DE4430811C1 - Ion-sensitive FET prodn., useful for mfg. integrated liq. sensor circuit - Google Patents

Ion-sensitive FET prodn., useful for mfg. integrated liq. sensor circuit

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DE4430811C1 DE19944430811 DE4430811A DE4430811C1 DE 4430811 C1 DE4430811 C1 DE 4430811C1 DE 19944430811 DE19944430811 DE 19944430811 DE 4430811 A DE4430811 A DE 4430811A DE 4430811 C1 DE4430811 C1 DE 4430811C1
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Abstract

ISFET prodn. involves (a) structuring source, drain and ion-sensitive gate regions; (b) depositing a silicon oxide-silicon nitride double layer (12a, 12b) as gate insulator (12); (c) forming contact openings in the double layer above the source and drain regions; (d) depositing and structuring conductor lines (24, 28) which directly contact the source and drain regions; (e) depositing an insulating surface planarising layer (26, 26', 30); (f) etching a trench extending down to the double layer above the source and drain regions respectively adjacent the ion-sensitive region; (g) depositing a silicon carbide layer (38); and (h) etching a cavity (40) which is enclosed by the trench and which extends down to the double layer (12a, 12b) above the ion-sensitive region.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her­ stellen eines ionensensitiven Feldeffekttransistors.The present invention relates to a method for producing provide an ion-sensitive field effect transistor.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstel­ lungsverfahren für eine integrierte Flüssigkeitssensorschal­ tung auf Feldeffekttransistorbasis zum Nachweisen von Ionen in der zu untersuchenden Probenflüssigkeit. Typischerweise werden derartige integrierte Flüssigkeitssensorschaltungen mit ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET) reali­ siert, denen zur Signalauswertung eine Auswertungsschaltung zugeordnet ist, welche MISFETs (Metal Insulator Semiconduc­ tor Field Effect Transistor) aufweist.In particular, the present invention relates to a manufacture method for an integrated liquid sensor scarf Field effect transistor based detection of ions in the sample liquid to be examined. typically, become such integrated liquid sensor circuits with ion-sensitive field effect transistors (ISFET) reali siert, those for signal evaluation, an evaluation circuit which MISFETs (Metal Insulator Semiconduc Gate Field Effect Transistor).

Typischerweise wird bei derartigen integrierten Flüssig­ keitssensorschaltungen die Probenflüssigkeit über eine sepa­ rate Referenzelektrode auf ein definiertes Potential ge­ setzt, wodurch die in ihr enthaltenen Ionen, die beispiels­ weise H⁺-Ionen sein können, an der Sensoroberfläche eine Ladung bilden. Diese bewirkt ebenso wie das Gatepotential bei einem MOS-Transistor innerhalb des ISFET ein elektri­ sches Feld, welches den Feldeffekt bewirkt. Bei einem Be­ trieb des ISFET kann dessen Gate-Source-Spannung gemessen werden, die über eine Eichkennlinie für den jeweils verwen­ deten ISFET eine Zuordnung der Ionenkonzentration in der Flüssigkeit ermöglicht, welche beispielsweise im Falle von H⁺-Ionen der pH-Wert ist. Zum Nachweis anderer Ionen können Ionophore oder andere Schichten auf der Oberfläche des ISFET verwendet werden. Typically, in such integrated liquid keitssensorschaltungen the sample liquid via a sepa rate reference electrode to a defined potential ge sets, whereby the ions contained in it, the example can be H⁺ ions, at the sensor surface a Form charge. This effects as well as the gate potential in a MOS transistor within the ISFET an elektri nice field, which causes the field effect. In a Be The ISFET can measure its gate-source voltage which use a calibration characteristic for each ISFET has an assignment of the ion concentration in the Liquid allows, for example, in the case of H⁺ ions is the pH. For detection of other ions can Ionophores or other layers on the surface of the ISFET be used.  

Wird der aktive Gatebereich des ISFET mit einer biologischen oder biochemischen Membran versehen, so kann der ISFET als Biosensor zur Detektion biologischer und/oder biochemischer Stoffe in der Flüssigkeit verwendet werden. Diese Stoffe bringen mit Hilfe von biologisch wirkenden Komponenten, wie beispielsweise Mikroben, oder mit Hilfe von biochemisch wirkenden Komponenten, wie beispielsweise Enzyme, Antikör­ per, Rezeptoren usw., physikalische Effekte hervor, die ihrerseits direkt oder indirekt über weitere Zwischenreak­ tionen innerhalb der Sensoren ein elektrisches Ausgangssig­ nal als Gate-Source-Spannung des ISFET erzeugen.Is the active gate area of the ISFET with a biological or biochemical membrane, the ISFET can be used as a Biosensor for the detection of biological and / or biochemical Substances are used in the liquid. These substances bring with the help of biological components, such as For example, microbes, or with the help of biochemical acting components, such as enzymes, antibodies perceptors, etc., physical effects that in turn, directly or indirectly via further Zwischenreak Within the sensors an electrical output nal as the gate-source voltage of the ISFET.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 41 15 397 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten CMOS-Schaltung mit einem ISFET und mit einem Auswertungs-MISFET in Polysi­ liziumtechnologie.The German patent application DE 41 15 397 A1 shows a Method of manufacturing a CMOS integrated circuit with an ISFET and with an evaluation MISFET in Polysi liziumtechnologie.

Dieses bekannte Verfahren strukturiert in einem Siliziumsub­ strat einen Drainbereich, einen Sourcebereich und einen ionensensitiven Gatebereich. Auf dem Substrat wird eine Si­ liziumdioxid/Siliziumnitrid-Doppelschicht als Gateisolator abgeschieden, und nach dem Bilden von Kontaktierungsöff­ nungen in der Siliziumdioxidschicht/Siliziumnitrid-Doppel­ schicht oberhalb des Drain- bzw. des Sourcebereichs werden Leiterbahnen abgeschieden und strukturiert.This known method is structured in a silicon subculture strat a drain region, a source region and a ion-sensitive gate region. On the substrate, a Si silicon dioxide / silicon nitride double layer as a gate insulator deposited, and after forming Kontaktierungsöff tions in the silicon dioxide layer / silicon nitride double layer above the drain or source region Tracks are deposited and structured.

Bei diesem bekannten Verfahren wird zur Definition der Flüs­ sigkeitssensorbereiche eine Maske erzeugt, die zur Struktu­ rierung einer Photopolymerschicht dient, mit der die gesamte Oberfläche der integrierten Schaltung bedeckt ist. Mit Hilfe der durch die Photopolymerschicht 18 gebildeten Maske wird der aktive Sensorbereich geöffnet, aus dem eine während des Halbleiterprozesses benötigte TEOS-Schutzschicht 11 durch Ätzen entfernt wird. Der Photolack bzw. die Photopolymer­ schicht verbleiben jedoch auf der Oberfläche der integrier­ ten Schaltung als zusätzliche Passivierungsschicht. In this known method is used to define the Flüs generates a mask, which is the structure tion of a photopolymer layer, with which the entire Surface of the integrated circuit is covered. With help the mask formed by the photopolymer layer 18 becomes the active sensor area is opened from the one during the Semiconductor process required TEOS protective layer 11 by Etching is removed. The photoresist or the photopolymer However, layer remain on the surface of the integrated th circuit as an additional passivation layer.  

Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß die verwendeten Passivierungsschichten eine nicht befrie­ digende Kantenbedeckung, eine unbefriedigende chemische Re­ sistenz und eine niedrige mechanische Stabilität aufweisen. Ferner zeigen diese Passivierungsschichten keine sogenannte Biokompatibilität und ermöglichen folglich keinen Sensor­ einsatz in der Biotechnologie oder Medizintechnik.The disadvantage of this known method is that the passivation layers used are not satisfactory Dense edge coverage, an unsatisfactory chemical Re resistance and low mechanical stability. Furthermore, these passivation layers show no so-called Biocompatibility, and thus enable no sensor use in biotechnology or medical technology.

Aus der Fachveröffentlichung L. Bousse, et al., "A Process for the Combined Fabrication of Ion Sensors and CMOS-Cir­ cuits", IEEE Electron Device Letters, Band 9, Nummer 1, Ja­ nuar 1988, Seiten 44 bis 46 ist bereits ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten CMOS-Schaltung mit einem ISFET und mit einem Auswertungs-MISFET in Polysiliziumgatetechno­ logie bekannt. Bei diesem Verfahren werden zunächst Isola­ tionsgebiete zur Abgrenzung der einzelnen Bauelemente unter­ einander erzeugt, sodann ein eine Gateoxidschicht aufweisen­ der Gateisolator gebildet, woraufhin ein Polysiliziumgate geschaffen und strukturiert wird. Anschließend werden Source und Drain der Feldeffekttransistoren realisiert. Nunmehr wird der aktive Gatebereich des ISFET freigelegt, woraufhin eine Passivierungsschicht aufgebracht wird. Bei der bekann­ ten integrierten Schaltung besteht der Gateisolator aus­ schließlich aus Siliziumdioxid. Sowohl bei dem ISFET als auch bei dem MISFET der integrierten Schaltung ist der Poly­ siliziumbereich oberhalb der Gateoxidschicht erhalten. Der MISFET weist oberhalb des Polysiliziumgates eine Isolations­ schicht aus einem Niedertemperaturoxid auf, welches auf Sei­ ten des ISFET im Bereich des Polysiliziumgates eine Ausneh­ mung aufweist. Die integrierte Schaltung weist als ab­ schließende Passivierungsschicht eine Siliziumnitridschicht auf, die im Bereich des MISFET oberhalb des Niedertempera­ turoxids liegt und sich im Bereich des ISFET bis zu dessen Polysiliziumgate erstreckt. Hierdurch ergeben sich unter­ schiedliche elektrische Eigenschaften des MISFET und des ISFET der integrierten Schaltung, so daß es bei dieser inte­ grierten Schaltung nicht möglich ist, ein weitgehend von Störgrößen befreites Meßsignal zu erhalten. From the technical literature L. Bousse, et al., "A Process for the Combined Fabrication of Ion Sensors and CMOS-Cir cuits ", IEEE Electron Device Letters, Volume 9, Number 1, Yes nann 1988, pages 44 to 46 is already a procedure for Create a CMOS integrated circuit with an ISFET and with an evaluation MISFET in polysilicon gate techno known. In this procedure, Isola tion areas to delineate the individual components under generated each other, then having a gate oxide layer the gate insulator is formed, whereupon a polysilicon gate created and structured. Subsequently, Source and realized drain of the field effect transistors. Now the active gate region of the ISFET is exposed, whereupon a passivation layer is applied. In the well-known th integrated circuit consists of the gate insulator finally made of silicon dioxide. Both in the ISFET as also in the MISFET of the integrated circuit is the poly silicon region above the gate oxide layer. The MISFET has insulation above the polysilicon gate layer of a low-temperature oxide, which is on Sei the ISFET in the area of the polysilicon gate a Ausneh having mung. The integrated circuit shows as off closing passivation layer a silicon nitride layer in the area of the MISFET above the Niedertempera turoxids lies in the area of the ISFET up to its Polysilicon gate extends. This results in under different electrical properties of the MISFET and the ISFET of the integrated circuit, so that at this inte grated circuit is not possible, a largely of Disturbance free measurement signal to get.  

Zum technologischen Hintergrund der Erfindung werden ferner folgende Literaturstellen genannt:
D. Harame, et al., "An Implantable Ion Sensor Transducer" Tagungsband "IEDM", 1981;
J. Kimura, et al., "An Integrated SOS/FET Multi-Biosensor" Sensors and Actuators, 9 (1986), Seiten 373 bis 387; und
K. Tsukada, et al., "A Multiple-ChemFET Integrated with CMOS Interface Circuits" Tagungsband "Transducers′ 87", 1987.
The following references are also mentioned for the technological background of the invention:
D. Harame, et al., "An Implantable Ion Sensor Transducer" Proceeding "IEDM", 1981;
J. Kimura, et al., "An Integrated SOS / FET Multi-Biosensor" Sensors and Actuators, 9 (1986), pages 373-387; and
K. Tsukada, et al., "A Multiple-ChemFET Integrated with CMOS Interface Circuits" Proceeding "Transducers'87", 1987.

Ausgehend von dem oben gewürdigten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Herstellen eines ionensensitiven Feldeffekttran­ sistors zu schaffen, bei dem die als Passivierung des Feld­ effekttransistors verwendete Schicht eine gute Kantenbe­ deckung, eine hohe chemische Resistenz und eine hohe mecha­ nische Stabilität aufweist, und ferner eine Biokompatibili­ tät zum Einsatz des Sensors in der Biotechnologie oder Medi­ zintechnik aufweist.Based on the above-appreciated prior art the present invention based on the object, a Ver drive to produce an ion-sensitive field effect to create a sistor in which the passivation of the field Effect transistor used a good Kantenbe Coverage, high chemical resistance and high mecha nische stability, and also a Biocompatibili to use the sensor in biotechnology or medicine zintechnik has.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved by a method with the in patent solved claim 1 features.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstel­ lung eines ionensensitiven Feldeffekttransistors, das fol­ gende Verfahrensschritte aufweist:The present invention provides a method for manufacturing ment of an ion-sensitive field-effect transistor, the fol having the following process steps:

  • - Strukturieren eines Drainbereichs, eines Sourcebereichs und eines ionensensitiven Gatebereichs;- Structure of a drain region, a source region and an ion-sensitive gate region;
  • - Abscheiden einer Siliziumdioxid-Siliziumnitrid-Doppel­ schicht als Gateisolator;- depositing a silicon dioxide-silicon nitride double layer as a gate insulator;
  • - Bilden von Kontaktierungsöffnungen in der Siliziumdi­ oxid-Siliziumnitrid-Doppelschicht oberhalb des Drain­ bereichs und des Sourcebereichs;- Forming contact holes in the Siliziumdi oxide silicon nitride bilayer above the drain  area and the source area;
  • - Abscheiden und Strukturieren von Leiterbahnen, die den Drainbereich und den Sourcebereich direkt kontaktieren;Depositing and structuring of printed conductors, the Contact drain region and source region directly;
  • - Abscheiden einer isolierenden Oberflächenplanierungs­ schicht;- depositing an insulating surface leveling layer;
  • - Ätzen eines Trenches, der sich bis zu der Siliziumdi­ oxid-Siliziumnitrid-Doppelschicht oberhalb des Drainbe­ reichs und des Sourcebereichs benachbart zu dem ionen­ sensitiven Bereich erstreckt;- Etching a trench that extends to the silicon di oxide silicon nitride bilayer above the drain and the source region adjacent to the ion extends sensitive area;
  • - Abscheiden einer Siliziumkarbidschicht;- depositing a silicon carbide layer;
  • - Ätzen einer von dem Trench umfaßten Ausnehmung, die sich bis zu der Siliziumdioxid-Siliziumnitrid-Doppel­ schicht oberhalb des ionensensitiven Bereichs er­ streckt.- etching a recess enclosed by the trench, the up to the silicon dioxide-silicon nitride double layer above the ion-sensitive region he stretches.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.Preferred embodiments of the present invention are defined in the subclaims.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch die Verwendung des Siliziumkarbids als Passivierungs­ material bei dem oben genannten Verfahren die Eigenschaften einer guten Kantenbedeckung, einer hohen chemischen Resis­ tenz, einer hohen mechanischen Stabilität und einer Biokom­ patibilität vereint werden, und damit auch der Sensoreinsatz in der Biotechnologie und Medizintechnik ermöglicht wird.The advantage of the present invention is that by using the silicon carbide as a passivation material in the above process the properties good edge coverage, high chemical resistance tenz, a high mechanical stability and a biocom compatibility and thus also the sensor application in biotechnology and medical technology.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Siliziumkarbids als Passivierung bei dem obengenannten Verfahren besteht darin, daß die Siliziumkarbidpassivierung beginnend an den Flanken des sensitiven ISFET-Bereichs den vom Gateisolator ausgehen­ den Schutz gegenüber dem Eindringen von Flüssigkeiten fort­ setzt und damit sämtliche Chipbereiche einschließlich der Aluminiumleiterbahnen einschließt. Another advantage of using the silicon carbide as Passivation in the above method is that the silicon carbide passivation starting at the flanks of the sensitive ISFET region emanating from the gate insulator the protection against the ingress of liquids away sets and thus all chip areas including the Includes aluminum conductors.  

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht da­ rin, daß die Verwendung der Trench-Ätztechnik bei dem oben genannten Verfahren im "Oberbau" des Sensors eine Verkapse­ lung mit einer Siliziumkarbid-Passivierungsschicht ermög­ licht, wodurch eine uneingeschränkte Kurzschlußsicherheit des elektronischen Bauelements beim Betrieb in Flüssigkeiten gewährleistet ist.Another advantage of the present invention is there rin that the use of the trench etching technique in the above mentioned method in the "superstructure" of the sensor a Verkapse With a silicon carbide passivation layer made possible light, creating an unrestricted short-circuit protection of the electronic component when operating in liquids is guaranteed.

Wiederum ein weiterer Vorteil der Verwendung des Silizium­ karbidsals Passivierung bei dem obengenannten Verfahren be­ steht darin, daß durch die damit ermöglichte Einkapselungs­ technologie, die an den Flanken des sensitiven ISFET-Be­ reichs beginnt, die zugehörigen Source/Drain-Gebiete unmit­ telbar an der aktiven Sensoroberfläche mit Aluminium kontak­ tiert werden können. Hierdurch werden die elektrischen Eigenschaften des Bauelements verbessert, da der Einfluß von Bahnwiderständen entlang der Source/Drain-Gebiete selbst mi­ nimiert wird, sowie die langen Zuleitungsdiffusionsbahnen zum Source- und Drain-Bereich mit den im Vergleich zu Alu­ minium um den Faktor 1000 bis 5000 höheren spezifischen Wi­ derstand entfallen können. Folglich wird der Entwurf kompak­ ter und die Integrationsdichte erhöht sich.Yet another advantage of using the silicon karbidsals passivation in the above-mentioned method be is that by the thus enabled encapsulation technology, which on the flanks of the sensitive ISFET Be reichs begins, the associated source / drain areas unmit contact the active sensor surface with aluminum can be. As a result, the electrical Characteristics of the device improved, since the influence of Rail resistors along the source / drain regions themselves mi and the long feed diffusion paths to the source and drain area with the compared to aluminum minium by a factor of 1000 to 5000 higher specific wi derstand can be omitted. As a result, the design becomes compact ter and the integration density increases.

Wiederum ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung be­ steht darin, daß durch die Passivierungstechnologie mittels Siliziumkarbid bei dem obengenannten Verfahren zusätzliche Freiheitsgrade bei der Gehäusung des Bauelements eröffnet werden, da sämtliche elektronischen Bereiche flüssigkeits­ dicht abgedeckt sind. Folglich sind nach dem Vereinzeln der Chips lediglich die freigelegten Chipkanten sowie die An­ schlußkontaktflächen durch ein Gehäuse einzuschließen. Daher kann die Gehäusung anwendungsbezogen (zum Beispiel durch Steckverbindungen für Systemlösungen) sowie mit preiswerten, automatischen Verfahren erfolgen.Yet another advantage of the present invention is that through the passivation technology means Silicon carbide in the above method additional Degrees of freedom opened in the housing of the device because all electronic areas are liquid are tightly covered. Consequently, after the separation of the Chips only the exposed chip edges and the An include closing contact surfaces by a housing. Therefore can the housing application-related (for example, by Connectors for system solutions) as well as inexpensive, automatic procedures.

Gegenüber den in der Beschreibungseinleitung genannten Schriften von L. Bousse, D. Harame, J. Kimura und K. Tsukada weist die vorliegende Erfindung die nachfolgend genannten Vorteile auf.Compared to those mentioned in the introduction Writings of L. Bousse, D. Harame, J. Kimura and K. Tsukada  the present invention has the following Advantages.

Die Prozeßreihenfolge und -Gestaltung gemäß dem erfindungs­ gemäßen Verfahren ermöglicht eine simultane Fertigung von ISFET-Strukturen und herkömmlichen Bauelementen in CMOS- Technologie, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren.The process order and design according to the invention According to the method allows simultaneous production of ISFET structures and conventional devices in CMOS Technology, such as field effect transistors.

Weiterhin ist eine Integration der ISFETs sowohl in n-Kanal- als auch in p-Kanal-Ausführung gleichermaßen möglich.Furthermore, integration of the ISFETs in both n-channel as well as in p-channel design equally possible.

Es ist keine aufwendige Verwendung einer SOS-Struktur (Sili­ con On Sapphire) notwendig.There is no expensive use of an SOS structure (Sili con on sapphire) necessary.

Die gleichzeitige Integration von ISFET und CMOS-Komponenten bis hin zu Operationsverstärkern und Signalverarbeitungs­ schaltungen auf dem Chip ermöglichen zum Beispiel für Anwen­ dungen der Mikrosystemtechnik Systemlösungen.The simultaneous integration of ISFET and CMOS components to operational amplifiers and signal processing On-chip circuits, for example, allow for users microsystem technology solutions.

Durch die Realisierung des Doppelschicht-Gateisolators so­ wohl bei den ISFETs als auch bei den MISFETs (d. h. den her­ kömmlichen Transistoren), die aus einer pH-sensitiven Si₃N₄-Schicht auf einer Ausgleichsschicht SiO₂ besteht, stimmen die elektrischen Eigenschaften beider Bauelemente bezüglich deren Einsatzspannung und Gateisolator-Ladung auf­ grund der identischen Grenzflächen überein. Folglich sind der ISFET und der MISFET baugleich integriert.By the realization of the double-layer gate insulator so probably with the ISFETs as well as with the MISFETs (ie the her conventional transistors), which are made of a pH-sensitive Si₃N₄ layer on a leveling layer SiO₂ consists, agree the electrical properties of both components with respect to their threshold voltage and gate insulator charge reason of the identical interfaces. Consequently are the ISFET and the MISFET are integrated in the same way.

Eine Selbstjustierung der dem Kanalbereich zugewandten Sour­ ce- und Drain-Kanten erfolgt zur Kanallängeneinstellung mit­ tels der Polysiliziumgate-Technologie bei dem MISFET und dem ISFET, wobei das Polysiliziumgate im Verlauf des Verfahrens entfernt wird und damit eine ebene Sensoroberfläche rea­ lisiert wird.A self-adjustment of the channel area facing sour ce and drain edges are used for channel length adjustment polysilicon gate technology in the MISFET and the ISFET, wherein the polysilicon gate in the course of the process is removed and thus a flat sensor surface rea is lisiert.

Sämtliche, die aktive Sensoroberfläche bedeckenden Schichten werden aus Gründen der größeren Selektivität ausschließlich durch einen naßchemischen Ätzvorgang und damit durch ein den Gateisolator "schonendes" Ätzverfahren lokal entfernt.All layers covering the active sensor surface become exclusive for reasons of greater selectivity by a wet-chemical etching and thus by a  Gate insulator "gentle" etching process locally removed.

Zum Schutz des Gateisolators verbleibt nach dem Ätzen des Polysiliziumgates eine CVD-Oxidschicht bis zum Prozeßende bestehen, wodurch zum Beispiel der Kontakt mit Photolack oder Ätzplasma und -Lösungen vermieden wird und folglich eine Schädigung des Gateisolators verhindert wird.To protect the gate insulator remains after etching the Polysilicon gates a CVD oxide layer to the end of the process consist, for example, the contact with photoresist or etching plasma and solutions is avoided and consequently Damage to the gate insulator is prevented.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet bei der ISFET-Her­ stellung eine Zweilagenmetallisierung mit Aluminium.The inventive method used in the ISFET Her a two-layer metallization with aluminum.

Um eine Miniaturisierung des Meßwertaufnehmers zu erreichen, wird die großvolumige Glasreferenzelektrode durch einen in­ tegrierten Lösungskontakt aus Gold ersetzt, der auf der Chipvorderseite in unmittelbarer Nähe zum ISFET strukturiert wird.To achieve miniaturization of the transducer, the large-volume glass reference electrode by a in replaced solution contact made of gold, on the Chip front side in the immediate vicinity of the ISFET structured becomes.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:A preferred embodiment of the present invention The following is made with reference to the appended Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1a-1c ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfah­ rens; Fig. 1a-1c is a flow chart of the procedural inventive method;

Fig. 2a-12b Schnittdarstellungen beispielhafter integrier­ ter Schaltungen gemäß der Erfindung jeweils nach Ausführung einzelner Prozeßabschnitte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei sich die mit a bezeichneten Figuren auf eine n-Kanal- Schaltung und die mit b bezeichneten Figuren auf ein p-Kanal-Schaltung beziehen. FIGS. 2a-12b-sectional illustrations of exemplary inte ter circuits according to the invention in each case after execution of individual process stages of the procedure according to the invention, with the figures labeled A to an n-channel circuit and the figures indicated by b refer to a p-channel device ,

Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Abkürzun­ gen werden nun anhand der Tabellen 1 und 2 beschrieben. The abbreviations used in the following description Gen are now described with reference to Tables 1 and 2.  

Tabelle 1 Table 1

Die Tabelle 1 gibt die für die verschiedenen Verfahrens­ schritte verwendeten Masken, deren Bezeichnungen und deren jeweilige Aufgabe an.Table 1 gives the for the different method masks used, their designations and their respective task.

Nr.No. Prozeßmodulprocess module 11 Wannentechnologie und Definition der BauelementeTub technology and component definition 22 Channel-Stopper-Technologie und FeldoxidationChannel stopper technology and field oxidation 33 Gateisolator- und Polysiliziumgate-TechnologieGate insulator and polysilicon gate technology 44 Source-/Drain-TechnologieSource / drain technology 55 Definition der aktiven SensorbereicheDefinition of active sensor areas 66 Kontakttechnologie und erste MetallisierungsebeneContact technology and first metallization level 77 Anschlußtechnologie und zweite MetallisierungsebeneConnection technology and second metallization level 88th Definition der LösungskontakteDefinition of the solution contacts 99 PassivierungstechnologiePassivierungstechnologie 1010 Freilegung der aktiven SensorbereicheExposing the active sensor areas

Die Tabelle 2 definiert die einzelnen Verfahrensmodule, auf die in der Beschreibung Bezug genommen wird.Table 2 defines the individual process modules which is referred to in the description.

Bei der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird gleichzeitig auf das Flußdiagramm der Fig. 1 und auf die Querschnittsdar­ stellungen der Halbleiterstruktur der erfindungsgemäßen in­ tegrierten CMOS-Schaltung gemäß den Fig. 2a bis 12b Bezug genommen.In the following description of the embodiment of this method according to the invention reference is made at the same time to the flowchart of Fig. 1 and the Querschnittsdar positions of the semiconductor structure of the invention in tegrierten CMOS circuit according to FIGS . 2a to 12b.

Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich als Ausgangsma­ terial einer Siliziumscheibe mit einer Kristallorientierung von ⟨100⟩, die mit Phosphor dotiert ist.The inventive method uses as Ausgangsma Material of a silicon wafer with a crystal orientation of ⟨100⟩ doped with phosphorus.

Die Fig. 2a, 2b zeigen die Bauelementeinteilung für den MISFET, den ISFET und im Falle der Fig. 2b einen integrier­ ten Lösungskontakt. Fig. 2a, 2b show the component classification for the MISFET, the ISFET and in the case of Fig. 2b an inte gr th solution contact.

Das Prozeßmodul 1, das die Prozeßschritte 1 bis 12 umfaßt, wird nachfolgend anhand der Fig. 3a, 3b beschrieben.The process module 1 , which comprises the process steps 1 to 12, will be described below with reference to FIGS . 3a, 3b.

Beim Verfahrensschritt 1 wird für die Wannentechnologie und zur Definition der Bauelemente die Siliziumscheibe 2 ther­ misch oxidiert. Die Photomaske PW (siehe Tabelle 1) legt im Verfahrensschritt 2 die p-Wannengebiete 4 (Fig. 3b) als Grundmaterial für n-Kanal-Transistoren und -Sensoren fest. Nach einer im Verfahrensschritt 3 durchgeführten Ionenim­ plantation mit Bor und dem Entfernen des Photolacks im Ver­ fahrensschritt 4 schließt sich daran im Verfahrensschritt 5 die Wanneneintreibung an, bevor das Wannenoxid im Verfah­ rensschritt 6 naßchemisch geätzt wird.In method step 1, the silicon wafer 2 is thereafter oxidized for the well technology and for the definition of the components. The photomask PW (see Table 1) defines the p-well regions 4 ( FIG. 3 b) in method step 2 as the base material for n-channel transistors and sensors. After carried out in step 3 Ionenim plantation with boron and the removal of the photoresist in Ver procedural step 4 is followed in step 5, the tub collection to before the tub oxide in procedural step 6 is wet etched.

Zur Definition der Bauelemente wird die LOCOS-Technologie angewendet. Auf eine thermische Prenitrid-Oxidation 6, die im Verfahrensschritt 7 ausgeführt wird, folgt unmittelbar darauf im Verfahrensschritt 8 und 9 die Abscheidung einer Polysiliziumschicht 8 und einer LPCVD-Siliziumnitridschicht 10. Mit der OD-Maske werden im Verfahrensschritt 10 die aktiven Gebiete definiert und die Siliziumnitridschicht 10 wird im Verfahrensschritt 11 durch einen Trockenätzvorgang strukturiert.The LOCOS technology is used to define the components. Following a thermal prenitride oxidation 6 , which is carried out in method step 7, the deposition of a polysilicon layer 8 and an LPCVD silicon nitride layer 10 follows immediately thereafter in method steps 8 and 9. With the OD mask, the active regions are defined in method step 10, and the silicon nitride layer 10 is patterned in method step 11 by a dry etching process.

Nunmehr wird für die Beschreibung des Prozeßmoduls 2 (siehe Tabelle 2), das die Verfahrensschritte 13 bis 28 umfaßt, auf die Fig. 4a, 4b Bezug genommen.Now, for the description of the process module 2 (see Table 2), which comprises the method steps 13 to 28, reference is made to FIGS. 4a, 4b.

Unter erneuter Verwendung der PW-Maske werden im Verfahrens­ schritt 13 sogenannte "n-Kanal-Stopper" 5 realisiert. Im Verfahrensschritt 14 wird zur Erhöhung der Feldschwellen­ spannung in den Wannenbereichen Bor implantiert, wobei die Parametereinstellung nur ein Einbringen der Ionen in die Siliziumnitridfreien Gebiete ermöglicht.With renewed use of the PW mask 13 so-called "n-channel stopper" 5 are realized in the process step. In method step 14, in order to increase the field threshold voltage, boron is implanted in the well regions, wherein the parameter setting only allows the ions to be introduced into the silicon nitride-free regions.

Nachdem im Verfahrensschritt 15 der Photolack entfernt wur­ de, wird der Prozeßschritt in den zu den n-Wannen inversen Gebieten wiederholt. Hierzu dient die PWI-Maske (Verfahrens­ schritt 16) als Maske für die im Verfahrensschritt 17 durch­ geführte Ionenimplantation mit Phosphor. Diese Ionenimplan­ tation dient zur Erhöhung der Feldschwellenspannung im Si­ liziumnitridfreien Substratbereich ("p-Kanal-Stopper" 7). Im Verfahrensschritt 18 wird der Photolack entfernt.After the photoresist has been removed in step 15, the process step is repeated in the regions inverse to the n-wells. For this purpose, the PWI mask (process step 16) serves as a mask for the process step 17 by guided ion implantation with phosphorus. This ion implantation serves to increase the field threshold voltage in the silicon nitride-free substrate region ("p-channel stopper" 7 ). In method step 18, the photoresist is removed.

Bei einer im Verfahrensschritt 19 durchgeführten Feuchtoxi­ dation wächst lokal ein Feldoxid auf, wobei eine dünne Po­ lysiliziumschicht aufoxidiert wird. Das durch die Feuchtoxi­ dation entstandene Oxinitrid wird im Verfahrensschritt 20 durch einen naßchemischen Ätzvorgang entfernt, so daß im Verfahrensschritt 21 und 22 die Siliziumnitrid- und Poly­ siliziumschicht 8, 10 (siehe Fig. 3) trocken geätzt werden können. Die bei der lokalen Oxidation an der Spitze des "Vo­ gelschnabels" entstandene dünne Nitridschicht, die zu Früh­ durchbrüchen beim Gateoxid führen kann, wird im Verfahrens­ schritt 23 durch eine SAC-Oxidation (SAC = Sacrificial Oxide) in ein Oxid umgewandelt.In a conducted in process step 19 Feuchtoxi dation grows locally a field oxide, wherein a thin polysilicon layer is aufoxidiert. The resulting from the Feuchtoxi dation oxynitride is removed in step 20 by a wet chemical etching, so that in the process step 21 and 22, the silicon nitride and poly silicon layer 8 , 10 (see FIG. 3) can be dry etched. The resulting in the local oxidation at the top of the "Bird's beak" thin nitride layer, which can lead to early breakthrough in the gate oxide is converted in the process step 23 by an SAC oxidation (SAC = Sacrificial Oxide) in an oxide.

Beim Verfahrensschritt 24 wird wiederum die PWI-Maske ver­ wendet, um die p-Wannenbereiche 4 (Fig. 3b) mit Photolack abzudecken. Nacheinanderfolgend werden in die Substratge­ biete Phospor und Bor implantiert. Durch diese Erhöhung der Dotierstoffkonzentration mittels Phospor im oberflächennahen Bereich eines Transistors wird die Ausdehnung der Source- und Drain-Raumladungszonen reduziert und damit eine uner­ wünschte Berührung dieser Zonen vermieden ("Punch-Through- Effekt"). Dies wird im Verfahrensschritt 25 durchgeführt. Mittels der im Verfahrensschritt 26 durchgeführten Borim­ plantation wird die Einsatzspannung der p-Kanal-Transistoren gegenüber der der n-Kanal-Transistoren symmetrisch zum Null­ punkt eingestellt. Nachdem der Photolack im Verfahrens­ schritt 27 entfernt wird, wird die oben beschriebene Opfer­ schicht ("Sacrificial Oxide") im Verfahrensschritt 28 naß­ geätzt.In method step 24, in turn, the PWI mask is used to cover the p-well regions 4 ( FIG. 3b) with photoresist. Successively implanted in the Substratge area Phospor and boron. This increase in the dopant concentration by means of phosphorous in the near-surface region of a transistor, the expansion of the source and drain space charge zones is reduced and thus an unwanted wished contact these zones avoided ("punch-through effect"). This is carried out in method step 25. By means of the Borim plantation carried out in step 26, the threshold voltage of the p-channel transistors with respect to the n-channel transistors is set symmetrically to the zero point. After the photoresist in the process step 27 is removed, the above-described sacrificial layer ("sacrificial oxides") is wet etched in step 28.

In der Fig. 4a, 4b sind die Strukturen am Ende des Prozeß­ moduls 2 dargestellt.In Fig. 4a, 4b, the structures at the end of the process module 2 are shown.

Das Prozeßmodul 3, das die Verfahrensschritte 29 bis 36 um­ faßt, wird im Folgenden anhand der Fig. 5a, 5b beschrieben.The process module 3 , which summarizes the method steps 29 to 36, will be described below with reference to FIGS. 5a, 5b.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Gateisolator 12 als Doppelschicht realisiert, die aus Siliziumdioxid 12a und Siliziumnitrid 12b besteht. Im Gegensatz zu Oxid ist Nitrid als oberste Lage des Gateisolators hydrophob und verhindert eine Absorption von H⁺-Ionen, die - im Gateisolator einge­ baut - das Sensormeßergebnis verfälschen würden. Da jedoch die Haftfähigkeit von Siliziumnitrid (Si₃N₄) auf Silizium durch mechanische Spannungen eingeschränkt ist, wird Sili­ ziumdioxid (SiO₂) als Zwischenschicht verwendet. Zudem wird dadurch die Störstellendichte an der Grenzfläche zwischen Silizium und Siliziumdioxid herabgesetzt. Nach einer im Ver­ fahrensschritt 29 ausgeführten Gateoxidation bildet sich eine Gateoxidschicht 12a mit einer typischen Gateoxiddicke von 25 bis 30 nm, und anschließend wird eine typischerweise 70 nm dicke Siliziumnitridschicht 12b mittels der LPCVD- Technik im Verfahrensschritt 30 abgeschieden. Daran an­ schließend wird im Verfahrensschritt 31 eine Polysilizium­ schicht 14 im LPCVD-Reaktor abgeschieden, und im Verfahrens­ schritt 32 durch einen Belegungs- und Diffusionsprozeß in einem POCl₃-Ofen mit Phospor dotiert.According to the present invention, the gate insulator 12 is realized as a double layer consisting of silicon dioxide 12 a and silicon nitride 12 b. In contrast to oxide, nitride as the uppermost layer of the gate insulator is hydrophobic and prevents absorption of H + ions, which - built into the gate insulator - would distort the sensor measurement result. However, since the adhesion of silicon nitride (Si₃N₄) is limited to silicon by mechanical stresses, silicon dioxide (SiO₂) is used as an intermediate layer. In addition, this reduces the impurity density at the interface between silicon and silicon dioxide. Following a gate oxidation carried out in method step 29, a gate oxide layer 12 a with a typical gate oxide thickness of 25 to 30 nm is formed, and then a typically 70 nm thick silicon nitride layer 12 b is deposited by means of the LPCVD technique in method step 30. This is followed by a polysilicon layer 14 is deposited in the LPCVD reactor in step 31, and in the process step 32 doped by an occupancy and diffusion process in a POCl₃ furnace with Phospor.

Zum Herstellen der Polysilizium-Leiterbahnen und der Gate­ elektroden werden nach der im Verfahrensschritt 33 ange­ wandten Phototechnik PS die Polysiliziumschicht 14 im Ver­ fahrensschritt 34 naßchemisch strukturiert und im anschlie­ ßenden Verfahrensschritt 35 wird der Photolack entfernt. Durch diese Verwendung der Polysiliziumgate-Technologie können die Source/Drain-Gebiete der Transistoren und der Sensoren in der n-Kanal- und der p-Kanal-Ausführung in selbstjustierender Technik mittels einer Ionenimplantation dotiert werden. Hierbei dient die strukturierte Polysili­ ziumschicht 14 als Maske und deren Strukturkanten werden auf die Source- und Drain-Gebiete übertragen. Anstelle des an­ sonsten üblicherweise ausgeführten Trockenätzens der Poly­ siliziumstruktur 14, wodurch steilere Ätzkanten erzielt wer­ den können, muß zugunsten eines selektiven Ätzstops auf der Gatenitridschicht 12b ein entsprechendes naßchemisches Ätz­ verfahren verwendet werden. Um jedoch gleichzeitig eine Un­ terdiffusion der Source/Drain-Gebiete im Kanalbereich zu mi­ nimieren und die Gateelektroden 14 vor dem Eindringen im­ plantierter Ionen zu schützen, wird die Polysiliziumschicht 14 im Verfahrensschritt 36 oxidiert. Aufgrund der vorhan­ denen Nitridoberfläche 12b wächst das Oxid 16 lediglich auf dem Polysilizium 14 auf.To produce the polysilicon interconnects and the gate electrodes are after the process step 33 applied phototechnology PS polysilicon layer 14 in the procedural step 34 procedurally structured and subsequently sequent step 35, the photoresist is removed. By using this polysilicon gate technology, the source / drain regions of the transistors and the sensors in the n-channel and p-channel embodiments can be doped by means of ion implantation in a self-aligned technique. Here, the structured Polysili ziumschicht 14 serves as a mask and their structural edges are transmitted to the source and drain regions. Instead of the otherwise usually carried out dry etching of the poly silicon structure 14 , whereby steeper etching edges achieved who can, in favor of a selective Ätzstops on the gate nitride layer 12 b, a corresponding wet chemical etching process must be used. However, in order simultaneously to minimize undersaturation of the source / drain regions in the channel region and to protect the gate electrodes 14 from penetrating into the implanted ion, the polysilicon layer 14 is oxidized in method step 36. Due to the IN ANY nitride surface 12 b, the oxide 16 grows only on the polysilicon 14 on.

Die Strukturen am Ende des Prozeßmoduls 3 sind in den Fig. 5a, 5b dargestellt.The structures at the end of the process module 3 are shown in FIGS. 5a, 5b.

Im Folgenden wird anhand der Fig. 6a, 6b das Prozeßmodul 4 beschrieben, welches die Verfahrensschritte 37 bis 48 ein­ schließt.In the following, the process module 4 will be described with reference to FIGS. 6a, 6b, which includes the method steps 37 to 48.

Unter Verwendung der SN-Maske werden im Verfahrensschritt 37 die Gebiete der p-Kanal-Transistoren abgedeckt und im Ver­ fahrensschritt 38 die LDD-Source/Drain-Inseln (LDD = leicht dotierte Drain) der n-Kanal-Transistoren und -Sensoren im­ plantiert. Nach dem Entfernen des Photolacks im Verfahrens­ schritt 39 wird ganzflächig eine CVD-Oxidschicht 18 in dem Verfahrensschritt 40 abgeschieden und anschließend im Ver­ fahrensschritt 41 derart anisotrop geätzt, daß die Flanken des Polysiliziumgates 14 mit dem Oxid 18 bedeckt sind ("Spacer" = Beabstandung). Nachfolgend werden im Verfahrens­ schritt 42 die SN-Phototechnik, im Verfahrensschritt 43 die Ionenplantation (in diesem Fall mit Arsen) zur Erzeugung der Source/Drain-Gebiete und im Verfahrensschritt 44 die Entfer­ nung des Photolacks wiederholt. Die Spacerbreite und damit die Dicke der CVD-Oxidschicht 18 sind auf die Parameter der Ionenimplantation derart angepaßt, daß eine Überlappung der Source/Drain-Gebiete mit den LDD-Bereichen durch Unterdiffu­ sion sichergestellt ist.Using the SN mask, the areas of the p-channel transistors are covered in method step 37 and the LDD source / drain islands (LDD = lightly doped drain) of the n-channel transistors and sensors are implanted in method step 38 , After removal of the photoresist in the process step 39, a CVD oxide layer 18 is deposited over the entire surface in the process step 40 and then in Ver procedural step 41 etched so anisotropically that the edges of the polysilicon gate 14 are covered with the oxide 18 ("spacer" = spacing) , Subsequently, in the process step 42, the SN phototechnology, in step 43, the ion implantation (in this case with arsenic) to generate the source / drain regions and in step 44 Entfer the voltage of the photoresist repeated. The spacer width and thus the thickness of the CVD oxide layer 18 are adapted to the parameters of the ion implantation such that an overlap of the source / drain regions with the LDD regions is ensured by Unterdiffu sion.

Nachfolgend wird im Verfahrensschritt 45 und 46 unter Ver­ wendung der SP-Maske eine Borimplantation ausgeführt, wo­ durch die Source/Drain-Inseln für die p-Kanal-MISFETs und -ISFETs gebildet werden.Subsequently, in method step 45 and 46 under Ver Applying the SP mask carried out a Borimplantation where through the source / drain islands for the p-channel MISFETs and ISFETs are formed.

Die Fig. 6a und 6b zeigt die Strukturen nach dem Entfernen des Photolacks und dem Ausheilen, was im Verfahrensschritt 47 bzw. 48 durchgeführt wird. FIGS. 6a and 6b show the structures after the removal of the photoresist and the annealing, which is carried out in method steps 47 and 48, respectively.

Damit ist die Realisierung der Bauelementebene im Silizium abgeschlossen. Die MISFETs und die ISFETs wurden während des bisherigen Verfahrensablaufes identisch ausgeführt. Im Nach­ folgenden wird die Strukturierung des "Halbleiter-Oberbaus" für die Sensoren sowie die Metallisierung beschrieben.This is the realization of the device level in silicon completed. The MISFETs and ISFETs were used during the carried out the previous procedure identical. In the night following is the structuring of the "semiconductor superstructure" described for the sensors as well as the metallization.

Anhand der Fig. 7a, 7b wird nachfolgend das Prozeßmodul 5 beschrieben, welches die Verfahrensschritte 49 bis 55 ein­ schließt.The process module 5 , which includes the method steps 49 to 55, will be described below with reference to FIGS. 7a, 7b.

Durch die Phototechnik SO werden im Verfahrensschritt 49 die aktiven Sensor-FET-Gebiete definiert, wobei die aktiven Sen­ sor-FET-Gebiete diejenigen Gebiete sind, in denen der Gate­ isolator 12 oberhalb des Kanalbereichs mit der Probenflüs­ sigkeit in Kontakt kommt und den Feldeffekt bewirkt. Dazu werden nacheinanderfolgend im Verfahrensschritt 50 und 51 die Oxid- und Polysiliziumschicht 14, 16 des Polysilizium­ gates, das oberhalb des aktiven Sensor-FET-Gebiets angeord­ net ist, naßchemisch geätzt, wodurch der Gateisolator frei­ gelegt wird. Dann wird im Verfahrensschritt 52 der Photolack entfernt. Daran anschließend wird im Verfahrensschritt 53 eine Oxidschicht 20 durch CVD-Abscheidung auf der gesamten Oberfläche abgeschieden. Diese dient zum Schutz des Gateiso­ lators im aktiven Sensorbereich (zum Beispiel zum Schutz vor eventuellen Polymerisationsreaktionen mit Photolacken bzw. als Ätzstopschicht) und verbleibt dort bis zum Ende des Verfahrens.By means of the phototechnology SO, the active sensor FET areas are defined in method step 49, the active sensor FET areas being those areas in which the gate insulator 12 comes into contact with the sample liquid above the channel area and effects the field effect , For this purpose, successively in process step 50 and 51, the oxide and polysilicon layer 14 , 16 of the polysilicon gate, which is net angeord above the active sensor FET area, etched wet chemically, whereby the gate insulator is exposed. Then, in step 52, the photoresist is removed. Subsequently, in method step 53, an oxide layer 20 is deposited on the entire surface by CVD deposition. This serves to protect the Gateiso lators in the active sensor area (for example, to protect against possible polymerization reactions with photoresists or as Ätzstopschicht) and remains there until the end of the process.

Im Verfahrensschritt 54 wird die Scheibenrückseite geätzt, um die Verwendung des Getterverfahrens zu ermöglichen. Das Getterverfahren dient zur Reinigung des Halbleiters von Schwermetall- oder Alkaliionen, wie zum Beispiel Na⁺. Aus diesem Grund werden auf der Rückseite nacheinanderfolgend die CVD-Schicht, die Gatenitrid- und Gateoxidschicht geätzt. Anschließend erfolgt im Verfahrensschritt 55 das Gettern mit POCl₃, wodurch der letzte Hochtemperaturschritt vor der Me­ tallisierung und Passivierung ausgeführt ist.In method step 54, the wafer rear side is etched, to enable the use of the getter process. The Getter method is used to clean the semiconductor of Heavy metal or alkali ions, such as Na⁺. Out This reason will be sequential on the back etched the CVD layer, the gate nitride and gate oxide layers. Subsequently, in step 55, the gettering with POCl₃, whereby the last high-temperature step before Me tallization and passivation is performed.

Die Fig. 7a, 7b zeigen die Strukturen nach Beendigung des Prozeßmoduls 5. FIGS. 7 a, 7 b show the structures after completion of the process module 5 .

Anhand der Fig. 8a, 8b wird im Folgenden das Prozeßmodul 6 beschrieben, das die Verfahrensschritte 56 bis 64 umfaßt.The process module 6 , which comprises the method steps 56 to 64, will be described below with reference to FIGS. 8a, 8b.

Im Verfahrensschritt 56 wird anhand der CO-Maske die Struk­ tur bezüglich der Kontaktlöcher 22 festgelegt. Diese Kon­ taktlöcher führen zu den Source/Drainbereichen. Im Verfah­ rensschritt 57, 58, 59 werden zur Realisierung der Kontakt­ löcher die Oxidschicht 20, die Gatenitridschicht 12b und die Gateoxidschicht 12a trocken und damit anisotrop geätzt. Nach dem Entfernen des Lacks im Verfahrensschritt 60 wird Alumi­ nium 24 abgeschieden, bevor im Verfahrensschritt 62 mit Hilfe der Phototechnik ME1 die Leiterbahnen der ersten Me­ tallebene und Kontaktanschlußflächen ("Bondpads") im Ver­ fahrensschritt 63 trocken geätzt werden. Abschließend wird der Photolack im Verfahrensschritt 64 entfernt. In step 56, the structure with respect to the contact holes 22 is determined based on the CO mask. These contact holes lead to the source / drain regions. In the procedural step 57, 58, 59, the oxide layer 20 , the gate nitride layer 12 b and the gate oxide layer 12 a are etched dry and thus anisotropically to realize the contact holes. After removal of the paint in step 60 Alumi is nium 24 deposited before in step 62 with the help of the photo technology ME1 the tracks of the first Me tallebene and contact pads ("bond pads") in the process step Ver 63 are dry etched. Finally, the photoresist is removed in method step 64.

Die Fig. 8a, 8b zeigt die Strukturen nach Beendigung des Prozeßmoduls 6. FIGS. 8a, 8b show the structures after completion of the process module 6 .

Es folgt die Beschreibung des Prozeßmoduls 7, das die Ver­ fahrensschritte 65 bis 75 einschließt, anhand der Fig. 9a, 9b.The following is the description of the process module 7 , which includes the Ver process steps 65 to 75, with reference to FIGS . 9a, 9b.

Die optional zu integrierende Anschlußtechnologie und die zweite Metallisierungsebene nutzt zur Oberflächenplanar­ isierung eine im Verfahrensschritt 65 aufgebrachte PECVD- Oxidschicht 26.The optional connection technology to be integrated and the second metallization level utilizes a PECVD oxide layer 26 applied in process step 65 for surface planarization.

Über die VIA-Maske wird im Verfahrensschritt 66 und 67 die Oxidschicht 26 zur Kontaktierung der ersten Metallebene trocken geätzt, im Verfahrensschritt 68 wird der Photolack entfernt und im Verfahrensschritt 69 wird Aluminium 28 für die zweite Metallebene aufgebracht. Die im Verfahrensschritt 70 und 71 verwendete Phototechnik ME2 dient zur Strukturie­ rung dieser Leiterbahnen. Sobald der Photolack im Verfah­ rensschritt 72 entfernt ist, schließt sich im Verfahrens­ schritt 73 eine Legierung in einem Formiergas an. Zum Schutz des Aluminiums vor Korrosion sowie zur weiteren Oberflächen­ planarisierung werden im Verfahrensschritt 74 und 75 nach­ einander eine weitere PECVD-Oxidschicht 26′ und eine PECVD- Nitridschicht 30 abgeschieden.In process steps 66 and 67, the oxide layer 26 for the contacting of the first metal level is etched dry via the VIA mask, in step 68 the photoresist is removed and in step 69 aluminum 28 is applied for the second metal level. The phototechnology ME2 used in method steps 70 and 71 serves for structuring of these printed conductors. Once the photoresist is removed in process step 72, in process step 73, an alloy joins in a forming gas. In order to protect the aluminum from corrosion and for further surface planarization, a further PECVD oxide layer 26 'and a PECVD nitride layer 30 are deposited one after the other in method steps 74 and 75.

In Fig. 9a, 9b sind die Strukturen nach Beendigung des Pro­ zeßmoduls 7 dargestellt.In Fig. 9a, 9b, the structures after completion of the pro zeßmoduls 7 are shown.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 10a, 10b das Prozeßmodul 8 beschrieben, das die Verfahrensschritte 76 bis 79 ein­ schließt.Hereinafter, the process module 8 will be described with reference to FIGS. 10a, 10b, which includes the process steps 76 to 79 a.

Der integrierte Lösungskontakt (der wahlweise vorgesehen sein kann), der die Probenflüssigkeit auf ein definiertes Potential bringt und aufgrund seiner Miniaturisierbarkeit eine zusätzlich benötigte Referenzelektrode ersetzt, wird in strukturiertem Gold hergestellt. Aufgrund der gewünschten Kompatibilität zum CMOS-Prozeß wird die Integration nach der Abscheidung der Plasmaschichten 26, 26′, 30 durchgeführt. Hierdurch wird ein Kontakt mit den Aluminiumbahnen vermie­ den, sowie ein negativer Temperaturgradient bei der Einzel­ prozeßherstellung eingehalten.The integrated solution contact (which can optionally be provided), which brings the sample liquid to a defined potential and replaced due to its miniaturization an additionally required reference electrode, is prepared in structured gold. Due to the desired compatibility with the CMOS process, the integration after the deposition of the plasma layers 26 , 26 ', 30 is performed. As a result, a contact with the aluminum webs avoided the, as well as a negative temperature gradient in the single process manufacturing met.

Im Gegensatz zu den anderen Schichten wird diese neue Metal­ lisierungsebene nur auf den Lösungskontakt, die zugehörige Leiterbahn zur Anschlußkontaktfläche und auf die Anschluß­ kontaktfläche selbst begrenzt. Um ein Abscheiden von Gold und die damit verbundene Gefahr einer Ausdiffusion zu ver­ meiden, wird im Verfahrensschritt 76 die Phototechnik LK angewandt, die auch als "Lift-Off-Technik" bezeichnet wird. Hierbei wird die Dicke des auf die Siliziumscheibe aufge­ schleuderten Photolacks größer als die der Metallisierung dimensioniert, so daß die Metallisierung bereits während des Herstellungsprozesses an den Lackkanten reißt. Hierzu wird im Verfahrensschritt 77 Nickel 32 als Haftmaterial abge­ schieden, bevor im Verfahrensschritt 78 mit demselben Prozeß Gold 34 auf die Siliziumscheibe aufgebracht wird. Beim Ent­ fernen des Lacks im Verfahrensschritt 79 werden die auf die­ sem befindlichen Metallschichten ebenfalls entfernt.In contrast to the other layers, this new metalization level is only limited to the solution contact, the associated trace to the terminal pad and the terminal contact surface itself. In order to avoid deposition of gold and the associated danger of outdiffusion, the phototechnology LK is used in method step 76, which is also referred to as "lift-off technique". In this case, the thickness of the deposited on the silicon wafer hurled photoresist is larger than that of the metallization dimensioned, so that the metallization already tears during the manufacturing process at the lacquer edges. For this purpose, in step 77, nickel 32 is deposited as an adhesive material abge, before in step 78 with the same process gold 34 is applied to the silicon wafer. When removing the lacquer in method step 79, the metal layers on the sem are also removed.

Die Fig. 10a, 10b zeigt die Strukturen nach Beendigung des Prozeßmoduls 8. FIGS. 10 a, 10 b show the structures after completion of the process module 8 .

Anhand der Fig. 11a, 11b wird nun das Prozeßmodul 9 be­ schrieben, das die Verfahrensschritte 80 bis 84 einschließt.With reference to FIGS . 11 a, 11 b, the process module 9 will now be described, which includes the method steps 80 to 84.

Um das Sensorbauelement außerhalb des sensitiven Bereichs flüssigkeitsdicht zu Gehäusen und somit selbst vor agressi­ ven Flüssigkeiten zu schützen, muß das Bauelement mit einer geeigneten Passivierung abgedeckt werden. Das erfindungs­ gemäße Verfahren verwendet hierfür Siliziumkarbid.To the sensor device outside the sensitive area liquid-tight to housings and thus even agressi to protect the fluid, the device with a suitable passivation are covered. The invention The appropriate method uses silicon carbide for this purpose.

Nach der im Verfahrensschritt 80 angewandten Phototechnik VE werden in den Verfahrensschritten 81 und 82 die Plasmaoxid­ schicht 26, 26′ und die Plasmanitridschicht 30 an den Flan­ ken des sensitiven Kanalbereichs des ISFETs in Form von Trenches (Gräben) 36 entfernt. Sobald der Photolack im Ver­ fahrensschritt 83 entfernt ist, wird auf das Bauelement im Verfahrensschritt 84 ganzflächig eine PECVD-Siliziumkarbid­ schicht 38 abgeschieden, die die geätzten Trenches 36 schließt und folglich den Schutz der hydrophilen Isolator­ schichten 20, 26, 26′, 30 sowie den Schutz der Metallbahnen 24, 28 ermöglicht.After the phototechnology VE used in step 80, the plasma oxide layer 26 , 26 'and the plasma nitride layer 30 are removed at the flanges of the sensitive channel region of the ISFET in the form of trenches (trenches) 36 in method steps 81 and 82. As soon as the photoresist has been removed in process step 83, a PECVD silicon carbide layer 38 is deposited on the component in method step 84 over the entire surface, closing the etched trenches 36 and consequently protecting the hydrophilic insulator layers 20 , 26 , 26 ', 30 as well as the Protection of the metal tracks 24 , 28 allows.

Die sich nach der Ausführung des Prozeßmoduls 9 ergebenden Strukturen sind in Fig. 11a, 11b dargestellt.The structures resulting after the execution of the process module 9 are shown in FIGS. 11a, 11b.

Dieses Passivierungsverfahren ermöglicht eine Verbesserung des ISFET-Entwurfs, da nun zur Steigerung der elektrischen Eigenschaften (Reduzierung des Bahnwiderstandes von Source und Drain) die Kontaktierung von Source und Drain mittels der Leiterbahnen direkt am ISFET selbst erfolgen kann.This passivation process allows for improvement of the ISFET design, since now to increase the electric Properties (reduction of the track resistance of Source and drain) contacting the source and drain means the tracks can be made directly on the ISFET itself.

Anhand der Fig. 12a, 12b wird nun das Prozeßmodul 10 be­ schrieben, das die Verfahrensschritte 85 bis 89 einschließt.The process module 10 will now be described with reference to FIGS . 12a, 12b, which includes the method steps 85 to 89.

Im Verfahrensschritt 85 und 86 wird mittels der Phototechnik der PA-Maske der aktive Sensorbereich 40, sowie im Fall der Struktur aus Fig. 12b der integrierte Lösungskontakt 42 ge­ öffnet. Nach dem Entfernen des Photolacks im Verfahrens­ schritt 87 werden im Verfahrensschritt 88 und 89 die Plasma­ nitrid- und Plasmaoxidschicht 30, 26, 26′ sowie die während des Halbleiterherstellungsverfahrens benötigte CVD-Oxid­ schutzschicht 20 selektiv bis auf die Gatenitridschicht 12b naßchemisch geätzt.In method steps 85 and 86, the active sensor region 40 is opened by means of the phototechnology of the PA mask, and, in the case of the structure from FIG. 12 b, the integrated solution contact 42 opens. After removing the photoresist in the process step 87, the plasma nitride and plasma oxide layer 30 , 26 , 26 'as well as the required during the semiconductor manufacturing process CVD oxide protective layer 20 selectively wet etched down to the gate nitride layer 12 b in step 88 and 89.

Die Fig. 12a, 12b zeigt die fertiggestellten Bauelemente MISFET und ISFET in ihrer n-Kanal- und p-Kanal-Ausführung nach dem Entfernen des Photolacks. Figures 12a, 12b show the completed devices MISFET and ISFET in their n-channel and p-channel designs after removal of the photoresist.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß bei dem oben be­ schriebenen Ausführungsbeispiel sämtliche Lithographiepro­ zesse das Positivlack-Verfahren verwenden, bei dem die be­ lichteten Photolackbereiche durch den Entwicklungsvorgang abgelöst werden.Finally, it should be noted that in the above be written embodiment all Lithographiepro  zesse use the positive coating process, in which the be Photoresist areas were cleared by the development process be replaced.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines ionensensitiven Feld­ effekttransistors, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - Strukturieren eines Drainbereichs, eines Sourcebe­ reichs und eines ionensensitiven Gatebereichs;
  • - Abscheiden einer Siliziumdioxid-Siliziumnitrid- Doppelschicht (12a, 12b) als Gateisolator (12);
  • - Bilden von Kontaktierungsöffnungen (22) in der Si­ liziumdioxid-Siliziumnitrid-Doppelschicht (12a, 12b) oberhalb des Drainbereichs und des Sourcebe­ reichs;
  • - Abscheiden und Strukturieren von Leiterbahnen (24, 28), die den Drainbereich und den Sourcebereich direkt kontaktieren;
  • - Abscheiden einer isolierenden Oberflächenplanie­ rungsschicht (26, 26′, 30);
  • - Ätzen eines Trenches (36), der sich bis zu der Si­ liziumdioxid-Siliziumnitrid-Doppelschicht (12a, 12b) oberhalb des Drainbereichs bzw. des Sourcebe­ reichs benachbart zu dem ionensensitiven Bereich erstreckt;
  • - Abscheiden einer Siliziumkarbidschicht (38); und
  • - Ätzen einer von dem Trench (36) umfaßten Ausnehmung (40), die sich bis zu der Siliziumdioxid-Silizium­ nitrid-Doppelschicht (12a, 12b) oberhalb des ionen­ sensitiven Bereichs erstrecken.
1. A method for producing an ion-sensitive field effect transistor, characterized by the following method steps:
  • - structuring a drain region, a source region and an ion-sensitive gate region;
  • - depositing a silicon dioxide-silicon nitride double layer ( 12 a, 12 b) as a gate insulator ( 12 );
  • - Forming of contacting openings ( 22 ) in the Si silicon dioxide silicon nitride bilayer ( 12 a, 12 b) above the drain region and the Sourcebe rich;
  • - depositing and patterning conductor tracks ( 24 , 28 ) which directly contact the drain region and the source region;
  • - depositing an insulating surface leveling layer ( 26 , 26 ', 30 );
  • - etching a trench (36) extending up to the Si liziumdioxid-silicon nitride double layer (12 a, 12 b) adjacent extends above the drain region or the Sourcebe kingdom to the ion-sensitive portion;
  • - depositing a silicon carbide layer ( 38 ); and
  • - Etching of one of the trench ( 36 ) encompassed recess ( 40 ) extending to the silicon dioxide silicon nitride bilayer ( 12 a, 12 b) above the ion-sensitive region.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturieren durch photolithographische Pro­ zesse erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized that patterning by photolithographic pro Zesse takes place. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Abscheiden der isolierenden Oberflächenplanari­ sierungsschicht das Abscheiden einer PECVD-Oxidschicht (26, 26′) und einer PECVD-Nitridschicht (30) umfaßt.3. The method of claim 1 or 2, characterized in that the deposition of the insulating Oberflächenplanari sierungsschicht the deposition of a PECVD oxide layer ( 26 , 26 ') and a PECVD nitride layer ( 30 ). 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen des Trenches (36) durch einen Trockenätz­ prozeß erfolgt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the etching of the trench ( 36 ) takes place by a dry etching process. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheiden der Siliziumkarbidschicht das Ab­ scheiden von PECVD-Siliziumkarbid (38) umfaßt.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the deposition of the silicon carbide layer from the deposition of PECVD silicon carbide ( 38 ). 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen des von dem Trench (36) umgebenen Be­ reichs durch einen naßchemischen Ätzprozeß erfolgt. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the etching of the region of the trench ( 36 ) Be rich done by a wet chemical etching process. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bilden der Kontaktierungsöffnungen (22) eine Oxidschicht (20) auf die Siliziumdioxid-Silizium­ nitrid-Doppelschicht (12a, 12b) durch einen CVD-Prozeß abgeschieden wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that before forming the contacting openings ( 22 ) an oxide layer ( 20 ) on the silicon dioxide-silicon nitride double layer ( 12 a, 12 b) is deposited by a CVD process ,
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8339 Ceased/non-payment of the annual fee