助教₂O₅薄膜电容式RF MEMS开关

文摘

并联电容式RF MEMS开关使用III-V技术已经开发和使用(五氧化二钽)助教₂O₅薄膜作为电介质层。为了评估潜在的助教₂O₅薄膜被认为是应用程序,组成,结构,和电气特性的沉积电影已经完成,证明他们是优秀的候选人作为介质层对RF MEMS开关的制造。具体来说,助教₂O₅电影被发现显示几个nA的漏电流密度/厘米²为MV / 32厘米,高介电常数的。此外,充电过程已经调查,发现它遵循一个伸展指数律。组合开关显示驱动电压范围在15 - 20 V,插入损耗比−0.8 dB 30兆赫,和一个隔离~−40 dB的共振频率大约是25 GHz。

1。介绍

无线电频率(RF)微机电系统(MEMS)开关非常有吸引力的潜在克服传统固态设备的极限(pin二极管,FET-switches)多亏了很低的插入损耗和功耗,高隔离和线性的静电驱动提供的悬浮膜(1]。另一方面,PIN二极管和场效应晶体管特性由于其物理尺寸的电容,从而减少可用的隔离在他们国家在高频率。补偿穷人隔离设备可以生产减少电容的缺点”“抵抗的设备增加,导致高销插入损失和FET-based系统。此外,RF MEMS开关的另一个重要优点是他们的生产能力与MMIC过程在任何基材包括硅、砷化镓和铝。

尽管有吸引力的功能,RF MEMS开关的可靠性,仍然是一个悬而未决的问题,因为限制的主要是由于介电材料用于覆盖的充电机制的驱动板影响桥梁的坍塌和悬臂梁2- - - - - -5]。具体来说,在电容式MEMS开关的下拉电压时介质接触的桥梁,这通常是Si₃N₄在III-V技术、载流子注入,然后被困在电介质层。尽管电荷转移和捕获的确切机制尚不可知,产生的影响是可测的导致的改变下拉电压和/或现象的粘滞作用,严重限制了设备的功能。这是因为当电荷被困在介质中,它往往屏幕所使用的外加电场来控制开关的驱动和释放。更具体地说,随着电荷积聚,检查电压有损于我们的驱动电压,直到不再有足够的力量向下拉膜使它开动。相反当驱动电压被移除和被困放下膜提供了足够的潜力。隔离层的介电常数覆盖电容开关的驱动线决定了开关电容之间的比率的下降和上升状态()。这电容率是一个重要的品质因数对RF MEMS开关(6]。

为了克服的局限性RF MEMS开关可靠性由于电动/隔离层的介电性能,因此,优化开关性能、介电材料的调查,可以替代常用的变成了强制性的。

摘要五氧化二钽(Ta₂O₅)薄膜进行了调查应用程序作为介质层在III-V RF MEMS开关实现技术。为了优化Ta的沉积₂O₅薄膜被认为是应用程序,组成的综合特征,形态,结构,和电动/介电性能的电影已经完成。特别是,介质充电过程的理解是至关重要的评估的应用RF MEMS开关的介电材料,研究了电容和电流瞬变。如果充电效果进行了调查₃N₄(4),我们所知,他们在Ta尚未解决₂O₅薄膜。制造过程符合III-V技术开发实现并联电容式RF MEMS开关与助教₂O₅电影作为介质层。最后,组合开关在射频域特征。

2。材料表征

助教₂O₅薄膜被RF-magnetron反应溅射沉积从高纯钽金属目标(4英寸直径)。助教₂O₅影片准备在一个固定的功率200 W,燃烧室压力9毫托。1:2的流动比率在溅射气体使用氩气和氧气的混合物。

为了执行助教₂O₅电影电气特性,测试电容器metal-insulator-metal (MIM)结构(100)半绝缘性砷化镓基板图制作的1(一)。底部和顶部MIM金属化是由磁控反应溅射沉积在一个单独的真空系统。底部接触是一个连续多层Ti / Au / Ti(10/100/10海里)晶片。广场上电极由Ti /非盟(10/300 nm)联系180μm大小由标准实现光学光刻技术。助教₂O₅膜厚测量使用Alpha-Step智商和结果是324+5海里。

的结构和成分沉积助教₂O₅影片通过x射线衍射、x射线光电子能谱分析。电影是无定形的作文几乎化学计量(比O / Ta = 2.46)。

助教₂O₅电影形态调查建立过程和横断面扫描电子显微镜(SEM)分析。蔡司NVISION 40双光束聚焦离子束(FIB),配有高分辨率扫描电镜双子座列,用于分析Ta的表面形态₂O₅电影,不受非盟金属层,以及准备FIB截面层堆栈的检查在该地区的MIM电容器。助教的表面₂O₅电影是相当平坦,均匀,如图1 (b),而横断面分析揭示了助教₂O₅电影紧凑和持续在整个电容器地区[图1 (c)]。

助教的充电效果₂O₅电影研究通过执行电容和电流瞬变常数应用电场。

所有电气测量在室温下进行电磁屏蔽k Suss PM5探针台。电容的瞬态测量使用HP4284A精密电感电容电阻测量计与正弦激励电压振幅30 mV的1 MHz的频率。目前瞬变测量通过使用两个低噪声前置放大器连接到4200吉时利参数系统以应用正偏置电压上接触的MIM结构和底部电极测量电流。目前我们的测量是检测极限~ 2。

图2表明,电容衰减随着时间的推移,如果已经在充电的研究报道₃N₄电影在电容式RF MEMS开关(3]。归因于这样一个事实:这些电容瞬态电荷注入应用程序下的电场可以被困在大密度的介电薄膜中缺陷状态,导致电介质极化的变化遵循拉伸指数定律(3] 在哪里是初始极化,是过程时间常数,是弹性的因素。根据给定的解释,电容导致颞衰变所表达的: 在哪里后稳态电容电压和的应用瞬时振幅。在图2适合行(2)实验瞬态的MV /厘米。拟合参数和发现是1.24×10吗⁸和0.18,分别。当应用领域为零()电容值是28.77 pF。

稳态电容被发现主要是独立的电压,根据通常的近似,它是由几何表达,在那里绝缘子的静态介电常数,的介电常数是自由的空间,有效面积(180×180μ米²),膜厚度。我们估计一个静态介电常数的值,同意Ta值报告₂O₅电影(7]。这个介电常数值远高于Si₃N₄(6 - 7)的介电材料常用的电容式RF MEMS开关。高介电常数呼吁Ta的应用₂O₅作为介电材料在电容式开关,因为它允许大幅增加电容率(6]。

电荷陷阱还负责减少泄漏电流由于筛查的应用电场。具体地说,所表达的时态变化的极化(1)已经在文献中报道引起电流瞬变了(4] 电流瞬态记录下一个常数的应用步伐电场,通过他们得到很好(3)。根据前面的解释,这些电流瞬变是由于注入的捕获介电薄膜的运营商。图3显示当前的瞬态测量通过应用0.9 MV / cm和获得的拟合曲线(3),和等于2.9×10⁸和0.18,分别。稳态泄漏电流密度被发现~ 0.1 / (180×180)pA /μ米²,这与Si值比较₃N₄电影(4]。电流瞬态的拟合参数值发现接近获得电容瞬态的拟合,从而证明电容和电流瞬变都能够发现同样的介质充电过程。进一步对当前执行的细节分析瞬态报告(8]。

3所示。开关制造和射频特性

并联电容开关出来III-V技术使用介电层助教₂O₅薄膜研究部分2。

为驱动另一个tantalum-based材料是氮化钽(TaN)使用。成分和电气性能的初步表征沉积温度的函数和溅射气体混合物成分也表现为棕褐色的电影,在报道9]。

surface-micromachined方法之后制造的开关。他们在共面波导(CPW)配置与悬浮金属桥连接外侧地面飞机和介电层的中央指挥提供了一个电容的贡献当这座桥处于下降状态。

制造过程可以描述如下。500 nm -厚Si₃N₄层沉积是隔离层半绝缘性砷化镓衬底。接下来,120 nm -棕褐色厚层被溅射沉积在25°C N含量为20%₂在气饲料混合,然后由反应离子刻蚀(RIE)的过程基于氟化学(蚀刻率的价值28 nm /分钟)来定义驱动电极。400 - nm厚的助教₂O₅沉积,通过孔被定义为接触电极标准光学光刻和干蚀刻(fluorine-based化学)。干法蚀刻过程不是选择性的棕褐色;因此之前的优化。一个金属多层Ti / Pt /非盟(30/30/60海里)沉积在助教₂O₅层实现地下通道线路和电极垫联系谭通过发射技术。金属随后覆盖另一个400 - nm厚的助教₂O₅介电层。牺牲层的定义下的气隙桥梁是由3 -μ米厚的光刻胶。另一个金属多层Ti / Au / Ti(5/50/5海里)在整个表面蒸发,作为电接触电影和种子层的电镀沉积后1 -μ米黄金层使用氰化物浴。桥梁发展了一套孔对齐,允许使用干法蚀刻的牺牲层技术和更快的操作开关通过减少空气阻尼在桥下面。洞有一个平方形状面积通常10×10μ米²和彼此的距离~ 10μm。第二个黄金1.5 -电镀沉积μ米厚度加厚数据行,地垫,并建立一个框架来提高桥的平面度。选择性的结合干态和湿蚀刻是用来消除不必要的Ti / Au / Ti多层之间的设备。最后,桥梁的空气被释放通过删除底层由高压O牺牲光刻胶₂等离子体过程中执行一桶腐蚀装置以防止粘的问题。过程分为很多步骤,以避免过热的膜诱导畸变效应的影响。

轮廓曲线仪分析表明,桥梁是足够的健壮的可靠性的目的和灵活的合理(低于~ 50 V)的外加电压值。

SEM图像也为了检查记录的质量不同的流程步骤。一个捏造的SEM建立开关如图4。

遥控HP8510C矢量网络分析仪(VNA)一起卡尔发现探针台配备ground-signal-ground射频探针和直流探针的测量参数上下开关的状态。使用商业short-open-load测量通过以801分(你)校准频率范围从1 GHz 40 GHz。15 - 20 V开关驱动电压是通过执行一个电压斜坡1 V /秒的速度。这些驱动电压低于值(从30到80 V)今天公布的RF MEMS开关的好处可以实现开关寿命的增加2]。最后,参数记录下来的状态。

典型的参数的状态显示在数据5和6,分别。的状态,下面的回波损耗低于−10 dB 28 GHz,插入损耗是在20 GHz,比−−0.2 dB 0.8 dB 30兆赫。下状态,回波损耗比−0.3 dB在几乎所有测量的频率范围和共振频率的23个GHz (−38 dB)的隔离观察。结果比较积极的最近参数测量在III-V并联电容开关制造技术(10]。共振频率的值被发现减少与增加从15 ~ 30 GHz GHz桥的长度在450 - 750μ米,与电感的增加贡献(在协议1]。

4所示。结论

助教₂O₅薄膜作为电介质层在电容式RF MEMS开关III-V开发的技术。助教的初步表征₂O₅的电容已经完成,使解决所有电影属性(形态、泄漏电流、介电常数和收费机制),严重影响开关操作。具体地说,它已经发现,助教₂O₅电影是平的,紧凑,和持续在整个电容器的地区。他们表现出一个有趣的低漏电流密度的几个nA /厘米²为MV / 32厘米,高介电常数的。所有这些结果证明助教₂O₅可以有效替代硅₃N₄这是标准的介电材料用于电容式RF MEMS开关。此外,电流和电容瞬态进行助教₂O₅的MIM电容器表明,介质充电过程遵循指数律。造型的理解和介质充电是必不可少的预测和可能减少介电材料时采用RF MEMS开关。

制造过程符合III-V技术开发实现电容式RF MEMS开关与助教₂O₅电影。最后,射频开关实现的性能测量,发现参数值比较的结果最近报道的文献III-V电容开关的技术。

这里给出的结果证明Ta的潜力₂O₅薄膜用于RF MEMS开关和设备发展提供有用的信息。

确认

这部分工作是支持意大利大学和研究部门(MIUR) FIRB项目没有。DM25810。作者感谢凯斯勒基金会布鲁诺球风硬朗,MEMS的研究单位,Povo TN,意大利,提供开关的设计实现这项工作。m . c . Martucci和p . Creti也承认开关制造过程中的技术支持。

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