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International audience; In this paper the design, measurements and retro-simulations of a 110-GHz 5th-order Chebyshev filter, based on substrate integrated waveguide in a 30−μm thick BenzoCycloButene (BCB) above-IC technology, are presented. A center frequency of 101.5 GHz, corresponding to a 8.5-GHz frequency shift towards low frequencies, and 11.8% of fractional bandwidth are measured. The filter presents 4.6-dB of insertion loss and a low return loss of 17.5 dB in the passband. Thanks to optical profilometer measurements, a deformation of the top metallic cover of the SIW structures was observed. Electromagnetic simulations taking this top surface deformation into account allows recovering the measured filter behaviour with the center frequency shift. Thus, this BCB above-IC technology seems promising for the design of passive circuits at higher frequencies, at which substrate heights of 30 μm are more appropriate.

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In an ever-growing terahertz market, BiCMOS technologies have reached cut-off frequencies beyond 0.5 THz. These dynamic performances are achieved thanks to the current technological improvements in SiGe heterojunction bipolar transistors (HBTs). However, these increased performances lead to a shift of the transistors bias point closer to, or even beyond, the conventional safe-operating-area (SOA). As a consequence, several "parasitic" physical effects are encountered such as impact-ionization or self-heating which can potentially activate failure mechanisms, hence limiting the long-term reliability of the electric device. In the framework of this thesis, we develop an approach for the description and the modeling of hot-carrier degradation occurring in SiGe HBTs when operating near the SOA edges. The study aims to provide an in-depth characterization of transistors operating under static and dynamic operating conditions. Based on these measurements results, a compact model for the impact-ionization and the self-heating has been proposed, ultimately allowing to extend the validity domain of a commercially available compact model (HiCuM). Considering the operation as close as possible to the SOA, an aging campaign was conducted to figure out the physical origin behind such failure mechanism. As a result, it has been demonstrated that hot-carrier degradation leads to the creation of trap densities at the Si/SiO2interface of the emitter-base spacer which induces an additional recombination current in the base. A compact model integrating aging laws (HiCuM-AL) was developed to predict the evolution of the transistor/circuit electrical parameters through an accelerated aging factor. For ease of use in computer-aided design (CAD) tools, the aging laws have been scaled according to the geometry and architecture of the emitter-base spacer. The model has demonstrated its robustness and its accuracy for different SiGe HBT technologies under various aging conditions. In addition, a study on the reliability of several integrated circuits has been performed leading to a precise location of the most sensitive regions to the hot-carrier degradation mechanism. Thus, the HiCuM-AL model paves the way to perform circuit simulations optimizing the mm-wave circuit design not only in term of sheer performances but also in term of long-term reliability., Afin de répondre au marché florissant des applications térahertz, les filières BiCMOS atteignent désormais des fréquences de coupure supérieures à 0,5 THz. Ces performances dynamiques sont obtenues grâce aux améliorations technologiques apportées aux transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) SiGe. Toutefois, cette montée en fréquence à entraîner un décalage du point de polarisation des transistors au plus proche, voir au-delà, de l’aire de sécurité de fonctionnement (SOA). En conséquence, de nombreux effets physiques « parasites » sont présents tel que l’ionisation par impact ou bien l’auto-échauffement pouvant potentiellement activer des mécanismes de défaillance et ainsi limiter la fiabilité à long terme du transistor. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une approche pour la description et la modélisation de la dégradation par porteurs chauds au sein des TBH SiGe fonctionnant aux frontières de la SOA. L’étude est basée sur une caractérisation approfondie en conditions statiques et dynamiques des transistors. Du fait de ses résultats de mesures, une modélisation de l’ionisation par impact et de l’auto-échauffement a été proposé permettant d’étendre, avec précision, le domaine de validité des modèles compact commerciaux (HiCuM). Au-vu du fonctionnement aux limites de la SOA, une campagne de vieillissement a été mise en place afin de mieux cerner l’origine physique de ce mécanisme de défaillance. De ce fait, il a été démontré que la dégradation par porteurs chauds entraîne la création de densités de pièges au niveau de l’interface Si/SiO2del’espaceur émetteur-base induisant un courant de recombinaison supplémentaire dans la base. Un modèle compact intégrant des lois de vieillissement (HiCuM-AL) a été développé prédisant l’évolution des paramètres électriques d’un transistor ou d’un circuit au travers d’un facteur de vieillissement accéléré. Afin de faciliter son utilisation dans des outils de conception assistée par ordinateur (CAO), les lois de vieillissement ont été adaptées en fonction de la géométrie et de l’architecture de l’espaceur émetteur-base. Le modèle a démontré sa robustesse et sa précision pour plusieurs technologies de TBH SiGe et, ce, pour différentes conditions de vieillissement. De plus, une étude de la fiabilité de plusieurs architectures de circuits intégrés a été réalisé menant à une localisation précise des régions les plus sensibles au mécanisme de dégradation par porteurs chauds. Le modèle HiCuM-AL ouvre ainsi la voie à des simulations optimisées pour la conception de circuits millimétriques en termes de performances, mais aussi de fiabilité à long terme.

Bipolare komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (BiCMOS) Prozesse bietenhervorragende Rahmenbedingungen um Hochfrequenzanwendungen zurealisieren, da sie die fortschrittliche Fertigungstechnik von CMOS mit derGeschwindigkeit und Treiberleistung von Silizium-Germanium (SiGe) Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBTs) verknüpfen. Zudem sind HBTs bedeutendeWettbewerber für die teilweise Überbrückung der Terahertz-Lücke, derFrequenzbereich zwischen Transistoren (< 0.3 THz) und Lasern (> 30 THz).Um die Leistungsfähigkeit solcher zukünftigen Bauelemente zu bewerten, isteine zuverlässige Methodologie zur Vorhersage notwendig. Die Verwendungeiner heterogenen Zusammenstellung von Simulationstools und Lösungsansätzenerlaubt es dieses Ziel schrittweise zu erreichen und erleichtert die Fehler-_ndung. Verschiedene wissenschaftliche Bereiche werden kombiniert, wie zumBeispiel der rechnergestützte Entwurf für Technologie (TCAD), die Kompaktmodellierungund Parameterextraktion.Die verwendeten Modelle des hydrodynamischen Simulationsansatzes werdenzu Beginn der Arbeit vorgestellt, um die Simulationseinstellung zu erläuternund somit die Nachvollziehbarkeit für den Leser zu verbessern. Die physikalischenModelle basieren hauptsächlich auf Literaturdaten von Monte Carlo(MC) oder deterministischen Simulationen der Boltzmann-Transportgleichung(BTE). Für eine zuverlässige Vorhersage der Eigenschaften von HBTs muss dieTCAD Kon_guration jedoch zusätzlich auf der Grundlage von Messdaten kalibriertwerden. Der zugehörige Ansatz zur Kalibrierung beruht auf Messungeneiner fortschrittlichen SiGe HBT Technologie, für welche ein technologiespezifischer HICUM/L2 Parametersatz für die high-speed, medium-voltage undhigh-voltage Transistoren extrahiert wird. Mit diesen Ergebnissen werden eindimensionaleTransistorcharakteristiken generiert, die als Referenzdaten fürdie Kalibrierung von Dotierungspro_len und physikalischer Modelle genutztwerden. Der ausführliche Vergleich dieser Referenz- und Messdaten mit Simulationengeht über den Stand der Technik TCAD-basierender Vorhersagenhinaus und weist die Machbarkeit des heterogenen Ansatzes nach.Schlieÿlich wird die Leistungsfähigkeit einer zukünftigen Technologie in28nm unter Anwendung der heterogenen Methodik vorhergesagt. Anhand derTCAD Ergebnisse wird auf Engpässe der Technologie hingewiesen., Bipolar complementary metal-oxide-semiconductor (BiCMOS) processescan be considered as the most general solution for RF products, as theycombine the mature manufacturing tools of CMOS with the speed and drivecapabilities of silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors(HBTs). HBTs in turn are major contenders for partially filling the terahertzgap, which describes the range in which the frequencies generated bytransistors and lasers do not overlap (approximately 0.3THz to 30 THz). Toevaluate the capabilities of such future devices, a reliable prediction methodologyis desirable. Using a heterogeneous set of simulation tools and approachesallows to achieve this goal successively and is beneficial for troubleshooting.Various scientific fields are combined, such as technology computer-aided design(TCAD), compact modeling and parameter extraction.To create a foundation for the simulation environment and to ensure reproducibility,the used material models of the hydrodynamic and drift-diffusionapproaches are introduced in the beginning of this thesis. The physical modelsare mainly based on literature data of Monte Carlo (MC) or deterministicsimulations of the Boltzmann transport equation (BTE). However, the TCADdeck must be calibrated on measurement data too for a reliable performanceprediction of HBTs. The corresponding calibration approach is based onmeasurements of an advanced SiGe HBT technology for which a technology specific parameter set of the HICUM/L2 compact model is extracted for thehigh-speed, medium-voltage and high-voltage transistor versions. With thehelp of the results, one-dimensional transistor characteristics are generatedthat serve as reference for the doping profile and model calibration. By performingelaborate comparisons between measurement-based reference dataand simulations, the thesis advances the state-of-the-art of TCAD-based predictionsand proofs the feasibility of the approach.Finally, the performance of a future technology in 28nm is predicted byapplying the heterogeneous methodology. On the basis of the TCAD results,bottlenecks of the technology are identified., Les procédés bipolaires semi-conducteurs complémentaires à oxyde de métal (BiCMOS) peuvent être considérés comme étant la solution la plus généralepour les produits RF car ils combinent la fabrication sophistiquée du CMOSavec la vitesse et les capacités de conduction des transistors bipolaires silicium germanium(SiGe) à hétérojonction (HBT). Les HBTs, réciproquement, sontles principaux concurrents pour combler partiellement l'écart de térahertzqui décrit la plage dans laquelle les fréquences générées par les transistors etles lasers ne se chevauchent pas (environ 0.3 THz à 30 THz). A_n d'évaluerles capacités de ces dispositifs futurs, une méthodologie de prévision fiable estsouhaitable. L'utilisation d'un ensemble hétérogène d'outils et de méthodes desimulations permet d'atteindre successivement cet objectif et est avantageusepour la résolution des problèmes. Plusieurs domaines scientifiques sont combinés, tel que la technologie de conception assistée par ordinateur (TCAO),la modélisation compacte et l'extraction des paramètres.Afin de créer une base pour l'environnement de simulation et d'améliorerla confirmabilité pour les lecteurs, les modèles de matériaux utilisés pour lesapproches hydrodynamiques et de diffusion par conduction sont introduits dèsle début de la thèse. Les modèles physiques sont principalement fondés surdes données de la littérature basées sur simulations Monte Carlo (MC) ou dessimulations déterministes de l'équation de transport de Boltzmann (BTE).Néanmoins, le module de TCAO doit être aussi étalonné sur les données demesure pour une prévision fiable des performances des HBTs. L'approchecorrespondante d'étalonnage est basée sur les mesures d'une technologie depointe de HBT SiGe pour laquelle un ensemble de paramètres spécifiques àla technologie du modèle compact HICUM/L2 est extrait pour les versionsdu transistor à haute vitesse, moyenne et haute tension. En s'aidant de cesrésultats, les caractéristiques du transistor unidimensionnel qui sont généréesservent de référence pour le profil de dopage et l'étalonnage du modèle. Enélaborant des comparaisons entre les données de références basées sur les mesureset les simulations, la thèse fait progresser l'état actuel des prévisionsbasées sur la technologie CAO et démontre la faisabilité de l'approche.Enfin, une technologie future de 28nm performante est prédite en appliquantla méthodologie hétérogène. Sur la base des résultats de TCAO, leslimites de la technologie sont soulignées.

The SiGe:C HBT reliability is an important issue in present and future practical applications. To reduce the designtime and increase the robustness of circuit applications, a compact model taking into account aging mechanismactivation has been developed in this thesis. After an aging test campaign and physical TCAD simulations, onemain damage mechanism has been identified. Depending on the bias conditions, hot carriers can be generatedby impact ionization in the base-collector junction and injected into the interfaces of the device where trapdensity can be created, leading to device degradation. This degradation mechanism impacting the EB/spacerinterface has been implemented in the HICUM compact model. This compact model has been used to performreliability studies of a LNA circuit. The CPU simulation time is not impacted by the activation of the degradationcompact model with an increase in computation time lower than 1%. This compact model allows performing areliability analysis with conventional circuit simulators and can be used to assist the design of more robustcircuits, which could help in reducing the design time cycle., Le sujet de cette thèse est l’analyse de la fiabilité des transistors bipolaires à hétérojonction SiGe:C et descircuits intégrés associés. Dans ce but, un modèle compact prenant en compte l’évolution des caractéristiquesdes transistors SiGe:C a été développé. Ce modèle intègre les lois de vieillissement des mécanismes dedéfaillance des transistors identifiés lors des tests de vieillissement. Grâce aux simulations physiques TCADcomplétées par une analyse du bruit basses fréquences, deux mécanismes de dégradations ont été localisés. Eneffet, selon les conditions de polarisation, des porteurs chauds se retrouvent injectés aux interfaces dutransistor. Ces porteurs chauds ont suffisamment d’énergie pour dégrader l’interface en augmentantprogressivement leurs densités de pièges. L’une des deux interfaces dégradées se situe au niveau del’’’espaceur’’ émetteur-base dont l’augmentation de la densité de piège dépend des porteurs chauds créés parionisation par impact. L’autre interface dégradée se situe entre le silicium et le STI dont l’augmentation dedensité de pièges dépend des porteurs chauds générés par ionisation par impact et/ou par génération Auger.En se basant sur ces résultats, une loi de vieillissement a été incorporée dans le modèle compact HICUM. Enutilisant ce modèle, l’étude de l’impact des mécanismes de défaillance sur un circuit amplificateur faible bruit aété menée. Cette étude a montré que le modèle compact intégrant les lois de vieillissement offre la possibilitéd’étudier la fiabilité d’un circuit complexe en utilisant les outils de conception standard permettant ainsi dediminuer le temps de conception global., L’affidabilità dei transistori a eterogiunzione SiGe:C è un aspetto molto importante nella progettazione circuitale,sia per le tecnologie attuali che per quelle in fase di sviluppo. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un modellocompatto in grado di descrivere i principali meccanismi di degrado, in modo da contribuire alla progettazione dicircuiti relativamente più robusti rispetto a tali fenomeni, ciò che potrebbe favorire una riduzione dei tempi diprogetto. A seguito di una campagna sperimentale e di un’analisi con tecniche TCAD, è stato identificato unmeccanismo principale di degrado. In particolari condizioni di polarizzazione, i portatori ad elevata energiagenerati per ionizzazione a impatto nella regione di carica spaziale, possono raggiungere alcune interfacce deldispositivo e ivi provocare la formazione di trappole. Solo la generazione di trappole relativa allo spaceremettitore-base è stata considerata nella formulazione del modello, essendo il fenomeno più rilevante. Ilmodello è stato utilizzato per effettuare alcuni studi di affidabilità di un amplificatore a basso rumore. Il tempocomputazionale non è significativamente influenzato dall’attivazione del modello di degrado, aumentando solodell’1%. Il modello sviluppato è compatibile con i comuni programmi di simulazione circuitale, e può essereimpiegato nella progettazione di circuiti con una migliore immunità rispetto ai fenomeni di degrado,contribuendo così a un riduzione dei tempi di progetto.

This PhD thesis is devoted to the study of physical phenomena in SiGe devices involving high energy carriers which can induce impact ionization. A thirty-band k.p method has been developed to model energy band diagrams of bulk and strained Si, Ge and SiGe alloys on the whole Brillouin zone in a large energy range (11 eV around the band gap). This method gives access to the Luttinger parameters and the conduction band effective masses with a very good accuracy. Associated with an envelop function algorithm, the band diagrams of SiGe quantum wells have been obtained in the valence and in the conduction band. From these band diagrams, carrier densities of states are obtained in bulk and strained semiconductors and in quantum wells. Hole density of state masses in bulk and strained SiGe alloys have been calculated as a function of crystal temperature. Chapter 4 is devoted to transport study in SiGe alloys with a matrix resolution of the Boltzmann transport equation. From the density of state masses, hole mean mobilities are calculated in SiGe alloys. From high electric field transport simulation, impact ionization coefficients have been evaluated for electrons in strained Si and for holes in strained Ge. Electroluminescence measurements have been performed on Si/SiGe and Ge/SiGe HFETs. These data give access to experimental study of impact ionization.; Ce travail est consacré à l'étude des phénomènes physiques dans les composants à base d'alliage SiGe en présence de fort champ électrique donc mettant en jeu des porteurs très énergétiques susceptibles d'induire de l'ionisation par choc. A l'aide d'une méthode k.p à 30 bandes, nous avons modélisé les structures électroniques complètes du Si, du Ge et des alliages Si1-xGex massifs et contraints sur une large gamme d'énergie (11 eV autour de la bande interdite) avec une très grande précision sur les paramètres de Luttinger ou les masses effectives. Associée au formalisme de la fonction enveloppe, cette méthode nous a fourni les relations de dispersion des sous-bandes en bande de valence et de conduction de puits quantiques à base d'alliages SiGe. Pour intégrer les structures électroniques dans la simulation du transport, nous avons calculé les densités d'états pour des structures électroniques 3D et 2D. Nous avons aussi obtenu les masses de densité d'états en fonction de la température dans les alliages SiGe massifs et contraints sur Si. Le chapitre 4 est consacré à l'étude du transport dans les alliages SiGe à partir d'une résolution déterministe de l'équation de Boltzmann. A l'aide des masses de densité d'états, nous avons calculé les mobilités moyennes des trous dans le SiGe. A partir de la simulation du transport à fort champ électrique des électrons dans le Si contraint sur SiGe et des trous dans le Ge contraint sur SiGe, nous avons obtenu les coefficients d'ionisation par choc dans ces matériaux. Des mesures d'électroluminescence réalisées sur des HFET à base d'alliages SiGe ont permis de remonter à quelques propriétés de l'ionisation par choc dans ces composants.