Kapazitive pH-Sensoren auf der Basis von makroporösem Silizium mit Doppelisolatorschicht aus thermisch oxidiertem SiO2 und LPCVD-Si3N4

Abstract

Halbleitersensoren für den Ionennachweis in wässrigen Lösungen lassen sich einfach und kostengünstig als kapazitive Feldeffektstrukturen in Form von sogenannten EIS- (Elektrolyt-Isolator-Silizium) Sensoren realisieren. Allerdings sind solche Sensoren begrenzt miniaturisierbar, da ihre geometrische Fläche direkt proportional in das Meßsignal, die Kapazitätsänderung, eingeht. Um diesen Nachteil zu umgehen, haben wir auf dem ersten BioSensorSymposium in München (1999) einen neuartigen Lösungsansatz vorgeschlagen, bei dem makroporöses Silizium als Basismaterial für verschiedene sensoraktive Substanzen, wie z.B. pH-sensitive Schichten und Enzyme eingesetzt werden kann. Bei der Verwendung von makroporösem Silizium als Transducermaterial hat die durch den Herstellungsprozeß bedingte Vergrößerung der sensoraktiven Oberfläche nämlich eine Zunahme der Meßkapazität zur Folge. Aufgrund der Ätzanordnung zur Herstellung von porösem Silizium war es bisher allerdings nur möglich, Niedertemperaturprozesse, wie das PECVD (Plasma-Enhanced-Chemical-Vapour-Deposition)-Verfahren, zur Abscheidung von SiO2 als Isolatorschicht und Si3N4 als pH-sensitiver Schicht zu verwenden. Solche Sensoren besitzen allerdings keine hohe Langzeitstabilität im Meßbetrieb (ca. 2 Monate), da die dielektrischen Schichten unzureichende Korrosionseigenschaften aufweisen. Zur Verbesserung der Langzeitstabilität von Sensoren aus porösem Silizium bietet sich die Verwendung von thermisch oxidiertem Silizium als Isolatorschicht und das Abscheiden von Siliziumnitrid als pH-sensitive Schicht mittels LPCVD (Low-Pressure- Chemical-Vapour-Deposition)-Verfahren an. Vorangegangene Arbeiten aus unserer Arbeitsgruppe hatten gezeigt, daß planare Sensoren mit LPCVD-Nitrid als Transducermaterial über einen Zeitraum von sieben Monaten konstant hohe Sensitivitäten nahe dem Nernst-Idealwert aufweisen.