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

Abstract

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.

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.