Investigation and Modeling of High Frequency Effects in SiGe HBTs

Ce travail de thèse présente une étude concernant la caractérisation des effets hautefréquence dans les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) en SiGe. Lors de ces travaux,le transistor du procédé BiCMOS B55 (55nm) de STMicroelectronics a été principalementanalysé. Cette technologie à l’état de l’art est caractérisée par une fréquence de transition de320 GHz et une fréquence maximale d’oscillation (fMAX) de 370 GHz. Les travaux se divisenten trois sous-thèmes dont les objectifs sont une meilleure caractérisation et une meilleuremodélisation de ces composants. Une première partie concerne l’extraction de la fMAX destransistors miniaturisés. En effet, cette fréquence fMAX est une figure de mérite de premièreimportance qui est utilisée pour valoriser une technologie. Malheureusement, on observe que laméthodologie utilisée pour extraire fMAX en utilisant directement la formule de gain de Masonsur les données mesurées donne des résultats très incertains sur les composants très avancés.Ceci complexifie l’analyse des lots de fabrication de transistors. Il a été démontré qu’un modèlepetit signal simple extrait à partir des paramètres Y supprime les incertitudes d’extraction etpermet l’évaluation fine d’une technologie. La seconde partie concerne le substrat du transistor.En effet, cette zone du transistor est la plus importante en terme de géométrie entrainant deseffets distribués dont la contribution est plus importante à haute fréquence. Celui-ci joue doncun rôle essentiel dans la modélisation des caractéristiques des paramètres S à haute fréquencedes HBT SiGe modernes. Dans ce travaux, nous avons donc étendu et validé le modèle du substratdu transistor et nous avons confronté les simulations de type SPICE et les mesures jusqu’àdes fréquences supérieures à 300 GHz. Finalement, dans une troisième partie, nous avons cettefois orienté nos travaux de modélisation vers les accès de base, collecteur et émetteur ainsi quesur le transistor intrinsèque. En effet, à très haute fréquence, c’est-à-dire au-delà de 100 GHzpour cette technologie, les accès du transistor doivent être modélisés par des éléments distribués.Le transistor intrinsèque est quant à lui sujet à des effets dits non-quasi-statiques. Des étudesde sensibilité des paramètres haute fréquences du modèle HICUM ont été menées permettantd’établir une stratégie d’extraction de paramètres. Les paramètres haute fréquence sont extraitsà l’aide de la simulation TCAD et comparés aux mesures des paramètres S jusqu’à 500 GHz.This thesis presents a study concerning the characterization of high frequency effectsin bipolar heterojunction transistors (HBT) in SiGe. During this work, the transistor of the BiCMOSB55 process (55nm) from STMicroelectronics was mainly analyzed. This state-of-the-arttechnology is characterized by a transition frequency of 320 GHz and a maximum oscillationfrequency (fMAX) of 370 GHz. The work is divided into three sub-themes, the objectives ofwhich are better characterization and better modeling of these components. The first part concernsthe extraction of fMAX from miniaturized transistors. Indeed, this fMAX frequency is afigure of merit of the first importance which is used to promote a technology. Unfortunately, it isobserved that the methodology used to extract fMAX by directly using Mason’s gain formula onthe measured data gives very uncertain results on very advanced components. This complicatesthe analysis of transistor manufacturing batches. It has been shown that a simple small signalmodel extracted from the Y parameters removes the extraction uncertainties and allows the fineevaluation of a technology. The second part concerns the substrate of the transistor. In fact, thiszone of the transistor is the most important in terms of geometry, leading to distributed effects,the contribution of which is greater at high frequency. This therefore plays an essential role inthe modeling of the characteristics of the high frequency S parameters of modern HBT SiGe. Inthis work, we therefore extended and validated the transistor substrate model and we comparedthe SPICE-type simulations and measurements up to frequencies above 300 GHz. Finally, in athird part, we have oriented our modeling work towards the base, collector and emitter accessesas well as on the intrinsic transistor. Indeed, at very high frequency, that is to say above 100GHz for this technology, the transistor accesses must be modeled by distributed elements. Theintrinsic transistor is itself subject to so-called non-quasi-static effects. Sensitivity studies ofthe high frequency parameters of the HICUM model were carried out to establish a parameterextraction strategy. The high-frequency parameters are extracted with the support of the TCADsimulation and compared with S parameters measurements up to 500 GHz