Les défis de la technologie BAW et les objectifs de la thèse:

Comme c’est le cas pour la plupart des nouvelles technologies, le succès commercial de la technologie BAW est conditionné par sa capacité à relever les défis qui lui sont posés. Les principales difficultés et points à améliorer [R.1.30, R.1.38, R.1.40, R.1.163]seront présentés ci-dessous ; c’est dans ce contexte que nous allons introduire les objectifs de cette thèse.

I.5.8.1.Le couplage électromécanique:

Sans aucun doute, obtenir un couplage suffisant pour les applications larges bandes en couche mince reste le plus grand défi pour la technologie BAW. Cette technologie aurait vu le jour plusieurs années plus tôt si les méthodes de dépôt avaient permis la réalisation de couches piézoélectriques offrant un

télécommunication. La qualité du résonateur en effet est fortement dépendante de la maîtrise du dépôt de la couche piézoélectrique. Des améliorations à ce niveau pour des matériaux prometteurs tels que le Niobate de Potassium (KNbO3) ouvriront de nouveaux horizons à cette technologie qui ne sont pas

accessibles avec l’AlN limité théoriquement à un coefficient de couplage de 7,5%. L’utilisation d’électrodes à forte impédance acoustique (Tungstène ou Iridium) permet également d’améliorer le coefficient de couplage.

I.5.8.2.Réduire le coût de procédés de fabrication:

Comparés au SAW, les dispositifs BAW en général, et les SMR en particulier font appel à un procédé de fabrication assez coûteux. Ceci est dû au nombre important de couches (réflecteur de Bragg, cadre « frame », couche de charge « loading »), mais également au nombre d’étapes lithographiques, à la gravure des couches métalliques du miroir de Bragg, aux étapes de recalage «trimming», à la difficulté de réaliser la compensation en température. Réduire le coût de production pour atteindre un prix compétitif en comparaison des dispositifs SAW constitue un objectif primordial conditionnant une large commercialisation de la technologie BAW.

I.5.8.3.La maîtrise des épaisseurs:

Ce point fait partie des difficultés liées au procédé de fabrication à surmonter. Pour les résonateurs et filtres à onde acoustique de volume, la fréquence de résonance est liée au 1er ordre à l’épaisseur des couches. Les dispositifs BAW sont typiquement constitués de couches d’épaisseurs comprises entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns. Les contraintes en termes d’uniformité et de qualité des couches sont extrêmement fortes dans le domaine des BAW. L'exigence pour la fréquence de résonance est de l'ordre de ± 0,1% pour les filtres dédiés à des téléphones mobiles. Ceci se traduit par des tolérances de même niveau sur l’épaisseur de la couche piézoélectrique. Une telle précision ne peut pas être satisfaite par les outils standards utilisés pour les procédés de fabrication de semi- conducteurs qui offrent généralement une précision de ±3%. Utiliser des équipements spécifiques augmente l’investissement mais peut résoudre une partie de ce problème. Toutefois, obtenir une uniformité suffisante (suivant les normes de production industrielles) sur toute la plaque reste encore un problème majeur qui nécessite le recours à une technique d’abrasion localisée sur le composant final (appelée trimming) permettant de diminuer localement l’épaisseur d’une couche et de corriger ainsi les non-uniformités de fréquence sur la tranche de silicium.

I.5.8.4.Le facteur de qualité et le miroir de Bragg:

Un facteur de qualité élevé est indispensable pour l’application filtrage et surtout pour l’application oscillateur. Pour un filtre, il se traduit par de faibles pertes d’insertion dans la bande passante et des bandes de transition étroites. Pour la technologie SMR, la conception du miroir de Bragg, entre autres,

ce contexte, le choix des matériaux influence fortement les performances du résonateur. Le premier critère consiste à identifier un couple de matériaux avec un fort contraste acoustique. Les trois bicouches suivantes (avec leurs rapports d’impédances acoustiques) sont les principaux candidats dans notre étude :

– W/SiO2 = 7,71

– SiN/SiOC = 6,24 – AlN/SiO2 = 2,76

Le dernier couple présente un faible rapport d’impédance acoustique, il nécessite un nombre élevé de couches pour atteindre la réflectivité requise, ce qui n’est pas cohérent avec la volonté de réduire le coût du procédé. Chacune parmi les deux autres solutions présente des avantages, notamment une bonne isolation acoustique pour le couple W/SiO2, et le caractère 100% diélectrique qui permet

d’éviter les capacités parasites pour le SiN/SiOC. I.5.8.5.Les modes parasites:

Les modes parasites latéraux sont liés aux ondes stationnaires dans le résonateur. La présence de ces modes amplifie l’ondulation dans la bande passante et diminue l’énergie acoustique du mode fondamental. Seule une très faible ondulation est acceptée dans les filtres. En outre, la présence de modes parasites se traduit par une dégradation du facteur de qualité à cause des pertes d’énergie acoustique. Les techniques de réduction des parasites complexifient le procédé et le rendent plus cher mais s’avèrent incontournables.

I.5.8.6.Le comportement en température:

La variation des dimensions du dispositif ainsi que les caractéristiques physiques des couches du résonateur en fonction de la température font évoluer la fréquence de résonance. Les composants utilisés dans un téléphone mobile sont généralement spécifiés entre -30°C et +85°C. Il faut donc s’assurer que la dérive de la fréquence de résonance des dispositifs est acceptable dans cette gamme de température c'est-à-dire, le filtre respecte le gabarit sur toute sa plage de fonctionnement. Cette dérive est plus problématique dans le cas d’un dispositif qui sera utilisé comme une référence pour une base de temps car la marge de variation de la fréquence de résonance est beaucoup plus étroite dans ce cas. I.5.8.7.L’encapsulation:

Même si les composants BAW sont naturellement moins sensibles aux contaminations de surface que les SAW, ces composants doivent être protégés par une étape d’encapsulation. Le dépôt d’une couche supplémentaire change les caractéristiques électriques du résonateur (fréquence de résonance, couplage électromécanique ...). Ainsi, des méthodes d’encapsulation dédiées ont dû être développées pour ce type de composant. Deux méthodes d’encapsulation sont utilisées par les industriels : les

méthodes d’encapsulation collectives dites WLP (Wafer-Level Packaging) et les méthodes d’encapsulation individuelles.

Les méthodes d’encapsulation collective sont préférables car elles sont moins coûteuses et plus rapides, toutefois il faut garantir l’éfficacité de la passivation pour protéger le résonateur lors d’un test en environnement humide par exemple. Le but d'une couche de passivation dans ce cas est de protéger le résonateur des effets néfastes causés par l'humidité. Le principal défi posé à haute fréquence est l’épaisseur maximale de la couche de passivation pour un SMR : pour des raisons acoustiques, elle doit être inférieure à 100nm à 2GHz sinon le couplage sera fortement dégradé et il est nécessaire de reconditionner la structure pour en tenir compte.

I.5.8.8.Les effets nonlinéaires:

Les effets nonlinéaires sont déjà observés dans les dispositifs BAW depuis 2005[R.1.164]. L’application d’un fort signal conduit à une forte contrainte dans la couche piézoélectrique et à un champ électrique assez élevé. En conséquence, les effets nonlinéaires ne sont plus négligeables et nous observons l’apparition d’harmoniques supérieurs. Pour certaines applications, ces effets peuvent être très gênants comme c’est le cas pour les filtres dédiés pour la norme WCDMA qui a introduit de fortes exigences à ce propos. Ce point sera étudié plus en détail dans la suite du manuscrit. Les solutions proposées restent à ce stade trop coûteuses en termes d’encombrement pour être appliquées.

I.5.8.9.La fiabilité:

Atteindre les performances nécessaires après la fabrication du composant n’est pas suffisant pour prétendre à une diffusion commerciale. La stabilité et la fiabilité du composant doivent être assurées même sous fortes sollicitations. Le problème de la fiabilité est assez complexe car il faut être capable de qualifier la stabilité du composant et de prévoire sa durée de vie sans disposer de plusieurs années pour vérifier la robustesse à long terme du composant.

En dépit de nombreuses années de recherche et de développement technologique et les grands progrès réalisés jusqu'à ce jour, ce domaine n’a pas été suffisamment étudié pour la technologie BAW et trop peu de travaux ont été publiés dans ce contexte, même après la commercialisation du produit. Plusieurs variations des paramètres caractéristiques qui ont été observées lors de la caractérisation du composant et qui peuvent altérer son fonctionnement nécessitent d’être analysées plus en détail. Pour étudier la fiabilité du composant on fait subir à ce dernier un certain nombre de tests visant à accélérer sont vieillissement et prédire sa durée de vie. Les méthodes habituellement utilisées en microélectronique sont fondées sur la connaissance des mécanismes de défaillance du composant. Certains tests seront appliqués aux BAW comme :

• Les stockages en atmosphère humide

Il est également important de tester la stabilité du composant sous des conditions de fonctionnement extrêmes telles que sous forte puissance RF, sous champ électrique intense, ou sous contrainte mécanique, et étudier l’évolution des paramètres clés du dispositif en fonction de la contrainte appliquée. C’est dans cette optique que nous présenterons les travaux actuels dédiés à l’étude de la stabilité et de la fiabilité des dispositifs BAW pour des applications RF.

Le chapitre suivant sera dédié à l’étude du cœur du dispositif qui est la capacité MIM. Ensuite, dans le troisième chapitre nous étendrons l’étude à la brique de base qui est le résonateur BAW. Le dernier chapitre sera consacré à l’étude du filtre BAW entier.

Ce mémoire fournira enfin un bilan des résultats obtenus et ouvrira des perspectives sur la continuité de ce travail.

Conclusion du chapitre 1:

Dans ce premier chapitre, le contexte de l’étude présentée a été introduit. On a commencé par définir les besoins actuels et futurs de l’application filtrage pour la téléphonie mobile. Ensuite, on a présenté les solutions de filtrage actuelles. En se focalisant sur les avantages et les inconvénients de chacune de ces technologies, on a présenté la technologie BAW, et suggéré qu’elle constituait une solution adaptée aux spécifications de la téléphonie mobile moderne et futur. Les différentes variantes de la technologie BAW ainsi que les principales applications ont également été décrites, avec leurs principes de fonctionnement et leurs procédés de réalisation technologique. Finalement, en décrivant les enjeux de la technologie BAW, on a introduit les objectifs de cette thèse, qui consiste à caractériser et étudier la fiabilité des composants BAW SMR. Dans le chapitre suivant, on propose de s’attacher à l’étude du cœur du dispositif BAW, constitué par la capacité Métal/Piézoélectrique/ Métal.