DE3834189C1

DE3834189C1 - Non-electrochemical production of chemically selective layers in suspended-gate field-effect transistors

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

Abstract

The incorporation of chemically selective layers in the gate structure of suspended-gate field-effect transistors (SGFET), that is to say transistors having an air gap between gate insulator and gate electrode, is traditionally carried out by electrochemical deposition. This restricts the number of possible chemically sensitive materials which can be used in these components. The present invention describes the production method which allows non-electrochemical deposition of any chosen chemically selective layer before completion of the gate structure.

Description

Die Erfindung betrifft eine Herstellungsmethode von chemisch selektiven Schichten in Feldeffekttransistoren mit frei zugänglichem Gate nach Anspruch 1.The invention relates to a method of manufacturing chemically selective layers in Freely accessible gate field effect transistors according to claim 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).Suspended Gate Field Effect Transistor: SGFET) are a type of sensor with which the composition of gases and dielectric liquids can determine (J. Janata, Device for Measuring Concentrations in Gases and Electrically Nonconducting Fluids, U.S. Patent 44 11 741). The cited patent describes an insulated gate field effect transistor (IGFET), which has a narrow air gap between gate insulator and gate electrode. The method, producing such a structure is described therein. The selective reaction of the Component lies in the chemically selective layer, which in the Gate structure is installed. So far, this layer could only be applied to electrochemical Type are deposited below the free hanging gate metal and only after after completion of the freely accessible gate electrode. (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.This limits the number of materials that can be used as a selective layer to those which can be electrochemically deposited in a well-defined manner. So it is z. B. disadvantageous, that non-soluble materials such as metal oxides, which are important for gas detection Role, cannot be deposited under the gate by this method. Another disadvantage is the fact that each sensor is coated individually got to. This means that during the manufacturing process of a semiconductor wafer around 100 to 400 chips and each with 10 different sensors, around 4,000 Deposits have to be carried out. This is an extremely time consuming process.

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. The invention is based, any chemically selective layers in the task Install the gate structure of a field effect transistor with a freely accessible gate and the Simplify coating process.

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.This object is achieved in that for the deposition of chemically sensitive materials all thin-film deposition techniques come into question. These Techniques include methods such as sputtering, reactive sputtering, sintering, vapor deposition, Spin-on, sublimation, vapor deposition, atomic, molecular, ion or Chemical beam deposition, spraying, photon and plasma-assisted deposition. These layers can subsequently be thermally healed, optically healed, subsequent chemical reactions, ion implantation or diffusion are treated.

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.The non-electrochemically deposited layer can either be applied to the surface of the gate insulator ( 4 ) prior to the deposition of the spacer material ( 5 ), which determines the space of the later air gap ( 13 ), or on the spacer material below the gate electrode ( 9 ). The first chemically selective layer ( 8 ) is located at the bottom of the air gap. It is also possible to additionally deposit a second, differently modified, chemically sensitive layer ( 11 ), either electrochemically or non-electrochemically, on the gate electrode ( 9 ). It is apparent that a variety of combinations of these deposits can be built into a floating gate field effect transistor. Furthermore, several field effect transistors with different chemically sensitive layers can be combined to form a multisensor chip.

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.The advantage of the present invention is that any chemically selective Layer can be deposited before the gate is completed. Another advantage The method described is that regardless of the size of the semiconductor slice and the number of chips per slice for the deposition only as many Steps are required, such as different sensor coatings per chip are. This is achieved by a suitable masking, with which all chips on the Disk to be edited at the same time.

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.The description of the manufacture of the field effect transistor with a free hanging gate with respect to the present invention follows FIGS. 1-5. The field effect transistor is on a semiconducting substrate material ( 1 ), such as. B. silicon or gallium arsenide, with predetermined n- or p-substrate doping by known methods. Source ( 2 ) and drain ( 3 ) doping regions of opposite polarity to the substrate doping are generated, such as. B. n-type source ( 2 ) and drain ( 3 ) in a p-type substrate ( 1 ). Source ( 2 ) and drain ( 3 ) are structured in accordance with known semiconductor technology processes. A single or several insulator layers ( 4 ) such as SiO ₂ , Si ₃ N ₄ or aC: H cover the source, drain and the substrate. The present invention now allows the non-electrochemical deposition of two chemically selective layers ( 8, 11 ) or a combination of a non-electrochemically and electrochemically deposited layer within the same air gap ( 13 ). This is achieved as follows: Before the spacer ( 5 ) is deposited, a selective layer ( 8 ) is deposited on the insulator ( 4 ) in a non-electrochemical manner by one of the above-mentioned thin-film techniques. The deposited layer can be an electrical conductor, a semiconductor or an insulator, which can additionally be subjected to one or more of the above-mentioned after-treatment methods. A spacer material ( 5 ) of the desired thickness is deposited over it. This spacer material ( 5 ) is chosen so that it can be etched out of the gap area at the end of the manufacturing process by wet chemical or dry chemical means. Examples of such materials are aluminum, copper, molybdenum or other metals. However, it can also be a non-metallic material such as SiO ₂ or photoresist. Both layers ( 8 ) and ( 5 ) are dimensioned by conventional structuring methods according to FIG. 1. A metallic adhesive layer ( 6 ) such. B. Ti / W can then be deposited on the entire disc. This is followed by the deposition of a highly conductive layer ( 7 ) such as Pt or Au as the lead of the gate electrode ( 9 ). The main reason for using the Ti / W layer ( 6 ) or other intermetallic layers is to ensure good adhesion between the highly conductive layer ( 7 ) and the surface of the insulator ( 4 ).

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).According to FIG. 2, the adhesive layer (6) and the highly conductive layer (7) are patterned directly over the spacer. This happens e.g. B. by etching or lift-off technique. In this area, a second selective layer ( 11 ) can now be deposited on the spacer in the non-electrochemical manner described above by means of a defined photolithography according to FIG. 3. The selective layers ( 8 ) or ( 11 ) can be identical or different in order to detect one or more types of gas. Another highly conductive layer ( 9 ) such. B. Pt, Au, highly doped polysilicon, Al, is now deposited over the entire disc and structured ( Fig. 4). This deposition ensures good electrical contact with the surrounding highly conductive supply layer ( 7 ). For mechanical reasons, a further layer ( 10 ) can be deposited to stabilize the gate structure. For corrosion protection, an additional organic or inorganic insulation layer ( 12 ) such as. B. polyimide can be attached over it. Finally, the spacer ( 5 ) is removed by etching, so that an air gap ( 13 ) is created in the gate structure ( 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.Two different chemically selective layers ( 8 ) and ( 11 ) can be built into the transistor gap, as shown in FIGS. 1-5. It is obvious that one or the other layer can be omitted depending on the purpose. These combinations are important for the elimination or reduction of cross-sensitivities. It is also possible to combine an electrochemically deposited layer with a non-electrochemically deposited layer. In order to produce a multi-sensor, two or more gate structures with differently selective layers are used. This means that several gases can be detected at the same time. The method described above enables all types of deposition to be carried out in a production sequence for all chips on the wafer.

Beispiele von SGFET Sensoren sind unten aufgeführt.Examples of SGFET sensors are listed below.

example 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.Starting from the well-known semiconductor basic structure ( 1 ) - ( 4 ), a thin film of a chemically selective layer ( 8 ) made of lead phathalocyanin is deposited on the insulator ( 4 ) and structured ( FIG. 1). A 100-200 nm thick Al spacer ( 5 ) is then deposited over it and structured. In this case no further active layer is added. Instead, a 300 nm thick Ti / W adhesive layer ( 6 ) and a 100 nm thick Pt layer ( 7 ) are deposited over the entire disc. These two layers are removed in the gate areas ( FIG. 2) and a further platinum layer ( 9 ) is deposited over them and structured ( FIG. 4). The completion takes place in the usual way as described.

Example 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.In relation to Example 1, a chemical selective layer ( 11 ) made of SnO ₂ is deposited on the previously formed Al spacer ( 5 ) by sputtering or reactive sputtering ( FIG. 3). In this case the lower selective layer ( 8 ) is omitted. The SnO ₂ layer ( 11 ) is structured and, if necessary, healed. The Ti / W layer ( 6 ) and the Pt layer ( 7 ) are deposited, structured and removed over the SnO ₂ layer, as described in Example 1. A new 100 nm thick Pt layer ( 9 ) is formed ( FIG. 4) and the manufacture of the sensor is ended in the usual way.

Claims

1. A method for producing a gate electrode with a chemically selective layer in a field effect transistor with a freely accessible gate (Suspended Gate Field Effect Transistor: SGFET), that is, with an air gap between the gate insulator and gate electrode, characterized in that the chemically selective layer ( 8 , 11 ) is deposited before the freely hanging gate electrode is manufactured.

2. The method according to claim 1, characterized in that the chemically selective layer ( 8, 11 ) is deposited by one or a combination of non-electrochemical techniques, such as sputtering; reactive sputtering; Sintering; Evaporate; Sublimate; Spraying; Vapor deposition; Atomic, molecular, ion or chemical beam deposition; Spin-on; photon and plasma-assisted deposition.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the deposited chemically selective layer ( 8, 11 ) one or more post-treatments such as thermal healing, optical healing, subsequent chemical reactions, ion implantation or diffusion, is exposed.

4. The method according to claim 1, characterized in that the spacer material ( 5 ), which determines the space of the later air gap, is removed by wet or dry chemical etching.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the chemically selective layer ( 8 ) on the gate insulator ( 4 ) is deposited in the gap region before the deposition of the spacer material ( 5 ).

6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the chemically selective layer ( 11 ) is deposited on the spacer material ( 5 ).

7. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that two or more chemically different selective layers ( 8, 11 ) are deposited on different gate structures of a chip with a plurality of field effect transistors with a freely hanging gate.

8. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that different selective layers ( 8, 11 ) are installed in the gap region formed by the spacer.

9. The method according to claim 8, characterized in that the chemically selective layer ( 11 ) is electrochemically deposited on the gate electrode after removal of the spacer and the chemically selective layer ( 8 ) is deposited on the bottom of the gap region by one of the non-electrochemical techniques.