NEMS/MEMS integration in submicron CMOS Technologies

Abstract

La reducción de los dispositivos MEMS hasta la nano escala (NEMS) ha permitido el acceso a nuevos dominios de la física y promete revolucionar las aplicaciones de sensado. Sin embargo esta miniaturización ha sido conseguida a costa de procesos de fabicración complicados y no reproducibles. Es por ello que esta tesis trata de obtener dichos dispositivos NEMS a partir de una tecnologia CMOS comercial (ST 65nm). Con este objetivo un estudio en detalle de la tecnología ST 65nm es llevado a cabo para posteriormente definir en ella estructuras NEMS en sus diferentes capas (en polysilicio con un grosor y ancho de 60 nm x 100 nm y en metal 1, cobre , con unas dimensiones de 90nm x 100nm). Un nuevo post proceso de liberación es presentado que nos permite liberar las estructuras, demostrando así su correcta fabricación. Sin embargo, fruto de esta miniaturización las señales eléctricas usadas para sensar su movimiento se reducen también. Como alternativa a un sensado capacitivo estudiamos la viabilidad de adaptar a nuestro proceso de fabricación CMOS-MEMS a un método de transducción basado en un transistor cuyo puerta resuena, su movimiento modula las cargas del canal y dicho desplazamiento puede ser leído en la corriente del puerta del transistor. Mediante dicho método de transducción la respuesta en frecuencia de un resonador de polysilicio a 24 MHz fue leída y su funcionamiento como interruptor a bajos voltajes (2.25 V pull-in) fue validado. Además, proponemos el uso de interruptores mecánicos no solo como memorias o en aplicaciones lógicas (gracias a su eficiencia energética) sino como el elemento base para la implementación de un oscilador en anillo, completamente mecánico. Con este oscilador ampliamos el rango de aplicación de los interruptores N/MEMS a nuevos campos como el sensado de masa pero con el valor añadido de tener una señal digital. Para implementar esta nueva configuración presentamos un modelo y desarrollamos interruptores mecánicos en diferentes tecnologías CMOS intentando siempre reducir sus dimensiones. Con estos interruptores mecánicos CMOS hemos conseguido voltajes de operación bajos (5V), respuestas abruptas (4.3 mV/decada) y una buena relación ION/IOFF (1.104).

The reduction of MEMS devices dimensions to the nano scale (NEMS) has allowed them to access a host of new physics and promise to revolutionize sensing applications. However this miniaturization has been obtained at an expense of dedicated, difficult and non reproducible fabrication processes. This thesis deals with the miniaturization of MEMS structures following a CMOS-MEMS approach. In order to it a small pitch CMOS technology (ST 65nm) is studied in depth, NEMS structures are defined using its available layers (width= 60 nm, thickness= 100nm in polysilicon and width= 90nm, thickness= 180nm in metal 1 based on copper) and a post-CMOS releasing process is developed in order to release them. Successful integration of NEMS devices is demostrated with the added value of a robust, reproducible fabrication and an easy integration with additional circuitry. However this aggressive scaling has a main drawback, small output signals. As an alternative to capacitive read-out, the implementation of a resonant gate transduction, based on the idea of modulate the charge of a transistor by the movement of a mechanical structure, is studied and implemented. The frequency response of a polysilicon resonator implemented in AMS 0.35um CMOS technology (24 MHz) has been successfully characterized and its operation as a low voltage switch (2.25 V pull-in) is demonstrated. In addition, we propose the use of mechanical switches not only as memory or logic devices (due to its energy efficiency), but also as the building blocks of a ring oscillator configuration composed exclusively by mechanical switches. This new approach extends their use to other application as mass sensing but with the added value of a digital output signal. In order to implement this new configuration a model to simulate its behavior is developed and mechanical switches are built using different CMOS technologies, trying always to reduce their dimensions. Low operating voltages (5 V, MIM approach), abrupt response (4.3 mV/decade, ST Metal 1) and good ION/IOFF ratio (1.104, MIM approach) are obtained.