Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Μελέτη Ηλεκτρομηχανικών Ιδιοτήτων Χωρητικών Διακοπτών RF-MEMS Μπιρμπιλιώτης Δημήτριος Τριμελής Επιτροπή Καθηγητής Γ. Παπαϊωάννου, Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ Αναπλ. Καθηγητής Σπ. Γαρδέλης, Τμ. Φυσικής ΕΚΠΑ Αναπλ. Καθηγητής Απ. Κυρίτσης, ΣΕΜΦΕ ΕΜΠ Ημερίδα Υποψήφιων Διδακτόρων 10//017
Χωρητικοί Διακόπτες RF-MEMS Πόλωση του Διηλεκτρικού Μετατόπιση της C- χαρακτηριστικής Αύξηση της ελάχιστης χωρητικότητας Μείωση του λόγου C DOWN /C up Συγκόλληση οπλισμών Καταστροφή του διακόπτη
Εκτίμηση της φόρτισης του διηλεκτρικού Χωρίς επίδραση από το υπόστρωμα Επίδραση από το υπόστρωμα Παρακολούθηση της ολίσθησης της min min = d ε ε 0 ε r ψ eq με την υπόθεση των παράλληλων οπλισμών Επίδραση πυκνωτών MOS από το υπόστρωμα Si Παραμόρφωση της C- Δεν διακρίνεται κάποιο ελάχιστο Πώς μπορούμε να υπολογίσουμε την φόρτιση του διηλεκτρικού σε αυτή την περίπτωση??
] cov [, 0 d dc a MEMS Θεωρητικό μοντέλο 1 πυκνωτής MEMS ] cov [, 0 A C a MEMS [1] X. Rottenberg, I. De Wolf, B.K.J.C. Nauwelaers, W. De Raedt, H.A.C. Tilmans, J. Microelectromech. Syst. 16 007 143. eq r d e 0 μ α = ε 0 d 0 Δ + d ε e r Αν οι οπλισμοί είναι παράλληλοι σ α 0, επομένως min = μ β μ α = d ε ε 0 ε r ψ eq Για μικρές μετατοπίσεις της γέφυρας Δ d 0 x,y Με κλίση S = Α ε 0 κ μ α + σ α και τετμημένη 0 = μ αμ β +cov a,β μ α +σ α
Δίκτυο υποστρώματος Αφαίρεση της γέφυρας Η ολίσθηση της C- και της παραγώγου της οφείλονται στην παρουσία διεπιφανειακών καταστάσεων Προσομοίωση μέσω MosCap, Nanohub.org
Διακόπτης ΜΕΜS με επίδραση υποστρώματος pi = 0 t ox = t diel = 00nm Ύπαρξη πυκνωτών MOS C 1 1 και C σε σειρά διαιρέτης τάσης Όταν ο πυκνωτής C 1 οδηγείται στη συσσώρευση accumulation, ο πυκνωτής C οδηγείται στην αντιστροφή inversion Υπό συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης stress, η C- χαρακτηριστική αναμένεται να παρουσιάζει ολίσθηση με την πολικότητα της να καθορίζεται από την πόλωση του διηλεκτρικού του διακόπτη ΜΕΜS Dielectric Charging, την ποσότητα του φορτίου που εγχέεται στο διηλεκτρικό των πυκνωτών MOS και στον ρυθμό γένεσης διεπιφανειακών καταστάσεων
Διαχωρισμός των δύο επιδράσεων Διαχωρισμός των δύο επιδράσεων μέσω της παραγώγου Εξάλειψη παρασιτικών χωρητικοτήτων dc MEMS d = dc m d dc MOS d Το σημείο τομής της διαφοράς των παραγώγων με τον άξονα θα πρέπει να αντιστοιχεί στο min Εκτίμηση της πυκνότητας φορτίου στο διηλεκτρικό υμένιο μέσω της min = d ε ε 0 ε r ψ eq, υϊοθετώντας το μοντέλο των παράλληλων οπλισμών Προκειμένου να μεγιστοποιήσουμε την ακρίβεια της μεθόδου χρησιμοποιήσαμε τον ίδιο διακόπτη, πριν και μετά την αφαίρεση της γέφυρας Πειραματικές συνθήκες stress = 5 Τάση ενεργοποίησης 0 Stress times 5,10,15,30,60 min
Πειραματικά αποτελέσματα Dielectric material Film thickness nm Stress time sec Stress condition Charge density x10-9 C/cm Si 3 N 4 50-0 0 0 15.0 a Si 3 N 4 100-500 100 1 M/cm 3 13 b Si 3 N 4 500 900 10 0,M/cm 58.3 c Si 3 N 4 00 -- 0 30 0 360 a,c Si 3 N 4 50 300 33 1,3M/cm 33.3 c Si 3 N 4 50 600 301,M/cm 10 Si 3 N 4 70 100.1 M/cm 9.8 NCD 450 300 1 M/cm 31. c Si 3 N 4 00 100 - M/cm -88.0 d AlN 00 3600 51,5M/cm 35 a Simple C- sweep. b MIM capacitor, TSDC assessment. c Calculated from t Δmin. d Calculated from Us peak value of KPFM assessment
Συμπεράσματα Προτείνεται μια νέα μέθοδος εκτίμησης της πυκνότητας φορτίου του διηλεκτρικού, σε διατάξεις που η επίδραση από το υπόστρωμα είναι μη αμελητέα. Η αφαίρεση της γέφυρας επιτρέπει τον διαχωρισμό των συνεισφορών μεταξύ του διακόπτη MEMS και του υποστρώματος. Η προτεινόμενη μέθοδος αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο εκτίμησης της φόρτισης του διηλεκτρικού, σε διατάξεις που έχουν υλοποιηθεί σε υποστρώματα αυξημένης αγωγιμότητας, λόγω της παρουσίας διεπιφανειακών καταστάσεων που έχουν εισαχθεί μέσω της εναπόθεσης του οξειδίου. Δημοσιεύσεις 1. D. Birmpiliotis, P. Czarnecki, M. Koutsoureli, G. Papaioannou, I. De Wolf, Assessment of dielectric charging in capacitive MEMS switches fabricated on Si substrate with thin oxide film, Microelectronic Engineering, olume 159, 15 June 016, Pages 09-14, ISSN 0167-9317, http://dx.doi.org/10.1016/j.mee.016.04.008. M. Koutsoureli, D. Birmpiliotis, L. Michalas, G. Papaioannou, An in depth analysis of pull-up capacitance-voltage characteristic for dielectric charging assessment of MEMS capacitive switches, Microelectronics Reliability, olume 64, September 016, Pages 688-69, ISSN 006-714, http://dx.doi.org/10.1016/j.microrel.016.07.07 3. M. Koutsoureli, D. Birmpiliotis, L. Michalas and G. Papaioannou, "Dielectric charging in MEMS capacitive switches a persisting reliability issue, available models and assessment methods," 016 16th Mediterranean Microwave Symposium MMS, Abu Dhabi, United Arab Emirates, 016, pp. 1-4.,10.1109/MMS.016.780380
Future Work 1. Κλίση της παραγώγου dc MEMS d S = Α ε 0 κ μ α + σ α Μελέτη του k μέσω του συντονισμού της διάταξης Πληροφορίες για το σ α Συμπεριφορά των πυκνωτών ΜΟS σε σήματα υψηλών συχνοτήτων 1GHz. Επίδραση της θερμοκρασίας στις μηχανικές ηλεκτρικές ιδιότητες της διάταξης Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας!!!