Jury :

M. Frédéric ANIEL, Professeur des Université, Université Paris-Saclay, C2N UMR 9001, Rapporteur
M. Pascal MASSON, Professeur des Université, Université de Côtes d’Azur, Polytech’Lab UPR 7498, Rapporteur
M. Stéphane BILA, Directeur de Recherche CNRS, XLIM UMR 7252, Examinateur
Mme Marina DENG, Maîtresse de Conférences, Université de Bordeaux, IMS UMR 5218, Examinatrice
M. Jean-François ROBILLARD, Enseignant/Chercheur Junia, IEMN UMR 8520, Examinateur
M. Emmanuel DUBOIS, Directeur de recherche CNRS, IEMN UMR 8520, Directeur de thèse
M. Alain FLEURY, Senior Program Manager, STMicroelectronics Crolles, Invité
M. Stéphane MONFRAY, Senior Member of Technical Staff, STMicroelectronics Crolles, Invité

Résumé :

Microcavités pour composant RF-SOI_CMOS ultra-rapides pourapplication 5 G et au-delà

Le développement de chaque nouveau standard de communication mobile s’accompagne de spécifications de plus en plus strictes en ce qui concerne la bande passante, les pertes, la linéarité et le bruit dans les commutateurs radiofréquence (RF). Actuellement la technologie RF SOI-CMOS partiellement déplétée constitue la technologie de commutateurs la plus répandue pour le meilleur compromis atteint en termes de i) résistance à l’état passant Ron, ii) de capacité à l’état bloqué Coff, iii) de bande passante Ron.CoFf, iv) de tension de claquage BVos sous forte puissance RF et v) de rapport coût/performance. Après avoir épuisé les meilleures options d’architecture de transistor et de conception de masques, toute amélioration supplémentaire des performances requiert désormais des approches de rupture, dépassant le cadre des techniques conventionnelles. Dans ce contexte, cette thèse propose l’introduction d’une innovation technologique consistant à réduire le couplage capacitif parasite (CofF) par l’introduction de microcavités d’air dans le réseau d’interconnexion (back-end-of-the-line – BEOL), des technologies MOS.
En premier lieu, une méthodologie originale de modélisation a d’abord été développée afin de quantifier l’impact de ces microcavités sur la figure de mérite Ron-Coff. Deux approches de simulation complémentaires ont été mises en œuvre : la première traite le couplage électrostatique tridimensionnel au sein du BEOL, tandis que la seconde analyse le transport de charge et le couplage capacitif dans la structure intrinsèque du transistor en 2 dimensions (front-end-of-the-line, FEOL). Les résultats obtenus démontrent une réduction de CofF d’environ 30 % sans dégradation de Ron, et ce pour deux générations de commutateurs différenciées par leur dessin de masque (Tweeny et Nightingale). Sur le plan quantitatif, l’introduction de microcavités permet d’atteindre une valeur théorique de RoN-Coff = 55 fs, surpassant nettement l’état de l’art des commutateurs RF actuels. Enfin, une étude approfondie a montré pour la première fois que l’effet principal des microcavités d’air sur la réduction de Corf est obtenu lorsque leur pénétration s’étend jusqu’au premier niveau d’interconnexion métallique (M1).
En second lieu, des procédés de gravure nécessaires à la formation de microcavités dans les structures CMOS SOl ont été développés et optimisés. Plusieurs approches ont été étudiées, combinant la gravure à faisceau d’ions focalisés (FIB), précise mais générant une implantation de gallium limitant la gravure ultérieure par d’autres techniques telles que, la gravure RIE, contrôlable mais peu sélective en l’absence de masque et enfin la gravure à base d’acide fluorhydrique anhydre (HF) en phase vapeur, permettant une évacuation profonde et sélective de l’oxyde. Cette dernière a nécessité l’ajout d’une couche protectrice d’alumine déposée par ALD (Atomic Layer Deposition), dont une épaisseur minimale de 40 m a été identifiée pour résister à la gravure. Des solutions complémentaires, telles que l’ajout d’une couche d’AIN au-dessus de la couche de mise en contrainte du canal (CESL), ont été proposées pour protéger le transistor intrinsèque (FEOL) des effets parasites de gravure par HF vapeur. Bien que ces optimisations nécessitent une adaptation du flot technologique industriel, elles valident la faisabilité expérimentale du concept de microcavités complètes au sein des dispositifs RF SOI.
Enfin, la caractérisation électrique et radiofréquence des structures CMOS SOl intégrant des microcavités permet de conclure les travaux réalisés. Les mesures statiques ont d’abord permis de vérifier la fonctionnalité des dispositifs après gravure, certaines dégradations ayant pu être corrigées par un recuit thermique modéré (300-400 °C) sous atmosphère d’azote hydrogéné. Les mesures RF ont ensuite permis d’extraire les paramètres S, puis les valeurs de Ron et CorF sur une large bande de fréquences (150 MHz à 18 GHz). Les résultats montrent une réduction moyenne de CoFf de 12 à 18% pour les structures gravées, sans dégradation du Ron, voire avec une amélioration de 5 à 10 %. Les tests de tenue en puissance RF confirment également l’absence d’impact des cavités sur la fiabilité électrique des dispositifs. Enfin, la combinaison des mesures expérimentales positionne les structures Nightingale gravées par FIB parmi les meilleures de leur catégorie, atteignant des produits RoN-CoFF inférieurs à 70 fs, proches des valeurs simulées et se situant à la pointe de l’état de l’art.
Ces résultats valident expérimentalement l’intérêt des microcavités pour l’optimisation des commutateurs RF CMOS, confirmant les tendances prédites par la simulation. Néanmoins, la maîtrise complète du procédé, notamment la gravure sélective et la passivation des cavités, demeure un enjeu majeur. Les perspectives de ce travail résident ainsi dans la transposition du procédé vers une filière industrielle et l’amélioration de la reproductibilité afin d’accroître encore la tenue en puissance et de réduire le produit Ron CoFF vers les valeurs théoriques ciblées.

Microcavities engineering applied to ultra-fast SOI-RFCMOS devices for 5G and beyond

The development of each new mobile communication standard is accompanied by increasingly strict specifications regarding bandwidth, losses, linearity and noise in radio frequency (RF) switches. Currently, partially depleted SOI-CMOS RF technology is the most widely used switch technology because it offers the best compromise in terms of i) on-state resistance (RON), ii) off-state capacitance (COFF), iii) RON.COFF bandwidth, iv) breakdown voltage (BVDS) under high RF power, and v) cost/performance ratio. Having exhausted the best transistor architecture and mask design options, any further improvement in performance now requires disruptive approaches that go beyond conventional techniques. In this context, this thesis proposes the introduction of a technological innovation consisting of reducing parasitic capacitive coupling (COFF) by introducing air microcavities into the back-end-of-the-line (BEOL) interconnect network of MOS technologies.
First, an original modelling methodology was developed to quantify the impact of these microcavities on the RON•COFF figure of merit. Two complementary simulation approaches were implemented: the first deals with three-dimensional electrostatic coupling within the BEOL, while the second analyses charge transport and | capacitive coupling in the intrinsic structure of the transistor in two dimensions (front-end-of-the-line, FEOL).
The results obtained show a reduction in COFF of approximately 30% without degradation of RON for two generations of switches differentiated by their mask design (Tweeny and Nightingale). Quantitatively, the
introduction of microcavities makes it possible to achieve a theoretical value of RON-COFF = 55 fs, significantly
surpassing the state of the art of current RF switches. Finally, an in-depth study has shown for the first time that the main effect of air microcavities on COFF reduction is achieved when their penetration extends to the first level of metallic interconnection (M1).
Secondly, etching processes necessary for the formation of microcavities in CMOS SOl structures were developed and optimised. Several approaches were studied, combining focused ion beam (FIB) etching, which is precise but generates gallium implantation that limits subsequent etching by other techniques such as RIE etching, which is controllable but not very selective in the absence of a mask, and finally etching based on anhydrous hydrofluoric acid (HF) in the vapour phase, which allows deep and selective oxide removal. The latter required the addition of a protective layer of alumina deposited by ALD (Atomic Layer Deposition), with a minimum thickness of 40 nm identified as necessary to resist etching. Additional solutions, such as the addition of an AlN layer above the channel stress layer (CESL), were proposed to protect the intrinsic transistor (FEOL) from the parasitic effects of HF vapour etching. Although these optimisations require adaptation of the industrial technology flow, they validate the experimental feasibility of the concept of complete microcavities within RF SOl devices.
Finally, the electrical and radiofrequency characterisation of CMOS SOl structures incorporating microcavities allows us to conclude the work carried out. Static measurements were first used to verify the functionality of the devices after etching, with some damage being corrected by moderate thermal annealing (300-400 °C) in a hydrogenated nitrogen atmosphere. RF measurements were then used to extract the S parameters, followed by the RON and COFF values over a wide frequency band (150 MHz to 18 GHz). The results show an average reduction in COFF of 12 to 18% for the etched structures, with no degradation in RON and even an improvement of 5 to 10%. RF power handling tests also confirm that the cavities have no impact on the electrical reliability of the devices. Finally, the combination of experimental measurements places FIB-etched Nightingale structures among the best in their class, achieving RON-COFF products of less than 70 fs, close to simulated values and at the cutting edge of the state of the art. These results experimentally validate the value of microcavities for optimising CMOS RF switches, confirming the trends predicted by simulation. Nevertheless, complete mastery of the process, particularly selective etching and cavity passivation, remains a major challenge. The prospects for this work therefore lie in transferring the process to industrial production and improving reproducibility in order to further increase power handling and reduce the RON•COFF product to the targeted theoretical values.