Accelerated testing of RF-MEMS contact degradation through radiation sources
Abstract: This work aims to propose a novel method to\ud accelerate the lifetime of ohmic RF-MEMS switches by means of radiation exposure. Experimental results of proton and γ-ray irradiation were compared to cycling stresses, obtaining similar\ud degradation in electrical performances. Electrical measurements,\ud RF simulations, and AFM analysis of surface roughness were\ud carried out to verify the proposed method
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Dielectric charging represents a major reliability issue in a variety of semiconductor devices. The accumulation of charge in dielectric layers of a device often alters its performance, affecting its circuital features and even reducing its effective lifetime. Although several contributions have been made in order to mitigate the undesired effects of charge trapping on circuit performance, dielectric charge trapping still remains an open reliability issue in several applications. The research work underlying this Thesis mainly focuses on the design, analysis and experimental validation of control strategies to compensate dielectric charging in heterogeneous devices. These control methods are based on the application of specifically designed voltage waveforms that produce complementary effects on the charge dynamics. Using sigma-delta loops, these controls allow to set and maintain, within some limits, the net trapped charge in the dielectric to desired levels that can be changed with time. This allows mitigating long-term reliability issues such as capacitance-voltage (C-V) shifts in MOS and MIM capacitors. Additionally, the bit streams generated by the control loops provide real-time information on the evolution of the trapped charge. The proposed controls also allow compensating the effects of the charge trapping due to external disturbances such as radiation. This has been demonstrated experimentally with MOS capacitors subjected to various types of ionizing radiation (X-rays and gamma rays) while a charge control is being applied. This approach opens up the possibility of establishing techniques for active compensation of radiation-induced charge in MOS structures as well as a new strategy for radiation sensing. A modeling strategy to characterize the dynamics of the dielectric charge in MOS capacitors is also presented. The diffusive nature of the charge trapping phenomena allows their behavioral characterization using Diffusive Representation tools. The experiments carried out demonstrate a very good matching between the predictions of the model and the experimental results obtained. The time variations in the charge dynamics due to changes in the volatges applied and/or due to external disturbances have been also investigated and modeled. Moreover, the charge dynamics of MOS capacitors under sigma-delta control is analyzed using the tools of Sliding Mode Controllers for an infinite sampling frequency approximation. A phenomenological analytical model is obtained which allows to predict and analyze the sequence of control signals. This model has been successfully validated with experimental data. Finally, the above control strategies are extended to other devices such as eMIM capacitors and perovskite solar cells. Preliminary results including open loop and closed loop control experiments are presented. These results demonstrate that the application of the controls allows to set and stabilize both the C-V characteristic of an eMIM capacitor and the current-voltage characteristic (J-V) of a perovskite solar cell. La carga atrapada en dieléctricos suele implicar un problema importante de fiabilidad en muchos dispositivos semiconductores. La acumulación de dicha carga, normalmente provocada por las tensiones aplicadas durante el uso del dispositivo, suele alterar el rendimiento de éste con el tiempo, afectar sus prestaciones a nivel de circuital e, incluso, reducir su vida útil. Aunque durante años se han realizado muchos trabajos para mitigar sus efectos no deseados, sobre todo a nivel circuital, la carga atrapada en dieléctricos sigue siendo un problema abierto que frena la aplicabilidad práctica de algunos dispositivos. El trabajo de investigación realizado en esta Tesis se centra principalmente en el diseño, análisis y validación experimental de estrategias de control para compensar la carga atrapada en dieléctricos de diversos tipos de dispositivos, incluyendo condensadores MOS, condensadores MIM fabricados con nanotecnología y dispositivos basados en perovskitas. Los controles propuestos se basan en utilizar formas de onda de tensión, específicamente diseñadas, que producen efectos complementarios en la dinámica de la carga. Mediante el uso de lazos sigma-delta, estos controles permiten establecer y mantener, dentro de unos límites, la carga neta atrapada en el dieléctrico a valores prefijados, que pueden cambiarse con el tiempo. Esto permite mitigar problemas de fiabilidad a largo plazo como por ejemplo las derivas de la curva capacidad-tensión (C-V) en condensadores MOS y MIM. Adicionalmente, las tramas de bits generadas por los lazos de control proporcionan información en tiempo real sobre la evolución de la carga. Los controles propuestos permiten también compensar los efectos de la carga atrapada en dieléctricos debida a perturbaciones externas como la radiación. Esto se ha demostrado experimentalmente con condesadores MOS sometidos a diversos tipos de radiación ionizante (rayos X y gamma) mientras se les aplicaba un control de carga. Este resultado abre la posibilidad tanto de establecer técnicas de compensación activa de carga inducida por radiación en estructuras MOS, como una nueva estrategia de sensado de radiación. Se presenta también una estrategia de modelado para caracterizar la dinámica de la carga dieléctrica en condensadores MOS. La naturaleza difusiva de los fenómenos de captura y eliminación de carga en dieléctricos permite caracterizar dichos fenómenos empleando herramientas de Representación Difusiva. Los experimentos realizados demuestran una muy buena correspondencia entre las predicciones del modelo y los resultados experimentales obtenidos. Se muestra también como las variaciones temporales de los modelos son debidas a cambios en las formas de onda de actuación del dispositivo y/o a perturbaciones externas. Además, la dinámica de carga en condensadores MOS bajo control sigma-delta se analiza utilizando herramientas de control en modo deslizante (SMC), considerando la aproximación de frecuencia de muestreo infinita. Con ello se obtiene un modelo analítico simplificado que permite predecir y analizar con éxito la secuencia de señales de control. Este modelo se ha validado satisfactoriamente con datos experimentales. Finalmente, las estrategias de control anteriores se han extendido a otros dispositivos susceptibles de sufrir efectos de carga atrapada que pueden afectar su fiabilidad. Así, se han llevado a cabo experimentos preliminares cuyos resultados demuestran que la aplicación de controles de carga permite controlar y estabilizar la característica C-V de un condensador eMIM y la característica corriente-tensión (J-V) de una célula solar basada en perovskitas.
Dielectric charging represents a major reliability issue in a variety of semiconductor devices. The accumulation of charge in dielectric layers of a device often alters its performance, affecting its circuital features and even reducing its effective lifetime. Although several contributions have been made in order to mitigate the undesired effects of charge trapping on circuit performance, dielectric charge trapping still remains an open reliability issue in several applications. The research work underlying this Thesis mainly focuses on the design, analysis and experimental validation of control strategies to compensate dielectric charging in heterogeneous devices. These control methods are based on the application of specifically designed voltage waveforms that produce complementary effects on the charge dynamics. Using sigma-delta loops, these controls allow to set and maintain, within some limits, the net trapped charge in the dielectric to desired levels that can be changed with time. This allows mitigating long-term reliability issues such as capacitance-voltage (C-V) shifts in MOS and MIM capacitors. Additionally, the bit streams generated by the control loops provide real-time information on the evolution of the trapped charge. The proposed controls also allow compensating the effects of the charge trapping due to external disturbances such as radiation. This has been demonstrated experimentally with MOS capacitors subjected to various types of ionizing radiation (X-rays and gamma rays) while a charge control is being applied. This approach opens up the possibility of establishing techniques for active compensation of radiation-induced charge in MOS structures as well as a new strategy for radiation sensing. A modeling strategy to characterize the dynamics of the dielectric charge in MOS capacitors is also presented. The diffusive nature of the charge trapping phenomena allows their behavioral characterization using Diffusive Representation tools. The experiments carried out demonstrate a very good matching between the predictions of the model and the experimental results obtained. The time variations in the charge dynamics due to changes in the volatges applied and/or due to external disturbances have been also investigated and modeled. Moreover, the charge dynamics of MOS capacitors under sigma-delta control is analyzed using the tools of Sliding Mode Controllers for an infinite sampling frequency approximation. A phenomenological analytical model is obtained which allows to predict and analyze the sequence of control signals. This model has been successfully validated with experimental data. Finally, the above control strategies are extended to other devices such as eMIM capacitors and perovskite solar cells. Preliminary results including open loop and closed loop control experiments are presented. These results demonstrate that the application of the controls allows to set and stabilize both the C-V characteristic of an eMIM capacitor and the current-voltage characteristic (J-V) of a perovskite solar cell. La carga atrapada en dieléctricos suele implicar un problema importante de fiabilidad en muchos dispositivos semiconductores. La acumulación de dicha carga, normalmente provocada por las tensiones aplicadas durante el uso del dispositivo, suele alterar el rendimiento de éste con el tiempo, afectar sus prestaciones a nivel de circuital e, incluso, reducir su vida útil. Aunque durante años se han realizado muchos trabajos para mitigar sus efectos no deseados, sobre todo a nivel circuital, la carga atrapada en dieléctricos sigue siendo un problema abierto que frena la aplicabilidad práctica de algunos dispositivos. El trabajo de investigación realizado en esta Tesis se centra principalmente en el diseño, análisis y validación experimental de estrategias de control para compensar la carga atrapada en dieléctricos de diversos tipos de dispositivos, incluyendo condensadores MOS, condensadores MIM fabricados con nanotecnología y dispositivos basados en perovskitas. Los controles propuestos se basan en utilizar formas de onda de tensión, específicamente diseñadas, que producen efectos complementarios en la dinámica de la carga. Mediante el uso de lazos sigma-delta, estos controles permiten establecer y mantener, dentro de unos límites, la carga neta atrapada en el dieléctrico a valores prefijados, que pueden cambiarse con el tiempo. Esto permite mitigar problemas de fiabilidad a largo plazo como por ejemplo las derivas de la curva capacidad-tensión (C-V) en condensadores MOS y MIM. Adicionalmente, las tramas de bits generadas por los lazos de control proporcionan información en tiempo real sobre la evolución de la carga. Los controles propuestos permiten también compensar los efectos de la carga atrapada en dieléctricos debida a perturbaciones externas como la radiación. Esto se ha demostrado experimentalmente con condesadores MOS sometidos a diversos tipos de radiación ionizante (rayos X y gamma) mientras se les aplicaba un control de carga. Este resultado abre la posibilidad tanto de establecer técnicas de compensación activa de carga inducida por radiación en estructuras MOS, como una nueva estrategia de sensado de radiación. Se presenta también una estrategia de modelado para caracterizar la dinámica de la carga dieléctrica en condensadores MOS. La naturaleza difusiva de los fenómenos de captura y eliminación de carga en dieléctricos permite caracterizar dichos fenómenos empleando herramientas de Representación Difusiva. Los experimentos realizados demuestran una muy buena correspondencia entre las predicciones del modelo y los resultados experimentales obtenidos. Se muestra también como las variaciones temporales de los modelos son debidas a cambios en las formas de onda de actuación del dispositivo y/o a perturbaciones externas. Además, la dinámica de carga en condensadores MOS bajo control sigma-delta se analiza utilizando herramientas de control en modo deslizante (SMC), considerando la aproximación de frecuencia de muestreo infinita. Con ello se obtiene un modelo analítico simplificado que permite predecir y analizar con éxito la secuencia de señales de control. Este modelo se ha validado satisfactoriamente con datos experimentales. Finalmente, las estrategias de control anteriores se han extendido a otros dispositivos susceptibles de sufrir efectos de carga atrapada que pueden afectar su fiabilidad. Así, se han llevado a cabo experimentos preliminares cuyos resultados demuestran que la aplicación de controles de carga permite controlar y estabilizar la característica C-V de un condensador eMIM y la característica corriente-tensión (J-V) de una célula solar basada en perovskitas.
Dielectric charge control in contactless capacitive MEMS
Micro-Electro-Mechanical Systems, or MEMS, has been a continuously growing technology during the last decades. Since 1959, when the theoretical physicist Richard Feynman introduced the concept of nanotechnology in his famous talk "There is plenty of room at the bottom", several companies and researchers have been involved in the permanent improving of these devices. MEMS is the technology of microscopic devices, particularly those with moving parts and it is widely used in both sensing and actuating applications. In this regard, a large number of microsensors for almost every possible sensing modality have been de- veloped, including pressure, inertial forces, chemical species, magnetic fields, etc. Accordingly to this, MEMS can be found today in many real applications across multiple markets, such as automotive, consumer, defense, industrial, medical, telecommunications, etc. The main advantages for the use of MEMS in front of other classical technologies are small size, low cost, high isolation and low power consumption. However, there are still some reliability issues hindering the use of MEMS devices in some applications. Mechanical and electrical phenomena involving such micro-scale structures have been matter of study during the last years, being dielectric charging the most important in the case of electrostatically actuated MEMS. The charge accumulated in dielectric layers has a significant impact on the behavior of such devices by altering the electric field distribution in the structure and causing some undesirable effects such as shifts of the Capacitance-Voltage (C-V) characteristic and even permanent stiction of movable mechanical parts, so that the device becomes permanently damaged. Thus, detection and control of dielectric charge are of capital importance due to their strong influence on device performance and reliability. In order to face this challenge, in this Thesis dielectric charge phenomena have been studied under bipolar voltage actuation and several different control strategies have been proposed. These control schemes have demonstrated to be useful to set the dielectric charge to a desired level for contactless MEMS such as varactors, electrostatic positioners or microphone MEMS. Furthermore, these methods have provided the first active compensation of charge trapping generated by ionizing radiation in any device. The first approach to control trapped charge proposed consisted in alternating voltage polarity, depending on the sampled value of the device capacitance. This method demonstrated the feasibility of compensating horizontal shifts of the C-V by charge injection while paving the way for the second control proposed. For the implementation of this second method, which was later patented worldwide, two voltage waveforms were introduced for both monitoring and controlling the net trapping charge. This method resulted in a true sigma-delta modulator capable of providing control for both signs of net trapped charge. Finally, two further methods were proposed which improved the performance of the second control. The first one implemented a second-order sigma-delta control and the last one introduced some modifications in the feedback loop to allow continuous capacitance control while dielectric charge is being also controlled. Los sistemas micro-electromecánicos, conocidos como MEMS, constituyen una alternativa tecnologíca que ha experimentado un gran crecimiento en las últimas décadas. Desde que en 1959, cuando el físico teórico Richard Feynman introdujo el concepto de nanotecnología en su famosa conferencia "There is plenty of room at the bottom", multitud de investigadores y empresas se han dedicado al desarrollo y la mejora permanente de este tipo de dispositivos. Las principales ventajas del uso de MEMS frente otras tecnologías más clásicas radican en su menor tamaño, su reducido coste y su bajo consumo. En tanto MEMS se refiere habitualmente a tecnologías micrométricaa de dispositivos que presentan partes móbiles, éstos son extensamente utilizados en aplicaciones tanto de detección como de actuación. Así, se ha desarrollado un gran número de microsensores MEMS, cubriendo prácticamente todas las modalidades de detección, incluyendo presión, fuerzas inerciales, sustancias químicas, campos magnéticos, etc. Hoy en día, se utilizan dispositivos MEMS en aplicaciones de mercados como automoción, industria, medicina, telecomunicaciones, defensa, etc. Sin embargo, existen aún problemas de fiabilidad que limitan el uso de los MEMS en determinadas aplicaciones. Los fenómenos mecánicos y eléctricos que se producen en estas estructuras micrométricas han sido objeto de estudio durante los últimos años, siendo el más destacado el producido por la carga eléctrica acumulada en las capas dieléctricas que forman parte de los MEMS actuados electrostáticamente. Esta acumulación de carga altera la distribución de campo eléctrico en el dispositivo, afectando el comportamiento y las prestaciones de éste y causando efectos no deseados, como desplazamientos de la característica Capacidad-Tensión (C-V) e incluso colapsos indeseados de las partes móviles, que pueden conllevar daños permanentes. En consecuencia, la detección y el control de la carga acumulada en dieléctricos de MEMS son temas de vital importancia, debido a su enorme impacto en el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos. Esta Tesis aborda este desafío, primero estudiando y modelizando la dinámica de la acumulación de carga dieléctrica cuando el dispositivo se actúa con tensiones bipolares, y, a continuación, proponiendo y evaluando estrategias de control de dicha carga. Se han demostrado estrategias que, por primera vez, permiten mantener un nivel de carga prefijado en dispositivos MEMS que operan en estado abierto, como varactores, posicionadores electrostáticos o micrófonos MEMS. Además, estos controles han permitido realizar la primera demostración de compensación activa de carga generada por radiaciones ionizantes en dispositivos MEMS. El primer control propuesto consistía en alternar la polaridad de la tensión de actuación, dependiendo del valor de capacidad del dispositivo medido periódicamente. Con el uso de este método se demostró la factibilidad de compensar desplazamientos horizontales de la C-V mediante la inyección de carga debida a la actuación y se abrió el camino para la concepción de un segundo método mejorado. Para la implementación de este segundo método, que fue patentado más tarde, se propusieron dos formas de onda para actuar el dispositivo, que permiten tanto la monitorización como el control de la carga atrapada. Este método se basa en la modulación sigma-delta de primer orden y permite, por primera vez, controlar la carga neta atrapada en el dieléctrico. Finalmente, se han propuesto dos métodos de control más, con el objetivo de introducir mejoras sobre los ya comentados. El primero de ellos implementa una modulación sigma-delta de segundo orden, mientras que en el segundo se introducen algunas modificaciones en el lazo de ralimentación que permiten el control de la capacidad del dispositivo al mismo tiempo que el control de la carga neta atrapada.
Reliability of capacitive RF MEMS switches subjected to repetitive impact cycles at different temperatures
The analysis of contact degradation in a not controlled atmosphere (air) at different temperatures in microstructures with electrostatic actuation is the main topic of this study. Different types of devices are subjected to 1 million impact cycles at three different temperatures (25 °C, 40 °C and 55 °C). The electrical properties are shown and the results are explained: a major operating temperature lead to a more reliable contact because the membrane internal stress decreases with the temperature, lowering the restoring force of the switch. The use of modified floating metal in the fabrication of the devices can improves the reliability of the contact producing a significant improvement in the lifetime
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