Développement de résonateurs électromécaniques en technologie

Université des Sciences et Technologies de Lille
Ecole Doctorale Sciences Pour l’Ingénieur
THESE
(N° d’ordre : 4337)
En vue d’obtention du grade de
Docteur de l’Université de Lille 1
Discipline : Micro et Nano Technologie, Acoustique et
Télecommunication
Par
Cédric DURAND
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
Soutenue le 14/01/09
Jury d’examen :
Rapporteurs :
Alain BOSSEBOEUF
Adrian IONESCU
Directeur de thèse :
Lionel BUCHAILLOT
Examinateurs :
Alain CAPPY
Pascal ANCEY
Sébastien HENTZ
Sylvain PAINEAU
Thèse de Cédric Durand, Lille 1, 2009
© 2010 Tous droits réservés.
http://doc.univ-lille1.fr

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Remerciements
Je remercie tout d’abord Fabrice Casset qui fut mon encadrant au quotidien. De part son expérience sur les
MEMS, Fabrice m’a beaucoup appris, conseillé et soutenu tout au long de la thèse. Je lui en suis très
reconnaissant. Je remercie également Pascal Ancey pour m’avoir accueilli dans son équipe à ST, ainsi que
pour avoir promu mes activités au niveau de l’entreprise. Je remercie Eric Ollier pour m’avoir permis de
réaliser une partie des développements au sein du CEA-LETI. Enfin, je remercie Lionel Buchaillot pour
avoir accepté d’être mon directeur de thèse. Bien que n’étant pas basé dans son laboratoire au quotidien, ce
dernier a assuré un suivi régulier de l’avancement de mes travaux, tout en apportant sa critique scientifique à
tous niveaux. Il a également su soutenir les résultats de mes travaux à leur juste valeur.
Au sein de STMicroelectronics à Crolles, je souhaite remercier toutes les personnes qui m’ont aidé dans les
différentes phases de la thèse, allant de la modélisation à la caractérisation des composants, en passant par la
réalisation technologique. Je pense tout particulièrement à Lorenzo Ciampolini m’ayant formé sur les outils
Synopsys, Stéphane Monfray m’ayant aidé sur la physique des transitors et la technologie SON, Fabienne
Judong, Alexandre Talbot, Delia Ristoiu, Linda Depoyan ou encore Nicolas Loubet sur les développements
technologiques. Je remercie également Nicolas Abelé pour son partage de connaissances sur les résonateurs.
Au sein du CEA-LETI, je souhaite remercier toutes les personnes qui m’ont aidé, principalement au niveau
des réalisations technologiques et de la caractérisation électrique des composants. Je pense tout
particulièrement à Denis Renaud, Stéphan Borel, Pauline Gautier, Rémi Quenouillère, Brigitte Florin en ce
qui concerne les développements technologiques, à Philippe Renaux et Denis Mercier concernant les
caractérisations électriques.
Au sein de l’IEMN, Je remercie les membres du groupe NAM6 pour m’avoir accueilli lors de mes venues à
Lille, et tout particulièrement Bernard Legrand et Marc Fauché pour leur partage de connaissances sur les
résonateurs, ainsi que leur aide précieuse concernant des caractérisations électriques.
Au sein de l’EPFL, je remercie Daniel Grogg et Adrain Ionescu pour m’avoir accueilli dans leur laboratoire
afin de faire les mesures de mes composants en température.
Je remercie mes collègues de travail à STMicroelectronics avec qui j’ai passé de très bons moments durant
ces trois dernières années. Je pense entre autres à Pierre Bar, David Petit, Loic Mourot, Siegfried Dossou,
Perceval Coudrain, Yacine Felk et Syvlain Joblot.
Enfin, je remercie Alain Bossebeouf et Adrian Ionescu pour avoir accepté de repporter ce travail et je
remercie tous les autres membres du jury pour avoir accepté d’examiner le travail effectué.
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Résumé
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
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
STMicroelectronics. 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 les 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.
Mots clefs :
Résonateur électromécanique, MEMS, NEMS, Technologie Silicon On Nothing, Procédé front-end,
Transistor à grille résonante, LRSG MOSFET, Détection par transistor MOSFET, Modélisation
électromécanique, Caractérisation RF, Oscillateur MEMS, Intégration in-IC.
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