2.a Conditions d’implantation
G. Nouveaux résultats obtenus
II. Matrice de cellules unitaires
Des cellules unitaires ont été conçues et peuvent être arrangées matriciellement. Nous jouons ici sur deux paramètres :
la largeur du polybase, à travers la distance avec le bord du polyémetteur Wpbase,noCo qui varie entre +0.1µm, +0.2µm ou +0.3µm par rapport à l’émetteur
le nombre de cellules : 2*3 (longueur de la fenêtre émetteur unitaire = 0.93 µm) ou 2*5 (longueur de la fenêtre émetteur unitaire = 0.56 µm)
Figure 181 : Variation de la résistance de base RB et de la capacité base/collecteur CBC pour différentes
configurations des matrices de cellules
Dans un premier temps on voit sur la Figure 181 la variation de la résistance de base et de la capacité CBC. Toutes deux dépendent de la largeur polybase, de façon tout à fait cohérente
avec les résultats obtenus jusque-là. Pour une meilleure résistance de base il vaut mieux un polybase large, mais la capacité augmente alors, le meilleur compromis semble donc être à 0.2µm. On voit également l’impact du nombre de cellules : un plus grand nombre de cellules plus petites favorise la résistance de base au détriment de CBC. Deux explications pour cela :
d’une part la distance entre les contacts et le bord extrême du polybase est réduite ce qui potentiellement est bénéfique pour la résistance d’accès ; d’autre part la surface totale de recoupement entre la base et le collecteur est plus grande ce qui a un impact direct sur la capacité CBC.
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Figure 182 : Variation de la tension de claquage BVCEO et de la résistance émetteur RE pour différentes
configurations des matrices de cellules
La Figure 182 montre d’une part la dégradation de la tension de claquage BVCEO lorsque le
polybase est trop étroit autour du polyémetteur, confirmant la limite à ne pas dépasser au niveau de cette dimension. La résistance émetteur RE elle ne dépend pas de cette dimension
(de façon cohérente) mais augmente avec le nombre de cellules. Mais comme pour la structure avec émetteur fragmenté présentée dans (Geynet 2008), la division de l’émetteur
n’est pas favorable pour la résistance.
Figure 183 : Variation des fréquences fT et fMAX pour différentes configurations des matrices de cellules
Sur la Figure 183 sont représentées les fréquences fT et fMAX. On retrouve l’impact des
résistances et capacités directement sur les fréquences en jeu. Le choix du nombre de cellules va donc dépendre directement du compromis choisi, pour favoriser fT ou fMAX. Notamment
pour une cellule 2x5 avec une largeur polybase latérale de 0.2µm on obtient un couple fT/fMAX
de 300/310 GHz.
Les structures en cellules actuelles ne favorisent pas la résistance de base, particulièrement lorsque le polybase est trop fin, on retrouve le même problème que pour la structure créneau. De plus le nombre de contacts par paire de cellules est assez faible si bien que la résistance de contact à une contribution importante. Pour de nouveaux essais, le premier point d’optimisation semble donc être la connexion du polybase.
Chapitre IV. Une architecture bas coût avec collecteur totalement implanté
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III.
Comparaison des nouvelles structures embarquées
Pour chacun des structures comparées, la largeur de la fenêtre émetteur dessinée est la même et la fragmentation de la longueur a été faite pour conserver autant que possible une valeur totale égale à 5.56µm. Cependant les effets de fabrication font varier légèrement la valeur effective sur silicium : les effets de bord et les espaceurs sont susceptibles d’exacerber les différences géométriques. Pour cette partie nous avons gardé uniquement la meilleure structure cellules (2x5, Wpbase_noCo = 0.2µm).Le premier effet que l’on peut noter entre les différentes structures est celui sur la résistance émetteur, représentée Figure 185. On note trois niveaux de résistance qui s’expliquent par les différentes géométries de l’émetteur : en 1, 6 ou 10 fragments. La surface de recoupement B/C dessinée sur nos structures augmente légèrement et de façon proportionnelle en fonction de ce nombre de fragments.
Figure 184 : Evolution de la résistance émetteur en fonction des différentes structures
Figure 185 : Résistance de base et capacité B/C en fonction des différentes structures ; en fonction de la surface de recoupement entre le base et le collecteur
L’évolution de la résistance de base et de la capacité base collecteur (Figure 185) dépend en partie de cette surface. Un autre effet qui rentre en jeu est celui du nombre de contacts pour polariser le polybase, qui peut être insuffisant et dégrader la résistance d’accès comme c’est le cas pour la structure cellules.
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Figure 186 : Fréquences fT et fMAX, tension de claquage BVCEO pour les différentes structures avec
collecteur implanté
Finalement si on compare les résultats fréquentiels de ces différentes structures, on voit que la structure CBEBC (332/350 GHz) reste le meilleur candidat pour égaler la référence B55 (307/364 GHz). Le compromis est légèrement différent mais en changeant l’implantation SIC on peut espérer atteindre les mêmes niveaux.
La structure créneau (357/320 GHz) semble toujours intéressante pour atteindre un fort fT
mais le schéma de connexion n’est pas favorable ni pour la résistance de base ni pour la tension de claquage qui est dégradée. En revenant à une largeur Wpbase_noCo de 0.2 µm, cette
structure serait plus stable.
Les structures avec émetteur fractionné, CBEBC*6 (323/336 GHz) et Frag. Em (332/325 GHz), sont moins performantes que les précédentes. Notre hypothèse est que la fragmentation en 6 amène des surfaces effectives plus petites que prévues, ne fournissant pas une surface équivalente aux structures avec une seule fenêtre émetteur. Dans le cas de CBEBC*6 et malgré la diminution de RB, la structure est en effet un peu moins performante.
Enfin la structure avec cellules (300/306 GHz) s’avère être la moins performante de toutes. Ce résultat n’est pas étonnant étant donné les dégradations simultanées des résistances RB et RE ainsi que la capacité CBC due à une surface B/C accrue.
Chapitre IV. Une architecture bas coût avec collecteur totalement implanté
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H. Conclusion du chapitre
Ce chapitre a fait l’étude du développement d’un composant bas-coût obtenu en retirant les modules couche enterrée, puits collecteur et DTI, à travers des simulations, la conception et la réalisation de structures dédiées. L’implantation d’arsenic en surface remplace la couche enterrée fortement dopée et est permise par la modification de la structure du transistor. L’étude des règles de dessin a permis d’identifier les différents compromis RB/CBC, de
déterminer le besoin en DTI et la largeur nécessaire du STI extérieur pour une bonne isolation.
Afin de favoriser la fréquence fT, une implantation phosphore a été rajoutée en plus de
l’arsenic, pour réduire la résistivité du collecteur, mais cela aux dépends de la capacité base/collecteur CBC, si bien que la fréquence fMAX est légèrement dégradée par rapport aux
essais précédents et de la capacité collecteur/substrat qui devient supérieure à la référence. Après les premières phases de développement d’un transistor à collecteur implanté, on atteint 96% de la valeur de fT pour la référence et 91% pour fMAX avec une structure CBEBC
simplifiée par rapport à la référence B55 et une double implantation As et P. La structure créneau permet quant à elle de dépasser cette fréquence fT pour un même module
émetteur/base, mais aux dépends de la résistance de base et donc de la fréquence fMAX. De
bonnes performances sont ainsi atteintes pour un transistor qui est sensiblement moins complexe donc moins coûteux.
De nouveaux résultats ont été obtenus après la fin de cette thèse. Les nouvelles structures cellules ou l’insertion d’une nouvelle implantation sous les contacts du collecteur n’ont pas permis de dépasser les résultats obtenus précédemment. Cependant grâce à l’amélioration du module collecteur dans le cadre du développement de la technologie BiCMOS055, nous avons montré une structure CBEBC aux performances quasi-équivalentes à l’architecture de référence.
Cette étude d’un transistor avec collecteur tout implanté est aujourd’hui d’intérêt face à la complexité de l’intégration de certains éléments comme les DTI ou la couche enterrée, dans les technologies avancées ; et particulièrement dans le cadre du développement d’une technologie bipolaire su FDSOI.