RTCVD synthesis of carbon nanotubes and their wafer scale integration into FET and sensor processes

Abstract

Los nanotubos de carbono (CNTs, carbon nanotubes) son moléculas tubulares cuyo diámetro es de escala nanométrica y cuyas paredes están formadas por capas monoatómicas de carbono. Su estructura en combinación con su morfología unidimensional confieren unas propiedades muy especiales que hacen de los CNTs un material muy atractivo para el desarrollo de amplia gama de aplicaciones. En el marco de la micro y nanotecnología, los CNTs son un material muy prometedor para la fabricación de dispositivos y sistemas, por ejemplo, en el campo de la nanoelectrónica, los sensores o los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS, del inglés nanoeletcromechanical systems). Sin embargo, dado que aún no se han estandarizado procesos para su síntesis controlada, su integración sigue siendo un reto. Esta tesis fue concebida para avanzar en la integración CNTs en distintos micro y nanodispositivos. El trabajo realizado aborda la ingeniería de procesos, el diseño de dispositivos, y la fabricación y la caracterización de esos dispositivos. Se plantearon dos objetivos principales. El primero fue el adquirir el conocimiento de la síntesis de CNTs mediante la técnica de depósito químico desde fase vapor por calentamiento rápido (RTCVD, rapid termal chemical vapour deposition) y desarrollar procesos para la síntesis de CNTs de una estructura concreta y en una determinada configuración. El segundo objetivo fue el desarrollo de procesos de fabricación para la integración de CNTs en dispositivos basados en diferentes tecnologías y con diferentes funcionalidades. A pesar de la problemática inherente al desarrollo de los procesos tecnológicos, se cumplieron la mayor parte de los objetivos inicialmente propuestos. La síntesis de CNTs se logró mediante catalizadores convencionales (principalmente hierro y níquel) y mediante catalizadores no convencionales (platino). Cabe destacar que los procesos de síntesis de CNTs fueron estandarizados a nivel de obleas de 4 pulgadas, tanto para configuraciones de baja densidad de CNTs monocapa (SWCNTs, single-walled carbon nanotubes) como para configuraciones de alta densidad de CNTs multicapa (MWCNTs, multi-walled carbon nanotubes), ya que la síntesis tradicionalmente se realiza a nivel de chip. En cuanto a la integración de CNTs, se optimizaron dos procesos principalmente. Por un lado, se desarrolló una tecnología para la fabricación masiva en oblea de transistores basados en SWCNTs. Mediante esta tecnología se logró la fabricación de 10.000 transistores funcionales en obleas de 4 pulgadas. Por otro lado, se integró gran densidad de MWCNTs sobre los electrodos metálicos de dispositivos que habían sido demostrados para detección bio-electroquímica. La caracterización de estos electrodos demostró que esta actualización de la tecnología mejora el rendimiento de la fabricación y las características electroquímicas de los electrodos respecto a los diseños anteriores. Los resultados presentados en esta tesis son un paso adelante para la Integración a muy gran escala (VLSI, very large system integration) de CNTs. Los procesos que se desarrollaron son de interés en el campo de la nanoelectrónica, en el campo de la bio-sensores electroquímicos, para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos y para la fabricación de NEMS.

Carbon nanotubes (CNTs) are tubular molecules which diameters may be smaller than one nanometre and which walls are formed of single carbon atom layers that are arranged in a honey comb lattice. Because of their one dimensional aspect ratio and properties, which are conferred by their structural arrangement, CNTs are a very attractive material for a wide range of applications. In the frame of micro- and nanotechnology, CNTs have been demonstrated to be very promising for the fabrication of devices and systems for nanoelectronics, sensors or nanoelectromechanical systems (NEMS). However, standardised processes for their fully controlled synthesis and their successful integration into those systems are still challenging. This thesis was conceived to advance on the wafer scale integration of CNTs into micro- and nanodevices. Performed work dealt with process engineering, device design, device fabrication and device characterization. Two major goals were pursued: (i) to acquire the knowhow on the synthesis of CNTs by rapid thermal chemical vapour deposition (RTCVD) to develop recipes to synthesize certain in structure CNTs and certain in morphology CNT arrays, and (ii) the wafer scale integration of CNTs into devices with different functionalities and technological processes by conventional fabrication steps. Despite the inherent problematic of the technological process developments, most of the initially foreseen goals were fulfilled. The CNT synthesis was achieved by conventional (mainly iron and nickel) and by nonconventional (platinum) catalyst materials. It is remarkable how the CNT RTCVD synthesis processes were standardized at 4 inch wafer scale for either low density of single-walled (SW) CNT arrays or for dense, vertically aligned multi-walled (MW) CNT arrays, since the CNT synthesis is normally performed at chip level. Regarding the wafer scale integration of the CNTs, two main processes were optimised. On the one side, SWCNTs were integrated in the fabrication of CNT-FETs. This technology resulted in the fabrication of 10,000 functional CNT-FETs on 4 inch wafers in a sole fabrication process. Later on, the technology was upgraded for the fabrication of passivated CNT-FET devices for electrochemical sensing. On the other side, dense arrays of MWCNTs were integrated into devices based on metallic electrodes that had previously been demonstrated for bio-electrochemical sensing. These electrodes were demonstrated to improve the fabrication yield and the electrochemical characteristics with respect to the previous designs. Presented in this thesis results are a step forward to the Very Large Scale Integration (VLSI) of CNTs. The developed processes are of interest in the field of nanoelectronics, in the field of bio-electrochemical sensing, for the fabrication of optoelectronic devices and for the fabrication NEMS.