Using temperature as observable of the frequency response of RF CMOS amplifiers

The power dissipated by the devices of an integrated circuit can be considered a signature of the circuit's performance. Without disturbing the circuit operation, this power consumption can be monitored by temperature measurements on the silicon surface. In this paper, the frequency response of a RF LNA is observed by measuring spectral components of the sensed temperature. Results prove that temperature can be used to debug and observe figures of merit of analog blocks in a RFIC. Experimental measurements have been done in a 0.25 mum CMOS process. Laser probing techniques have been used as temperature sensors; specifically, a thermoreflectometer and a Michaelson interferometer.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Joule Expansion Imaging Techniques on Microlectronic Devices

We have studied the electrically induced off-plane surface displacement on two microelectronic devices using Scanning Joule Expansion Microscopy (SJEM). We present the experimental method and surface displacement results. We show that they can be successfully compared with surface displacement images obtained using an optical interferometry method. We also present thermal images using Scanning Thermal Microscopy (SThM) technique to underline that SJEM is more adapted to higher frequency measurements, which should improve the spatial resolution.Comment: Submitted on behalf of TIMA Editions (http://irevues.inist.fr/tima-editions

Développement de bancs d'acoustique picoseconde pour la caractérisation sans contact par impulsions laser ultracourtes de couches micrométriques et sub-micrométriques de composants microélectroniques

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur le développement de deux bancs laser impulsionnel dédiés à l'étude de films minces par des techniques d'acoustique picoseconde. Deux dispositifs pompe-sonde utilisant un laser femtoseconde et picoseconde ont été mis au point, la détection pouvant être réflectométrique et interférométrique. Elle permet de mesurer simultanément les variations d'amplitude et de phase du changement relatif de réflectivité induit par le champ acoustique excité par l'impulsion pompe, et ce, de manière non destructive. La conception, construction et mise au point d'un oscillateur laser femtoseconde Ti:Saphir ont été les premières étapes du développement des bancs. Dans le premier banc d'expériences, la source produit des impulsions laser d'une durée inférieure à 100 fs et dont le taux de répétition est de l'ordre de plusieurs dizaines de mégahertz. De plus, l'énergie par impulsion est de quelques nanojoules à une longueur d'onde proche de 800 nm. Ces caractéristiques sont conformes au cahier des charges des bancs d'expériences. Cet oscillateur femtoseconde et un laser commercial impulsionnel de 12 ps ont chacun été intégrés dans les deux bancs de mesures pompe-sonde résolus en temps. Les variations des caractéristiques optiques de l'échantillon sont mesurées par deux systèmes optiques réflectométrique et interférométrique. Les systèmes optiques de génération et de détection des phénomènes acoustiques mis en place lors du travail de thèse ont été validés par plusieurs séries d'expériences avec des échantillons types de la microélectronique. Ils permettent d'illustrer le champ d'applications de l'acoustique picoseconde. Après avoir caractérisé une couche métallique sur substrat semi-conducteur (vitesse du son, épaisseur), nous avons appliqué la technique d'acoustique picoseconde à des semi-conducteurs semi-transparents et, en particulier, mis en évidence des oscillations Brillouin les caractérisant. Finalement, les différents effets analysés précédemment ont permis l'interprétation de la réponse acoustique d'une structure multicouches d'un composant microélectronique.In this work, I present the development of two experimental methods using laser pulses for thin film metrology by picosecond acoustic technique. The pump-probe set-ups use a femtosecond and picosecond laser while detection is either reflectometric or interferometric. Both methods make it possible to measure simultaneously the amplitude and phase variations reflectivity induced by the acoustic field excited by the laser pump pulse. It's a nondestructive way of measurement. The first step of our work was the design, construction and development of a femtoseconde oscillator Ti:Saphir were the first step. In one set-up, the oscillator produces lower 100 fs laser pulses and a repetition rate is near several tens megahertz. Moreover, the energy pulse is some nanojoules with a wavelength around 800 nm. These characteristics meet with the requirements for acoustic characterisation. This femtosecond oscillator and a commercial 12 ps laser were implemented in two pump-probe set-ups. In both instruments, the sample characteristics are measured by two optical systems, one reflectometric and one interferometric. The optical generation and detection of acoustic waves has been validated in this work by several experiments using representative microelectronic samples. They illustrate the application fields of picosecond acoustic technique. After characterisation of a metal layer on semiconductor substrate (acoustic velocity, thickness), we have studied phenomena in semi-transparent semiconductors, like Brillouin oscillations. Finally, we have succeeded in the analysis and interpretation of the acoustic response of a multi-layer microelectronic component structure.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Caractérisation des propriétés thermoélectriques des composants en régime harmonique (techniques et modélisation)

Ce travail propose une nouvelle approche pour la caractérisation de propriétés de transport de composants et matériaux thermoélectriques, basée sur l'analyse en régime harmonique des réponses thermique et électrique de composants. Ce régime a été peu étudié en thermoélectricité, à cause de la nature fortement non-linéaire des phénomènes thermoélectriques. Il présente cependant plusieurs avantages, d'une part, l'utilisation de systèmes de mesures synchrones, connus pour sa résolution et sa capacité de rejet au bruit; d'autre part, la possibilité d'étudier l'intégralité de propriétés thermoélectriques : le coefficient Seebeck, la conductivité thermique, la résistivité électrique, mais également la diffusivité thermique, et les résistances thermiques d'interface, ces dernières ont été rarement étudiées, puisque difficiles à mesurer. Les effets thermoélectriques ont été modélisés en régime oscillant en utilisant la méthode des quadripôles thermiques, permettant de prédire des grandeurs pertinentes de la réponse d'un couple thermoélectrique, telles que le champ de température et la tension aux bornes du composant. L'étude de la sensibilité du modèle a dévoilé des zones privilégiées pour l'extraction de propriétés du composant. Deux bancs de mesure équivalents sont proposés : 1.Un banc de mesure AFM thermique (SThM) pour la mesure du champ de température. Un modèle prenant en compte l'interaction entre la pointe SThM et l'échantillon a été développé pour effectuer le calibrage de l'instrument. 2. Un banc photo-thermique, où le composant est excité par une source laser qui balaye sa surface, induisant par échauffement une tension Seebeck, tension mesurée pour diverses positions du faisceau chauffant. Aux mesures obtenues sur les bancs mentionnés, sont associés des modèles aux quadripôles thermiques permettant la caractérisation intégrale de composants hermoélectriques, des propriétés intrinsèques des matériaux qui les constituent, et des propriétés d'interfaces.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Développement d'instrumentation et de méthodologies pour la caractérisation thermique et thermomécanique de composants électroniques

BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Fast Laser Scanning Imaging System for Surface Displacement Measurements

We present a scanning imaging system using galvanometric mirrors coupled to a heterodyne interferometric probe. This setup is dedicated to the off-plane surface displacement imaging, in particular for microelectronic devices. The use of galvanometric mirrors coupled to the heterodyne probe makes it a sensitive and fast measurement system. We present results on a microelectronic device, and we compare the performances of this system with point and CCD interferometry imaging setups

Comparison of thermoreflectance and scanning thermal microscopy for microelectronic device temperature variation imaging: Calibration and resolution issues

National audienceWe have studied temperature variations on two submicrometric dissipative structures with two different techniques. On one hand, we have used a thermoreflectance imaging technique which is a well-known non contact optical method to evaluate temperature variations but whose spatial resolution is limited by diffraction. On the other hand, we have used a scanning thermal microscope (SThM) to study the thermal behaviour of these small dissipative structures. We present qualitative results obtained by both methods and we compare their advantages and drawbacks in terms of calibration and spatial resolution for thermal measurements on microelectronic devices. In particular, we show how the thermoreflectance coefficient can become an advantage to enhance the image contrast and favour the spatial resolution

Determination of ZT of PN thermoelectric couples by AC electrical measurement

In this work we use the thermoelectric coupling between Peltier and Seebeck effects to determine the ZT of a bismuth telluride thermoelectric couple. This coupling acts as thermal induction and produces a voltage drop induced by the Peltier thermal gradient in addition to the resistive voltage. In sine wave current excitation, the relative contribution of these two terms depends on electrical and thermal properties of materials as well as the current frequency. The use of a lock-in amplifier allows to separate the Peltier contribution at the current frequency from the Joule one at twice the current frequency. We have developed two original models to simulate the electro-thermal behavior of the thermoelectric couple. The first one is based on thermal quadrupole and allows an analytical resolution. The second one uses an electrical simulator as SPICE. In order to control ambient temperature and boundary conditions, we have designed a specific sample holder for such kind of measurement. An optimization procedure allows the identification of electrical and thermal conductivity and thermoelectric power. From this we can determine with a good accuracy the ZT of the couple by a simple electrical measurement, this method is suitable for many kinds of samples

A Heterodyne method for the thermal observation of the electrical behavior of high-frequency integrated circuits

The observation of spectral components of the power dissipated by devices and circuits in integrated circuits (IC) by temperature measurements is limited by the bandwidth of either the temperature transducer or the intrinsic cut-off frequency provided by the thermal coupling inside the chip. In this paper, we use a heterodyne method to observe the high-frequency behavior of circuits and devices by means of low-frequency lock-in temperature measurements. As experimental results, two applications of the technique are presented: detection of hot spots in ICs activated by high-frequency electrical signals and the observation of the frequency response of an integrated resistor through temperature measurements. The heterodyne method has been used in this paper with four different measurement techniques: embedded differential BiCMOS temperature sensor, laser reflectometer, laser interferometer and internal IR laser deflection meter

A Heterodyne method for the thermal observation of the electrical behavior of high-frequency integrated circuits

The observation of spectral components of the power dissipated by devices and circuits in integrated circuits (IC) by temperature measurements is limited by the bandwidth of either the temperature transducer or the intrinsic cut-off frequency provided by the thermal coupling inside the chip. In this paper, we use a heterodyne method to observe the high-frequency behavior of circuits and devices by means of low-frequency lock-in temperature measurements. As experimental results, two applications of the technique are presented: detection of hot spots in ICs activated by high-frequency electrical signals and the observation of the frequency response of an integrated resistor through temperature measurements. The heterodyne method has been used in this paper with four different measurement techniques: embedded differential BiCMOS temperature sensor, laser reflectometer, laser interferometer and internal IR laser deflection meter