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

Abstract

Capacitive RF Micro-Electro-Mechanical (MEMS) switches are one of the most promising devices for RF applications due to their small size, weight and possibility to be integrated in ICs. However 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 the dielectric films of RF MEMS switches and affect the operational characteristics of these devices. The dielectric material that has been investigated is silicon nitride, which is commonly used in RF MEMS switches. The electrical properties of these films have been probed with the aid of RF MEMS switches and Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitors.First, the electrical characteristics of silicon nitride films have been investigated for different polarization conditions. The increase of polarization field’s intensity assists charge trapping in defect states with very large relaxation times and the increase of charging time results to a slower discharging process. The polarity of the polarization field has been also found to affect charging procedure since dielectric charging is enhanced when holes are injected from the bottom electrode plate. 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 and it has been found that lower dielectric charging emerged on silicon nitride films that are deposited at low temperature (150 ⁰C), for small ratio SiH4/NH3 of reactant gases flow rates and under high frequency (13.56 MHz) plasma.In addition, 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. This discharging current’s intensity has been found to be very low (in the order of 10-15-10-16 Amperes). The characteristics of the discharging process have been investigated for times longer than 104 s and 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. The increase of charging temperature enhances dielectric charging while the increase of discharging temperature seems to accelerate the discharging process. 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 capacitive switches and it is found that induced charging mechanisms could act as a compensation mechanism to the total polarization of dielectric films.

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 φόρτιση των διηλεκτρικών τους υμενίων. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των μηχανισμών πόλωσης και αποπόλωσης αυτών 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.Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου εξετάσθηκαν αρχικά για διάφορες συνθήκες πόλωσης. Η επίδραση της έντασης, της πολικότητας και του χρόνου εφαρμογής του ηλεκτρικού πεδίου πόλωσης στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των υμενίων αυτών μελετήθηκε σε διατάξεις πυκνωτών μετάλλου-διηλεκτρικού-μετάλλου (ΜΙΜ) και σε χωρητικούς διακόπτες RF MEMS. Οι διαδικασίες πόλωσης και αποπόλωσης στα διηλεκτρικά υμένια που μελετήθηκαν βρέθηκε σε κάθε περίπτωση να είναι σύνθετες και να συμφωνούν με τον εμπειρικό νόμο αποκατάστασης Kohlrausch-Williams-Watts που εμφανίζεται σε ανομοιογενή συστήματα. Οι διαδικασίες αυτές βρέθηκε επίσης ότι είναι θερμικά ενεργοποιούμενες σε όλες τις περιπτώσεις.Η επίδραση των συνθηκών εναπόθεσης της μεθόδου PECVD στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου μελετήθηκε στη συνέχεια διεξοδικά. Η μείωση της θερμοκρασίας εναπόθεσης, η μείωση του λόγου των αντιδρώντων αερίων SiH4/NH3 και η χρήση υψηλής συχνότητας (13.56 MHz) για τη δημιουργία πλάσματος στη μέθοδο PECVD οδηγούν στην ανάπτυξη υμενίων που εμφανίζουν μικρότερη ηλεκτρική πόλωση, γεγονός που καθιστά τις παραπάνω διαδικασίες καταλληλότερες για την εναπόθεση υμενίων νιτριδίου του πυριτίου σε χωρητικούς διακόπτες RF MEMS.Επιπλέον, προτάθηκε μια νέα πειραματική μέθοδος που επιτρέπει τον προσδιορισμό του ρεύματος εκφόρτισης λόγω μεταφοράς των φορτίων διαμέσου των διηλεκτρικών υμενίων. Έτσι υπολογίστηκε για πρώτη φορά στα πλαίσια εκπόνησης της παρούσας διατριβής το ρεύμα εκφόρτισης διαμέσου των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου στους χωρητικούς διακόπτες RF MEMS. Η ένταση του ρεύματος αυτού βρέθηκε να είναι πολύ χαμηλή (μικρότερη από 10-15 – 10-16 Amp) και τα χαρακτηριστικά της διαδικασίας αποπόλωσης μελετήθηκαν για χρόνους μεγαλύτερους από 104 s. 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 στα διηλεκτρικά υμένια νιτριδίου του πυριτίου. Η συνεισφορά των επιμέρους μηχανισμών πόλωσης στη συνολική φόρτιση των υμενίων αυτών μελετήθηκε τέλος ξεχωριστά σε διακόπτες RF MEMS, πραγματοποιώντας μετρήσεις πόλωσης εξ επαφής και εξ επαγωγής των διηλεκτρικών υμενίων. Οι μηχανισμοί που κυριαρχούν κατά την πόλωση εξ επαγωγής βρέθηκε έτσι ότι μπορεί να λειτουργήσουν αντισταθμιστικά στη συνολική πόλωση του υλικού αυτού.