kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
PZT with ALD Al2O3 Passivation: Experimental life time study of the electrical reliability of lead zirconate titanate in a humid environment
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).
2021 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Piezoelectric microelectro mechanical systems (piezoMEMS) is a growing component in the multi billion dollar MEMS industry that face many challenges both production wise but also the electrical reliability of finished products. Lead zirconate titanate (PZT) is a piezoelectric ceramic commonly utilized in piezoMEMS deposited as thin films. 0ne important operating parameter is the lifetime or median time-to-failure (MTTF) of the device. This is heavily impacted by a humid environment and a decrease in MTTF is seen of about 2-3 orders of magnitude. Therefore there is an incentive to protect piezoMEMS on-chip from this early humidity induced failure. Breakdown mechanisms in thin film PZT is currently heavily researched upon and many different theories have been proposed. Most likely the dielectric breakdown in the piezoelectric includes several mechanisms consisting of both thermal and electronic phases. However when humidity induced degradation is discussed it is believed that electrolysis of water plays a large role where the production of H2 and 02 gas causes cracks and layer delamination in the device stack. By conducting high accelerated life time (HALT) tests in an climate chamber using industry standard humidity tests in 85C and 85 % relative humidity (RH), experiments on the MTTF for thin film PZT can be conducted in a short time frame and later on the data can be extrapolated down to operating conditions. By introducing a thin layer of Al203 deposited using atomic layer deposition (ALD), it was seen that the MTTF of the thin film PZT was increased by about 2 orders of magnitude in a humid environment. Through doping the thin film PZT layer, an increase in MTTF of about three orders of magnitude was seen in a humid environment compared to the undoped material and a further increase of three orders of magnitude when passivating the doped PZT with Al203 by using ALD.  

Abstract [sv]

Piezoelektriska mikroelektromekaniska system (piezoMEMS) är ett växande segment inom MEMS industrin som har många tekniska utmaningar både inom produktion men också gällande den elektriska tillförlitligheten av produkterna. En av de vanligaste piezoelektriska materialen som används i piezoMEMS är bly zirkonat titanat (PZT) och deponeras ofta som tunna skikt. En av de viktigaste egenskaperna hos materialet är livstiden eller median time-to-failure (MTTF). Denna parameter kan påverkas av en mängd av olika faktorer varav en är fukt. Detta arbete visar en minskning av MTTF med 2-3 storleksordningar för tunna PZT skikt i fuktiga miljöer jämfört med en torr omgivning. Därav finns det ett incitament för att skydda dessa piezoMEMS på chip-nivå emot en livstidsminskning orsakad av fukt. Nedbrytningsmekanismerna för tunna PZT skikt är för närvarande i fokus i forskningsvärlden där flera olika teorier och modeller har tagits fram. Troligtvis så handlar det om en blandning av både termiska och elektriska faser som tillsammans bidrar till en dielektrisk nedbrytning av det piezoelektriska materialet. När man talar om fuktinducerad degradering så tror man att elektrolys av vatten är en stor bidragande faktor där de resulterande produkterna vätgas (H2) och syrgas (02) orsakar sprickinitiering och propagering samt delaminering av deponerade lager i produkten. Genom högt accelererade livstid tester (HALT) i en klimatkammare har fukttester enligt industristandarden 85C och 85 % relative humidity (RH) genomförts dar MTTF fas ut för tunna PZT skikt. På så sätt kan man genomföra experiment på kort tid där datan sedan kan extrapoleras ner till förhållanden där de faktiskt används. Genom att inkludera ett tunt skikt av Al203 deponerat med hjälp av atomic layer deposition (ALD) visar detta arbete att MTTF av tunna PZT skikt ökar med ungefär 2 storleksordningar för fuktiga miljöer. Dopade tunna PZT skikt i fuktiga miljöer har även undersökts där en ökning av MTTF med tre storleksordningar jämfört med det odopade materialet har setts. Genom att passivera detta dopade material med ett tunt lager av ALD Al203 har en ökning av MTTF med ytterligare tre storleksordningar setts i en fuktig miljö.  

Place, publisher, year, edition, pages
2021. , p. 57
Series
TRITA-EECS-EX ; 2021:591
Keywords [en]
MEMS, Humidity reliability, PZT, piezoelectric thin films, dielectric breakdown, high accelerated life time testing (HALT), atomic layer deposition (ALD), passivisation layer
Keywords [sv]
MEMS, fukt degradering, PZT, tunna piezoelektriska lager, dielektrisk nedbrytning, HALT, ALD, passivering
National Category
Computer and Information Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-304001OAI: oai:DiVA.org:kth-304001DiVA, id: diva2:1605680
External cooperation
Silex Microsystems AB
Educational program
Master of Science - Nanotechnology
Supervisors
Examiners
Available from: 2021-10-26 Created: 2021-10-25 Last updated: 2022-06-25Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

By organisation
School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS)
Computer and Information Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 370 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf