Les travaux de thèse, présentés dans ce manuscrit, portent sur la caractérisation et la modélisation des sources de bruit basse fréquence dans les transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGe:C issus des filières BiCMOS 130 et 55 nm utilisées pour la réalisation de circuits intégrés dédiés aux futures applications dans le domaine du THz. A partir des mesures réalisées en fonction de la polarisation, de paramètres géométriques (surface et périmètre d'émetteur principalement) et de la température, la composante de bruit en 1/f, associée aux fluctuations du courant de base, a été entièrement caractérisée et les sources de bruit associées localisées. Les paramètres du modèle compact SPICE ont été extraits et comparés avec ceux de la littérature. Pour la technologie BiCMOS 130 nm, la valeur obtenue pour la figure de mérite KB égale 6,8 10-11 µm² ce qui représente le meilleur résultat publié à ce jour, toutes filières de transistors bipolaires confondues. Réalisée sur une plaque entière, l'étude statistique de la dispersion du niveau de bruit en 1/f a permis d'étendre la modélisation compacte de type SPICE. Mesuré sur une large gamme de température, le niveau de bruit en 1/f n'a pas présenté de variation significative. Pour la première fois, une étude complète de la composante de bruit en 1/f associée aux fluctuations du courant de collecteur est présentée et les paramètres du modèle SPICE extraits. Concernant la caractérisation des composantes de génération-recombinaison (présence non systématique), une étude statistique a montré que les transistors de plus petites dimensions étaient les plus impactés. La comparaison entre les différentes technologies montre que ces composantes sont beaucoup plus présentes dans les technologies les moins matures. Quand ces composantes ont été associées à du bruit RTS, une méthode de caractérisation temporelle et fréquentielle a été mise en œuvre. Enfin, dans certains cas, une étude en basses températures a permis d'extraire les énergies d'activation des pièges responsables de ces composantes de génération-recombinaison. / The presented thesis work, in this manuscript, focuses on the characterization and modeling of the low frequency noise sources in heterojunction bipolar transistors Si/SiGe :C derived from 130 to 55 nm BiCMOS technology used in the production of integrated circuits dedicated for THz domain applications. From measurements versus bias, geometrical parameters (emitter area and perimeter) and temperature, the 1/f noise component, associated to the base current fluctuations, has been fully characterized and the associated sources have been localized. The SPICE compact model parameters have been extracted and compared with those of the literature. For the BiCMOS 130 nm technology, the obtained figure of merit value of 6,8 10-11 µm2 represents the best published result so far in all bipolar transistors. The dispersion study of the 1/f noise component, performed over a complete wafer, allowed us to extend the SPICE type compact modeling. Measured over a large temperature range, the 1/f noise did not show any variations. For the first time, a complete characterization of the 1/f component at the output of the transistors is presented as well as the extraction of SPICE parameters. Regarding the characterization of generation-recombination components (unsystematic presence), a statistical study has showed that transistors with small emitter areas (Ae < 1 µm2) are affected more than the transistors with large emitter areas by the presence of g-r components. Comparison between different technologies shows that these components are much more present in the less mature technologies. When these components have been associated to RTS, time and frequency domain method is implemented. Finally, in some cases, a study at low temperatures was used to extract the activation energy of the traps responsible for the generation-recombination components.

L'invention du premier transistor à Bell lab's, dans le groupe de W. Shockley, en 1947 a été suivie d'une ère de développement des circuits intégrés (IC). Depuis plusieurs dizaines d'années, la dimension critique des transistors métal/oxyde/semi-conducteurs (les transistors MOS), la longueur physique de la grille, a diminué à un rythme régulier. Cette évolution, motivée par des raisons économiques, a été anticipée par G. Moore, et est de ce fait connue sous le nom de "loi de Moore". La dimension de grille a d'ores et déjà été réduite de plus de 2 ordres de grandeur et, dans son édition2012, l'association ITRS prédit qu'elle décroîtra encore, de 22nm en 2011 à environ 6nm en 2026 [1].Toutefois, cette réduction des dimensions fait apparaître un certain nombre d'effets secondaires qui altèrent le fonctionnement idéal des transistors MOS [2]. / In this dissertation, the performance of junction less transistors (JLTs) as possible candidates for the continuation of Moore’s law was investigated experimentally based on an in-depth study of their electrical characteristics. Current-voltage I-V and capacitance-voltage C-V were analyzed in a wide rangeof temperatures (from 80 K to 350 K) in correlation with device operation mechanism. Lowfrequencynoise was also studied and compared to that of inversion-mode transistors. This study requirednew parameter extraction methods to be defined for JLTs. Their validity was confirmed by 2-dimensional (2D) simulation results. They will be detailed in this dissertation.

Cette thèse porte sur l’étude de transistor à effet tunnel (TFET) en FDSOI à géométries planaire et triple grille/nanofils. Nous rapportons pour la première fois des TFETs fabriqués par un processus basse température (600°C), qui est identique à celui utilisé pour l’intégration monolithique 3D. La méthode “Dual IDVDS” confirme que ces TFETs fonctionnent par effet tunnel et non pas par effet Schottky. Les résultats des mesures électriques montrent que l’abaissement de la température de fabrication de 1050°C (HT) à 600°C (LT) ne dégrade pas les propriétés des TFETs. Néanmoins, les dispositifs réalisés à basse température montrent un courant de drain et de fuite plus élevés et une tension de seuil différente par rapport aux HT TFETs. Ces phénomènes ne peuvent pas être expliqués par le mécanisme d’effet tunnel. Le courant de pompage de charges révèle une densité d’états d’interface plus grande à l’interface oxide/Si pour les dispositifs LT que dans les TFETs HT pour les zones actives étroites. Par ailleurs, une analyse de bruit basse fréquence permet de mieux comprendre la nature des pièges dans les TFETs LT et HT. Dans les TFETs réalisés à basse température nous avons mis en évidence une concentration en défauts non uniforme à l’interface oxide/Si et à la jonction tunnel qui cause un effet tunnel assisté par piège (TAT). Ce courant TAT est responsable de la dégradation de la pente sous seuil. Ce résultat montre la direction à suivre pour optimiser ces structures, à savoir une épitaxie de très haute qualité et une optimisation fine des jonctions. Finalement, nous avons proposé de nouvelles architectures innovatrices de transistors à effet tunnel. L’étude de simulation TCAD montre que l’extension de la jonction tunnel dans le canal augmente la surface de la région qui engendre le courant BTBT. Une fine couche dopée avec une dose ultra-haute en bore pourrait permettre l’obtention à la fois d’une pente sous le seuil faible et un fort courant ON pour le TFET. / This thesis presents a study of FDSOI Tunnel FETs (TFETs) from planar to trigate/nanowire structures. For the first time we report functional “Low-Temperature” (LT) TFETs fabricated with low-thermal budget (630°C) process flow, specifically designed for top tier devices in 3D sequential integration. “Dual IDVDS” method confirms that these devices are real TFETs and not Schottky FETs. Electrical characterization shows that LT TFETs performance is comparable with “High-Temperature” (HT) TFETs (1050°C). However, LT TFETs exhibit ON-current enhancement, OFF-current degradation and VTH shift with respect to HT TFETs that cannot be explained via BTBT mechanism. Charge pumping measurements reveal a higher defect density at the top silicon/oxide interface for geometries with narrow widths in LT than HT TFETs. In addition, low-frequency noise analyses shed some light on the nature of these defects. In LT TFETs, we determined a non-uniform distribution of defects at the top surface and also at the tunneling junction that causes trap-assisted tunneling (TAT). TAT is responsible of the current generation that degrades the subthreshold swing. This indicates the tight requirements for quality epitaxy growth and junction optimization in TFETs. Finally, we proposed novel TFET architectures. TCAD study shows that the extension of the source into the body region provides vertical BTBT and a larger tunneling surface. Ultra-thin heavily doped boron layers could allow the possibility to obtain simultaneously a good ON-current and sub-thermal subthreshold slope in TFETs.

Les architectures des dispositifs Silicium-Sur-Isolant (SOI) représentent des alternatives attractives par rapport à celles en Si massif grâce à l'amélioration des performances des transistors et des circuits. Dans ce contexte, les plaquettes SOI doivent être d'excellente qualité.Dans cette thèse nous développons des nouveaux outils de caractérisation électrique et des modèles pour des substrats SOI avancés. La caractérisation classique pseudo-MOSFET (pseudo-MOSFET) pour le SOI a été revisitée et étendue pour des mesures à basses températures. Les variantes enrichies de pseudo-MOSFET, proposées et validées sur des nombreuses géométries, concernent des mesures split C-V et des mesures bruit basse fréquence. A partir des courbes split C-V, une méthode d'extraction de la mobilité effective a été validée. Un modèle expliquant les variations de la capacité avec la fréquence s'accorde bien avec les résultats expérimentaux. Le pseudo-MOSFET a été aussi étendu pour les films SOI fortement dopés et un modèle pour l'extraction des paramètres a été élaboré. En outre, nous avons prouvé la possibilité de caractériser des nanofils de SiGe empilés dans des architectures 3D, en utilisant le concept pseudo-MOSFET. Finalement, le SOI ultra-mince dans la configuration pseudo-MOSFET s'est avéré intéressant pour la détection des nanoparticules d'or.

Parmi les architectures candidates pour les générations sub-22nm figurent les transistors sur silicium sur isolant (SOI). A cette échelle, les composants doivent intégrer des films isolants enterrés (BOX) et des canaux de conduction (Body) ultra-minces. A ceci s'ajoute l'utilisation d'empilements de grille avancés (diélectriques à haute permittivité / métal de grille) et une ingénierie de la contrainte mécanique avec l'utilisation d'alliages SiGe pour le canal des transistors de type P. La mise au point d'une telle technologie demande qu'on soit capable d'extraire de façon non destructive et avec précision la qualité du transport électronique et des interfaces, ainsi que les valeurs des paramètres physiques (dimensions et dopages), qui sont obtenues effectivement en fin de fabrication. Des techniques d'extraction de paramètres ont été développées au cours du temps. L'objectif de cette thèse est de reconsidérer et de faire évoluer ces techniques pour les adapter aux épaisseurs extrêmement réduites des composants étudiés. Elle combine mesures approfondies et modélisation en support. Parmi les résultats originaux obtenus au cours de cette thèse, citons notamment l'adaptation de la méthode split CV complète qui permet désormais d'extraire les paramètres caractérisant l'ensemble de l'empilement SOI, depuis le substrat et son dopage jusqu'à la grille, ainsi qu'une analyse extrêmement détaillée du transport grâce à des mesures en régime de couplage grille arrière à température variable ou l'exploitation de la magnétorésistance de canal depuis le régime linéaire jusqu'en saturation. Le mémoire se termine par une analyse détaillée du bruit basse fréquence. / Silicon on insulator (SOI) transistors are among the best candidates for sub-22nm technology nodes. At this scale, the devices integrate extremely thin buried oxide layers (BOX) and body. They also integrate advanced high-k dielectric / metal gate stacks and strain engineering is used to improve transport properties with, for instance, the use of SiGe alloys in the channel of p-type MOS transistors. The optimization of such a technology requires precise and non-destructive experimental techniques able to provide information about the quality of electron transport and interface quality, as well as about the real values of physical parameters (dimensions and doping level) at the end of the process. Techniques for parameter extraction from electrical characteristics have been developed over time. The aim of this thesis work is to reconsider these methods and to further develop them to account for the extremely small dimensions used for sub-22nm SOI generations. The work is based on extended characterization and modelling in support. Among the original results obtained during this thesis, special notice should be put on the adaptation of the complete split CV method which is now able to extract the characteristic parameters for the entire stack, from the substrate and its doping level to the gate stack, as well as an extremely detailed analysis of electron transport based on low temperature characterization in back-gate electrostatic coupling conditions or the exploitation of channel magnetoresistance from the linear regime of operation to saturation. Finally, a detailed analysis of low-frequency noise closes this study.

Les architectures des dispositifs Silicium-Sur-Isolant (SOI) représentent des alternatives attractives par rapport à celles en Si massif grâce à l’amélioration des performances des transistors et des circuits. Dans ce contexte, les plaquettes SOI doivent être d’excellente qualité.Dans cette thèse nous développons des nouveaux outils de caractérisation électrique et des modèles pour des substrats SOI avancés. La caractérisation classique pseudo-MOSFET (-MOSFET) pour le SOI a été revisitée et étendue pour des mesures à basses températures. Les variantes enrichies de -MOSFET, proposées et validées sur des nombreuses géométries, concernent des mesures split C-V et des mesures bruit basse fréquence. A partir des courbes split C-V, une méthode d'extraction de la mobilité effective a été validée. Un modèle expliquant les variations de la capacité avec la fréquence s’accorde bien avec les résultats expérimentaux. Le -MOSFET a été aussi étendu pour les films SOI fortement dopés et un modèle pour l'extraction des paramètres a été élaboré. En outre, nous avons prouvé la possibilité de caractériser des nanofils de SiGe empilés dans des architectures 3D, en utilisant le concept -MOSFET. Finalement, le SOI ultra-mince dans la configuration -MOSFET s'est avéré intéressant pour la détection des nanoparticules d'or. / Silicon-On-Insulator (SOI) device architectures represent attractive alternatives to bulk ones thanks to the improvement of transistors and circuits performances. In this context, the SOI starting material should be of prime quality.In this thesis, we develop novel electrical characterization tools and models for advanced SOI substrates. The classical pseudo-MOSFET (-MOSFET) characterization for SOI was revisited and extended to low temperatures. Enriched variants of -MOSFET, proposed and demonstrated on numerous geometries, concern split C-V and low-frequency noise measurements. Based on split C-V, an extraction method for the effective mobility was validated. A model explaining the capacitance variations with the frequency shows good agreement with the experimental results. The -MOSFET was also extended to highly doped SOI films and a model for parameter extraction was derived. Furthermore, we proved the possibility to characterize SiGe nanowire 3D stacks using the -MOSFET concept. Finally thin film -MOSFET proved to be an interesting, technology-light detector for gold nanoparticles.

Les substrats Silicium-sur-Isolant (SOI) représentent la meilleure solution pour obtenir des dispositifs microélectroniques ayant de hautes performances. Des méthodes de caractérisation électrique sont nécessaires pour contrôler la qualité SOI avant la réalisation complète de transistors. La configuration classique utilisée pour les mesures du SOI est le pseudo-MOFSET. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'amélioration des techniques autour du Ψ-MOFSET, pour la caractérisation des plaques SOI et III-V. Le protocole expérimental de mesures statiques ID-VG a été amélioré par l'utilisation d'un contact par le vide en face arrière, permettant ainsi d'augmenter la stabilité des mesures. De plus, il a été prouvé que ce contact est essentiel pour obtenir des valeurs correctes de capacité avec les méthodes split-CV et quasi-statique. L'extraction des valeurs de Dit avec split-CV a été explorée, et un model physique nous a permis de démontrer que ceci n'est pas possible pour des échantillons SOI typiquement utilisés, à cause de la constante de temps reliée à la formation du canal. Cette limitation a été résolue un effectuant des mesures de capacité quasi-statique (QSCV). La signature des Dit a été mise en évidence expérimentalement et expliquée physiquement. Dans le cas d'échantillons passivés, les mesures QSCV sont plus sensibles à l'interface silicium-BOX. Pour les échantillons non passivés, un grand pic dû à des défauts d'interface apparait pour des valeurs d'énergie bien identifiées et correspondant aux défauts à l'interface film de silicium-oxyde natif. Nous présentons des mesures de bruit à basses fréquences, ainsi qu'un model physique démontrant que le signal émerge de régions localisées autour des contacts source et drain. / Silicon-on-insulator (SOI) substrates represent the best solution to achieve high performance devices. Electrical characterization methods are required to monitor the material quality before full transistor fabrication. The classical configuration used for SOI measurements is the pseudo-MOSFET. In this thesis, we focused on the enrichment of techniques in Ψ-MOSFET for the characterization of bare SOI and III-V wafers. The experimental setup for static ID-VG was improved using a vacuum contact for the back gate, increasing the measurement stability. Furthermore, this contact proved to be critical for achieving correct capacitance values with split-CV and quasi-static techniques (QSCV). We addressed the possibility to extract Dit values from split-CV and we demonstrated by modeling that it is impossible in typical sized SOI samples because of the time constant associated to the channel formation. The limitation was solved performing QSCV measurements. Dit signature was experimentally evidenced and physically described. Several SOI structures (thick and ultra-thin silicon films and BOX) were characterized. In case of passivated samples, the QSCV is mostly sensitive to the silicon film-BOX interface. In non-passivated wafers, a large defect related peak appears at constant energy value, independently of the film thickness; it is associated to the native oxide present on the silicon surface. For low-frequency noise measurements, a physical model proved that the signal arises from localized regions surrounding the source and drain contacts.

Ce travail présente le développement d’un banc de mesure thermique, pour la mesure : de réseaux I (V), d’impédance basse fréquence et de bruit basse fréquence des composants semi-conducteurs. Le banc de mesure de bruit BF est composé d’un amplificateur de tension faible bruit, d’un amplificateur transimpédance, d’un analyseur FFT et d’un support thermique. Ce banc a permis d’extraire les sources de bruit en courants équivalentes aux accès du transistor pour différentes densités de courant et à différentes températures. Dans le but de calculer l’énergie d’activation et la section de capture des pièges grâce à la localisation des fréquences de coupures de bruit GR dans la technologie du TBH InGaP/GaAs. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le bruit basse fréquence dans le transistor InGaP/GaAs et les jonctions base émetteur, base collecteur et la résistance TLM par le moyen de simulation physique et de mesure de densité spectrale de puissance de bruit basse fréquence. Grâce à ces mesures, nous avons pu extraire les sources de bruit internes locales commandées et non commandées. Cette extraction nous a permis de calculer les énergies d’activations, les sections de capture et de valider la simulation physique. / This work presents the development of a thermal test bench for I(V) characteristics, for low frequency impedance and for low frequency noise of semiconductor components. This thermal bench for low frequency noise measurement is composed of a low-noise voltage amplifier, a low-noise transimpedance amplifier, an FFT vector signal analyzer and a thermal chuck. This measurement bench has allowed to extract the current noise sources equivalent to the access transistor at different current densities and at different temperatures. In order to calculate the activation energy and the capture cross section of traps thanks to the localization of the cutoff frequency of GR noise in HBT InGaP / GaAs technology. Secondly, we studied the low frequency noise in the transistor InGaP / GaAs and the differents junctions: emitter base, collector base and the base represented by the TLM resistance using physical simulations and measurements of low-frequency noise power spectrum density. Using this measurements, we extract the controlled and not controlled local internal noise sources. The extraction has allowed us to calculate the activation energy, the capture cross sections and validate the physical simulation.