Design, fabrication, characterization and reliability study of CMOS-MEMS Lorentz-Force magnetometers

Abstract

Today, the most common form of mass-production semiconductor device fabrication is Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technology. The dedicated Integrated Circuit (IC) interfaces of commercial sensors are manufactured using this technology. The sensing elements are generally implemented using Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS), which need to be manufactured using specialized micro-machining processes. Finally, the CMOS circuitry and the MEMS should ideally be combined in a single package.

For some applications, integration of CMOS electronics and MEMS devices on a single chip (CMOS-MEMS) has the potential of reducing fabrication costs, size, parasitics and power consumption, compared to other integration approaches. Remarkably, a CMOS-MEMS device may be built with the back-end-of-line (BEOL) layers of the CMOS process. But, despite its advantages, this particular approach has proven to be very challenging given the current lack of commercial products in the market.

The main objective of this Thesis is to prove that a high-performance MEMS, sealed and packaged in a standard package, may be accurately modeled and manufactured using the BEOL layers of a CMOS process in a reliable way. To attain this, the first highly reliable novel CMOS-MEMS Lorentz Force Magnetometer (LFM) was successfully designed, modeled, manufactured, characterized and subjected to several reliability tests, obtaining a comparable or superior performance to the typical solid-state magnetometers used in current smartphones. A novel technique to avoid magnetic offsets, the main drawback of LFMs, was presented and its performance confirmed experimentally.

Initially, the issues encountered in the manufacturing process of MEMS using the BEOL layers of the CMOS process were discouraging. Vapor HF release of MEMS structures using the BEOL of CMOS wafers resulted in undesirable damaging effects that may lead to the conclusion that this manufacturing approach is not feasible. However, design techniques and workarounds for dealing with the observed issues were devised, tested and implemented in the design of the LFM presented in this Thesis, showing a clear path to successfully fabricate different MEMS devices using the BEOL.

Hoy en día, la forma más común de producción en masa es una tecnología llamada Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS). La interfaz de los circuitos integrados (IC) de sensores comerciales se fabrica usando, precisamente, esta tecnología. Actualmente es común que los sensores se implementen usando Sistemas Micro-Electro-Mecánicos (MEMS), que necesitan ser fabricados usando procesos especiales de micro-mecanizado. En un último paso, la circuitería CMOS y el MEMS se combinan en un único elemento, llamado package. En algunas aplicaciones, la integración de la electrónica CMOS y los dispositivos MEMS en un único chip (CMOS-MEMS) alberga el potencial de reducir los costes de fabricación, el tamaño, los parásitos y el consumo, al compararla con otras formas de integración. Resulta notable que un dispositivo CMOS-MEMS pueda ser construido con las capas del back-end-of-line (BEOL) de un proceso CMOS. Pero, a pesar de sus ventajas, este enfoque ha demostrado ser un gran desafío como demuestra la falta de productos comerciales en el mercado. El objetivo principal de esta Tesis es probar que un MEMS de altas prestaciones, sellado y empaquetado en un encapsulado estándar, puede ser correctamente modelado y fabricado de una manera fiable usando las capas del BEOL de un proceso CMOS. Para probar esto mismo, el primer magnetómetro CMOS-MEMS de fuerza de Lorentz (LFM) fue exitosamente diseñado, modelado, fabricado, caracterizado y sometido a varias pruebas de fiabilidad, obteniendo un rendimiento comparable o superior al de los típicos magnetómetros de estado sólido, los cuales son usados en móviles actuales. Cabe destacar que en esta Tesis se presenta una novedosa técnica con la que se evitan offsets magnéticos, el mayor inconveniente de los magnetómetros de fuerza Lorentz. Su efectividad fue confirmada experimentalmente. En los inicios, los problemas asociados al proceso de fabricación de MEMS usando las capas BEOL de obleas CMOS resultaba desalentador. Liberar estructuras MEMS hechas con obleas CMOS con vapor de HF producía efectos no deseados que bien podrían llevar a la conclusión de que este enfoque de fabricación no es viable. Sin embargo, se idearon y probaron técnicas de diseño especiales y soluciones ad-hoc para contrarrestar estos efectos no deseados. Se implementaron en el diseño del magnetómetro de Lorentz presentado en esta Tesis, arrojando excelentes resultados, lo cual despeja el camino hacia la fabricación de diferentes dispositivos MEMS usando las capas BEOL.