3D integration of single electron transistors in the Back-End-Of-Line of 28 nm CMOS technology for the development of ultra-low power sensors

Abstract

La forte demande et le besoin d’intégration hétérogène de nouvelles fonctionnalités dans les systèmes mobiles et autonomes, tels que les mémoires, capteurs, et interfaces de communication doit prendre en compte les problématiques d’hétérogénéité, de consommation d’énergie et de dissipation de chaleur. Les systèmes mobiles intelligents sont déjà dotés de plusieurs composants de type capteur comme les accéléromètres, les thermomètres et les détecteurs infrarouge. Cependant, jusqu’à aujourd’hui l’intégration de capteurs chimiques dans des systèmes compacts sur puce reste limitée pour des raisons de consommation d’énergie et dissipation de chaleur principalement. La technologie actuelle et fiable des capteurs de gaz, les résistors à base d’oxyde métallique et les MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor- Field Effect Transistors) catalytiques sont opérés à de hautes températures de 200–500 °C et 140–200 °C, respectivement. Les transistors à effet de champ à grille suspendu (SG-FETs pour Suspended Gate-Field Effect Transistors) offrent l’avantage d’être sensibles aux molécules gazeuses adsorbées aussi bien par chemisorption que par physisorption, et sont opérés à température ambiante ou légèrement au-dessus. Cependant l’intégration de ce type de composant est problématique due au besoin d’implémenter une grille suspendue et l’élargissement de la largeur du canal pour compenser la détérioration de la transconductance due à la faible capacité à travers le gap d’air. Les transistors à double grilles sont d’un grand intérêt pour les applications de détection de gaz, car une des deux grilles est fonctionnalisée et permet de coupler capacitivement au canal les charges induites par l’adsorption des molécules gazeuses cibles, et l’autre grille est utilisée pour le contrôle du point d’opération du transistor sans avoir besoin d’une structure suspendue. Les transistors monoélectroniques (les SETs pour Single Electron Transistors) présentent une solution très prometteuse grâce à leur faible puissance liée à leur principe de fonctionnement basé sur le transport d’un nombre réduit d’électrons et leur faible niveau de courant. Le travail présenté dans cette thèse fut donc concentré sur la démonstration de l’intégration 3D monolithique de SETs sur un substrat de technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) pour la réalisation de la fonction capteurs de gaz très sensible et ultra basse consommation d’énergie. L’approche proposée consiste à l’intégration de SETs métalliques à double grilles dans l’unité de fabrication finale BEOL (Back-End-Of-Line) d’une technologie CMOS à l’aide du procédé nanodamascene. Le système sur puce profitera de la très élevée sensibilité à la charge électrique du transistor monoélectronique, ainsi que le traitement de signal et des données à haute vitesse en utilisant une technologie de pointe CMOS disponible. Les MOSFETs issus de la technologie FD-SOI (Fully Depleted-Silicon On Insulator) sont une solution très attractive à cause de leur pouvoir d’amplification du signal quand ils sont opérés dans le régime sous-le-seuil. Ces dispositifs permettent une très haute densité d’intégration due à leurs dimensions nanométriques et sont une technologie bien mature et modélisée. Ce travail se concentre sur le développement d’un procédé de fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI comme démonstration du concept du capteur de gaz à base de transistor à double grilles. La sonde Kelvin a été la technique privilégiée pour la caractérisation des matériaux sensibles par le biais de mesure de la variation du travail de sortie induite par l’adsorption de molécules de gaz. Dans ce travail, une technique de caractérisation des matériaux sensibles alternative basée sur la mesure de la charge de surface est discutée. Pour augmenter la surface spécifique de l’électrode sensible, un nouveau concept de texturation de surface est présenté. Le procédé est basé sur le dépôt de réseaux de nanotubes de carbone multi-parois par pulvérisation d’une suspension de ces nanotubes. Les réseaux déposés servent de «squelettes» pour le matériau sensible. L’objectif principal de cette thèse de doctorat peut être divisé en 4 parties : (1) la modélisation et simulation de la réponse d’un capteur de gaz à base de SET à double grilles ou d’un MOSFET FD-SOI, et l’estimation de la sensibilité ainsi que la puissance consommée; (2) la caractérisation de la sensibilité du Pt comme couche sensible pour la détection du H[indice inférieur 2] par la technique de mesure de charge de surface, et le développement du procédé de texturation de surface de la grille fonctionnalisée avec les réseaux de nanotubes de carbone; (3) le développement et l’optimisation du procédé de fabrication des SETs à double grilles dans l’entité BEOL d’un substrat CMOS; et (4) la fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI avec du Pt pour réaliser la fonction de capteur de H[indice inférieur 2].

Abstract : The need of integration of new functionalities on mobile and autonomous electronic systems has to take into account all the problematic of heterogeneity together with energy consumption and thermal dissipation. In this context, all the sensing or memory components added to the CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) processing units have to respect drastic supply energy requirements. Smart mobile systems already incorporate a large number of embedded sensing components such as accelerometers, temperature sensors and infrared detectors. However, up to now, chemical sensors have not been fully integrated in compact systems on chips. Integration of gas sensors is limited since most used and reliable gas sensors, semiconducting metal oxide resistors and catalytic metal oxide semiconductor- field effect transistors (MOSFETs), are generally operated at high temperatures, 200–500 °C and 140–200° C, respectively. The suspended gate-field effect transistor (SG-FET)-based gas sensors offer advantages of detecting chemisorbed, as well as physisorbed gas molecules and to operate at room temperature or slightly above it. However they present integration limitations due to the implementation of a suspended gate electrode and augmented channel width in order to overcome poor transconductance due to the very low capacitance across the airgap. Double gate-transistors are of great interest for FET-based gas sensing since one functionalized gate would be dedicated for capacitively coupling of gas induced charges and the other one is used to bias the transistor, without need of airgap structure. This work discusses the integration of double gate-transistors with CMOS devices for highly sensitive and ultra-low power gas sensing applications. The use of single electron transistors (SETs) is of great interest for gas sensing applications because of their key properties, which are its ultra-high charge sensitivity and the ultra-low power consumption and dissipation, inherent to the fundamental of their operation based on the transport of a reduced number of charges. Therefore, the work presented in this thesis is focused on the proof of concept of 3D monolithic integration of SETs on CMOS technology for high sensitivity and ultra-low power gas sensing functionality. The proposed approach is to integrate metallic double gate-single electron transistors (DG-SETs) in the Back-End-Of-Line (BEOL) of CMOS circuits (within the CMOS interconnect layers) using the nanodamascene process. We take advantage of the hyper sensitivity of the SET to electric charges as well from CMOS circuits for high-speed signal processing. Fully depleted-silicon on insulator (FD-SOI) MOSFETs are very attractive devices for gas sensing due to their amplification capability when operated in the sub-threshold regime which is the strongest asset of these devices with respect to the FET-based gas sensor technology. In addition these devices are of a high interest in terms of integration density due to their small size. Moreover FD-SOI FETs is a mature and well-modelled technology. We focus on the functionalization of the front gate of a FD-SOI MOSFET as a demonstration of the DGtransistor- based gas sensor. Kelvin probe has been the privileged technique for the investigation of FET-based gas sensors’ sensitive material via measuring the work function variation induced by gas species adsorption. In this work an alternative technique to investigate gas sensitivity of materials suitable for implementation in DG-FET-based gas sensors, based on measurement of the surface charge induced by gas species adsorption is discussed. In order to increase the specific surface of the sensing electrode, a novel concept of functionalized gate surface texturing suitable for FET-based gas sensors are presented. It is based on the spray coating of a multi-walled-carbon nanotubes (MW-CNTs) suspension to deposit a MW-CNT porous network as a conducting frame for the sensing material. The main objective of this Ph.D. thesis can be divided into 4 parts: (1) modelling and simulation of a DG-SET and a FD-SOI MOSFET-based gas sensor response, and estimation of the sensitivity as well as the power consumption; (2) investigation of Pt sensitivity to hydrogen by surface charge measurement technique and development of the sensing electrode surface texturing process with CNT networks; (3) development and optimization of the DG-SET integration process in the BEOL of a CMOS substrate, and (4) FD-SOI MOSFET functionalization with Pt for H[subscript 2] sensing.