Étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (BAW) pour de applications radio fréquence

Bulk acoustic wave (BAW) devices reliability for radio frequency applications

• Auteur / Autrice : Nizar Ben Hassine
• Direction : Skandar Basrour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure d'aluminium

Piézoélectricité

Filtres acoustiques

Cavités résonnantes (acoustique)

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

This thesis work has been achieved in the frame of collaboration between STMicroelectronics, CEALeti and TIMA laboratory. It aims at the characterization and the study of the reliability of bulk acoustic wave (BAW) devices made of piezoelectric thin layers deposited on a Bragg mirror mounted in silicon substrate (Solidly Mounted Resonator (SMR) technology) for Radiofrequency (RF) applications. This work focuses on longitudinal mode resonators and filters based on Aluminum Nitride (AlN) Metal-Insulator-Metal (MIM) structures. It aims at understanding and to model physical phenomena leading to the degradation of components, whose ability to meet industrial reliability requirement is assessed. The first chapter introduces the state of the art for RF components for cellular phones, and more specifically the BAW technology. This chapter describes the operating principle of the BAW technology, its advantages and points out the problems of reliability as a key point to investigate before components commercialization. The second chapter deals with the analysis of electrical and acoustic properties of the MIM structure which is the basic block of the BAW SMR technology. In the third chapter, the study focuses on the behaviour of the SMR resonator operating under different conditions in order to assess its stability, to identify failure modes and to explain the observed physical phenomena. In the fourth chapter, the performance of a RF filter built with the characterized SMR resonators is investigated. The main results of this work are eventually summarized in the conclusion of the manuscript and methods to improve the stability and reliability of BAW technology are provided.