Développement de résonateurs électromécaniques en technologie Silicon On Nothing, à détection capacitive et amplifiée par transistor MOS, en vue d’une co-intégration permettant d’adresser une application de référence de temps

Development of electromechanical resonators using a Silicon On Nothing technology, with capacitive and enhanced MOSFET detection, in a perspective of a co-integration to address time reference applications

• Auteur / Autrice : Cédric Durand
• Direction : Lionel Buchaillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nano Technologie, Acoustique et Télecommunication
• Date : Soutenance le 14/01/2009
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intégration sur tranche entière (circuits intégrés)

Oscillateurs radiofréquences

Transistors MOSFET

Modèles mathématiques

Systèmes microélectromécaniques

Résonateurs électriques

Mots clés libres

Technologie silicium sur rien

Transistors à grille résonante

Résumé

Les résonateurs électromécaniques (MEMS), de part leurs bonnes performances, leur petite taille, ou encore leurs possibilités d'intégration au plus proche des transistors, présentent un fort potentiel pour le remplacement des quartz dans les applications de référence de temps. Dans ce contexte, nous proposons de développer des résonateurs électromécaniques en vue d'une intégration « front-end », pour la réalisation d'oscillateurs intégrés. Ainsi, nous avons fabriqué des démonstrateurs à partir des briques de base de la technologie CMOS Silicon On Nothing, en phase de R&D à STMicroe!ectronlcs. Du fait de la petite taille des composants, nous avons utilisé un transistor à grille résonante pour amplifier la détection de la résonance. Ainsi, des développements technologiques spécifiques ont permis de fabriquer des résonateurs et leur transistor de détection. La conception des dispositifs a été réalisée à partir du développement d'un modèle électromécanique des résonateurs. Ce modèle est compatible avec les outils de design et peut alors aider à la conception de l'oscillateur MEMS. Nous avons ensuite montré le bon fonctionnement des résonateurs fabriqués, ainsi que celui de l'amplification induite par la détection MOS. Cette démonstration constitue une première, prouvant la fonctionnalité de la détection MOS pour un composant de petite taille, vibrant dans le plan du substrat. Enfin, nous avons validé le modèle électromécanique à partir d'autres modèles ainsi qu'avec les mesures des composants fabriqués. En termes de perspectives, le recours à diverses améliorations permettrait d'obtenir des dispositifs compatibles avec la réalisation d'un oscillateur performant et co-intégré.

Due to good performances, small size, or either integration possibilities very close to transistors,electromechanical resonators offer a strong potential for quartz replacement in time reference applications. In this context, we propose to develop electromechanical resonators in a perspective of a front-end integration, for the realization of integrated oscillators. The fabricated demonstrators are based on the Silicon On Nothing CMOS technology, under R&D at STMicroelectronics. Due to the small size of the studied components, a resonant gate transistor was used to amplify the resonance detection. Specific technological developments enabled the fabrication of both resonator and detection transistor. Device conception was made by the use of an electromechanical resonator model, developed during the study. Thurthermore, the model is compatible with design tools, making it usefull for MEMS oscillator conception.Then, we demonstrated resonator and MOSFET detection amplification well-functionning on the fabricated devices.This is the first demonstration of MOSFET detection functionality for a small size and in-plane vibrating component. Finally, the electromechanical model was validated with other models and measurements. In terms of perspectives, the use of various design or technology improvements could able the access to devices compatible with the realization of a high perfromances and co-integrated oscillator.