MM-wave RF-MEMS switches in SiGe BiCMOS technologies
Tolunay Wipf, Selin
In the last decade, silicon germanium (SiGe) bipolar complementary metal oxide semiconductor (BiCMOS) technologies opened a new cost-efficient market for the mm-wave applications. Starting with the commercial use of automotive radars at 77 GHz, the market now has a strong interest on radar, sensor and imaging products at mm-wave and sub-THz frequencies. The latest developments on SiGe hetero bipolar transistors (HBTs) with an fmax of beyond 700 GHz boost the research and development effort on circuit and system areas to take share from the new market. In parallel to the developments on SiGe HBT performances, extra functionalities to the standard BiCMOS processes can be added by following the “More than Moore” path. With the followed path, different modules that include photonics, microfluidics or microelectro-mechanical system (MEMS) can be integrated into the circuits and systems for multi-functionality. Radio frequency micro- electro- mechanical system (RF-MEMS) switches can offer very high RF isolation, very low insertion loss, high signal linearity, almost zero power consumption, very large bandwidth and miniaturization. With their superior RF performances they can be used in switching and reconfigurable matching networks, phase arrays or active circuits.
In this thesis, mm-wave RF-MEMS switches in SiGe BiCMOS technologies are developed. Initially the process integration of the RF-MEMS switches is presented, including different wafer-level packaging approaches. The process integration is followed by electromagnetic modeling and RF optimization of a thin film wafer-level encapsulated RF-MEMS switch for D-band (110 – 170 GHz) applications in 0.13 μm SiGe BiCMOS technology. After the demonstration of the D-band switch, a second type of switch in 0.13 μm SiGe BiCMOS technology is developed and demonstrated for J-band (220 – 325 GHz) applications. The thesis continues with different RF-MEMS design examples in both 0.25 μm and 0.13 μm SiGe BiCMOS technologies. In the 0.13 μm SiGe BiCMOS technology, an RF-MEMS based D-band single-pole double-throw (SPDT) switch and in the 0.25 μm SiGe BiCMOS technology, wafer-level packaged K-band (18–27 GHz) single-pole single-throw (SPST), RF-MEMS based SPDT switches and a charge pump with the SPST switch are demonstrated. Lastly, yield analyses of the developed examples in the 0.25 μm SiGe BiCMOS technology are given.
In den vergangenen zehn Jahren sind die SiGe BiCMOS Technologien in den Markt der mm-Wellen Anwendungen vorgedrungen. Beginnend mit dem kommerziellen Einsatz von Autoradarsystemen bei 77 GHz, hat der Markt nun ein großes Interesse an Radar, Sensor und Bildgebungsprodukten bei mm-Wellen und Sub-THz Frequenzen. Die neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der SiGe HBT mit einem fmax von mehr als 700 GHz beschleunigen die Forschungs und Entwicklungsanstrengungen in den Bereichen Schaltkreise und Systeme, um vom neuen Markt zu profitieren. Parallel zu den Fortschritten bei den SiGe HBT Eigenschaften werden, der “More than Moore” Strategie entsprechend, zusätzliche Funktionalitäten in den BiCMOS Prozess integriert. Demzufolge, können verschiedene Module wie zum Beispiel Photonik, Mikrofluidik oder MEMS in den Schaltungen und Systemen verwendet werden, wodurch deren Funktionalität deutlich erweitert wird. RF-MEMS Schalter haben eine sehr hohe HF-Isolation, eine sehr geringe Einfügedämpfung, eine hohe Signallinearität, nahezu keine Leistungsaufnahme, eine sehr große Bandbreite und sind sehr kompakt. Mit
ihren hervorragenden HF-Eigenschaften können sie als HF-Schalter, in konfigurierbaren Anpassungsnetzwerken, in Phasenschieber Schaltungen und in aktiven Schaltungen eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurden mm-Wellen RF-MEMS Schalter in zwei SiGe BiCMOS Technologien entwickelt. Zun¨achst wird die Prozessintegration der RF-MEMS nebst verschiedenen Verkapselungskonzeptenen vorgestellt. Auf die Prozessbeschreibung folgt die elektromagnetische Modellierung und HF-Optimierung eines, mittels Dünnfilm auf Wafer-Level, verkapselten RF-MEMS Schalters für D-Band Anwendungen in einer 0.13 μm SiGe BiCMOS Technologie. Im folgenden Abschnitt wird die Entwicklung eines zweiten Schalters in derselben Technologie für J-Band Anwendungen beschreiben. Die Dissertation setzt mit RF-MEMS Designbeispielen aus der 0.25 μm und der 0.13 μm SiGe BiCMOS Technologie fort. In der 0.13 μm SiGe BiCMOS Technologie wurde ein RF-MEMS D-Band SPDT Schalter und in der 0.25 μm Technologie ein auf Wafer-Level verkapselter K-Band SPST Schalter, ein RF-MEMS SPDT Schalter und ein mittels integrierter Ladungspumpe gesteuerter SPST Schalter entworfen. Abschließend wird die Ausbeute der entwickelten Demonstratorschaltungen aus der 0.25 μm SiGe BiCMOS Technologie dargestellt und diskutiert.
