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Arrangement for the examination of ions, atoms and molecules in gases and
liquids
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-international:
-European:
Application
number:
Priority
number(s):
DE3835339 1989-04-27
ZIMMER GUENTER PROF DR (DE); DOBOS KARL DR
(DE)
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
G01 N27/41 4; G01N27/403;
(IPC1-7):G01N27/12;
H01L29/78 G01N27/414
DE1 9883835339 19881017
DE1 9883835339 19881017; DE1 98737351 20 19871016
Fig. 1
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Abstract of DE3835339
An arrangement
isdescribed
forexamining
ions,
atoms and molecules
ingases and
liquids
using a
field-effectsemiconductor component
Inknown gas-sensitive
field-effect transistors,the
shifting ofthe threshold voltage by the
particlestobe detected
isused
forthe
measurement Since the threshold voltage depends
stronglyon the
position ofthe working
point,the measurement
isfalsifiedby working-point
instabilities.The new
arrangement draws,
forthe measurement, on the change
inthe
amplification factorby the
particles tobe detected. The gate electrode
iscomposed of
partialelectrodes
(4)which have no conducting connection
withthe gate contact
(3).
Under the
influence ofthe
particlestobe measured, an increasing number
ofpartialelectrodes
(4)isconnected
tothe gate contact
(3),
which increases the
effectivearea
ofthe gate electrode and the
amplification factorof the arrangement
Data supplied from the esp@cenet database
-Worldwide
http://v3.espacenetxom/textdoc?DB=EPODOC&IDX=DE3835339&F=0 4/4/2008
® © Of f 811 l&Q U 11 gSSCH flf t ©
Int.CI. :DEUTSCHLAND
@ QE 3835339 A1 Slu
2^/7
2
8
7/12
DEUTSCHES PATENTAMT
@
Aktenzeichen: P3835 339.3@
Anmeidetag; 17.10.88(§) Offenlegungstag: 27. 4.89
8
m to CO CO LU
Q
®
InnerePrloritat:(§)(§) @
16.10.87
DE
3735120.6@
Anmelder:Fraunhofer-Gesellschaft zurForderungder
angewandten
ForschungeV, 8000Munchen,DE
* Erfinder:
Zimmer,Gunter,Prof.Dr.r4100 Duisburg,DE; Dobos, KarlfDr.,4600Dortmund,
DE
8 m
oo CO HI
Q
Prufungsantraggem.§44PatGistgestellt
® Anordnung
zurUntersuchung vonlonen,Atomen
und MolekuleninGasen
undFliissigkeiten Beschrieben wird elneAnordnungzurUntersuchung vonlonen,Atomenund MolekuleninGasen und Fliissigkeiten durcheinHalbleiterbauelement mitFeldeffekt. Beibekann- ten gassensitivenFeideffekttransistorenwirddieVerschie- bung der Schwellenspannungdurchdienachzuweisenden Teilchen zur Ivlessung herangezogen. Da die Schwellen- spannungstarkvonderLage desArb'eitspunktes abhangt, wird die Ivlessung durch Arbeitspunkt-Instabllitaten ver- falscht.Dieneue Anordnungzieht zur Ivlessung dieAnde- rung desVerstarkungsfaktors durchdienachzuweisenden Teilchen heran. Die Gate-EiektrodeistausTeilelektroden(4) zusammengesetzt,die kerneleitendeVerbindungmit
dem
Gate-Kontalct(3)aufweisen.DurchEinwirkungderzumes- sendenTeilchenwerdenzunehmendmehrTeilelektroden(4)
' mit
dem
Gate-Kontakt(3)verbunden,wodurchdiewirksame» FlachederGate-Elektrodeundder Verstarkungsfaktorder Anordnungzunehmen.
Fig. 2
BUNDESDRUCKEREI
03.89 908 817/618OS 38 35 339
1
2
Besghreibung
Nach
Anspruch 2 werdendieTeilelektrodenineinem vorgebbarenmittierenAbstandzueinanderangeordnet DieErfindungbetriffteineAnordnung
zur Untersu-Wenn
zu messendeTeilchen oberhalbeinerSchweUen-chungvonIonen,AtomenundMolekuleninGasenuiid
Konzentration aufdenFeldeffeteransistor einwirken,'
Hussigkeiten durcheinHalbleiterbauelement mitFeld- 5 werdenalleisoliertenTeflelektroden annaherridgleich- effekt,der durch eineisolierteGate-EIektrode hervor- zeitigleitendmiteinander verbunden,wodurchder Ver- genifenistsowieeinVerfahrenzurHersteUunguiidein starkungsfaktor sprunghaft ansteigt Unterhalb der MeBverfabrenunter
Verwendung
einererflndungsge- SchweUen-Konzentrationstelltsich einGleic^ewichtmaBen
Anordnung. zwischen adsorbierendenunddesorbierenden Teilchen Halbleiterbauelemente mit Feldeffekt konnen zurn to ein,daszukeinerleitendenVerbindungzwischenden Nachweiseiner VielzahlverschiedenartigerAtome,Io- Teilelektroden fiihrt Diese Ausgestaltung der Erftn- nen oder MolekuieinGasen undFlussigkeiten dienen. dungweist somit zweiZustandeoberhalbbzw.unter- Siewerden beispielsweise herangezogen, urn die Zu- halbeinerSchwellen-Konzentration aufundwirktwie saramensetzungvon
Gasen undFlussigkeitenzuanaiy- ein Schalt-Translstor. m sierenoderdieKonzentrationbesUmmter Komponen-
isWenn
die Teilelektrodennach Anspruch3nachei-tenzumessen.
Aus
derPatentschriftDE
2947 050sindnem
geometrischenMusterausgenchtetand,,konnen MetaMoxid-Halbleiterstrukturen(MOS)
zurnNachweis vorteilhafteWirkungenderAnordnung
erzieltwerden.von
ChemlkaHeninFlussigkeitenodergasformigenMe-
Beispielsweise kanndieSchwellen-Konzentration bei dienbekanntOSFET,
Ion-Sensitive Field Effect Transi- deraoben genanntenSchalteffektgenaufestgelegtwer-stor;
CHEMFET,
ChemicalSensitive Field EffectTran- 20 deh."NachAnspruch 4eignetsich hierfurbeispiekweise sistor).Bei diesenBauelementenrufendienachzuwei- eineAusgestaltung,beiwelcherdieTeilelektrodenalssendenTeilcheneineVerschiebung der Schwelienspan- Streifen ausgebildetundparallelzueinander angeordnet nungdesFeldeffekttransistorshervor, diezurKonzen- sind. Bei gleichen Abstanden zwischen den Streifen trationsbestimmungherangezogen wirdOblicherweise (nachAnspruch5)werdenalleTeilelektroden beider-
flMt
durch denFeldeffekttransistor ein kleiner kon- 25 selben Konzentration derzuuntersuchenden Teilchen stanterStromund
diedurch diesenStromhervorgeru- leitendmiteinanderverbunden undder Verstarkungs- feneSpannungzwischen der Gate-EIektrodeund der faktorwird sprunghafterhoht DieStreifenkonnenda- Source-Elektrode wird gemessen.DurchdieVerschie- bei so angeordnetsein,daBzuniindestemigenutdem bung
derSchweUenspannungtritteineAnderungder Gate-Koritaktverbundensindund uber den gesamten Gate-Source-Spannungauf,die einMaB
fur dieKon-
30 Kanaiverlaufen.DieseStreifenbildenbereitsvordem
zentrationderzu messendenTeilchendarstellt
Da
auch Kontaktmitdem
zuuntersuchendenGas
oder derHus- eineVerschiebung des Arbeitspunktes desFeldeffekt- sigkeiteineGateflache, diezuemer
Transistorwirkung transistors,die beispielsweisedurch Alterungdes,Bau- fQhrt Durch die leitende Verbindung zwischen denteils,Temperatur- oder Druckanderunghervorgerufen StreifenwirddieGateflachevergroBert, die Transistor- wird, zu einerAnderung der Gate-Source-Spannung 35 wirkungverstarkt Diese Ausgestaltung1stvorteilhaft fuhrt,kanndas MeBsignalnichtvoneiner DriftdesAr-
wenn
dieAnordnung
bereitsvorderMessung
einen beitspunktes unterschieden werden. Deshalbeignet sich bestimmtenVerstarkungsfaktor aufweisen soil. Inei- ein solcherSensornurzurnNachweis vonTeilchen, beinem
zweitenFallkonnendie Streifenurn 90° yerdrent denendas MeBsignal sehrgroB imVergleich zuriibli- verlaufen,wobei vorderMessung
hochstenseinStrei- chenArbeitspunkt-Instabihtatist 40 fenmitdem
Gate-Kontakt verbunden1stunddieAn-Der
ErfindungliegtdieAufgabezugrunde,eineAn- ordnung nochnichtalsTransistorwirkt DieseAusge-ordnungzurUntersuchungvonIonen,AtomenundMo-
staltungistdann vorteilhaft,wenn
die Differenz zwi- lekiileninGasen
undHussigkeiten zurVerfugung zu schendenVerstarkungsfaktoren vorund
nachderZu-stellen,deren MeBsignal unabhangigvoneinerInstabili- fuhr derzu messendenTeilchenmoghchst groB
sem
soil.tatdesArbeitspunktesist 45
Neben
diesenbeispielhaftherausgegriffenenAnord- Weiter istes Aufgabe der Erfindung, ein Herstel- nungenistdieAusrichtung der paraUeienStreifenunter lungsverfahrenund einMeBverfahrenunterVerwen- jedembeiiebigenWinkelmoglich.DieAnordnung
der,
^am,
u -.w^.^,.- -^u--
^ Streifenkann nach Anspruch6sogewahltwerden,daB Eine erfindungsgemaBe Losungdieser Aufgabe ist dieAbstandezwischendenStreifennach emervorgeb- mitihrenWeiterbildungenindenPatentanspruchen ge- 50 barenRegel zunehmen.BeidieserWeiterbildung wer-kennzeichnet ^ denmitzunehmenderKonzentration derzu messenden
ErfindungsgemaB bestehtdie Gate-EIektrodeeines Teilchen
mehr
undmehr
Streifenmiteinanderleitend Halbleiterbauelements mitFeldeffektausTeilelektro- verbunden unddieFlache der Gate-EIektrode vergro- den,von
denenwenigstensemigekeineleitendeVerbin- BertAuf
dieseWeise kanndieAnderung
derKonzen- dungmitdem
Gate-Kontaktaufweisen.Nur
die Teil- 55 trationdurchMessung
derVeranderungdesVerstar- elektroden, diemitdem
Gate-Kontaktleitendverbun- kungsfaktorsbestimmtwerden.densind,tragenzurn FeldeffektdesHalbleiterbauele- Selbstverstandlichistdie
Anordnung
derTeilelektro- mentsbei.Siebilden dieGatelelektrodeeines Feidef- den nachgeometrischenMusternnichtaufdie beschrie- fekttransistorsmiteinemniedrigen Verstarkungsfaktor, benenBeispielebeschranktWie
ineinemAusfuhrungs- der urn so niedrigerist,jewenigerTeilelektroden mit eo beispielnaherbeschrieben,konnenunterschiedlichedis-dem
Gate-Kontakt in Ieitender Verbindung stehen. kreteAbstSndegewahlt werden, urnbeiverschiedenenWenn
durchGas-oderFiiissigkeitszufuhr die isolierten Schwell-Konzentrationenmehreresprunghafte Veran- Teilelektrodenleitendmiteinanderverbundenwerden, derungendes Verstarkungsfaktorszuerreichen.wirddieFlacheder Gate-EIektrode vergroBertMitver-
Genugen
dieAbstandeder Teilelektrodennach An- groBerter Gate-EIektrodewird auch die Kanalflache 65 spruch 7einer statistischen Verteilung,dann fiihrtim undder VerstarkungsfaktorvergroBertDieAnderung
Mitteljede Erhohungder Teilchen-Konzentrationzu des VerstarkungsfaktorswirdalsMeBsignal herangezo- einer elektrischenVerbindungweitererTeilelektroden,gen. sodaBeinzur Konzentrationsanderung proportionales
3 4
MeBsignal entsteht Fig.2 eine schematische Darstellung einer erfin-
EinevorteilhafteWeiterbiidungder Erfindungistin dungsgemaBenAnordnunginDraufsicht mitstatistisch
Anspruch8gekennzeichnet Die Teilelektrodenliegen verteiltenAbsta^idender Teilelektrodenund
in unterschiedlichen Schichten, die durch isolierende Fig.3einen Querschnittdurcheineerfindungsgema- Zwischenschichtenvoneinander getrenntsind.Schich- 5 BeAnordnungmit Teilelektrodenin unterschiedlichen tenundZwischenschichtensindmitDurchlassenfurdie Schichten.
zu untersuchenden Teilchen versehen. Die Zwischen- ZurbesserenYeranschaulichungsind dieTeilelektro- schichten konnen sehr diinn gewahlt werden (einige den undihreAbstande nichtmaBstabgerechtgezeich- Angstrom), sodaBauBerst geringeAbstandezwischen net.
denTeilelektroden entstehen.Damit konnensehrnied- 10 Die Anordnungin Fig.1 besteht auseinemDrain- 5 rigeKonzentrationenvonTeilchennachgewiesenwer- und einemSourcebereich6,dieineinerHalbieiterober-
den. , flache integriert sindund denentsprechendenKontak-
InAiispruch 9isteine selektivwirkende
Anordnung
ten1, 2.Der
Gate-Kontakt 3istleitendmitdrei Teilelek- beschrieben.DieTeilelektrodensindalsleitende Berei- troden4verbunden.DierestlichenTeilelektroden4sind cheausgebildet, dieineineminnenporosen Materialein- 15 ineinemgeometrischenMustersoangeordnet,daBsie gelagertsind.Dasinnenporose Materialistfurbestimm- fiinfSpaltenineinem Abstandabilden.DieSpaltensind teTeilchendurchlassig, dieindas Material eihdringen in22Reihen miteinemkleinerenAbstandbunterteilt.und die Teilelektroden elektrischmiteinanderverbin- Zwischen den Teilelektroden besteht keine leitende
den. Verbindung,so daBkeineTransistorwirkunggegeben
Nach
Anspruch10werdendieTeilelektrodenmitHil- 20 ist.Wenn
dienachzuweisendenTeilchenauf dieAnord-fevonVerfahrenhergestellt,dieinderHalbleitertech- nungeinwirken,werdenbeieinerbestimmten Konzen- nik iiblichsind.Damit konnen Strukturenim Bereich tration dieTeilelektroden innerhalb der Spaltenmitein- von wenigenzehntelbis zueinigenzehnu.hergestellt ander elektrisch verbunden. Dadurch entsteht eine werden. Wesentlich kleinere Abstande zwischen den wirksame Gate-Elektrode aus fiinfLeiterbahnen. Die Teilelektroden werden mit Verfahren erreicht, die in 25 Anordnungbesitzteinen Verstarkungsfaktor
Da
alledenAnspruchen11 und 12gekennzeichnetsind.
Nach
Abstande bzwischenReihengleichsind,setztdieVer- Anspruch11entstehendieTeilelektroden dadurch,daB starkung bei einer Schwellen-Konzentration plotzlich einesodiinneSchichtausleitendem Materialaufgetra- ein.B$i weitererErh6hungder Konzentrationbleibt die genwird,daBkeinezusammenhangendeleitendeFlache Verstarkungbiszum
Erreicheneinerzweiten Schwel- entsteht Durch unvollstandiges Aufdampfen konnen 30 len-Konzentration konstant Bei Oberschreiten der Abstandevon wenigen Angstrom zwischen den Teil- zweiten Schwellen-Konzentration werden auch die elektroden erzielt werden. Ebenso geringe Abstande Spaltenleitendmiteinanderverbunden unddieVerstar- konnen nach Anspruch 12 hergestellt werden, indem kungsteigtsprunghaft auf einen Verstarkungsfaktor eine diinne leitendeSchichtdurch Temperierung,Laser- Mit einer solchenAnordnung
kann die Existenz von Temperierungoder Implantation behandeltwird.Dieso 35 Teilchennachgewiesenwerden,wenn
eine ersteKon- behandelteSchicht ziehtsichzusammen, wobeivonein- zentration erreichtistErreicht dieKonzentration einen ander getrennteTeilelektroden entstehen.Derarther- zweiten(z.B.kritischenWert),kanndasOberschreiten gestellte Anordnungen eignen sich besonderszum
diesesWertesangezeigtwerden.NachweisgeringerTeilchen-Konzentrationen. DieTeilelektroden4derinFig.2dargestelltenAn- Ein besondersvorteilhaftesVerfahren zur Messung 40 ordnung bestehen auswillkilrlichgeformtenleitenden der Veranderung des Verstarkungsfaktors ist in An- Flachen, die statistischverteilte Abstande zueinander spruch13gekennzeichnet
Dem
Transistor,dessenAr- aufweisen.EinesolcheAnordnung
kannbeispielsweise beitspunkt mit einer Gleichspannung stabilisiert ist, durch Auftragen einer dtinnen geschiossenen Schicht wird zusatzlich eine Wechselspannungzugefiihrt Die undanschlieBender thermischerNachbehandlungher- Veranderungdes WechselspannungssignalsbeiderEin- 45 gestellt werden.Mitzunehmender Konzentration der wirkungvonTeilchen wird gemessen. zu messendenTeilchen werdenmehr
undmehr
Teil-Der
Vorteilder Erfindung liegtinsbesonderedarin, elektroden4untereinanderundmitdem
Gate-Kontakt daBzurMessungder KonzentrationvonTeilchen an- verbunden. Der Verstarkungsfaktor derAnordnung
steile derVerschiebung der Schwellenspannungeines steigtproportionalzurKonzentrationan.
Feldeffekttransistors dieAnderung des Verstarkungs- 50 Fig.3zeigt eine
Anordnung
zurMessung
geringer faktorsherangezogenwird.Da
der Verstarkungsfaktor Teilchen-Konzentrationen.In ein Halbleitersubstrat 11 unempfindlich aufeineVeranderungdesArbeitspunk- sind die beieinem Feldeffekttransistor ttblichen stark tes reagiert,wird dasMefisignal nichtwesentlich von dotiertenBereichefurDrain 5und Source 6eingelagert, einer Instabilitydes ArbeitspunktesbeeinfluBt darttberistdie Isolationsschicht8angeordnet.DieGa- DieAnordnung eignet sichzur Untersuchung aller 55 te-Elektrode bestehtaus Teilelektroden 9und10,wobei Ionen,Atome
undMolekule,diezueiner leitendenVer- dieTeilelektroden9aus einer erstenSchichtunmittel- bindung zwischen den TeilelektrodenfOhrt, Beispiels- bar auf derIsolatorschicht,und die Teilelektroden 10 weisekonnenbereitsgeringeMengen
vonAmmoniak
auseinerdartiberliegendenSchicht herausgebildetsind.oderKohlenmonoxidnachgewiesen werden.
Der
Nach- DieTeilelektroden 10werdendurchDistanzstlicke12 weisdieserGasespieltsowohlfUr dieReduzierung der ao getragen.DieDistanzstlicke12sindauseinerisolieren-Umweltbelastungalsauchfurchemische ProzeBablaufe denZwischenschichthergestellt,dieden Abstandzwi- einewesentlicheRolle. schendenleitendenSchichtenbestimmtAlsZwischen- DreiAusfiihrungsbeispieleder Erfindungsindinden schichtkanneinesehrdiinneOxidschichtvon wenigen Zeichnungendargestelltund werden imfolgenden na- Angstromaufgetragen werden,diezu einemsehrgerin- herbeschrieben.Eszeigen: 65 gen AbstandzwischendenTeilelektroden9und10 aus Fig.1 eine schematische Darstellung einer erfin- denverschiedenen SchichtenfiihrtDie engbenachbar- dungsgem£Ben AnordnunginDraufsichtmit regelma- ten Teilelektroden werden bereits bei sehr niedrigen BigangeordnetenTeilelektroden, Konzentrationen leitend miteinander verbunden. Eine
OS 38 35 339
5
solche
Anordnung
besitztdeshalbeinehohe Nachweis- zogenwird.empfmdh'chkeit
Patentanspruche
5 I.
Anordnung
zurUntersuchungvon
lonen,Ato-men
und MolekiileninGasen
undFlussigkeiten durcheinHdbleiterbaueiementraitFeldeffekt,der durcheineisolierteGate-Elektrode hervorgerufenist,dadurchgekennzeichnet,daBdieGate-Eiek- io trodeaxisTeilelektrodenbesteht,von denenwenig- stens einigekeineleitendeVerbindung mit dera Gate-Kontaktaufweisen.
Z Anordnung
nach Anspruch1,dadurch gekenn- zeichnet^daBdieTeilelektrodenineinemvorgeb- isbaren raittleren Abstand zueinander angeordnet sind.
3.
Anordnung
nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet,daBdieTeilelektrodennacheinem.geometrischenMusterangeordnetsind. ^ 20 4.
Anordnung
nach einemderAnspruche 1 bis3,dadurchgekennzeichnet,daBdieTeilelektrodenals Streifen ausgebildetundparallelzueinander ange- ordnet sind
5.
Anordnung
nach einemderAnspruche1 bis3, 25 dadurch gekennzeichnet daB die Teilelektroden gleichabstandig angeordnetsind.ft
Anordnung
nach einemderAnspruche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, daB die Abstande zwi- schendenTeilelektrodennacheinervorgebbaren 3&GesetzmaBigkeitzunehmen.
7.
Anordnung
nach einemderAnspruche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, daB die Abstande zwi- schendenTeilelektrodeneiner statistisehen Vertei-lunggenilgen. 35
8.
Anordnung
nach Anspruch1,dadurch gekenn- zeichnet;daBdieGate-Elektrode ausmehrerenlei-tenden Schichten aufgebautist,diedurchisolieren-
deZwischenschichten getrenntsindundDurchlas- sefur diezuanalysierenden Teilchenaufweisen, 40 und daBdieTeilelektrodeninwenigstens zwei un- terschiedlichenSchichten angeordnetsind.
9.
Anordnung
nach Anspruch 1,dadurch gekenn-.„ zeichnet,daBdieGate-Elektrode auseineminnen- porosenMaterial (Molekularsieb)besteht, inwel- 45
chem
leitendeBereicheeingelagertsind.10.Verfahren zur Herstellung einer
Anordnung
nach einemderAnspruche1 bis8,dadurchgekenn- zeichnet;daBdieTeilelektroden mitHilfeder Foto- lithographieund/oderder Ionenimpiantation und/ 50 oderderLaser-Ausbrennungstrukturiertwerden.II. Verfahren zur Herstellung einer
Anordnung
nach einemderAnspruche1 bis7,dadurchgekenn- zeichnet,daBdieTeilelektroden durch Auftragen einerunvollstandigen Schichtgebildetwerden. 55 12.Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einemderAnspruche1bis7,dadurch gekenn- zeichnet,daBdieGate-Elektrode durch Auftragen einerSchichtgebildet wird, die sichdurchTempe-
rierung, Laser-Temperierung oder Implantation eo zusarnmenzieht,wobeivoneinander getrennteTeil- elektrodenentstehen.
13.Verfahren zurUntersuchung vonIonen,Ato-
men
und MolekOleninGasen
und Flussigkeiten unterVerwendung
einerAnordnung
nach einem 65 derAnspruche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daBdieAnderungder VerstarkungeinesWechsel- spannungs-ReferenzsignalsalsMeBsignai herange-Nummer:
IntCI.4
:
Anmeidetag:
Offenlegungstag:
3835339
G01N
27/12 17.Oktober198827.April1989
X5 3835339
n n
o a
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~ET
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7f
Fig.
1908817/618