Développement d'outils d'analyse des matériaux pour l'étude du chargement des diélectriques: application à la fiabilité des micro-commutateurs RF à actionnement éléctrostatique
Résumé
The end of the 1990's was marked by an important evolution of RF and microwave electronic systems. Since then, several innovating and performing devices were developed. But, besides their very high performances, these devices did not reach a commercial success basically because of reliability problems. This study deals with the improvement of the electrostatic actuation micro switches' reliability which main failure mechanism is related to the accumulation of charges in the isolating layers during the actuation process. The thesis subject is the developing of characterization tools to evaluate the performances of different dielectrics used in RF capacitive micro switches for electronic high frequency systems. The first part aims to present some generalities on different types of RF switches, to review the charging mechanisms in dielectrics used in these components, and then to set out the detailed goals of the thesis work. The second part of our work is dedicated to the study of physico-chemical characteristics of different PECVD silicon nitride deposits used in the device's technology, and to the description of the pre-necessaries for the set up of plasma deposited materials, in order to link the layers' electrical behavior to their structure and composition. An analysis of the chemical composition and the stoechiometry of films were performed using FTIR and RBS techniques. In the third part, a MIM structure is introduced. This elementary test structure presents advantages compared to an RF micro switch: Simplicity of fabrication, control of the contact quality and no mechanical effects. Thus, it allows us to study the dielectric charging without having to consider the contact defects and the mechanical effects, always present in a micro switch. Finally, nanocharacterization using AFM technique is presented. It's a novel characterization technique developed for the first time at LAAS to evaluate the charging mechanism of a dielectric layer under a high electrostati c field. This technique helps to approach the real conditions of operation of the RF micro switch, by implementing a localized injection of charges, then following the spatio-temporal evolution of charges under open circuit condition.
La fin des années 1990 a été marquée par une profonde mutation des applications utilisant les systèmes électroniques radiofréquences et micro-ondes. Depuis, de très nombreux dispositifs innovants et performants ont été développés. Malgré leurs performances très attrayantes, les succès commerciaux de ces dispositifs restent limités en raison notamment de problèmes de fiabilité qui subsistent toujours et retardent leurs industrialisations. Cette étude concerne l'amélioration de la fiabilité des micro-interrupteurs à actionnement électrostatique dont le mécanisme de défaillance principal est lié à l'accumulation de charges dans les couches isolantes lors de l'actionnement. La thématique de cette thèse porte donc sur le développement d'outils de caractérisation permettant d'évaluer les performances des différents diélectriques utilisés dans les micro commutateurs RF capacitifs pour systèmes électroniques hautes fréquence. L'objectif de la première partie est de présenter à la fois des généralités sur les différents types de commutateurs RF, de passer en revue les mécanismes de chargement des diélectriques présents dans ces composants, puis de présenter les objectifs détaillés du travail de thèse. La seconde partie de nos travaux est dédiée à l'étude des caractéristiques physico-chimiques des différents dépôts de nitrure de silicium PECVD utilisés dans la filière technologique du composant, ainsi qu'à la description des pré-requis nécessaires à la mise en place des matériaux déposés par plasma, afin de relier le comportement électrique des couches à leur structure et leur composition. Une analyse de la composition chimique et de la stSchiométrie des films a été réalisée par analyse FTIR et RBS. Lors de la troisième partie une structure MIM est utilisée. Ce type de structure de test élémentaire présente des avantages par rapport à un micro commutateur RF : simplicité de fabrication, contrôle de la qualité du contact, suppression des effets mécaniques. Elle permet donc d'é tudier la réponse du diélectrique à se charger sans avoir à prendre en compte des défauts de contact ainsi que les effets mécaniques toujours présents dans un micro-commutateur. Enfin, les nano caractérisations par AFM sont présentées. Il s'agit d'une nouvelle méthode de caractérisation développée pour la première fois au LAAS pour évaluer la capacité d'une couche diélectrique à se charger sous champ élevé. En effet, cette technique a permis de tendre vers les conditions réelles d'utilisation du micro commutateur en réalisant une injection de charges localisée puis en suivant l'évolution spatio-temporelle des charges en condition de circuit ouvert.
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