据麦姆斯咨询报道，近日，一支由加泰罗尼亚理工大学（Universitat Politècnica de Catalunya）和巴塞罗那自治大学（Universitat Autónoma de Barcelona）的研究人员组成的科研团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Design, fabrication, characterization and reliability study of CMOS-MEMS Lorentz-force magnetometers”的科研论文。该论文中介绍了几种使用标准的CMOS工艺制造微机电系统（MEMS）的设计技术，可用于制造高良率的CMOS-MEMS洛伦兹力磁力计（Lorentz-force magnetometers，LFM）。尽管CMOS不是用于MEMS制造的常用工艺，但这款CMOS-MEMS洛伦兹力磁力计的性能（灵敏度和噪声级）与当前商用磁力计和其他使用MEMS工艺制造的磁力计相当，甚至更好。
当今，CMOS技术是大规模生产半导体器件最常用的技术。商用传感器的专用集成电路接口也使用该技术实现。然而，传感元件则需要使用专门的微加工工艺制造。对于许多应用而言，与其他集成方法相比，将CMOS电子元件和MEMS元件集成在单颗芯片（CMOS-MEMS）上具有降低制造成本、尺寸、寄生效应和功耗的潜力。在过去的几十年中，这些优势激发了很大的研究兴趣，使其得到了一定程度的发展，通常根据MEMS元件的构建先后顺序（与CMOS电路相比），可以将CMOS-MEMS技术分为以下几类：
（1）Pre-CMOS（MEMS before CMOS）：MEMS在CMOS之前构建。完成后，晶圆可以进行标准CMOS工艺。MEMS不受CMOS热预算限制，但必须与后续标准CMOS工艺步骤兼容。不幸的是，CMOS代工厂往往不愿意使用经过MEMS工艺的晶圆。
（2）Intra-CMOS（MEMS between FEOL and BEOL）：CMOS工艺被中断以进行MEMS工艺。同样地，需要与CMOS代工厂密切合作，有一些产品正在量产中。
（3）Post-CMOS（MEMS after CMOS）：MEMS在标准CMOS工艺完成之后构建，因此CMOS代工厂不需要修改标准工艺。然而，MEMS工艺不能超过CMOS热预算，这限制了MEMS工艺的选择。
目前，所有商用磁力计都是非洛伦兹力原理，通常基于霍尔效应、各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR），或最近的隧道磁电阻（TMR），也称为磁性隧道结（MTJ）。它们往往都有某种磁性材料，比如磁通量集中器。磁性材料可能会被高磁场损坏，受到温度限制和磁滞影响，这反过来可能会导致精度降低，从而需要用户进行繁琐的重新校准。虽然洛伦兹力磁力计不需要磁性材料，但其会受到与电气干扰相关的其他偏移。研究人员将对此进行分析，提出解决方案，并量化其效率。
这项研究中使用的CMOS-MEMS工艺是采用标准6-metal 0.18μm CMOS工艺的后道工艺（BEOL）来构建MEMS。虽然制造过程很简单，但使用BEOL作为结构层存在重要缺陷，例如不可重复性、过度弯曲和蠕变。此外，尽管金属间电介质（IMD）氧化物刻蚀速率是均匀的，但vHF刻蚀沿着金属高度催化，导致了不良的失控刻蚀，这增加了水平刻蚀速度，并大大降低了刻蚀的各向同性。研究人员提出了克服CMOS-MEMS制造工艺挑战的设计技术，例如连续通孔以阻止vHF、提供机械支撑的锚、固支梁（Clamped-clamped beams）以克服曲率问题、多个梁耦合以提高信噪比（SNR）和重复性等，以构建可靠且具有竞争力的CMOS-MEMS洛伦兹力磁力计。
CMOS BEOL工艺和post-CMOS密封层
研究人员设计、制造并表征了三轴洛伦兹力磁力计：推导出精确预测多层固支梁的品质因子和共振频率随温度、设计参数和气压（从1bar到1μbar）变化的方程，并进行了实验验证。正如有限元模拟所证实的，热弹性阻尼（TED）是低压下的主要阻尼机制。气体粘度解释了空气阻尼区品质因子随温度的变化。热应力解释了共振频率随温度的变化。研究人员测量了轴向应力相同但长度不同的固支梁的梁-弦过渡（beam-to-string transition），并准确地拟合了预期行为。这表明利用CMOS BEOL构建复杂多层结构的精确建模是可行的。
x轴和y轴磁力计的3D透视图：垂直谐振
z轴磁力计的3D透视图：横向谐振
洛伦兹力磁力计没有磁性材料，与其他磁力计技术相比，具有多项优势。但不幸的是，洛伦兹力磁力计的偏移可能是其主要缺点。在这项工作中，电流斩波技术与梁屏蔽结构相结合成功地消除了电气干扰。
尽管CMOS技术不是MEMS专用工艺，但当使用600μA电流时，CMOS-MEMS QFN封装器件的布朗噪声在9.5-15nT/√Hz之间。封装的磁力计用作罗盘时，可以实现大约低至0.045°/√Hz的航向精度，这与使用MEMS专用工艺制造的商用磁力计和最先进的三轴洛伦兹力磁力计的性能相当或更好。此外，其传感器面积是三轴MEMS磁力计中最小的。使用本研究工作中未制造的更长梁或更高的洛伦兹电流可以实现更低的噪声水平。
良率通常是MEMS产品的主要关注点之一。研究人员证明QFN封装的CMOS-MEMS洛伦兹力磁力计的最终良率可以达到95%左右。此外，一些器件变体能够承受非常高的温度（450℃/30分钟和400℃/1小时），并且没有或几乎没有良率损失。总之，使用适当的设计技术，CMOS-MEMS器件的性能有可能与商业产品相当或更好。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-022-00423-w
