Le travail porte sur le développement et l’optimisation de transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) SiGe et SiGeC par conception technologique assistée par ordinateur (TCAD). L'objectif est d'aboutir à un dispositif performant réalisable technologiquement, en tenant compte de tous les paramètres : étapes de fabrication technologiques, topologie du transistor, modèles physiques. Les études menées permettent d’atteindre les meilleures performances, en particulier une amélioration importante de la fréquence maximale d’oscillation (fMAX). Ce travail est la première approche développée pour la simulation des TBH SiGeC qui prend en compte l'impact de la contrainte et de la teneur en germanium et en carbone dans la base; conjointement pour les simulations des procédés de fabrication et les simulations électriques.Pour ce travail, nous avons développé et implémenté dans le simulateur TCAD des méthodes d'extraction de fMAX prenant en compte les éléments parasites intrinsèques et extrinsèques. Nous avons développé et implémenté un modèle pour la densité effective d’états fonction de la teneur en germanium et en carbone dans la base. Les modèles pour la bande interdite, la mobilité et le temps de relaxation de l'énergie sont calibrés sur la base de simulations Monte-Carlo.Les différentes analyses présentées dans cette thèse portent sur six variantes technologiques de TBH. Trois nouvelles architectures de TBH SiGeC avancés ont été élaborées et proposées pour des besoins basse et haute performance. Grace aux résultats obtenus, le meilleur compromis entre les différents paramètres technologiques et dimensionnels permettent de fabriquer un TBH SiGeC avec une valeur de fMAX de 500 GHz, réalisant ainsi l’objectif principal de la thèse. / The present work investigates the technology development of state-of-the-art SiGe and SiGeC Heterojunction Bipolar Transistors (HBT) by means of technology computer aided design (TCAD). The objective of this work is to obtain an advanced HBT very close to the real device not only in its process fabrication steps, but also in its physical behavior, geometric architecture, and electrical results. This investigation may lead to achieve the best electrical performances for the devices studied, in particular a maximum operating frequency of 500 GHz. The results of this work should help to obtain more physical and realistic simulations, a better understanding of charge transport, and to facilitate the development and optimization of SiGe and SiGeC HBT devices.The TCAD simulation kits for SiGe/SiGeC HBTs developed during our work have been carried out in the framework of the STMicroelectronics bipolar technology evolution. In order to achieve accurate simulations we have used, developed, calibrated and implemented adequate process models, physical models and extraction methodologies. To our knowledge, this work is the first approach developed for SiGe/SiGeC HBTs which takes into account the impact of the strain, and of the germanium and carbon content in the base, for both: process and electrical simulations.In this work we will work with the successive evolutions of B3T, B4T and B5T technologies. For each new device fMAX improves of 100 GHz, thus the technology B3T matches to 300 GHz, B4T and B5T to 400 and 500 GHz, respectively.Chapter one introduces the SiGe SiGeC heterojunction bipolar technologies and their operating principles. This chapter deals also with the high frequency AC transistor operation, the extraction methods for fMAX and the carrier transport in extremely scaled HBTs.Chapter two analyzes the physical models adapted to SiGeC strained alloys used in this work and the electrical simulation of HBT devices. This is also an important work of synthesis leading to the selection, implementation and development of dedicated models for SiGeC HBT simulation.Chapter three describes the B3T TCAD simulation platform developed to obtain an advanced HBT very close to the real device. In this chapter the process fabrication of the B3T technology is described together with the methodology developed to simulate advanced HBT SiGeC devices by means of realistic TCAD simulations.Chapter four describes the HBT architectures developed during this work. We will propose low-cost structures with less demanding performance requirements and highly performing structures but with a higher cost of production. The B4T architecture which has been manufactured in clean-room is deeply studied in this chapter. The impact of the main fabrication steps is analyzed in order to find the keys process parameters to increase fMAX without degrading other important electrical characteristics. At the end of this chapter the results obtained is used to elaborate a TCAD simulation platform taking into account the best trade-off of the different key process parameters to obtain a SiGeC HBT working at 500 GHz of fMAX.

The present work investigates the technology development of state-of-the-art SiGe and SiGeC Heterojunction Bipolar Transistors (HBT) by means of technology computer aided design (TCAD). The objective of this work is to obtain an advanced HBT very close to the real device not only in its process fabrication steps, but also in its physical behavior, geometric architecture, and electrical results. This investigation may lead to achieve the best electrical performances for the devices studied, in particular a maximum operating frequency of 500 GHz. The results of this work should help to obtain more physical and realistic simulations, a better understanding of charge transport, and to facilitate the development and optimization of SiGe and SiGeC HBT devices.The TCAD simulation kits for SiGe/SiGeC HBTs developed during our work have been carried out in the framework of the STMicroelectronics bipolar technology evolution. In order to achieve accurate simulations we have used, developed, calibrated and implemented adequate process models, physical models and extraction methodologies. To our knowledge, this work is the first approach developed for SiGe/SiGeC HBTs which takes into account the impact of the strain, and of the germanium and carbon content in the base, for both: process and electrical simulations.In this work we will work with the successive evolutions of B3T, B4T and B5T technologies. For each new device fMAX improves of 100 GHz, thus the technology B3T matches to 300 GHz, B4T and B5T to 400 and 500 GHz, respectively.Chapter one introduces the SiGe SiGeC heterojunction bipolar technologies and their operating principles. This chapter deals also with the high frequency AC transistor operation, the extraction methods for fMAX and the carrier transport in extremely scaled HBTs.Chapter two analyzes the physical models adapted to SiGeC strained alloys used in this work and the electrical simulation of HBT devices. This is also an important work of synthesis leading to the selection, implementation and development of dedicated models for SiGeC HBT simulation.Chapter three describes the B3T TCAD simulation platform developed to obtain an advanced HBT very close to the real device. In this chapter the process fabrication of the B3T technology is described together with the methodology developed to simulate advanced HBT SiGeC devices by means of realistic TCAD simulations.Chapter four describes the HBT architectures developed during this work. We will propose low-cost structures with less demanding performance requirements and highly performing structures but with a higher cost of production. The B4T architecture which has been manufactured in clean-room is deeply studied in this chapter. The impact of the main fabrication steps is analyzed in order to find the keys process parameters to increase fMAX without degrading other important electrical characteristics. At the end of this chapter the results obtained is used to elaborate a TCAD simulation platform taking into account the best trade-off of the different key process parameters to obtain a SiGeC HBT working at 500 GHz of fMAX.

Les procédés bipolaires semi-conducteurs complémentaires à oxyde de métal (BiCMOS) peuvent être considérés comme étant la solution la plus généralepour les produits RF car ils combinent la fabrication sophistiquée du CMOSavec la vitesse et les capacités de conduction des transistors bipolaires silicium germanium(SiGe) à hétérojonction (HBT). Les HBTs, réciproquement, sontles principaux concurrents pour combler partiellement l'écart de térahertzqui décrit la plage dans laquelle les fréquences générées par les transistors etles lasers ne se chevauchent pas (environ 0.3 THz à 30 THz). A_n d'évaluerles capacités de ces dispositifs futurs, une méthodologie de prévision fiable estsouhaitable. L'utilisation d'un ensemble hétérogène d'outils et de méthodes desimulations permet d'atteindre successivement cet objectif et est avantageusepour la résolution des problèmes. Plusieurs domaines scientifiques sont combinés, tel que la technologie de conception assistée par ordinateur (TCAO),la modélisation compacte et l'extraction des paramètres.Afin de créer une base pour l'environnement de simulation et d'améliorerla confirmabilité pour les lecteurs, les modèles de matériaux utilisés pour lesapproches hydrodynamiques et de diffusion par conduction sont introduits dèsle début de la thèse. Les modèles physiques sont principalement fondés surdes données de la littérature basées sur simulations Monte Carlo (MC) ou dessimulations déterministes de l'équation de transport de Boltzmann (BTE).Néanmoins, le module de TCAO doit être aussi étalonné sur les données demesure pour une prévision fiable des performances des HBTs. L'approchecorrespondante d'étalonnage est basée sur les mesures d'une technologie depointe de HBT SiGe pour laquelle un ensemble de paramètres spécifiques àla technologie du modèle compact HICUM/L2 est extrait pour les versionsdu transistor à haute vitesse, moyenne et haute tension. En s'aidant de cesrésultats, les caractéristiques du transistor unidimensionnel qui sont généréesservent de référence pour le profil de dopage et l'étalonnage du modèle. Enélaborant des comparaisons entre les données de références basées sur les mesureset les simulations, la thèse fait progresser l'état actuel des prévisionsbasées sur la technologie CAO et démontre la faisabilité de l'approche.Enfin, une technologie future de 28nm performante est prédite en appliquantla méthodologie hétérogène. Sur la base des résultats de TCAO, leslimites de la technologie sont soulignées. / Bipolar complementary metal-oxide-semiconductor (BiCMOS) processescan be considered as the most general solution for RF products, as theycombine the mature manufacturing tools of CMOS with the speed and drivecapabilities of silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors(HBTs). HBTs in turn are major contenders for partially filling the terahertzgap, which describes the range in which the frequencies generated bytransistors and lasers do not overlap (approximately 0.3THz to 30 THz). Toevaluate the capabilities of such future devices, a reliable prediction methodologyis desirable. Using a heterogeneous set of simulation tools and approachesallows to achieve this goal successively and is beneficial for troubleshooting.Various scientific fields are combined, such as technology computer-aided design(TCAD), compact modeling and parameter extraction.To create a foundation for the simulation environment and to ensure reproducibility,the used material models of the hydrodynamic and drift-diffusionapproaches are introduced in the beginning of this thesis. The physical modelsare mainly based on literature data of Monte Carlo (MC) or deterministicsimulations of the Boltzmann transport equation (BTE). However, the TCADdeck must be calibrated on measurement data too for a reliable performanceprediction of HBTs. The corresponding calibration approach is based onmeasurements of an advanced SiGe HBT technology for which a technology specific parameter set of the HICUM/L2 compact model is extracted for thehigh-speed, medium-voltage and high-voltage transistor versions. With thehelp of the results, one-dimensional transistor characteristics are generatedthat serve as reference for the doping profile and model calibration. By performingelaborate comparisons between measurement-based reference dataand simulations, the thesis advances the state-of-the-art of TCAD-based predictionsand proofs the feasibility of the approach.Finally, the performance of a future technology in 28nm is predicted byapplying the heterogeneous methodology. On the basis of the TCAD results,bottlenecks of the technology are identified. / Bipolare komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (BiCMOS) Prozesse bietenhervorragende Rahmenbedingungen um Hochfrequenzanwendungen zurealisieren, da sie die fortschrittliche Fertigungstechnik von CMOS mit derGeschwindigkeit und Treiberleistung von Silizium-Germanium (SiGe) Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBTs) verknüpfen. Zudem sind HBTs bedeutendeWettbewerber für die teilweise Überbrückung der Terahertz-Lücke, derFrequenzbereich zwischen Transistoren (< 0.3 THz) und Lasern (> 30 THz).Um die Leistungsfähigkeit solcher zukünftigen Bauelemente zu bewerten, isteine zuverlässige Methodologie zur Vorhersage notwendig. Die Verwendungeiner heterogenen Zusammenstellung von Simulationstools und Lösungsansätzenerlaubt es dieses Ziel schrittweise zu erreichen und erleichtert die Fehler-_ndung. Verschiedene wissenschaftliche Bereiche werden kombiniert, wie zumBeispiel der rechnergestützte Entwurf für Technologie (TCAD), die Kompaktmodellierungund Parameterextraktion.Die verwendeten Modelle des hydrodynamischen Simulationsansatzes werdenzu Beginn der Arbeit vorgestellt, um die Simulationseinstellung zu erläuternund somit die Nachvollziehbarkeit für den Leser zu verbessern. Die physikalischenModelle basieren hauptsächlich auf Literaturdaten von Monte Carlo(MC) oder deterministischen Simulationen der Boltzmann-Transportgleichung(BTE). Für eine zuverlässige Vorhersage der Eigenschaften von HBTs muss dieTCAD Kon_guration jedoch zusätzlich auf der Grundlage von Messdaten kalibriertwerden. Der zugehörige Ansatz zur Kalibrierung beruht auf Messungeneiner fortschrittlichen SiGe HBT Technologie, für welche ein technologiespezifischer HICUM/L2 Parametersatz für die high-speed, medium-voltage undhigh-voltage Transistoren extrahiert wird. Mit diesen Ergebnissen werden eindimensionaleTransistorcharakteristiken generiert, die als Referenzdaten fürdie Kalibrierung von Dotierungspro_len und physikalischer Modelle genutztwerden. Der ausführliche Vergleich dieser Referenz- und Messdaten mit Simulationengeht über den Stand der Technik TCAD-basierender Vorhersagenhinaus und weist die Machbarkeit des heterogenen Ansatzes nach.Schlieÿlich wird die Leistungsfähigkeit einer zukünftigen Technologie in28nm unter Anwendung der heterogenen Methodik vorhergesagt. Anhand derTCAD Ergebnisse wird auf Engpässe der Technologie hingewiesen.