafer mit einer ersten Dotierung, geformt ist. Das Halbleiter-Substrat 12 weist beispielsweise Silizium mit einer monokristallinen, atomaren Gitterstruktur auf. Auf diesem Halbleiter-Substrat 12 ist ein erster Anschlussbereich 14 und ein zweiter Anschlussbereich 16 ausgebildet, die beispielsweise beide eine zweite Dotierung aufweisen. Der erste Anschlussbereich 14 und der zweite Anschlussbereich 16 sind so angeordnet, dass ein Kanalbereich 18 dazwischen ausgebildet wird. Die Länge des Kanalbereichs 18 beträgt beispielsweise 10 μm, wobei im Allgemeinen die Kanallänge weniger als 100 μm oder sogar weniger als 1 μm (d. h. in einem Bereich zwischen 0,01 μm bis 1 μm oder in einem Bereich zwischen 0,1 μm bis 100 μm) betragen kann.
Auf dem Halbleiter-Substrat 12 ist eine dem Kanalbereich 18 zugeordnete Steuerelektrode 20 angeordnet, wobei ein Steuerelektrodenabschnitt 22 der Steuerelektrode 20 über den Kanalbereich 18 bzw. gegenüberliegend zu der ersten Hauptoberfläche des Halbleiter-Substrats 12 im Kanalbereich 18 beabstandet angeordnet ist. Hierzu ist der Steuerelektrodenabschnitt 22 beispielsweise parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleiter-Substrats 12 in einem Abstand d₂₂ zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt 22 und dem Kanalbereich 18 angeordnet, wobei der Abstand d₂₂ typischerweise 20 nm (oder 5 nm bis 200 nm) beträgt. Es wird angemerkt, dass der Kanalbereich 18 und der Steuerelektrodenabschnitt 22 bevorzugter Weise, aber nicht notwendigerweise, flächengleich sein kann. Der Steuerelektrodenabschnitt 22 ist elastisch verformbar, so dass der Abstand d₂₂ änderbar ist (z. B. Abstand d_{22_1} und d_{22_2}). Der Steuerelektrodenabschnitt 22 weist eine Länge L (z. B. 10 μm oder 5 μm bis 25 μm) bei einer Breite W (z. B. 2 μm oder 0,5 μm bis 10 μm) auf. In anderen Worten ausgedrückt wird der Steuerelektrodenabschnitt 22 als mechanisch bewegliches Gate eines MOS-Transistors ausgestaltet und bildet demzufolge ein aktives Element.
Die Steuerelektrode 20 mit ihrem Steuerelektrodenabschnitt 22 weist beispielsweise eine monokristalline, atomare Gitterstruktur, die der atomaren Gitterstruktur des Halbleiter-Substrats 12 entspricht, auf und ist z. B. wie die Anschlussbereiche 14 und 16 mit der erste Dotierung dotiert. Im Allgemeinen weist die Steuerelektrode 20 bzw. den Steuerelektrodenabschnitt 22, der auch Zunge genannt wird, dieselbe atomare Gitterstruktur wie das Halbleiter-Substrat 12 auf, was den Vorteil bietet, dass die Steuerelektrode 20 dem Halbleiter-Substrat 12 hinsichtlich elektrischer und vor allem hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, wie z. B. thermische Ausdehnung, mechanischen Parametern und zeitlicher Degradation, praktisch gleicht. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Steuerelektrodenstruktur 20 aus monokristallinem Silizium hergestellt, welches eine sehr hohe mechanische Stabilität besitzt. Monokristallines oder einkristallines Silizium ist bis zur Bruchgrenze hochelastisch und weist keine Materialermüdungen auf. Dieses macht den Sensor bzw. die Transistorstruktur 10 sehr robust und langlebig. Des Weiteren ist der thermische Ausdehnungskoeffizient von Silizium bei 2,3–7,6·10^–6 1 / K , was sich im Vergleich zu anderen Materialien (wie Aluminium mit 23,6·10^–6 1 / K ) in einer wesentlich geringeren Temperaturabhängigkeit äußert.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Transistorstruktur 10 beschrieben. Durch die bewegliche Struktur des Steuerelektrodenabschnitts 22 ist es möglich, Krafteinflüsse F, beispielsweise aufgrund von Beschleunigungen, magnetischen Einwirkungen oder mechanischem Druck zu detektieren. Diese Krafteinflüsse F äußern sich in einer Verbiegung des elastisch verformbaren Steuerelektrodenabschnitts 22, wodurch der Abstand d₂₂ zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt 22 (als Gate) und dem Kanalbereich 18 verändert wird. Die in 1a gezeigte Transistorstruktur 10 mit der unbelasteten Steuerelektrode 20 bzw. dem unbelasteten Steuerelektrodenabschnitt 22 stellt den Grundzustand dar. Bei dem unbelasteten Steuerelektrodenabschnitt 22 stellt sich ein Abstand d_{22_1} zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt 22 und dem Kanalbereich 18 ein. Ein Abstand d_{22_2} aus 1b ist gegenüber dem Abstand d_{22_1} kleiner, wobei der geringere Abstand d_{22_2} aus der Belastung des Steuerelektrodenabschnitts 22 durch eine Kraft F resultiert. Der Steuerelektrodenabschnitt 22 ist gegenüber dem Kanalbereich 18 beabstandet, d. h. isoliert, so dass eine Kapazität bzw. Steuerkapazität der Transistorstruktur gebildet wird. Generell ist vorteilhaft, dass der Abstand d₂₂ zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt 22 und dem Halbleiter-Substrat 12 schon im Grundzustand, also im Abstand d_{22_1}, sehr gering ist, so dass ein sogenannter „Nanogap” ausgebildet wird. Hierdurch ergibt sich eine große Kapazität pro Fläche des Steuerelektrodenabschnitts 22, was die Basis für ein gut auszuwertendes und genaues Messsignal bildet.
Bei Anlegen einer Spannung bzw. einer Versorgungsspannung (hier illustriert durch eine Gleichspannungsquelle 24) zwischen dem Halbleiter-Substrat 12 und dem Steuerelektrodenabschnitt 22 bzw. der Steuerelektrode 20 wird ein elektrisches Feld 26 mit einer elektrischen Feldstärke ausgebildet. Über die elektrische Feldstärke des elektrischen Feldes 26 kann der Kanal bzw. die Ladungsträgerdichte in dem Kanalbereich 18 und somit der Stromfluss zwischen dem ersten Anschlussbereich 14 und dem zweiten Anschlussbereich 16 gesteuert werden. Eine elektrische Feldstärke 26_1 ist im Grundzustand (vgl. 1a) kleiner als eine elektrische Feldstärke 26_2 im belasteten Zustand (vgl. 1b), die sich aufgrund des geringeren Abstandes d_{22_2} gegenüber dem Abstand d_{22_1} einstellt. Infolgedessen ist der Kanal im Kanalbereich 18 in 1b stärker ausgeprägt gegenüber dem Kanal in 1a, so dass sich ein stärkerer Stromfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussbereich 14 und 16 in dem belasteten Zustand der Transistorstruktur 10 einstellt. Dieser stärkere Stromfluss äußert sich durch eine größere Stromstärke gegenüber dem Grundzustand, wenn eine Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschlussbereich 14 bzw. 16 eingeprägt ist, oder in einer größeren Spannung, wenn eine Stromstärke zwischen dem ersten und zweiten Anschlussbereich 14 bzw. 16 eingeprägt ist. Diese Stromstärke bzw. diese Spannung kann als Messsignal (beispielsweise durch eine Auswerteeinrichtung) ermittelt werden. Der Drainstrom ist abhängig von der flächennormierten Kapazität C_j des zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt 22 und dem Kanalbereich 18 gebildeten Kondensators und damit von der Kraft F. In anderen Worten ausgedrückt, verbiegt eine äußere, normal zur Oberfläche des Steuerelektrodenabschnitts 22 gerichtete Kraft F den Steuerelektrodenabschnitt 22 und führt so zu einer Verringerung des Luftspalts bzw. des Abstandes d₂₂ (d_{22_1} bzw. d_{22_2}), was zu einer Erhöhung einer Kapazität C_j zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt 22 und dem Kanalbereich 18 führt. Infolgedessen erfolgt eine empfindliche Verschiebung des sogenannten Drainstroms I_D
entsprechend folgender Gleichung: I_D = μC_j(W_effektiv/L_effektiv)(V_GS – V_T)V_DS
μ stellt hierbei die Beweglichkeit der freien Ladungsträger in der Inversionsschicht im Kanalbereich 18 dar, während W_effektiv und L_effektiv die lateralen geometrischen Abmessungen des Transistors sind. C_j ist die auf die Fläche normierte Kapazität des Steuerelektrodenabschnitts 22, wobei V_GS die Spannung zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt (Gate) und dem zweiten Anschlussbereich 16 (Source) ist. V_DS ist die Spannung einer weiteren externen Spannungsversorgung zwischen dem ersten Anschlussbereich 14 (Drain) und dem zweiten Anschlussbereich 16. V_T ist die Einsatzspannung der Inversion. Entsprechend der Gleichung führt somit eine Kraft F zu einer Erhöhung des Stroms I_D durch die Transistorstruktur. An dieser Stelle, wird angemerkt, dass die Gleichung für den linearen Bereich des Transistors 10 gilt. Entscheidend hierbei ist, dass nicht der Absolutwert der Kapazität C_j, sondern die flächennormierte Kapazität eingeht. Die die Fläche (W_effektiv × L_effektiv) des Steuerelektrodenabschnitts 22 lässt sich nahezu beliebig skalieren, so dass die Relation von W_effektiv zu L_effektiv und damit das W_effektiv/L_effektiv-Verhältnis gleich bleiben. Daraus ergibt sich des Weiteren, dass sich die Steilheit der Transistorkennlinie, die über Verhältnis W_effektiv/L_effektiv einstellbar ist, nicht ändert. Dieser Zusammenhang führt zu einer sehr hohen Messempfindlichkeit und Messgenauigkeit, was bei Messungen des Absolutwerts der Kapazität nicht möglich wäre, da typischerweise Werte unterhalb des Bereichs von einem Pikofarad nur mit sehr hohem Messaufwand bestimmbar sind. Dieser Zusammenhang wird im Folgenden beispielhaft beschrieben: Bei einem Abstand d₂₂ im Grundzustand von 40 nm bewirkt die Verbiegung der Steuerelektrodenstruktur 22 (Brücke) um 1 nm eine Kapazitätsänderung und damit auch eine Stromänderung von 2,5%, was im Umkehrschluss bedeutet, dass selbst geringste Kräfte F detektierbar sind. Somit kann die Fläche bzw. laterale Abmessung des Sensors und damit das damit verbundene Abtastprinzip, ohne Empfindlichkeitsverluste bis zu dem Einsetzen von Kurzkanaleffekten, d. h. bis in den Submikrometerbereich, skaliert werden. Da das Messsignal nicht flächengrößenabhängig ist bzw. da in die Transistorkennlinie lediglich die auf die Fläche normierte Kapazität des Steuerelektrodenabschnitts 22 eingeht, erfolgt somit bei der Skalierung kein Verlust der Sensitivität.
2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Transistorstruktur, das das Halbleiter-Substrat 12 (mit einer n+-Dotierung), einen ersten Anschlussbereich 14, z. B. einen Drain-Bereich mit einer p+-Dotierung, einen zweiten Anschlussbereich 16, z. B. Source-Bereich mit einer p+-Dotierung, und einen dazwischen liegenden Kanalbereich 18 aufweist. Entsprechend der Transistorstruktur 10 ist die Steuerelektrode 20 mit dem Steuerelektrodenabschnitt 22, der auch Gate-Bereich genannt wird und p+ dotiert sein kann, als Cantilever-Struktur, d. h. einseitig eingespannt, ausgeführt. Insofern weist die Steuerelektrode 20 den Steuerelektrodenabschnitt 22 und den Steuerelektroden-Sockel 28 auf, der den Steuerelektrodenabschnitt 22 mit dem Halbleiter-Substrat 12 verbindet. In anderen Worten ausgedrückt, bildet die Steuerelektrode 20 eine einseitig eingespannte Biegebalkenstruktur mit dem Steuerelektrodenabschnitt 22 als Biegebalken. Eine weitere Untergliederung der Steuerelektrode 20 kann entsprechend der Herstellung bzw. den einzelnen Schichten erfolgen, wobei die Steuerelektrode 20 dann einen Steuerelektroden-Zwischenbereich 30a und einen Steuerelektroden-Deckel 30b aufweist. Der Steuerelektroden-Zwischenbereich 30a ist somit der Bereich der Steuerelektrode 20 bzw. des Steuerelektroden-Sockels 28 zwischen der ersten Hauptoberfläche des Halbleiter-Substrats 12 und der Schicht, die den Steuerelektrodenabschnitt 22 bzw. den Steuerelektroden-Deckel 30b bildet. Der Steuerelektroden-Deckel 30b ist der Bereich der Steuerelektrode 20, der sich in der Ebene des Steuerelektrodenabschnitts 22 befindet. In anderen Worten ausgedrückt umfasst der Steuerelektroden-Deckel 30b den Steuerelektrodenabschnitt 22 und einen Teil des Steuerelektroden-Sockels 28, wobei der Steuerelektroden-Zwischenbereich 30a den weiteren Teil des Steuerelektroden-Sockels 28 umfasst.
Es wird angemerkt, dass das Halbleiter-Substrat 12 und der Steuerelektroden-Deckel 30b beispielsweise Silizium aufweisen, während der Steuerelektroden-Zwischenbereich 30a herstellungsbedingt geringe Germanium-Anteile, z. B. bis zu 10% (oder sogar bis zu 30% bzw. in einem Bereich von 5% bis 15%), aufweisen kann, wobei allerdings die atomare Gitterstruktur in allen drei genannten Bereichen gleich ist.
2b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Transistorstruktur, wobei dieses der Transistorstruktur aus 2a entspricht, allerdings einen zweiten Steuerelektroden-Sockel 28' aufweist. Der zweite Steuerelektroden-Sockel 28' ist auf einer zweiten Seite des Kanalbereichs, d. h. gegenüber dem ersten Steuerelektroden-Sockel 28 angeordnet, so dass die Steuerelektrode 20 als Brückenstruktur ausgeführt ist und der Steuerelektrodenabschnitt 22 zweiseitig eingespannt wird. Hierdurch bildet die Steuerelektrode 20 eine zweiseitig eingespannte Biegebalkenstruktur mit dem Steuerelektrodenabschnitt 12 als biegbaren Bereich bzw. Biegebalken. Entsprechend der alternativen Unterteilung ist demzufolge ein Teil des zweiten Steuerelektroden-Sockels 28' durch den Steuerelektroden-Zwischenbereich 30a gebildet wird, während der Steuerelektroden-Deckel 30b auf den zwei Steuerelektroden-Zwischenbereichen 30a aufliegt. Es wird angemerkt, dass auf der Oberfläche des Halbleiter-Substrats 12 eine dünne Oxid-Schicht (Oxid-Haut) ausgebildet sein kann.
Hinsichtlich Funktionalität entsprechen die Ausführungsbeispiele aus 2a und 2b dem Bezug nehmend auf 1a und 1b diskutierten Ausführungsbeispiel. Es wird des Weiteren angemerkt, dass der Steuerelektrodenabschnitt 22 nicht zwingend als Biegebalkenstruktur ausgeführt sein muss, sondern beispielsweise auch als Torsionsplatte ausgeführt sein kann.
Alternativ zu dem in 2a und 2b gezeigten strukturellen Aufbau der Transistorstruktur 10 mit einer Steuerelektrodenstruktur 20 in Form einer Cantilever- oder Brückenstruktur kann der Steuerelektrodenabschnitt 22 auch hermetisch, z. B. durch Aufbringen eines Oxids im Randbereich abgeschlossen werden, so dass eine Membrane gebildet wird. Mit dieser Membrane ist es beispielsweise möglich, Druckmessungen gegen den eingeschlossenen Innendruck durchzuführen. Hier kann die Druckmessung beispielsweise in einer Gasumgebung oder auch in einem flüssigen Ambiente erfolgen. Desweiteren kann alternativ ein dritter Steuerelektroden-Sockel an einer dritten Seite vorgesehen sein.
Im Folgenden wird Bezug nehmend auf 3a bis 3e ein Verfahren zur Herstellung einer Transistorstruktur beschrieben.
3a zeigt den Ausgangspunkt des vorliegenden Herstellungsverfahrens der Transistorstruktur mit dem Substrat 12 und einer Steuerelektroden-Zwischenschicht 34, die später den Steuerelektroden-Zwischenbereich 30a bildet und beispielsweise Silizium-Germanium, z. B. mit einem Germaniumgehalt von bis zu 10% oder bis zu 30%, aufweist. Auf diese Zwischenschicht 34 ist eine weitere monokristalline Deckel-Schicht 36, die später den Steuerelektroden-Deckel 30b bildet, aufgebracht. Des Weiteren ist auf diesen Schichtstapel ein Photolack 38 aufgetragen. Es wird angemerkt, dass in der dargestellten Phase des Herstellungsverfahrens bereits der erste Anschlussbereich und der zweite Anschlussbereich sowie der dazwischenliegende Kanalbereich in das dotierte Substrat 12 eingebracht sind.
Auf dieses dotierte Substrat 12 wird nun eine lokal begrenzte Zwischenschicht 34, die ein Halbleiter-Verbindungsmaterial, wie z. B. ein hochdotiertes Silizium-Germanium-Material aufweist, epitaktisch abgeschieden. Nach der Abscheidung der Zwischenschicht 34, die später als Opferschicht dient, wird die Deckel-Schicht 36 epitaktisch abgeschieden. Das Abscheiden kann beispielsweise sequentiell erfolgen, und so eine scharfe Grenze, z. B. in der Größenordnung von 1 bis 3 Atomlagen (oder 2 bis 5 Atomlagen) zwischen den zwei Schichten 34 und 36, erzeugen. Der scharfe Materialübergang zwischen dem Halbleiter-Verbindungsmaterial (Silizium-Germanium) und dem Halbleiter-Material (reine Silizium) bzw. zwischen der Zwischenschicht 34 und der Deckel-Schicht 36 erfolgt entsprechend Ausführungsbeispielen durch Reduzieren der Germanium-Anteils im Epitaxie-Gas, z. B. GeH₄, oder durch vollständiges Abschalten des Germanium-dotierenden Gases bei Erreichen der gewünschten Schichtsicke der Zwischenschicht 34, so dass dann nur noch die reines oder annähernd reines Silizium als Deckel-Schicht 36 epitaktisch aufgewachsen wird. Es wird angemerkt, dass diese „reine” Silizium-Deckel-Schicht 36 geringe Bor- oder Phosphor-Dotierungen aufweisen kann. Nach dem Aufwachsen der epitaktischen Schichten, die beispielsweise eine Gesamtschichtdicke von 0,5 μm (oder einem Bereich zwischen 0,1 μm und 5 μm) aufweisen, wird ein Photolack 38 auf die epitaktisch aufgebrachten Schichten 34 und 36 für den nachfolgenden Lithographieprozess aufgebracht. Hierbei ist es vorteilhaft, dass sich durch die identische Elektrodenkonfiguration die Gitterstruktur des Substrats 12 in der Zwischenschicht 34 bzw. durch die Zwischenschicht 34 bis in die Deckel-Schicht 36 konform fortsetzt, wobei allerdings eine mechanische oder pseudomorph Verspannung der Kristalle in der (Silizium-Germanium-)Zwischenschicht 34 erfolgt. Dieses monokristalline Verhalten mit einer Begrenzung des möglichen Gittermissmatches ist bis zu einer geringen Schichtdicke von beispielsweise 250 nm oder 50 nm möglich.
3b illustriert den nachfolgenden Schritt der Lithographie. Hier ist der Photolack 38' bereits belichtet sowie die Bereiche des Photolacks 38 abgetragen, die durch den nachfolgenden Ätzprozess freigelegt werden sollen.
3c illustriert den angesprochenen Ätzprozess, der die Struktur an bestimmten Stellen freilegt, so dass nur die Bereiche unterhalb des verbleibenden Photolacks 38' als Schutzschicht auf der Substrat 12 verbleiben. Diese Bereiche, nämlich der verbleibende Bereich der Deckel-Schicht 36' sowie der verbleibende Bereich der Zwischenschicht 34' bilden später die Steuerelektrodenstruktur 20.
3d zeigt die verbleibenden Bereiche der Zwischenschicht 34' bzw. der Deckel-Schicht 36' nach dem Entfernen des Photolacks.
3e illustriert den Schritt, bei dem der Steuerelektrodenabschnitt 22 der Steuerelektrodenstruktur 20 unterätzt wird. Dieses Unterätzen erfolgt mittels selektivem Ätzen der Zwischenschicht 30a, 34', die das Halbleiter-Verbindungsmaterial wie Silizium-Germanium aufweist. Das Halbleiter-Verbindungsmaterial weist spezielle Halbleiterverbindungen auf, die sich durch ihre Bandstruktur bzw. ihren Bandabstands von anderen Halbleiter-Materialien unterscheiden und so selektiv ätzbar sind. Silizium-Germanium hat gegenüber Silizium eine geringeren Bandabstand und damit eine abweichende Austrittsarbeit, woraus ein unterschiedliches chemisches Verhalten resultiert. Hier werden beispielsweise Selektivitäten von 1:100 oder mehr erreicht. Bei diesem selektivem Ätzen wird die Deckel-Schicht 36' unterätzt mit etwa dem Faktor der Selektivität. Somit ist ein unterätzter Steuerelektrodenabschnitt 22 mit lateralen Abmessungen von einigen Mikrometern, z. B. 10 × 2 μm herstellbar. Der Abstand (Spalt) bzw. Nanogap, der durch das Ätzen erzeugt wird, beträgt beispielsweise 20 nm. Um Bereiche des Steuerelektroden-Sockels 28, nämlich den Steuerelektroden-Zwischenbereich 30a bestehen zu lassen, ist der Bereich des Steuerelektroden-Sockels 28 gegenüber dem Steuerelektrodenabschnitt 22 in den lateralen Abmessungen größer ausgeführt. Hierdurch erfolgt zwar eine Unterätzung des Steuerelektroden-Sockels 28 im Randbereich, während allerdings der Steuerelektrodenabschnitt 22 vollständig unterätzt wird. Insofern bildet die unterätzte Deckel-Schicht 36' den Steuerelektroden-Deckel 30b bzw. 34''.
Für das selektive Ätzen kann beispielsweise ein plasmaunterstütztes Trockenätzverfahren oder ein nasschemisches Ätzen mit geeigneten Ätzlösungen bzw. Ätzgasen verwendet werden. Bei dem plasmaunterstützten Trockenätzverfahren ermöglichen Fluorverbindungen eine selektive Ätzung der Silizium-Germanium-Zwischenschicht 34' beispielsweise mittels CF₄/O₂ Mikrowellenplasma. Das selektive Ätzen basiert darauf, dass eine Differenz der Bindungsenergie von Germanium-Silizium-Bindungen, Germanium-Germanium-Bindungen und Silizium-Silizium-Bindungen besteht. Die im Plasma erzeugten Fluorradikale binden sich eher mit dem Germanium der Zwischenschicht 34', wodurch eine Reaktion ausgelöst wird, die die Bindung des Germaniums mit benachbarten Atomen im Kristallgitter lösen. Infolgedessen weisen die benachbarten Atome einen ungebundenen Zustand (dangling bond) auf, der durch weitere Fluorradikale gesättigt werden kann. Die Fluorradikale können im Plasma beispielsweise mit Gasen CF₄, SF₆ oder CF₂CL₂ erzeugt werden. Es bildet sich flüchtiges GeF₄, welches abgetragen werden kann. Aufgrund der entstandenen Lücke und den erzeugten Danglingbonds können sich die Fluorradikale besser mit den benachbarten Atomen binden, die somit ebenfalls schneller im Vergleich zu dem Silizium der Deckel-Schicht 36' gelöst werden können.
Das nasschemische Ätzen kann mit saurer oder basischer Lösung erfolgen. Zunächst wird das Silizium-Germanium mit einem Oxidationsmittel, wie z. B. HNO₃ oxidiert. Das Silizium-Germanium-Oxid wird anschließend von einer weiteren chemischen Komponente, z. B. Flusssäure (HF) abgetragen. Hierbei wird sie zum Tetrafluorid, welches flüchtig ist.
Bezug nehmend auf 4a und 4b werden zwei REM-Aufnahmen (Raster-Elektronen-Mikroskop) gezeigt, bei denen ein Silizium/Silizium-Germanium/Silizium-Schichtstapel mittels plasmaunterstütztem Trockenätzverfahren unterätzt wird. Hierbei zeigt 4a den Schichtstapel vor dem Ätzen, während 4b den Schichtstapel nach dem Ätzen zeigt. 4a zeigt den Schichtstapel, der das Substrat 12, die Silizium-Germanium aufweisende Zwischenschicht 34' und die Silizium aufweisende Deckel-Schicht 36' aufweist. Des Weiteren sind diese Schichten mit einem nativen Oxid 40 überzogen, wobei auf den Schichtstapel bzw. auf die native Oxidschicht 40 auf dem Schichtstapel ein weiteres Nitrid 42 aufgebracht ist.
4b zeigt den Schichtstapel mit dem Substrat 12, der Zwischenschicht 34'', der Deckelschicht 36' sowie das Nitrid 42. Des Weiteren zeigt 4b den Kanalbereich 18 im Substrat 12, der unterhalb der Deckelschicht 36' angeordnet ist. Die Deckelschicht 36' ist derart angeordnet, dass zwei freigeätzte Bereiche 44a und 44b zwischen dem Kanalbereich 18 und der Deckelschicht 36' gebildet werden. Da die Deckelschicht 36' nur im Bereich des ersten freigeätzten Bereichs 44a frei schwingend, d. h. nicht vollständig mit der Nitridschicht 42 überzogen ist, kann die Deckelschicht 36' z. B. in diesem Bereich als elastisch verformbarer Steuerelektrodenabschnitt genutzt werden. Um die Deckelschicht 36' im Bereich des zweiten freigeätzten Bereichs 44b als Steuerelektrodenabschnitt zu nutzen, kann das Nitrid 42 mittels Ätzen im Bereich 44b geöffnet werden.
Alternativ zu dem in 3a und 3b gezeigten strukturierten Aufbringen der Zwischenschicht, bei dem zuerst der Schichtstapel, welcher die Zwischenschicht 34 und die Deckelschicht 36 umfasst, vor dem strukturierten Entfernen mittels Lithographie- und Ätzen-Technologien aufgebracht wird, kann das strukturierte Aufbringen auch dadurch erfolgen, dass die Zwischenschicht 34' und die Deckelschicht 36' direkt strukturiert, d. h. in der in 3c gezeigten Form aufgebracht werden.
Es wird des Weiteren angemerkt, dass die Materialwahl der Zwischenschicht nicht auf Silizium-Germanium-Materialen beschränkt ist. Es sind auch weitere Halbleiter, wie Gallium, z. B. in Kombination mit Kohlenstoff, oder (monokristallines) Silizid in Kombination mit Kupfer einsetzbar.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Transistorstruktur zusammen mit einer Auswerteeinrichtung, die mit dem ersten Anschlussbereich, dem zweiten Anschlussbereich und dem Steuerelektrodenabschnitt verbunden ist, ein Kraftmesssystem bilden. Hierbei ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, um ein Messsignal, z. B. Stromstärke oder Spannung zwischen dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich zu ermitteln, das von dem Abstand zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt und dem Kanalbereich und somit von der Krafteinwirkung auf den Steuerelektrodenabschnitt abhängig ist. Mittels dieser Auswerteeinrichtung kann neben der Versorgungsspannung zwischen dem ersten und zweiten Anschlussbereich und auch die Versorgungsspannung zwischen dem Substrat bzw. dem Kanalbereich und dem Steuerelektrodenabschnitt angelegt werden.
Der Steuerelektrodenabschnitt 22 kann zu Trimmungszwecken mit einer Kraft statisch vorgespannt sein. Hierzu ist entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine Beaufschlagungsvorrichtung vorgesehen. Diese Beaufschlagungsvorrichtung kann als potentialfreie oder potentialvorspannbare Struktur ausgeführt sein. Beispielsweise spannt die Beaufschlagungsvorrichtung den Steuerelektrodenabschnitt 22 mittels eines elektrischen Feldes elektrostatisch vor. Hierzu weist diese einen dem Steuerelektrodenabschnitt 22 zugeordneten, von diesem beanstandeten weiteren Abschnitt, z. B. eine weitere Elektrode, auf, die ausgebildet ist, zwischen diesem weiteren Abschnitt (in einer weiteren Schicht) und dem Steuerelektrodenabschnitt 22 eine elektrischen Vorspannung zu erzeugen und so eine Kraft auf den Steuerelektrodenabschnitt 22 auszuüben. Die Beaufschlagungsvorrichtung und der Steuerelektrodenabschnitt 22 sind somit flächenkongruent, wobei angemerkt wird, dass die Beaufschlagungsvorrichtung, der Steuerelektrodenabschnitt 22 und somit der Kanalbereich 18, der zur Abtastung des Steuerelektrodenabschnitts 22 dient, nicht zwingend flächengleich sein müssen.
Bei der Auswertung ist zwischen einer statischen Auswertung (vgl. oben) und einer dynamischen Auswertung zu unterscheiden. Bei der dynamischen Auswertung wird der Steuerelektrodenabschnitt 22 im schwingenden Zustand betrieben. Es wird angemerkt, dass entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen der Steuerelektrodenabschnitt 22 auch im schwingenden Zustand elektrostatisch vorgespannt sein kann, was die Resonanzfrequenz beeinflusst bzw. verstimmt und so eine Trimmung ermöglicht. Die Anregung zur Schwingung kann elektrostatisch mittels der derartigen Beaufschlagungsvorrichtung erfolgen. Hierzu wird eine Wechselspannung zwischen dem weiteren Abschnitt und dem Steuerelektrodenabschnitt 22 angelegt. Alternativ zu dem elektrostatischen Anregen kann auch eine elektromagnetische Anregung oder thermische Anregung erfolgen, wie es im Folgenden näher beschrieben werden wird. Bei der elektromagnetischen Anregung wird beispielsweise eine sehr dünne Leiterbahn, die dem Steuerelektrodenabschnitt 22 zugeordnet ist oberhalb oder unterhalb desselben angebracht. Bei einem Stromfluss durch diese Leiterbahn wird ein magnetisches Feld erzeugt, das den Steuerelektrodenabschnitt 22 zum Schwingen anregt. Aufgrund der sehr geringen Abstände in der Transistorstruktur 10 ist die magnetische Wirkung auch bei sehr geringen Stromstärken ausreichend stark, insbesondere wenn der Steuerelektrodenabschnitt 22 Ferromagnetika aufweist. Hierzu können beispielsweise ferromagnetische Silizide verwendet werden, die vergleichsweise stark magnetisch sind. Eine weitere Möglichkeit ist es, den Steuerelektrodenabschnitt 22 thermisch zum Schwingen anzuregen. Dies kann z. B. durch eine externe Anregung mittels einer LED oder mittels eines Heizwiderstands, der in den Steuerelektrodenabschnitt 22 eindotiert ist, erfolgen.
Bei dem periodisch zum Schwingen angeregten Steuerelektrodenabschnitt 22 erfolgt die Signalauswertung dadurch, dass der Steuerelektrodenabschnitt 22 in Resonanzfrequenz schwingt. Diese Anregung kann beispielsweise durch die Auswerteeinrichtung rückgekoppelt mit dem vom Feldeffekttransistor 10 abgetasteten Signal gesteuert werden. Die Auswerteeinrichtung detektiert die Resonanzfrequenz, die einerseits von der Geometrie der Steuerelektroden 20, deren Masse sowie deren mechanische Verhältnisse abhängt. Die Resonanzfrequenz wird insbesondere durch eine Massenbelegung verschoben. Insofern ist durch die Verschiebung der Resonanzfrequenz ein Rückschluss auf die Massenbelegung zu ziehen. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass der Messvorgang auf das Frequenz-Zeit-Verhalten der Transistorstruktur 10 verlagert wird. Eine derartige Signalverarbeitung bietet den Vorteil, dass selektiert Nullpunkteffekte, die z. B. durch eine überlagerte Kraft auf den Abstandes d₂₂ wirken, ausgeglichen werden können.
Hinsichtlich Skalierung ist anzumerken, dass, mit abnehmender Strukturgröße der Transistorstruktur 10 die mechanische Resonanzfrequenz steigt, was die Skalierbarkeit ohne Empfindlichkeitsverluste weiter verbessert. Im Gegensatz dazu erniedrigen sich üblicherweise mit steigender Frequenz die Amplitude und damit auch die Empfindlichkeit. Das hier verwendete Abtastprinzip auf Basis eines Feldeffekttransistors kompensiert diese Tatsache dadurch, dass mit geringer Strukturgröße ebenfalls die Empfindlichkeit steigt, da in die Transistorkennlinien lediglich die auf die Fläche normierte Kapazität eingeht.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine chemisch-absorbierende und/oder absorbierende Schicht auf den Steuerelektrodenabschnitt 22 aufgebracht sein, die selektiv vorbestimmte Partikel und/oder Moleküle aus einer Gasumgebung anbindet. Durch die Anbindung der Partikel und/oder der Moleküle an die Steuerelektrodenstruktur 22 erfolgt eine Massebelegung derselben, die bevorzugt dynamisch, aber auch statisch detektierbar ist. Hierdurch wird ein hochempfindlicher chemischer Sensor gebildet, der es ermöglicht, eine Konzentration von selektiv vorbestimmten Molekülen bzw. Partikeln zu bestimmen oder eine Personalisierung für Raumklimamessungen vorzunehmen. Der Steuerelektrodenabschnitt 22 kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen beheizbar sein, so dass die angekoppelten Partikel bzw. Moleküle von der chemisch absorbierenden bzw. absorbierenden Schicht wieder entfernt werden können und so die Massenbelegung reversibel gemacht wird.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Kraftmesssystem zwei oben beschriebene Transistorstrukturen aufweisen, wobei eine Transistorstruktur zur direkten Kraftmessung bzw. Massemessung eingesetzt wird und die zweite Transistorstruktur als Referenz dient. Hierzu wird die zweite Transistorstruktur beispielsweise durch einen hermetisch abschließenden Deckel gekapselt, so dass keine Beeinflussung des Steuerelektrodenabschnitts 22 der zweiten Transistorstruktur durch Beaufschlagung der Kraft oder der Masse erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung dafür ausgebildet, das Messsignal durch Differenzbildung des Messsignals der ersten Transistorstruktur (die zur direkten Kraftmessung dient) und des zweiten Messsignals (die als Referenz dient) zu ermitteln. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können auch mehr als zwei Transistorstrukturen auf einem Substrat angeordnet sein, so dass ein Sensor-Array gebildet wird, wobei beispielsweise die einzelnen Transistorstrukturen für unterschiedliche Kraftbereiche oder für unterschiedliche Kraftrichtungen ausgelegt sind.
Dadurch, dass, wie oben beschrieben, die Transistorstruktur in Resonanzfrequenz betreibbar ist, werden weitere Anwendungen ermöglicht. Hierbei kann die Transistorstruktur als Frequenznormal (Oszillator) oder als Filter, vergleichbar mit den SAW-Filtern genutzt werden. Derartige Filter können durch eine angelegte Gleichspannung mit einem mechanischen Offset, der eine geringfügige Verbiegung des Steuerelektrodenabschnitts bewirkt, geringfügig verstimmt werden und so in engen Grenzen auf die gewünschte Resonanzfrequenz justiert werden. Aufgrund der Skalierbarkeit der Transistorstruktur sind mechanische Frequenzen im oberen Megaherzbereich oder oberhalb dieses Bereiches möglich. Durch eine Kombination von mehreren gleichartigen Filtern kann somit ein Bandpassfilter realisiert werden. Hierbei ist es vorteilhaft, dass diese Filter auch mittels CMOS-Technologien fertigbar bzw. direkt in CMOS-Bauteile integrierbar sind.
Weitere Anwendungsbeispiele der Transistorstruktur sind neben mikromechanischen Sensoren oder Kraftmesssystemen auch Gyroskope zur Aufnahme von Beschleunigungen, Resonatoren und Aktuatoren. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein sogenanntes „atomic force microscope”, das eine feinstauflösende mechanische Abtastung einer Oberfläche ermöglicht.
Im Folgenden werden der Kern der Erfindung und insbesondere die Vorteile derselben in anderen Worten zusammengefasst. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf sogenannte „Nanogap-Feldeffekttransistoren” zur Messung einer Größe, z. B. Kraft oder Beschleunigung. Hierbei wird eine hohe Empfindlichkeit des Sensors erreicht, da das Abtastprinzip auf dem Feldeffekttransistor basiert. Der Nanogap-Feldeffekttransistor (NGFET) hat einen ähnlichen Aufbau wie ein MOSFET (Metalloxid-Semiconductor-Feldeffekttransistor). Der Unterschied zwischen dem NGFET und dem MOSFET liegt am Isolator zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt 22 und dem Kanalbereich 18, da der MOSFET einen Isolator oder ein Dielektrikum, z. B. Siliziumdioxid, auf dem das Gate aufliegt, aufweist, während der NGFET eine freitragende Struktur, die entweder durch ein Vakuum oder ein Gas oder ein anderes Medium isoliert ist, umfasst. Die Herstellung basiert darauf, dass eine elastisch verformbare Steuerelektrodenstruktur bzw. eine einkristalline Schwingzunge, die als Gateelektrode wirkt, mittels einer sehr dünnen Zwischenschicht bzw. Opferschicht (z. B. Silizium-Germanium-Opferschicht) herstellbar ist. Durch die Zwischenschicht bzw. Opferschicht kann die gesamte Steuerelektrode eine monokristalline atomare Gitterstruktur aufweisen, was eine hohe physikalische Reproduzierbarkeit ermöglicht. Die Silizium-Germanium-Opferschicht führt dazu, dass eine Unterätzung mit einem sehr kleinen Abstand im Nanometerbereich erzeugt werden kann. Dieser sehr geringe Abstand führt zu hohen Transistorverstärkungsfaktoren und geringen Randeffekten. Dieser Herstellungsprozess ist vollständig CMOS-kompatibel.

Claims

Transistorstruktur (10) mit folgenden Merkmalen: einem ersten Anschlussbereich (14), einem zweiten Anschlussbereich (16) und einem dazwischenlegenden Kanalbereich (18) in einem Halbleiter-Substrat (12); und einer dem Kanalbereich (18) zugeordneten Steuerelektrode (20), wobei die Steuerelektrode (20) einen unter einer Krafteinwirkung (F) elastisch auslenkbaren, von dem Kanalbereich (18) beabstandeten Steuerelektrodenabschnitt (22) aufweist, um einen Abstand (d₂₂, d_22-1, d_22-2) zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt (22) und dem Kanalbereich (19) basierend auf der Krafteinwirkung (F) zu ändern, wobei die Steuerelektrode (20) mit dem Steuerelektrodenabschnitt (22) eine monokristalline Gitterstruktur aufweist, und wobei sich eine atomare Gitterstruktur des Halbleiter-Substrats (12) in einem Halbleiter-Material der Steuerelektrode (20) mit seinem Steuerelektrodenabschnitt (22) fortsetzt.
Transistorstruktur (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Steuerelektrodenabschnitt (22) in einem Grundzustand weniger als 250 nm von der Oberfläche des Kanalbereichs (18) beabstandet ist.
Transistorstruktur (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerelektrode (20) ferner einen oder mehrere Steuerelektroden-Sockel (28, 28') aufweist, mittels denen der Steuerelektrodenabschnitt (22) einseitig oder mehrseitig als Biegebalkenstruktur gegenüber dem Halbleiter-Substrat (12) eingespannt ist.
Transistorstruktur (10) gemäß Anspruch 3, wobei der Steuerelektrodenabschnitt (22) hermetisch abgeschlossen ist.
Transistorstruktur (10) gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuerelektrode (20) einen Steuerelektroden-Deckel (30b) und einen Steuerelektroden-Zwischenbereich (30a) aufweist, und wobei der Steuerelektroden-Deckel (30b) und das Substrat ein Silizium-Material aufweisen und der Steuerelektroden-Zwischenbereich (30a) ein Silizium-Germanium-Material aufweist.
Transistorstruktur (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Steuerelektrodenabschnitt (22) eine chemisch absorbierende und/oder adsorbierende Schicht aufweist, so dass an dem Steuerelektrodenabschnitt (22) selektiv vorbestimmte Partikel und/oder Moleküle bindbar sind.
Transistorstruktur (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Steuerelektrodenabschnitt (22) leitfähig, magnetisch oder beheizbar ist, so dass der Steuerelektrodenabschnitt (22) elektrostatisch, elektromagnetisch oder thermisch auslenkbar und/oder zum Schwingen anregbar ist.
Transistorstruktur (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Transistorstruktur (10) ferner eine weitere Elektrodenstruktur aufweist, die von dem Steuerelektrodenabschnitt (22) beabstandet ist, und die ausgebildet ist, um den Steuerelektrodenabschnitt (22) elektrostatisch oder elektromagnetisch vorzuspannen oder zum Schwingen anzuregen.
Verfahren zur Herstellung einer Transistorstruktur (10), mit folgenden Schritten: Erzeugen eines ersten Anschlussbereichs (14), eines zweiten Anschlussbereichs (16) und eines dazwischenliegenden Kanalbereichs (18) in einem Halbleiter-Substrat (12); strukturiertes Aufbringen einer ein Halbleiter-Verbindungsmaterial aufweisende Zwischenschicht (34, 34', 34'', 30a) auf den Kanalbereich (18) mit einer Dicke, so dass sich eine Gitterstruktur des Halbleiter-Substrats (12) durch die Zwischenschicht (34, 34', 34'', 30a) fortsetzt; Aufbringen einer dem Kanalbereich (18) zugeordneten Steuerelektrode (36, 36', 20, 30b) auf die Zwischenschicht (34, 34', 34'', 30a), so dass sich die Gitterstruktur des Halbleiter-Substrats (12) in die Steuerelektrode (36, 36', 20, 30b) fortsetzt; und selektiertes Entfernen der Zwischenschicht (34, 34', 34'', 30a), so dass ein unter Krafteinwirkung (F) elastisch auslenkbarer Steuerelektrodenabschnitt (22) gebildet wird, wobei ein Abstand (d₂₂, d_22-1, d_22-2) zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt (22) und dem Kanalbereich (18) basierend auf der Krafteinwirkung (F) änderbar ist, wobei die Schritte des Aufbringens der Zwischenschicht (34, 34', 34'', 30a) und des Aufbringens der Steuerelektrode (20, 36, 36', 30b) derart durchgeführt werden, dass die Zwischenschicht (34, 34', 34'', 30a) und die Steuerelektrode (20, 36, 36', 30b) eine monokristalline Gitterstruktur aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Transistorstruktur (10) gemäß Anspruch 9, wobei die Schritte des Aufbringens der Zwischenschicht (34, 34', 34'') und des Aufbringens der Steuerelektrode (20, 36, 36', 30b) durch epitaktisches Abscheiden erfolgen.
Verfahren zur Herstellung einer Transistorstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei der Schritt des selektiven Entfernens durch nass-chemisches Ätzen, plasmaunterstütztes Trocken-Ätzen erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Transistorstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Schritt des Aufbringens der Zwischenschicht (34, 34', 34'', 30a) durch epitaktisches Abscheiden von einem Silizium-Germanium-Material und der Schritt des Aufbringens der Steuerelektrode (20, 36, 36', 30b) durch epitaktisches Abscheiden von einem Silizium-Material erfolgt, wobei bei dem Aufbringen der Steuerelektrode (20, 36, 36', 30b) ein Germaniumanteil des aufzubringenden Silizium-Materials gegenüber einem Germaniumanteil bei dem Aufbringen der Zwischenschicht (34, 34', 34'', 30a) nach Erreichen der gewünschten Dicke der Zwischenschicht (34, 34', 34'', 30a) reduziert wird, und wobei der Schritt des selektiven Entfernens durch selektives Ätzen von dem Silizium-Germanium-Material erfolgt.
Kraftmesssystem mit folgenden Merkmalen: einer Transistorstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; und einer Auswerteeinrichtung, die mit dem ersten Anschlussbereich (14), dem zweiten Anschlussbereich (16) und dem Steuerelektrodenabschnitt (22) der Transistorstruktur (10) verbunden ist, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, um ein Messsignal zwischen dem ersten Anschlussbereich (14) und dem zweiten Anschlussbereich (16) zu ermitteln, das von einem Abstand (d₂₂, d_22-1, d_22-2) zwischen dem Steuerelektrodenabschnitt (12) und dem Kanalbereich (18) und somit von der Krafteinwirkung (F) auf den Steuerelektrodenabschnitt (22) abhängig ist.
Kraftmesssystem gemäß Anspruch 13, wobei die Auswerteeinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, um eine Versorgungsspannung zwischen dem ersten Anschlussbereich (14) und dem zweiten Anschlussbereich (16) und zwischen dem ersten Anschlussbereich (14) und dem Steuerelektrodenabschnitt (22) anzulegen.
Kraftmesssystem gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei das Messsignal eine Stromstärke ist, wenn eine Spannung zwischen dem ersten Anschlussbereich (14) und dem zweiten Anschlussbereich (16) eingeprägt ist; oder wobei das Messsignal eine Spannung ist, wenn eine Stromstärke zwischen dem ersten Anschlussbereich (14) und dem zweiten Anschlussbereich (16) eingeprägt ist.
Kraftmesssystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, das ferner eine Beaufschlagungsvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, um den Steuerelektrodenabschnitt (22) elektrostatisch vorzuspannen.
Kraftmesssystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, das ferner eine Beaufschlagungsvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, um den Steuerelektrodenabschnitt (22) elektrostatisch, elektromagnetisch oder thermisch zum Schwingen anzuregen, wobei die Auswerteeinrichtung ferner dazu ausgebildet ist, um eine Resonanzfrequenz des zum Schwingen angeregten Steuerelektrodenabschnitts auf Basis des Messsignals zu ermitteln, wobei die Resonanzfrequenz von einer Geometrie der Steuerelektrode (20), deren Masse, deren mechanischen Verhältnissen und deren Massenbelegung abhängig ist.
Kraftmesssystem gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, das ferner eine zweite Transistorstruktur (10) als Referenz aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung, die mit dem ersten Anschlussbereich (14), dem zweiten Anschlussbereich (16) und dem Steuerelektrodenabschnitt (20) der zweiten Transistorstruktur verbunden ist, dazu ausgebildet ist, um das Messsignal durch Differenzbildung des Messsignals der ersten Transistorstruktur (10) und des Messsignals der zweiten Transistorstruktur (10) zu ermitteln.
Kraftmesssystem gemäß Anspruch 18, wobei die zweite Transistorstruktur (10) derart gekapselt ist, dass keine Beeinflussung des Steuerelektrodenabschnitts (22) erfolgt.