DE3024295C2 - Ionenmessfühler und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen loncnmeßfühlcr gemäss Oberbegriff des Hauptanspruches sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Ionenmeßfühler, die durch einen Feldeffekttransistor gebildet sind, sind bekannt (GB-PS 20 10 011, US-PS 40 20 830 sowie lEEETrans. Electron Dev., ED-26fl979] 12, Seiten 1939-1944). Hierbei ist die ionenemp- findliche Schicht jeweils als zusätzliche Schicht über dem anorganischen Film aufgebracht, der seinerseits auf dem unmittelbar mit der Gate-Oberfläche verbundenen Isolierfilm aufgebracht ist. Diese bekannten lonenmeßfühler besitzen eine Reihe von Nachteilen. Es besteht die Gefahr, daß sich die auf der Oberfläche des anorganischen Filmes aufgebrachte ionenempfindliche Schicht löst und so der Gate-Bereich freigelegt wird, der dann mit der Meßflüssigkeit in Berührung kommt. Die bekannten Meßfühler besitzen daher keine allzu lange Lebensdau-

Es besteht außerdem die Gefahr, daß in die Grenzfläche zwischen der ionenempfindlichen Schicht und dem anorganischen Film und in dem ionenempfindlichen Film selbst elektrische Ladungen ansammeln, wodurch dann die Gate-Schwellwertspannung geändert wird. Die bekannten Meßfühler besitzen deshalb auch relativ unerwünschte elektrische Eigenschaften.

bo Die bekannten Meßfühler können auch nicht ohne weiteres so hergestellt werden, daß sie für unterschiedliche Arten von Ionen geeignet sind, denn in diesem Fall müßten unterschiedliche Arten von ionenempfindlichen Schichten an unterschiedlichen Stellen aufgebracht werden, was bisher praktisch zumindest sehr schwierig ist. Die bekannten Meßfühler können auch nicht nach den bekannten Transistor-Herstellungsverfahren in Massenproduktion billig angefertigt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen loncnnicßfiihlcr zu schaffen, der diese Nachteile vermeidet und bei dem vor allem ein Lösen der ionenempfindlichen Schicht vermieden ist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zum Herstellen eines solchen loncnmeßfühlers aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem loncnmeßfühler gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs durch

dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weilerbildungen eines solchen Meßfühlers sowie vorteil-

% hafte Möglichkeiten zu dessen Herstellung ergeben sich aus den Unteransprüchen,

|| Bei dem beanspruchten Ionenmeßfühler ist die ionenempfindliche Schicht jeweils unmittelbar in der obersten

% Deckschicht aus anorganischem Material ausgebildet und zwar durch entsprechende Verunreinigungen, die

% durch Wärmediffusion oder durch Ionenimplantation dort eingebracht sind. Durch diese Verunreinigungen wird s

if} eine ionenempfindliche Schicht unmittelbar in der Oberfläche des anorganischen Films ausgebildet die eine

fe Dicke von einigen 10 bis einigen 100 A besitzt Ein Meßfühler nach Anspruch 1 besitzt daher sehr stabile

j¥; elektrische Eigenschaften, und zwar auf lange Zeit hinweg, da die ionenempfindliche Schicht in der chemisch

k I sehr stabilen Oberfläche des anorganischen Filmes ausgebildet ist und sich daher von dieser nicht 'ösen kann. Es

besteht daher auch keine Gefahr, daß sich unerwünschte Ladungen ansammeln, ein Meßfühler nach Anspruch 1 besitzt daher auch sehr stabile elektrische Eigenschaften. Die Verunreinigungen können sehr einfach und ;' trotzdem mit der erforderlichen Genauigkeit in der Oberfläche des anorganischen Films nach den bekannten

weitentwickelten Halbleiter-Herstellungsverfahren ausgebildet werden, so daß auch eine sehr billige Massen- £■ produktion möglich ist Durch entsprechende Wahl der Verunreinigungen ist es außerdem möglich, den Meßfüh-

[y ler für die verschiedenartigsten lonenmessungen vorzubereiten. Es können auch sehr einfach durch entspre-

|| chend unterschiedliche Diffusionen und/oder Ionenimplantationen Meßschichten gebildet werden, die auf unter-

hi schiedliche Ionen ansprechen.

f~ Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläu-

!•i tert

Iß F i g. 1 bis 9 zeigen jeweils anhand von Schnittbildern verschiedene Ausführungsbeispiele für den Aufbau und

β die Herstellung eines beanspruchten Jonenmeßfühlers,

F i g. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Mehrfach-Ionenmeßfühler,

ι ' F i g. 11 zeigt im Vergleich zu einem bekannten Meßfühler die vorteilhaften Eigenschaften eines beanspruch-

\: ten Meßfühlers.

ί Die F i g. 1 bis 9 zeigen jeweils anhand von vergrößerten Schnittbildern den Aufbau eines Ionenmeßfühlers in

Form eines Feldeffekttransistors, und zwar ist der Einfachheit halber hier jeweils nur der Gate-Bereich des Transistors dargestellt Auf dem Halbleitersubstrat 42, das beispielsweise eine Dicke von 200 μιη besitzt sind im Abstand voneinander ein Drain-Diffusionsbereich 43 und ein Source-Diffusionsbereich 44 ausgebildet Diese Bereiche stehen in bekannter Weise mit entsprechenden Zu- und Ableitungen in Verbindung. Auf der Oberfläche des Substrats 42 ist im Gate-Bereich ein Isolierfilm 45 aufgebracht, auf welchem mindestens einschließlich des Gates ein Stabilisierungsfilm 46 aufgebracht ist. In dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 besitzt dieser Stabilisierungsfilm 46 eine Dicke zwischen 50 nm bis 200 nm. Dieser Stabilisierungsfilm 46 besteht aus einem anorganischen Isoliermaterial mit guter lonenundurchlässigkeit, z. B. aus einem Gemisch aus der Gruppe aus Siliziumnitrid (S13N4), Siliziumoxynitrid (SiOxNy), einem Oxid von Aluminium (Al) oder Tantal (Ta), einem Nitrid von Aluminium oder Tantal und einem Gemisch des Oxids und Nitrids hergestellt werden. Der Oberflächenstabilisierfilm 46 kann auf dem Gate-Isolierfilm 45 durch Aufdampfen, Aufsprühen, Elektronenstrahl-Dampfniederschlag o. dgl. aufgetragen werden. Anschließend wird auf dem Oberflächenstabilisierfilm 46 mindestens einschließlich des Gates ein Diffusionsqucllcn-Film 47 aufgebracht, dessen Dicke im Bereich von 50 nm bis 1000 nm liegt und der mit Substanz, aus der der Oberflächenstabilisierfilm 46 besteht, so reagiert daß eine gegenüber einem gegebenen lon empfindliche lonenaustauschstelle entsteht Anschließend wird mindestens das Gate 41 auf eine Temperatur von 600— 1000⁰C mit Hilfe eines Widcrstandsheizofens, einer Infrarotlampe, eines YAG-Lasers oder eines CO₂-Lasers erhitzt so daß ein Teil der Zusammensetzung des Diffusionsquellen-Films 47 durch Wärme in den Oberflächenstabilisierfilm 46 diffundiert, um eine Verunreinigungsschicht 48 zu bilden, die als ionenempfindlicher Bereich wirkt und eine Dicke im Größenordnungsbereich von einigen 1 bis einigen 10 Nanometer hat.

Der Diffusionsquellen-Film 47 kann aus verschiedenen Zusammensetzungen je nach der Art des gewünschten lonenmeßfühlers und der Art des Oberflächenstabilisierfilms 46 bestehen. Im Fall eines Na ⁺ - und K⁺-Ionenmeßfühlers können z. B. Gemische aus der folgenden Tabelle Verwendung finden.

Tabelle 1 Art des Oberflächensiabilisierfilim 46

Oxid, Nitrid von Si Oxid, Nitrid von Al Oxid. Nitrid von Ta SiOj-I-AI₂Oj

Zusammensetzung Na₂O oder Li₂O Na₂O oder Li₂O Na₂O oder Li₂O Na₂O

des diffundierten und AI₂Oj und SiO₂ und SiO₂

Source-Films 47

Im Fall des Na⁺-Ionenmeßfühlers wird die Zusammensetzung des Diffusionsquellen-Films 47 vorher so festgelegt daß die Verunreinigungsschicht 48 wie folgt zusammengesetzt ist: bo

Na₂O oder Li₂O: 10-25 Mol-%
Al₂O₃: 10-25 Mol-%

SiO₂: 50-80 Mol-%

Im Falle des K ⁺ -Ioncnmcßfühlers wird die Zusammensetzung des Diffusionsquellenfilms 47 vorher so festgesetzt, daß die Verunreinigungsschicht 48 folgende Zusammensetzung hat:

Na₂OodcrLi₂O: 20-30 Mol-%

Al₂O₃: I-10 Mol-%

SiO₂: 60-80 Mol-%

Der Diffusionsquellen-Film 47 kann auch durch Aufdampfen, Aufsprühen oder dgl. von Gemischen geschaffen werden, die eine Substanz enthalten, welche mit der Substanz, aus der der darunterliegende Oberflächenstanili-

lü sierfilm 46 besteht, so umgesetzt wird, daß eine gegenüber einem bestimmten lon empfindliche loncnaustauscherstelle geschaffen wird. Gemäß einer Alternative kann der Diffusionsquellcn-Film 47 auch durch lleschichlen. Aufsprühen. Auftrag im Wirbel- oder Drehverfahren, F.inlaiiehen oder dgl. erzeugt werden, wozu eine Alkohollösung eines organischen Mctallgcmisehes zum Erzeugen der lonenaustaiischcrstclle (Alkoxydlösung) benutzt wird. Wenn der Diffiisionsquellen-Film 47 aus der genannten Alkoxydlösung hergestellt wird, wird der entstehende Film einer Hydrolyse und dann einer Wärmebehandlung unterzogen.

Für einen H'-lonenmeßfühler kann als Alkoxydgemisch Si(OC₂H',),), Ib Mol-% Ca(OCHj)₂-Lösung und 16 Mol-% NaOCH i-Lösung benutzt werden. Im Falle eines Na ' - und K ' -lonenmcßfühlers kann als Alkoxydgcmisch Si(OC₂H₅J₄, AI(I-OCVIq)! und 16 Mol % NaOCH i-Lösung verwendet werden.

Nach der Schaffung der Vcrunrcinigungsschicht 48 in der oben beschriebenen Weise wird der auf dem Oberflächenstabilisierfilm 46 verbliebene Diffusionsquellcn-Film 47 entfernt, um die Verunreinigungsschicht 48 freizulegen, wie F i g. 2 zeigt.

In Fig.3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen lonenmeßfühlers und eines Verfahrens zum Herstellen desselben gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird auf dem Oberflächenstabilisierfilm 46 ein getrennter anorganischer Film 49 in einer Dicke von mehr als 50 mn und in der Oberfläche des anorganischen Films 49 eine Verunreinigungsschicht 48 durch Wärmediffusion geschaffen. Dies Verfahren unterscheidet sich von dem im Zusammenhang mit F i g. 1 und 2 erwähnten Verfahren. In F i g. 3 und 4 sind die den Teilen gemäß Fig. 1 und 2 entsprechenden Teile jedoch mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird im Gate-Bereich 41 auf dem Gale-Isolicrfilm 45 der Oberfläehenslabilisierfilm 46, der anorganische Film 49 und der Diffusionsquellen-Film 47 einander überlagert geschaffen. Dann wird der Gate-Bereich 41 wärmebchandelt, um die Vcrunrcinigungsschicht 48 gemäß F i g. 3 zu erzeugen. Anschließend wird der Diffusionsqucllen-Film 47 vom anorganischen Film 49 entfernt, um die Vcrunrcinigungsschicht 48 bloßzulegen, wie Fig. 4 zeigt, womit ein IS FF.T hergestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der anorganische Film 49 aus einem Gemisch geschaffen werden, welches aus der aus einem Oxid oder Nitrid von Silizium (Si). Aluminium (Al). Bor (B) oder Tantal (Ta) und einem Gemisch eines solchen Oxids und Nitrids

J5 bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

F i g. 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines lonenmeßfühlers gemäß der Erfindung sowie eines Verfahrens zum Herstellen desselben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Verunreinigungsatom 51, welches mit dem Atom, aus dem der Oberflächenstabilisierfilm 46 besteht, zur Schaffung einer gegenüber einem gegebenen Ion empfindlichen lonenaustauschcrstelle umgesetzt wird, durch Ionenimplantation in die Oberfläehe des anorganischen Obcrflächenstabilisierfilms 46 bis zu einer Tiefe von einigen 1 bis zu einigen 10 Nanometer eingebracht. Dann wird der Oberflächenstabilisierfilm 46 bei 400"C—700"C geglüht, um eine Vcrunreinigungsschich! 52 zu erzeugen, die als ionenempl'indlichcr Bereich gemäß F i g. wirkt. Dies Verfahren unterscheidet sich von dem anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren. Aber die den Teilen in Fig. 1 und 2 entsprechenden Teile sind in F i g. 5 und 6 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die bei der lonenimplantation angewandte Beschleunigungsspannung unterscheidet sich je nach der Art des Verunreinigungsatom.s und der Tiefe der Ionenimplantation (Dicke der Vcrunreinigungsschichl 52). Vorzugsweise wird jedoch eine Beschleunigungsspannung von ca. 100—300 KeV und eine loncndosis in einer Menge von 10^lb—10¹⁸ cm--' verwendet. Das durch loncninjektion einzubringende Vcrunreinigungs- bzw. Störatom 51 ist unterschiedlich je nach der Art des gewünschten lonenmeßfühlers und der Art des Obcrflächenstabilisicrfilnis 46. Im Fall eines Na⁴ - und

so K ⁺ -lonenmeßfühlers kann z. B. ein Störatom 51 gemäß folgender Tabelle 2 benutzt werden.

Tabelle 2

Art des Obcrflächenstabilisierfilms 46 Oxid. Nitrid von Si Oxid. Nitrid von ΛΙ Oxid.Nilrid von Ta S1O2 + AI2O1

Störatom 51 Na, Al, O Na, Si. O Na, AI, Si, O Na

In F i g. 7 und 8 sind wesentliche Teile eines weiteren Ausführungsbeispicls eines lonenmeßfühlers und eines

ω Verfahrens zum Herstellen desselben schematisch im Schnitt gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird auf einem Oberflächenstabilisierfilm 46 ein getrennter anorganischer Film 53 geschaffen. Ein Verunreinigungs- bzw. Störatom 51, welches mit einem Atom, aus dem der anorganische Ulm besteht, unter Schaffung einer lonenaustauscherstelle reagiert, die gegenüber einem bestimmten lon empfindlich ist, wird durch Ionenimplantation in die

Oberfläche des anorganischen Films 53 eingebracht, wie F i g. 7 zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das Herstellungsverfahren der Verunreinigungsschicht 52, die als ionenempfindlicher Bereich wirkt, von dem im Zusammenhang mit F i g. 5 und 6 beschriebenen Verfahren. Der anorganische Film 53 kann aus einem Gemisch hergestellt werden, welches aus der aus einem Oxid oder Nitrid von Silizium (Si), Aluminium (Al). Tantal (Ta) und Bor (B) bestehenden Gruppe ausgewählt wird. Der Film 53 kann aber auch aus der aus

CI1S	Br, S	I. S	S	S	S
Ag	Ag	Ag	Ag+ Cu	Ag+ Cd	Ag+ Pb

Silber (Ag), Kupfer (Cu), Cadmium (Cd), Blei (Pb) oder dgl. und einem Gemisch dieser Metalle bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Zum Beispiel kann Cl", Br-, S²- oder dgl. durch Ionenimplantation in die Oberfläche von Silber (Ag) injiziert werden, um die Oberfläche des Silbers zu AgCI + Ag₂S, AgBr + Ag₂S umzuwandeln. Es ist also möglich, einen Anionenmeßfühler zu schaffen, der Cl --Ionen und Br--Ionen wahrnehmen kann. Für die Wahrnehmung der Ionen kann ein Störatom 51, eine Zusammensetzung des anorganischen Films 53 sowie ein Gemisch der Verunreinigungs- bzw. Störschicht 52 gemäß der folgenden Tabelle 3 Verwendung finden.

Tabelle 3 Festzustellende Ionen .„

CN- Cl- Br- I- Cu²⁺ Cd²⁺ Pb^

Störatom 51 I₁S Anorganischer Ag

Film 53

Störschicht 52 Ag! + Ag₂S AgCI + Ag;S AgBr + Ag₂S AgI + Ag₂S Ag₂S + CuS Ag₂S + CdS Ag₂S + PbS

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß F i g. 3 und 7 sind die anorganischen Filme 49 und 53 ziemlich dick, und zwar dicker als 50 nm. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 9 ist ein anorganischer Film 55 vorgesehen, dessen Dicke nur im Bereich von 10 nm — 50 nm liegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Verunreinigungs- bzw. Störschicht 56, die als ionenempfindlichcr Bereich wirkt, im wesentlichen auf der ganzen Oberfläche des anorganischen Films 55 durch Wärmediffusion oder Ionenimplantation erzeugt, um auf diese Weise einen ionenempfindlichen Feldeffekttransistor zu schaffen.

Auf dem gleichen Halbleiterchip können mehrere Gate-Bereiche und in den Gate-Bereichen durch Wärmediffusion oder Ionenimplantation Verunreinigungs- oder Störschichten geschaffen werden, die jeweils gegenüber unterschiedlichen Arten von Ionen empfindliche Bereiche darstellen, um auf diese Weise einen gegenüber mehreren Ionen empfindlichen Feldeffekttransistor zu erzielen. In Fig. 1OA ist ein Ausführungsbeispiel eines solchen mehrfachempfindlichen FET in Draufsicht und in Fig. 1OB im Schnitt längs der Linie B-B' gemäß F i g. 1OA gezeigt. Der gegenüber mehreren Ionen empfindliche Feldeffekttransistor weist ein Halbleitersubstrat 60 auf, welches mit zwei ionenempfindlichen Feldeffekttransistoren versehen ist, von denen ein FET 61 als H + -lonenmeßfühler und der andere FET 62 als Na * -Ionenmeßfühler wirkt.

Jeder IS FET hat seine eigenen Source-Diffusionsbereichc 63,64 und einen gemeinsamen Drain-Diffusionsbereich 65 und ist in demjenigen Teil, der nicht den individuellen IS FET darstellt, mit einem Kanalstopper 66 versehen. Dieser gegenüber mehreren Ionen empfindliche FET ist als Ganzes mit einem Isolierfilm 67 und einem diesem überlagerten anorganischen Oberflächenstabilisierfilm 68 versehen. In den Oberflächenschichten der Oberflächenstabilisierfilme 68, die denjenigen Bereichen der IS FET 61 und 62 gegenüberliegen, die mindestens Gate-Bereiche enthalten, sind Verunreinigungs- bzw. Störschichten 69 durch Wärmediffusion oder Ionenimplantation ausgebildet, die als H ⁺ und Na * ionenempfindlichc Bereiche wirken (die Störschicht des IS FET 61 ist in F i g. 1OB nicht gezeigt). Wie aus F i g. 3,7 und 9 hervorgeht, kann die Störschicht in einem getrennten anorganischen Film geschaffen werden, der dem Oberflächenstabilisierfilm 68 überlagert ist. *o

Unter Hinweis auf F i g. 11A, 11 B und 1 IC soll der nach dem beanspruchten Verfahren hergestellte IS FET mit einem in herkömmlicher Weise geschaffenen IS FET verglichen werden. Fig. HA zeigt eine Infrarotabsorptionskurve, die durch Messen eines Infrarotabsorptionsspektrums eines IS FET erhalten wird, der ein Siliziumsubstrat in einer Dicke von 200 μιη aufweist, auf welchem ein 813N₄-FiIm (ein Oberflächenstabilisierfilm) und über diesem liegend ein NAS-FiIm vorgesehen ist, der als Na+ -ionenempfindlicher Film wirkt. Der 813N₄-FiIm hat eine Dicke von ca. 100 nm und ist durch Aufdampfen hergestellt, während der NAS-FiIm aus einer Alkohollösung eines organischen Metallgemisches (Alkoxydlösung) hergestellt ist. In F i g. 1IA ist auf der Ordinate die Infrarottransmission und auf der Abszisse die Wellenzahl des Infrarotspektrums eingetragen. Der NAS-FiIm wurde bei 800⁰C gebrannt. Die in Fig. UA in der Nähe der durch Pfeil A angedeuteten Wellenzahl des Infrarotspektrums von 830 cm-¹ auftretende Infrarotabsorption wurde aufgrund der Si-N-Dehnungs- und Kontraktionsschwingung des Si₃N₄-FiImS erzeugt, während die in der Nähe der Wellenzahl des Infrarotsspektrums von 950 cm—' (angedeutet durch Pfeil B) auftretende !nfrarotabsor"!iop. aufgrund der Si-O- Dchnws- und Kontraktionsschwingung des N AS-Films hervorgerufen wurde.

Wenn der IS FET in eine 0,1 η HCl-Lösung eingetaucht wird, verschwindet, wie aus Fig. HA hervorgeht, der NAS-FiIm (der ionenempfindliche Film), und die Infrarotabsorption aufgrund der Si-O-Dehnungs- und Kontraktionsschwingung nimmt allmählich ab. Die Infrarotabsorption hört völlig auf nach Ablauf von einigen Minuten bis zu zehn Minuten. Diese Tendenz besteht ebenso, wenn der NAS-FiIm bei einer niedrigeren Temperatur als 800° C gebrannt wird.

F i g. 11 Bund 1 IC zeigen lonencharakterisliken eines herkömmlichen IS FET und eines beanspruchten IS FET nach dem Ätzen derselben mit einer O₁In HCl-Lösung und dem Messen des Grenzflächenpotentials J#la in eo Bezug auf Na+-Ionen und des Grenzflächenpotentials 4ΦΗ in Bezug auf H+-Ionen. In F i g. 11B und 11C ist auf der Ordinate das Grenzflächenpotential ΑΦ und auf der Abszisse die Ätzdauer eingetragen.

Die lonenkurve gemäß Fig. HB wurde unter Verwendung eines herkömmlichen IS FET erhalten, dessen Oberflächenstabilisierfilm aus Si₃N₄ und dessen ionenempfindlicher Film durch Brennen des NAS-Films bei 500° C geschaffen wurde. Die lonenkurve gemäß F i g. Π C wurde anhand eines IS FET nach dem beanspruchten Verfahren erhalten, bei dem der NAS-FiIm des bekannten IS FET bei 500"C gebrannt und dann kurzfristig einer Wärmebehandlung bei 800°C unterworfen wurde, um einen Teil des Gemisches des NAS-Films in den darunterliegenden Si₃N₄-FiIm durch Wärme diffundieren zu lassen und dadurch eine Verunreinigungsschicht zu erhalten.

?| Anhand von Fig. 11B ist erkennbar,daß beim bekannten IS FET,dessen NAS-FiIm lediglich dem SIiN₄FiIm

I überlagert ist, die Ätzbehandlung den untenliegenden 813N₄-FiIm bloßlegt und infolgedessen das Grenzflächenpotential in Bezug auf Na*-Ionen, d.h. ^Na abnimmt, während das Grenzflächenpotential in Bezug auf

;■; H ⁺ -Ionen, d.h. ΔΦ\\ zunimmt, wodurch die Empfindlichkeit des Na ⁺ -Ionenmeßfiihlers innerhalb kurzer Zeit

!f. 5 verlorengeht.

!.*: Aus Fig. HC geht im Gegensatz hervor, daß beim beanspruchten IS FET, bei dem ein Teil des Gemisches des

;». NAS-Films durch Wärmediffusion in den SIjN₄-FiIm eingedrungen ist und eine Störschicht bildet, selbst nach

: , dem Verschwinden des NAS-Films innerhalb einer Ätzzeit von einigen Minuten bis zu zehn Minuten, wie schon

Ii, anhand von Fig. 11A erläutert, die Wirkungsweise als stabiler Na ⁺ -lonenmeßfiihler erhalten bleibt. Dies beruht

;' 10 auf der Tatsache, daß die Verunreinigungs- oder Störschicht, die aus einem Teil des durch Wärme in den

ξ: Si3N₄-Film diffundierten Gemisches des NAS-Films besteht, die Na ⁺ -Ionenaustauscherstelle aus (Si-O-Al)-

i'j: bildet und daß die Störschicht im Zusammenwirken mit dem stabilen SIjN₄-FiIm (dem Oberflächenstabilisier-

]'/. film)Stabilität gewährleistet.

14 Für das Messen der Infrarotabsorption gemäß Fig. HA und der lonenkurven gemäß Fig. HB und 11C

4 is wurde der NAS-FiIm (der ionenempfindliche Film) mit einer starken Säure von O₁In HCI geätzt, um das

ΰ Verschwinden des NAS-Films zu beschleunigen. Das gleiche qualitative Ergebnis wurde selbst dann erzielt,

& wenn der NAS-FiIm in einem Elektrolyten mit einem pH-Wert im Größenordnungsbereich von 7 langsam zum

Zj Verschwinden gebracht wurde.

'te In Versuchen hat sich erwiesen, daß der anhand von Fig. 11B beschriebene bekannte IS FET seine Fähigkeit

•iS 20 als Na⁺-lonenmeßfühler innerhalb von 3—5 Tagen verliert, während der anhand von Fig. HC beschriebene

lii erfindungsgemäße IS FET mehr als 3 Monate lang stabil betriebsfähig bleibt. Der auf dem Stabilisierungsfilm 46

: aufgebrachte Diffusionsquellen-Film 47 nach den Fig. I bis 4 muß nicht unbedingt nach der Schaffung der

* ; Verunreinigungsschicht 48 abgenommen werden, er könnte gegebenenfalls auch auf der Schicht 46 bzw. 49

if bleiben.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

60

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. lonenmeßfüliler bestehend aus einem Feldeffekttransistor, dessen Gate-Oberfläche von einem Isolierfilm und einem darüber aufgebrachten anorganischen Film abgedeckt ist und welcher ein«; ionenempfindliche

   s Schicht zugeordnet ist. dadurch gekennzeichnet, daß die ionenempfindliche Schicht durch eine in der Oberfläche des anorganischen Filmes (46,49,53,55) ausgebildete Verunreinigung (48,52,56) gebildet ist

   2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anorganische Film aus Siliziumnitrid (S13N4), Siliziumoxynitrid (SiOxNy), einem Oxid oder Nitrid von Aluminium (Al) oder Tantal (Ta), einer Mischung aus diesen Oxiden oder einer Mischung aus diesen Nitriden besteht

   3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem anorganischen Film (49) und

   dem Isolierfilm (45) ein zusätzlicher Stabilisierungsfilm (46) vorgesehen ist. 4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der anorganische Firn aus einem Oxid oder

   Nitrid von Silizium (Si), Aluminium (Λ1), Bor (B) oder Tantal (Ta), einer Mischung aus diesen Oxiden oder

   einer Mischung aus diesen Nitriden besteht ts 5. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der anorganische Film aus Silber (Ag), Kupfer

   (Cu), Cadmium (Cd), Blei (Pb) oder einem vergleichbaren Material oder aus einer Zusammensetzung dieser

   Metalle besteht.

   6. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß auf einem Halbleitersubstrat 60 mehrere Gate-Bereiche eines Feldeffekttransistors ausgebildet sind und diesen Gate-Berei- chen jeweils Verunreinigungen in der anorganischen Schicht zugeordnet sind, die auf unterschiedliche Ionen empfindlich sind.

   7. Verfahren zum Herstellen eines lonenmeßfühlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche aus einem Feldeffekttransistor, auf dessen den Gate-Anschluß bildenden Oberflächenbereich seines Substrats ein Isolierfilm und darüber ein anorganischer Film aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß in die freie Oberfläche des anorganischen Filmes durch Wärmediffusion Verunreinigungen eingebracht werden, die mit den Atomen des anorganischen Materials ionenempfindliche Bereiche bilden.

   8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß auf den anorganischen Film ein« als Diffusionsquelle dienende Schicht aufgebracht wird, die dann zum Einbringen der Verunreinigungen in die anorganische Schicht erwärmt wird.

   9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsquellen-Schicht durch eine alkoholische Lösung einer organischen Mctallvcrbindung aufgebracht wird, die dann einer Hydrolyse und schließlich einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

   10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Diffusionsquellen-Schicht durch Aufdampfen oder Aufsprühen aufgebracht und anschließend erhitzt wird.

   II. Verfahren nach Anspruch 8,9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsquellen-Schicht nach

   dem Erwärmen wieder entfernt wird.

   12. Verfahren zum Herstellen eines lonenmeßfühlers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus einem Feldeffekttransistor auf dessen Gate-Anschluß bildenden Oberflächenbereich seines Substrats ein Isolierfilm und darüber ein anorganischer Film aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß in die freie Oberfläche des anorganischen Filmes durch Ionenimplantation Verunreinigungsatome eingebracht werden, die mit den Atomen des anorganischen Materials ionenempfindliche Bereiche bilden.