Platforms and techniques for integration of microsystems above integrated electronic circuits

This thesis begins with the enhancement of an above-IC silicon carbide-based beam resonator microfabrication process for improved device manufacturability and performance. Technological developments achieve vertical transduction gaps as small as 100 nm as well as full beam resonator metallization so as to significantly reduce electrical loss and operating voltage levels. The improved resonators require polarization voltages less than 6× lower than the initial devices for similar filtering ability, which is critical for eventual fully-monolithic MEMS oscillators. Based on the developed resonators, a functional vacuum sensor is also designed for pressure monitoring from 10 mbar to atmospheric, along with a novel system architecture for temperature-insensitivity.The resonator process flow developed is then gradually upgraded into a multi-purpose microfabrication platform for the integration of various types of microsystems directly above IC electronics. Capacitive RF switches with ON/OFF capacitance ratio up to 9 are successfully implemented to take advantage of silicon carbide's attractive mechanical properties. In the context of resonator and switch co-fabrication, a platform variant is proposed to allow formation of several transduction gap sizes on a common substrate. The platform is also used to demonstrate a working air-coupled capacitive ultrasonic transducer implemented as an array of membranes, with intrinsic signal transmission of -38 dB. A fabrication process for fast-response relative humidity sensors is developed and incorporated within the platform technology – realized devices exhibiting sensitivity and response time of 11.7 fF/%RH and 5.4 s respectively. A method is proposed to make use of polyimide both as a sensing and sacrificial material to enable co-fabrication of humidity sensors together with free-moving devices. The platform remains IC-compatible through processing temperatures always kept below 300°C and the use of compliant constituent materials and processing chemicals.A novel prototyping and handling methodology is developed to allow the fabrication of surface-micromachined MEMS above extremely small IC chips. The methodology is used to integrate devices from the platform technology onto a commercial SiGe IC, as validation of the claimed IC-compatibility.Finally, a novel 3D-transduction MEMS platform with both submicron vertical and lateral gaps is developed, leading to bulk-mode disk resonators exhibiting higher frequency-Q product (Q of 1100 at 25 MHz) than the beam resonators, all without the need for vacuum encapsulation. A novel combined accelerometer / magnetometer structure also is designed using this same platform and is able to detect out-of-plane acceleration (sensitivity: 1.02 fF/g) and in-plane magnetic field (sensitivity: 1.57 pF/T). As a whole, the developed technologies in this work are shown to form a universal platform to eventually allow above-IC integration of many different MEMS types together for fully-monolithic systems.Cette thèse débute par le peaufinement d'un procédé de microfabrication de résonateurs-poutres à base de carbure de silicium (SiC). Le procédé, adéquat pour intégration sur circuits intégrés (sur-CI), est optimisé en termes de potentiel d'industrialisation et de performance. Les développements technologiques effectués permettent de petits espacements de transduction de 100 nm et la métallisation entière des résonateurs-poutres, réduisant significativement les pertes électriques et les tensions requises. Les résonateurs améliorés exigent une tension de polarisation de plus de 6× inférieure aux dispositifs initiaux pour une capacité de filtrage similaire. Ces caractéristiques sont cruciales pour la réalisation d'oscillateurs MEMS entièrement monolithiques. En se basant sur les résonateurs développés, un capteur de vide est conçu pour mesurer la pression de 10 mbar à pression atmosphérique. Une architecture de système novatrice pour désensibilisation à la température ambiante est également conçue.Le procédé pour résonateur est graduellement transformé en plateforme de microfabrication à usages multiples pour l'intégration directe sur-CI de plusieurs différents types de microsystèmes. Des interrupteurs RF capacitifs ont ainsi été réalisés pour tirer avantage des propriétés attrayantes du SiC et offrent un rapport des capacité ON/OFF jusqu'à 9. Dans l'optique de cofabriquer résonateurs et interrupteurs, une variante de la plateforme est suggérée pour permettre la formation d'espacements de transduction de différentes tailles sur un même substrat. La plateforme est également utilisée afin de réaliser un transducteur ultrasonique de type capacitif fonctionnant dans l'air, avec une transmission de signal intrinsèque de -38 dB. Un procédé de fabrication de capteurs d'humidité relative à réaction rapide est aussi développé et incorporé dans la plateforme technologique. Les capteurs réalisés affichent une sensibilité de 11.7 fF/%RH et un temps de réaction de 5.4 s. Une méthode présentée permet l'utilisation d'une même couche de polyimide pour la détection d'humidité en certaines régions, et pour la relâche sacrificielle en d'autres. Cette approche permet l'inclusion, sans incompatibilité, de capteurs d'humidité et d'autres dispositifs MEMS sur un substrat partagé. La plateforme demeure adéquate pour intégration sur-CI, par ses températures de procédés toujours au-dessous de 300°C et par l'utilisation de matériaux et de produits chimiques compatibles.Finalement, une plateforme novatrice est présentée pour la transduction en 3D, comportant des espacements verticaux et latéraux aux dimensions nanométriques. Des résonateurs-disques en mode de vibration volumique sont développés et offrent un produit fréquence Q (Q de 1100 à 25 MHz) supérieur aux résonateurs-poutres, sans aucun besoin de les encapsuler sous vide. Un nouveau type d'accéléromètre / magnétomètre combiné est conçu en utilisant cette même plateforme, et parvient à détecter des accélérations hors-plan (sensibilité: 1.02 fF/g) et des champs magnétiques dans le plan (sensibilité: 1.57 pF/T). Dans leur ensemble, les technologies développées dans cette thèse forment une plateforme universelle pour éventuellement intégrer plusieurs types de MEMS sur des puces électroniques pour la réalisation de systèmes entièrement monolithiques