Brevet FR2510260A1 — publié le 19830128

La présente invention se rapporte aux dispositifs semi-con- ducteurs sensibles aux ions en général et concerne plus particu- lièrement des dispositifs comportant un transistor à effet de champ. De nouveaux dispositifs ont été récemment développés pour détecter et mesurer des propriétés chimiques, telle l'activité des ions, d'un milieu liquide Parmi ces dispositifs connus fi- gure le transistor ISFET (Ion-Sensitive Field Effect Transistor> dont la structure et le fonctionnement sont décrits, par exemple, dans le brevet américain No 4 020 830 Le transistor ISFET est un transistor à effet de champ à grille isolée dont la grille est remplacée par une solution conductrice et dont la couche isolante réagit de manière spécifique avec certains ions contenus dans la solution La réponse du transistor ISFET est alors dépendante de la nature et de la concentration des ions dans la solution Un des problèmes existant avec les structures connues est d'éviter les interférences entre la solution et les éléments purement élec- troniques, à savoir les zones de canal, de source et de drain et les connexions Les matériaux et les techniques d'encapsulation actuels ne permettent pas d'éliminer totalement cet inconvénient. Par ailleurs la couche sensible, qui est en contact avec la solu- tion et avec la zone de canal, doit être relativement mince, ty- piquement de l'ordre de 0,1 micron, pour assurer le bon fonction- nement du transistor Or cette couche sensible doit également ser- vir de barrière à la migration des ions de la solution vers le dispositif électronique et l'on conçoit-aisément que cette barriè- re est d'autant moins efficace que son épaisseur est plus fai- ble. Une méthode connue pour éviter les interférences entre la solution et les contacts de drain et de source, consiste à réali- ser à travers le substrat des diffusions profondes et de faire les connexions de drain et de source sur-le dos de la puce Cette méthode procure l'avantage de supprimer toute-zone de connexion sur la face en contact avec la solution Par contre, la réalisa- tion de ces diffusions profondes à travers le substrat n'est pas compatible avec les procédés technologiques standards et ces dif- fusions sont, par ailleurs, assez mal contrôlées - -2- Aussi un objet de la présente invention est un dispositif semiconducteur sensible aux ions, du type transistor à effet de champ, ne présentant pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif com- prend un transistor à effet de champ réalisé sur un substrat et ayant une grille flottante s'étendant au-delà de la zone du tran- sistor et une couche sensible couplée capacitivement à la grille flottante en dehors de ladite zone du transistor. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit tran- sistor à effet de champ est réalisé sur une première face dudit substrat tandis que ladite couche sensible est formée sur la deuxième face dudit substrat. De cette manière, la partie électronique du dispositif est située du côté du substrat opposé à celui en contact avec l'élec- trolyte Il est ainsi plus facile de réaliser l'isolation de cette partie électronique -Un-autre avantage résulte-du couplage capa- citif entre la couche sensible et la grille flottante Le diélec- trique de cette capacité de couplage, qui sert également de bar- rière à la migration des ions, peut être relativement épais puis- que sa surface peut être grande C'est en effet la valeur totale de la capacité de couplage qui est importante pour un fonctionne- ment correct du dispositif. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la pré- sente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la- description suivante d'exemples de réalisation particuliers, la- dite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels: la figure 1 montre une structure connue de transistor FET sensible aux ions; la figure 2 montre un premier dispositif sensible aux ions en accord avec les principes de la présente invention; et la figure 3 montre un deuxième dispositif sensible aux ions en accord avec les principes de l'invention. La figure 1 illustre l'art antérieur et montre, en coupe, une structure connue de transistor FET utilisé comme transducteur électrochimique Cette structure comprend un substrat 10 en sili- 3-2510260 cium dopé de type p, deux zones séparées 11 et 12 de diffusion de type N formant respectivement la source et le drain, une couche d'isolant 13, typiquement en Si O 2, une couche de protection 14,par exemple en Si N", et une couche sensible 15 La couche sensible 15 est en contact avec un électrolyte dans lequel baigne une électrode de référence 16 La couche sensible 15 est prévue pour réagir avec les ions d'un type donné de l'électrolyte en créant un potentiel électrochimique de surface qui module le champ élec- trique de la zone de canal Le potentiel de surface dépend de l'ampleur de la réaction laquelle dépend de la concentration des- dits ions d'un type donné dans l'électrolyte Des changements de cette concentration entraînent des variations du courant de con- duction mesuré par l'ampèremètre 19. Dans une structure telle que montrée à la figure 1, les zones de contacts de drain et de source (non représentées) sonit situées du côté de l'électrolyte ce qui, compte tenu des, maté- riaux utilisés pour l'encapsulation, ne permet pas d'assurer la stabilité à long terme du dispositif Par ailleurs l'épaisseur de l'oxyde de grille 13 et de la couche de protection 14 doit être suffisamment faible dans la zone de canal pour que le fonctionne- ment du dispositif soit correct Or cette faible épaisseur consti- tue également un inconvénient en ce sens qu'elle diminue l'effica- cité de la couche de protection 14. Ainsi il est prévu, selon l'invention, une structure de transistor FET sensible aux ions incorporant une grille flottante et dans laquelle la couche sensible est située à l'opposé de la- dite grille flottante Une structure en accord avec les principes de l'invention est montrée à la figure 2 dans laquelle les élé- ments analogues à ceux de la figure 1 portent les mêmes références. On retrouve un transistor FET à canal n, avec un substrat 10 en silicium de type p, deux zones de diffusion 11 et 12 de type n formant la source et le drain et une couche isolante en Si O 2 13- dont la partie amincie 13 a constitue l'oxyde de grille La grille , réalisée par exemple en aluminium ou en silicium polycristal- lin dopé, est flottante et est couplée capacitivement, à travers une couche d'oxyde mince 13 b, à la couche sensible 15 Cette cou- che sensible 15 est déposée sur l'autre face de la plaquette de silicium, laquelle a été préalablement attaquée afin d'éliminer le silicium en regard de l'oxyde mince 13 b Une couche isolante 13, en Si O est intercalée entre le substrat 10 et la couche sensible pour diminuer l'influence de l'électrolyte sur le transistor. La structure comporte également des zones de contacts de drain et de source non représentées car en dehors du plan de la coupe, mais situées sur la face supérieure, c'est-à-dire sur la face op- posée à celle en contact avec l'électrolyte La face supérieure est encore recouverte d'une couche isolante 21 qui isole la gril- le flottante 20. La couche d'oxyde 13 b, qui sert de diélectrique au conden- sateur formé par la grille flottante 20 d'une part et la couche sensible 15 d'autre part, peut être épais pourvu que sa surface soit grande, car c'est la valeur totale;de la capacité de couplage qui est importante Il est alors possible de réaliser une barriè- re efficace s'opposant à la migration des ions de l'électrolyte vers la grille flottante. Le substrat en silicium 10 est un matériau opaque qui protège par conséquent le transistor de toute lumière pouvant pro- venir de l'électrolyte Ceci résulte directement des caractéristi- ques de la structure de l'invention. La figure 3 montre, en coupe, un autre exemple de réalisa- tion de l'invention à l'aide d'une technologie sur un substrat isolant tel le saphir Sur un substrat en saphir 30 sont réali- sées, à l'aide d'une technologie SOS (Silicon On Sapphire) con- ventionnelle, trois zones 31, 32 et 33 de silicium dopées avec des polarités alternées et constituant respectivement la source, le canal et le drain d'un transistor La grille flottante 40 peut être réalisée en silicium polycristallin convenablement dopé Une couche isolante 34 de Si O 2 recouvre la grille flottante 40 ainsi que les zones de source, de canal et de drain La face inférieure de la plaquette de saphir est usinée, par exemple aux ultrasons, de manière à constituer une membrane 41 d'une épaisseur d'environ dix microns en regard de la grille flottante Cette membrane 41 sert à la fois de -couche sensible, de barrière à la migration des ions et de diélectrique du condensateur de couplage entre la cou- che sensible et la grille flottante Un tel dispositif peut être utilisé comme senseur p H, le saphir ayant une réponse sélective aux ions H+ Une couche opaque 42 peut être déposée sur la face inférieure afin de supprimer l'action de la lumière sur le tran- sistor. Dans le cas d'un dispositif réalisé sur un substrat iso- lant et comportant une couche sensible d'une matière différente de celle du substrat, il est possible de prévoir cette couche sen- sible du même côté que la partie électronique Cette-couche sen- sible sera cependant toujours couplée capacitivement à la grille flottante du transistor en une région distante de la zone du tran- sistor. Les deux exemples de réalisation décrits ci-dessus ne sont donnés qu'à titre d'exemples et il est clair qu'ils ne sauraient limiter la portée de l'invention Il est en particulier évident que d'autres couches connues pour servir de barrière aux ions peuvent être utilisées On peut citer, à titre d'exemple, le Si 3 N 4. Il est également évident que d'autres matériaux que ceux cités sont applicables aux structures de l'invention De tels matériaux sont connus pour leurs propriétés électrochimiques et ont déjà été utilisés comme élément sensible On peut citer, par exemple, les oxydes d'aluminium ou de tantale, des verres, des échangeurs d'ions dans une matrice en PVC ou en photoresist. -6- REVENDICATIONS 1 Dispositif semi-conducteur apte à répondre sélecti- vement aux ions d'une solution à laquelle il est exposé et ayant une couche sensible ( 15) et un transistor à effet de champ cons- titué par une zone de source ( 11,31), une zone de canal ( 32), une zone de drain ( 12,33) réalisées sur un substrat ( 10,30) et une grille ( 20, 40) séparée desdites zones de source, de canal et de drain par une couche isolante ( 13,34); ledit dispositif étant ca- ractérisé en ce que ladite grille ( 20,40) est flottante et en ce qu'elle est couplée capacitivement à ladite couche sensible ( 15) en dehors desdites zones de source, de canal et de drain. 2 Dispositif selon- la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche sensible est formée sur la face du substrat opposée à cella sur laquelle ledit transistor est réalisé. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couplage capacitif est réalisé par l'intermédiaire d'une membrane mince ( 13 b,41) en un matériau isolant. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit substrat ( 10) est un matériau semi-conducteur. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit substrat ( 30) est un matériau isolant.