Les transistors rapides actuels présentent un retard lorsqu’ils fonctionnent à très hautes fréquences ou en régime transitoire rapide. Cet effet est appelé effet non quasi-statique (NQS). Dans cette thèse, l’effet NQS est analysé de manière concise de façon à être directement implanté dans les modèles de composant pour les bibliothèques de circuit en utilisant le langage standard VerilogA. Les mécanismes physiques à la base de l’effet NQS sont évalués dans le domaine de fonctionnement petit signal et les résultats sont comparés aux travaux déjà publiés. S’agissant du modèle standard bipolaire HICUM, les effets NQS latéraux et verticaux sont examinés séparément à partir du même modèle, en régime de fonctionnement transitoire et fréquentiel grâce à un sous-circuit dédié au calcul de la phase du signal. A partir de ce sous-circuit, la modélisation compacte avec HICUM est comparée aux données issues de mesures et issues de simulation amont. Enfin, un nouveau sous-circuit calculant l’excès de phase est proposé pour prendre mieux en compte les effets non quasi-statiques dans les transistors bipolaires. / Modern high speed (RF) transistors encounter certain delay while operated at high frequency or under fast transient condition. This effect is named as Non Quasi Static (NQS) effect. In the current work, NQS effect is analyzed in a concise manner so that it can be readily implemented in a compact model using the VerilogA description language. The basic physics behind this effect is investigated in small signal domain and the results are compared with the published work. In popular bipolar model HICUM lateral and vertical NQS are examined separately and uses the same model for both transient and AC operation which requires an additional minimum phase type sub circuit. Compact modeling with HICUM model is performed in both measurement and device simulated data. At last, an improved excess phase circuit is proposed to model the NQS effect.

Les technologies de transistors bipolaires à hétérojonctions (HBT) ont montré leur efficacité pour permettre aux circuits de traiter les grands signaux au delà de 100Gbit/s pour les réseaux optiques Ethernet. Pour assurer ce résultat, une bonne fiabilité doit être garantie. Des tests de vieillissements accélérés sous contraintes thermiques et électrothermiques sont réalisés et analysés avec les outils de simulation physique Sentaurus TCAD afin d’obtenir les lois de vieillissement physiques. Le modèle compact HICUM niveau 2, basé sur la physique, est utilisé pour modéliser précisément le composant avant vieillissement, puis pour ajuster les caractéristiques intermédiaires pendant le vieillissement. L’évolution des paramètres du modèle est décrit avec des équations appropriées pour obtenir un modèle électrique compact du vieillissement basé sur la physique. Les lois de vieillissement et les équations d’évolutions des paramètres avec le temps de contrainte sont implantées dans le modèle électrique de vieillissement en langage Verilog-A, ce qui permet de simuler l’impact des mécanismes de défaillances sur le circuit en conditions opérationnelles. / Modern InP Heterojunction Bipolar Transistors (HBT) technology has shown its efficiency for making large signal ICs working above 100 Gbits/s for Ethernet optical transport network. To full-fill this expectation, a good reliability has to be assured. Accelerated aging tests under thermal and electro-thermal stress conditions are performed and analyzed with Sentaurus TCAD device simulation tools to achieve the physical aging laws. The physics based advanced bipolar compact model HICUM Level 2 is used for precise modeling of the devices before aging. The HICUM parameters are extracted to fit the intermediate characterizations during aging. The evolution of the model parameters is described with suitable equations to achieve a physics based compact electrical aging model. The aging laws and the parameter evolution equations with stress time are implemented in compact electrical aging model in Verilog-A languages which allows us to simulate the impact of device failure mechanisms on the circuit in operating conditions.

Ce travail de thèse présente une étude concernant la caractérisation des effets électrothermiques dans les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) en SiGe. Lors de ces travaux, deux procédés technologiques BiCMOS à l’état de l’art ont été analysés: le B11HFC de Infineon Technologies (130nm) et le B55 de STMicroelectronics (55nm).Des structures de test dédiées ont étés conçues, pour évaluer l’impact électrothermique du back end of line (BEOL) de composants ayant une architecture à un ou plusieurs doigts d’émetteur. Une caractérisation complète a été effectuée en régime continu et en mode alternatif en petit et en grand signal. De plus, une extraction des paramètres thermiques statiques et dynamiques a été réalisée et présentée pour les structures de test proposées. Il est démontré que les figures de mérite DC et RF s’améliorent sensiblement en positionnant des couches de métal sur le transistor, dessinées de manière innovante et ayant pour fonction de guider le flux thermique vers l’extérieur. L’impact thermique du BEOL a été modélisé et vérifié expérimentalement dans le domaine temporel et fréquentiel et aussi grâce à des simulations 3D par éléments finis. Il est à noter que l’effet du profil de dopage sur la conductivité thermique est analysé et pris en compte.Des topologies de transistor innovantes ont étés conçues, permettant une amélioration des spécifications de l’aire de sécurité de fonctionnement, grâce à un dessin innovant de la surface d’émetteur et du deep trench (DTI).Un modèle compact est proposé pour simuler les effets de couplage thermique en dynamique entre les émetteurs des HBT multi-doigts; ensuite le modèle est validé avec de mesures dédiées et des simulations TCAD.Des circuits de test ont étés conçus et mesurés, pour vérifier la précision des modèles compacts utilisés dans les simulateurs de circuits; de plus, l’impact du couplage thermique entre les transistors sur les performances des circuits a été évalué et modélisé. Finalement, l’impact du dissipateur thermique positionné sur le transistor a été étudié au niveau circuit, montrant un réel intérêt de cette approche. / This work is focused on the characterization of electro-thermal effects in advanced SiGe hetero-junction bipolar transistors (HBTs); two state of the art BiCMOS processes have been analyzed: the B11HFC from Infineon Technologies (130nm) and the B55 from STMicroelectronics (55nm).Special test structures have been designed, in order to evaluate the overall electro-thermal impact of the back end of line (BEOL) in single finger and multi-finger components. A complete DC and RF electrical characterization at small and large signal, as well as the extraction of the device static and dynamic thermal parameters are performed on the proposed test structures, showing a sensible improvement of the DC and RF figures of merit when metal dummies are added upon the transistor. The thermal impact of the BEOL has been modeled and experimentally verified in the time and frequency domain and by means of 3D TCAD simulations, in which the effect of the doping profile on the thermal conductivity is analyzed and taken into account.Innovative multi-finger transistor topologies are designed, which allow an improvement of the SOA specifications, thanks to a careful design of the drawn emitter area and of the deep trench isolation (DTI) enclosed area.A compact thermal model is proposed for taking into account the mutual thermal coupling between the emitter stripes of multi-finger HBTs in dynamic operation and is validated upon dedicated pulsed measurements and TCAD simulations.Specially designed circuit blocks have been realized and measured, in order to verify the accuracy of device compact models in electrical circuit simulators; moreover the impact on the circuit performances of mutual thermal coupling among neighboring transistors and the presence of BEOL metal dummies is evaluated and modeled.