Technologie SiGe*

SYSTEM PLUS
Technologie SiGe
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1. INTRODUCTION
Le développement des applications sans fil demande des composants électroniques qui
fonctionnent en hautes fréquences(GSM 900MHz 1800MHz ; bluetooth). De plus la
miniaturisation des systèmes pousse vers un circuit intégré qui contient toutes les fonctions.
Aujourd’Hui les étages radio fréquence et logique sont séparés ce qui oblige à avoir des
circuits spécifiques pour chaque module. Ainsi les composants qui font de la haute fréquence
sont souvent en arséniure de gallium, mais ce matériau est assez cher. C’est pourquoi se n’est
pas un candidat pour les composants qui ont toutes les fonctions. Le silicium germanium est
une possibilité car il peut être utilisé sur un composant silicium BICMOS (composant qui
contient des transistors CMOS classique et des transistors bipolaires ) classique. Il suffit de
modifier le flux de fabrications de transistors à jonction bipolaire BJT pour les transformer en
transistors bipolaires à hétérojonction HBT et d’intégrer les éléments passifs(inductance
capacité varactor résistance) nécessaire à l’émission et à la réception d’ondes.
2. LES AVANTAGES DU SIGE
Aujourd’hui le SiGe est surtout utilisé pour les composants analogiques actifs. Mais
l’évolution pousse vers un composant qui regroupera toutes les fonctions et qui sera
entièrement numérique. C’est pourquoi les fabricants essayent d’intégrer les parties LNA
VCO qui servent pour émettre et recevoir les ondes radios sur des composants Si CMOS
classiques. L’intérêt du SiGe est que l’on peut doper localement le composant pour fabriquer
des HBTs qui assureront le travail en haute fréquence. Un composant peut utiliser la
technologie silicium classique et avoir quelques transistors en SiGe.
Le SiGe est utilisé pour fabriquer des étages pour la haute fréquence. L’hétérostructure est
formée par le silicium et le germanium. Le bruit des transistors dipolaires est dû en priorité au
bruit thermique généré par la résistance de base rbb’(La résistance parasite de la région de
base du transistor) La réduction de la valeur de rbb’ améliore les caractéristiques de bruit,
pour ça il faut réduire la valeur de cette résistance. Il y a deux moyens, réduire la taille de
l’émetteur ou diminuer la résistivité du matériau en augmentant le dopage. Le germanium
permet d’augmenter le dopage. La présence de germanium dans la base de type p diminue la
bande interdite de 100mv et crée un champ électrique entre l’émetteur et le collecteur, HBT
de type npn. Les électrons traversent plus vite la base car ils sont soumis à un champ
électrique plus intense, la fréquence de transition augmente de 30% et il y a moins de bruit.
Pour une fréquence identique avec le SiGe il faut de 50 à 30% d’énergie en moins. Les HBT
sont plus performants que les BJT.
Les avantages des composants SiGe par rapport aux composants AsGa sont le coût, une plus
grande capacité de production(ligne silicium normale), l’alimentation qui est plus simple car il
ne faut pas de tensions négatives.
Utilisation possible :
radar anticollision 24GHz
Wireless voise data
Convertisseur A/N N/A échantillonneur directement sur le signal radio.
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Module de réception GPS à moindre coup.
Électronique au basse température
Composants pour optoélectronique fibre optique LED laser
Composants analogiques inductances capacités résistances dans les circuits
intégrés
3. LES TRANSISTORS
Le SiGe sert principalement pour la fabrication des transistors bipolaires mais il y a
aussi le VAHMOS qui est un MOS vertical et des CMOS qui utilisent du SiGe. Mais ce n’est
pas le but de cette étude.
Les composants BICMOS contiennent des transistors CMOS et bipolaire. Les CMOS
servent pour la logique, les cellules mémoires(DRAM etc. ) et les bipolaires pour les
applications très haute fréquence (émetteur récepteur radio fréquence, micro-onde etc. ). Les
transistors bipolaires travaillent en mode ECL(emitter coupled logic), c’est un fonctionnement
non saturé. La vitesse de commutation est importante (15 fois plus vite que le CMOS) mais la
consommation est très importante (plus de100 fois celle des CMOS ). Pour augmenter la
fréquence de commutation les résistances et les capacités parasites des transistors doivent être
diminuées c’est à l’origine des choix technologiques pour la fabrication des transistors
bipolaires. La présence de germanium dans la base permet également d’accroître la fréquence.
Les transistors bipolaires utilisés pour les hautes fréquences sont des npn car ils sont
plus rapides que les pnp. Dans les transistors bipolaires la zone la plus longue est le
collecteur. Il faut donc que le transfert des porteurs y soit le plus rapide possible. Le collecteur
est donc dopé n car les électrons se déplace plus vite que les trous.
Pour les transistors bipolaires seuls la base contient du germanium. Il y a deux formes
de dopage au germanium. La différence vient du pourcentage de germanium par rapport au
silicium dans la base et à l’épaisseur de la base.
Utilisé par IBM utilisé par TEMIC
Source document lucent
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Dans le modèle de IBM le taux de germanium passe de 0 à 15% (profil triangle) et la tension
de fonctionnement est de 3.3V à 5V. Le modèle de TEMIC a un taux de germanium constant
à 25% (profil rectangle)mais la base est moins épaisse, la tension de fonctionnement est de
6V. Le profil des bandes d’énergie est différent. La concentration en dopant est plus
importante dans la base que dans l’émetteur pour le deuxième cas. Le modèle utilisé par IBM
permet d’avoir des fréquence plus importante.
Schéma d’un transistor bipolaire
Source document Lucent
Pour ce transistor npn la base est la zone dopée p de largeur Wb. L’émetteur est
représenté par la zone n+ et le collecteur par la zone n. Le SiGe forme la base p.
Les zones dopées massivement sont suivies d’un + et sont moins résistives
Ref 1
Transistor bipolaire avec son isolation.
4. DEPOT DE SIGE
Les flux de fabrication de BICMOS existent déjà depuis plusieurs années. Pour les
plus anciens, les transistors bipolaires étaient fait par des implantations successives. Cette
technique ne permet pas d’avoir des bases peu épaisses. Le dopage de la base se fait en
profondeur, il faut une énergie importante ce qui provoque un élargissement de la zone
implanté. Si la base est peu épaisse la transition des porteurs est plus rapide et le transistor
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commute plus vite. Un amincissement de la base permet d’augmenter la fréquence de
fonctionnement. L’épitaxie permet de déposer une base très fine, quelque centaine de
nanomètres. De plus le dopage est fait en même temps et le recuit n’a pas besoin d’être aussi
important car le silicium n’est pas abîmé par une implantation. La diffusion de la base causée
par le recuit est beaucoup plus faible. Pour fabriquer des transistors bipolaires silicium
germanium, l’épitaxie est modifiée pour déposer le germanium en même temps. Le profil de
concentration du germanium n’est pas obligatoirement constant, le réacteur de CVD doit
pouvoir modifier la concentration des différents constituants.
Le dépôt d’une couche de silicium germanium n’est pas simple. A cause de la
différence de taille de la structure cristalline et de coefficients de température différents on ne
peut pas déposer facilement du Ge sur du Si. Il faut faire une épitaxie, pour des raisons
mécaniques il faut moins de 30% de Ge dans le composé. Une fine couche de SiGe est déposé
sur du Si. Pour contrôler la croissance du SIGE il faut que la température soit peu élevée
(<750°C) pour éviter des problèmes de matrice cristalline et il faut que le milieu soit très
propre, d’où une faible pression <0.01torr. Un moyen pour réduire les tensions dans le cristal
est d’implanter en même temps des atomes de carbone.
Les premières machines utilisées pour déposer le SiGe étaient des MBE(épitaxie par
jet moléculaire) ces machines sont très précises et donnes des couches de bonnes qualités
mais elles sont lentes et chères. Elles ne conviennent pas pour les grandes séries. Les
machines utilisées aujourd’hui pour déposer le SiGe sont les UHV-CVD (ultra high vacuum
chemical vapour deposition :dépôt par phase vapeur sous ultra vide) et les LP-CVD (low
pression CVD : dépôt sous basse pression). La basse pression permet d’avoir peu de particules
étrangères dans le cristal.
Le procédé UHV-CVD a été mis au point par IBM et l