Développement de filières technologiques dédiées à l'intégration de microsystèmes millimétriques sur silicium

par Fouad Bouchriha

Thèse de doctorat en Microélectronique et micro ondes

Sous la direction de Robert Plana et de Katia Grenier.

Soutenue en 2005

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    La miniaturisation des circuits et la montée en fréquence constituent deux importants leitmotive des systèmes de communication modernes. En effet, avec l'augmentation permanente du nombre d'utilisateurs du spectre fréquentiel et la multiplication des services de télécommunications offerts, les bandes de fréquences radiofréquences sont saturées et des bandes de fréquences micro-ondes et millimétriques sont à présent allouées à des applications grand public. Ceci exige le développement de technologies innovantes assurant aux circuits intégrés micro-ondes et millimétriques d'excellentes performances en terme de pertes, de facteur de qualité, d'intégration avec un encombrement et coût réduits. Dans cette optique, la technologie silicium constitue le candidat idéal pour satisfaire à ces exigences grâce à sa maturité, son faible coût, sa grande capacité d'intégration et la possibilité de réaliser des circuits intégrés à base de technologies SiGe ou CMOS. Cependant, la forte tangente de pertes et la faible résistivité du silicium dégradent considérablement les performances des circuits passifs aux fréquences micro-ondes et millimétriques. Nos travaux ont donc consisté à développer de nouvelles filières technologiques à faibles pertes pour lever ce verrou technologique et permettre une intégration monolithique de composants passifs avec des circuits intégrés pour un coût très réduit. Le premier chapitre de ce mémoire est dédié à l'état de l'art des différentes solutions technologiques proposées pour contourner les mécanismes à l'origine des pertes dans les interconnexions coplanaires sur substrat silicium. Dans le second chapitre, nous présentons les différentes filières technologiques développées pour optimiser les performances des circuits passifs sur substrat silicium basse résistivité. La première consiste à utiliser une couche organique épaisse faibles pertes pour éloigner les circuits passifs du substrat silicium dispersif. La deuxième solution est basée sur la combinaison de micro-usinage de surface et de dépôt de couche épaisse de polymère toujours à faibles pertes. Enfin, la dernière approche consiste à suspendre nos circuits planaires sur une membrane en polymère afin de supprimer complètement le substrat silicium. Ces technologies ont permis une réduction d'au moins 75 % des pertes d'une ligne de transmission coplanaire 50 W, de même qu'une forte amélioration du facteur de qualité par rapport à une ligne coplanaire sur silicium massif. Le troisième chapitre est consacré à la mise en application de ces filières technologiques “faibles pertes” à un filtre coplanaire passe-bande centré à 60 GHz ainsi qu'à des antennes planaires fonctionnant dans la bande 24 GHz ISM. Enfin, le dernier chapitre est consacré au développement des briques technologiques nécessaires à l'intégration monolithique faible coût de composants passifs sur membrane polymère (tels que des antennes, inductances, filtres,. . . ) avec les circuits actifs à hétérostructure en SiGe. La compatibilité des principales étapes nécessaires à une telle intégration avec les circuits monolithiques intégrés MMIC a également été étudiée. Une règle de dessin a notamment été définie pour localiser le micro-usinage du silicium sans dégrader les performances des circuits intégrés.

  • Titre traduit

    Development of technological processes dedicated to the integration of millimetre-wave microsystems on silicon


  • Résumé

    Because of the spectrum overcrowding at low frequency, microwave and millimeter-wave bands are now allocated for commercial communication and radar systems. Therefore, a rapid development in microwave and millimeter-wave monolithic integrated circuits (MMICs) is required in term of cost, performances and miniaturization. Consequently, the use of silicon technologies is an attractive issue for the high frequencies communications systems. The silicon substrate presents indeed major advantages in term of cost, micromachining capability and direct integration of SiGe and CMOS circuits. Nevertheless, at microwave and millimetre-wave bands, the performances of interconnects and on-chip passives are limited by the low-resistivity and high dissipation factor of standard silicon substrate. This results in high losses and poor quality factor in the high frequency range. To overcome these drawbacks, this work investigates different technological issues to elaborate an ultra compact RF communication module with low cost and high performances. The first section of this work is dedicated to the state of the art of various approaches proposed to optimize the passive circuits' performances on low-resistivity silicon substrate. Secondly, we present different technological issues developed to improve both insertion loss and quality factor of passive components on standard silicon substrates. The first one consists in using thick low-k polymer layers to insulate interconnects and passive circuits from the lossy silicon substrate. The second solution is based on silicon surface micromachining trenches filled with an organic layer. Finally, the last approach consists in employing a bulk silicon micromachining associated to a polymer membrane in order to realize suspended passive components. An important improvement of both attenuation coefficient (superior to 75 %) and quality factor of the coplanar transmission lines is obtained with these technologies compared to classical CPW lines on bulk silicon. . .

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Informations

  • Détails : 1 vol. ( 154 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. f. 147-149

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2005TOU30202
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