CMOS integration of AlN based piezoelectric microcantilevers

El gran crecimiento de los sistemas MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) asi como su presencia en la mayoria de los dispositivos que usamos diariamente desperto nuestro interes. Paralelamente, la tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) es la tecnologia mas utilizada para la fabricacion de circuitos integrados. Ademas de ventajas relacionadas con el funcionamiento electronico del dispositivo final, la integracion de sistemas MEMS en la tecnologia CMOS reduce significantemente los costes de fabricacion. Algunos de los dispositivos MEMS con mayor variedad de aplicaciones son los microflejes. Estos dispositivos pueden ser utilizados para la extraccion de energia, en microscopios de fuerza atomica o en sensores, como por ejemplo, para biodeteccion. Los materiales piezoelectricos mas comunmente utilizados en aplicaciones MEMS se sintetizan a altas temperaturas y por lo tanto no son compatibles con la tecnologia CMOS. En nuestro caso hemos usado nitruro de alumino (AlN), que se deposita a temperatura ambiente y es compatible con la tecnologia CMOS. Ademas, es biocompatible, y por tanto podria formar parte de un dispositivo que actue como biosensor. A lo largo de esta tesis hemos prestado especial atencion en desarrollar un proceso de fabricacion rapido, reproducible y de bajo coste. Para ello, todos los pasos de fabricacion han sido minuciosamente optimizados. Los parametros de sputtering para depositar el AlN, las distintas tecnicas y recetas de ataque, los materiales que actuan como electrodos o las capas sacrificiales para liberar los flejes son algunos de los factores clave estudiados en este trabajo. Una vez que la fabricacion de los microflejes de AlN ha sido optimizada, fueron medidos para caracterizar sus propiedades piezoelectricas y finalmente verificar positivamente su viabilidad como dispositivos piezoelectricos. ABSTRACT The huge growth of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) as well as their presence in most of our daily used devices aroused our interest on them. At the same time, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology is the most popular technology for integrated circuits. In addition to advantages related with the electronics operation of the final device, the integration of MEMS with CMOS technology reduces the manufacturing costs significantly. Some of the MEMS devices with a wider variety of applications are the microcantilevers. These devices can be used for energy harvesting, in an atomic force microscopes or as sensors, as for example, for biodetection. Most of the piezoelectric materials used for these MEMS applications are synthesized at high temperature and consequently are not compatible with CMOS technology. In our case we have used aluminum nitride (AlN), which is deposited at room temperature and hence fully compatible with CMOS technology. Otherwise, it is biocompatible and and can be used to compose a biosensing device. During this thesis work we have specially focused our attention in developing a high throughput, reproducible and low cost fabrication process. All the manufacturing process steps of have been thoroughly optimized in order to achieve this goal. Sputtering parameters to synthesize AlN, different techniques and etching recipes, electrode material and sacrificial layers are some of the key factors studied in this work to develop the manufacturing process. Once the AlN microcantilevers fabrication was optimized, they were measured to characterize their piezoelectric properties and to successfully check their viability as piezoelectric devices.