(Sub)-millimeter wave on-wafer calibration and device characterization

par Marco Cabbia

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Thomas Zimmer, Sébastien Frégonèse et de Marina Deng.

Le président du jury était Philippe Ferrari.

Le jury était composé de Thomas Zimmer, Sébastien Frégonèse, Marina Deng, Philippe Ferrari, Christophe Gaquière, Marco Spirito.

Les rapporteurs étaient Christophe Gaquière, Marco Spirito.

  • Titre traduit

    Calibrage sur plaquette et caractérisation des dispositifs à ondes (sub)millimétriques


  • Résumé

    Les mesures de précision jouent un rôle crucial dans l'électronique, en particulier dans la caractérisation des transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) à base de silicium embarqués dans des dispositifs pour applications THz utilisant la technologie BiCMOS. Grâce aux innovations récentes en termes de fabrication de technologies à l'échelle nanométrique, les dispositifs capables de fonctionner dans la région des ondes submillimétriques deviennent une réalité et doivent répondre à la demande de circuits et de systèmes haute-fréquence. Pour disposer de modèles précis à de telles fréquences, il n'est plus possible de limiter l'extraction des paramètres en dessous de 110 GHz, et de nouvelles techniques permettant d'obtenir des mesures fiables de dispositifs passifs et actifs doivent être étudiées.Dans cette thèse, nous examinerons la caractérisation des paramètres S sur silicium (on-wafer) de différentes structures de test passives et des HBT SiGe en technologie B55 de STMicroelectronics, jusqu'à 500 GHz. Nous commencerons par une introduction de l'équipement de mesure habituellement utilisé pour ce type d'analyse, puis nous passerons aux différents bancs de mesure adoptés au laboratoire IMS, et enfin nous nous concentrerons sur les techniques de calibrage et d’épluchage (de-embedding), en passant en revue les principales criticités de la caractérisation haute-fréquence et en comparant deux algorithmes de calibrage on-wafer (SOLT et TRL) jusqu'à la bande WR-2.2.Deux cycles de production de photomasques pour la caractérisation on-wafer, tous deux conçus à l'IMS, seront présentés: nous introduirons un nouveau design du floorplan et évaluerons sa capacité à limiter les effets parasites ainsi que l'effet de son environnement (substrat, structures voisines et diaphonie). Pour notre analyse, nous nous appuierons sur des simulations électromagnétiques et des simulations EM mixtes de modèle compacte + sonde, toutes deux incluant les modèles des sonde pour une évaluation des résultats de mesure plus proche des conditions réelles.Enfin, nous présenterons quelques structures de test pour évaluer les impacts indésirables sur les mesures d'ondes millimétriques et de nouvelles solutions de conception de lignes de transmission. Deux designs prometteurs seront soigneusement étudiées: le "layout M3", qui vise à caractériser le DUT dans un étalonnage à un seul niveau, et les "lignes à méandre", qui maintiennent la distance entre les deux sondes constante en évitant tout déplacement pendant les mesures sur silicium.


  • Résumé

    Precision measurements play a crucial role in electronic engineering, particularly in the characterization of silicon-based heterojunction bipolar transistors (HBTs) embedded into devices for THz applications using the BiCMOS technology. Thanks to ongoing innovations in terms of nanoscale technology manufacturing, devices capable of operating in the sub-millimeter wave region are becoming a reality, and need to support the demand for high frequency circuits and systems. To have accurate models at such frequencies, it is no longer possible to limit the parameter extraction below 110 GHz, and new techniques for obtaining reliable measurements of passive and active devices must be investigated.In this thesis, we examine the on-wafer S-parameters characterization of various passive test structures and SiGe HBTs in STMicroelectronics' B55 technology, up to 500 GHz. We start with an introduction of the measuring equipment usually employed for this type of analysis, then moving on to the various probe stations adopted at the IMS Laboratory, and finally focusing on calibration and deembedding techniques, reviewing the major criticalities of high-frequency characterization and comparing two on-wafer calibration algorithms (SOLT and TRL) up to the WR-2.2 band.Two photomask production runs for on-wafer characterization, both designed at IMS, are considered: we introduce a new floorplan design and evaluate its ability to limit parasitic effects as well as the effect of the environment (substrate, neighbors, and crosstalk). For our analysis, we rely on electromagnetic simulations and joint device model + probe EM simulations, both including probe models for an evaluation of measurement results closer to real-world conditions.Finally, we present some test structures to evaluate unwanted impacts on millimeter wave measurements and novel transmission line design solutions. Two promising designs are carefully studied: the "M3 layout", which aims to characterize the DUT in a single-tier calibration, and the "meander lines", which keeps the inter-probe distance constant by avoiding any sort of probe displacement during on-wafer measurements.


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