Intégration 3D de dispositifs SETs dans le Back-End-Of-Line en technologies CMOS 28 nm pour le développement de capteurs ultra basse consommation

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

• Auteur / Autrice : Yosri Ayadi
• Direction : Dominique Drouin, Abdelkader Souifi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, électrotechnique, automatique
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL
• Jury : Président / Présidente : Andreas Ruediger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Drouin, Abdelkader Souifi, Andreas Ruediger, Adnane Abdelghani, Irina Ionica
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Ruediger, Adnane Abdelghani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures électroniques

Mots clés libres

Electronique

Capteur

Transistor mono-Électroniques - SET

Intégration 3D monolithique

Capteur de gaz à base de FET

Capteur de gaz

Détection de dihydrogène

Ultra-Basse consommation

Texturation de surface de la couche sensible

Réseaux de MW-CNTs

Electronics

Sensors

SET - Single Electron Transistor

3D monolithic integration

FET-Based gas sensor

Hydrogen detection

Sensing layer texturing

MW-CNT networks

Résumé

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. Le travail présenté dans cette thèse fut donc concentrée 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. L'objectif principal de cette thèse de doctorat peut être divisé en 4 parties : (1) la modélisation et simulation de la réponse d’capteur de gaz à base de SET à double grilles ou d’un MOSFET FD-SOI, et l’estimation de la sensitivité ainsi que la puissance consommée; (2) la caractérisation de la sensitivité du Pt comme couche sensible pour la détection du H2 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 réalise la fonction de capteur de H2.

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 power dissipation. Therefore, the work presented in this thesis is focussed on the proof of concept of 3D monolithical 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. The main objective of this Ph.D. thesis can be divided into 4 parts: (1) modelling and simulation of a DG-SET and an 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 DG-SET integration process in the BEOL of a CMOS substrate, and (4) FD-SOI MOSFET functionalization with Pt for H2 sensing.