Integration of Nanomechanical Sensors on CMOS by Nanopatterning Methods

Abstract

La presente tesis ha sido realizada principalmente en el Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona (CNM-IMB) del CSIC, y en parte también en el Instituto de Nanotecnología de Lyon (Francia) del CNRS. El Dr Francesc Pérez-Murano ha codirigido la tesis en el CNM, y el Pr Georges Brémond en el INL. Este trabajo se enmarca en el proyecto europeo NaPa ('Emerging Nanopatterning Methods') cuyo objetivo es desarrollar técnicas emergentes, industrializables a medio plazo, de litografía a nivel nanométrico, y sus posibles aplicaciones. Así pues, los objetivos principales de la tesis han sido los desarrollos simultáneos (i) de sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) integrados en CMOS, y (ii) de procesos de fabricación basados en una técnica avanzada de nanolitografía llamada 'nanostencil lithography' para poder fabricar tales sistemas monolíticos.<br/>Como primer paso, dos tipos de resonadores nano/micromecánicos ('cantilevers' y 'quad-beams') se han modelado analíticamente para poder estudiar su respuesta frecuencial mecánica. Con el objetivo de excitarlos y detectarlos eléctricamente, se ha optado por una técnica capacitiva. Para poder prever el comportamiento eléctrico de la estructura mecánica se ha implementado un modelo mixto electromecánico. Luego se han estudiado las ventajas y la viabilidad de una integración monolítica con circuitería CMOS. En efecto, los NEMS/CMOS son sistemas que combinan extraordinarias propiedades de sensado, proporcionadas por la parte móvil mecánica, con la posibilidad de detectar la señal de salida en condiciones mucho más favorables: las capacidades parásitas son reducidas drásticamente al tratar dicha señal a través de una circuitería CMOS 'on-chip'. Por este motivo, se ha diseñado especialmente un circuito CMOS de lectura y de bajo consumo. Funciona como amplificador de transimpedancia para convertir la corriente creada por la resonancia mecánica en un voltaje de salida suficientemente alto. A partir de simulaciones, se ha analizado exhaustivamente (i) el comportamiento intrínseco de este circuito y (ii) cuando está acoplado al resonador mecánico.<br/>Sin embargo, la fabricación de tales nanodispositivos integrados en CMOS constituía un reto ya que la integración a nivel de oblea entera de NEMS sobre CMOS mediante procesos no excesivamente costosos no había sido demostrada aún al inicio de esta tesis. Debido a esto, se puso en marcha una colaboración con el EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza) para desarrollar la litografía 'nanostencil' con el objetivo de integrar a escala de oblea entera estructuras mesoscópicas (micro y nano) sobre circuitos CMOS pre-fabricados. Después de identificar los principales problemas iniciales, se ha podido desarrollar con éxito una tecnología de post-proceso que permite integrar NEMS en CMOS mediante una única etapa de litografía nanostencil. En paralelo, otro post-proceso basado en una etapa de litografía por haz de electrones ('e-beam lithography') se ha puesto a punto de manera que se pueden fabricar nuevos prototipos de nanodispositivos sobre CMOS en cortos plazos de tiempo.<br/>La caracterización eléctrica de estos NEMS/CMOS se ha llevado a cabo tanto en aire como en vacío y se ha demostrado el correcto funcionamiento del dispositivo NEMS/CMOS fabricado. Han sido analizados los niveles de señal obtenidos experimentalmente y las características principales de los espectros de resonancia.<br/>Finalmente, estos NEMS/CMOS han sido implementados como sensores de masa. Actualmente, esta aplicación de los NEMS es una de las más exploradas ya que los resonadores nano/micromecánicos ofrecen grandes ventajas en términos de sensibilidad e integración de sistemas comparados con las tradicionales microbalanzas de cuarzo. En este contexto, se han llevado a cabo cuatro experimentos diferentes: (i) en colaboración con un grupo de investigación en química física se ha estudiado mediante un resonador nano/micromecánico, utilizado como nano/microbalanza, la evaporación de gotas de volúmenes extremadamente reducidos, del orden del femtolitro (10-15), para profundizar en los conocimientos necesarios para el desarrollo de dispositivos de nano/microfluídica; (ii) una arquitectura nueva de resonador, basada en una palanca doble ('doble cantilever'), se ha diseñado y testeado. Este dispositivo novedoso permite hacer medidas de masa en condiciones ambientales con una auto-referencia proporcionando la incertidumbre de la medida; (iii) se han hecho pruebas de deposición en alto vacío de capas ultra-finas de oro (de espesor equivalente inferior a una mono-capa) sobre resonadores. De esa manera, se ha demostrado la gran sensibilidad en masa distribuida de estos dispositivos, en particular al comparar su respuesta con la de una microbalanza de cuarzo a la que superan por entre dos y tres ordenes de magnitud a nivel de sensibilidad; (iv) basándose en los resultados del experimento previo de deposición de oro, se está diseñando, y sigue en curso, un sistema 'quasi-dinámico' de litografía nanostencil junto con el EPFL. Este sistema consiste en efectuar deposiciones sucesivas de distintos materiales a través de un nanostencil desplazado entre cada deposición: de esa manera se obtienen multi-depósitos estructurados y ultra-puros. De manera muy novedosa, el sensor de masa NEMS/CMOS se utiliza aquí como sensor de alineamiento entre la membrana nanostencil y el substrato a litografiar.

This thesis has been a co-direction between Dr. F. Pérez-Murano from CNM-CSIC, Barcelona (Spain) and Pr. G. Brémond from INSA Lyon/INL-CNRS (France). This work involves two main aspects: one has to see with the modeling, the design and the operation of a nanomechanical device integrated on CMOS, and the other on nanofabrication techniques.<br/>First, the mechanical and electrical behavior of electrostatically actuated nano/microresonators (cantilevers, bridges and quad-beams) embedded in a capacitive detection scheme have been analyzed. In such a scheme, the main issue comes from parasitic stray capacitances that can drastically degrade the performance of the transduction. Additionally, output parasitic capacitances arising from the measurement instrumentation can further reduce the available signal levels. In this sense, the advantages and the feasibility of a monolithic integration with CMOS circuitry have been studied. Indeed NEMS/CMOS are very promising systems which combine outstanding sensing attributes, thanks to the mobile mechanical part, with the possibility to electrically detect the output signal in enhanced conditions. Regarding the electrical response, such integration provides two major advantages: (i) reducing all the parasitic loads at the resonator output, and (ii) amplifying and conditioning 'on-chip' the resonance signal. Hence, a specific low-power CMOS readout circuit, whose function is to read out the capacitive current generated by a resonating nano/micromechanical device, has been designed. It is basically a transimpedance amplifier whose architecture is based on a second generation current conveyor. Its topology and the corresponding layout have been described and the circuit behavior (intrinsic and coupled to the NEMS) has been fully simulated. According to simulation results, the detection of the resonance of nano/microresonators is greatly enhanced through the CMOS integration.<br/>Then, NEMS/CMOS devices have been fabricated combining a standard CMOS technology (CNM one) with emerging nanopatterning techniques, in particular with nanostencil lithography (nSL), of which the resolution and the conditions of applications have been optimized. Our works demonstrate the potential of nSL as a parallel, straightforward and CMOS compatible patterning technique to define at full wafer scale nanodevices on CMOS. These results represent the first time that an emerging nanolithography technique has been used to pattern multiple N-MEMS devices on a whole CMOS wafer in a parallel, potentially low-cost approach. The same strategy could be extended to other examples of nanodevices, such as single electron transistors on CMOS, for which there is at present no affordable technological process that fulfill the requirements of high resolution processing at wafer scale and CMOS compatibility.<br/>After their fabrication, fully integrated nanomechanical resonators (cantilevers and quad-beams) have been extensively characterized electrically. Their mechanical resonance has been successfully sensed by the CMOS circuitry. Cantilevers and quad-beams have exhibited quality factors in vacuum up to 9500 and 7000 respectively. The resonance frequency could be tuned by varying the driving voltage and interesting hysteretic non-linear behaviors have been observed either in air or in vacuum<br/>Finally, these resonators have been implemented as ultra-sensitive mass sensors in four different applications: in this way the extreme versatility and the high performance of such sensors has been demonstrated. Indeed, such ultra-sensitive nanosensors open up new possibilities of exploring new physical or chemical phenomena previously unattainable with any other tools. In the first experiment, wetting mechanisms of sessile droplets have been explored at very small scales (volumes in the femtoliter range) implementing the resonators as nano/microbalances. Such phenomena could not have been analyzed with traditional quartz microbalances whose mass resolution is more limited. In the second experiment, a new architecture of resonator based on a double nano/microcantilever has been designed and tested: this new device allows making reliable measurements under ambient conditions by providing a direct estimation of the measurement uncertainty.<br/>The fact that NEMS-based mass sensors provide an unprecedented mass sensitivity and a very high spatial resolution inherent to their small size makes of them interesting devices for industrial applications as well. With regard to this matter, another experiment has consisted in monitoring in-situ the deposition of ultra-thin gold layers both with NEMS/CMOS and quartz-crystal microbalances. When measuring in real time the mass of these uniform deposits of thicknesses inferior to sub-monolayer, silicon nano/microresonators have exhibited a mass sensitivity better than QCM by between two and three orders of magnitude. This is very promising with regard to the possibility of replacing QCM in the semiconductor industry as a tool to monitor the deposition of thin layers. These outstanding mass sensing attributes have led us to apply such sensors as positioning sensors according to an innovative concept. In fact, CNM and EPFL are presently developing a 'quasi-dynamic' stencil lithography system. This system consists in performing successive depositions of several materials through a nanostencil shadow mask which is displaced in-between each deposition: in this way high-purity and structured multi-deposits can be obtained. In this context, NEMS/CMOS mass sensors are used as positioning sensors for the in-situ alignment between the movable nanostencil and the substrate to be patterned.