Micro and Nano-electro-mechanical devices in the CMOS back end and their applications

Abstract

Recentment, l'escalat de la tecnologia complementaria metall-òxid-semiconductor (CMOS) està arribant a límits fonamentals, principalment degut a les fuites de corrent no nul·les que el transistor presenta. És per això que s’està investigant una nova branca que va més enllà dels límits de la llei de Moore la qual s’anomena “Més que Moore” i està atraient l’interès per nous dispositius de processat de la informació i memòries, noves tecnologies per integració heterogènia de múltiples funcions, i nous paradigmes d'arquitectures de sistemes. Una d'aquestes tecnologies prometedores per processat de la informació és la tecnologia de relés micro- i nano electromecànica, perquè presenta fuites de corrent pràcticament nul·les i una commutació entre dos estats molt abrupta.

Aquesta tesi proposa explorar les possibilitats d'aprofitar les capes disponibles de la tecnologia CMOS comercial AMS 0.35 µm per implementar relés micro i nano electromecànics. En concret, s’exploren dos conceptes diferents: un són relés actuats en el pla i definits usant solament la capa d’interconnexió anomenada via, i l’altre són relés actuats torsionalment i formats amb metalls i vies (sovint anomenat com compost) a la vegada que suportat per vies. Ambdós conceptes es basen en la capa de tungstè VIA3, la qual inclou característiques claus tals com gran duresa, alt punt de fusió, poc estrès, i gran resistència a l’àcid fluorhídric (HF), ja que les estructures mecàniques s'alliberen mitjançant un procés post-CMOS sense màscares basat en una solució d'HF.

Gràcies a les característiques excepcionals de la plataforma de VIA3, també s’han fabricat ressonadors MEMS basats en l'esmenada plataforma, el que ha permès contribuir al disseny i la caracterització d'un oscil·lador de doble freqüència que consisteix en ressonadors torsionals de tungstè i en un amplificador de transimpedància ultra-compacte, de baix consum i amb un alt guany.

Finalment i paral·lel al principal fil de la tesi, també s’han desenvolupat capacitats commutables en col·laboració amb l’empresa SilTerra Malaysia Sdn. Bhd. Aquests dispositius es caracteritzen per estar totalment integrats en el procés d'una tecnologia comercial CMOS de 180 nm de baix cost (usant la plataforma SilTerra MEMS-on-CMOS).

Recently, several new emerging devices are starting to be explored because the traditional down-scaling approach of the complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology (often called “More Moore”) is reaching fundamental limits; mainly due to non-zero transistor off-state leakage. This brand-new domain that goes beyond the boundaries of Moore’s law is commonly named ``More than Moore'' and is driving interest in new devices for information processing and memory, new technologies for heterogeneous integration of multiple functions, and new paradigms for system architecture. One of these new promising technologies for logic and information processing is the micro- and nanoelectromechanical (M/NEM) relay technology, because of its immeasurably low off-state leakage current and super-steep switching behavior.

This dissertation proposes to explore the possibilities of leveraging the available layers of the commercial CMOS technology AMS 0.35 µm to implement M/NEM relays. Specifically, two different approaches are explored: in-plane actuated relays defined using solely the via layer, and torsional actuated relays formed with metal and via layers (usually named composite) while supported by vias. Both approaches are supported by the tungsten VIA3 layer, which includes key features such as high hardness, high melting point, low stress and resistance to hydrofluoric (HF) acid, since the mechanical structures are released in a maskless post-CMOS process based on a wet HF enchant.

Based on the key structural features that the developed relays showed, MEMS resonators based on the VIA3 platform were also fabricated. In this dissertation, we also present a particular contribution involving the design and characterization of a dual-frequency oscillator that consist of such reliable torsional tungsten resonators and a high gain, low power and ultra-compact transimpedance amplifier (TIA).

Finally and parallel to the main thread of this dissertation, RF MEMS switched capacitors are developed as a result of the collaboration with the semiconductor manufacturing enterprise SilTerra Malaysia Sdn. Bhd. These devices have the particularity of being fully integrated into the process flow of a low cost, commercial 180 nm CMOS technology (using the SilTerra MEMS-on-CMOS process platform).