Caractérisation électrothermique, simulations TCAD et modélisation compacte de transistors HBT en SiGe au niveau composant et circuit

Electro-thermal characterization, TCAD simulations and compact modeling of advanced SiGe HBTs at device and circuit level

• Auteur / Autrice : Rosario D'Esposito
• Direction : Thomas Zimmer, Sébastien Frégonèse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 29/09/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Niccolò Rinaldi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Celi, Cristell Maneux, Bertrand Ardouin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raymond Quéré, Gilles Dambrine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception assistée par ordinateur

Semiconducteurs

BiCMOS

Modélisation électrothermique

Transistors bipolaires à hétérojonctions

Mots clés libres

Transistors bipolaires à hétérojonction (HBTs)

Effets électrothermiques

Résistance thermique

Capacitance thermique

Impédance thermique

Back end of line (BEOL)

Layout des doigts d’émetteur

Spécifications SOA

Couplage thermique intra-device

Circuits pour l’évaluation de modèles, interactions du composant au circuit

Simulations thermiques TCAD

Impact thermique du profile de dopage

Caractérisation de composants à semi-conducteur

Mesures pulsées

Caractérisation load-pull

Modèle HiCuM

Modélisation de composants semi-conducteur

Hetero-junction bipolar transistors (HBTs)

Electro-thermal effects

Thermal resistance

Thermal capacitance

Thermal impedance

Back end of line (BEOL)

Emitter-finger layout

SOA specifications

Intra device mutual thermal coupling

Circuits for model verification

Device to circuit interactions

Thermal TCAD simulations

Doping profile thermal impact,

Semiconductor device characterization

Pulsed measurements, load-pull characterization

HiCuM model

Semiconductor device modeling

Résumé

Ce travail de thèse présente une étude concernant la caractérisation des effets électrothermiques dans les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) en SiGe. Lors de ces travaux, deux procédés technologiques BiCMOS à l’état de l’art ont été analysés: le B11HFC de Infineon Technologies (130nm) et le B55 de STMicroelectronics (55nm).Des structures de test dédiées ont étés conçues, pour évaluer l’impact électrothermique du back end of line (BEOL) de composants ayant une architecture à un ou plusieurs doigts d’émetteur. Une caractérisation complète a été effectuée en régime continu et en mode alternatif en petit et en grand signal. De plus, une extraction des paramètres thermiques statiques et dynamiques a été réalisée et présentée pour les structures de test proposées. Il est démontré que les figures de mérite DC et RF s’améliorent sensiblement en positionnant des couches de métal sur le transistor, dessinées de manière innovante et ayant pour fonction de guider le flux thermique vers l’extérieur. L’impact thermique du BEOL a été modélisé et vérifié expérimentalement dans le domaine temporel et fréquentiel et aussi grâce à des simulations 3D par éléments finis. Il est à noter que l’effet du profil de dopage sur la conductivité thermique est analysé et pris en compte.Des topologies de transistor innovantes ont étés conçues, permettant une amélioration des spécifications de l’aire de sécurité de fonctionnement, grâce à un dessin innovant de la surface d’émetteur et du deep trench (DTI).Un modèle compact est proposé pour simuler les effets de couplage thermique en dynamique entre les émetteurs des HBT multi-doigts; ensuite le modèle est validé avec de mesures dédiées et des simulations TCAD.Des circuits de test ont étés conçus et mesurés, pour vérifier la précision des modèles compacts utilisés dans les simulateurs de circuits; de plus, l’impact du couplage thermique entre les transistors sur les performances des circuits a été évalué et modélisé. Finalement, l’impact du dissipateur thermique positionné sur le transistor a été étudié au niveau circuit, montrant un réel intérêt de cette approche.

This work is focused on the characterization of electro-thermal effects in advanced SiGe hetero-junction bipolar transistors (HBTs); two state of the art BiCMOS processes have been analyzed: the B11HFC from Infineon Technologies (130nm) and the B55 from STMicroelectronics (55nm).Special test structures have been designed, in order to evaluate the overall electro-thermal impact of the back end of line (BEOL) in single finger and multi-finger components. A complete DC and RF electrical characterization at small and large signal, as well as the extraction of the device static and dynamic thermal parameters are performed on the proposed test structures, showing a sensible improvement of the DC and RF figures of merit when metal dummies are added upon the transistor. The thermal impact of the BEOL has been modeled and experimentally verified in the time and frequency domain and by means of 3D TCAD simulations, in which the effect of the doping profile on the thermal conductivity is analyzed and taken into account.Innovative multi-finger transistor topologies are designed, which allow an improvement of the SOA specifications, thanks to a careful design of the drawn emitter area and of the deep trench isolation (DTI) enclosed area.A compact thermal model is proposed for taking into account the mutual thermal coupling between the emitter stripes of multi-finger HBTs in dynamic operation and is validated upon dedicated pulsed measurements and TCAD simulations.Specially designed circuit blocks have been realized and measured, in order to verify the accuracy of device compact models in electrical circuit simulators; moreover the impact on the circuit performances of mutual thermal coupling among neighboring transistors and the presence of BEOL metal dummies is evaluated and modeled.