RF wafer probing with improved contact repeatability using nanometer positioning

International audienceThis paper presents an improved technique for monitoring and controlling the contact condition of on-wafer RF probes with nanometer accuracy to enhance the measurement repeatability. The set-up consists of a vector network analyzer, a modified probe station with a planar calibration substrate aligned under microwave GSG probe through a closed-loop nanopositioner and a camera system. A fully one-port SOL calibration is performed in the frequency range 0.05-50 GHz. A repeatability study based on standard deviations of the measured data considering both conventional and proposed approaches is described. From these experimental results, the improvement of the technique proposed is achieved by accurately controlling the probe contacts

Comparison of microwave performances for sub-quarter micron fully- and partially-depleted SOI MOSFETs, Journal of Telecommunications and Information Technology, 2000, nr 3,4

The high frequency performances including microwave noise parameters for sub-quarter micron fully-(FD) and partially-depleted (PD) silicon-on-insulator (SOI) n-MOSFETs are described and compared. Direct extraction techniques based on the physical meaning of each small-signal and noise model element are used to extract the microwave characteristics of various FD and PD SOI n-MOSFETs with different channel lengths and widths. TiSi2 silicidation process has been demonstrated very efficient to reduce the sheet and contact resistances of gate, source and drain transistor regions. 0.25 mm FD SOI n-MOSFETs with a total gate width of 100 mm present a state-of-the-art minimum noise figure of 0.8 dB and high associated gain of 13 dB at 6 GHz for Vds = 0.75 V and Pdc < 3 mW. A maximum extrapolated oscillation frequency of about 70 GHz has been obtained at Vds = 1 V and Jds = 100 mA/mm. This new generation of MOSFETs presents very good analogical and digital high speed performances with a low power consumption which make them extremely attractive for high frequency portable applications such as the wireless communications

Contribution à la caractérisation hyperfréquence de composants MOSFET en vue de la conception de fonctions intégrées pour des applications en gamme millimétrique

LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Développement d'une nouvelle filière de transistors bipolaires à hétérojonction AlIn(As)Sb/GaInSb en vue applications térahertz

Les semiconducteurs III-V antimoniés suscitent un intérêt grandissant pour les applications électroniques rapides et faible consommation. Ces matériaux de paramètre de maille supérieur à 6,1 Å se caractérisent par des mobilités élevées et offrent une souplesse inégalée pour l ingénierie des bandes. En particulier, le composé ternaire GaInSb se pose comme un candidat de choix pour la base des transistors bipolaires à hétérojonction du fait de sa haute mobilité de trous. L objectif de cette thèse est d évaluer la faisabilité et les potentialités d une nouvelle filière de TBH à base d antimoine en s appuyant sur des hétérostructures originales AlIn(As)Sb/GaInSb. La réalisation de composants dans ce système moins bien connu que les systèmes plus classiques InP/InGaAs ou InP/GaAsSb a nécessité le développement de briques technologiques propres. L étude de solutions de gravure pour la réalisation des mesa a notamment été entreprise et a permis d identifier de nouvelles solutions chimiques adaptées à la gravure sélective de ces matériaux. Une attention particulière a également été portée sur la minimisation des résistivités spécifiques de contact qui a permis de dégager les paramètres critiques à l obtention de contacts ohmiques de bonne qualité sur les couches en GaInSb de types n et p. La technologie développée a rendu possible la fabrication de dispositifs présentant des fréquences de coupure fT de 52 GHz et fMAX de 48 GHz. La caractérisation électrique précise tant en régime statique que dynamique des composants fabriqués ainsi que l extraction du modèle petit signal nous ont permis de déterminer les principales limitations de ces dispositifs.The so-called ABCS (antimonide-based compound semiconductor) materials have a great potential for low power, high speed electronics as they have high electron and hole mobilities and provide a unique opportunity for bandgap engineering. The ternary material GaInSb has specifically recently emerged as a good candidate for the base layer of high performance heterojunction bipolar transistors (HBT). The purpose of this work is to demonstrate the feasibility and potentialities of a new antimonide-based HBT structure using AlIn(As)Sb/GaInSb heterojunctions. The fabrication of devices in this material system represents a new technological approach as compared to the conventional InP/GaInAs or InP/GaAsSb HBTs and has necessitated the development of various processing steps. In this study, we have investigated new selective chemical solutions to expose the base and the subcollector surface, as well as for achieving device isolation. High quality and reliable ohmic contacts has also been explored by investigating the factors that influence the specific contact resistivity, thermal stability, and shallowness of the ohmic contacts to n- and p-GaInSb. The fabricated devices demonstrated good microwave behaviour with a current gain cutoff frequency fT of 52 GHz and a maximum oscillation frequency fMAX of 48 GHz. Electrical analysis based on dc and RF measurements and a small signal equivalent circuit model enabled the determination of the limiting factors that need to be addressed for further improvement.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Caractérisations et modélisations des technologies CMOS et BiCMOS de dernières générations jusque 220 GHz

Le contexte de ce travail de thèse s inscrit dans les récents progrès des performances en gamme millimétrique des composants silicium tels que les MOSFET et les HBT SiGe. La situation actuelle en termes de circuits à base de silicium est limitée en fréquence autour de 60 GHz, seuls quelques résultats au-delà de 100 GHz ont d ores et déjà été publiés. Dans ce contexte, il est maintenant nécessaire de savoir si les nouvelles et futures générations de transistors silicium peuvent adresser des fréquences encore plus élevées (jusque 220 GHz). Ces applications pourraient être des blocs d émission réception à faible portée et très haut débit. Les aspects inconnus sont : 1) la validité des techniques de mesures sur silicium jusque 220 GHz ; 2) le comportement fréquentiel des transistors silicium jusque 220 GHz ; 3) la modélisation des transistors dans ces gammes de fréquences nécessaire à la conception de fonctions millimétriques. Des études à partir de simulations électromagnétiques ont été menées afin d optimiser les structures de test (accès et topologie optimale des transistors). Ce travail est accentué sur les techniques de calibrage et d épluchage sous pointes jusque 220 GHz. De plus, les études ont été orientées, d une part, sur l amélioration des modèles électriques des transistors jusque 220 GHz et d autre part, la validité des modèles de bruit jusqu en bande W (75-110 GHz). Pour cet aspect, le travail a été orienté sur l élaboration de deux méthodes de mesure permettant de valider les modèles de bruit par des méthodes de mesures transférables en milieu industriel. A partir de ces modèles établis et validés, des démonstrateurs ont été réalisés fonctionnant en bande G.The motivation of this work inherits from the recent progress in terms of cut-off frequencies of silicon transistors such as MOSFET (bulk and SOI) and SiGe HBT. In 2006, the state-of-the-art cut-off frequencies achieved more than 300 GHz. Nowadays, silicon circuits are limited around 60 GHz, only few with the exception of few circuits which operate at frequencies higher than 100 GHz (VCO at 130 GHz with SiGe HBT). In this context, it is highly required to check the ability of new and future generations of silicon transistors to provide higher cut-off frequencies especially in G band (140-220 GHz). These applications could be transmitter-receiver systems with high data rates and short distances. The unknown aspects are: 1) the validation of silicon transistors measurement up to 220 GHz; 2) the frequency behaviour of silicon transistors up to 220 GHz; 3) the modelling of these transistors. Electromagnetic simulations have been employed to optimize the test structures (the layout of the transistor). This work is particularly interested in calibration and de-embedding techniques for on-wafer measurements up to 220 GHz. Studies have been carried out on the small signal equivalent circuit improvement as well as the validation of the noise models in W band (75-110 GHz). From these validated models, pre-adapted transistors have been realised in G band. The development of measurement techniques adequate for the industry is the purpose of this work.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Analyse du comportement petit signal du transistor MOS (contribution à une nouvelle approche d'extraction et de modélisation pour des applications RF)

LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Modélisation grand signal de MOSFET en hyperfréquences (application à l'étude des non linéarités des filières SOI)

Les communications sans fil ne cessent d'intégrer la vie quotidienne moderne. Ces applications font partie intégrale du domaine des radiofréquences (RF), et elles se sont développées grâce au progrès des transistors et de leurs performances. Le transistor MOS sur substrat Si est une technologie très prometteuse pour ces applications, car elle présente une faible consommation en puissance, demande de faibles tensions de polarisation et ses performances sont suffisamment élevées. Dans cette thèse, nous avons développé un modèle non linéaire pour les transistors MOS utile pour les applications en hyperfréquences. Le modèle développé reproduit de manière très précise les caractéristiques hyperfréquences des transistors MOS, tant en régime petit signal qu'en régime grand signal. Il tient en compte l'effet kink, présent dans les composants partiellement désertés sur substrat SOI. Le modèle a été validé à travers des mesures grand signal à l'aide d'un analyseur de réseaux vectoriel non linéaire. L'extraction des paramètres du modèle est très rapide son implémentation dans un simulateur de circuits commercial est très simple. A l'aide de ce modèle, de nombreux circuits ont été conçus et réalisés en technologie MOS SOI.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Développement et étude de transistors bipolaires à hétérojonctions Si/Si/Ge (C pour les technologies BiCMOS millimétriques)

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.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Propriétés hyperfréquences et de bruit de MOSFETs sur substrat massif et SOI jusqu'au noeud technologique 65 nm

Les transmissions sans fil n'ont cessé de prendre un essor considérable, que ce soit pour les applications spatiales, les radiocommunications mobiles ou les communications à courtes portées (Wi-Fi, Bluetooth,...). Toutes ces applications font partie intégrale du domaine des radiofréquences (RF) et elles se sont développées grâce au progrès des transistors et de leurs performances. Depuis quelques années, avec la montée en fréquence des composants Silicium, la technologie Silicium est présente dans le domaine des radiofréquences et des hyperfréquences. Les circuits intégrés micro-ondes nécessitent des composants actifs performants, en termes de fréquences de coupure, de gain et de facteur de bruit pour des conditions de faibles polarisations. Il apparaît ainsi essentiel d'étudier les performances dynamiques et de bruit hautes fréquences des filières conventionnelles CMOS sur substrats massif et/ou SOI à longueur de grille sub-l 00 nm. Dans cette thèse, nous abordons différents thèmes avec tout d'abord une description de l'architecture des transistors MOS sur substrat Massif ou SOI et un état de l'art de leurs performances dynamiques et de bruit. Nous présentons ensuite une étude théorique permettant de dégager les paramètres influant sur les performances hyperfréquences et de bruit. Cette étude est suivie par la présentation de deux techniques de mesures de bruit disponible au laboratoire, mise à profit pour étudier expérimentalement les paramètres limitant la montée en fréquence et les performances de bruit des transistors MOS à structure conventionnelle. Nous concluons alors sur une discussion concernant les architectures alternatives permettant d'outrepasser ces limitations.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF