Design and prototyping of BEOL-embedded CMOS-MEMS accelerometers

Abstract

(English) In the last two decades, MicroElectroMechanical Systems (MEMS) accelerometers and other inertial sensors have demonstrated a steady trend of miniaturization as well as price and power consumption reduction, while maintaining other performance parameters. This triggered their ubiquitous use in high-volume consumer electronics devices like smart phones, tablets, video game consoles or wearables to name a few.

Currently one of the bottlenecks to maintain the price and size reduction trends is a necessity of using a custom MEMS fabrication process. The commercial MEMS accelerometers and gyroscopes are either multi-chip modules (MEMS chip plus electronics chips), or a separate MEMS process is applied to the same wafer in order to deploy the sensor next to the electronics. CMOS micromachining, where standard CMOS back-end of line (BEOL) interconnection layers are used as MEMS structural and sacrificial materials could be a possible breakthrough. An approach based on reactive ion etching of full interconnection stack followed by a substrate etching is currently the most-popular CMOS-MEMS integration method, however due to its limitations it has not reached significant success outside academia. More recently with the advent of RF-oriented microelectronic technologies significant effort has been made to develop RF-MEMS devices like switches or resonators by using simple isotropic etching of inter-metal dielectric (IMD) of the CMOS BEOL. In this thesis it is demonstrated that thanks to the appearance of thick metal and via layers used normally in these technologies for inductors and power routing, this method can be also applied to integrate on-chip accelerometers. The main advantage of the pursued approach is its technological simplicity, that results in potentially ultra-low production cost and feasibility (not demonstrated yet though) of deploying a sensor above electronics (as no substrate etching is required). Such devices could become new IP cores ready-to-integrate in more complex systems on a chip (SoC).

This dissertation presents the design and prototyping process of CMOS monolithic acceleration sensors obtained using simple isotropic IMD etching of CMOS BEOL interconnection stack without any substrate etching steps. To the best of the author¿s knowledge such devices had not been reported before this work. The developments start from the MEMS post-CMOS process experiments and characterization that lead to first working accelerometer prototypes, which are further integrated on one chip with the sensing electronics. The final integrated devices are capable of 3-axis sensing, exhibit acceleration noise below 80 µG/vHz at 1.38 mW power consumption per axis and show a room for further improvement.

(Català) En les últimes dues dècades els acceleròmetres i sensors inercials implementats com sistemes micro-electro-mecànics (MEMS) han demostrat una tendència constant de miniaturització així comuna reducció del preu i del consumd’energia alhora que es mantenen altres paràmetres de rendiment. Això ha disparat el seu ús en un extens nombre de dispositius d’electrònica de consum amb un gran volum de fabricació, com telèfons mòbils, tauletes, consoles de videojocs o wearables entre d’altres. Actualment un dels colls d’ampolla per al manteniment de les tendències esmentades en el preu i la reducció de la mida és la necessitat d’utilitzar un procés de fabricació específic per a MEMS. Els acceleròmetres i giroscopis MEMS comercials són mòduls multi-xip (xip amb MEMS més xip amb electrònica en el mateix encapsulat), o s’utilitza un procés diferent per a MEMS sobre la mateixa oblia de silici amb l’objectiu d’implementar el sensor juntament a la electrònica. CMOS micromachining, en el qual les capes d’interconnexió del CMOS estàndard back-end of line (BEOL) s’utilitzen com a materials estructural, podria ser un possible avenc˛. Un enfoc basat en el gravat iònic reactiu de la pila d’interconnexió sencera seguida d’un gravat del substrat és actualment el mètode d’integració de CMOS-MEMS més popular, encara que, degut a les seves limitacions encara no ha obtingut un èxit significatiu fora de l’àmbit acadèmic. Més recentment, amb l’arribada de les tecnologies microelectròniques orientades a sistemes RF s’ha fet un esforc˛ significatiu per desenvolupar dispositius RF-MEMS com interruptors o ressonadors mitjanc˛ant el simple ús d’un atac isotròpic del dielèctric entre metalls (IMD) del CMOS BEOL. En aquesta tesi es demostra que gràcies a l’aparició en aquestes tecnologies de metalls i vies gruixudes utilitzades normalment per inductors i l’enrutament de les línies de potència, aquest mètode també es pot aplicar per integrar acceleròmetres sobre xips. L’avantatge principal del mètode seguit és la seva senzillesa tecnològica, que dóna com a resultat costos de producció potencialment ultra-baixos i la possibilitat (no demostrada encara) d’implementar un sensor a sobre de l’electrònica (doncs no es requereix atacar el substrat). Aquests dispositius podrien convertir-se en nous blocs IP llestos per integrar en sistemes SoC més complexes. Aquesta tesi presenta el procés de disseny i creació de prototipus de sensors d’acceleració CMOS monolítics obtinguts utilitzant un atac isotròpic del dielèctric entre metalls de la pila d’interconnexió CMOS-BEOL sense passos de gravat del substrat. Fins on l’autor sap, aquests dispositius no han sigut publicats amb anterioritat. El desenvolupament comenc˛a a partir dels experiments amb el procés MEMS post-CMOS i la seva caracterització, que van culminar en els primer prototipus d’acceleròmetres funcionals integrats en un xip junt amb l’electrònica d’obtenció del senyal. Els dispositius integrats finals tenen una capacitat de detecció en 3 eixos, un soroll d’acceleració per sota de 80 μG/√Hz amb 1.38mW de consumde potència per eix, tot i que es mostra un marge de millora.

(Español) En las últimas dos décadas los acelerómetros y sensores inerciales implementados como sistemas micro-electro-mecánicos (MEMS) han demostrado una tendencia constante de miniaturización así como de reducción del precio y del consumo de energía a la vez que se mantienen otros parámetros de rendimiento. Esto ha disparado su uso en un extenso número de dispositivos de electrónica de consumo con gran volumen de fabricación, como teléfonos móviles, tabletas, consolas de videojuegos o wearables entre otros. Actualmente uno de los cuellos de botella para el mantenimiento de dichas tendencias en precio y reducción de tamaño ¿ es la necesidad de usar un proceso de fabricación específico para MEMS. Los acelerómetros y giroscopios MEMS comerciales son o módulos multi-chip (chip con MEMS más chip con la electrónica en el mismo encapsulado), o se usa un proceso distinto para MEMS sobre la misma oblea de silicio con el fin de implementar el sensor junto a la electrónica. CMOS micromachining, en el que las capas de interconnexión del CMOS estándar back-end of line (BEOL) se utilizan como materiales estructurales podría ser un posible avance. Un enfoque basado en el grabado iónico reactivo (RIE) de la pila de interconexión entera seguido por un grabado del sustrato es actualmente el método de integración de CMOS-MEMS más popular, sin embargo, debido a sus limitaciones no ha alcanzado un éxito significativo fuera del ámbito académico. Más recientemente, con la llegada de las tecnologías microelectrónicas orientadas a sistemas RF se ha hecho un esfuerzo significativo para desarrollar dispositivos RF-MEMS como interruptores o resonadores mediante el simple uso del ataque isotrópico del dieléctrico entre metales (IMD) del CMOS BEOL. En esta tesis se demuestra que gracias a la aparición en estas tecnologías de metales y vías gruesas utilizadas normalmente para inductores y el enrutamiento de de las líneas de potencia, este método también se puede aplicar para integrar acelerómetros sobre chips. La ventaja principal del método seguido es su sencillez tecnológica, que da como resultado costes de producción potencialmente ultrabajos y la posibilidad (no demostrada todavía) de implementar un sensor encima de la electrónica (pues no se requiere atacar el sustrato). Tales dispositivos podrían convertirse en nuevos bloques IP listos para integrar en sistemas SoC más complejos. Esta tesis presenta el proceso de diseño y creación de prototipos de sensores de aceleración CMOS monolíticos obtenidos utilizando ataque isotrópico del dieléctrico entre metales de la pila de interconexión CMOS BEOL sin pasos de grabado de sustrato. Hasta donde sabe el autor, estos dispositivos no han sido publicados con anterioridad. El desarrollo empieza a partir de los experimentos con el proceso MEMS post-CMOS y su caracterización, que culminaron en los primeros prototipos de acelerómetros funcionales integrados en un chip con la electrónica de obtención de la señal. Los dispositivos integrados finales tienen una capacidad de detección en 3 ejes, un ruido de aceleración por debajo de 80 µG/vHz con 1.38 mW de consumo de potencia por eje, mostrando además margen de mejora.