JPH0259425B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置であつてその電気的特性
がその装置の一部と特定物質との選択的相互作用
に依存するものに関し、より詳しくは選択的反応
域がその上の適所に堅く固定された膜を構成する
方法及び装置に関する。

“選択的化学感受性FETトランスデユーサ
（SELECTIVE CHEMICAL SENSITIVE FET
TRANSDUCERS）と題する、1977年５月３日
付でジヨンソン外に発行された米国特許4020830
号によつて例示される一群の装置があり、これら
は化学的選択系の特定周囲物質に対する相互作用
によつて変調される電気的特性に特徴がある。ジ
ヨンソンの特許によると、基体層はドレーン域と
ソース域を有し、これら二域は、絶縁層と、予め
決められた周囲物質と特定の相互作用を行うため
の化学選択系がその上に堆積されている一定の領
域あるいはチヤンネルによつて隔てられている。
化学的選択系は一般に物質と相互作用する膜の形
態をとり、特定周囲物質の濃度に基づいてドーン
からソースへの電気伝導を変調させる。

ジヨンソン他の特許は、ガス濃度、イオン活
性、免疫化学的濃度、酵素と基質の濃度等を含む
様々の種類の周囲条件を測定する化学選択系を意
図し、実際に多くのこのような適用が様々な異種
分野において有利であることを見出した。当業者
らはこれらそれぞれの適用を別々に示すものとし
て命名しようとして来た。例えば、化学選択膜装
置には“ケムフエト（CHEMFET）”の呼称を、
イオン的反応装置には“イズフエト（ISFET）”
の呼称を、免疫学的反応装置には“イムノフエト
（IMMUNOFET）”などである。しかし、本願
の目的のために、“ケムフエト（chemfet）”の用
語又は単に“装置（device）”の用語は、利用す
る感受性もしくは反応の種類、使用する膜の特
性、又は測定すべき周囲物質の性質に関係なく、
全てのこのような装置を含むものとして一般的に
使用する。また、本明細書で使用するケムフエト
又は装置の用語は、トランジスター型、ダイオー
ド型、又は膜−物質の相互作用に基づく類似の導
電度変調に特徴がある他の同様の装置を含むもの
として使用する。

近年、装置構造の開発、及び高信頼性で安定で
定量測定の良好な装置の大規膜生産を容易にする
製造方法の開発に、多くの努力がはらわれてき
た。例えば、装置のカプセル（ケース）化、膜の
構成、及び膜の形成が極めて困難な技術問題であ
ることがわかつた。

優れたケムフエト装置製造のために、装置構造
と製法を提供することが本発明の一般的目的であ
り、該装置は高い信頼性、良好に定量化された仕
様、適切な物理的一体性、並びに合理的な動作寿
命を有するものである。

これら装置の膜の態様を詳しく考察すると、問
題は製造段階においてと、装置の使用及び寿命の
点においての両方において存在することに気づ
く。例えば、可塑剤含有量が高いポリマー膜がこ
の分野で好まれて来たが、製造歩留り、動作の再
現性及び物理的一体性によつて装置が特徴付けら
れることが多かつた。製造時にゲート絶縁体に不
適切にケムフエト膜が固着されると、膜は周囲の
ケーシングから次第に脱離する結果となることは
明らかである。これは、化学的反応が次第に失わ
れるばかりでなく、遅かれ早かれ装置全体の故障
をもたらす結果になる。

よつて、本発明のより具体的な目的は、ケムフ
エト膜が高い信頼性で、確実に、しかも事実上永
久的に装置に固定され、それにより優れた機械的
一体性と改良された良特性の電気化学的動作が達
成されるような機構（mechanisms）、系
（systems）及び技術を提供することに関する。

本発明の原則は、非反応性材料からなる宙吊り
のメツシユ（網目）（suspended mesh）をゲー
ト−膜系の上に配置することを前提とし、該メツ
シユは膜を絶縁体に堅く固定する一方、膜は該メ
ツシユを通して実質的に障害のない状態で周囲物
質と反応する。本発明のより具体的なえ態様によ
ると、膜を塗布即ち形成する前にこのような宙吊
りメツシユが装置のチツプ上に形成される。そし
てそれ故に、宙吊りメツシユは、装置の有用寿命
の間、膜を収容し固定する上部構造としてだけで
なく、正に膜形成の機構として機能する。

本発明の原則の好ましい一態様では、ケムフエ
ト装置は、装置のゲート絶縁体域上に宙吊りにさ
れ、このゲート絶縁体域の周辺の回りに固定され
支持される、ポリイミド製網目（メツシユ）格子
を有する。ポリマーの膜材料は液状でこのメツシ
ユの上に置かれると、メツシユと絶縁体の間の空
所（void）へ浸入し、残余はメツシユの上で硬化
されるか、あるいは蒸発除去される。膜を適切に
硬化させると、このメツシユは膜に対して保持固
定具兼包接体を形成する。

このような装置の好ましい製造法では、格子の
形成は、一連の処理工程として基本的な装置製造
の間にはさまれ、好ましくはウエーハの加工と同
時に行われる。特に、ウエーハ加工の間におい
て、アルミニウムボンデイングパツトをチツプの
上に配置するとき、又は装置の絶縁されたゲート
域の上にアルミニウム被覆を形成するときであ
る。このゲート−絶縁体−アルミニウム域、並び
に少なくともその周りの境界部をポリイミドで被
覆した後、フオトレジストエツチングの技術を用
いて穴のあいた格子構造を、ポリイミドを貫ぬい
てアルミニウムに至るまで形成する。次に、再び
フオトレジストエツチングの技術を利用して、ポ
リイミドの下のアルミニウムをエツチング除去
し、ゲート絶縁体の上方に宙吊られ、該ゲート域
を囲む区域で支持されたポリイミドのメツシユを
残す。ポリイミドのメツシユとその下のゲート絶
縁体との間に形成された空所は、活性膜の場所を
形成し、これが動作中はポリイミド格子メツシユ
の穴を通じて回りの周囲物質と反応することにな
る。

したがつて、本発明の原則によつて、多かれ少
なかれ標準的な集積回路加工工程及び材料が、比
較的少ない加工工程を追加して利用され、膜脱離
やその結果起る機械的電気的劣化や故障に通常伴
なつた問題が大部分取除かれたケムフエト装置が
製造される。さらに、ポリイミドをメツシユとし
て利用すると、優れた生物親和性のある接触面が
提供され、装置を近似した許容差内で効率的に使
用することが可能になり、生体臨床医学的応用を
強く要求する状況に応えるものである。

初めに図１を参照すると、従来技術のケムフエ
ト型装置が示されている。特に、この図１の装置
は、先に引用したジヨンソン外の米国特許
4020830号の図２を表す。図１において、基体３
０は、装置のソース域とドレーン域を決定する拡
散域３２と３４を有する。絶縁体３６の層は装置
を周囲条件から保護し、導電路４０，４２は、ド
レーン及びソースの電極３２と３４を外部回路へ
電気的に接続する。膜３８は、ソースとドレーン
３２と３４の間のゲート域の上に重なり、溶液不
浸透性の層４４によつて適所に保持されている。
溶液即ち周囲物質４６は膜３８と接触し、また基
準電極４８（回路素子５０及び５２によつて他の
端子に対して適当にバイアス電圧が加えられてい
る）が、この装置の動作を可能にするために所要
の参照電圧をもたらしている。

次に図２を参照すると、本発明の原則を説明す
る実施例が示されており、ポリイミドの格子メツ
シユ２０７が装置のゲート域を覆つて施されてい
る。詳しくは、図２において、基体２０１はそこ
に拡散されたドレーン域２０２とソース域２０３
を有する。図２の実施例では、ドレーンとソース
の電極を外部へ接続する実際の電気的接続（即
ち、図１の象徴的な接続４０，４２）が示されて
いないが、この装置の実際の構造（例えば、図４
Ａ及び４Ｂに関して述べるように）は、図２にに
示すよりもかなり精緻であることは、理解されよ
う。ともかく、図２では、絶縁体層２０４が積層
され、ドレーンとソース２０２と２０３の中間部
がゲートあるいはチヤネル域２０５を形成し、そ
の導電性は上に重なる化学選択膜の周囲物質との
相互作用によつて変化されるものである。ゲート
のチヤンネル域２０５の直接上の域２０６は膜を
設ける場所であるが、図１に例示された従来技術
とは異なり、本発明の原則にしたがつて初めに宙
吊りの格子メツシユ２０７をゲートの絶縁体域２
０５の上に形成して空所（void）２０６をつく
り、その空所に後から膜を形成することが望まし
い。図２に示すように、宙吊りのメツシユ２０７
は装置に結合される。より詳しくは、例えば２０
８及び２０９として示されるように、ゲート絶縁
体域の周辺の回りで絶縁体層２０４に結合され
る。宙吊りメツシユ２０７はそれを貫ぬく穴２１
１を有し、２０６に設けられる膜はこの穴を通し
て周囲物質と選択的に相互作用をすることにな
る。

図２に示す種類の装置を製造する好ましい方法
は次のとおりであるが、従来の処理工程と共働
し、時折部分的に重複するような性格の中間処理
工程をいくつか付け加えることにより、本発明の
原則を従来型のケムフエト装置の製造に完全に調
和させて組入れられることを、理解すべきであ
る。またさらに、説明のためにここで述べる図面
は単一の装置のみに関しているが、本発明の原則
を組入れることが最も有利であるのは複数の装置
のウエーハ全体の製造においてである。

装置の絶縁層２０４と２０５を施して装置を完
成させた後、アルミニウムを例えば真空蒸着法に
よつてウエーハ全体の上に蒸着させる。この時点
で、従来の方法はボンデイングパツドの所、及び
もしあれば導電路の所を除いて、ウエーハから全
アルミニウムをエツチングすることを必要とす
る。しかし、本発明の原則によると、各チツプの
ゲート域２０５の上のアルミニウム被覆（例えば
１ミクロン厚）を維持するために、エツチングフ
オトレジストマスクが配置される。

次に、従来の製造法では、不浸透層（例、図１
の４４）の塗布を必要とする。本発明の好ましい
実施例では、ポリイミド層が装置上に例えば厚さ
1000オングストロームに引き延ばされる。このポ
リイミド層は例えば前ベーキング（prebaking）
によつて固定され、フオトレジストのマスク工程
により慣用の方法の場合のようにスクライブライ
ン及びボンデイングパツドを露わにし、またこの
時点ではまだゲート絶縁体域を覆つているアルミ
ニウムパツドの上の点（図２の２１１）の格子構
造即ちメツシユをも露わにする。

その後、通常のフオトレジスト技術を利用し
て、ポリイミドをボンデイングパツドにわたつ
て、スクライブラインから、エツチング除去しそ
して本発明の原則からして最も重要なことである
が、アルミニウム−ゲート絶縁体層の上の穴２１
１の格子構造からエツチング除去する。次いで、
硬化を促進するために、ポリイミドをすすぎ洗
い、後ベーキング（post−baking）を施すこと
が望ましい。

本発明の原則にしたがつて、先に形成されたメ
ツシユの下のアルミニウム層をエツチング除去し
なければならないが、そこでアルミニウムボンデ
イングパツドもエツチング除去されてしまうのを
防ぐためにこの上にフオトレジストを堆積させ
る。次いで、宙吊りメツシユ２０７とその下のゲ
ート絶縁体域２０５の間に図２に示される空所域
２０６が形成されるまで、ポリイミドメツシユの
下からアルミニウムを完全にエツチング除去する
（例えば、酢酸、硝酸及びリン酸の溶液を利用し
て）。

フオトレジストをボンデイングパツドから除去
し、装置を適切に乾燥し、清浄にし、この段階で
ウエーハの通常の処理を必要なように続ける。

図２及び図３を参照すると、穴２１１が形成さ
れた宙吊りメツシユ構造２０７の好ましい形態が
表されている。好ましい実施態様では、メツシユ
２０７はゲート絶縁体の上約１ミクロンのところ
に宙吊りにされる。穴は長さ数十ミクロン、幅数
十ミクロンの範囲にあり、それぞれ調和する寸法
だけ離れている。装置を製造した初めのときに
は、空所２０６は空気のみで満たされている。空
所内に膜を形成するために、単に液状の膜材料を
一滴（例えば、シリンジを用いて）置けばよい。
この材料は宙吊りメツシユの穴２１１に浸入して
空所２０６を満たし、硬化させると膜を形成す
る。ひとつの態様では過剰の液体は蒸発により除
かれる。別の態様では膜はメツシユの下だけでな
く上にも形成される。

最後に図４Ａと４Ｂを参照すると、本発明の原
則の二つの装置チツプへの応用が多少象徴的に示
されている。詳しくは、図４Ａのチツプ２０１は
実用性があるとして知られている一種の半導体チ
ツプを示し、各チツプ２０１は２つの離れたケム
フエト装置を含んでいる。チツプへのボンデイン
グパツド４０１は、各装置のゲート絶縁体域４０
５から間隔を置いて示されている。図４Ｂに示す
ように、各ポリイミド宙吊りメツシユ４０７は完
成したチツプの上に配置されていて、チツプの反
対側の端部に装置がつり合つて集められている。

上記は本発明の原則の好ましい説明のための実
施例を示すこと、当業者は、本発明の精神ないし
は範囲を逸脱することなく、多数のこれに代わる
実施例に想到することは、理解されよう。例え
ば、本発明の原則を宙吊りメツシユの特定の組成
にも特定の寸法にも限定しない（他のポリマー又
は他の材料をポリイミドの代りに使用できる）。
前述した製造処理工程は主として半導体製造の技
術水準に属するものであるが、フオトレジスト−
エツチング及び材料の硬化（cure）並びに選択の
具体的な態様は確かに日進月歩するであろう。そ
して本発明の原則は、一層容易に新処理技術に適
用できることが予想できる。最後に、種々の一般
的な形態例えば入力と出力の間の種々の接合構造
（例えばシングル又はマルチプル接合型装置）を
とる装置を、このような装置が本明細書で述べた
種類のゲート型膜をを使用する限り、本発明の原
則を全く円滑に適用できることも理解されよう。

【図面の簡単な説明】

図１は従来技術のケムフエト装置の横断面を示
す。図２は本発明の説明的実施例を示す。図３は
本発明の宙吊りメツシユゲート膜を示す。図４Ａ
は二装置・ケムフエト・チツプの象徴的な一例を
表す。図４Ｂは本発明による装置を含むチツプの
平面図である。 ３６……絶縁体、３８……膜、４６……周囲物
質、２０５……ゲート、２０６……膜の場所（空
所）、２０７……格子メツシユ、２１１……穴、
４０１……ボンデイングパツド、４０５……ゲー
ト絶縁体域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電界効果装置の特定域の上を覆う選択的反応
   膜を使用する系を含む電界効果装置において、実
   質的に非反応性のメツシユ構造であつて、前記特
   定域から間隔をおき、かつ該特定域の上を覆つて
   いるものを有する電界効果装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の電界効果装置で
   あつて、前記メツシユが延びて前記特定域を包
   み、前記特定域の周辺の回りに固定され、そして
   前記膜の場所を包む穴あきの包接体を形成してい
   る電界効果装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の電界効果装置で
   あつて、前記メツシユが本質的にポリイミド材料
   のみからなる電界効果装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の電界効果装置で
   あつて、前記メツシユ構造と前記特定域の間に少
   なくとも部分的に収容されたポリマー性膜をさら
   に含む電界効果装置。 ５ 電界効果装置の特定域の上を覆う選択的反応
   膜を使用する系を含む電界効果装置の製法であつ
   て、次の諸工程からなるもの： (a) 絶縁されたゲート域を含む前記装置を少なく
   とも１つを用意し； (b) 少なくとも前記ゲート域を前記反応膜で被覆
   し； (c) 少なくとも前記反応膜を非反応性のメツシユ
   構造材料で被覆し、該メツシユ構造材料は前記
   ゲート域周辺の回りの少なくとも予め決められ
   た所で前記装置に結合され； (d) 前記メツシユ構造材料を貫く穴を選択的に形
   成して格子パターンを形成し；そして (e) 前記反応膜を前記ゲート域から選択的に除去
   する。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の方法であつて、
   少なくとも前記反応膜により以前占められていた
   空所を充填することにより、前記ゲート域の上に
   ポリマー性膜を形成する工程をさらに含む方法。 ７ 特許請求の範囲第５項記載の方法であつて、
   前記反応膜及び前記メツシユ構造材料が、それぞ
   れ前記反応膜及び前記メツシユ構造材料の処理に
   よつて互いにいずれか一方ずつ化学的に除去され
   る方法。 ８ 特許請求の範囲第７項記載の方法であつて、
   前記反応膜がアルミニウムであり、前記反応膜を
   選択的に除去する前記工程が、酸エツチング剤溶
   液を使用して前記アルミニウムを実質的に完全に
   エツチング除去することかなる方法。 ９ 特許請求の範囲第７項記載の方法であつて、
   前記メツシユ構造材料がポリイミドであり、穴を
   選択的に形成する前記工程が、フオトレジストか
   らなる格子構造のパターンを前記メツシユ構造材
   料の上に展開し、エツチングして前記ポリイミド
   に前記反応膜に至る穴をあけることからなる方
   法。 １０ 特許請求の範囲第５項記載の方法であつ
   て、前記電界効果装置が半導体装置である方法。