DE3834189C1

DE3834189C1 - Nicht-elektrochemische Herstellung von chemisch selektiven Schichten in Feldeffekttransistoren mit frei hängendem Gate

Info

Publication number: DE3834189C1
Application number: DE19883834189
Authority: DE
Inventors: Ignaz Eisele; Jiri Janata; Max Levy; Heribert Lorenz; Matthias Peschke; Hansjuergen Riess
Original assignee: LORENZ HERIBERT 8028 TAUFKIRCHEN DE
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-10-07
Filing date: 1988-10-07
Publication date: 1990-02-15
Anticipated expiration: 2008-10-08

Description

Die Erfindung betrifft eine Herstellungsmethode von chemisch selektiven Schichten in Feldeffekttransistoren mit frei zugänglichem Gate nach Anspruch 1.

Feldeffekttransistoren mit frei hängendem Gate (Suspended Gate Field Effect Transistor: SGFET) sind eine Sensorgattung, mit welcher man die Zusammensetzung von Gasen und dielektrischen Flüssigkeiten bestimmen kann (J. Janata, Device for Measuring Concentrations in Gases and Electrically Nonconducting Fluids, U. S. Patent 44 11 741). Das genannte Patent beschreibt einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGFET), welcher einen engen Luftspalt zwischen Gateisolator und Gateelektrode hat. Die Methode, eine solche Struktur herzustellen, ist darin beschrieben. Die selektive Reaktion des Bauelementes liegt in der chemisch selektiven Schicht begründet, welche in die Gatestruktur eingebaut ist. Bisher konnte diese Schicht ausschließlich auf elektrochemische Art unterhalb des frei hängenden Gatemetalles abgeschieden werden und zwar erst nach nach Fertigstellung der frei zugänglichen Gateelektrode. (M. Josowicz and J. Janata, Suspended Gate Field Effect Transistor, in Chemical Sensor Technology, Elsevier, 1988).

Dies beschränkt die Anzahl der als selektive Schicht verwendbaren Materialien auf jene, welche wohldefiniert elektrochemisch abgeschieden werden können. So ist es z. B. nachteilig, daß nicht-lösliche Materialien wie Metalloxide, welche für den Gasnachweis eine wichtige Rolle spielen, durch diese Methode nicht unter dem Gate abgeschieden werden können. Einen weiteren Nachteil bildet die Tatsache, daß jeder Sensor einzeln beschichtet werden muß. Das bedeutet, daß während des Herstellungsprozesses einer Halbleiterscheibe mit rund 100 bis 400 Chips und mit jeweils 10 unterschiedlichen Sensoren, etwa 4000 Abscheidungen auszuführen sind. Dies ist ein extrem zeitraubender Prozeß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beliebige chemisch selektive Schichten in die Gatestruktur eines Feldeffekttransistors mit frei zugänglichem Gate einzubauen und den Beschichtungsprozeß zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Abscheidung von chemisch sensitiven Materialien alle Dünn-Film Abscheidetechniken in Frage kommen. Diese Techniken beinhalten Methoden wie Sputtern, reaktives Sputtern, Sintern, Aufdampfen, Aufschleudern, Sublimation, Gasphasenabscheidung, Atom-, Molekular-, Ionen oder Chemiestrahlabscheidung, Aufsprühen, photonen- und plasmaunterstützte Abscheidung. Diese Schichten können im folgenden durch thermisches Ausheilen, optisches Ausheilen, anschließende chemische Reaktionen, Ionenimplantation oder Diffusion behandelt werden.

Die nicht-elektrochemisch abgeschiedene Schicht kann entweder an der Oberfläche des Gateisolators (4) vor der Abscheidung des Spacermaterials (5), das den Raum des späteren Luftspaltes (13) bestimmt, angebracht werden oder auf dem Spacermaterial unterhalb der Gateelektrode (9). Erstere chemisch selektive Schicht (8) befindet sich am Boden des Luftspaltes. Es ist ebenso möglich, zusätzlich eine zweite unterschiedlich modifizierte chemisch sensitive Schicht (11), entweder elektrochemisch oder nicht-elektrochemisch an der Gateelektrode (9) abzuscheiden. Es ist offensichtlich, daß eine Vielzahl von Kombinationen dieser Abscheidungen in einem Feldeffekttransistor mit frei hängendem Gate eingebaut werden können. Ferner lassen sich mehrere Feldeffekttransistoren mit unterschiedlich chemisch sensitiven Schichten zu einem Multisensor Chip kombinieren.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, daß eine beliebige chemisch selektive Schicht vor der Fertigstellung des Gates abgeschieden werden kann. Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Methode liegt darin, daß unabhängig von der Größe der Halbleiter scheibe und der Anzahl der Chips pro Scheibe für die Abscheidung lediglich so viele Schritte benötigt werden, wie unterschiedliche Sensorbeschichtungen pro Chip vorhanden sind. Dies wird durch eine geeignete Maskierung erreicht, mit der alle Chips auf der Scheibe zur gleichen Zeit bearbeitet werden.

Die Herstellungsbeschreibung des Feldeffekttransistors mit frei hängendem Gate bezüglich vorliegender Erfindung folgt den Fig. 1-5. Der Feldeffekttransistor wird auf einem halbleitenden Substratmaterial (1), wie z. B. Silizium oder Galliumarsenid, mit vorgegebener n- oder p-Substratdotierung nach bekannten Verfahren hergestellt. Source- (2) und Drain- (3) Dotiergebiete von entgegengesetzer Polarität zur Substratdotierung werden erzeugt, wie z. B. n-Typ Source (2) und Drain (3) in einem p-Typ Substrat (1). Source (2) und Drain (3) werden entsprechend bekannten halbleitertechnologischen Verfahren strukturiert. Eine einzelne oder mehrere Isolator-Schichten (4) wie SiO₂, Si₃N₄ oder a-C:H bedecken Source, Drain und das Substrat. Die vorliegende Erfindung erlaubt nun die nichtelektrochemische Abscheidung von zwei chemisch selektiven Schichten (8, 11) oder eine Kombination von nicht-elektrochemisch und elektrochemisch abgeschiedener Schicht innerhalb desselben Luftspaltes (13). Dies wird folgendermaßen erzielt: Vor der Abscheidung des Spacers (5) wird eine selektive Schicht (8) auf nicht-elektrochemische Art und Weise auf dem Isolator (4) durch eine der obengenannten Dünn-Film-Techniken abgeschieden. Die abgeschiedene Schicht kann ein elektrischer Leiter, ein Halbleiter oder ein Isolator sein, der zusätzlich einem oder mehreren der obengenannten Nach behandlungsmethoden unterzogen werden kann. Ein Spacermaterial (5) gewünschter Dicke wird darüber abgeschieden. Dieses Spacermaterial (5) wird so gewählt, daß es am Ende des Herstellungsprozesses naßchemisch oder trockenchemisch aus dem Spaltbereich herausgeätzt werden kann. Beispiele solcher Materialien sind Aluminium, Kupfer, Molybdän oder andere Metalle. Es kann aber auch ein nichtmetallisches Material wie SiO₂ oder Photolack sein. Beide Schichten (8) und (5) werden durch gängige Strukturierungs methoden entsprechend Fig. 1 dimensioniert. Eine metallische Haftschicht (6) wie z. B. Ti/W kann anschließend auf der gesamten Scheibe abgeschieden werden. Hierauf folgt die Abscheidung einer hochleitenden Schicht (7) wie Pt oder Au als Zuleitung der Gateelektrode (9). Der Hauptgrund für die Verwendung der Ti/W Schicht (6) oder anderer zwischenmetallischer Schichten ist der, eine gute Haftung zwischen hochleitender Schicht (7) und der Oberfläche des Isolators (4) zu gewährleisten.

Entsprechend Fig. 2 werden die Haftschicht (6) und die hochleitende Schicht (7) direkt über dem Spacer strukturiert. Dies geschieht z. B. durch Ätzen oder Lift-Off Technik. In diesem Bereich kann nun eine zweite selektive Schicht (11) auf die oben beschriebene, nicht-elektrochemische Art auf dem Spacer durch eine definierte Photolithographie entsprechend Fig. 3 abgeschieden werden. Die selektiven Schichten (8) oder (11) können identisch oder unterschiedlich sein, um eine oder mehrere Gasarten nachzuweisen. Eine weitere hochleitende Schicht (9) wie z. B. Pt, Au, hochdotiertes Polysilizium, Al, wird nun wieder über der ganzen Scheibe abgeschieden und strukturiert (Fig. 4). Diese Abscheidung sorgt für einen guten elektrischen Kontakt mit der umgebenden hochleitenden Zuleitungsschicht (7). Aus mechanischen Gründen kann eine weitere Schicht (10) zur Stabilisierung der Gatestruktur abgeschieden werden. Zum Korrosionsschutz kann ebenfalls noch eine zusätzliche organische oder anorganische Isolationsschicht (12) wie z. B. Polyimid darüber angebracht werden. Schließlich wird der Spacer (5) durch Ätzen entfernt, so daß ein Luftspalt (13) in der Gatestruktur entsteht (Fig. 5).

Zwei unterschiedlich chemisch selektive Schichten (8) und (11) können in den Transistorspalt eingebaut werden wie die Fig. 1-5 zeigen. Es ist offensichtlich, daß die eine oder die andere Schicht je nach Zweck weggelassen werden kann. Diese Kombinationen sind für die Eliminierung oder Reduzierung von Querempfindlichkeiten wichtig. Ferner ist es möglich, eine elektrochemisch abgeschiedene Schicht mit einer nicht-elektrochemisch abgeschiedenen Schicht zu kombinieren. Um einen Multisensor herzustellen, werden zwei oder mehrere Gatestrukturen mit unterschiedlich selektiven Schichten benutzt. Dies bedeutet, daß mehrere Gase gleichzeitig nachgewiesen werden können. Durch die oben beschriebene Methode können alle Abscheidungen einer Art in einer Fertigungssequenz für alle Chips auf der Scheibe durchgeführt werden.

Beispiele von SGFET Sensoren sind unten aufgeführt.

Beispiel 1

Ausgehend von der wohlbekannten Halbleiter-Grundstruktur (1)-(4) wird ein dünner Film einer chemisch selektiven Schicht (8) aus Blei-Phathalocyanin auf dem Isolator (4) durch Sublimation abgeschieden und strukturiert (Fig. 1). Ein 100-200 nm dicker Al-Spacer (5) wird dann darüber abgeschieden und strukturiert. In diesem Fall wird keine weitere aktive Schicht hinzugefügt. Statt dessen wird eine 300 nm dicke Ti/W Haftschicht (6) und eine 100 nm dicke Pt Schicht (7) über der ganzen Scheibe abgeschieden. Diese zwei Schichten werden in den Gatebereichen entfernt (Fig. 2) und eine weitere Platinschicht (9) wird darüber abgeschieden und strukturiert (Fig. 4). Die Fertigstellung erfolgt in der gewohnten Weise wie beschrieben.

Beispiel 2

In bezug auf Beispiel 1 wird eine chemische selektive Schicht (11) aus SnO₂ durch Sputtern oder reaktives Sputtern auf dem vorher gebildeten Al-Spacer (5) abgeschieden (Fig. 3). In diesem Fall wird die untere selektive Schicht (8) weggelassen. Die SnO₂ Schicht (11) wird strukturiert und wenn nötig, ausgeheilt. Die Ti/W-Schicht (6) und die Pt Schicht (7) werden abgeschieden, strukturiert und über der SnO₂ Schicht, wie in Beispiel 1 beschrieben, entfernt. Eine neue 100 nm dicke Pt Schicht (9) wird gebildet (Fig. 4) und die Herstellung des Sensors in gewohnter Weise beendet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Gateelektrode mit einer chemisch selektiven Schicht in einem Feldeffekttransistor mit frei zugänglichem Gate (Suspended Gate Field Effect Transistor: SGFET), das heißt, mit einem Luftspalt zwischen Gateisolator und Gateelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch selektive Schicht (8, 11) abgeschieden wird, bevor die frei hängende Gateelektrode gefertigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch selektive Schicht (8, 11) durch eine oder eine Kombination von nicht-elektrochemischen Techniken abgeschieden wird, wie Sputtern; reaktives Sputtern; Sintern; Verdampfen; Sublimieren; Aufsprühen; Gasphasenabscheidung; Atom-, Molekular-, Ionen- oder Chemiestrahlabscheidung; Aufschleudern; photonen- und plasmaunterstützte Abscheidung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschiedene chemisch selektive Schicht (8, 11) eine oder mehrerer Nachbehandlungen wie thermisches Ausheilen, optisches Ausheilen, nachfolgende chemische Reaktionen, Ionenimplantation oder Diffusion, ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spacermaterial (5), welches den Raum des späteren Luftspaltes bestimmt, durch naß- oder trockenchemisches Ätzen entfernt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch selektive Schicht (8) auf dem Gateisolator (4) vor der Abscheidung des Spacermaterials (5) im Spaltbereich abgeschieden wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch selektive Schicht (11) auf dem Spacermaterial (5) abgeschieden wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere chemisch unterschiedlich selektive Schichten (8, 11) an verschiedenen Gatestrukturen eines Chips mit mehreren Feldeffekttransistoren mit frei hängendem Gate abgeschieden werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene selektive Schichten (8, 11) in den durch den Spacer entstehenden Spaltbereich eingebaut werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die chemisch selektive Schicht (11) an der Gateelektrode elektrochemisch nach Entfernen des Spacers abgeschieden wird und die chemisch selektive Schicht (8) am Boden des Spaltbereichs durch eine der nicht-elektrochemischen Techniken abgeschieden wird.