Integration of CMOS-MEMS resonators for radiofrequency applications in the VHF and UHF bands

Abstract

Aquesta tesi doctoral te com a objectiu fonamental la integració monolítica de microressonadors en una tecnologia comercial, AMS 0.35um, tot utilitzant les capes disponibles del procés tecnològic. Les estructures son alliberades en un procés post-CMOS consistint en un atac humit basat en una solució HF, sense la necessitat de utilitzar cap mascara ni cap procés fotolitografia.<br/>Per tal de dissenyar i modelitzar aquests ressonadors, un model electromecànic basat en la deflexió real dels ressonadors serà descrit permetent al dissenyador predir el màxim de corrent a la ressonància. A més a més, un conjunt d'equacions de disseny serà presentat per tots els dispositius fabricats.<br/>Al llarg d'aquesta tesi diferents aproximacions tecnològiques tot utilitzant les capes disponibles de la tecnologia estàndard per fabricar microressonadors seran introduïts i discutits. Des del punt de vista del disseny, reduir la distància del gap entre el ressonador i el elèctrode esdevé un dels paràmetres més rellevants que potenciaran la resposta elèctrica del dispositiu. Aleshores, les aproximacions tecnològiques estaran encaminades a reduir la distancia del gap tan com sigui possible. Per a les aproximacions tecnològiques més prometedores, limitacions basades en el col·lapse vertical en el procés de alliberament seran considerats per tal de evitar el disseny s'estructurés amb limitació en el seu funcionament.<br/>Una aproximació tecnològica basada en les capes del mòdul estàndard per a la fabricació de capacitats integrades, ha resultat en una de les aproximacions més prometedores per a la fabricació integrada de ressonadors MEMS en el rangs de freqüències VHF i UHF, aconseguint gaps laterals de 40nm. Dispositius exhibint freqüències en el rang VHF, amb factors de qualitat fins a 3000 a 290MHz, seran presentats, obtenint una figura de mèrit de Qxf=9.1011 Hz. A més a més, resultats preliminars en la caracterització d'un anell ressonant en mode acústic a 1GHz serà descrit.

This thesis is focused on the monolithic integration of microresonators in a commercial CMOS technology, AMS-0.35um, by using the standard layers of the process. The structures are released in a maskless post-CMOS process based on a wet hydrofluoric etchant. Those resonators will make the role of frequency selective devices replacing off-chip components of present front-end tranceivers communication systems relying on their reduced size, cost production and lower consumption. <br/>In order to design and modelize those microresonators, an electromechanical model based on the real deflection of flexural resonator will be described allowing the designer to predict the maximum current levels at resonance. <br/>In addition to that, a set of mechanical design equations will be presented for all fabricated devices. <br/>Along this report, different technological approaches using the available layers of the standard technology for fabricating microresonators will be introduced and discussed. From the design point of view, reducing the gap distance between resonator and driver becomes one of the relevant parameters that will enhance the electrical response of the device. Then, the approaches will be focused on reducing gap distances as much as possible. For the most promising approaches, limitations based on the vertical stiction in the releasing process will be considered in order to avoid the design of structures with limited performance.<br/>A fabrication approach based on the layers of the standard capacitance module will stand out as the most promising approach for successfully fabricate integrated MEMS resonators in the VHF and UHF frequency range, as expenses of 40nm gap distances. Devices exhibiting frequencies in the VHF range, with high quality factors up to 3000 at 290MHz will be presented, giving a figure of merit of Qxf=9.1011Hz. Furthermore, preliminary results on the characterization of a ring bulk acoustic resonator at 1GHz will be described.