Dispositifs de silicium-sur-isolant avec contacts métalliques pour détection de pH basée sur le potentiel hors-équilibre

Silicon-on-insulator devices with metal contacts for pH sensing based on out-of-equilibrium body potential

• Auteur / Autrice : Miltiadis Alepidis
• Direction : Irina Stefana Ionica
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 08/02/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-Cachopo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrian M. Ionescu, Francisco Gamiz, Stéphane Monfray
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Francis Calmon, Jérôme Launay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

pH

Transistors MOSFET

Technologie silicium sur isolant

Mots clés libres

Silicium-Sur-Isolant

Potentiel hors-Équilibre

MOSFET avec contacts métalliques

Capteur de pH

Caractérisation électrique et modélisation

Mesures transitoires

Silicon-On-Insulator (SOI)

Out-Of-Equilibrium body potential

Metal contact MOSFET

PH sensor

Electrical characterization and modeling

Transient measurements

Résumé

L’objectif de cette thèse est le développement d'un capteur (bio)-chimique basé sur une méthode de détection innovante, le potentiel hors-équilibre dans un dispositif fabriqué sur silicium-sur-isolant (silicon-on-insulator, SOI). Le phénomène fait partie de la famille des effets de «body» flottant, qui sont généralement considérés comme parasites dans les transistors à effet de champ métal oxyde semiconducteur (MOSFET) sur SOI complètement déserté. Toutefois, il a été exploité pour des applications «mémoire». Le point de départ de la thèse est la configuration pseudo-MOSFET, où le substrat sert de grille arrière et deux pointes métalliques de pression contrôlée sont posées sur le film et sont utilisées comme source et drain. Dans cette structure, typiquement utilisée pour la caractérisation électrique des plaques SOI, le canal formé à l'interface entre le film Si et l'oxyde enterré est affecté par les charges déposées sur la surface, comme dans un ISFET (ion sensing FET). La détection d’ADN dans des conditions sèches, basée sur le potentiel hors-équilibre mesuré dans cette structure, avait déjà été prouvée. Dans ce contexte, la thèse a apporté trois développements technologiques majeurs pour obtenir un capteur en SOI avec contacts métalliques déposes, en utilisant le potentiel hors-équilibre: (1) implémentation des mesures dynamiques avec des signaux triangulaires appliqués sur la grille arrière, (2) remplacement des pointes à pression contrôlée du pseudo-MOSFET par des contacts métalliques déposés et (3) validation de la preuve de concept de détection basé sur le potentiel hors d'équilibre, dans un milieu liquide. En parallèle aux développements technologiques, des progrès significatifs ont été réalisés dans la compréhension de l’origine du potentiel hors-équilibre, grâce à des simulations TCAD et aux modélisations. Une nouvelle architecture de simulation TCAD, capable de recréer la réponse en potentiel hors-équilibre avec la configuration pseudo-MOSFET, a montré que son origine est liée à la barrière de potentiel créée sous les pointes. Pour les dispositifs SOI avec des contacts métalliques déposés, ce comportement est simplement dû à la jonction Schottky entre le métal et le film de silicium faiblement dopé. Cet effet est reproduit en résolvant numériquement les équations de Poisson et de continuité. En s’appuyant sur les résultats ci-dessus, le dispositif a été modélisé par un circuit équivalent constitué d’une diode Schottky en série avec une capacité MOS, où la charge d'inversion imposée par la grille arrière dans la capacité doit être fournie par la jonction. La preuve de concept de la détection par potentiel hors-équilibre a été apportée pour la mesure du pH en solution. Des simulations TCAD complémentaires ont révélé des chemins d'optimisation et une amélioration possible de la sensibilité grâce à la lecture du potentiel hors d'équilibre par rapport à la variation de conductance classiquement utilisée dans les ISFETs.

This thesis focuses on the development of a (bio)-chemical sensor based on an innovative detection paradigm, the out-of-equilibrium body potential in a silicon-on-insulator (SOI) device. The phenomenon belongs to the family of floating body effects, which are generally considered as parasitic in fully depleted SOI metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET), but it was exploited for memory applications. The starting point of the thesis was the pseudo-MOSFET configuration with pressure controlled probes, where the bulk serves as gate and the two probes are source and drain. In this structure, typically used for electrical characterisation of SOI wafers, the transport at the interface between the Si film and the buried oxide is influenced by the charges placed on the top, similar to the working principle of an ISFET (ion sensing FET). DNA sensing in dry conditions, based on the out-of-equilibrium body potential was proven previously utilising this structure. In this context, the thesis focuses on three key elements concerning the technological developments needed to obtain a simple SOI sensor with metal contacts based on out-of-equilibrium body potential: (1) implementing dynamic measurements with triangular signals applied to the back-gate, (2) replacing the pressure controlled probes of the pseudo-MOSFET with deposited metal contacts and (3) proving the use of out-of-equilibrium body potential for “in-liquid” sensing. In parallel with the technological developments, significant progress was made on the understanding of the out-of-equilibrium body potential through TCAD simulations and modeling. A new TCAD simulation architecture, able to recreate the out-of-equilibrium body potential for pseudo-MOSFET, showed that its origin relates to the potential barrier created under the contacts. For SOI devices with deposited metal pads this behaviour is simply due to the Schottky junction between the metal and the low doped silicon film. This was simply reproduced by solving numerically the Poisson and continuity equations. Based on the above results, the device was be modeled by an equivalent circuit made of a Schottky diode in series with a MOS capacitor, where the inversion charge imposed by the back-gate in the capacitor must be provided by the junction. The proof-of-concept of sensing with body potential in our device was done for in-liquid pH detection. Further TCAD simulations revealed optimization paths and possible sensitivity enhancement through the out-of-equilibrium body potential reading with respect to the conductance shifts.