Jury

• Eric RIUS (Professeur, Université de Brest) – Rapporteur
• Florence GARRELIE (Professeur, Université Jean Monnet – Saint-Etienne) – Rapporteur
• Marina DENG (Maitre de Conférence, Université de Bordeaux – IMS) – Examinatrice
• Emmanuel DUBOIS (Directeur de recherche CNRS, IEMN) – Directeur de thèse
• Guillaume DUCOURNAU (Professeur, Université de Lille-IEMN) – Co-directeur de thèse
• Daniel GLORIA (Ingénieur R&D, STMicroelectronics) – Co-encadrant
• Jean-François ROBILLARD (Enseignant-Chercheur, Junia/IEMN) – Invité
• Victor FIORESE (Ingénieur R&D, STMicroelectronics) – Invité

 Résumé :

Les technologies silicium avancées, telles que le BiCMOS B55X de STMicroelectronics, visant des fréquences de coupure fT/fmax supérieures à 400 GHz, permettent le développement de circuits dans la gamme 140-220 GHz (bande G). Pour valider ces technologies, les méthodes de caractérisation micro-ondes pour les mesures sur tranche (on-wafer) sont essentielles pour extraire les figures de mérite des transistors, des circuits passifs et des parasites associés. Cependant, les circuits à large bande, tels que les sources de bruit (NS), les récepteurs de bruit et les syntoniseurs d’impédance à ces fréquences sont très peu disponibles sur le marché. Des recherches antérieures ont démontré qu’il est possible d’intégrer directement des fonctions de mesure sur tranche en technologie BiCMOS B55, mais cette approche in-situ ou d’auto-test intégré (BIST, built-in self test) présente des limitations, notamment en termes de surface de silicium et parce que l’instrumentation BIST intégrée ne peut pas être utilisée pour une autre technologie.

Cette thèse élargit l’applicabilité de l’instrumentation de mesure au-delà du procédé B55X et vise à réduire les coûts de test en évoluant du BIST aux sondes intelligentes. Cette nouvelle approche se concentre sur l’intégration des fonctions de mesure dans un système compact placé aussi près que possible des sondes de mesure pour des mesures ex-situ.

S’appuyant sur des résultats de thèse précédents, la première source de bruit (NS) packagée, basée sur la technologie SiGe BiCMOS 55-nm, a été développée et caractérisée dans deux configurations distinctes. Dans une première approche, les mesures de bruit sur wafer ont permis d’extraire un niveau de rapport de bruit en excès (ENRav) de 37 dB dans la gamme 140- 170 GHz. Dans une approche alternative, la NS a été encapsulée dans un boîtier de type split- block avec une terminaison à bride WR5.1 pour une connexion aux sondes passives commerciales, atteignant un niveau ENRav allant jusqu’à 25 dB dans la gamme 140-220 GHz, ce qui correspond à une réduction de 12 dB de l’ENR par rapport aux mesures sur tranche.

Pour améliorer ces travaux, un des résultats clés de cette thèse est le développement de sondes Ground-Signal-Ground (GSG) pour les mesures sur tranche, fabriquées par micro- usinage laser femtoseconde avec une résolution comprise entre 5 et 10 µm. Ces sondes, fabriquées à partir d’un substrat de verre Schott AF32 d’une épaisseur de 100 µm et recouvert d’une feuille de nickel de 10 µm, démontrent une durabilité mécanique et des performances électriques améliorées. Alors que les sondes fabriquées à partir d’un substrat de verre sans couche de nickel atteignent la rupture mécanique pour une force de contact de 196 mN, les tests d’atterrissage ont révélé que les sondes en nickel-verre résistaient jusqu’à 667 mN. De plus, ces sondes ont démontré une résistance DC électrique de contact très faible atteignant 0,05 Ω pour une force d’appui supérieure à 6 mN.

En outre, cette recherche introduit une nouvelle technologie de substrat qui embarque une puce intégrant une source de bruit amplifiée en technologie B55X sur un interposeur en verre pour réduire les pertes diélectriques et de transition de mode de propagation. Grâce au micro- usinage laser femtoseconde, les interconnexions sont structurées avec précision, permettant l’intégration de la puce NS sur le même substrat que celui utilisé pour fabriquer les pointes de sonde coplanaires, avec l’avantage de simplifier le chemin de propagation du signal. Ce système a atteint un niveau ENRav ajustable jusqu’à 29 dB dans la gamme 140-170 GHz, avec une adaptation d’impédance de sortie meilleure que -12 dB sur l’ensemble de la bande de fréquences.

Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour des sondes actives millimétriques, rentables et évolutives, pour les mesures sur tranche.

Abstract :

Advanced silicon technologies, such as BiCMOS B55X from STMicroelectronics, which target fT/fmax cutoff frequencies above 400 GHz, are enabling the development of silicon circuits in the 140-220 GHz range (G-band). To validate these technologies, microwave characterization methods for on-wafer measurements are essential to extract the figures of merit of transistors, passive circuitry and associated parasitics. However, broadband circuits like noise sources (NS), noise receivers and impedance tuners at these frequencies are very incompletely covered by the market offer. Previous research demonstrated that embedding measurement functions directly onto silicon in BiCMOS B55 technology is possible, but this in-situ approach or built-in self-test (BIST) has certain limitations, particularly in terms of the silicon surface allocated to the test circuits alone and also because embedded BIST instrumentation cannot be used for another technology.

This thesis broadens the applicability of measurement instrumentation beyond the B55X process and aims to reduce testing costs by transitioning from BIST to smart probes. This new approach focuses on integrating measurement functions into compact systems placed as close as possible to the measurement probes for ex-situ measurements.

Building on earlier research achievement as part of a previous thesis, the first-ever packaged NS based on SiGe BiCMOS 55-nm technology was developed and characterized in two distinct configurations. In a first flavor, on-wafer noise measurements yielded an extracted excess noise ratio (ENRav) level of 37 dB in the 140-170 GHz. In an alternative approach, the NS was packaged in a split-block with a WR5.1 flange termination for connection to commercial passive probes, achieving an ENRav level of up to 25 dB in 140-220 GHz corresponding to a 12 dB ENR reduction when compared to the on-wafer measurements.

To improve on this work, a key achievement of the present thesis is the development of Ground-Signal-Ground (GSG) probes for on-wafer measurements fabricated using femtosecond laser micromachining with a resolution between 5-10 µm. These probes made from 100 µm thick Schott AF32 glass substrate bonded to a 10 µm thick nickel sheet, demonstrate improved mechanical durability and electrical performance. Nickel was chosen for the tip contacts due to its mechanical hardness and superior electrical properties, which minimize contact resistance and extend probe lifespan. Mechanical testing revealed that while glass-only probes failed at a contact force of 196 mN, the nickel-glass probes withstood forces up to 667 mN. Additionally, these probes achieved low-resistance electrical contacts (0.05 Ω above 6 mN), as verified through four-wire measurements on a single contact point.

Furthermore, this research introduces a novel substrate technology that integrates an amplified NS B55X chip onto a glass interposer to reduce dielectric and transition losses. Using femtosecond laser micromachining, the interconnects are precisely structured, allowing the integration of the NS chip on the same substrate used to manufacture the coplanar probing tips, with the advantage of simplifying the signal propagation path. This system achieved a tunable ENRav level of up to 29 dB in the 140-170 GHz range, with constant output impedance matching better than -12 dB across the entire frequency band. This innovation allows for the integration of the GSG probes with the NS to perform on-wafer noise measurements.

This research opens new possibilities for cost-effective, scalable millimeter-wave active probes for on-wafer measurements. Their adaptable design makes them suitable for diverse applications, advancing circuit characterization and high-frequency semiconductor testing.