Characterisation and modelling of degradation mechanisms in RF MEMS capacitive switches during hold-down operation

RF MEMS switches represent an attractive alternative technology to current mechanical (e.g. coaxial and waveguide) and solid-state (e.g. PIN diode and FET transistor) RF switch technologies. The materials and fabrication techniques used in MEMS manufacture enable mechanically moveable devices with high RF performance to be fabricated on a miniature scale. However, the operation of these devices is affected by several mechanical and electrical reliability concerns which limit device lifetimes and have so far prevented the widespread adoption and commercialisation of RF MEMS. While a significant amount of research and development on RF MEMS reliability has been performed in recent years, the degradation mechanisms responsible for these reliability concerns are still poorly understood. This is due to the multi-physical nature of MEMS switches where multiple mechanical and electrical degradation mechanisms can simultaneously affect device behaviour with no clear way of distinguishing between their individual effects. As such, little progress has been made in proposing solutions to these reliability concerns. While some RF MEMS switches have recently been commercialised, their success has come at the expense of decreased performance due to design changes necessarily imposed to prevent device failure. However, more high performance switches could be developed if the mechanisms responsible for reliability problems could be understood and solved. The work of this thesis is focussed on the isolation and study of individual reliability mechanisms in RF MEMS capacitive switches. A bipolar hold-down technique is used to minimise the effects of dielectric charging and allow mechanical degradation to be studied in isolation in aluminium-based capacitive switches. An investigation of mechanical degradation leads to the identification of grain boundary sliding as the physical process responsible for the decreased mechanical performance of a switch. An alternative material for the switch movable electrode is investigated and shown to be mechanically robust. The effects of dielectric charging are isolated from mechanical degradation using mechanically robust switches. The isolated investigation of dielectric charging leads to the identification of two major charging mechanisms which take place at the bulk and surface of the dielectric, respectively. The exchange of charge from interface traps is identified as the physical mechanism responsible for bulk dielectric charging. An investigation of surface dielectric charging reveals how this reliability concern depends on the structure and design of a switch. Finally, electrical and material means of minimising dielectric charging are investigated. The findings and results presented in this thesis represent a significant contribution to the state-of the- art understanding of RF MEMS capacitive switch reliability. By implementing the design changes and material solutions proposed in this work, the performance and lifetime of RF MEMS capacitive switches can be greatly improved

Identification of the transient stress-induced leakage current in silicon dioxide films for use in microelectromechanical systems capacitive switches

Dielectric charging at low electric fields is characterized on radio-frequency microelectromechanical systems (RF MEMS) capacitive switches. The dielectric under investigation is silicon dioxide deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition. The switch membrane is fabricated using a metal alloy which is shown to be mechanically robust. In the absence of mechanical degradation, these capacitive switches are appropriate test structures for the study of dielectric charging in MEMS devices. Monitoring the shift and recovery of device capacitance-voltage characteristics revealed the presence of a charging mechanism which takes place across the bottom metal-dielectric interface. Current measurements on metal-insulator-metal devices confirmed the presence of interfacial charging and discharging transient currents. The field-and temperature-dependence of these currents is the same as the well-known transient stress-induced leakage current (SILC) observed in flash memory devices. A simple model was created based on established transient SILC theory which accurately fits the measured data and reveals that charge exchange at the bottom metal-dielectric interface is responsible for charging currents and pull-in voltage changes in these MEMS devices. (C) 2015 AIP Publishing LLC

Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων διηλεκτρικών υμενίων για εφαρμογές σε MEMS και δομές μικροηλεκτρονικής

Οι χωρητικοί διακόπτες RF – MEMS αποτελούν ιδιαίτερα υποσχόμενες ηλεκτρονικές διατάξεις με εφαρμογές κυρίως στον τομέα των τηλεπικοινωνιών. Εμφανίζουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις υφιστάμενες υλοποιήσεις διακοπτών στερεάς κατάστασης (δίοδοι PIN, τρανζίστορ FET) όπως μικρό κόστος και μέγεθος, χαμηλή κατανάλωση ισχύος, υψηλή γραμμικότητα και ικανότητα διαχείρισης υψίσυχνων σημάτων τάξης GHz έως και THz. Παρόλα τα πλεονεκτήματα τους, η εμπορευματοποίηση τους μέχρι σήμερα δεν είναι εφικτή κυρίως λόγω των προβλημάτων αξιοπιστίας που εμφανίζουν, με το κυρίαρχο να αποτελεί το ζήτημα της πόλωσης/φόρτισης των διηλεκτρικών υμενίων. Κατά τη διάρκεια της ενεργοποίησης των διακοπτών, όπου ο κινούμενος μεταλλικός οπλισμός έρχεται σε επαφή με την επάνω επιφάνεια του διηλεκτρικού, φορτία εγχέονται εντός του υμενίου και παγιδεύονται από τις ατέλειες του υλικού. Η απαγωγή του φορτίου αυτού λαμβάνει χώρα κατά την απενεργοποίηση του διακόπτη και μόνο διαμέσου του διηλεκτρικού προς το κάτω ηλεκτρόδιο. Επομένως, οι ρυθμοί έγχυσης και μεταφοράς φορτίου αναμένεται να καθορίσουν την αξιοπιστία και τον χρόνο ενεργού ζωής της διάταξης. Ο ρυθμός έγχυσης θα καθοριστεί από τις συνθήκες ενεργοποίησης και τους εμπλεκόμενους μηχανισμούς έγχυσης/ανακατανομής φορτίου και δεδομένου ότι τα πεδία που αναπτύσσονται είναι υψηλά (>1ΜV/cm) η διαδικασία φόρτισης είναι ιδιαίτερα ταχεία. Αντίθετα, η εκφόρτιση των υμενίων πραγματοποιείται υπό το καθεστώς χαμηλών ηλεκτρικών πεδίων, καθορίζεται από τον κυρίαρχο μηχανισμό αγωγιμότητας και αποτελεί μία αργή διαδικασία με διάρκεια ωρών έως και μηνών εξαρτώμενη από τις ηλεκτρικές ιδιότητες του διηλεκτρικού υμενίου. Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της διαδικασίας εκφόρτισης των διηλεκτρικών υμενίων και η κατανόηση των εμπλεκόμενων μηχανισμών μεταφοράς φορτίου με απώτερο σκοπό τη βελτιστοποίηση τους για αύξηση της αξιοπιστίας των διατάξεων. Για να καταστεί αυτό εφικτό, επιλύθηκαν βασικά ηλεκτρομηχανικά προβλήματα που δυσχεραίνουν τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό, με την ανάπτυξη μοντέλου που επιτρέπει την μελέτη του διηλεκτρικού υμενίου. Για την μελέτη της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των διηλεκτρικών υλικών χρησιμοποιήθηκαν διατάξεις πυκνωτών Μετάλλου – Διηλεκτρικού – Μετάλλου (ΜΙΜ) και διακόπτες χωρητικότητας MEMS, με το νιτρίδιο του πυριτίου (SiNx) να αποτελεί υλικό αναφοράς. Στα υμένια SiNx , βρέθηκε ότι ο μηχανισμός hopping κυριαρχεί κατά την εκφόρτιση διατάξεων MIM και MEMS και μελετήθηκε η επίδραση της στοιχειομετρίας του υμενίου, των συνθηκών πόλωσης και της θερμοκρασίας στα φυσικά μεγέθη του μηχανισμού. Επιπλέον, μελετάται η δυνατότητα περαιτέρω βελτίωσης της εκφόρτισης υμενίων SiNx με την εισαγωγή νανοσωματίων. Σε νανοδομημένα υμένια ταυτοποιήθηκε η παρουσία του μηχανισμού field emission και δύο νέων μηχανισμών εκφόρτισης που μπορούν να δικαιολογήσουν τις βελτιωμένες ιδιότητες τους. Τέλος, μελετήθηκε και η επίδραση της υγρασίας του περιβάλλοντος στην «διασπορά» του επιφανειακού φορτίου και προτείνεται μοντέλο υπολογισμού του μέτρου της, απευθείας σε διακόπτες MEMS.RF – MEMS capacitive switches are promising devices for several applications, especially in the field of wireless communications. They show many advantages compared to the conventional semiconductor based switches (PIN diodes, FETs) such as low cost, low power consumption, high linearity and their ability to manage signals in the order of hundreds of GHz, even in THz. In spite of these attractive benefits, their commercialization is still hindered by reliability issues among them the most severe is dielectric charging. During the device activation charges are injected from the movable electrode and trapped inside the dielectric due to the presence of defects, acting as trapping centers. The trapped charge can only be drained through the dielectric and towards the bottom electrode. Thus, the charge/discharge ratios will determine the device reliability and effective lifetime. The charging ratio will be determined by the activation conditions and the contributing mechanisms of charge injection/redistribution. Taking into account that activation takes place in the presence of high electric fields(>1ΜV/cm), charging procedure is a very fast process. On the other hand, discharging occurs in the presence of low electric fields, is determined from the dominant conduction mechanism and is a very slow process, where the time required for the charge draining may be in the order of weeks and/or months. The main objective of the present work is to study the discharging process of the dielectric films used and to understand the conduction mechanisms involved, with the ultimate goal of optimizing them to increase the devices reliability. To make this possible, basic electromechanical problems that make electrical characterization difficult were solved, with the development of a model that allows the study of the dielectric film. Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitors and MEMS capacitive switches were used to study the electrical behavior of dielectric materials, with silicon nitride (SiNx) as the reference material. In SiNx films, the hopping mechanism was found to dominate during MIM and MEMS devices discharging process and the effect of film stoichiometry, polarization conditions and temperature on the physical quantities of the involved mechanism was studied. In addition, the possibility of further improving the discharging process of SiNx films by introducing nanoparticles is being studied. The presence of the field emission mechanism and two new discharge mechanisms were identified in nanostructured films that can justify their improved electrical properties. Finally, the effect of ambient humidity on the "dispersion" of the surface charge was studied and a model for calculating its magnitude, directly on MEMS switches, is proposed

Μελέτη και Βελτιστοποίηση των Ηλεκτρικών Ιδιοτήτων Λεπτών Μονωτικών Υμενίων που Χρησιμοποιούνται σε Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MEMS)

Οι διακόπτες RF MEMS αποτελούν ιδιαίτερα υποσχόμενες διατάξεις στον τομέα των τηλεπικοινωνιών όμως προβλήματα αξιοπιστίας εμποδίζουν την εμπορευματοποίησή τους έως και σήμερα. Η παρούσα διατριβή εξετάζει ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα αξιοπιστίας που συναντάται στους διακόπτες αυτούς, τη φόρτιση των διηλεκτρικών τους υμενίων. Τα υμένια των διακοπτών RF MEMS εναποτίθενται με σύγχρονες μεθόδους της μικροηλεκτρονικής και εμφανίζουν σημαντικό βαθμό ανομοιογένειας και απόκλιση από τη στοιχειομετρία. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των μηχανισμών πόλωσης και αποπόλωσης των διηλεκτρικών υμενίων καθώς επίσης και η μελέτη της επίδρασης των συνθηκών εναπόθεσης στα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Το διηλεκτρικό υλικό που μελετήθηκε είναι το νιτρίδιο του πυριτίου, οι ηλεκτρικές ιδιότητες του οποίου δεν είναι ακόμη πλήρως γνωστές παρά το γεγονός ότι αποτελεί ένα από τα πιο διαδεδομένα υλικά στην μικροηλεκτρονική

Μελέτη και βελτιστοποίηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων λεπτών μονωτικών υμενίων που χρησιμοποιούνται σε Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MEMS)

Οι χωρητικοί διακόπτες RF MEMS αποτελούν ιδιαίτερα υποσχόμενες διατάξεις στον τομέα των τηλεπικοινωνιών όμως προβλήματα αξιοπιστίας εμποδίζουν την εμπορευματοποίησή τους έως και σήμερα, με σημαντικότερο τη πόλωση των διηλεκτρικών τους υμενίων. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των μηχανισμών πόλωσης και αποπόλωσης των διηλεκτρικών υμενίων νιτριδίου του πυριτίου καθώς επίσης και η μελέτη της επίδρασης των συνθηκών εναπόθεσης στα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου εξετάσθηκαν αρχικά για διάφορες συνθήκες πόλωσης. Οι διαδικασίες πόλωσης και αποπόλωσης στα διηλεκτρικά υμένια που μελετήθηκαν βρέθηκε σε κάθε περίπτωση να είναι θερμικά ενεργοποιούμενες και σύνθετες. Η επίδραση των συνθηκών εναπόθεσης της μεθόδου PECVD στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου μελετήθηκε στη συνέχεια διεξοδικά. Επιπλέον, προτάθηκε μια νέα πειραματική μέθοδος που επιτρέπει τον προσδιορισμό του ρεύματος εκφόρτισης λόγω μεταφοράς των φορτίων διαμέσου των διηλεκτρικών υμενίων. Κυρίαρχος μηχανισμός αγωγιμότητας κατά την αποπόλωση των μελετώμενων υμενίων βρέθηκε να είναι οι διαδικασίες hopping. Επίσης, με τη βοήθεια της προτεινόμενης μεθόδου πραγματοποιήθηκε ξεχωριστή μελέτη των θερμικά ενεργοποιούμενων διαδικασιών πόλωσης και αποπόλωσης. Η συνεισφορά των επιμέρους μηχανισμών πόλωσης στη συνολική φόρτιση των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου μελετήθηκε τέλος ξεχωριστά σε διακόπτες RF MEMS, πραγματοποιώντας μετρήσεις πόλωσης εξ επαφής και εξ επαγωγής των διηλεκτρικών υμενίων.Capacitive RF MEMS switches are one of the most promising devices for RF applications but reliability problems still hinder their commercialization, the most important being the effect of dielectric charging. The present thesis aims to provide a better understanding of charging and discharging processes that appear in silicon nitride dielectric films used in RF MEMS switches. First, the electrical characteristics of silicon nitride films have been investigated for different polarization conditions. The results indicate that charging and discharging processes are thermally activated and consistent to Kohlrausch-Williams-Watts polarization’s relaxation, found in many materials containing some degree of disorder. The effect of deposition conditions of PECVD method on the electrical properties of silicon nitride films has been also probed. A new experimental method has been proposed in the present thesis that allows the determination of discharging current through the bulk of the dielectric films in RF MEMS switches. The results indicate that the dominant conduction mechanism during discharge in silicon nitride films are the hopping processes. Moreover, thermally activated charging and discharging mechanisms have been investigated separately with the aid of the proposed method mentioned above. Finally, the contribution of each charging mechanism to the total polarization of silicon nitride films has been probed by performing contacted and contact-less charging procedures in RF MEMS switches and it is found that induced charging mechanisms could act as a compensation mechanism to the total polarization of dielectric films

From RF-Microsystem Technology to RF-Nanotechnology

The RF microsystem technology is believed to introduce a paradigm switch in the wireless revolution. Although only few companies are to date doing successful business with RF-MEMS, and on a case-by-case basis, important issues need yet to be addressed in order to maximize yield and performance stability and hence, outperform alternative competitive technologies (e.g. ferroelectric, SoS, SOI,…). Namely the behavior instability associated to: 1) internal stresses of the free standing thin layers (metal and/or dielectric) and 2) the mechanical contact degradation, be it ohmic or capacitive, which may occur due to low forces, on small areas, and while handling severe current densities.The investigation and understanding of these complex scenario, has been the core of theoretical and experimental investigations carried out in the framework of the research activity that will be presented here. The reported results encompass activities which go from coupled physics (multiphysics) modeling, to the development of experimental platforms intended to tackles the underlying physics of failure. Several original findings on RF-MEMS reliability in particular with respect to the major failure mechanisms such as dielectric charging, metal contact degradation and thermal induced phenomena have been obtained. The original use of advanced experimental setup (surface scanning microscopy, light interferometer profilometry) has allowed the definition of innovative methodology capable to isolate and separately tackle the different degradation phenomena under arbitrary working conditions. This has finally permitted on the one hand to shed some light on possible optimization (e.g. packaging) conditions, and on the other to explore the limits of microsystem technology down to the nanoscale. At nanoscale indeed many phenomena take place and can be exploited to either enhance conventional functionalities and performances (e.g. miniaturization, speed or frequency) or introduce new ones (e.g. ballistic transport). At nanoscale, moreover, many phenomena exhibit their most interesting properties in the RF spectrum (e.g. micromechanical resonances). Owing to the fact that today’s minimum manufacturable features have sizes comparable with the fundamental technological limits (e.g. surface roughness, metal grain size, …), the next generation of smart systems requires a switching paradigm on how new miniaturized components are conceived and fabricated. In fact endowed by superior electrical and mechanical performances, novel nanostructured materials (e.g. carbon based, as carbon nanotube (CNT) and graphene) may provide an answer to this endeavor. Extensively studied in the DC and in the optical range, the studies engaged in LAAS have been among the first to target microwave and millimiterwave transport properties in carbon-based material paving the way toward RF nanodevices. Preliminary modeling study performed on original test structures have highlighted the possibility to implement novel functionalities such as the coupling between the electromagnetic (RF) and microelectromechanical energy in vibrating CNT (toward the nanoradio) or the high speed detection based on ballistic transport in graphene three-terminal junction (TTJ). At the same time these study have contributed to identify the several challenges still laying ahead such as the development of adequate design and modeling tools (ballistic/diffusive, multiphysics and large scale factor) and practical implementation issues such as the effects of material quality and graphene-metal contact on the electrical transport. These subjects are the focus of presently on-going and future research activities and may represent a cornerstone of future wireless applications from microwave up to the THz range

Microelectromechanical Systems and Devices

The advances of microelectromechanical systems (MEMS) and devices have been instrumental in the demonstration of new devices and applications, and even in the creation of new fields of research and development: bioMEMS, actuators, microfluidic devices, RF and optical MEMS. Experience indicates a need for MEMS book covering these materials as well as the most important process steps in bulk micro-machining and modeling. We are very pleased to present this book that contains 18 chapters, written by the experts in the field of MEMS. These chapters are groups into four broad sections of BioMEMS Devices, MEMS characterization and micromachining, RF and Optical MEMS, and MEMS based Actuators. The book starts with the emerging field of bioMEMS, including MEMS coil for retinal prostheses, DNA extraction by micro/bio-fluidics devices and acoustic biosensors. MEMS characterization, micromachining, macromodels, RF and Optical MEMS switches are discussed in next sections. The book concludes with the emphasis on MEMS based actuators