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ARCES -Advanced Research Centre on Electronic Systems

University of Bologna - Italy

Thursday, 2nd November 2006

Design, Fabrication and Characterisation of RF-MEMS

Roberto Gaddi

Email: [email protected]

ARCES - University of Bologna

Summary

Introduzione alle strutture MEMSTecniche di fabbricazioneProblemi di PackagingIntegrazione MEMS-CMOSCaratterizzazione micromeccanica

Applicazioni MEMS per sistemi wirelessEsempi di componenti in tecnologia MEMSImpatto a livello architetturale

Esempio di dispositivo: il risonatore microeletromeccanicoApprocci di simulazioneDesign a domini misti (?)


Definizione di MEMS o MST

MST = MicroSystems Technology (acronimo ‘Europeo’)MEMS = MicroElectroMechanical System (USA)Un MicroSystem è definibile come sistema miniaturizzato comprendente più di una tra le funzioni di sensore, elaborazione e attuazione.Tipicamente comprendono il dominio fisico meccanicounito a uno o più tra i seguenti : elettrico, ottico, chimico, biologico, magnetico, …Approccio di integrazione su singolo chip o su ibridi multichip, secondo la compatibilità tecnologicaUtilizzo di materiali cristallinimateriali cristallini (Silicio, quarzo, vetro, semiconduttori composti quali GaAs, SiC, …), tecnologie a film sottili e litografia sub-micrometrica.


Stato attuale

Primi esempi risalgono agli anni ’60, propriamente argomento di ricerca dai primi ‘80 (MIT, Stanford, Berkeley): disciplina giovaneGrandi aziende hanno di recente introdotto i primi prodotti (Analog Devices, Agilent, Motorola, Texas Instruments, ST Microelectronics, …)Technology drivers: ink jet printer heads, magnetic R-W heads, automotive technology, biotechnology and biomedical, wireless and optical telecommunications(RFMEMS, MOEMS)Example apps: pressure sensors, car airbags’accelerometer, stabilisers for cars and cameras, filters, switches, micromirrors for projectors and displays, ink and fuel injection, disk drivers, microfluidics, lab-on-chip…


Metodi attuali di fabbricazione

Diversi approcci alla fabbricazione di MEMS, basatisulla applicazione di processi di fabbricazione per la microelettronica alla creazione di elementi meccaniciTre metodologie principali:

1. Bulk micromachining: rimozione di parti del substrato semiconduttore per la creazione di strutture a più gradi di libertà meccanici

2. Surface micromachining: strati di materiale superficiale vengono depositati, definiti tramite litografia e rimossi senza intaccare il materiale di substrato

3. LIGA: processo ideato ad-hoc per la creazione di strutture MEMS ad alto fattore di forma


Bulk micromachining

Piani cristallini direzionano l’attacco chimicoPossibili strutture: travi (cantilever), membrane, masse sospese (seismic masses), cavità, trincee, ugelli…

Tipicamente siutilizza un attacco chimicoumido con altaselettività rispettoal materiale: la microstrutturaresta inattaccata


Alternative di bulk micromachining

Attacco dalla superficie frontale (“frontside”):☺ Litografia con

allineamento su singola facciaNon possibili fori passanti o membrane estese

Attacco dal retro del chip (“backside”):

Litografia con allineamento su doppia faccia

☺ Possibili membrane


Surface micromachining

Il materiale strutturale viene depositato sulla superficiedel substrato e processato con passi di litografia e di attacco selettivoNon viene intaccato il materiale di substrato (bulk)Il rilascio della struttura (ottenimento di gradi di libertàmeccanici) avviene tramite attacco chimico selettivo di uno o più strati di materiale detti “sacrificali”Attacchi utilizzati possono essere sia chimico umido, per strati sottili, scarsa direzionalità e buona selettività(etching sacrificale), sia anisotropi al plasma o tipo Reactive Ion Etching (RIE) per pareti verticali ed alti fattori di forma delle cavità


Surface micromachining

Esempio di successione di passi di fabbricazione: doppio strato conduttivo di substrato e singolo strato sospeso

Substrato in Silicio con ossido di campo superficiale1.2. Layer conduttivo in Poly-Silicio + litografia3. Dielettrico con definizione via’s di contatto4. Metal (TiN-Al) + litografia5. Dielettrico a bassa temperatura con definizione di via’s6. Strato sacrificale (resist) + evap. Oro + litografia7. Attacco selettivo sacrificale e rilascio struttura


Process inspection (at ITC-irst labs): SEM imaging

Released devices show no major fabrication issues, e.g. stress gradient deformations or partial releases


Series ohmic switch, interdigitated

On an unusable device the plate was removed to observe underlying padsCoventor simulations of pullin give coherent results assuming the spacer flows between fingers, reducing effective electrodes-bridge distance


Optical profilometer measurements

The gold membrane profile can be monitored

The removal of the bridge shows the electrodes’ topology


Physical level modelling: FEM simulation

Example: pullin of an ohmic RF switch with interdigitatedelectrodes

Main simulation tools: CoventorWare (cosolve) and COMSOL

0 5 10 15 20 25 30 35 4080

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Bias Voltage [V]

Brid

ge/a

ctua

tion

Cap

acita

nce

[fF] CoventorWare cosolve

Hysteresis simulation

0 5 10 15 20 25 30 35 4080

100

120

140

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200

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Bias Voltage [V]

Brid

ge/a

ctua

tion

Cap

acita

nce



0 5 10 15 20 25 30 35 4080

100

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Bias Voltage [V]

Brid

ge/a

ctua

tion

Cap

acita

nce




Materiali e processi: da IC a MEMS

Sia i materiali che i processi rappresentano una estensione rispetto a quanto utilizzato dalla microelettronica, motivata dallo sviluppo di MEMS

Materiali: 1) dalla microelettronica: Silicon, SiO2, Si3N4, SiC, diamond, metals, alloys … 2) sviluppati per MEMS: plastics, glass, ceramics, shape-memory alloys, magnetic materials, piezoelectric materials (ZnO, LeadZirconium Titanate PZT), …

Processi: 1) per IC: lithography, deposition (CVD, LPCVD), evaporation, ion implantation, wet (HF) and dry (plasma) etching … 2) sviluppati per MEMS: Deep Reactive IonEtching (DRIE), Laser induced deposition/etching, electro-plating/etching, ultrasonic milling, electricdischarge milling, molding, embossing…


Processi di fabbricazione: LIGA

LIGA: RoentgenLIthography Galvanic AbformungTecnica avanzata ideata “ad hoc” per strutture ad alto fattore di formaSi crea uno “stampo” in materiale resist (plexiglass) sul quale si deposita il materiale strutturaleDopo la rimozione del resist resta la struttura sospesaIl fattore di forma non dipende da processi di attacco al materiale strutturaleLa definizione del resist è ottenuta tramite esposizione a raggi X ad alta energiaNecessita di un investimento considerevole non essendo un processo microelettronico “standard”


Processo di fabbricazione LIGA


Esempio di struttura LIGA

Ottenimento di alti fattori di forma e pareti ripide


Il problema del packaging

Strutture MEMS pongono tipicamente problemi di packaging differenti dagli standard microelettronici: protezione di parti meccaniche in movimento, sostanze chimiche, atmosfera controllata come umidità e pressione (risonatori, switch, …), interfaccia con l’esterno (sensori di pressione, fluidica, BioMEMS, …)L’integrazione tra MEMS ed elettronica pone inoltre vincoli di miniaturizzazione e condizionamento del segnaleNOTA: dal 30% al 95% del costo totale di fabbricazione!Hermetic sealing: prevenire in modo definitivo l’ingresso di umidità ed altri contaminanti all’interno della cavità; in pratica non esiste, molecole di gas entrano per diffusione..Vacuum sealing spesso richiesto


Materiali per incapsulamento ermetico

Materiali di package: 1) microelettronica a basso costo utilizza materie plastiche; 2) vetro, ceramica e metalli hanno permeabilità all’umidità inferiore di ordini di grandezza rispetto alle materie plasticheMateriali per saldatura:

Vetrosi: vetro-metallo oppure vetro-ceramica; chimicamente inerte, non ossidabile, isolante elettricamente, buone proprietà termiche; scarsa robustezza meccanica e alle fratture; soft-bondingutilizza vetri al piombo-zinco-borato (


MEMS post-packaging (0-level packaging)

Sealing ottenuto direttamente sul wafer, prima del dicing: minimizzare i rischi di contaminazione ed inclusione di corpi estranei in cavitàIntegrated MEMS encapsulation: processo superficiale per creare una capsula su ciascuna microstruttura sul wafer


Encapsulation by wafer bonding

• Due wafer: substrato MEMS + incapsulamento• Dopo opportuna preparazione (litografia, deposizione di

materiali per l’adesione) si crea un ‘sandwitch’ dei due• Possibili tecniche di adesione: epoxy seal, metal-to-

metal solder bonding, silicon–glass eutectic using localized heating, gold–gold thermocompression bonding, LPCVD sealing,anodic bonding,…

• Problema da risolvere:interconnessioni


MEMS post-packaging by localized heating

Avoid heating of the whole wafer by means of integrated microheaters


Wafer-bonding: anodic

Incapsulamento ottenuto tramite adesione di due wafer interi tramite preparazione opportuna delle superficiElemento necessario polishing superficialeAnodic bonding : temperature medie (


Wafer-bonding: adhesive

Adesione tra i due wafer ottenuta tramite un materiale “adesivo” opportunamente curato in temperaturaTemperature richieste meno elevate rispetta all’anodicbonding, compatibile con CMOSTipiche sostanze sono resine speciali.Esempio: BCB (B-staged bisbenzocyclobutene)

glassBCB

silicon

Dielectric constant 2.65Dissipation Factor 0.0008Breakdown Volt. 3.0 106 V/cm

Tg >350 CStress 28 MPa

Tesnile Strength 85 MPa

[from DIMES research work]


Integrazione MEMS-CMOS

1. System-on-package: diversi substrati per microsistemi ed elettronica, combinati in fase di assemblaggio tramite chip-bonding o flip-chip

2. System-on-chip: stesso substrato per elettronica e MEMS, con problemi di compatibilità di processi

Pre-CMOS: fabbricazione MEMS precede la microelettronica (problemi di contaminazioni?)Post-CMOS: MEMS tramite post-processing del wafer CMOS compiuto (compatibilità termica metallizzazioni?)Processo unificato: sviluppo di un processo ad-hoc comprendente sia microelettronica che MEMS (application specific, poco conveniente…)


Esempio di processo Post-CMOS maskless


Esempio di pre-CMOS fabrication


Esempio di system on chip

Oscillatore integrato basato su risonatore MEMS


Esempio di system-on-package

Soluzione necessaria dove i processi microelettronico e MEMS non sono compatibiliFlip-chip sostituisce il bonding per migliorare miniaturizzazione, ridurre parassiti (applicazioni RF)


Wire Bonding

Example chip-on-board approach• Epoxy chip attach• Thermal curing• Wire bonding


Flip-chip

Example flip-chip approach• Cavity etching in substrate if needed• Solder balls placing (bonding machine)• Alignment and chip placement• Thermal curing of solder metal


Caratterizzazione meccanica dei materiali

I processi di microelettronica tipicamente non si preoccupano della caratterizzazione meccanica“macroscopica” dei materiali utilizzati, bensì solo di quella “microscopica” (conformazione cristrallina, presenza di fratture o difetti, …)Occorre affinare processi di caratterizzazione di grandezze meccaniche quali modulo di Young (E, elasticità), coefficiente di Poisson (υ), stress residui interni (tensionale o compressivo?), densità, fratture…Inoltre la dipendenza di questi parametri va studiata rispetto umidità, temperatura, invecchiamento, …

AFFIDABILITA’…


Strutture di caratterizzazione

Caratterizzazione preliminare: la tecnologia viene studiata preventivamente per ottenere i valori di parametri necessari per il progettoMonitoraggio del processo: si inseriscono all’interno del layout di design strutture opportunamente studiate per verificare alcune delle quantità specifiche dei film sottili (stress residui, spessori, deviazioni litografiche…)

Beam stubsParametric Monitors:strutture progettate esclusivamente a scopo di test e non parte di una funzione pre-esistente di sistema


Caratteristiche di elasticità (E + υ)

Strutture elementari tipo cantilever o film sottili, di cui si studiano le deformazioni o le frequenze naturali di vibrazione

( )MMLEba

P ⋅+⋅=

03714.033

0ω

yIFLE3

3

=


Stress residui interni al materiale (σ)

Fondamentali per la predizione del comportamento elastico statico e dinamico di strutture a più gradi di libertà; sono compressivi o tensiliDerivano dai processi di deposizione dei film sottili di materiale, comparendo spesso con gradienti verticaliStress compressivi sono tipicamente inaccettabili a causa di deformazioni di strutture a due o più vincoliWaferbow: piegamento del wafer (poco accurato)

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=

fr RRt

Et 1116 0

2

νσ



Piegamento di ponticelli ancorati (stress compressivo)

Strutture ad-hoc di caratterizzazione (Guckel-rings, gauges) per stress sia compressivo che tensionale

2

22

3LEh

bπσ =

( ) 222

12 RRgEh

bπσ =



Strutture “ad ago” con effetto leva per amplificare la deformazione

No stressStress TensileStress Compressivo


What is Reliability?

Reliability: the ability to perform a certain functionality, according to specifications, for a given length of timeKey final requirement for any technological design to reach commercial applicationsEstablished methodologies have been developed in all technology domainsDevelopment of reliability know-how requires detailed understanding of the device physicsMEMS technology has not reached a maturity level also in terms of reliability, particulartly due to the multi-physical behaviour


Basic Reliability methodology flow

Testing and characterisation

Automated lifetime testing

Data collection and statistical analysis

Identification of FailureMechanisms

Definition of ageing modes and models

Reliability design rules

Identification and inspection of Failed Devices


Testing and characterisation

Extremely diverse according to the particular applicationTypically includes several physical domains: e.g. electromechanical operation of a MEMS switch includes RF measurements and surface profilometryPerformed on specific test structures (parametric testing) or on complete devices (functional testing)Definition of device specifications testabilityDefinition of failure conditions (relative variation of performances from ideal specifications)Fundamental decision: on-wafer or packaged testing


Dynamic optical surface profilometry

Using the stroboscopic LED illumination feature of the Veeco WYKO NT1100, pullin and pullout transients can be measuredTypically square wave stimulus, (e.g. 5KHz, 20V peak)By changing phase offset between stimulus voltage and LED illumination pulse (0.6% duty cycle) different instants of the transition are “frozen” by the profilometermeasurementAssumption: perfectly periodic behaviour


Pullin behaviour visualization


Transient electromechanical behaviour

Complete 360 deg sweep captures the full periodThe z-quota measurement is performed real-time by choosing a reference area in the centre of the bridge


Pullin transient: fine sweep

One important parameter, the transition time, can be monitored

• Finer phase sweep allows for better measurement of pullin transient time


Pullout transient: fine sweepFiner phase sweep allows for better measurement of pullout transient timeSignificant ringing gives an estimete of damped resonance frequency


Device Failure Analysis

Failed devices during testing are isolated and inspected with proper techniques: microspopy, surface profilometry, focussed ion beam (FIB), …Identification of the failure modes and mechanisms: physical principle behind the failureCreation of models (physical, analytical, numerical, …) in order to identify the key parameters responsible for the failure and their dependence on design variables


Mechanical Creep FormationScanning Electrons Microscope SEM is a valuable tool for sub-micron scale failure analysis


Electrical power related failures

Fusion of a conductive path can be typically identified from optical inspection

[Ducarouge, MIEL 2004]


Surface profilometry for failure analysis

3D surface profile can give information on mechanical related failure modes, such as deformations, internal stresses, fusion or other


Ageing behaviour analysis

The drifting of some key performance parameters can eventually lead to failure to comply to specificationsStatistical analysis is of fundamental importance to identify real trends within a large amount of collected dataModels for the ageing mechanisms are formulated from physical background and fitting to experimental observationFrom the proposed models, accelerated tests definitionis of fundamental importance to carry out extensive life tests


Aceleration factors

From the microelectronics reliability background, typical accelerating factors for ageing are temperature, voltages and currentsFor MEMS devices, completely new ageing mechanisms occur and temperature is rarely a meaningful accelerating factor for reliability tests


Reliability design rules

If reliability requirements are not fulfilled, redesign of the device is necessaryUltimate goal of reliability studies is the definition of new design rules in order to improve lifetime specifications(design for reliability)E.g. minimum size of anchor for sustaining stressesMaximum ratings for the device operation are also the result of relibility studiesE.g. max applicable bias voltage or RF power.


MEMS reliability issues

Expected reliability behavior depends on the class of the device


Class I MEMS reliability issues

Absence of moving mechanical structures: ageing mechanisms are similar to traditional passive devices

1. Issues related to current flow or electrical polarization: electromigration, thermal burnout, current crowding, electrical breakdown

2. If thin membranes are present, structural issues related to thermal expansion leading to creek formation

3. Thermal cycling during packaging could also produce permanent deformations leading to device failure


Class II MEMS reliability issues

New mechanical related wearing processes can occur:1. Mechanical relaxation of material residual stresses can

lead to change in behaviour2. Plastic deformations or creek formation under large-

signal regime (e.g. resonator driven into its resonance)3. Oxidation of absorption of contaminants within the

structural material can change its density or elastic properties


Class III MEMS reliability issues

Direct contact between two mechanical parts introduces new wearing mechanisms

1. Stiction between the two contacting parts: failure to restore the resting position once the stimulus was removed – It can have different causes:

i. Capillary forces due to moisture or contaminantsii. Electrostatic charge accumulation or redistribution within

insulating dielectric layersiii. Micro-welding of metals due to RF or DC power

2. Stability issues of metal-metal contacts due to material transfer, surface contaminations, oxidations.

3. Mechanical wearing due to friction

Design, Fabrication and Characterisation of RF-MEMSSummaryDefinizione di MEMS o MSTStato attualeMetodi attuali di fabbricazioneBulk micromachiningAlternative di bulk micromachiningSurface micromachiningSurface micromachiningProcess inspection (at ITC-irst labs): SEM imagingSeries ohmic switch, interdigitatedOptical profilometer measurementsPhysical level modelling: FEM simulationMateriali e processi: da IC a MEMSProcessi di fabbricazione: LIGAProcesso di fabbricazione LIGAEsempio di struttura LIGAIl problema del packagingMateriali per incapsulamento ermeticoMEMS post-packaging (0-level packaging)Encapsulation by wafer bondingMEMS post-packaging by localized heatingWafer-bonding: anodicWafer-bonding: adhesiveIntegrazione MEMS-CMOSEsempio di processo Post-CMOS masklessEsempio di pre-CMOS fabricationEsempio di system on chipEsempio di system-on-packageWire BondingFlip-chipCaratterizzazione meccanica dei materialiStrutture di caratterizzazioneCaratteristiche di elasticità (E + u)Stress residui interni al materiale (s)Stress residui interni al materiale (s)Stress residui interni al materiale (s)What is Reliability?Basic Reliability methodology flowTesting and characterisationDynamic optical surface profilometryPullin behaviour visualizationTransient electromechanical behaviourPullin transient: fine sweepPullout transient: fine sweepDevice Failure AnalysisMechanical Creep FormationElectrical power related failuresSurface profilometry for failure analysisAgeing behaviour analysisAceleration factorsReliability design rulesMEMS reliability issuesClass I MEMS reliability issuesClass II MEMS reliability issuesClass III MEMS reliability issues

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