Advanced processes for controlled transfer of metal oxide nanowires to CMOS chips

Abstract

In microelectronics, the main reasons for reducing macrostructures into micro- or even nanostructures are to increase economic efficiency and device performance. On the one hand, more structures integrated on a silicon wafer result in lower fabrication costs, and on the other hand, this provides the possibility to implement more functionalities into a microchip. Over the years this has resulted in highly functional and miniaturized electronic devices, which can be implemented into mobile devices such as smartphones or smart watches. Besides many fields in microelectronics, where miniaturisation was key for tremendous technological progress, one is important for this work - gas sensing devices. Today’s commercially available gas sensors are rather bulky and power consuming devices that need to be significantly miniaturised to enable their implementation into mobile devices like smartphones or smart watches. Using gas sensors like consumer electronic devices would be a breakthrough for their applications in everyday life, because this would enable individual air quality monitoring or breath analysis for Smart Living, Smart Home, or Smart Health. Nanostructures, and especially one-dimensional nanowires, have many advantages for gas sensor applications. Nanowires provide a large surface-to-volume ratio and the movement of electrons is confined in two dimensions, which makes them superior nanochannels for chemoresistive gas sensors, where the interaction with gas molecules in the environment is immediately transformed in a change of the electrical resistance of the nanowires. Metal oxides are the materials of choice for this type of gas sensor due to the fact, that the electrical conduction of such a material can be relatively easily changed by surface reactions with gases. In this thesis, specific metal oxide nanowires growth methods (bottom-up) are presented, which in principle can be upscaled and used for production methods on a wafer-scale. The synthesis and integration processes of the nanowires are discussed, and transfer print methodologies are presented. In particular, the stamp/tapebased transfer process has been successfully applied to integrate the nanowires onto the silicon-based (SB) sensors, on commercial SiN-based microhotplate platform chips (APPS, from ams AG) and CMOS-integrated micro-hotplate chips (MPW4, from ams AG). This transfer method is simple, scalable, cheap, and fast, and, in principle, if the NWs are regularly arranged on the growth substrate, the arrangement would be preserved on the final substrate. Both a manual transfer as well as a machine-supported approach using a bond tester have been successfully employed for the transfer of the metal oxide nanowires on SB and APPS sensors, and on APPS and MPW4 sensors, respectively. The gas sensing characterisation of the SB, APPS, and MPW4 sensors chips towards hydrogen sulfide, carbon monoxide, toluene, HCMix, and carbon dioxide is presented. The sensors’ performance has been measured at three different humidity levels (25%, 50% and 75%) and in the operation temperature range of 250-400°C. The resistance measurements for each gas sensor have been analysed in detail, and the sensor response, response times and recovery times have been calculated and discussed. As an outlook for future R&D on nanowire-based gas sensors, possible improvements of the presented transfer technique and gas sensing materials choice are proposed.

In der Mikroelektronik sind die Hauptgründe für die Reduzierung von Makrostrukturen auf Mikro- oder sogar Nanostrukturen die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und der Leistungsfähigkeit der Bauelemente. Einerseits führen mehr Strukturen, die auf einem Silizium-Wafer integriert sind zu niedrigeren Herstellungskosten, andererseits bietet dies die Möglichkeit mehr Funktionalitäten in einen Mikrochip zu implementieren. Im Laufe der Jahre hat dies zu hochfunktionalen und miniaturisierten elektronischen Bauelementen geführt, die in mobilen Geräten wie Smartphones oder intelligenten Uhren eingesetzt werden können. Neben vielen anderen Bereichen der Mikroelektronik, in denen die Miniaturisierung der Grund für den enormen technologischen Fortschritt war, ist einer davon für diese Arbeit besonders wichtig - die Gassensorik. Die heute im Handel erhältlichen Gassensoren sind ziemlich groß und verbrauchen viel Strom. Sie müssen erheblich verkleinert werden, damit sie in mobilen Geräten wie Smartphones oder Smartwatches eingesetzt werden können. Wenn Gassensoren wie andere Geräte der Unterhaltungselektronik verwendet würden, wäre dies ein Durchbruch für deren Anwendungen im Alltag, da dies eine individuelle Überwachung der Luftqualität oder eine Atemanalyse für Smart Living, Smart Home oder Smart Health ermöglichen würde. Nanostrukturen, und insbesondere eindimensionale Nanodrähte, haben viele Vorteile für Gassensoranwendungen. Nanodrähte bieten ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und die Bewegung der Elektronen ist auf eine Dimension beschränkt. Dies macht sie zu hervorragenden Nanokanälen für chemoresistive Gassensoren, bei denen die Wechselwirkung mit Gasmolekülen in der Umgebung unmittelbar in eine Änderung des elektrischen Widerstands des Nanodrahts umgesetzt wird. Metalloxide sind die Materialien der Wahl für diese Art von Gassensoren, da die elektrische Leitfähigkeit eines solchen Materials relativ leicht durch Oberflächenreaktionen mit Gasen verändert werden kann. In dieser Arbeit werden spezifische Metalloxid-Nanodraht-Wachstumsmethoden (bottom-up) vorgestellt, die prinzipiell hochskaliert und für die Produktion auf großen Substraten („wafer-scale”) verwendet werden können. Die Verfahren zur Synthese und Integration der Nanodrähte wird diskutiert, und es werden Transferdruckverfahren vorgestellt. Insbesondere wurde der auf Stempeln und Klebebändern basierende Transferprozess erfolgreich angewendet, um die Nanodrähte auf Silizium-basierte (SB) Sensoren, auf kommerzielle SiN-basierten Mikroheizplatten-Chips (APPS, von ams AG) und CMOS-integrierten Mikroheizplatten-Chips (MPW4, von ams AG) zu integrieren. Diese Transfermethode ist einfach, skalierbar, kostengünstig und schnell. Wenn die Nanodrähte auf dem Wachstumssubstrat regulär angeordnet sind, bleibt diese Anordnung prinzipiell auch auf dem endgültigen Substrat erhalten. Für den Transfer der Metalloxid-Nanodrähte auf SB- und APPS-Sensoren bzw. auf APPS- und MPW4-Sensoren wurden sowohl ein manueller Transfer als auch ein maschinengestützter Prozess mit einem Bondtester erfolgreich eingesetzt. Die Ergebnisse der Charakterisierung der SB-, APPS- und MPW4-Sensorchips gegen Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid, Toluol, HCMix und Kohlendioxid werden vorgestellt. Die Sensoreigenschaften wurden bei drei verschiedenen Feuchtigkeitsgraden (25%, 50% und 75%) und in einem Betriebstemperaturbereich von 250-400°C gemessen. Die Widerstandsmessungen für jeden Gassensor wurden im Detail analysiert, und die Sensorreaktion sowie die Ansprech- und Erholungszeiten wurden berechnet und diskutiert. Als Ausblick auf künftige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu Gassensoren auf Nanodrahtbasis werden mögliche Verbesserungen der hier präsentierten Transfermethode und der Wahl des Gassensormaterials vorgeschlagen.