Modélisation compacte des transistors bipolaires fonctionnant dans la gamme TeraHertz

SPICE Modeling of TeraHertz Heterojunction bipolar transistors

• Auteur / Autrice : Félix Stein
• Direction : Cristell Maneux, Nicolas Derrier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Zimmer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Celi, Sébastien Frégonèse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Lallement, Raymond Quéré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés -- Simulation par ordinateur

Transistors bipolaires à hétérojonctions

Mots clés libres

Transistors bipolaires à hétérojonction (TBH)

TBH à base de SiGe

Modélisation du transistor

Simulation du circuit

Modèle géométrique

Conception des circuits intègrés (CI)

Paramètres en régime de petit signal

Transistor bipolaire vertical auto-aligné,

Transistor bipolaire dans une simulation SPICE

Structure de test

Résistance de base

Résistance collecteur

Résistance d’émetteur

Effet Early

Heterojunction bipolar transistors

Silicon-germanium

SiGe

Semiconductor device models

Analytical geometrical model

Charge-based model

ICCR

Integrated circuit design

Small-signal model

Vertical bipolar junction transistor

Device simulation

Circuit simulation

Test structure

Base resistance

Collector resistance

Emitter resistance

Early effect

Résumé

Les études qui seront présentées dans le cadre de cette thèse portent sur le développement et l’optimisation des techniques pour la modélisation compacte des transistors bipolaires à hétérojonction (TBH). Ce type de modélisation est à la base du développement des bibliothèques de composants qu’utilisent les concepteurs lors de la phase de simulation des circuits intégrés. Le but d’une technologie BiCMOS est de pouvoir combiner deux procédés technologiques différents sur une seule et même puce. En plus de limiter le nombre de composants externes, cela permet également une meilleure gestion de la consommation dans les différents blocs digitaux, analogiques et RF. Les applications dites rapides peuvent ainsi profiter du meilleur des composants bipolaires et des transistors CMOS. Le défi est d’autant plus critique dans le cas des applications analogiques/RF puisqu’il est nécessaire de diminuer la puissance consommée tout en maintenant des fréquences de fonctionnement des transistors très élevées. Disposer de modèles compacts précis des transistors utilisés est donc primordial lors de la conception des circuits utilisés pour les applications analogiques et mixtes. Cette précision implique une étude sur un large domaine de tensions d’utilisation et de températures de fonctionnement. De plus, en allant vers des nœuds technologiques de plus en plus avancés, des nouveaux effets physiques se manifestent et doivent être pris en compte dans les équations du modèle. Les règles d’échelle des technologies plus matures doivent ainsi être réexaminées en se basant sur la physique du dispositif. Cette thèse a pour but d’évaluer la faisabilité d’une offre de modèle compact dédiée à la technologie avancée SiGe TBH de chez ST Microelectronics. Le modèle du transistor bipolaire SiGe TBH est présenté en se basant sur le modèle compact récent HICUMversion L2.3x. Grâce aux lois d’échelle introduites et basées sur le dessin même des dimensions du transistor, une simulation précise du comportement électrique et thermique a pu être démontrée.Ceci a été rendu possible grâce à l’utilisation et à l’amélioration des routines et méthodes d’extraction des paramètres du modèle. C’est particulièrement le cas pour la détermination des éléments parasites extrinsèques (résistances et capacités) ainsi que celle du transistor intrinsèque. Finalement, les différentes étapes d’extraction et les méthodes sont présentées, et ont été vérifiées par l’extraction de bibliothèques SPICE sur le TBH NPN Haute-Vitesse de la technologie BiCMOS avancée du noeud 55nm, avec des fréquences de fonctionnement atteignant 320/370GHz de fT = fmax.

The aim of BiCMOS technology is to combine two different process technologies intoa single chip, reducing the number of external components and optimizing power consumptionfor RF, analog and digital parts in one single package. Given the respectivestrengths of HBT and CMOS devices, especially high speed applications benefit fromadvanced BiCMOS processes, that integrate two different technologies.For analog mixed-signal RF and microwave circuitry, the push towards lower powerand higher speed imposes requirements and presents challenges not faced by digitalcircuit designs. Accurate compact device models, predicting device behaviour undera variety of bias as well as ambient temperatures, are crucial for the development oflarge scale circuits and create advanced designs with first-pass success.As technology advances, these models have to cover an increasing number of physicaleffects and model equations have to be continuously re-evaluated and adapted. Likewiseprocess scaling has to be verified and reflected by scaling laws, which are closelyrelated to device physics.This thesis examines the suitability of the model formulation for applicability to production-ready SiGe HBT processes. A derivation of the most recent model formulationimplemented in HICUM version L2.3x, is followed by simulation studies, whichconfirm their agreement with electrical characteristics of high-speed devices. Thefundamental geometry scaling laws, as implemented in the custom-developed modellibrary, are described in detail with a strong link to the specific device architecture.In order to correctly determine the respective model parameters, newly developed andexisting extraction routines have been exercised with recent HBT technology generationsand benchmarked by means of numerical device simulation, where applicable.Especially the extraction of extrinsic elements such as series resistances and parasiticcapacitances were improved along with the substrate network.The extraction steps and methods required to obtain a fully scalable model library wereexercised and presented using measured data from a recent industry-leading 55nmSiGe BiCMOS process, reaching switching speeds in excess of 300GHz. Finally theextracted model card was verified for the respective technology.