离子敏感传感器的离子敏感层结构及其制造方法技术

离子敏感传感器的离子敏感层结构及其制造方法。在用于制造离子敏感传感器的离子敏感结构的方法中，提供承载氧化物层的第一半导体衬底，然后，沉积和回火金属氧化物层和金属层，以获得在承载氧化物层的半导体衬底上的具有晶化金属氧化物层和氧化晶化金属层的层序列。在这样的情况下，金属氧化物层和金属层具有兼容的金属元素，并且金属氧化物层的镀层厚度dMOX大于金属层的镀层厚度dMET。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及一种离子敏感传感器及其制造，并且特别涉及一种离子敏感传感器的离子敏感多层金属氧化物结构，还涉及一种用于制造该结构的方法，其中，可应用为离子敏感传感器的是例如离子敏感场效应晶体管(ISFET)、离子敏感电容可读EIS传感器和LAPS传感器。
技术介绍
具有电解质绝缘体半导体结构(EIS结构)特别是离子敏感场效应晶体管(ISFET)的离子敏感传感器，具有EIS结构的离子敏感电容或电容可读传感器或具有EIS结构的光操作的离子敏感LAPS传感器(LAPS =光可寻址电位传感器)被应用于测量不同成分的溶液中的离子浓度或特定物质浓度和传导率。具有ISFET、EIS元件和LAPS元件的离子敏感传感器用于对浓度的连续检查的应用例如在环境监测、工业过程监测、食品工业和生物化学或医疗
中存在。在这样的情况下，对于对应的离子敏感传感器，特别是期望呈现与可接受的采购价格相联系的传感器元件的尽可能小的长期漂移的尽可能精确的浓度配准(concentrat1n registrat1n)。 被用作各个EIS结构或EIS元件的半导体材料通常是硅(Si)，因而二氧化硅(S12)被用作第一绝缘层。关于在所需的寿命期间所需的测量精度，其它半导体/绝缘体组合通常不能够提供可比较的性质，并且此外，通常为不稳定的再现性。传统上，既在过程测量技术中也在实验室测量技术中利用玻璃电极进行含水介质中的离子浓度测量。出于技术原因，特别是因为充分大的内缓冲体积外加充分稳定的玻璃膜是必须的，所以不存在针对常规玻璃电极的有效小型化的机会。而且，应注意的，使用玻璃电极的PH测量系统归因于需要的玻璃膜厚度而具有高阻抗，并且因此，敏感地对电环境干扰做出反应。除其他外，这需要测量线的屏蔽，其中，电极和测量设备之间的间隔应尽可能小。 为pH测量应用玻璃电极的进一步的固有缺点在于，归因于材料玻璃的应用，在某些条件下存在玻璃破损风险，使得在诸如例如食品技术等的某些领域中使用玻璃电极仅为有限地可能的。 由于这个原因，因此，尝试使用离子敏感EIS结构或EIS元件(特别是以场效应晶体管(ISFET)的形式)用于离子浓度测量，诸如例如用于测量含水介质[I]中的pH值，其中，对这样的离子敏感传感器的使用在通过应用EIS结构的工业中的最近几年里有所增力口。具有EIS结构的离子敏感传感器适合于特别是通过对集成系统的相对成本有效的制造来小型化测量系统，并且特别是优于对常规玻璃电极的应用。因此，代替具有玻璃界面的内缓冲器，利用容易管理的Si/Si02组合。基于EIS结构的传感器的进一步优点在于，这样的传感器能够在无材料玻璃的情况下产生，因而满足了在一些应用的情况下，不期望或必须避免玻璃破损风险的要求。 —般而言，ISFET传感器被视为集成在传感器中的阻抗转换器,这代表EIS结构的仍高于玻璃电极的阻抗的阻抗，然而，其中，被测变量在现场直接被转换成容易且精确可测量的低阻抗信号。通过对操作模式(“恒定电荷”)的应用，此外，ISFET传感器能够相对好地抑制归因于环境光或背景光的信号干扰。 无FET结构的电容可读EIS传感器能够例如被如此构造使得没有拓扑结构边缘干扰表面或表面特征，使得在可能的拓扑结构边缘上的化学腐蚀性介质的作用的风险能够降低。这样的EIS传感器的读出例如经电容测量而发生。 LAPS传感器(LAPS =光可寻址电位传感器)利用沿着表面横向地分辨的灵敏度，并且适合于例如生物化学系统，其中，将被检测的区域能够选择性地用光照射[13]。 由于先前实现的基于EIS结构的离子敏感传感器的化学和电长期稳定性仍不足以用于在过程测量技术中使用，或对应的离子敏感传感器是极端复杂的并且因此制造起来昂贵，所以先前未能产生对在工业过程测量技术中以及在环境监测中基于EIS的pH测量的持续介绍。 因此，从这种现有技术出发，本专利技术的目的是为离子敏感传感器的离子敏感结构的布置和制造提供尽可能不复杂的流程，借助该流程，能够获得尽可能高的化学和电长期稳定性以及还有极端精确且可重现的测量结果。
技术实现思路
该目的由根据权利要求1所述的用于制造离子敏感传感器的离子敏感结构的方法、由根据权利要求21所述的用于制造离子敏感场效应晶体管的方法、由根据权利要求22所述的用于制造离子敏感电容可读传感器的方法、由根据权利要求23所述的用于制造具有离子敏感结构的光操作离子敏感传感器的方法、以及由根据权利要求24所述的具有离子敏感结构的离子敏感传感器来实现。 本专利技术的方法和本专利技术的装置的进一步发展在从属权利要求中限定。 本专利技术基于如下认识，用于离子敏感传感器的在化学上以及还有在电学上极端长期稳定的离子敏感结构能够通过在半导体材料或半导体衬底上通过热氧化(例如非晶形层)来施加如绝缘体而产生，所述半导体材料包括例如η或P掺杂娃、例如S12层的绝缘层，其中，在氧化物层上依次沉积和回火具有金属氧化物层和金属层的双层或多个双层，使获得在承载氧化物层的半导体衬底上的具有晶化金属氧化物层和氧化晶化金属层的层序列或双层(或多个双层)。在这样的情况下，金属氧化物层和金属层如此沉积使得金属氧化物层的镀层厚度dMra(显著地)大于布置于其上的金属层的镀层厚度dMET。此外，施加的金属氧化物层和关于在其上沉积的金属层具有兼容的金属元素，或相同的金属元素。 例如通过热氧化施加在半导体衬底上的氧化物层具有例如3nm至150nm的厚度d0Xo将充当所谓的缓冲层的金属氧化物层施加在具有例如50nm至200nm的厚度dM()X的氧化物材料上，而将金属层施加在具有例如3nm至30nm的镀层厚度dMET的金属氧化物层或缓冲层上。 因此，在本专利技术中，不将被热氧化的金属层直接施加到在半导体衬底上提供的氧化物层或绝缘层上，而是相反，将充当缓冲层的金属氧化物层首先施加或沉积在氧化物层上，之前，在随后的金属沉积中，将金属层施加在已经沉积的金属氧化物层上。例如，具有金属氧化物层和布置于其上的金属层的双层的施加和热处理能够重复数次，从而在每种情况下获得多个具有金属氧化物层和布置于其上的金属层的双层序列。 如随后将更详细地解释的，在本专利技术的制造过程的情况下，在各单独的层(即一个或多个金属氧化物层或一个或多个金属层)的各自的施加或沉积之后，在每种情况下，氧化回火、或热处理，和/或晶化回火、或热处理可被执行，使得在每种情况下使分别存在的例如非晶形层依次经历氧化和/或晶化回火，使得在每种情况下获得具有氧化和/或晶化结构的金属氧化物层或金属层。同等地，一种选择是施加双层或多个双层的金属氧化物材料和金属材料，以及在迄今未经热处理的层序列或双层序列(或多个双层)上进行氧化回火和/或晶化回火。 在本说明书的上下文中，一般而言，以示例的方式描述对具有金属氧化物层和其上布置的金属层的双层的施加和热处理。然而，这些解释同样适用于制造流程，在制造流程的情况下，多个具有金属氧化物层和其上布置的金属层的双层序列在每种情况下相继地产生。 通过对相对厚的缓冲层或具有相同的一种或多种金属元素的金属氧化物层和金属层应用本专利技术并且回火，通过金属层的金属沉积及其用于氧化的热处理能够防止氧化物层的材料受到损害，即，例如，能够防止或至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造离子敏感传感器的离子敏感结构(16)的方法(100)，所述方法包括如下步骤：提供(110)承载氧化物层(13)的半导体衬底(12)，沉积和回火(120)金属氧化物层(14*)和金属层(15*)，以获得在承载所述氧化物层(13)的所述半导体衬底(12)上的具有晶化金属氧化物层(14)和氧化晶化金属层(15)的层序列(16)，其中，所述金属氧化物层(14)和所述金属层(15)具有兼容的金属元素，并且其中，所述金属氧化物层(14)的镀层厚度(dMOX)大于所述金属层(15)的镀层厚度(dMET)。

【技术特征摘要】
2013.08.29 DE 102013109357.41.一种用于制造离子敏感传感器的离子敏感结构(16)的方法(100)，所述方法包括如下步骤: 提供(110)承载氧化物层(13)的半导体衬底(12)， 沉积和回火(120)金属氧化物层(14*)和金属层(15*)，以获得在承载所述氧化物层(13)的所述半导体衬底(12)上的具有晶化金属氧化物层(14)和氧化晶化金属层(15)的层序列(16)， 其中，所述金属氧化物层(14)和所述金属层(15)具有兼容的金属元素，并且 其中，所述金属氧化物层(14)的镀层厚度(dM)大于所述金属层(15)的镀层厚度(dlET)。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述的沉积和回火的步骤进一步包括如下步骤: 在承载所述氧化物层的所述半导体衬底上沉积所述金属氧化物层， 至少回火所述金属氧化物层，以获得晶化金属氧化物层； 在所述晶化金属氧化物层上沉积所述金属层， 回火施加的所述金属层，以获得氧化晶化金属层。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述的沉积和回火的步骤进一步包括如下步骤: 在承载所述氧化物层的所述半导体衬底上沉积所述金属氧化物层； 在施加的所述金属氧化物层上沉积所述金属层； 回火施加的所述金属层和施加的所述金属氧化物层，以获得在承载所述氧化物层的所述半导体衬底上的所述晶化金属氧化物层和所述氧化晶化金属层。4.如权利要求3所述的方法，其中，在回火步骤中，第一局部回火在氧化温度下进行，以氧化施加的所述金属层；并且其中，第二局部回火在晶化温度下进行，以晶化施加的所述金属氧化物层和氧化的所述金属层，从而获得具有所述晶化金属氧化物层和所述氧化晶化金属层的层序列。5.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述金属氧化物层以25nm至400nm的厚度被施加，并且所述金属层以Inm至10nm的厚度被施加在所述金属氧化物层上。6.如权利要求5所述的方法，其中，施加的所述金属氧化物层的镀层厚度在50nm至200nm的范围内，并且其中，施加的所述金属层的镀层厚度在3nm和30nm之间的范围内。7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括: 在第一层序列上施加和回火附加金属氧化物层和附加金属层，以获得在所述第一层序列上的具有附加晶化金属氧化物层和附加氧化晶化金属氧化物层的另一个层序列， 其中，所述附加金属氧化物层的镀层厚度dM1大于所述附加金属层dMET1的镀层厚度；并且 其中，所述第一层序列和所述第二层序列具有兼容的金属元素。8.如前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤: 重复所述的施加和回火金属氧化物层和金属层的步骤多次，以获得多个双层序列，所述双层序列具有晶化金属氧化物层和施加于其上的氧化晶化金属层，其中，相应的所述金属氧化物层的镀层厚度大于相应的所述金属层的镀层厚度，并且其中，被施加的层具有兼容的金属兀素。9.如权利要求8所述的方法，其中，所述的沉积和回火的步骤被执行，以施加晶化金属氧化物层和氧化晶化金属层的两个至四个另外的双层序列。10.如权利要求8或9所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安·库纳特，埃伯哈德库尔特，托尔斯滕·佩希施泰因，
申请(专利权)人：恩德莱斯和豪瑟尔测量及调节技术分析仪表两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE