Technologie de fabrication et analyse de fonctionnement d'un système multi-physique de détection de masse à base de NEMS co-intégrés CMOS

Technology development and analysis of a multiphysic system based on NEMS co-integrated with CMOS for mass detection application

• Auteur / Autrice : Julien Philippe
• Direction : Thomas Ernst
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 10/12/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Ernst, Francis Calmon, Julien Arcamone
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Francesc Pérez-Murano, Bernard Legrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanosystèmes électromécaniques

Mots clés libres

NEMS

CMOS

Co-intégration

Détection de masse

Fabrication

Caractérisation

NEMS

CMOS

Co-integration

Mass sensor

Fabrication

Characterization

Résumé

Ces dernières décennies ont vu l'émergence des microsystèmes électromécaniques (MEMS) grâce notamment aux techniques de fabrication employées dans l'élaboration des transistors. L'utilisation de différentes propriétés physiques (électroniques, mécaniques, optiques par exemple) a permis la construction d'un large panel de capteurs miniaturisés. Résultant de la miniaturisation sub-micrométrique des MEMS, les nanosystèmes électromécaniques (NEMS) constituent un tout nouveau type d'objet permettant d'adresser des applications nécessitant un très haut niveau de sensibilité et de résolution, comme la détection de gaz, la spectrométrie de masse ou la reconnaissance de molécules faisant traditionnellement appel à des machines très volumineuses. L'utilisation de ces NEMS requiert cependant un circuit électronique CMOS afin de lire et d'exploiter le signal en sortie de résonateur et servant également à la mise en place d'une boucle oscillante (boucle à verrouillage de phase ou boucle auto oscillante par exemple), architecture idéale pour la détection de masse en temps réel. L'intégration du circuit CMOS avec les résonateurs NEMS constitue un aspect critique quant à la fabrication de capteurs de haute performance. La solution optimale consiste à intégrer de manière monolithique ces deux parties sur la même puce, permettant ainsi de réduire la dimension du capteur et d'améliorer la transmission du signal électrique entre les résonateurs et le circuit CMOS. Cette thèse propose dans un premier temps d'analyser l'intérêt de cette co-intégration du point de vue électrique. Dans un second temps, cette thèse portera sur le développement d'une approche originale visant à co-intégrer de manière monolithique les nano résonateurs au-dessus du circuit CMOS et des interconnexions. La dernière partie portera sur le design d'un détecteur de masse composé d'un réseau compact de NEMS co-intégré CMOS.

During these last decades, Very Large Scale Integration (VLSI) techniques, well developed for transistors, have been used for the Micro ElectroMechanical Systems (MEMS) devices. Thanks to the combination of different physical properties (such as electronic, mechanical, optical etc.) the fabrication of various kinds of miniaturized sensors has been made possible. The sub-µm downscaling of MEMS has allowed the emergence of a new kind of devices called NEMS (for Nano ElectroMechanical Systems) and the possible use of the electromechanical systems in specific applications in which a high level of sensitivity and resolution is necessary, such as gas sensing, mass spectrometry and molecules recognition, to replace traditional bulky machines. Nevertheless, the use of these NEMS requires a CMOS electronic to enhance NEMS resonators readout and to implement closed-loop oscillators (e.g. phase-locked loop or self-oscillating loop) that provide real-time mass measurements. The integration of the electronic circuit with the resonators is a critical aspect for the fabrication of high performance sensors. The best way consists in monolithically processing these two parts on the same die allowing a size reduction of the sensor and an optimal signal transmission between the NEMS resonators and the CMOS circuit. In a first time, this thesis proposes to analyze the interest of this co integration from an electrical point of view. In a second time, this thesis deals with the development of a 3D co integration in which the nano resonators are fabricated above the CMOS circuit and the interconnections. The final part is focused on the layout design considerations for the implementation of a compact mass sensor based on a NEMS array co integrated with a CMOS.