Caractérisation et modélisation de la fiabilité des transistors et circuits millimétriques conçus en technologies BiCMOS et CMOS

par Salim Ighilahriz

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Philippe Benech et de Jean-Michel Fournier.

Le président du jury était Jean Gaubert.

Le jury était composé de Jean-Michel Fournier, Florian Cacho.

Les rapporteurs étaient Christophe Lallement, Nathalie Malbert.


  • Résumé

    De nos jours, l'industrie de la microélectronique développe des nouvelles technologies qui permettent l'obtention d'applications du quotidien alliant rapidité, basse consommation et hautes performances. Pour cela, le transistor, composant actif élémentaire et indispensable de l'électronique, voit ses dimensions miniaturisées à un rythme effréné suivant la loi de Moore de 1965. Cette réduction de dimensions permet l'implémentation de plusieurs milliards de transistors sur des surfaces de quelques millimètres carrés augmentant ainsi la densité d'intégration. Ceci conduit à une production à des coûts de fabrication constants et offre des possibilités d'achats de produits performants à un grand nombre de consommateurs. Le MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), transistor à effet de champ, aussi appelé MOS, représente le transistor le plus utilisé dans les différents circuits issus des industries de la microélectronique. Ce transistor possède des longueurs électriques de 14 nm pour les technologies industrialisables les plus avancées et permet une densité intégration maximale spécialement pour les circuits numériques tels que les microprocesseurs. Le transistor bipolaire, dédié aux applications analogiques, fut inventé avant le transistor MOS. Cependant, son développement correspond à des noeuds technologiques de génération inférieure par rapport à celle des transistors MOS. En effet, les dimensions caractéristiques des noeuds technologiques les plus avancés pour les technologies BiCMOS sont de 55 nm. Ce type de transistor permet la mise en oeuvre de circuits nécessitant de très hautes fréquences d'opération, principalement dans le secteur des télécommunications, tels que les radars anticollisions automobiles fonctionnant à 77 GHz. Chacun de ces types de transistors possède ses propres avantages et inconvénients. Les avantages du transistor MOS reposent principalement en deux points qui sont sa capacité d'intégration et sa faible consommation lorsqu'il est utilisé pour réaliser des circuits logiques. Sachant que ces deux types de transistors sont, de nos jours, comparables du point de vue miniaturisation, les avantages offerts par le transistor bipolaire diffèrent de ceux du transistor MOS. En effet, le transistor bipolaire supporte des niveaux de courants plus élevés que celui d'un transistor MOS ce qui lui confère une meilleure capacité d'amplification de puissance. De plus, le transistor bipolaire possède une meilleure tenue en tension et surtout possède des niveaux de bruit électronique beaucoup plus faibles que ceux des transistors MOS. Ces différences notables entre les deux types de transistors guideront le choix des concepteurs suivant les spécifications des clients. L'étude qui suit concerne la fiabilité de ces deux types de transistors ainsi que celle de circuits pour les applications radio fréquences (RF) et aux longueurs d'ondes millimétriques (mmW) pour lesquels ils sont destinés. Il existe dans la littérature de nombreuses études de la fiabilité des transistors MOS. Concernant les transistors bipolaires peu d'études ont été réalisées. De plus peu d'études ont été menées sur l'impact de la fiabilité des transistors sur les circuits. L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement de ces deux types de transistors mais aussi de les replacer dans le contexte de l'utilisateur en étudiant la fiabilité de quelques circuits parmi les plus usités dans les domaines hyperfréquence et millimétrique. Nous avons aussi essayé de montrer qu'il était possible de faire évoluer les règles de conception actuellement utilisées par les concepteurs tout en maintenant la fiabilité attendue par les clients.

  • Titre traduit

    Reliability characterization and modeling of transistors and millimetric waves circuits designed in BiCMOS and CMOS technologies


  • Résumé

    Nowadays, the microelectronics industry develops new technologies that allow the production of applications combining high speed, low power consumption and high performance. For this, the transistor, active elementary and essential component of electronics, sees its miniaturized dimensions at a breakneck pace following Moore's Law in 1965. This size reduction allows the implementation of several billion transistors on surfaces of a few square millimeters and increasing the integration density. This leads to a production at constant costs and offers opportunities for shopping performing products at a large number of consumers. The MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), field effect transistor, also called MOS transistor is the most used in different circuits coming from the microelectronics industries. This transistor has electrical lengths of 14 nm for the industrially most advanced technology and allows a maximum integration density specifically for digital circuits such as microprocessors. Bipolar transistor, dedicated to analog applications, was invented before the MOS transistor. However, the characteristic dimensions of the most advanced technologies for BiCMOS technology nodes is 55 nm. This type of transistor enables the implementation of systems requiring very high frequency operation, mainly in the telecommunications industry , such as automotive collision avoidance radar operating at 77 GHz. Each of these transistors has its own advantages and disadvantages. The advantages of MOS transistor are mainly based on two points that are its integration capacity and its low power consumption when used to implement logic circuits. Knowing that these two types of transistors are, nowadays, comparable on the miniaturization aspect, benefits of bipolar transistor differ from those of the MOS transistor. Indeed, the bipolar transistor supports higher current levels than a MOS transistor which gives it a greater ability of power amplification. Moreover , the bipolar transistor has an improved breakdown voltage and especially features electronic noise levels much lower than those of the MOS transistors. These significant differences between the two transistors types will guide the designers choice according to the customer specifications. The following study relates the reliability of these two transistors types as well as circuits for radio frequency (RF) applications and millimeter wavelengths (mmW) for which they are intended. There are in the literature many studies of the reliability of MOS transistors. Regarding bipolar transistors few studies have been conducted. In addition few studies have been conducted on the impact of the reliability of transistors on circuits. The objective of this work is to study the behavior of these two types of transistors but also to place them in the user context by studying the reliability of some of most used circuits in the microwave and millimeter fields. We also tried to show that it was possible to change the design rules currently used by designers while maintaining the expected reliability by the counsumers.


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