Th.--Sci.--Toulouse 3, 1980. N°: 931.

Les transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH) Si/SiGe:C disponibles aujourd'hui dans les technologies BiCMOS atteignent des fréquences de coupure fT et fmax supérieures à 200GHz. Cela leur permet d'adresser des applications dans le domaine millimétrique jusqu'à 100GHz telles que les radars anticollision pour l'automobile et les communications optiques et sans fil à haut débit. Cette thèse a pour objet le développement et l'étude de TBH Si/SiGe:C pour les technologies BiCMOS millimétriques. Après un rappel des principes de fonctionnement du transistor bipolaire, nous montrons les méthodes de fabrication, caractérisation et modélisation des dispositifs de dernière génération. Les architectures choisies et les performances obtenues par les principaux acteurs du marché sont détaillées. Nous présentons ensuite des études menées pour le développement de la technologie BiCMOS9MW de STMicroelectronics. Une version faible-coût du TBH rapide ainsi qu'un dispositif haute-tension compatible avec la technologie sont présentés et les résultats à l'état de l'art obtenus sur les deux architectures sont montrés. Nous étudions également l'impact des variations des paramètres technologiques et de la géométrie des dispositifs sur les principales caractéristiques de ces composants. La dernière partie de ce travail de thèse est consacrée au développement de nouvelles solutions technologiques afin d'améliorer encore la fréquence de transition des TBH Si/SiGe:C. Un optimisation du profil vertical du TBH a pu être réalisée grâce au développement d'un nouveau module de collecteur utilisant une épitaxie sélective et la réduction du budget thermique vu par les dispositifs durant leur fabrication. Cette dernière étude a permis d'atteindre une fréquence de transition fT· supérieure à 400GHz à température ambiante, ce qui représente la meilleure performance obtenue à ce jour pour un transistor en technologie silicium. / Si/SiGe:C heterojunction bipolar transistors integrated in BiCMOS technologies now reach cut-off frequencies fT and fmax larger than 200GHz. This allows them to address millimeter-wave applications up to 100GHz such as anti-collision automobile radars and optical and wireless communications. The purpose of this thesis is the development and the study of Si/SiGe:C HBTs for millimeter-wave BiCMOS technologies. After a reminder of the bipolar transistor theory, we show the methods of fabrication, characterization and modeling of high-speed devices. The architectures chosen by the main manufacturers of the semiconductor market are detailed and the obtained performances are compared. Then, we present the investigations driven for the development of the BiCMOS9MW technology from STMicroelectronics. A low-cost version of the high-speed HBT and a high-voltage device fully compatible with the technology are presented and the state-of-the-art results are shown. We also study the impact of the variations of the technological parameters and the design mIes on the main characteristics of devices. The last part of this work is dedicated to the development of new technological solutions in order to further improve the transition frequency fT of Si/SiGe:C HBTs. An optimization of the vertical profile has been realized thanks to the development of a new collector module using a selective epitaxy and to the reduction of the thermal budget during the devices fabrication. This last study leads to an improvement of the transition frequency fT above 400GHz at room temperature, this is the best performance obtained to date for a transistor in silicon technology.

Thèse de doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 1998. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. [163]-165.

Thèse doctorat : Génie Electrique : Villeurbanne, INSA : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 207-212.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences de l'ingénieur. Electronique : Metz : 1999. / 1999METZ041S.

Ce mémoire est consacré à l'étude au 1er et au 2ème ordre de transistors bipolaires NPN issus de procédés de fabrication BiCMOS haute fréquence dans le but à la fois de qualifier les diverses technologies et d'apporter des interprétations physiques. Des caractérisations en statique et des mesures de bruit basse fréquence ont été effectuées sur des composants intégrés dans trois procédés différents (simple poly, double poly implanté et double poly dopé «in-situ»). Pour chaque technologie, les résultats expérimentaux sont interprétés en tenant compte des spécificités de chaque procédé de fabrication. Pour la technologie simple polysilicium, deux cas sont distingués. Pour les composants de faible surface active, le bruit évolue quadratiquement avec le courant de polarisation. Dans ce cas, la source de bruit dominante est localisée au niveau de l'oxyde interfacial entre les zones de silicium monocristallin et polycristallin de l'émetteur. Pour les composants de grande surface active, le bruit évolue linéairement avec le courant de base, et le paramètre quantifiant ce niveau de bruit est corrélé au niveau de courant non-idéal de base mesuré sur ces composants. La source de bruit est dans ce cas localisée le long de la périphérie non murée de la jonction émetteur base. Dans le cas des technologies double polysilicium, le bruit évolue quadratiquement avec la polarisation, quelle que soit la surface active du composant. Toutefois, contrairement aux résultats relevés dans la littérature, la normalisation par la surface active ne donne pas de résultats satisfaisants. Un modèle prenant en compte une variation de l'épaisseur de l'oxyde interfacial est proposé et appliqué avec succès aux résultats expérimentaux (statique et bruit BF) en technologie dopée «in-situ»

De nos jours, l'industrie de la microélectronique développe des nouvelles technologies qui permettent l'obtention d'applications du quotidien alliant rapidité, basse consommation et hautes performances. Pour cela, le transistor, composant actif élémentaire et indispensable de l'électronique, voit ses dimensions miniaturisées à un rythme effréné suivant la loi de Moore de 1965. Cette réduction de dimensions permet l'implémentation de plusieurs milliards de transistors sur des surfaces de quelques millimètres carrés augmentant ainsi la densité d'intégration. Ceci conduit à une production à des coûts de fabrication constants et offre des possibilités d'achats de produits performants à un grand nombre de consommateurs. Le MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), transistor à effet de champ, aussi appelé MOS, représente le transistor le plus utilisé dans les différents circuits issus des industries de la microélectronique. Ce transistor possède des longueurs électriques de 14 nm pour les technologies industrialisables les plus avancées et permet une densité intégration maximale spécialement pour les circuits numériques tels que les microprocesseurs. Le transistor bipolaire, dédié aux applications analogiques, fut inventé avant le transistor MOS. Cependant, son développement correspond à des noeuds technologiques de génération inférieure par rapport à celle des transistors MOS. En effet, les dimensions caractéristiques des noeuds technologiques les plus avancés pour les technologies BiCMOS sont de 55 nm. Ce type de transistor permet la mise en oeuvre de circuits nécessitant de très hautes fréquences d'opération, principalement dans le secteur des télécommunications, tels que les radars anticollisions automobiles fonctionnant à 77 GHz. Chacun de ces types de transistors possède ses propres avantages et inconvénients. Les avantages du transistor MOS reposent principalement en deux points qui sont sa capacité d'intégration et sa faible consommation lorsqu'il est utilisé pour réaliser des circuits logiques. Sachant que ces deux types de transistors sont, de nos jours, comparables du point de vue miniaturisation, les avantages offerts par le transistor bipolaire diffèrent de ceux du transistor MOS. En effet, le transistor bipolaire supporte des niveaux de courants plus élevés que celui d'un transistor MOS ce qui lui confère une meilleure capacité d'amplification de puissance. De plus, le transistor bipolaire possède une meilleure tenue en tension et surtout possède des niveaux de bruit électronique beaucoup plus faibles que ceux des transistors MOS. Ces différences notables entre les deux types de transistors guideront le choix des concepteurs suivant les spécifications des clients. L'étude qui suit concerne la fiabilité de ces deux types de transistors ainsi que celle de circuits pour les applications radio fréquences (RF) et aux longueurs d'ondes millimétriques (mmW) pour lesquels ils sont destinés. Il existe dans la littérature de nombreuses études de la fiabilité des transistors MOS. Concernant les transistors bipolaires peu d'études ont été réalisées. De plus peu d'études ont été menées sur l'impact de la fiabilité des transistors sur les circuits. L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement de ces deux types de transistors mais aussi de les replacer dans le contexte de l'utilisateur en étudiant la fiabilité de quelques circuits parmi les plus usités dans les domaines hyperfréquence et millimétrique. Nous avons aussi essayé de montrer qu'il était possible de faire évoluer les règles de conception actuellement utilisées par les concepteurs tout en maintenant la fiabilité attendue par les clients.

De nos jours, l'industrie de la microélectronique développe des nouvelles technologies qui permettent l'obtention d'applications du quotidien alliant rapidité, basse consommation et hautes performances. Pour cela, le transistor, composant actif élémentaire et indispensable de l'électronique, voit ses dimensions miniaturisées à un rythme effréné suivant la loi de Moore de 1965. Cette réduction de dimensions permet l'implémentation de plusieurs milliards de transistors sur des surfaces de quelques millimètres carrés augmentant ainsi la densité d'intégration. Ceci conduit à une production à des coûts de fabrication constants et offre des possibilités d'achats de produits performants à un grand nombre de consommateurs. Le MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), transistor à effet de champ, aussi appelé MOS, représente le transistor le plus utilisé dans les différents circuits issus des industries de la microélectronique. Ce transistor possède des longueurs électriques de 14 nm pour les technologies industrialisables les plus avancées et permet une densité intégration maximale spécialement pour les circuits numériques tels que les microprocesseurs. Le transistor bipolaire, dédié aux applications analogiques, fut inventé avant le transistor MOS. Cependant, son développement correspond à des noeuds technologiques de génération inférieure par rapport à celle des transistors MOS. En effet, les dimensions caractéristiques des noeuds technologiques les plus avancés pour les technologies BiCMOS sont de 55 nm. Ce type de transistor permet la mise en oeuvre de circuits nécessitant de très hautes fréquences d'opération, principalement dans le secteur des télécommunications, tels que les radars anticollisions automobiles fonctionnant à 77 GHz. Chacun de ces types de transistors possède ses propres avantages et inconvénients. Les avantages du transistor MOS reposent principalement en deux points qui sont sa capacité d'intégration et sa faible consommation lorsqu'il est utilisé pour réaliser des circuits logiques. Sachant que ces deux types de transistors sont, de nos jours, comparables du point de vue miniaturisation, les avantages offerts par le transistor bipolaire diffèrent de ceux du transistor MOS. En effet, le transistor bipolaire supporte des niveaux de courants plus élevés que celui d'un transistor MOS ce qui lui confère une meilleure capacité d'amplification de puissance. De plus, le transistor bipolaire possède une meilleure tenue en tension et surtout possède des niveaux de bruit électronique beaucoup plus faibles que ceux des transistors MOS. Ces différences notables entre les deux types de transistors guideront le choix des concepteurs suivant les spécifications des clients. L'étude qui suit concerne la fiabilité de ces deux types de transistors ainsi que celle de circuits pour les applications radio fréquences (RF) et aux longueurs d'ondes millimétriques (mmW) pour lesquels ils sont destinés. Il existe dans la littérature de nombreuses études de la fiabilité des transistors MOS. Concernant les transistors bipolaires peu d'études ont été réalisées. De plus peu d'études ont été menées sur l'impact de la fiabilité des transistors sur les circuits. L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement de ces deux types de transistors mais aussi de les replacer dans le contexte de l'utilisateur en étudiant la fiabilité de quelques circuits parmi les plus usités dans les domaines hyperfréquence et millimétrique. Nous avons aussi essayé de montrer qu'il était possible de faire évoluer les règles de conception actuellement utilisées par les concepteurs tout en maintenant la fiabilité attendue par les clients. / Nowadays, the microelectronics industry develops new technologies that allow the production of applications combining high speed, low power consumption and high performance. For this, the transistor, active elementary and essential component of electronics, sees its miniaturized dimensions at a breakneck pace following Moore's Law in 1965. This size reduction allows the implementation of several billion transistors on surfaces of a few square millimeters and increasing the integration density. This leads to a production at constant costs and offers opportunities for shopping performing products at a large number of consumers. The MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), field effect transistor, also called MOS transistor is the most used in different circuits coming from the microelectronics industries. This transistor has electrical lengths of 14 nm for the industrially most advanced technology and allows a maximum integration density specifically for digital circuits such as microprocessors. Bipolar transistor, dedicated to analog applications, was invented before the MOS transistor. However, the characteristic dimensions of the most advanced technologies for BiCMOS technology nodes is 55 nm. This type of transistor enables the implementation of systems requiring very high frequency operation, mainly in the telecommunications industry , such as automotive collision avoidance radar operating at 77 GHz. Each of these transistors has its own advantages and disadvantages. The advantages of MOS transistor are mainly based on two points that are its integration capacity and its low power consumption when used to implement logic circuits. Knowing that these two types of transistors are, nowadays, comparable on the miniaturization aspect, benefits of bipolar transistor differ from those of the MOS transistor. Indeed, the bipolar transistor supports higher current levels than a MOS transistor which gives it a greater ability of power amplification. Moreover , the bipolar transistor has an improved breakdown voltage and especially features electronic noise levels much lower than those of the MOS transistors. These significant differences between the two transistors types will guide the designers choice according to the customer specifications. The following study relates the reliability of these two transistors types as well as circuits for radio frequency (RF) applications and millimeter wavelengths (mmW) for which they are intended. There are in the literature many studies of the reliability of MOS transistors. Regarding bipolar transistors few studies have been conducted. In addition few studies have been conducted on the impact of the reliability of transistors on circuits. The objective of this work is to study the behavior of these two types of transistors but also to place them in the user context by studying the reliability of some of most used circuits in the microwave and millimeter fields. We also tried to show that it was possible to change the design rules currently used by designers while maintaining the expected reliability by the counsumers.

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.

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.