Developing ultrasensitive and CMOS compatible ISFETs in the BEOL of industrial UTBB FDSOI transistors

par Getenet Tesega Ayele

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Dominique Drouin et de Abdelkader Souifi.

Soutenue le 11-04-2019

à Lyon en cotutelle avec l'Université de Sherbrooke (Québec, Canada) , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL (laboratoire) .

Le président du jury était Touria Cohen-Bouhacina.

Le jury était composé de Dominique Drouin, Abdelkader Souifi, Touria Cohen-Bouhacina, Carlotta Guiducci, Nicolas Clément.

Les rapporteurs étaient Touria Cohen-Bouhacina, Carlotta Guiducci.

  • Titre traduit

    Développement d'ISFET ultrasensibles et compatibles CMOS dans le BEOL des transistors industriels UTBB FDSOI


  • Résumé

    En exploitant la fonction d’amplification intrinsèque fournie par les transistors UTBB FDSOI, nous avons présenté des ISFET ultra sensibles. L'intégration de la fonctionnalité de détection a été réalisée en back end of line (BEOL), ce qui offre les avantages d'une fiabilité et d'une durée de vie accrues du capteur, d'une compatibilité avec le processus CMOS standard et d'une possibilité d'intégration d'un circuit diviseur capacitif. Le fonctionnement des MOSFETs, sans une polarisation appropriée de la grille avant, les rend vulnérables aux effets de grilles flottantes indésirables. Le circuit diviseur capacitif résout ce problème en polarisant la grille avant tout en maintenant la fonctionnalité de détection sur la même grille par un couplage capacitif au métal commun du BEOL. Par conséquent, le potentiel au niveau du métal BEOL est une somme pondérée du potentiel de surface au niveau de la grille de détection et de la polarisation appliquée au niveau de la grille de contrôle. Le capteur proposé est modélisé et simulé à l'aide de TCAD-Sentaurus. Un modèle mathématique complet a été développé. Il fournit la réponse du capteur en fonction du pH de la solution (entrée du capteur) et des paramètres de conception du circuit diviseur capacitif et du transistor UTBB FDSOI. Dans ce cas, des résultats cohérents ont été obtenus des travaux de modélisation et de simulation, avec une sensibilité attendue de 780 mV / pH correspondant à un film de détection ayant une réponse de Nernst. La modélisation et la simulation du capteur proposé ont également été validées par une fabrication et une caractérisation du capteur de pH à grille étendue avec validation de son concept. Ces capteurs ont été développés par un traitement séparé du composant de détection de pH, qui est connecté électriquement au transistor uniquement lors de la caractérisation du capteur. Ceci permet une réalisation plus rapide et plus simple du capteur sans avoir besoin de masques et de motifs par lithographie. Les capteurs à grille étendue ont présenté une sensibilité de 475 mV/pH, ce qui est supérieur aux ISFET de faible puissance de l'état de l’art. Enfin, l’intégration de la fonctionnalité de détection directement dans le BEOL des dispositifs FDSOI UTBB a été poursuivie. Une sensibilité expérimentale de 730 mV/pH a été obtenue, ce qui confirme le modèle mathématique et la réponse simulée. Cette valeur est 12 fois supérieure à la limite de Nernst et supérieure aux capteurs de l'état de l’art. Les capteurs sont également évalués pour la stabilité, la résolution, l'hystérésis et la dérive dans lesquels d'excellentes performances sont démontrées.


  • Résumé

    Exploiting the intrinsic amplification feature provided by UTBB FDSOI transistors, we demonstrated ultrahigh sensitive ISFETs. Integration of the sensing functionality was made in the BEOL which gives the benefits of increased reliability and life time of the sensor, compatibility with the standard CMOS process, and possibility for embedding a capacitive divider circuit. Operation of the MOSFETs without a proper front gate bias makes them vulnerable for undesired floating body effects. The capacitive divider circuit addresses these issues by biasing the front gate simultaneously with the sensing functionality at the same gate through capacitive coupling to a common BEOL metal. Therefore, the potential at the BEOL metal would be a weighted sum of the surface potential at the sensing gate and the applied bias at the control gate. The proposed sensor is modeled and simulated using TCAD-Sentaurus. A complete mathematical model is developed which provides the output of the sensor as a function of the solution pH (input to the sensor), and the design parameters of the capacitive divider circuit and the UTBB FDSOI transistor. In that case, consistent results have been obtained from the modeling and simulation works, with an expected sensitivity of 780 mV/pH corresponding to a sensing film having Nernst response. The modeling and simulation of the proposed sensor was further validated by a proof of concept extended gate pH sensor fabrication and characterization. These sensors were developed by a separated processing of just the pH sensing component, which is electrically connected to the transistor only during characterization of the sensor. This provides faster and simpler realization of the sensor without the need for masks and patterning by lithography. The extended gate sensors showed 475 mV/pH sensitivity which is superior to state of the art low power ISFETs. Finally, integration of the sensing functionality directly in the BEOL of the UTBB FDSOI devices was pursued. An experimental sensitivity of 730 mV/pH is obtained which is consistent with the mathematical model and the simulated response. This is more than 12-times higher than the Nernst limit, and superior to state of the art sensors. Sensors are also evaluated for stability, resolution, hysteresis, and drift in which excellent performances are demonstrated.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2019 par Doc’INSA [diffusion/distribution] à Villeurbanne

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Informations

  • Sous le titre : Developing ultrasensitive and CMOS compatible ISFETs in the BEOL of industrial UTBB FDSOI transistors
  • Détails : 1 vol. (173 p.)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
  • Annexes : Bibliogr. p. 157-172
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