Silicon nanowire based devices for More than Moore Applications

Silicon nanowires (SiNW) are in the spotlight for a few years in the research community as a good candidate for biosensing applications. This is attributed to their small dimensions in nanometer scale that offers high sensitivity, label-free detection and at the same time utilizing small amount of sample. While the recent research has concentrated predominantly on utilizing single or multiple SiNW for biosensing applications, very few attempts have been made to integrate SiNW with complementary-metal-oxide- semiconductor (CMOS) integration to arrive at a complete lab-on-chip (LOC) sensor. Further, the manufacturing methods reported thus far in the production of SiNW for biosensing applications have not fully exploited both the front-end-of-line (FEOL) as well as back-end-of-line (BEOL) methods in CMOS integration. Neither does the research community address CMOS integration based methods to realize multi and specific target detection that are important attributes for an ideal LOC biosensor. Integration of SiNW with CMOS circuitry will facilitate real time detection of the output signal and in addition provide a compact small sized sensor that is fully portable operating at high speed. In order to avail the benefits of CMOS circuits and develop a large scale production friendly LOC sensor, the scheme of SiNW fabrication has to facilitate either the FEOL or BEOL CMOS integration schemes. This thesis work is focused on revealing a novel FEOL as well as BEOL scheme for integration of SiNW with CMOS circuitry. The major part of the FEOL research work is concentrated on developing a high volume SiNW manufacturing method that is suitable for industrial production. Likewise, in the BEOL scheme, predominant focus was to develop a wafer scale scheme to integrate network of nanowires (nanonets) with CMOS circuitry to manufacture a monolithic 3D above-IC LOC biosensor. In the FEOL scheme, the SiNWs are fabricated using a revised pattern transfer technique called sidewall transf
Kiselnanotrådar har studerats de senaste åren för biosensortillämpningar på grund av deras dimensioner i nanometer skalan som potentiellt möjliggör hög känslighet, etikettfri detektering samt en liten provmängd. Forskningen har varit fokuserad främst på användandet av enskilda eller ett flertal parallella kiselnanotrådar för biosensor tillämpningar, men lite försök har gjorts att integrera kiselnanotrådar med komplementär CMOS teknologi för att erhålla en komplett ”lab-on-chip” (LOC) sensor. Dessutom har tillverkningsmetoderna för kiselnanotrådar som hittills använts för biosensortillämpningar inte fullt utnyttjat möjligheterna som finns med integration i processflödet där transistorn tillverkas (front-end of-line, FEOL) eller i processflödet där metall ledare tillverkas för att koppla ihop transistorerna sker (back-end-of-line, BEOL). Integration av kiselnanotrådar med CMOS kretsar kommer att underlätta realtidsdetektering av sensorns utsignal och också möjliggöra en kompakt sensor som är bärbar. För att utnyttja fördelarna med CMOS kretsar och utveckla en produktionsvänlig LOC sensor så är det fördelaktigt om kiselnanotrådar kan integreras och produceras på samma chip som CMOS kretsarna. Den här avhandlingen fokuserar på nya metoder att integrera kiselnanotrådar i CMOS teknologins FEOL och BEOL processflöden. Ett huvudmål har varit att utveckla en metod att tillverka kiselnanotrådar i stor skala i FEOL med konventionell utrustning för CMOS tillverkning samt att i BEOL utveckla en process för att tillverka en biosensor med ett nätverk av kiselnanotrådar på hela kiselskivor efter metalliseringen. I FEOL flödet har kiselnanotrådar tillverkats med en utvecklad mönsterteknik, kallad ”sidewall transfer” litografi, som utnyttjar konventionella material i CMOS tillverkning. Användandet optisk litografi och selektiva etstekniker möjligör kontroll av linjebredden hos de tillverkade kiselnanotrådarna. Ett fabrikationsflöde för att tillverka CMOS-kretsar med TiN gate elektrod
QC 20181001