Etude et compréhension du comportement des transistors TBH SiGe au-delà du BVCEO : Définition d’une aire de sécurité (SOA) dans ce régime de fonctionnement

Study of HBT operation beyond breakdown voltage : Definition of a Safe Operating Area in this operation regime including the aging laws

• Auteur / Autrice : Mathieu Jaoul
• Direction : Cristell Maneux, Thomas Zimmer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 05/05/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Yann Deval
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cristell Maneux, Thomas Zimmer, Yann Deval, Vincenzo D'Alessandro, Christophe Lallement, Didier Céli, Sorin Cristoloveanu, Gerhard Fischer, François Marc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincenzo D'Alessandro, Christophe Lallement

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tension de rupture

Détérioration

Transistors bipolaires à hétérojonctions

Mots clés libres

Hbt

Tension de claquage

Vieillissement

Soa

Hbt

Breakdown voltage

Aging

Soa

Résumé

Le développement de nouvelles filières BiCMOS permettra, grâce aux améliorations technologiques apportées aux TBH (Transistor Bipolaire à Hétérojonction) SiGe:C, d’atteindre des performance dynamiques au-delà de 0.5 THz. Un aspect important doit être investigué : il s’agit de l’aire de sécurité de fonctionnement (SOA : Safe operating area) au-delà du classique BVCEO. En effet, de par la complexité des futures architectures de TBH(comme la B55X de chez STMicroelectronics) et de par leur taille nanométrique, il est attendu une augmentation des effets physiques présents dans ces transistors. Par ailleurs,en raison de la dépendance croissante de la conception de circuits vis-à-vis des outils logiciels, on s’attend à devoir développer des efforts supplémentaires pour concevoir des modèles compacts davantage prédictifs. Ainsi, le sous-projet SOA est conçu pour décrire l’aire de sécurité de fonctionnement des TBH SiGe :C de taille nanométrique en vue de son intégration dans le modèle compact en tenant compte des aspects critiques.Dans le premier chapitre, une description précise des régimes de fonctionnement au delà de la tension de claquage BVCEO est développée. Le modèle compact HICUM est amélioré pour prendre en compte les mécanismes se produisant dans cette région afin de modéliser précisément le phénomène d’avalanche et l’effet de focalisation du courant au centre de l’émetteur. Une validation de ce nouveau modèle est réalisée au travers de simulations TCAD mais aussi par des caractérisations électriques de différents TBH de tailles variées et pour de multiples températures.Dans le second chapitre, le comportement des transistors bipolaires proche des limites de fonctionnement a été étudié. Une étude de l’effet de focalisation du courant et du phénomène de “snapback” est réalisée pour en définir précisement les limites de fonctionnementà forts courants et tensions et une zone de stabilité est définie.Dans de troisième chapitre, le vieillissement accéléré de TBH est réalisé pour des régimes de fonctionnement aux frontières de la zone de sécurité de fonctionnement. Un modèle de vieillissement est alors développé pour prendre en compte les mécanismes d’usure se produisant dans ces régimes de fonctionnement.En conclusion, ce travail a permis de modéliser de manière précise les TBH SiGe àforts courant et tensions tout en prenant en compte les mécanismes d’usure se produisant dans ces régimes de polarisation.

The development of new BiCMOS technology will be possible, thanks to the SiGe:CHBTs technological improvements to reach dynamic performance beyond 0.5 THz. Animportant aspect to be investigated is the Safe Operating Area (SOA) beyond the traditionalBVCEO. In fact, due to the complexity of future architectures of HBTs (likethe B55X from STMicroelectronics) and their nanoscale size, an increase of the wear-outmechanisms occurring in these transistors is expected. In addition, because of the increasingdependence of circuit design on software tools, it is expected that additional effortswill be required to develop more predictive compact models. Thus, the SOA sub-projectis designed to describe the functional safety area of nanoscale SiGe:C HBTs allowing thecompact model to take into account critical aspects.After a short introduction, a precise description of the transistor operations beyondthe breakdown voltage is detailed in the second chapter. The compact model HICUM isimproved to account for the mechanisms occurring in this region to accurately model theavalanche regime and the pinch-in effect. This new model is validated on TCAD simulationsand through electrical measurements on different devices, architecture, geometriesand temperatures.In the third chapter, the investigation is deepen towards the device border’s operation.A study of the pinch-in effect and the snapback behavior is therefore realized to understandthe operation limitations at high currents and voltages and a stable operation regime isintroduced.In the fourth chapter, accelerated aging tests are carried out at the boundaries of thesafe operating area to submit the transistor to thermal and hot carriers stresses during itsoperation. An aging model is developed to account for the wear-out mechanism occurringin that regime.To conclude, this work allowed to increase the modeling of SiGe HBTs at high voltagesand currents accounting for the wear-out mechanisms occurring in that operation regime.