Dans un deuxième temps nous avons jugé intéressant de voir l’impact de tels recuits sur les paramètres en puissance des transistors bipolaires nominaux. Pour cela nous avons réalisé des mesures loadpull à 94 GHz selon le même protocole que celui déjà décrit précédemment et avec la même instrumentation. Pour cette série de mesure, les conditions de polarisation sont choisies telles que VCE = 1.8V, VBE est proche du maximum en fT et permet d’atteindre un
courant collecteur IC de 9 mA pour chacun des transistors à l’étude.
Figure 125 : Comparaison des paramètres en puissance GP Pout et PAE pour le composant de référence
(vert) et celui avec les recuits combinés (rouge)
Nous avons donc extrait le gain de puissance GP, la puissance de sortie Pout et le rendement
en puissance ajoutée PAE en fonction de la puissance injectée Pinj à l’entrée du quadripôle.
Leur comportement est représenté sur la Figure 125. Le tuner est réglé de telle sorte que l’impédance de sortie soit optimale : le tableau suivant montre que les deux composants sont optimisés en termes de puissance de sortie pour la même valeur d’impédance.
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Globalement l’ensemble des paramètres augmentent quelle que soit la puissance injectée. On constate l’augmentation du gain de +0.5dB en régime linéaire c’est-à-dire à faible puissance injectée mais également sur l’ensemble de l’intervalle balayé. En particulier la puissance de sortie augmente de +8% lorsqu’on atteint le régime de saturation.
La combinaison des deux recuits est donc également bénéfique pour les transistors bipolaires d’un point de vue puissance.
2.
Impact des deux recuit simultanés sur les transistors MOS
Pour les transistors MOS on retrouve les mêmes évolutions que décrites précédemment, les effets des deux recuits se sont simplement ajoutés. Encore une fois c’est un compromis diffusion / activation, sachant que le recuit post-base n’affecte pas les implantations poches et LDD qui déterminent le dopage final des sources et drains.
Figure 126 : IOFF vs ION pour les transistors NMOS LP 1x0,06µm² en fonction des essais croisés MSA et
recuit additionnel Réf. DSA + post-base VCE V 1,8 1,8 Γ mod 0,668 0,668 pha 120,2 120,2 Gp lin dB 8,7 9,3 dBm 5,7 6,2 mW/µm² 7,6 8,4 Gp @ 1dB dB 7,9 8,1 PAE@1dB % 16,3 17,6 dBm 6,6 6,6 mW/µm² 9,4 9,2 Gp @ maxPAE dB 7,3 7,8 maxPAE % 17,7 18,0 dBm 6,8 7,1 mW/µm² 9,7 10,5 Pout@1dB Pout@maxPAE Pout@sat
Chapitre III. Optimisation de la rés. de base et impact du budget thermique
135 Figure 127 : IOFF vs ION pour les transistors PMOS LP 1x0,06µm²en fonction des essais croisés MSA et
recuit additionnel
C’est donc principalement l’activation améliorée par le DSA qui joue sur les transistors MOS et qui les décalent. Les caractéristiques des MOS ne pouvant être changées par rapport aux critères industriels de la plateforme, on ne peut pas utiliser les recuits dans l’état mais grâce à des réajustements de certaines implantations pour un recentrage, l’usage de ces deux recuits est tout à fait envisageable et offre de belles perspectives d’amélioration. On peut même envisager d’utiliser un recuit DSA de température supérieure dans une étude d’optimisation du bipolaire, hors des contraintes d’intégration actuelles.
3.
Conclusion
Le budget thermique en nœud B55 par rapport aux nœuds précédents favorise la fréquence
fT en permettant des profils de diffusion limitée et donc plus abrupts. Mais les dopants sont alors moins activés et la résistance du lien de la base dégradée. En utilisant le recuit MSA à 1130°C d’une part, et un recuit additionnel post-base à 1010°C d’autre part, on compense la réduction du budget thermique et cela nous permet d’augmenter la fréquence fMAX de 22 GHz
pour très peu d’impact sur la fréquence fT par rapport à la référence. Les paramètres de
136
D. Conclusion du chapitre
Dans une première partie nous avons présenté les principaux paramètres qui intervenaient dans le réglage du profil de la base intrinsèque. L’adaptation de la position des jonctions entre les dopants par rapport au profil de germanium est cruciale pour un transistor rapide et stable. Nous avons également étudié différentes pistes pour optimiser le matériau utilisé pour le polybase pour une meilleure résistivité de celui-ci mais surtout pour améliorer la qualité du lien entre la base intrinsèque et la base extrinsèque constituée par le polybase. Malheureusement aucun de ces essais n’a montré de résultats répondant à notre objectif, souvent car la modification des propriétés du matériau s’accompagnent d’effets secondaires qui dégradent le fonctionnement du transistor et de ses performances. L’absence d’amélioration malgré les différents essais matériaux montre la limitation de l’architecture actuelle. Une nouvelle structure de la base et en particulier du lien est nécessaire pour permettre des avancées nettes dans le développement du transistor bipolaire.
Nous avons ensuite focalisé notre étude sur le lien et comment l’améliorer grâce au budget thermique. Pour cela nous avons étudié l’ajout d’un recuit après l’épitaxie de la base intrinsèque pour la diffusion du bore du polybase vers la base intrinsèque. On a montré une amélioration non négligeable de la résistance de base, qui se répercute sur les paramètres dynamiques du composant. Les bénéfices de ce recuit sont néanmoins dépendants du profil initial de la base.
Enfin, une dernière partie sur l’impact du budget thermique sur les profils de dopants montre des résultats très intéressants. L’utilisation d’un recuit laser millisecondes permet une meilleure activation des dopants et la réduction des résistances. Cela implique un décalage des composants MOS mais qui peut être corrigé grâce aux implantations poches et LDD des sources/drains, comme lors de l’intégration du bipolaire dans le nœud CMOS.
Combiné au recuit additionnel à 1010°C, ce recuit fixé à 1130°C fournit de très bons résultats : on montre une augmentation de +22 GHz en fMAX pour seulement -3 GHz en fT.
Dans un cadre où on ne serait pas limité par le réglage des MOS défini avant l’intégration BiCMOS, on peut imaginer qu’un recuit DSA de température supérieure permettrait d’aller au-delà des résultats actuels. Ces deux recuits représentent deux outils clés pour développer un transistor avancé au-delà de BiCMOS055.