Transistor Quantique InAs à Electrons Chauds: Fabrication submicronique et étude à haute fréquenceL'objectif de cette thèse est le développement de la technologie d'un transistor à électrons chauds constitué d'une hétérostructure quantique InAs/AlSb et exploitant un transport électronique résonant ultrarapide, le QHET (Quantum Hot Electron Transistor). Ce travail a permis l'étude approfondie de ses propriétés et performances à haute fréquence. L'étude aborde tous les aspects, de la conception, la croissance épitaxiale, la technologie de fabrication à la caractérisation statique et dynamique. Ce travail de thèse s'est effectué principalement à l'Institut d'Electronique du Sud (IES), sous la direction de Roland Teissier, et pour partie à l'Institut d'Electronique de Microélectronique et Nanotechnologie (IEMN) sous la direction de Mohamed Zaknoune. Nous avons, dans premier temps, mis en œuvre à l'IES une technologie double mésa afin de fabriquer les transistors avec l'émetteur de 10x10µm². La technologie en grande dimension est aisément réalisable et surtout reproductible. Elle nous a permis de travailler sur un grand nombre de structures transistor fabriquées par epitaxie par jets moléculaires (EJM) sur substrats InAs, afin d'en étudier le transport électronique et d'optimiser leur dessin. Le premier résultat marquant a été d'augmenter le gain statique jusqu'à une valeur de 15 grâce à une modification de la structure de l'émetteur qui une injection plus efficace puis l'utilisation d'une base fine de 85Å, qui améliore le temps de transit. Dans un deuxième temps, nous avons travaillé au sein de l'IES sur l'évolution de la technologie vers des dimensions intermédiaires dont la dimension la plus petite est de 1 µm de largeur. Cette technologie nous a donné une amélioration de performance des QHET grâce à la réduction des résistances et des capacités parasites des composants. Nous avons aussi travaillé à l'IEMN pour développer une technologie submicronique qui permet d'atteindre une largeur d'émetteur de 0.3 µm grâce à l'utilisation de la lithographie électronique. Cette technologie de fabrication plus performante nous a permis de mieux comprendre le fonctionnement du QHET. Et d'atteindre une régime de fonctionnement à forte densité de courant jusqu'à près de 1MA/ cm². Enfin, nous avons développé la structure et la technologie qui vont nous permettre d'évaluer la réponse à haute fréquence des QHET. Un point important a été de à disposer de la structure active du transistor sur un substrat isolant qui permette de réduire les éléments parasites durant la mesure en fréquence. Nous avons développé deux solutions : le transfert de substrat et la croissance métamorphique directement sur un substrat GaAs isolant.Les composants fabriqués par transfert de susbtrat présentent des valeurs de fréquence de transition FT de 77GHz et de fréquence d'oscillation FMAX de 88GHz. Les échantillons métamorphiques ont démontré de meilleures performances avec un FT de 170GHz et un FMAX supérieur à 200GHz. Ces résultats constituent les meilleurs dynamiques de transistors à électrons chauds à température ambiante. Ces études ont également fait progresser la compréhension du transport à haute fréquence dans ces composants. Ils permettent de comprendre les limitations actuelles et de proposer des pistes d'amélioration. / This work aims to develop a new high speed transistor in a vertical transport configuration that exploits the favourable transport properties of III-V semiconductor heterostructures based on InAs. This transistor is similar to a heterojunction bipolar transistor (HBT), but has theoretical assets to overcome the fundamental high speed limits of electron transport in HBT. Our approach uses the concept of hot electron transistor in an original InAs/AlSb quantum heterostructure, that we called a quantum hot electron transistor (QHET) or quantum cascade transistor (QCT). This research was almost done in Southern Electronics Institute (IES) under supervision of Dr. Roland Teissier and other work was realized in Micro-Nanotechnology Electronics Institute (IEMN) under supervision of Dr. Mohamed Zaknoune. The QHET is a unipolar vertical transport device made of a InAs/AlSb quantum heterostructure. Its first advantage over npn HBTs is the low base sheet resistance of 250 Ω/□ , accessible with moderate n-type doping levels (typically 1018 cm-3), which is a key parameter for high speed operation. Secondly, electron transport in the short (typically 100nm) bulk InAs collector is mostly ballistic with calculated transit times much shorter than in InP-based devices. We already developed the design and technology of QHET and demonstrated its resonant transports at cryogenic temperature and its improved static operation in smaller device. From these results, we come to develop our QHET structures to achieve high current gain. Using quantum design of thin base, the current gain is about 15. We fabricated QHET with emitter width scaled down to 0.3µm, using a state of the art electron beam lithography process. The junctions are defined using selective chemical etching. The base contact is self-aligned on the emitter contact. We achieved base resistance lower than 50Ω, comparable to state of the art HBTs. The small dimension allowed reaching the high current density regime of up to 1 MA/cm² required for high frequency operation. The static current gain is about 10, but could be increased up to 14 using a new quantum design. The collector breakdown voltage is greater than 1.2 V.Towards high frequency measurement, the substrate must be non-conducting material but InAs substrate is not available. Two technologies were proposed: transferred substrate and metamorphic substrate. For transferred substrate technology, we obtained a response of cutoff frequency of 77 GHz for FT and 88 for FMAX. For metamorphic substrate technology, we performed the growth of the transistor structures on a semi-insulating GaAs substrate. We used a thin GaSb buffer layer for metamorphic growth of the active part of the transistor, with an adequate growth procedure that allows forming mainly 90° misfit dislocations at the interface between the GaAs and GaSb. This technique permits more convenient and reliable processing of the devices, as compared to use of the more standard AlSb thick buffer layer. The frequency response was determined from S-parameters measured with a network analyser up to a frequency of 70 GHz. The measured gains, after de-embedding of the connection parasitic for a device with 0.5x4µm² emitter for JC=350kA/cm² (Ic= 6.0mA, Ib= 0.7mA, Vce=1.3V). The frequency dependence is not conventional on this device, with a resonance in the current gain close to 10 GHz and a slope different from -20 dB/decade for Mason's unilateral gains. Nevertheless, we could extract the cut-off frequencies FT=172 GHz from H21 and FMAX =230 GHz using -20dB/decade extrapolation of maximum stable gain (MSG). The present results confirmed the validity of this novel device concept. In addition, this is the first demonstration of the ability of a hot electron transistor to operate at high frequency at room temperature.

Le travail presente dans ce memoire a pour objet principal l'etude des phenomenes de bruit du fond electrique basse frequence dans des transistors pour applications micro-ondes de type effet de champ (HEMT) sur SiGe et GaN ainsi que de type bipolaire a heterojonction (TBH) a base de silicium-germanium (SiGe). Dans un premier chapitre nous rappelons les caracteristiques et proprietes essentielles des sources de bruit en exces que l'on rencontre generalement dans ce type de composants et proposons une description des bancs de mesure de bruit mis en oeuvre. Dans les deuxieme et troisieme chapitres, nous proposons une analyse detaillee de l'evolution du bruit observe en fonction de la frequence, de la polarisation, et de la geometrie sur des HEMTs des deux familles technologiques SiGe et GaN. Nous avons en particulier etudie les deux generateurs de bruit en courant en entree et en sortie respectivement iG et iD ainsi que leur correlation. Ceci nous a permis, en nous appuyant aussi sur l'analyse des caracteristiques statiques des transistors, d'identifier les diverses sources de bruit en exces presentes dans ces composants et de faire des hypotheses sur leurs origines. Le dernier chapitre est consacre aux TBHs a base de SiGe. Dans une premiere partie nous etablissons comment varie le bruit basse frequence de TBHs, fabriques par un premier constructeur, en fonction de la polarisation, de la geometrie et de la fraction molaire de germanium. Dans une seconde partie nous mettons en evidence, d'apres nos observations effectuees sur des TBHs fabriques par un second constructeur, l'impact important sur le bruit BF de stress thermiques appliques sur ce type de composants.

Ce travail de thèse présente une évaluation approfondie des différentes techniques de mesure transitoire et dynamique pour l’évaluation du comportement électro-thermique des transistors bipolaires à hétérojonctions HBT SiGe:C de la technologie BiCMOS et des transistors Métal-Oxyde-Semiconducteur à effet de champ (MOSFET) de la technologie CMOS 45nm. En particulier, je propose une nouvelle approche pour caractériser avec précision le régime transitoire d'auto-échauffement, basée sur des mesures impulsionelles. La méthodologie a été vérifiée par des mesures statiques à différentes températures ambiantes, des mesures de paramètres S à basses fréquences et des simulations thermiques transitoires. Des simulations thermiques par éléments finis (TCAD) en trois dimensions ont été réalisées sur les transistors HBTs de la technologie submicroniques SiGe: C BiCMOS. Cette technologie est caractérisée par une fréquence de transition fT de 230 GHz et une fréquence maximum d’oscillation fMAX de 290 GHz. Par ailleurs, cette étude a été réalisée sur les différentes géométries de transistor. Une évaluation complète des mécanismes d'auto-échauffement dans les domaines temporels et fréquentiels a été réalisée. Une expression généralisée de l'impédance thermique dans le domaine fréquentiel a été formulée et a été utilisé pour extraire cette impédance en deçà de la fréquence de coupure thermique. Les paramètres thermiques ont été extraits par des simulations compactes grâce au modèle compact de transistors auquel un modèle électro-thermique a été ajouté via le nœud de température. Les travaux théoriques développés à ce jour pour la modélisation d'impédance thermique ont été vérifiés avec nos résultats expérimentaux. Il a été montré que, le réseau thermique classique utilisant un pôle unique n'est pas suffisant pour modéliser avec précision le comportement thermique transitoire et donc qu’un réseau plus complexe doit être utilisé. Ainsi, nous validons expérimentalement pour la première fois, le modèle distribué électrothermique de l'impédance thermique utilisant un réseau nodal récursif. Le réseau récursif a été vérifié par des simulations TCAD, ainsi que par des mesures et celles ci se sont révélées en excellent accord. Par conséquent, un modèle électro-thermique multi-géométries basé sur le réseau récursif a été développé. Le modèle a été vérifié par des simulations numériques ainsi que par des mesures de paramètre S à basse fréquence et finalement la conformité est excellente quelque soit la géométrie des dispositifs. / An extensive evaluation of different techniques for transient and dynamic electro-thermal behavior of microwave SiGe:C BiCMOS hetero-junction bipolar transistors (HBT) and nano-scale metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) have been presented. In particular, new and simple approach to accurately characterize the transient self-heating effect, based on pulse measurements, is demonstrated. The methodology is verified by static measurements at different ambient temperatures, s-parameter measurements at low frequency region and transient thermal simulations. Three dimensional thermal TCAD simulations are performed on different geometries of the submicron SiGe:C BiCMOS HBTs with fT and fmax of 230 GHz and 290 GHz, respectively. A comprehensive evaluation of device self-heating in time and frequency domain has been investigated. A generalized expression for the frequency-domain thermal impedance has been formulated and that is used to extract device thermal impedance below thermal cut-off frequency. The thermal parameters are extracted through transistor compact model simulations connecting electro-thermal network at temperature node. Theoretical works for thermal impedance modeling using different networks, developed until date, have been verified with our experimental results. We report for the first time the experimental verification of the distributed electrothermal model for thermal impedance using a nodal and recursive network. It has been shown that, the conventional single pole thermal network is not sufficient to accurately model the transient thermal spreading behavior and therefore a recursive network needs to be used. Recursive network is verified with device simulations as well as measurements and found to be in excellent agreement. Therefore, finally a scalable electro-thermal model using this recursive network is developed. The scalability has been verified through numerical simulations as well as by low frequency measurements and excellent conformity has been found in for various device geometries.

L'environnement radiatif spatial est composé d'une grande diversité de particules dans un spectre en énergie très large. Parmi les effets affectant les composants électroniques, on distingue les effets cumulatifs et les effets singuliers transitoires analogiques (ASET). Les effets cumulatifs correspondent à une dégradation continue des paramètres électriques du composant induits par un dépôt d'énergie à faible débit de dose tout au long de la mission spatiale. Les ASETs sont eux causés par le passage d'une particule unique traversant une zone sensible du composant et engendrant une impulsion de tension transitoire qui se propage à la sortie de l'application. Au cours des tests au sol, les deux effets sont étudiés séparément, mais ils se produisent simultanément en vol. Il se produit donc un effet de synergie, induit par la combinaison de la dose et de l'apparition soudaine d'un ASET dans le dispositif préalablement irradié.Une étude de l'effet de synergie dose-ASET est proposée. Pour accélérer les irradiations, une technique connue sous le nom de « méthode de commutation de débit de dose » (DRS) prenant en compte la sensibilité accrue au faible débit de dose (ELDRS) est utilisée. Un modèle haut niveau est développé en utilisant l'analyse circuit permettant de prédire l'effet de synergie observé sur un amplificateur opérationnel à trois étages. Pour prédire l'effet de synergie, l'effet de dose est pris en compte en faisant varier les paramètres décrivant le modèle suivant une loi de variation déduite de la dégradation du courant d'alimentation qui est couramment enregistré au cours des essais industriels. Enfin, les effets transitoires des radiations sur l'électronique (TREEs) induits par un environnement de très fort débit de dose de rayons X pulsés ainsi que l'effet de synergie dose-TREE sont étudiés à l'aide d'un générateur de Flash-X. La méthode classique d'analyse des ASETs permet alors d'expliquer la forme des impulsions transitoires observées. / The natural radiative space environment is composed by numerously particles in a very large energy spectrum. From an electronics component point of view, it is possible to distinguish cumulative effects and so-called Analog Single Event Transient effects (ASET). Cumulative effects correspond to continuous deterioration of the electrical parameters of the component, due to a low dose rate energy deposition (Total Ionizing Dose: TID) throughout the space mission. ASETs are caused by a single energetic particle crossing a sensitive area of the component inducing a transient voltage pulse that occurs at the output of the application. During ground testing, both effects are studied separately but happen simultaneously in flight. As a result a synergy effect, induced by the combination of the low dose rate energy deposition and the sudden occurrence of an ASET in the device previously irradiated, occurs. A study of dose-ASET synergistic effects is proposed using an accelerated irradiation test technique known as Dose Rate Switching method (DRS) tacking into account the concern of the Enhanced Low Dose Rate Sensitivity (ELDRS). A High Level Model is developed using circuit analysis to predict the synergy effect observed on a three stages operational amplifier. To predict synergy effect, the TID effect is taken into account by varying the model parameters following a variation law deduced from the degradation of the supply current which recorded during usual industrial TID testing. Finally, the Transient Radiation Effects on Electronics (TREE) phenomena induced by a Very High Dose Rate X-ray pulse environment and the dose-TREE synergy effect are then investigated using an X-ray flash facility. The classical ASETs methodology analysis can explain the shapes of transients observed.

Les travaux de cette thèse portent sur la simulation de la dégradation des paramètres électriques des transistors MOS et bipolaires sous stress statiques et dynamiques. Cette étude a été menée à l’aide d’un outil de simulation de fiabilité développé en interne. Selon la technologie MOS ou bipolaire, les mécanismes étudiés ont été successivement : Hot Carrier Injection, Bias Temperature instability, Mixed Mode et Reverse base emitter bias. L’investigation a été aussi étendue au niveau circuit. Nous nous sommes ainsi intéressés à l’effet de la dégradation des transistors sur la fréquence d’un oscillateur en anneau et les performances RF d’un amplificateur faible bruit. Les circuits ont été soumis à des contraintes DC , AC et RF. La prédictibilité, établie de ces dégradations, a été validée par des essais de vieillissement expérimentaux sur des démonstrateurs encapsulés et montés sur PCB. Les résultats de ces études ont permis de valider la précision du simulateur et la méthode de calcul quasi-statique utilisée pour calculer les dégradations sous stress dynamiques. Ces travaux de recherche ont pour but d’inscrire cette approche prédictive dans un flot de conception de circuits afin d’assurer leur fiabilité. / The work of this thesis focuses on the simulation of the electrical parameters degradation of MOS and bipolar transistors under static and dynamic stresses. This study was conducted using an in-house reliability simulation tool. According to the MOS or bipolar technology, the studied mechanisms were successively: Hot Carrier Injection, Bias Temperature instability, Mixed Mode and Reverse base emitter bias. The investigation was then extended to circuit-level. The effect of transistors degradation on a ring oscillator frequency and the RF performances of a low noise amplifier were investigated. The circuits were subjected to DC, AC and RF constraints. Predictability of these degradations has been validated by experimental aging tests on encapsulated and PCB-mounted demonstrators. The results of these studies proved the accuracy of the simulator and validated the quasi-static calculation method used to predict the degradation under dynamic stress. The goal of this research is to embed this predictive approach into a circuit design flow to ensure its reliability.

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.

Les études qui seront présentées dans le cadre de cette thèse portent sur le développement et l’optimisation des techniques pour la modélisation compacte des transistors bipolaires à hétérojonction (TBH). Ce type de modélisation est à la base du développement des bibliothèques de composants qu’utilisent les concepteurs lors de la phase de simulation des circuits intégrés. Le but d’une technologie BiCMOS est de pouvoir combiner deux procédés technologiques différents sur une seule et même puce. En plus de limiter le nombre de composants externes, cela permet également une meilleure gestion de la consommation dans les différents blocs digitaux, analogiques et RF. Les applications dites rapides peuvent ainsi profiter du meilleur des composants bipolaires et des transistors CMOS. Le défi est d’autant plus critique dans le cas des applications analogiques/RF puisqu’il est nécessaire de diminuer la puissance consommée tout en maintenant des fréquences de fonctionnement des transistors très élevées. Disposer de modèles compacts précis des transistors utilisés est donc primordial lors de la conception des circuits utilisés pour les applications analogiques et mixtes. Cette précision implique une étude sur un large domaine de tensions d’utilisation et de températures de fonctionnement. De plus, en allant vers des nœuds technologiques de plus en plus avancés, des nouveaux effets physiques se manifestent et doivent être pris en compte dans les équations du modèle. Les règles d’échelle des technologies plus matures doivent ainsi être réexaminées en se basant sur la physique du dispositif. Cette thèse a pour but d’évaluer la faisabilité d’une offre de modèle compact dédiée à la technologie avancée SiGe TBH de chez ST Microelectronics. Le modèle du transistor bipolaire SiGe TBH est présenté en se basant sur le modèle compact récent HICUMversion L2.3x. Grâce aux lois d’échelle introduites et basées sur le dessin même des dimensions du transistor, une simulation précise du comportement électrique et thermique a pu être démontrée.Ceci a été rendu possible grâce à l’utilisation et à l’amélioration des routines et méthodes d’extraction des paramètres du modèle. C’est particulièrement le cas pour la détermination des éléments parasites extrinsèques (résistances et capacités) ainsi que celle du transistor intrinsèque. Finalement, les différentes étapes d’extraction et les méthodes sont présentées, et ont été vérifiées par l’extraction de bibliothèques SPICE sur le TBH NPN Haute-Vitesse de la technologie BiCMOS avancée du noeud 55nm, avec des fréquences de fonctionnement atteignant 320/370GHz de fT = fmax. / The aim of BiCMOS technology is to combine two different process technologies intoa single chip, reducing the number of external components and optimizing power consumptionfor RF, analog and digital parts in one single package. Given the respectivestrengths of HBT and CMOS devices, especially high speed applications benefit fromadvanced BiCMOS processes, that integrate two different technologies.For analog mixed-signal RF and microwave circuitry, the push towards lower powerand higher speed imposes requirements and presents challenges not faced by digitalcircuit designs. Accurate compact device models, predicting device behaviour undera variety of bias as well as ambient temperatures, are crucial for the development oflarge scale circuits and create advanced designs with first-pass success.As technology advances, these models have to cover an increasing number of physicaleffects and model equations have to be continuously re-evaluated and adapted. Likewiseprocess scaling has to be verified and reflected by scaling laws, which are closelyrelated to device physics.This thesis examines the suitability of the model formulation for applicability to production-ready SiGe HBT processes. A derivation of the most recent model formulationimplemented in HICUM version L2.3x, is followed by simulation studies, whichconfirm their agreement with electrical characteristics of high-speed devices. Thefundamental geometry scaling laws, as implemented in the custom-developed modellibrary, are described in detail with a strong link to the specific device architecture.In order to correctly determine the respective model parameters, newly developed andexisting extraction routines have been exercised with recent HBT technology generationsand benchmarked by means of numerical device simulation, where applicable.Especially the extraction of extrinsic elements such as series resistances and parasiticcapacitances were improved along with the substrate network.The extraction steps and methods required to obtain a fully scalable model library wereexercised and presented using measured data from a recent industry-leading 55nmSiGe BiCMOS process, reaching switching speeds in excess of 300GHz. Finally theextracted model card was verified for the respective technology.

Ce travail concerne les transistors bipolaires à hétérogène TBH SiGe. En particulier, l'auto-échauffement des transistors unitaires et le couplage thermique avec leurs plus proches voisins périphériques sont caractérisés et modélisés. La rétroaction électrothermique intra- et inter-transistor est largement étudiée. En outre, l’impact des effets thermiques sur la performance de deux circuits analogiques est évalué. L'effet d'autoéchauffement est évalué par des mesures à basse fréquence et des mesures impulsionnelles DC et AC. L'auto-échauffement est diminué de manière significative en utilisant des petites largeurs d'impulsion. Ainsi la dépendance fréquentielle de l’autoéchauffementa été étudiée en utilisant les paramètres H et Y. De nouvelles structures de test ont été fabriqués pour mesurer l'effet de couplage. Les facteurs de couplage thermique ont été extraits à partir de mesures ainsi que par simulations thermiques 3D. Les résultats montrent que le couplage des dispositifs intra est très prononcé. Un nouvel élément du modèle de résistance thermique récursive ainsi que le modèle de couplage thermique a été inclus dans un simulateur de circuit commercial. Une simulation transitoire entièrement couplée d'un oscillateur en anneau de 218 transistors a été effectuée. Ainsi, un retard de porte record de 1.65ps est démontré. À la connaissance des auteurs, c'est le résultat le plus rapide pour une technologie bipolaire. Le rendement thermique d'un amplificateur de puissance à 60GHz réalisé avec un réseau multi-transistor ou avec un transistor à plusieurs doigts est évalué. La performance électrique du transistor multidoigt est dégradée en raison de l'effet de couplage thermique important entre les doigts de l'émetteur. Un bon accord est constaté entre les mesures et les simulations des circuits en utilisant des modèles de transistors avec le réseau de couplage thermique. Enfin, les perspectives sur l'utilisation des résultats sont données. / The power generate by modern silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) can produce large thermal gradients across the silicon substrate. The device opering temperature modifies model parameters and can significantly affect circuit operation. This work characterizes and models self-heating and thermal coupling in SiGe HBTs. The self-heating effect is evaluated with low frequency and pulsed measurements. A novel pulse measurement system is presented that allows isothermal DC and RF measurements with 100ns pulses. Electrothermal intra- and inter-device feedback is extensively studied and the impact on the performance of two analog circuits is evaluated. Novel test structures are designed and fabricated to measure thermal coupling between single transistors (inter-device) as well as between the emitter stripes of a multi-finger transistor (intra-device). Thermal coupling factors are extracted from measurements and from 3D thermal simulations. Thermally coupled simulations of a ring oscillator (RO) with 218 transistors and of a 60GHz power amplifier (PA) are carried out. Current mode logic (CML) ROs are designed and measured. Layout optimizations lead to record gate delay of 1.65ps. The thermal performance of a 60GHz power amplifier is compared when realized with a multi-transistor array (MTA) and with a multi-finger trasistor (MFT). Finally, perspectives of this work within a CAD based circuit design environment are discussed.

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.