Optimisation de transistors bipolaires à hétérojonctions Si/SiGe:C en technologie BiCMOS 0.25 µm pour les applications d’amplification de puissance

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Sous la direction de Thomas Zimmer, Cristell Maneux
Thèse soutenue le 13 novembre 2008: Bordeaux 1
Le travail réalisé au cours de cette thèse porte sur l’optimisation du transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe:C pour les applications d’amplification de puissance pour les communications sans fils. Nous présentons tout d’abord la structure d’étude. Il s’agit du transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe:C intégré en technologie BiCMOS 0.25µm sur plaques 200mm. La cellule dédiée à l’amplification de puissance est présentée. Une attention particulière est apportée aux phénomènes thermiques inhérents à ce type de cellules ainsi qu’aux solutions mises en œuvre pour les atténuer. Les diverses optimisations réalisées sur l’architecture du TBH sont détaillées. Ces optimisations touchent à la fois à la modification du procédé technologique et au dessin du transistor. Notre étude porte sur l’amélioration des performances petit et grand signal via l’optimisation des paramètres technologiques définissant la structure épitaxiale intrinsèque de base et de collecteur ainsi que des règles de dessin du transistor. Enfin, deux types d’architectures de TBH développées sont présentées. L’une de type simple polysilicium quasi auto-alignée qui s’intègre dans une technologie dédiée à l’amplification de puissance, l’autre présentant une structure double polysilicium également auto-alignée.
-Transistor bipolaire
-Hétérojonctions Si/SiGe:C
-Technologie BiCMOS
-Amplification de puissance
The present work deals with Si/SiGe:C heterojonction bipolar transistor optimization for power amplifier applications dedicated to wireless communications. We first present the investigated structure, a Si/SiGe:C heterojonction bipolar transistor integrated in a 0.25µm BiCMOS technology on 200 mm wafers. We discuss the cell dedicated to power amplification. We have paid attention to thermal phenomenon linked to this kind of cell and to possible dedicated solutions. Various optimizations realized on HBT architecture are detailed. These optimizations concern technological process modifications and transistor design. The main objective of this work is to improve both large and small signal characteristics. This is obtained by transistor design rule variations, collector and base intrinsic parameters optimization. Finally, two kind of developed HBT architectures are presented. One, simple polysilicium quasi self aligned, integrated in a technology dedicated to power amplification, the other one fully self aligned with double polysilicium structure.
-Bipolar transistor
-Si/SiGe:C heterojonctions
-BiCMOS technology
-Power amplification
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13661/document
Publié le : mardi 25 octobre 2011
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N° d’ordre : 3661

THESE

Présentée et soutenue publiquement le 13 novembre à
L’UNIVERSITE BORDEAUX I
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR
par
Pierre-Marie MANS
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR

SPECIALITE : ELECTRONIQUE

Optimisation de transistors bipolaires à hétérojonctions
Si/SiGe:C en technologie BiCMOS 0.25 µm pour les
applications d’amplification de puissance

JURY :
M. Eric KERHERVE, Professeur ENSEIRB, IMS Président
M. Gilbert VINCENT, Professeur Université J. Fourier, LTM Rapporteur
M. André SCAVENNEC, Docteur Alcatel-Thales, III-V Lab Rapporteur
M. Sébastien JOUAN, Docteur STMicroelectronics Examinateur
Mme Cristell MANEUX, HDR Université Bordeaux I, IMS Examinateur
M. Thomas ZIMMER, Professeur Université Bordeaux I, IMS Examinateur
M. Denis PACHE, Docteur STMicroelectronics Invité

Thèse préparée à STMicroelectronics, 850 rue Jean Monnet, F-38926 Crolles Cedex


Remerciements

Cette thèse est le fruit d’une collaboration entre STMicroelectronics (Crolles) et le laboratoire
IMS, laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système de l’Université de Bordeaux. A ce
titre, je remercie Monsieur Pascal Fouillat, Directeur de l’IMS, ainsi que Monsieur Michel Le
Contellec, Responsable du service « Process Integration » à STMicroelectronics, de m’avoir
accueilli dans leurs équipes.

Je remercie tout d’abord Sébastien Jouan pour l’encadrement industriel apporté à cette thèse,
la confiance et la liberté dans la réalisation des différents projets.

Je remercie également Thomas Zimmer et Cristell Maneux qui ont été mes directeurs de thèse
pour leur encadrement, leur disponibilité ainsi que leur suivi tout au long de cette thèse.

Je tiens à remercier les rapporteurs et examinateurs de ce travail, Eric Kerhervé, Gilbert
Vincent et André Scavennec pour avoir accepté de participer à ce jury de thèse, ainsi que pour
le travail de relecture et d’évaluation qu’ils ont fourni.

Je tiens à remercier toutes les personnes de STMicroelectronics sollicitées pour la réalisation
de dispositifs :

Benoît Vandelle, Julien Bouvier, Florence Brossard, Laurent Rubaldo, Gael Borot et
Alexandre Talbot pour les différents dépôts réalisés.
Pierre Bouillon pour les étapes de photolithographie.
Luc Pinzelli et Olivier Renault pour les étapes d’implantation.
Alban Le Squeren, Fabienne Judong, Claire Richard et Delia Ristoiu pour les différentes
opérations de gravure.

Je remercie également toutes les personnes impliquées dans les étapes de caractérisation
physique et électrique, de simulation et de modélisation :

Julien Cossalter de l’équipe métrologie pour sa disponibilité.
Linda Depoyan et Clement Pribat pour la qualité des observations réalisées.

Jeremy Badoc, André Perrotin, Michel Buczko et Daniel Gloria pour les mesures statiques et
dynamiques.
Floria Blanchet, Mickael Comte et Caroline Arnaud pour la caractérisation load-pull.
Ardechir Pakfar pour l’important travail de simulation réalisé.
Didier Celi, Franck Pourchon et Nicolas Derrier pour leur travail de modélisation.

Je tiens à remercier Denis Pache pour m’avoir fait bénéficier de sa grande expertise dans le
domaine de la conception RF sur silicium ainsi que Christophe Arricastres pour les nombreux
échanges techniques.

Je remercie les personnes de l’IMS qui m’ont accompagnées durant les minutes de
délibération du jury de thèse: Sébastien Frégonèse, Nathalie Deltimple, Jhonny Goguet, Yan
Deval.

Enfin je tiens à remercier le groupe de filière R&D dont j’ai eu la chance de faire partie :
Germaine, Jocelyne, Augustin, Isabelle, Laurence, Stéphanie, Bertrand S., Bertrand M.,
Simon, Boris, David, Julien, Grégory, Dominik, Dorothée, Emmanuelle, Benoît.

Un Grand Merci à tous.

Je remercie ma grand-mère pour ses encouragements, mes parents pour leur soutien tout au
long de mes études et enfin Muriel.
Table des matières
Table des matières
Introduction générale............................................................................................................10
I. Le transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe, applications/spécifications pour
l’amplification de puissance .................................................................................................15
I.1. Introduction générale sur le transistor bipolaire...........................................................15
I.2. Le matériau Silicium – Germanium SiGe....................................................................17
I.2.1. Propriétés cristallines...........................................................................................17
I.2.2. Epaisseur critique.................................................................................................19
I.3. Structure de bande d’énergie.......................................................................................20
I.3.1. Bande interdite du Si Ge contraint ..................................................................20 (1-x) x
I.3.2. Structure électronique d’un transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe .............20
I.4. Incorporation de Carbone ...........................................................................................21
I.5. Fonctionnement Statique ............................................................................................22
I.5.1. Courants ..............................................................................................................22
I.5.1.a. Bilan des courants .........................................................................................22
I.5.1.b. Expression de la concentration intrinsèque des porteurs.................................23
I.5.1.c. Réduction de la bande interdite......................................................................24
I.5.1.d. Courant de collecteur ....................................................................................25
I.5.1.e. Courant de base.............................................................................................26
I.5.1.f. Gain en courant..............................................................................................27
I.5.2. Caractéristiques statiques .....................................................................................28
I.5.2.a. Gummel ........................................................................................................28
I.5.2.b. Caractéristiques de sortie...............................................................................29
I.5.3. Tensions d’avalanche...........................................................................................30
I.5.3.a. BV et BV .............................................................................................30 CBO EBO
I.5.3.b. BV ...........................................................................................................31 CEO
I.6. Fonctionnement Dynamique .......................................................................................32
I.6.1. Fonctionnement « petit signal » ...........................................................................33
I.6.1.a. Paramètres S .................................................................................................33
I.6.1.b. Temps de transit des porteurs ........................................................................36
I.6.1.c. Capacités de jonction.....................................................................................38
I.6.1.d. La résistance d’émetteur................................................................................38
I.6.1.e. La résistance de base .....................................................................................39
1 Table des matières
I.6.1.f. La résistance de collecteur .............................................................................39
I.6.1.g. Fréquence de transition f ..............................................................................39 T
I.6.1.h. Fréquence maximale d’oscillation f .........................................................41 MAX
I.6.2. Grand signal ........................................................................................................42
I.7. Puissance : Effets de forte injection ............................................................................46
I.7.1. Auto-échauffement ..............................................................................................46
I.7.2. Effet Kirk ............................................................................................................46
I.7.3. Effet de barrière ...................................................................................................47
I.7.4. Résistances d’accès..............................................................................................47
I.8. L’application Amplificateur de Puissance (PA)...........................................................49
I.8.1. L’amplificateur de puissance................................................................................49
I.8.2. Les différents modes de fonctionnement d’un PA ................................................50
I.8.3. Spécifications ......................................................................................................52
I.9. Etat de l’art.................................................................................................................52
I.10. Conclusion ...............................................................................................................53
II. Architecture d’étude et cellule dédiée à la puissance ........................................................55
II.1. Introduction...............................................................................................................55
II.2. Présentation de la technologie ...................................................................................55
II.3. Réalisation technologique..........................................................................................56
II.3.1. Schéma d’intégration BiCMOS ..........................................................................56
II.3.2. Description détaillée du procédé de fabrication...................................................57
II.3.3. Réalisation de l’émetteur ....................................................................................60
II.3.4. Réalisation de la base .........................................................................................61
II.3.5. Réalisation du collecteur.....................................................................................61
II.3.6. Analyse MEB .....................................................................................................62
II.3.7. Analyse SIMS ....................................................................................................63
II.4. Cellule PA.................................................................................................................65
II.4.1. Description.........................................................................................................65
II.4.2. Phénomènes thermiques et résistances de ballast ................................................68
II.4.2.a. Phénomènes thermiques...............................................................................68
II.4.2.b. Influence de la résistance de ballast..............................................................69
II.5. Caractérisations électriques .......................................................................................71
II.5.1. Oscillations parasites ..........................................................................................71
II.5.2. Caractérisation de cellules de taille variable........................................................73
2 Table des matières
II.5.3. Composantes de f . ........................................................................................74 MAX
II.5.3.a. Rôle de la capacité base/collecteur ...............................................................75
II.5.3.b. Rôle de la résistance de base pincée .............................................................76
II.5.4. Extraction de la résistance de base pincée ...........................................................78
II.5.5. Résistance R et capacité thermique C ...........................................................79 TH TH
II.5.5.a. Extraction de R .........................................................................................80 TH
II.5.6. Caractérisation load-pull.....................................................................................84
II.6. Description de l’outil de simulation...........................................................................87
II.6.1. Géométrie et paramètres .....................................................................................87
II.6.2. Modèles physiques et limitations ........................................................................88
II.7. Conclusion ................................................................................................................89
III. Optimisations de l’architecture du TBH pour l’amplification de puissance......................92
III.1. Introduction .............................................................................................................92
III.2. Base du transistor.....................................................................................................92
III.2.1. Profil de germanium optimisé............................................................................92
III.2.1.a. Taux de germanium à la jonction émetteur/base..........................................93
III.2.1.b. Stabilité en température du gain..................................................................95
III.2.1.c. Impédance d’entrée Z en fonction de la température..................................98 in
III.2.2. Variation du pourcentage de germanium à la jonction émetteur/base. ..............100
III.2.2.a. Influence sur le temps de transit................................................................101
III.2.2.b. Influence sur la stabilité du gain ...............................................................102
III.2.2.c. Influence sur l’impédance d’entrée ...........................................................103
III.2.3. Variation de bore dans la base .........................................................................103
III.2.3.a. Amélioration de gain ................................................................................103
III.2.3.b. Comportement en température..................................................................105
III.2.4. Epaisseur de CAP............................................................................................106
III.2.4.a. Influence sur les caractéristiques dynamiques ...........................................106
III.2.4.b. Augmentation du produit f *BV ..........................................................107 T CEO
III.2.5. Incorporation de carbone dans le CAP.............................................................108
III.2.6. Synthèse..........................................................................................................110
III.3. Collecteur ..............................................................................................................111
III.3.1. Compromis f *BV .....................................................................................111 T CEO
III.3.2. Epaisseur / Dopage d’épitaxie collecteur .........................................................112
III.3.2.a. Variation d’épaisseur d’épitaxie collecteur................................................113
3 Table des matières
III.3.2.b. Caractéristiques d’implantation SIC..........................................................114
III.3.2.c. Résultats électriques .................................................................................114
III.3.2.d. Mise en œuvre d’une résine épaisse ..........................................................115
III.3.2.e. Double implantation sélective de collecteur ..............................................115
III.3.3. Implantation avant/après réalisation de la base ................................................116
III.3.4. Profil de germanium rétrograde.......................................................................118
III.3.4.a. Effet Kirk : Mécanismes en jeux...............................................................118
III.3.4.b. Simulation................................................................................................121
III.3.4.c. Réalisation................................................................................................124
III.3.4.d. Discussions...............................................................................................125
III.4. Règles de dessin, optimisation du layout ................................................................125
III.4.1. Ballast.............................................................................................................125
III.4.2. Variation de la largeur d’émetteur ...................................................................127
III.5. Conclusion.............................................................................................................129
IV. Architectures de TBH pour l’amplification de puissance...............................................131
IV.1. Structure simple polysilicium quasi auto-alignée....................................................131
IV.1.1. Technologie pour la puissance.........................................................................131
IV.1.2. Présentation de la structure développée ...........................................................132
IV.1.3. Analyse physique de la structure finale ...........................................................133
IV.1.4. Résultats électriques........................................................................................134
IV.1.4.a. Caractéristiques statiques..........................................................................134
IV.1.4.b. Caractéristiques dynamiques ....................................................................135
IV.1.5. Transistor unitaire pour la puissance. ..............................................................135
IV.1.6. Synthèse..........................................................................................................137
IV.2. Structure double polysilicium auto-alignée ............................................................138
IV.2.1. Etapes de fabrication.......................................................................................138
IV.2.2. Epitaxie sélective de la base ............................................................................140
IV.2.3. Caractérisation physique de la structure finale.................................................141
IV.2.3.a. Observation SEM .....................................................................................141
IV.2.3.b. Analyse SIMS ..........................................................................................143
IV.2.4. Caractérisation statique ...................................................................................143
IV.2.5. Caractérisation dynamique ..............................................................................144
IV.3. Conclusion.............................................................................................................145
Conclusion générale ...........................................................................................................146
4 Notations
Notations

A

A : Surface de la fenêtre d’émetteur E
a : Paramètre de maille du silicium Si

B

β : Gain en courant du transistor bipolaire
BClean : Nettoyage chimique Oxydant
BiCMOS : Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor
BJT : Bipolar Junction Transistor (transistor bipolaire à homojonction)
BV : Tension de claquage collecteur/base CBO
BV : Tension de claquage émetteur/collecteur CEO

C

CAP : Fine couche de silicium déposée sur l’épitaxie Si/SiGe
C : Capacité de jonction base/collecteur BC
C : Capacité de jonction émetteur/base EB
CMP : Chemical Mechanical Polishing (polissage mécano-chimique)
CVD : Chemical Vapor Deposition (dépôt chimique en phase vapeur)

D

ΔE : Réduction de bande interdite du silicium due à la présence de germanium G
dans la base
ΔE : Réduction de bande interdite due aux forts dopages d’émetteur et de base g
ΔE : Discontinuité de bande entre alliage SiGe et silicium V
D : Coefficient de diffusion des électrons dans la base nB
D : Coefficient de diffusion des trous dans l’émetteur pE

5 Notations
E

-12 -1ε : Permittivité du vide (8,854.10 F.m ) 0
ε : Permittivité relative du silicium (11,9) r
E : Energie de niveau de Fermi Fermi
E : Energie de bande interdite du silicium G
E : Energie de bande interdite du silicium/germanium G(SiGe)

F

f : Fréquence maximale d’oscillation MAX
f : Fréquence de transition T

G

 : Rapport des densités effectives d’états du silicium germanium et silicium
G : Nombre de Gummel de la base B
G : Nombre de Gummel de l’émetteur E

H

-34 h : Constante de Planck 6,625.10
h , h : Gain en courant petit signal 21 fe
h : Epaisseur critique de la couche SiGe c
HF : Acide fluorhydrique

I

I : Courant de base B
I : Courant de collecteur C
I : Courant d’émetteur E
I : Courant d’électrons qui diffusent de l’émetteur vers la base NE
I : Courant de trous qui diffusent de la base vers l’émetteur PE
6

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