RFSOI Technology Development by means of new substrate methodologies for 5G Applications

Développement de la technologie RFSOI au moyen de nouvelles méthodologies de substrat pour les applications 5G

• Auteur / Autrice : Thomas Bordignon
• Direction : François Danneville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : STMicroelectronics
• Jury : Président / Présidente : Florence Podevin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Roelens, Sébastien Cremer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Lederer, Sébastien Frégonèse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception assistée par ordinateur

Télécommunications -- Systèmes de commutation

Amplificateurs faible bruit

Technologie silicium sur isolant

MOS complémentaires

5G (téléphonie mobile)

Mots clés libres

Applications 5G

Rfsoi

Pdsoi

RF switch

Tcad

Rfsoi

5G applications

Pdsoi

RF switch

Tcad

Résumé

La technologie RF CMOS, initialement utilisée pour le Bluetooth et le GPS dans les années 1990, est désormais cruciale pour les réseaux cellulaires dans les smartphones, les PC et les modems WiFi. La transition du 4G au 5G a entraîné la nécessité d'améliorations continues des transistors utilisés dans les modules RF Front End, et le développement du 6G nécessite désormais des LNAs et des commutateurs rentables et performants capables de fonctionner dans la gamme de fréquences des ondes millimétriques. L'objectif principal de cette thèse est d'améliorer les indicateurs de performance clés des dispositifs STMicroelectronics CMOS65SOIMMW PDSOI, ce qui signifie réduire RONCOFF tout en maintenant des valeurs RFVMAX élevées pour les transistors de commutation et augmenter fT et fMAX pour les transistors LNA. Cela implique de réduire les capacités parasites et d'améliorer la mobilité des électrons par des modifications du substrat SOI. Trois projets ont été entrepris pour atteindre ces objectifs : ThinSOI, Strained SOI et Channel Orientation. Le projet ThinSOI étudie l'impact de la réduction de l'épaisseur de la couche SOI, typiquement de 75 nm, pour améliorer les capacités parasites et la performance des commutateurs RF. Le projet Strained SOI vise à améliorer la mobilité des électrons grâce à l'ingénierie des contraintes en intégrant une nouvelle méthode de tenseur à base de SiGe qui introduit une contrainte de traction significative dans le canal de silicium. Le projet Channel Orientation examine les variations de la mobilité des électrons selon différentes directions cristallines (<100> et <110>). Pour chaque projet, une approche globale a été employée, impliquant la conception d'expériences pour modifier les processus de fabrication et donc les caractéristiques des dispositifs, la modélisation computationnelle pour soutenir et prédire les améliorations et aider à la compréhension des phénomènes physiques et électriques, et la caractérisation des dispositifs pour recueillir des données empiriques.

RF CMOS technology, initially used for Bluetooth and GPS in the 1990s, is now crucial for cellular networking in smartphones, PCs, and WiFi modems. The transition from 4G to 5G has driven the need for continuous improvements of the transistors employed in the RF Front End Modules, and now 6G development requires cost-effective and high-performance LNAs and switches capable of working in the mm-Waves frequencies range. The primary objective of this thesis is to improve key performance metrics of the STMicroelectronics CMOS65SOIMMW PDSOI devices, which means reducing RONCOFF while keeping how RFVMAX values for switches transistors and increasing fT and fMAX for LNA transistors. This involves reducing parasitic capacitances and enhancing electron mobility by means of modifications of the SOI substrate. Three projects were undertaken to address these objectives: ThinSOI, Strained SOI, and Channel Orientation. The ThinSOI project investigates the impact of reducing the SOI layer thickness, typically 75 nm, to improve parasitic capacitances and RF switch performance. The Strained SOI project aims to enhance electron mobility through strain engineering by integrating a novel SiGe-based stressor method that introduces significant tensile stress within the silicon channel. The Channel Orientation project examines electron mobility variations along different crystalline directions (<100> and <110>). For each project, a comprehensive approach was employed which involved the design of experiments to modify fabrication processes and hence devices characteristics, computational modeling to support and predict improvements and help in the understanding of physical and electrical phenomena, and device characterization to gather empirical data.