Cette nouvelle technologie de commutation RF réduit la consommation des téléphones et terminaux mobiles

Genève, le 21 juillet 2003 - STMicroelectronics, l'un des premiers fabricants mondiaux de semiconducteurs, présente une technologie novatrice qui utilise les techniques de MEMS (micro-systèmes électro-mécaniques) pour intégrer des commutateurs RF haute performance dans des circuits fabriqués en technologie CMOS standard. Le nouveau commutateur RF devrait améliorer les performances des téléphones mobiles et autres terminaux portables similaires nécessitant une commutation RF efficace, afin de minimiser la consommation et prolonger l'autonomie de batterie.

Pour que les terminaux portables s'adaptent pleinement à leur environnement, en passant d'un standard à l'autre ou en contrôlant efficacement la puissance de transmission, les fabricants d'équipements ont de plus en plus besoin de circuits RF plus souples, intégrant des fonctions de commutation plus efficaces. Si les semiconducteurs sont largement utilisés comme commutateurs RF dans les applications portables, ils sont en principe moins intéressants que les commutateurs à base de MEMS, plus performants en termes d'isolation, de pertes d'insertion et de linéarité. Bien que les avantages des commutateurs RF-MEMS aient été démontrés dans de nombreuses applications aéronautiques et de télécommunications, leur faisabilité pour des marchés de masse comme celui des téléphones portables dépend étroitement de la possibilité de les intégrer dans des systèmes sur puce à faible coût.

Le micro-commutateur " Above IC " a été développé conjointement par ST et le CEA-LETI, son partenaire de longue date dans le domaine de la recherche, sur le site ST de Crolles1. Il répond aux quatre critères clés suivants : haute fiabilité, faible consommation, faible tension d'activation et compatibilité avec les techniques de fabrication des systèmes sur puce. Pour vérifier que le nouveau commutateur RF-MEMS est intégrable dans un système sur puce, des prototypes ont été fabriqués en technologie BiCMOS utilisée pour le circuit de commande d'activation thermique et de maintien électrostatique. Le commutateur MEMS proprement dit est fabriqué sur le circuit, une fois les étapes de fabrication CMOS achevées, sans qu'il soit besoin de techniques particulières de soudage.

" Ce résultat est un excellent exemple des programmes de recherche de ST, en collaboration avec ses partenaires, pour développer de nouveaux compléments à la plate-forme CMOS standard. ", a déclaré Hervé Mingam, directeur des programmes, R&D centrale de ST. " Cette nouvelle technologie devrait être intéressante pour notre portefeuille de technologies de systèmes sur puce ".

Suite au succès de la fabrication et de la caractérisation des premiers prototypes, ST et le CEA-LETI s'emploient maintenant à optimiser la fonction de maintien électrostatique, développer l'encapsulation intégrée sur plaquette et améliorer le coût en réduisant le nombre de masques nécessaires.

Cette nouvelle technologie RF-MEMS a été développée et testée sur le site ST de Crolles1, près de Grenoble. Créée en 1992, Crolles1 est une unité complètement intégrée, associant étroitement R&D, fabrication pilote et production en volume. Il abrite des équipes communes de ST, France Telecom R&D et du CEA-LETI, qui travaillent sur des technologies avancées destinées à préparer les futures plate-formes CMOS. Une équipe de R&D commune à ST et Philips Semiconducteurs y travaille également depuis 1992. ST, Motorola et Philips ont, plus récemment, regroupé leurs moyens R&D pour créer " l'Alliance Crolles2 ", dont l'objectif est le développement des futures générations de technologie CMOS, de 90 à 32 nanomètres, et la réalisation d'une unité commune de fabrication pilote 300 mm (Crolles2), qui reproduira le modèle " R&D-fabrication " réussi de Crolles1. TSMC est un partenaire de l'Alliance Crolles2, qui permet l'alignement des règles de dessin des technologies numériques et garantit la portabilité des conceptions et l'accès à la propriété intellectuelle développée par la plate-forme commune.

STMicroelectronics en bref
STMicroelectronics est un leader mondial pour le développement et la réalisation de solutions sur silicium destinées à un grand nombre d'applications. Son expertise du silicium et des systèmes, sa puissance industrielle, son portefeuille de propriétés intellectuelles et ses alliances stratégiques placent ST à l'avant-garde des technologies de systèmes sur puce, et ses produits contribuent pleinement à la convergence des applications et des marchés. STMicroelectronics est coté à la Bourse de New York, de Paris (Euronext) et de Milan. En 2002, ST a réalisé un chiffre d'affaires net de 6,32 milliards de dollars et un résultat net de 429,4 millions. Des informations complémentaires sont disponibles sur le site http://www.st.com.

Fiche technique
L'élément mobile du commutateur est constitué d'une minuscule poutrelle (400 x 50 µm) de nitrure de silicium, resserrée à chaque extrémité. Cette poutrelle, qui comprend des résistances chauffantes en nitrure de titane, des électrodes de maintien électrostatique et un bloc d'aluminium à chaque extrémité, est d'abord séparée de la ligne RF sous-jacente par un espace de 3 µm. Lorsqu'une faible tension (2V) est appliquée aux résistances chauffantes, les différentes dilatations thermiques de l'aluminium et du nitrure de silicium provoquent la déformation de la poutrelle (" effet bimorphe ") jusqu'à l'établissement d'un contact mécanique avec une bosse en or sur la ligne RF, ce qui ferme le commutateur.

Une fois le commutateur mis en route, une tension est appliquée aux électrodes de maintien, générant une force électrostatique qui maintient la poutrelle en position, ce qui permet d'arrêter le courant de chauffage. De cette manière, la nouvelle structure allie les avantages de l'alimentation basse tension et de haute fiabilité obtenue par l'activation thermique et la faible consommation de maintien électrostatique.

Pour l'activation, le commutateur a besoin d'un courant de 20 mA sous 2V pendant environ 200 µs, soit une énergie d'activation de 8µJ. Avec les premiers prototypes, la tension requise pour assurer le maintien électrostatique était de 15V. Grâce à un meilleur contrôle des contraintes pesant sur le matériau utilisé pour la poutrelle, cette tension devrait être ramenée à 10V. En termes de fiabilité, plus de 109 cycles de commutation ont été réalisés sans défaillance, ni dégradation des contacts, tandis que les caractérisations RF ont assuré d'excellents niveaux d'isolation (57 dB) et de pertes d'insertion (0,18 dB), à la fréquence de 2 GHz utilisée dans les applications de téléphonie mobile.