Tesis sobre el tema "Fiabilité RF"

Le développement des technologies CMOS à l'échelle nanométrique a fait émerger de nombreux défis sur le rendement et la fiabilité des composants. Les prochaines générations de circuits AMS et RF souffriront d'une augmentation du taux de défaillance durant le temps d'opération. Dans ce travail de thèse, nous proposons une nouvelle approche pour la conception d'un frontal RF en CMOS 65 nm. L'objectif principal de ce travail est d'améliorer la conception de circuits du frontal RF basée sur la recherche des nouveaux compromis imposés par la variabilité du transistor et la dégradation par vieillissement. Ce travail de thèse propose un nouveau flot de conception des circuits fiables en s'appuyant sur la conception d'un frontal radio. Le frontal RF utilise une architecture à conversion directe. Il est composé de trois principaux blocs : le BLIXER, regroupant un balun, un amplificateur large bande à faible bruit et un mélangeur I-Q; l'oscillateur contrôlé numériquement (DCO), et l'amplificateur de gain programmable (PGA) avec le filtre passe-bas. Nous avons mis en œuvre des circuits fiabilisés pour le cas d'étude du frontal radio dans une approche bottom-up et top-down. Ainsi, nous avons pu lier les étapes de la conception dans une méthode générale qui est la proposition d'un nouveau flot de conception des circuits fiables. Par la démonstration des compromis imposés par le vieillissement et la variabilité des composants en CMOS 65 nm, nous sommes capables de prédire les tendances dans les technologies à venir et nous mettons en évidence le besoin d'un flot de conception des circuits AMS/RF qui prenne en compte les dégradations des performances par le vieillissement et la variabilité.

Depuis toujours la longueur de pulse et le rapport cyclique n’ont cessé d’augmenter afin d’accroître les performances du radar. Ces fortes exigences de fonctionnement ont augmenté la quantité de contraintes appliquées aux transistors qui constituent les modules de puissance dans les radars et ont un impact direct sur leurs temps de vie. Une connaissance approfondie de cet impact est nécessaire pour une meilleure estimation de la fiabilité des modules et des transistors qui la composent. C’est pour toutes ces raisons, qu’une étude a été engagée pour élaborer de nouvelles méthodes d’investigations de la fiabilité des composants RF de puissance en conditions de fonctionnement Radar pulsé. Par conséquent, ce travail présente un banc de fiabilité, dédié spécifiquement à des tests de vie sur des composants RF de puissance sous des conditions de pulse RF pour une application radar. Un transistor RF LDMOS a été retenu pour nos premiers tests en vieillissement accélérés sous diverses conditions (DC, RF, température et TOS). Des caractérisations électriques (I-V, C-V et paramètres [S]) ont été effectués. Ainsi, un examen complet de ces paramètres électriques critiques est exposé et analysé. Toutes les dérives des paramètres électriques après un vieillissement accéléré sont étudiées et discutées. D’après l’analyse de ces résultats, on constate que plus la température est basse, plus les dérives des paramètres électriques significatives sont élevées. Pour comprendre les phénomènes physiques de dégradation, mis en jeu dans la structure, nous avons fait appel à une simulation physique 2-D (Silvaco-Atlas). Finalement, le mécanisme de dégradation proposé pour le RF LDMOS est la création d’états d’interface par les porteurs chauds (pièges)
Since their early implementation, the length of pulses and the cyclic report/ratio did not cease increasing in order to increase the radar performances. These strong requirements of operation increased the quantity of pressure applied to the transistors, which constitue the modules of power in the radars and have a direct impact over their life times. A thorough knowledge of this impact is necesary for a better estimation of the reliability of modules and transistors, which make it up. It is for all these reasons that a study was committed to work out new investigation methods of the power RF components under RF pulses conditions for a radar application. A transistor RF LDMOS was retained for our first tests in accelerated ageing under various conditions (DC, RF, temperature and TOS). Electric characterizations (I-V, C-V and [S] parameters) were carried out. Thus, a complete examination of these critical electric parameters is exposed and analysed. All electric parameter drift after an accelerated ageing are studied and discussed. According to the analysis of these results, one notes that the lower the temperature is, the more important the drifts int the significant electric parameters. In order to understand the physical degradation phenomena inside the structure, we performed a 2-D physical simulation (Silvaco-Atlas). Finally, the degradation mechanism proposed for RF LDMOS is the interface states creation by the hot carriers (traps)

Ces dernières années, de nouveaux composants micro-ondes sont apparus : les micro­ commutateurs RF MEMS. Bien que ces composants soient encore absents des systèmes spatiaux, l'intérêt que leur porte l'industrie spatiale est grandissant car ils apparaissent comme une solution adéquate pour réduire le coût des missions et améliorer les performances tout en conservant l'intégrité de celles-ci (volume, masse, consommation). Cependant une problématique majeure de la technologie MEMS concerne leur fiabilité. Les travaux développés dans ce manuscrit visent à mettre en place des méthodes de caractérisation pour évaluer la fiabilité des microsystèmes, plus particulièrement des commutateurs MEMS. Le premier chapitre présente un état de l'art des mécanismes de défaillance identifiés dans les commutateurs à ce jour. Le deuxième chapitre expose les moyens expérimentaux et les techniques pour déterminer les propriétés des matériaux. On y étudie plus en détail la caractérisation par nanoindentation et les méthodes pour estimer les contraintes résiduelles. Le troisième chapitre est consacré à la conception, réalisation et caractérisation d'un commutateur. Le but est de saisir les enjeux technologiques de la chaîne de développement d'un composant MEMS pour obtenir un procédé fiable. Dans le quatrième chapitre, nous effectuerons l'étude de cas d'un commutateur dont le procédé de fabrication est déjà fiabilisé. Cette étude se fait à travers une approche combinant l'utilisation des outils de modélisation et d'expérimentation. - Nous évaluerons la fiabilité liée à l'utilisation du MEMS et à son environnement afin de l'améliorer en jouant sur l'étape de conception.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur la caractérisation et l’analyse des mécanismes de défaillances qui apparaissent dans une nouvelle famille de composants microondes : les MEMS-RF (Systèmes Micro-Electro-Mécanique RadioFréquence). Si ces composants ont rapidement suscité beaucoup d’espoirs pour résoudre un grand nombre de verrous concernant les nouvelles architectures de communication, il est apparu que la fiabilité de ces composants a énormément ralenti leur développement industriel. De plus, ces micro-commutateurs résultent d’un couplage multi-physique qui a ajouté une forte complexité et une difficulté de compréhension de leur fonctionnement et donc leur fiabilité. Actuellement, de nombreux et intenses efforts sont réalisés par la communauté scientifique (universitaire et industrielle), car ce sujet reste ouvert à de nombreuses questions et problèmes non résolues. Ce document se propose d’apporter une contribution sur ce sujet à la fois sur le plan expérimental, théorique et technologique
The work presented in this manuscript focus on the characterization and analysis of failure mechanisms that appear in a new family of microwave components and RF MEMS (RadioFrequency Micro-Electro-Mechanical Systems). If these components have quickly attracted a lot of hopes to solve a large number of locks on new communication architectures, it appeared that the reliability of these components has greatly slowed their industrial development. Moreover, these micro-switches result from a multi-physics coupling which added a high complexity and difficulty of understanding how they work and thus their reliability. Currently, numerous and intense efforts are made by the scientific community (university and industry), as this issue was left open many questions and unresolved problems. This thesis aims to contribute on this area, both on experimental, theoretical and technological plans

Le développement de la technologie SOI CMOS a contribué à l'évolution rapide des systèmes de communication RF/mmW qui jouent un rôle critique dans le déploiement des réseaux 5G. Pour répondre aux objectifs de performance des spécifications 5G, des schémas de modulation complexes utilisent des niveaux de puissance crête sur puissance moyenne (PAPR) élevés générés par l'amplificateur de puissance (PA). Ces niveaux de puissance élevés ont un impact important sur la fiabilité du dispositif en raison des limites en tension de la technologie CMOS moderne. Dans les premières étapes de la conception, des modèles de vieillissement précis peuvent être utilisés pour évaluer le compromis entre les performances et la fiabilité en considérant le profil de mission RF spécifique. Les deux mécanismes de fiabilité CMOS principaux trouvés dans les profils de mission RF PA sont l'injection de porteurs chauds (HCI) et le claquage d’oxyde de grille en état « off » (off-TDDB). La première partie de cette thèse vise à consolider le modèle de vieillissement HCI en utilisant une méthodologie de vieillissement RF/mmW bien établie en effectuant une corrélation modèle-hardware (MHC) dans des conditions de stress DC accélérées et RF 28GHz pour différentes topologies de cellules PA. La MHC, validée pour le transistor PA avant (appelé « fresh ») et après la dégradation, est ensuite utilisée pour effectuer une analyse de sensibilité basée sur la simulation afin d'évaluer l'impact des différents paramètres de carte de modèle sur la précision de la modélisation RF HCI. Les résultats ont montré que la précision du modèle « fresh »et dégradé peut influencer l'estimation de la dégradation RF, ce qui souligne l'importance d'un modèle de dégradation décrit par les effets physiques du transistor. La deuxième partie de cette thèse se concentre sur la validité de l'approche de modélisation RF pour la fiabilité « off-state » (dégradation HCI et TDDB). Une structure de test intégrée générant des formes d'ondes de stress RF off-state à DC, 500 MHz et 1 GHz pour évaluer la dépendance en fréquence dans la modélisation de la fiabilité RF off-state. Une dégradation paramétrique suivant une loi en puissance a été observée suite aux mesures de stress HCI « off-state » en DC et RF (500 MHz et 1 GHz), suggérant la validité de l'approche de modélisation quasi-statique pour la dégradation HCI. D'autre part, la caractérisation off-TDDB RF montrent une augmentation du temps de claquage avec l'augmentation de la fréquence, en particulier un facteur de gain de x2 à 1 GHz par rapport à TDDB DC. Cette étude a ensuite été étendue aux séquences de stress HCI RF « on-state » et « off-state », révélant une interaction négligeable entre les deux mécanismes de dégradation, ce qui donne lieu à une approche de modélisation de dégradation additive. La dernière partie de cette thèse fournit une preuve de concept pour démontrer la compensation du vieillissement d'un PA RF à 28 GHz. Cela s’appuie sur la conception d'une boucle de rétroaction négative pour le contrôle de polarisation adaptatif « body-bias » sur puce en technologie FDSOI qui compense partiellement la dérive de tension de seuil induite par le stress HCI RF
The development of SOI CMOS technology has greatly contributed to the rapid evolution of RF/mmW communication systems which play a critical role in the deployment of 5G networks. To meet the performance targets of 5G specifications, complex modulation schemes use high peak-to-average-power (PAPR) levels that are generated by the power amplifier (PA). The high-power levels, in turn, impact the device reliability due to the voltage handling limits of modern CMOS technology. At early design stages, accurate aging models can be leveraged to assess the trade-off between performance and reliability in consideration of the targeted RF mission profile. The two dominant CMOS reliability mechanisms found in RF PA mission profiles are hot-carrier injection (HCI) and off-state time-dependent dielectric breakdown (off-TDDB). The first part of this thesis aims to consolidate the HCI aging model using well-established RF/mmW aging methodology by performing model-to-hardware correlation (MHC) at accelerated DC and 28GHz RF stress conditions for different PA cell topologies. The MHC, validated for fresh and degraded PA device, is then used to perform a simulation-based sensitivity analysis to evaluate the impact of different model card parameters on the accuracy of RF HCI modeling. The results showed that both fresh and degradation model precision affects the RF degradation estimation, which highlights the significance of a degradation model described by physical effects of the device. The second part of this thesis focuses on the validity of RF modeling approach for off-state reliability (HCI degradation and TDDB). An integrated test structure generating off-state RF stress waveforms at DC, 500MHz and 1GHz to evaluate the frequency dependence in off-state reliability modeling has been designed. Time-power law parametric degradation has been observed in DC and RF (500MHz and 1GHz) off-state HCI stress measurements, suggesting the validity of quasi-static modeling approach for off-state HCI degradation. On the other hand, off-state RF TDDB characterization demonstrate increasing time-to-breakdown with increasing frequency, in particularly a gain factor of x2 at 1GHz compared to DC TDDB. This study was then extended to on and off-state RF HCI stress sequences revealing negligible interaction between the two degradation mechanisms, resulting in an additive degradation modeling approach. The last part of this thesis provides proof of concept to demonstrate aging compensation of a 28GHz RF PA. This is done by implementing the design of a negative feedback loop for on-chip adaptive body bias control in FDSOI technology which partially compensates the threshold voltage drift induced by RF HCI stress

Ces travaux de thèse visent à aborder la fiabilité des composants RF-MEMS (commutateurs en particulier) pendant la phase de conception en utilisant différents approches de procédés de fabrication. Ça veut dire que l'intérêt est focalisé en comment éliminer ou diminuer pendant la conception les effets des mécanismes de défaillance plus importants au lieu d'étudier la physique des mécanismes. La détection des différents mécanismes de défaillance est analysée en utilisant les performances RF du dispositif et le développement d'un circuit équivalent. Cette nouvelle approche permet à l'utilisateur final savoir comment les performances vont évoluer pendant le cycle de vie. La classification des procédés de fabrication a été faite en utilisant le Technology Readiness Level du procédé qui évalue le niveau de maturité de la technologie. L'analyse de différentes approches de R&D est décrite en mettant l'accent sur les différences entre les niveaux dans la classification TRL. Cette thèse montre quelle est la stratégie optimale pour aborder la fiabilité en démarrant avec un procédé très flexible (LAAS-CNRS comme exemple de baisse TRL), en continuant avec une approche composant (CEA-Leti comme moyenne TRL) et en finissant avec un procédé standard co-intégré CMOS-MEMS (IHP comme haute TRL) dont les modifications sont impossibles
This thesis is intended to deal with reliability of RF-MEMS devices (switches, in particular) from a designer point of view using different fabrication process approaches. This means that the focus will be on how to eliminate or alleviate at the design stage the effects of the most relevant failure mechanisms in each case rather than studying the underlying physics of failure. The detection of the different failure mechanisms are investigated using the RF performance of the device and the developed equivalent circuits. This novel approach allows the end-user to infer the evolution of the device performance versus time going one step further in the Design for Reliability in RF-MEMS. The division of the fabrication process has been done using the Technology Readiness Level of the process. It assesses the maturity of the technology prior to incorporating it into a system or subsystem. An analysis of the different R&D approaches will be presented by highlighting the differences between the different levels in the TRL classification. This thesis pretend to show how reliability can be improved regarding the approach of the fabrication process starting from a very flexible one (LAAS-CNRS as example of low-TRL) passing through a component approach (CEA-Leti as example of medium-TRL) and finishing with a standard co-integrated CMOS-MEMS process (IHP example of high TRL)

Ces travaux de thèse visent à aborder la fiabilité des composants RF-MEMS (commutateurs en particulier) pendant la phase de conception en utilisant différents approches de procédés de fabrication. Ça veut dire que l'intérêt est focalisé en comment éliminer ou diminuer pendant la conception les effets des mécanismes de défaillance plus importants au lieu d'étudier la physique des mécanismes. La détection des différents mécanismes de défaillance est analysée en utilisant les performances RF du dispositif et le développement d'un circuit équivalent. Cette nouvelle approche permet à l'utilisateur final savoir comment les performances vont évoluer pendant le cycle de vie. La classification des procédés de fabrication a été faite en utilisant le Technology Readiness Level du procédé qui évalue le niveau de maturité de la technologie. L'analyse de différentes approches de R&D est décrite en mettant l'accent sur les différences entre les niveaux dans la classification TRL. Cette thèse montre quelle est la stratégie optimale pour aborder la fiabilité en démarrant avec un procédé très flexible (LAAS-CNRS comme exemple de baisse TRL), en continuant avec une approche composant (CEA-Leti comme moyenne TRL) et en finissant avec un procédé standard co-intégré CMOS-MEMS (IHP comme haute TRL) dont les modifications sont impossibles.

Les microsystèmes électromécaniques radiofréquence (MEMS RF) sont devenus ces dernières années des composants très prometteurs pour l’amélioration des performances des circuits hyperfréquences. La possibilité de les intégrer avec des dispositifs classiques CMOS est aussi un avantage décisif. Par contre, la fiabilité des composants MEMS RF constitue le problème le plus important qui empêche souvent leur industrialisation. Dans ce mémoire une étude du fonctionnement des composants MEMS RF capacitifs est effectuée. Nous présentons la technologie compatible CMOS adoptée pour leur réalisation et les problèmes de fiabilité liés à cette technologie. Les outils de caractérisation spécifiques à l’étude de la fiabilité sont décrits. Nous proposons une modélisation analytique du comportement électromécanique qui est comparée aux analyses par éléments finis des modèles 3D des MEMS RF capacitifs. Les tests électriques des capacités accordables ont révélé divers problèmes de fiabilité, telle qu’une dépendance temporelle des caractéristiques électro-mécaniques et une forte sensibilité à la température. Le rôle de l’environnement de mesure et les difficultés qui en résultent sur l’interprétation des résultats expérimentaux sont également mise en évidence
In the last years radio-frequency micro-electromechanical systems (RF MEMS) have become very promising components for the improvement of the performances of highfrequency circuits. The possibility of integrating them with standard CMOS devices is a decisive advantage. On the other hand, the reliability of these RF MEMS components still constitutes a major drawback that frequently inhibits their industrialisation. In this thesis, a study of the operation of capacitive RF MEMS is carried out. We present the CMOS-compatible technology adopted for the fabrication and the reliability problems related to it. Specific characterisation tools for the reliability study are also presented. We propose an analytical modelling of the electromechanical behaviour of capacitif RF MEMS which is then compared to finite element 3D analysis. The electrical tests of the tuneable capacitors have revealed various reliability problems, like time-dependent electromechanical characteristics as well as their strong dependence on temperature. The role of the test environment and the resulting difficulties in the interpretation of the experimental data are also demonstrated

Ce manuscrit traite de la fiabilité de micro-composants électro-mécaniques que l'on appelle des MEMS (Acronyme anglais signifiant Micro-Electro-Mechanical Systems). Les MEMS sont utilisés dans un grand nombre de domaines et le domaine qui nous concerne est celui des télécommunications. Plus précisément, notre domaine de travail se situe autour des radio-fréquences où les MEMS vont principalement réaliser des fonctions de commutation. On appellera ainsi nos composants des MEMS-RF, RF signifiant Radio-Fréquence. Dans ce domaine, les MEMS sont des candidats à fort potentiel grâce à une faible consommation de puissance, leur performance dans le domaine RF, leur encombrement et leur poids. De plus, en utilisant un procédé de fabrication dérivé de celui des semi-conducteurs, leur coût de production reste relativement faible. Dans ce manuscrit, on s'intéresse à la fiabilité de ces composants car c'est le dernier verrou avant une éventuelle industrialisation. Les principaux mécanismes de défaillance sont abordés dans une première partie, puis ce manuscrit se concentre sur l'étude du fluage mécanique et des facteurs d'accélération de modes de défaillance. On verra notamment l'influence de la température et des conditions de fonctionnement sur la durée de vie des commutateurs
The thesis deals with reliability of tiny electro-mechanical components called MEMS. MEMS stands for Micro-Electro-Mechanical Systems. These components, designed for switching applications, are suitable candidates for telecommunications due to their low power consumption, Radio-Frequencies (RF) performances, compactness and lightness. A MEMS is fabricated using processes of integrated circuit manufacturing that makes its cost relatively low. Few of these components are commercially available and more are expected to be in the market as soon as reliability issues will be solved. Reliability issues studied in the thesis regard mechanical creep and acceleration factors. The mechanical creep occurs in our suspended structures whilst enduring a constant force, it results in deformation of structures and shift of parameters. Two innovative test benches are developed to assess mechanical creep in RF-MEMS switches. The acceleration factors are keys to conduct accelerated testings and predict lifetime of RF-MEMS switches. Parameters such as bias voltage, input-to-output voltage, temperature are varied to assess lifetime of switches and extract these acceleration factors

Au cours des dernières années, l’essor spectaculaire des microsystèmes (ou MEMS), qui touche tous les domaines industriels, est à l’origine de nombreux et nouveaux progrès technologiques. Néanmoins, dans ce contexte prometteur de large envergure, la fiabilité des MEMS s’avère être la problématique à améliorer pour franchir la phase d’industrialisation à grande échelle. C’est dans le cadre de cette thématique de fiabilité des microsystèmes, que s’inscrit ce travail.La température étant un paramètre majeur entrant dans de nombreux mécanismes d’endommagement des MEMS, notre étude présente la conception et la réalisation d’un banc de thermographie infrarouge de haute résolution (2 µm), associé à la mise en œuvre d’une méthodologie d’analyse et de traitement des mesures infrarouges.Ce dispositif innovant permet un diagnostic in-situ, sans contact et rapide des défaillances des MEMS par mesures locales et quantitatives des pertes thermiques associées. Cet outil constitue une avancée importante pour détecter, mesurer et comprendre les mécanismes d’endommagement des MEMS. Il nous permet de reconstituer des images thermiques de tout type de microsystème en cours de fonctionnement ou soumis à des tests de vieillissement accéléré, et ceci afin de réaliser une analyse fine et rapide de leur fiabilité.Ce travail apporte de nouveaux résultats en ce qui concerne la détection des mécanismes de défaillance de différents types de MEMS-RF et tout particulièrement des MEMS-RF avec contact électrique
Over the last few years, considerable effort has gone into the study of the failure mechanisms and reliability of MicroElectroMechanical Systems (MEMS). MEMS performance and reliability are affected by many parameters, such as the complex physical interactions between thermo-mechanical deformation, current flow, high power actuation and contact heating. In particular, temperature is a key issue for the design of a low loss and reliable MEMS. In order to improve device reliability it is essential to understand the thermal behaviours of RF-MEMS under standard or harsh current conditions. In this work, we present a new approach to investigate the failure mechanism of MEMS. An original set-up has been developed to localise and measure the heat loss of MEMS during actuation. Thermal characterization has been performed using infrared thermography to investigate the thermal sensitivity of MEMS. A brand new infrared bench was developed for temperature distribution measurement. An infrared camera, operating in the 1,5 - 5 µm bandwidth, was coupled to a new specific optic to reach an enhanced spatial resolution better than 2 µm/pixel. This work presents several results obtained on different advanced RF-MEMS including RF-MEMS switches where failure mechanism had been diagnosed

L'impact des fortes températures et forts taux d'humidité sur les résonateurs BA West déterminé grâce aux caractérisations RF, diffraction et fluorescence X. Ensuite, les TCF des différentes technologies de BA W sont déterminées bien au-delà des gammes de températures spécifiques au domaine des télécommunications. Pour améliorer la stabilité thermique des structures, la compensation en température est étudiée de manière théorique. D'autre part, pour étudier l'auto échauffement, un banc en puissance RF a été spécialement conçu dans le cadre de ce projet pour mesurer en temps réelle coefficient de réflexion à l'entrée du résonateur. Une caméra infrarouge ayant une résolution spatiale de 2 /lm/pixel permet une cartographie précise de la température. Enfin, des analyses 3D FEM sont comparées aux mesures infrarouges
Impact of high temperatures and important humidity atmosphere on Bulk Acoustic Wave (BA W) resonators is determined by means of RF characterizations, X-rays diffraction and fluorescence. Afterwards, the TCF ofvarious BA W technologies is determined well above temperature specifications of wireless systems. To improve thermal stability of structures, temperature compensation is studied in a theorical manner. Furthermore, for studying self. Heating aspects, an RF power bench was specially designed for this project in order to measure, in real time, the reflection coefficient at resonator's input. An infrared camera having a spatial resolution as good as 2 /lm/pixel allows us mapping accurately temperature. Finally, comparison between 3D FEM analysis and IR measures is done

La complexité des microsystèmes, leur multidisciplinarité, l'hétérogénéité des matériaux utilisés et les interfaces avec l'environnement extérieur rendent difficiles l'évaluation et la maîtrise de leur fiabilité indispensables pour l'exploitation des nombreuses possibilités innovantes qu'ils offrent. L'approche que nous avons proposée dans ce travail, afin de prédire la fiabilité des microsystèmes, se fonde sur l'usage intensif de la modélisation et de la simulation, dans les conditions d'usage du microsystème (profil de mission), en associant donc l'évaluation de la fiabilité à la démarche de conception : avant d'entreprendre une modélisation fonctionnelle de type VHDL-AMS, les objectifs de fiabilité sont exprimés explicitement dans le cahier des charges du microsystème, au même titre que les objectifs plus habituels de performances. Afin de supporter nos travaux, nous avons appliqué cette démarche de prédiction de la fiabilité sur deux types de microsystèmes : - des micro-actionneurs électrothermiques. - des commutateurs RF capacitifs à actionnement électrostatique.

De nos jours, l'industrie de la microélectronique développe des nouvelles technologies qui permettent l'obtention d'applications du quotidien alliant rapidité, basse consommation et hautes performances. Pour cela, le transistor, composant actif élémentaire et indispensable de l'électronique, voit ses dimensions miniaturisées à un rythme effréné suivant la loi de Moore de 1965. Cette réduction de dimensions permet l'implémentation de plusieurs milliards de transistors sur des surfaces de quelques millimètres carrés augmentant ainsi la densité d'intégration. Ceci conduit à une production à des coûts de fabrication constants et offre des possibilités d'achats de produits performants à un grand nombre de consommateurs. Le MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), transistor à effet de champ, aussi appelé MOS, représente le transistor le plus utilisé dans les différents circuits issus des industries de la microélectronique. Ce transistor possède des longueurs électriques de 14 nm pour les technologies industrialisables les plus avancées et permet une densité intégration maximale spécialement pour les circuits numériques tels que les microprocesseurs. Le transistor bipolaire, dédié aux applications analogiques, fut inventé avant le transistor MOS. Cependant, son développement correspond à des noeuds technologiques de génération inférieure par rapport à celle des transistors MOS. En effet, les dimensions caractéristiques des noeuds technologiques les plus avancés pour les technologies BiCMOS sont de 55 nm. Ce type de transistor permet la mise en oeuvre de circuits nécessitant de très hautes fréquences d'opération, principalement dans le secteur des télécommunications, tels que les radars anticollisions automobiles fonctionnant à 77 GHz. Chacun de ces types de transistors possède ses propres avantages et inconvénients. Les avantages du transistor MOS reposent principalement en deux points qui sont sa capacité d'intégration et sa faible consommation lorsqu'il est utilisé pour réaliser des circuits logiques. Sachant que ces deux types de transistors sont, de nos jours, comparables du point de vue miniaturisation, les avantages offerts par le transistor bipolaire diffèrent de ceux du transistor MOS. En effet, le transistor bipolaire supporte des niveaux de courants plus élevés que celui d'un transistor MOS ce qui lui confère une meilleure capacité d'amplification de puissance. De plus, le transistor bipolaire possède une meilleure tenue en tension et surtout possède des niveaux de bruit électronique beaucoup plus faibles que ceux des transistors MOS. Ces différences notables entre les deux types de transistors guideront le choix des concepteurs suivant les spécifications des clients. L'étude qui suit concerne la fiabilité de ces deux types de transistors ainsi que celle de circuits pour les applications radio fréquences (RF) et aux longueurs d'ondes millimétriques (mmW) pour lesquels ils sont destinés. Il existe dans la littérature de nombreuses études de la fiabilité des transistors MOS. Concernant les transistors bipolaires peu d'études ont été réalisées. De plus peu d'études ont été menées sur l'impact de la fiabilité des transistors sur les circuits. L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement de ces deux types de transistors mais aussi de les replacer dans le contexte de l'utilisateur en étudiant la fiabilité de quelques circuits parmi les plus usités dans les domaines hyperfréquence et millimétrique. Nous avons aussi essayé de montrer qu'il était possible de faire évoluer les règles de conception actuellement utilisées par les concepteurs tout en maintenant la fiabilité attendue par les clients.

Ce travail traite de la modélisation électrothermique du transistor LDMOS de puissance pour l’étude de sa fiabilité dans une application Radar. Dans une première partie, nous avons présenté les particularités des transistors MOS, et en particulier le LDMOS, par rapport aux transistors bipolaires. Nous avons étudié aussi l’influence de l’élévation de la température dans les composants semiconducteurs sur leurs grandeurs physiques pertinentes. Enfin, nous avons exposé les notions de base de la fiabilité des transistors de puissance et nous avons abordé les modes et les mécanismes de défaillance ainsi que les principales lois d’accélération de défaillance (température, densité de courant, injection des porteurs chauds). Dans une seconde partie, l’ensemble du processus d’extraction du modèle électrothermique d’un LDMOS est présenté en détails. Cette étude a été basée sur le MET modèle considéré comme le plus approprié pour les transistor RF LDMOS de puissance. Le banc de fiabilité utilisé pour effectuer les tests de vieillissement accélérés a été décrit au troisième chapitre. Le but recherché concerne la compréhension de la dégradation la fiabilité de ce type de composant en mode pulsé. Ainsi, toutes les dérives des paramètres électriques et RF après un vieillissement accélérés sont étudiées et discutées
This work deals with electrothermal modelling of LDMOS power transistor for the study of reliability in radar applications. In a first part, we presented the characteristics of MOS transistors, and particularly the LDMOS, compared to bipolar transistors. We studied the influence of the temperature rise in semiconductor components on their relevant physical quantities. Finally, we explained the basics of the reliability of power transistors and we discussed ways and mechanisms of failure and the main laws of acceleration of failure (temperature, current density, injection of hot carriers). In a second part, the whole process of extraction of electrothermal model of an LDMOS is presented in detail. This study was based on the MET model deemed most appropriate for RF LDMOS power transistor. The reliability bench used to perform accelerated ageing tests has been described in chapter three. The goal is the understanding of the degradation of the reliability of such components in pulsed mode. Thus, all the electrical and RF parameters drifts after accelerated ageing tests have been studied and discussed

Au cours des dernières années, l'essor spectaculaire des microsystèmes (ou MEMS), qui touche tous les domaines industriels, est à l'origine de nombreux et nouveaux progrès technologiques. Néanmoins, dans ce contexte prometteur de large envergure, la fiabilité des MEMS s'avère être la problématique à améliorer pour franchir la phase d'industrialisation à grande échelle. C'est dans le cadre de cette thématique de fiabilité des microsystèmes, que s'inscrit ce travail.La température étant un paramètre majeur entrant dans de nombreux mécanismes d'endommagement des MEMS, notre étude présente la conception et la réalisation d'un banc de thermographie infrarouge de haute résolution (2 µm), associé à la mise en œuvre d'une méthodologie d'analyse et de traitement des mesures infrarouges.Ce dispositif innovant permet un diagnostic in-situ, sans contact et rapide des défaillances des MEMS par mesures locales et quantitatives des pertes thermiques associées. Cet outil constitue une avancée importante pour détecter, mesurer et comprendre les mécanismes d'endommagement des MEMS. Il nous permet de reconstituer des images thermiques de tout type de microsystème en cours de fonctionnement ou soumis à des tests de vieillissement accéléré, et ceci afin de réaliser une analyse fine et rapide de leur fiabilité.Ce travail apporte de nouveaux résultats en ce qui concerne la détection des mécanismes de défaillance de différents types de MEMS-RF et tout particulièrement des MEMS-RF avec contact électrique.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur la caractérisation et l'analyse des mécanismes de défaillances qui apparaissent dans une nouvelle famille de composants microondes : les MEMS-RF (Systèmes Micro-Electro-Mécanique RadioFréquence). Si ces composants ont rapidement suscité beaucoup d'espoirs pour résoudre un grand nombre de verrous concernant les nouvelles architectures de communication, il est apparu que la fiabilité de ces composants a énormément ralenti leur développement industriel. De plus, ces micro-commutateurs résultent d'un couplage multi-physique qui a ajouté une forte complexité et une difficulté de compréhension de leur fonctionnement et donc leur fiabilité. Actuellement, de nombreux et intenses efforts sont réalisés par la communauté scientifique (universitaire et industrielle), car ce sujet reste ouvert à de nombreuses questions et problèmes non résolues. Ce document se propose d'apporter une contribution sur ce sujet à la fois sur le plan expérimental, théorique et technologique.

La fin des années 1990 a été marquée par une profonde mutation des applications utilisant les systèmes électroniques radiofréquences et micro-ondes. Depuis, de très nombreux dispositifs innovants et performants ont été développés. Malgré leurs performances très attrayantes, les succès commerciaux de ces dispositifs restent limités en raison notamment de problèmes de fiabilité qui subsistent toujours et retardent leurs industrialisations. Cette étude concerne l'amélioration de la fiabilité des micro-interrupteurs à actionnement électrostatique dont le mécanisme de défaillance principal est lié à l'accumulation de charges dans les couches isolantes lors de l'actionnement. La thématique de cette thèse porte donc sur le développement d'outils de caractérisation permettant d'évaluer les performances des différents diélectriques utilisés dans les micro commutateurs RF capacitifs pour systèmes électroniques hautes fréquence. L'objectif de la première partie est de présenter à la fois des généralités sur les différents types de commutateurs RF, de passer en revue les mécanismes de chargement des diélectriques présents dans ces composants, puis de présenter les objectifs détaillés du travail de thèse. La seconde partie de nos travaux est dédiée à l'étude des caractéristiques physico-chimiques des différents dépôts de nitrure de silicium PECVD utilisés dans la filière technologique du composant, ainsi qu'à la description des pré-requis nécessaires à la mise en place des matériaux déposés par plasma, afin de relier le comportement électrique des couches à leur structure et leur composition. Une analyse de la composition chimique et de la stœchiométrie des films a été réalisée par analyse FTIR et RBS. Lors de la troisième partie une structure MIM est utilisée. .
The end of the 1990's was marked by an important evolution of RF and microwave electronic systems. Since then, several innovating and performing devices were developed. But, besides their very high performances, these devices did not reach a commercial success basically because of reliability problems. This study deals with the improvement of the electrostatic actuation micro switches' reliability which main failure mechanism is related to the accumulation of charges in the isolating layers during the actuation process. The thesis subject is the developing of characterization tools to evaluate the performances of different dielectrics used in RF capacitive micro switches for electronic high frequency systems. The first part aims to present some generalities on different types of RF switches, to review the charging mechanisms in dielectrics used in these components, and then to set out the detailed goals of the thesis work. The second part of our work is dedicated to the study of physico-chemical characteristics of different PECVD silicon nitride deposits used in the device's technology, and to the description of the pre-necessaries for the set up of plasma deposited materials, in order to link the layers' electrical behavior to their structure and composition. An analysis of the chemical composition and the stoechiometry of films were performed using FTIR and RBS techniques. In the third part, a MIM structure is introduced. .

La fin des années 1990 a été marquée par une profonde mutation des applications utilisant les systèmes électroniques radiofréquences et micro-ondes. Depuis, de très nombreux dispositifs innovants et performants ont été développés. Malgré leurs performances très attrayantes, les succès commerciaux de ces dispositifs restent limités en raison notamment de problèmes de fiabilité qui subsistent toujours et retardent leurs industrialisations. Cette étude concerne l'amélioration de la fiabilité des micro-interrupteurs à actionnement électrostatique dont le mécanisme de défaillance principal est lié à l'accumulation de charges dans les couches isolantes lors de l'actionnement. La thématique de cette thèse porte donc sur le développement d'outils de caractérisation permettant d'évaluer les performances des différents diélectriques utilisés dans les micro commutateurs RF capacitifs pour systèmes électroniques hautes fréquence. L'objectif de la première partie est de présenter à la fois des généralités sur les différents types de commutateurs RF, de passer en revue les mécanismes de chargement des diélectriques présents dans ces composants, puis de présenter les objectifs détaillés du travail de thèse. La seconde partie de nos travaux est dédiée à l'étude des caractéristiques physico-chimiques des différents dépôts de nitrure de silicium PECVD utilisés dans la filière technologique du composant, ainsi qu'à la description des pré-requis nécessaires à la mise en place des matériaux déposés par plasma, afin de relier le comportement électrique des couches à leur structure et leur composition. Une analyse de la composition chimique et de la stSchiométrie des films a été réalisée par analyse FTIR et RBS. Lors de la troisième partie une structure MIM est utilisée. Ce type de structure de test élémentaire présente des avantages par rapport à un micro commutateur RF : simplicité de fabrication, contrôle de la qualité du contact, suppression des effets mécaniques. Elle permet donc d'é tudier la réponse du diélectrique à se charger sans avoir à prendre en compte des défauts de contact ainsi que les effets mécaniques toujours présents dans un micro-commutateur. Enfin, les nano caractérisations par AFM sont présentées. Il s'agit d'une nouvelle méthode de caractérisation développée pour la première fois au LAAS pour évaluer la capacité d'une couche diélectrique à se charger sous champ élevé. En effet, cette technique a permis de tendre vers les conditions réelles d'utilisation du micro commutateur en réalisant une injection de charges localisée puis en suivant l'évolution spatio-temporelle des charges en condition de circuit ouvert.

Le développement des matériaux à grand gap comme le nitrure de gallium (GaN) ces dernières années a permis d’augmenter de manière spectaculaire les densités de puissance disponible. Ce mémoire traite du développement de composants passifs pour les circuits MMIC en GaN. Ces composants ont été simulés, fabriqués, modélisés et implémentés dans un kit de conception pour la réalisation de nombreux circuits MMIC dans le cadre du projet européen Korrigan. Un second aspect de ce travail est l’utilisation de matériaux diélectriques à forte permittivité qui permettent d’augmenter les densités surfacique des capacités Métal-Isolant-Métal. L’oxyde de tantale (Ta2O5) a été utilisé comme remplaçant potentiel du nitrure de silicium (Si3N4). Une étude a donc porté sur l’élaboration de couche satisfaisante d’un point de vue physicochimique et électrique. Enfin, une étude de fiabilité des capacités MIM en Ta2O5 a permis de déterminer un modèle de durée de vie précis de ces capacités.

Ces dernières années ont vu l'émergence de nouveaux composants micro-ondes, les micro-commutateurs MEMS RF, possédant des performances très attrayantes pour de nombreux domaines d'application : spatial, automobile, téléphonie mobile& Cependant, une problématique majeure retarde actuellement leur industrialisation : leur fiabilité. Ce manuscrit de thèse a pour but principal de mettre en place les procédures d'investigation de la fiabilité des MEMS RF comprenant le développement des outils matériels et méthodologiques permettant d'analyser et de modéliser les phénomènes régissant la fiabilité de ces composants. Le premier chapitre effectue un état de l'art critique des bancs de tests et des résultats publiés par les laboratoires internationaux travaillant sur la fiabilité des MEMS RF. Le second chapitre détaille le banc de fiabilité développé dans le cadre de nos travaux. Nous présentons les différentes parties le constituant ainsi que les mesures des propriétés des MEMS RF qu'elles permettent d'effectuer en vue d'analyser leur fiabilité. Le troisième chapitre se focalise sur la méthodologie mise en place en vue d'étudier la fiabilité des micro-commutateurs capacitifs. Cette méthodologie est basée sur la détection et l'analyse des modes de défaillance d'une part et sur la modélisation du mécanisme de défaillance d'autre part. Nous proposons ainsi un modèle du chargement du diélectrique, principale cause de défaillance de ce type de composants, et introduisons un facteur de mérite de la fiabilité des MEMS RF permettant une évaluation comparative de leur durée de vie. Dans un quatrième chapitre, nous présentons les trois axes de recherche sur lesquels des études préliminaires ont été effectuées en vue d'améliorer la fiabilité des MEMS RF capacitifs : l'optimisation technologique, l'optimisation de la commande et l'optimisation de la topologie des micro-commutateurs

La fiabilité des circuits électroniques analogiques et mixtes fabriqués dans des technologies silicium utilisant des oxydes de métal est fortement affectée par les variations de processus, de tension et de température (PVT). De plus, des mécanismes de vieillissement tels que l’instabilité de la température de polarisation qui peut être à l’origine d’une dégradation des diélectriques et de la tension de seuil ou encore l’injection de porteurs chauds, impactent ces circuits. La dégradation induite par ces phénomènes affecte la durée de vie et des performances des composants et des circuits.Il existe dans la littérature de nombreuses études de la fiabilité des transistors MOS. Peu d’études ont été menées sur l’impact de leur fiabilité sur les circuits.Cette thèse présente les résultats des recherches sur les effets des mécanismes de vieillissement sur les performances de circuits analogiques et mixtes.La dégradation de la durée de vie est induite par la dégradation de la tension de seuil et du courant de drain. Des analyses sont effectuées sur la base de simulations de vieillissement prenant en compte les modèles des mécanismes de vieillissement développé par l’équipe et des mesures des circuits implémentés en technologie 28 nm FDSOI au sein de STMicroelectronics. Des tests accélérés ont été utilisés pour évaluer l’effet du vieillissement. Des techniques de correction appropriées pour surmonter la dégradation des performances des circuits, induite par le vieillissement sont proposées.Les performances DC et AC du LDO ont été analysés avant et après vieillissement. Le stress induit une dégradation de ses performances suite à l’effet du mécanisme HCI dans les transistors et au Matching induit dans la paire de transistors chargés de la régulation. Le LDO était surdimensionné pour ne pas subir de fortes dégradations. Une analyse sur l’évolution du rendement a été faite en utilisant l’outil WICKED de Mundea.Le bruit de jitter et le temps de verrouillage de la PLL ne sont pas impactés par le vieillissement et la PLL corrige elle-même toutes dégradations et déviations de ses paramètres de sortie. Pour cela, l’étude de l’un de ses blocs importants,le VCO, a été faite. Les résultats de mesure à 125 °C montre que la frequence d’oscillation du VCO a subi une dégradation significative. Tandis que le bruit de phase relatif n’a pas été impacté.L’extraction des performances statiques et dynamiques d’un CAN de type SAR a montré une dégradation significative du rapport signal sur bruit (SNR). Afin d’identifier le bloc responsable de cette dégradation, des simulations d’un seul CAN ont été faite. Le vieillissement a un impact significatif sur le comparateur. Le vieillissement impacte les fenêtres de temps pour chaque sous bloc du comparateur ce qui engendre une décision fausse de l’un de ces blocks d’où un signal erroné à la sortie du comparateur et par conséquent une erreur de codage et une dégradation des performances du CAN.L’étude de l’effet du vieillissement sur l’amplificateur de puissance a montré une dégradation importante des figures de mérites du PA sous l’effet d’un stress RF. Ces dégradations sont dues aux dégradations de paramètres du transistor tels que la transconductance gm et la résistance rds. Une solution pour limiter les effets de ces dégradations a été proposée. Basée sur le principe de détection et de polarisation adaptative, cette technique permet de changer la polarisation du PA afin d’amener les performances dégradées à leur valeur initiale.Sur la base de ces recherches, il est possible de conclure que les mécanismes de vieillissement de la technologie CMOS 28 nm FDSOI ne constituent pas un obstacle majeur au développement de circuits analogiques et mixtes. Cependant, une analyse minutieuse des effets du vieillissement au niveau du circuit, dès la phase de conception est nécessaire.L’ajout de détecteurs, comme dans le cas du PA, apporte des solutions efficaces de détection et d’amélioration des performances
Reliability of analog and mixed signal circuits fabricated using complementary metaloxide semiconductor technologies in the deep-submicrometer technology nodes is significantly affected by process, voltage and temperature (PVT) variations. Degradationinduced due to aging mechanisms like bias temperature instability, hot carrier injection leads to additional challenges in design of reliable circuits. PVT variations and aging mechanisms together lead to lifetime degradation of device and circuit performance.There are many studies in the literature of the reliability of MOS transistors. Few studies have been conducted on the impact of their reliability on circuits.This research will study the impact of the deterioration of the MOS transistors on the performance of the developed circuits for analog and mixed applications (low dropout voltage regulator LDO, phase locked loop PLL, voltage controlled oscillator VCO, digital to analog converter CAN, power amplifier PA).Degradation lifetime induces the degradation of the threshold voltage and the drain. The surveys are conducted using aging simulations supporting models of aging mechanisms developed by our team and measurements of circuits implemented in 28nmFDSOI technology. Accelerated tests were used to evaluate the aging effect. Appropriate correction techniques for overcoming aging-induced degradation of circuit performance are proposed and studied.The DC and AC performances of LDO were analyzed before and after aging. The stress induces a degradation of these performances because of the effect of the mechanism of injection of hot carriers (HCI) on the transistors and the Matching induced in the pair of transistors responsible for the regulation. The LDO was oversized to avoid severe damage. A survey of the evolution of yield before and after aging was done using Mundea WICKED tool.The jitter noise and lock time of the PLL are not affected by aging and the PLL itself corrects any degradations and deviations of its output parameters. For this, an investigation of one of its important blocks, the VCO, was made. Measurement results at 125 ° C show that the oscillation frequency of the VCO has undergone significant degradation. While the relative phase noise has not been impacted.The aging effect on the digital analog converter SAR-ADC consisting of 16 TI-ADCs has occurred. Extraction of static and dynamic performances showed a significant degradation of the SNR. In order to identify the block responsible for this degradation, simulations of a single ADC were made. Aging has negligible impact on the switches while the comparator was identified as the most sensitive block. Aging impacts the time windows for each sub-block of the comparator which gives rise to a false decision of one of these blocks, hence a false signal at the output of the comparator, resulting in a code error and a degradation in the performance of the ADC.Investigation of the aging effect on the power amplifier has shown a significant degradation of the PA figures of merit under the effect of RF stress. These impairments are due to the degradation of transistor parameters such as transconductance gm and resistor rds. A solution for improving these degradations has been proposed. Based on the principle of detection and adaptive polarization, this technique makes it possible to change the polarization of the PA in order to bring the degraded performances to their fresh value.Based on this research, it is possible to conclude that the aging mechanisms of the 28nmFDSOI CMOS technology are not a major obstacle to the development of analogue and mixed signal systems. However, a careful analysis of the effects of aging at the circuit level, from the design phase, using the models developed at the transistor level and included in the simulators, is necessary.The incorporation of effective detection and performance enhancement solutions is possible for the implementation of extremely precise circuits

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

Les commutateurs capacitifs MEMS RF présentent un intérêt connu dans le domaine des micro-ondes pour satisfaire de nombreuses applications (spatiales, téléphonie mobile). Ils permettent de rendre reconfigurable les modules hautes fréquences sans tous les inconvénients des composants actifs. Cependant, beaucoup de problèmes restent irrésolus: la fiabilité des diélectriques, la tenue en puissance et le rendement de fabrication. Le procédé technologique n'est pas assez optimisé pour obtenir des structures fonctionnelles avec de bonnes performances et reproductibilité. Le sujet de cette thèse traite de l'optimisation du procédé de fabrication des commutateurs RF capacitifs à tenue en puissance améliorée et de leur intégration dans un synthétiseur d'impédances pour des applications en bande K. La partie 1 montre le procédé de fabrication et ses principales améliorations. Des études sur la couche sacrificielle et sur la méthode de libération ont permis d'augmenter les performances RF et le rendement technologique. De plus, de nouveaux diélectriques ont été testés pour accroître la durée de vie des commutateurs. La relation entre la puissance appliquée et la température qu'elle génère est décrite dans le chapitre 2. Des caractérisations ont été réalisées pour comprendre les comportements mécaniques sous stress, qui peut être notamment provoqué par des mesures de puissance. Des solutions ont été trouvées et étudiées pour absorber ou prévenir les déformations sous un stress thermique. Enfin, toutes ces optimisations et études ont été appliquées à un tuner d'impédance. Sa topologie, sa fabrication et ses caractérisations constituent le dernier chapitre
Capacitive RF MicroElectroMechanical System switches present well-known interests in microwave field for a lot of applications (spatial, mobile phone). They may bring tunability to high frequency modules without all the drawbacks of active devices. However numerous problems remain unsolved like dielectric reliability, power handling and fabrication yield which slow down the industrialisation of such components. Efforts have already been done on the design, the dielectric reliability and the technological process. This last-one is not enough improved to obtain functional structures with enhanced performances and reproducibility. The purpose of this thesis work deals with the optimization of the fabrication process of capacitive RF switches with enhanced power handling and their integration in an impedance tuner for K band applications. The first section shows the fabrication process and its principal improvements. Studies on sacrificial layer and releasing method permitted to increase the RF performances and the technological yield. Moreover, new dielectrics have been investigated in order to get better switch life time. The relation between the applied power and the generated temperature is described in the second chapter. Thermal characterizations have been performed to understand the mechanical behaviours under stress. Thanks to infra-red camera, the overheating due to power has been determined. Solutions have been found and studied to absorb or prevent deformations under thermal stress. Finally, all these improvements and studies have been applied to a circuit: an impedance tuner. Its design, fabrication and characterization constitute the final chapter of this manuscript

Les micro- et nanotechnologies (MNT) connaissent aujourd'hui un essor important dans des domaines très variés. On observe en particulier un développement des filières de micro-interrupteurs. En effet, les interrupteurs MEMS ont démontré un gain de performances significatif en comparaison avec les systèmes de commutation actuels. Ces composants sont donc devenus très attractifs pour de nombreuses applications grand public et haute fiabilité, notamment en raison de la facilité d'intégration des microsystèmes à d'autres composants passifs ou issus de la filière microélectronique. L'énorme potentiel de cette technologie a poussé la communauté scientifique à envisager les micro-interrupteurs comme technologie de substitution aux systèmes de commutation actuels pour les applications faibles à moyennes puissances. Cependant, ces interrupteurs MEMS n'ont pas encore atteint un niveau de fiabilité convenable pour entrer en phase d'industrialisation poussée. L'une des principales défaillances observées durant le fonctionnement du composant se traduit soit par l'augmentation de la résistance de contact en fonction du nombre de cycles, allant jusqu'à atteindre une résistance infinie, soit par le collage irrémédiable des deux électrodes de contact au cours des cycles de commutations, annihilant la commande du composant. Ces deux phénomènes limitent de manière drastique la durée de vie du micro-interrupteur. La fiabilité du microcontact électrique, demeure ainsi le point critique dans ce type de composant, en raison des forces de contact bien souvent très faibles, entrainant des aires de contact effectives extrêmement réduites et des températures à l'interface de contact relativement élevées. C'est pourquoi de nouvelles techniques de caractérisation du microcontact ont été développées pendant cette thèse afin d'étudier l'évolution de la résistance de contact en fonction du nombre de cycles et de la force appliquée. Ces bancs de test nous permettent d'analyser le comportement électromécanique et électrothermique du microcontact, afin de comprendre l'origine des mécanismes de défaillance à travers une approche physique. L'originalité des travaux réalisés dans cette thèse réside dans l'étude de la température à l'interface de contact, considérée ici comme le principal vecteur de défaillance des contacts dans les interrupteurs MEMS ohmiques. En effet, la hausse de la température de contact engendre les principaux mécanismes de défaillance du microcontact, à savoir l'adhésion, le transfert de matière et la croissance de films isolants en surface du contact. Plusieurs types de contact seront étudiés afin d'accroitre la compréhension des phénomènes physiques à l'origine des défaillances pour finalement proposer une configuration fiable, fonctionnant malgré les contraintes thermiques à l'interface de contact
Research on electrical contact characterization for microelectromechanical system (MEMS) switches has been driven by the necessity to reach a high-reliability level for micro-switch applications. One of the main failure observed when aging devices with gold contacts is the increase of the electrical contact resistance. It is related to degradations of the surface topography caused by heating, adhesion forces, etc. In this paper we investigate the performance of gold and an alternative material, ruthenium, using a methodology dedicated to MEMS contacts: a nanoindenter is used to actuate mechanically the structure, providing an accurate control of the force applied and of the resulting displacement. The electrical resistance is measured by cross rods technique "four wires" to avoid any measurement of the wire access resistances. A high resolution source meter with programmed voltage compliance and micro voltmeter is used. The test vehicles are surface micromachined on silicon substrate. Dedicated tests and modelling are presented with 5 microm² square bumps under mechanical load (until 250microN) and electrical current (1mA-100mA). Analyses of contact force dependence, temperature dependence, adhesion forces, evolution of the contact area, creep behavior and topological modifications are discussed. Regarding the results, better understanding of micro-contact behavior related to the impact of current at low- to medium-power levels is obtained. Contact heating until the softening temperature is found to be the main factor leading to shift of mechanical properties of contact materials and topological modifications. Finally an enhanced stability of the bimetallic contact was demonstrated considering sensitivity to power increase

L’amélioration des systèmes électroniques pour le déploiement de l'avion tout électrique dépend de la capacité des composants passifs, tels que les condensateurs, à réduire leur volume, leur masse et leur coût, et augmenter leurs performances et leur fiabilité, particulièrement dans l’environnement aéronautique. Dans ce contexte, cette thèse a eu pour objectif l’étude et le développement de nouvelles technologies de condensateurs pour des applications avioniques. Dans la première partie des travaux, nous abordons l’évaluation de condensateurs céramique de puissance. La technologie céramique constitue, en effet, l’une des rares solutions matures capables de répondre aux exigences des équipementiers. La caractérisation, l’analyse des mécanismes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (AMDEC) ainsi que l’étude de fiabilité et de robustesse de composants commerciaux présentant des architectures originales (condensateurs multi-chips) ont été réalisées. Ces résultats ont été complétés par une étude plus amont sur la caractérisation de céramiques frittées par frittage flash (SPS). Les permittivités colossales de ces matériaux permettraient d’accroitre la fiabilité et la miniaturisation des condensateurs tout en conservant de fortes valeurs de capacité et de tension nominale. La seconde partie, plus fondamentale, a été consacrée au développement de nanoparticules céramique/polymère coeur-écorce pour des applications de condensateurs enterrés, opérant aux radiofréquences. La synthèse et les caractérisations physico-chimiques des nanocomposites ainsi que les procédés de fabrication de condensateurs en couches épaisses sont, en premier lieu, décrits. Une méthode de caractérisation électrique large bande a été mise au point pour permettre l’analyse des propriétés diélectriques et des mécanismes de conduction des nanoparticules. Les performances des dispositifs ont été recherchées en fonction de la température et des procédés de mise en forme. En outre, la durabilité en température de ces derniers a été évaluée
The improvement of electronic systems for the deployment of all-electric aircrafts depends on the ability of passive components, such as capacitors, to reduce their volume, weight and cost, and to increase their performance and reliability, particularly in the aeronautical environment. In this context, the objective of this thesis was to study and develop novel capacitor technologies for avionics. In the first part of this work, the evaluation of power ceramic capacitors has been discussed. Indeed, the ceramic technology appeared to be one of the few mature solutions meeting the requirements of OEMs. The characterization, the failure mode, effects and criticality analysis (FMECA) and reliability and robustness assessment of commercial components using original architectures (multi-chip capacitors) have been performed. These results have been completed by a more advanced study on the characterization of new ceramics sintered by spark plasma sintering (SPS). The colossal permittivity of these materials could allow to increase reliability and miniaturization of capacitors while maintaining high values of capacitance and voltage rating. The second part, more fundamental, is devoted to the development of core-shell ceramic/polymer nanoparticles for embedded capacitors operating at radiofrequencies. The synthesis and the physicochemical characterization of the nanocomposites as well as the manufacturing processes of the thick film capacitors are first described. A new broadband electrical characterization methodology has been developed to analyze the dielectric properties and the conduction mechanisms of the nanoparticles. The effects of the temperature and the manufacturing process on the device performance have been investigated. In addition, the durability was evaluated

Les commutateurs capacitifs MEMS (MicroElectroMechanical System) RF présentent un intérêt maintenant bien connu dans le domaine des micro-ondes pour satisfaire de nombreuses applications (spatiales, automobiles, téléphonie mobile). Ils permettent de rendre reconfigurable les modules hautes fréquences sans tous les inconvénients des composants actifs (fortes pertes, isolation limitée, bruit ...). Cependant, beaucoup de problèmes restent irrésolus comme la fiabilité des diélectriques, la tenue en puissance et le rendement de fabrication. De ce fait, ils ralentissent l'industrialisation de tels composants. De fortes connaissances dans les domaines multi-physiques (micro-onde, mécanique, thermique, procédé) sont essentielles afin d'améliorer les commutateurs MEMS RF capacitifs. Des efforts ont déjà été réalisés au niveau de la topologie, de la fiabilité des diélectriques et du procédé technologique. Ce dernier n'est pas encore assez optimisé pour obtenir des structures fonctionnelles avec de meilleures performances et reproductibilité. Le sujet principal de ce travail de thèse traite de l'optimisation du procédé de fabrication des commutateurs RF capacitifs à tenue en puissance améliorée et également de leur intégration dans un synthétiseur d'impédances pour des applications en bande K. La première partie montre le procédé classique de fabrication et ses principales améliorations. Des études sur la couche sacrificielle et sur la méthode de libération ont permis d'augmenter les performances RF et le rendement technologique. De plus, de nouveaux diélectriques (fluorure de strontium et nitrure de silicium dopé par des nanotubes de carbone) ont été testés dans le but d'accroître la durée de vie des commutateurs. La relation entre la puissance appliquée et la température qu'elle génère est décrite dans le second chapitre. Des caractérisations ont été réalisées pour comprendre les comportements mécaniques sous stress, qui peut être notamment provoqué par des mesures de puissance ou par un environnement hostile. Grâce à une caméra infrarouge (IR), l'échauffement dû à la puissance a été déterminé. Des solutions ont été trouvées et étudiées pour absorber ou prévenir les déformations sous un stress thermique. Finalement, toutes ces optimisations et ces études ont été appliquées à un circuit de puissance : un tuner d'impédance, qui est composé de six commutateurs. Sa topologie, sa fabrication et ses caractérisations constitue le troisième et dernier chapitre.

Les travaux de cette thèse portent sur la simulation de la dégradation des paramètres électriques des transistors MOS et bipolaires sous stress statiques et dynamiques. Cette étude a été menée à l’aide d’un outil de simulation de fiabilité développé en interne. Selon la technologie MOS ou bipolaire, les mécanismes étudiés ont été successivement : Hot Carrier Injection, Bias Temperature instability, Mixed Mode et Reverse base emitter bias. L’investigation a été aussi étendue au niveau circuit. Nous nous sommes ainsi intéressés à l’effet de la dégradation des transistors sur la fréquence d’un oscillateur en anneau et les performances RF d’un amplificateur faible bruit. Les circuits ont été soumis à des contraintes DC , AC et RF. La prédictibilité, établie de ces dégradations, a été validée par des essais de vieillissement expérimentaux sur des démonstrateurs encapsulés et montés sur PCB. Les résultats de ces études ont permis de valider la précision du simulateur et la méthode de calcul quasi-statique utilisée pour calculer les dégradations sous stress dynamiques. Ces travaux de recherche ont pour but d’inscrire cette approche prédictive dans un flot de conception de circuits afin d’assurer leur fiabilité
The work of this thesis focuses on the simulation of the electrical parameters degradation of MOS and bipolar transistors under static and dynamic stresses. This study was conducted using an in-house reliability simulation tool. According to the MOS or bipolar technology, the studied mechanisms were successively: Hot Carrier Injection, Bias Temperature instability, Mixed Mode and Reverse base emitter bias. The investigation was then extended to circuit-level. The effect of transistors degradation on a ring oscillator frequency and the RF performances of a low noise amplifier were investigated. The circuits were subjected to DC, AC and RF constraints. Predictability of these degradations has been validated by experimental aging tests on encapsulated and PCB-mounted demonstrators. The results of these studies proved the accuracy of the simulator and validated the quasi-static calculation method used to predict the degradation under dynamic stress. The goal of this research is to embed this predictive approach into a circuit design flow to ensure its reliability

Les futures architectures des systèmes de communication présenteront une forte complexité due à des besoins de reconfiguration à la fois en termes de fréquence, de puissance émise et/ou reçue, de puissance consommée et de fiabilité. Une solution consiste à utiliser les MEMS RF pour obtenir ces fonctionnalités augmentées. Ces composants seront soumis à des agressions à la fois électrostatiques et/ou électromagnétiques dont il est important d'analyser et de comprendre leur impact. D'autre part la tenue en puissance de ces composants est un paramètre qualitatif de leur robustesse. Étant donné qu'ils présentent également des intérêts pour les applications spatiales, il est important de comprendre leur sensibilité face au rayonnement. Le sujet de thèse vise à analyser l'impact de ces agressions sur les paramètres fonctionnels (tensions d'actionnements, vitesse de fonctionnement, pertes d'insertion et isolation) à partir du développement d'une plateforme appropriée ainsi qu'une analyse fine des mécanismes de dégradation apparaissant suite aux stress appliqués ; tension continu, décharges électrostatiques (de type HBM ou TLP), puissance RF et rayonnement. Ces stress seront appliqués sur des composants aux architectures différentes (types de diélectrique différentes, épaisseur membrane, géométrie des dispositifs, topologie des zones d'actionnement) afin de déterminer si certaines architectures et ou filières technologiques sont plus résistantes que d'autres. Enfin, afin de valider ces travaux, il sera conçu un design plus complexe présentant des résistances aux ESD/EMI améliorées et un circuit de vieillissement de ces composants sera également proposé. Ce projet de thèse rentre dans le cadre d'un réseau d'excellence AMICOM sur les microsystèmes RF où la fiabilité a été identifiée comme étant un des enjeux majeurs pour leur intégration et commercialisation.

Les phénomènes de chargement des diélectriques constituent l'un des principaux mécanismes de défaillance des microsystèmes à actionnement électrostatique, ce qui limite la commercialisation de ce type de dispositifs. Par exemple, dans le cas de micro-commutateurs capacitifs ce chargement entraîne des problèmes de collage entre la membrane actionnable et la surface du diélectrique qui recouvre l'électrode d'actionnement. Malgré de nombreux travaux réalisés dans le monde, les phénomènes de chargement des diélectriques sont encore mal compris aujourd'hui et les mécanismes de défaillances associés peu explicités. Par ailleurs de nombreuses méthodes de caractérisation ont été développées afin d'étudier ces phénomènes : capacité/tension dans les micro-commutateurs capacitifs, courant/tension dans les capacités MIM (Métal-Isolant-Métal). Bien que très souvent utilisées, ces méthodes donnent des résultats qui dépendent fortement de la nature du dispositif utilisé. Dans les capacités MIM par exemple, la décharge a lieu en situation de court-circuit et les charges injectées dans le diélectrique sont collectées seulement par l'électrode qui a servi à réaliser l'injection. Cette configuration est l'inverse de celle qui a lieu réellement dans les microsystèmes pour lesquels les charges sont injectées par la membrane actionnable et collectées par l'électrode d'actionnement, puisque la membrane ne touche pas le diélectrique lorsque la tension est supprimée. Par ailleurs les mécanismes de défaillances sont souvent liées à des phénomènes multi-physiques (électrique, mécanique, thermique). Ainsi le chargement des diélectriques peut être couplé notamment à des problèmes de fatigue mécanique de la membrane, ce qui peut fausser les interprétations. Des études récentes ont par ailleurs montré que les phénomènes tribologiques, comme l'adhésion et la friction, sont cruciaux pour les MEMS/NEMS et peuvent affecter radicalement leurs performances. Les micro-commutateurs RF étant basés sur le contact intermittent entre deux surfaces (membrane métallique et diélectrique), la fiabilité des ces composants est également impactée par ces phénomènes de surface. Des études sur la micro-nanotribologie appliquée aux micro-commutateurs RF sont donc nécessaires pour comprendre les phénomènes qui se passent aux interfaces et pour coupler ces phénomènes avec le chargement des diélectriques. Les travaux sur le chargement des diélectriques présentés dans ce mémoire sont basés sur la microscopie à force atomique (KPFM, FDC) et permettent de supprimer les inconvénients des méthodes conventionnelles. Le diélectrique étudié est le nitrure de silicium obtenu par PECVD pour des micro-commutateurs RF à contact capacitif. Les méthodes utilisées permettent de réaliser l'étude des diélectriques à l'échelle nanométrique grâce à l'utilisation de l'AFM dont la dimension de la pointe est comparable aux aspérités des microstructures. Différentes structures de tests ont été caractérisées incluant des films diélectriques, des capacités MIM et des micro-commutateurs. La pointe de l'AFM est utilisée pour réaliser l'injection des charges (comme dans le cas d'une aspérité en contact avec le diélectrique), mais également pour mesurer le potentiel de surface et la force d'adhésion. Les résultats obtenus ont été comparés à des mesures de charges et décharges plus conventionnelles sur des capacités MIM et sur des micro-commutateurs RF. Tous ces résultats ont également été comparés à des données de la littérature provenant de différents composants. L'influence de plusieurs paramètres clés sur le chargement des diélectriques a également a également été étudiée. Différentes épaisseurs de SiNx déposées sur de l'or (évaporé et électro-déposé), sur du Titane et sur du silicium ont été analysées. Différents modes d'élaboration du SiNx PECVD ont été utilisés en changeant le ratio des gaz, la température de dépôt, la puissance et la fréquence RF. Des analyses physico-chimiques ont également été menées pour déterminer les liaisons chimiques et les compositions des films de SiNx (FTIR, XPS). Ces données ont été utilisées pour expliquer les résultats électriques obtenus. Différentes conditions de chargement ont également été explorées : amplitude, durée et polarité de la tension, taux d'humidité, contamination dues aux hydro-carbones. Les différents phénomènes tribologiques (adhésion, friction) ont aussi été étudiés à l'échelle nanométrique sous différentes tensions et pour différents taux d'humidité. A partir de ces études, deux principaux mécanismes de collage dans les microsystèmes à actionnement électrostatique ont ainsi été explicités : le chargement des diélectriques et la formation d'un ménisque d'eau. L'interaction entre ces deux mécanismes a également été mise en évidence et a permis de mieux comprendre les phénomènes de collage dans les MEMS à actionnement électrostatique
The reliability of electrostatically actuated micro- and nano-electromechanical systems (MEMS and NEMS) is determined by several failure modes which originate from different failure mechanisms. Among various reliability concerns, the dielectric charging constitutes major failure mechanism which inhibits the commercialization of several electrostatic MEMS devices. In electrostatic capacitive MEMS switches, for example, the charging phenomenon results in shifting the electrical characteristics and leads to stiction causing the device failure. In spite of the extensive study done on this topic, a comprehensive understanding of the charging phenomenon and its relevant failure mechanisms are still missing. The characterization techniques employed to investigate this problem, though useful, have serious limitations in addition to the missing correlation between their results. On the other hand, recent studies show that tribological phenomena such as adhesion and friction are crucial in MEMS/NEMS devices requiring relative motion and could affect their performance. Since the operation of MEMS switch is based on intermittent contact between two surfaces, the movable electrode and the dielectric, critical tribological concerns may also occur at the interface and influence the device reliability. These concerns have not been investigated before, and consequently, micro/nanotribological studies are needed to develop a fundamental understanding of these interfacial phenomena. Also, the multiphysics coupling between the charging phenomena and those expected tribological effects needs to be studied. This thesis addresses the abovementioned weaknesses and presents numerous novel characterization techniques to study the charging phenomenon based on Kelvin probe force microscopy (KPFM) and, for the first time, force-distance curve (FDC) measurements. These methods were used to study plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) silicon nitride films for application in electrostatic capacitive MEMS switches. The proposed methods are performed on the nanoscale and take the advantage of the atomic force microscope (AFM) tip to simulate a single asperity contact between the switch movable electrode and the dielectric surface. Different device structures were characterized including bare dielectric films, MIM capacitors, and MEMS switches. In addition, the charge/discharge current transients (C/DCT) and thermally stimulated depolarization current (TSDC) assessment methods were used to study the charging/discharging processes in metal-insulator-metal (MIM) capacitors. A comparison and correlation between the results from the investigated characterization techniques were performed. Moreover, a correlation between the obtained nanoscale/macroscale results and the literature reported data obtained from device level measurements of actual MEMS devices was made. The influence of several key parameters on the charging/discharging processes was investigated. This includes the impact of the dielectric film thickness, dielectric deposition conditions, and substrate. SiNx films with different thicknesses were deposited over metal layers and over silicon substrates to study the effect of the dielectric thickness. The impact of the dielectric deposition conditions was investigated through depositing SiNx films using different gas ratio, temperature, power, and RF modes. To study the influence of the substrate, SiNx layers were deposited on evaporated gold, electrochemically-deposited gold, evaporated titanium layers, and over bare silicon substrates. Fourier transform infra-red spectroscopy (FT-IR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) material characterization techniques were used to determine the chemical bonds and compositions, respectively, of the investigated SiNx films. The obtained data from these techniques were used to explain the electrical characterization results. The impact of electrical charge injection conditions, which are the voltage amplitude, polarity and duration, was also explored. Finally, the influence of the relative humidity, environment medium, and contaminants on the charging phenomenon was studied. Furthermore, the thesis investigates different tribological phenomena at the interface between the two contacting surfaces of electrostatic MEMS switches as well as their multiphysics coupling with the dielectric charging failure mechanism. The adhesive and friction forces were measured on the nanoscale under different electrical stress conditions and relative humidity levels using an AFM to study different stiction mechanisms. In these devices, stiction can be caused by two main mechanisms: dielectric charging and meniscus formation resulting from the adsorbed water layer at the interface. The effect of each mechanism as well as their multiphysics interaction and impact on the overall adhesion or stiction was quantified. Finally, the impact of the dielectric charging on the friction force between the two contacting surfaces of the switch has been studied

L'introduction des technologies MEMS ("Micro Electro Mechanical Systems") dans les modules hyperfréquences répond au besoin croissant en systèmes de communications intégrables, reconfigurables et présentant d'excellentes performances électriques jusqu'aux fréquences millimétriques. Le développement de nouvelles architectures intelligentes jusque là inaccessibles aux technologies traditionnelles est également envisageable grâce à ces composants. Cela dit, la conception multi-physique de ces circuits alliant des aspects électrostatiques, mécaniques et électromagnétiques reste difficile à mettre en œuvre et complique leur optimisation. De plus, peu de recherches se sont focalisées sur la tenue en puissance de ces composants, pourtant primordiale pour envisager leur intégration dans des chaînes d'émission radio fréquences. Nos travaux de thèse ont porté sur la conception et la caractérisation de micro-interrupteurs MEMS de puissance et de circuits hyperfréquences les intégrant et opérant en bande X (10GHz). Le premier chapitre présente une méthodologie multi-physique de conception de commutateurs MEMS RF électrostatiques à contact capacitif réalisés au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes. Cette méthodologie, associée à une topologie optimale de micro-commutateurs, a permis un prototypage efficace de commutateurs MEMS et a été validée expérimentalement grâce à des structures montrant d'excellentes performances hyperfréquences. Le second chapitre s'intéresse à l'optimisation en puissance de commutateurs MEMS RF. Nous avons développé une méthodologie de prédiction de la puissance maximale de fonctionnement pour ces composants. Cette méthodologie a été ensuite utilisée pour l'optimisation en puissance du commutateur développé dans le chapitre 1. Un dimensionnement ainsi que l'ensemble des résultats de simulations sont présentés et validés expérimentalement. Enfin le dernier chapitre présente la mise en application des méthodologies décrites aux deux premiers chapitres pour la conception d'un circuit de commutation de puissance large bande 6-18 GHz basé sur des topologies série et parallèle d'interrupteurs MEMS. Les structures ont ainsi été optimisées, fabriquées et mesurées. Elles présentent d'excellentes performances RF sur une large gamme de fréquence
MEMS ("Micro Electro Mechanical Systems") technologies have been successfully introduced in the past decade in order to develop smart micro-systems exhibiting high integration level, new functionalities such as reconfigurability (to switch over different standards) or self repairing ability, and high electrical performances up to millimeterwave frequencies. Moreover, new system architectures can be implemented thanks to these devices, which demonstrate the potentialities of MEMS technologies in future wireless systems. In the meantime, their multi-physic design dealing with electrostatic, mechanical and electromagnetical concerns, translates into a long and complex optimization of the MEMS-based circuits slowing their industrial use. Moreover, few studies are available on the power handling capabilities of these components, which is the key parameter to improve their integration into front-end networks. Our work, made in LAAS-CNRS, concentrates on the design and characterisation of power RF-MEMS switches and their integration into a broadband single pole double throw circuit, for front-end duplexer operating in X band. The first chapter will be dedicated to a multi-physic design methodology for capacitive electrostaticaly actuated RF-MEMS switches design. This methodology, associated with an optimized topology, enables an efficient development of MEMS components and circuits. Demonstrators have been measured and demonstrate outstanding RF performances which validate the proposed methodology. The second part of this work points out the power optimization of RF MEMS switches. A power handling prediction methodology has been proposed and used to optimize the switch described in the first chapter. Simulations have been confirmed by measurements which validate our prediction method. The measured RF MEMS power handling demonstrates the ability of this technology to be used in front-end circuits and systems. Finally, the third chapter deals with an application using the methodologies described above: a broadband (6-18 GHz) power switching circuit for front-end duplexer. This circuit has been optimized, realized and characterized and exhibits state of the art microwave and power performances over a broad frequency band

Afin d'étudier la faisabilité de la technologie ADS (« Accelerator Driven System ») pour la transmutation des déchets hautement radiotoxiques le projet MYRRHA (« Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications ») a pour objectif la construction d'un démonstrateur de réacteur hybride (50 à 100 MWth). Pour cela le réacteur sous-critique nécessite un accélérateur de forte puissance délivrant un faisceau continu de protons (600 MeV, 4mA), avec une exigence de fiabilité très élevée. La solution de référence retenue pour cette machine est un accélérateur linéaire supraconducteur. Ce mémoire de thèse décrit le travail de recherche - entrepris depuis octobre 2008 à l'IPN d'Orsay - portant sur la conception et la mise au point d'un module supraconducteur et des systèmes de régulation associés à sa cavité accélératrice, pour la partie haute énergie de l’accélérateur. Dans un premier temps, le design et l’optimisation de cavités accélératrices 5-cellules (β=0,65), fonctionnant à la fréquence de 704,4 MHz, sont présentés. Ensuite, la partie expérimentale se concentre sur l’étude de fiabilité du « cryomodule » prototype accueillant une cavité elliptique 5-cellules (β=0,47). Au cours de cette étude on s’est notamment attaché à mesurer et à caractériser le comportement dynamique du système d’accord. Les problématiques de maintient du « plat de champ » dans les cavités multi-cellules « bas béta » ont aussi été mises en évidence. Enfin, une analyse sur la tolérance aux pannes de l’accélérateur linéaire a été menée. Dans ce but, une modélisation de la cavité, de sa boucle de régulation RF (radiofréquence) et de la boucle de contrôle de son système d'accord, a été développée afin d'étudier les comportements transitoires de cet ensemble. Cette étude a permis de chiffrer les besoins en puissance RF et les performances requises du système d’accord et de démontrer la faisabilité d’un réglage rapides des cavités supraconductrices afin de minimiser le nombre d’arrêts faisceau dans le linac de MYRRHA
The MYRRHA ( Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications ) project aims at constructing an accelerator driven system (ADS) demonstrator (50 à 100 MWth) to explore the feasibility of nuclear waste transmutation. Such a subcritical reactor requires an extremely reliable accelerator which delivers a CW high power protons beam (600 MeV, 4 mA). The reference solution for this machine is a superconducting linear accelerator. This thesis presents the work - undertaken at IPN Orsay in October 2008 - on the study of a prototypical superconducting module and the feedback control systems of its cavity for the high energy part of the MYRRHA linac. First, the optimization and the design of 5-cell elliptical cavities (β=0,65), operating at 704.4 MHz, are presented. Then, the experimental work focuses on a reliability oriented study of the “cryomodule” which hold a prototypical 5-cell cavity (β=0,47). In this study, the dynamic behavior of the fast tuning system of the cavity was measured and qualified. The “field flatness” issue in “low beta” multi-cell cavity was also brought to light. Finally, a fault-tolerance analysis of the linac was carried out. Toward this goal, a model of the cavity, its RF feedback loop system and its tuning system feedback loop was developed. This study enabled to determine the RF power needs, the tuning system requirements and as well as to demonstrate the feasibility of fast fault-recovery scenarios to minimize the number of beam interruptions in the MYRRHA linac

Afin d'étudier la faisabilité de la technologie ADS (" Accelerator Driven System ") pour la transmutation des déchets hautement radiotoxiques le projet MYRRHA (" Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications ") a pour objectif la construction d'un démonstrateur de réacteur hybride (50 à 100 MWth). Pour cela le réacteur sous-critique nécessite un accélérateur de forte puissance délivrant un faisceau continu de protons (600 MeV, 4mA), avec une exigence de fiabilité très élevée. La solution de référence retenue pour cette machine est un accélérateur linéaire supraconducteur. Ce mémoire de thèse décrit le travail de recherche - entrepris depuis octobre 2008 à l'IPN d'Orsay - portant sur la conception et la mise au point d'un module supraconducteur et des systèmes de régulation associés à sa cavité accélératrice, pour la partie haute énergie de l'accélérateur. Dans un premier temps, le design et l'optimisation de cavités accélératrices 5-cellules (β=0,65), fonctionnant à la fréquence de 704,4 MHz, sont présentés. Ensuite, la partie expérimentale se concentre sur l'étude de fiabilité du " cryomodule " prototype accueillant une cavité elliptique 5-cellules (β=0,47). Au cours de cette étude on s'est notamment attaché à mesurer et à caractériser le comportement dynamique du système d'accord. Les problématiques de maintient du " plat de champ " dans les cavités multi-cellules " bas béta " ont aussi été mises en évidence. Enfin, une analyse sur la tolérance aux pannes de l'accélérateur linéaire a été menée. Dans ce but, une modélisation de la cavité, de sa boucle de régulation RF (radiofréquence) et de la boucle de contrôle de son système d'accord, a été développée afin d'étudier les comportements transitoires de cet ensemble. Cette étude a permis de chiffrer les besoins en puissance RF et les performances requises du système d'accord et de démontrer la faisabilité d'un réglage rapides des cavités supraconductrices afin de minimiser le nombre d'arrêts faisceau dans le linac de MYRRHA.

Les Micro Systèmes Electro Mécaniques Radio-Fréquences (MEMS RF) bouleversent le paysage de la microélectronique, en laissant entrevoir des possibilités vertigineuses : exceptionnelles performances hyperfréquences, grande linéarité et faible consommation. Malgré ces avantages indéniables, la mise sur le marché de composants à base de MEMS RF est freinée par leurs manques de maturités au niveau du flot de conception, de la mise en boîtier (packaging) et de la fiabilité. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont porté sur l’étude théorique et expérimentale des techniques d’assemblage et de mise en boîtier pour l’intégration de micro-commutateurs RF opérant en bande X (10 GHz). Après une description des techniques de mise en boîtier suivie d’une analyse fonctionnelle, nous mettons en évidence une solution d’assemblage par report d’un capot avec un scellement en polymère. Afin de répondre aux enjeux de conception, nous avons identifié un besoin de modélisation à partir de logiciels de simulation éléments finis (EF) multi-physique, permettant de générer des macro-modèles comportementaux. Ainsi, nous discutons des possibilités offertes par deux logiciels EF réellement multi-physique : ANSYS et COMSOL. Finalement, nous proposons une solution (boîtier micro-usiné en Foturan et scellement en polymère BCB) compatible avec les possibilités technologiques, les contraintes dimensionnelles en terme d’encombrement, le respect des performances RF et la résistance mécanique. Cette solution a débouchée sur la réalisation et la caractérisation électrique d’un démonstrateur, montrant une très faible atténuation générée par le packaging, moins de 0. 05 dB de pertes à 10 GHz. De ce fait, nous avons pu valider une technique simple de packaging quasi-hermétique, adaptée au micro-commutateurs RF
Radio-Frequency Micro-Electro-Mechanical Systems (RF MEMS) are highly miniaturized devices intended to switch, modulate, filter or tune electrical signals from DC to microwave frequencies. RF Mems switches are characterized by their high isolation, low insertion loss, large bandwith and by their unparalleled signal linearity. Despite these benefits, RF Mems switches are not yet seen in commercial products because of reliability issues, limits in signal power handling and question in packaging. In this context, we put in evidence, a near hermetic packaging based on a micro-machined cap in Foturan sealed onto a photopatternable polymer Benzo-Cyclo-Butene (BCB) as a solution adapted to micro-switches RF. To answer the stakes in conception, we identified needs in multiphysics modelling able to generate behavioural macro-models. Finally, a demonstrator was characterised in terms of return and insertion losses measurements, which assures insignificant impact of the package on the RF losses

Cette thèse aborde la performance du protocole KNX-RF utilisé dans les applications domotiques en termes de robustesse Radio Fréquences dans un environnement multi-protocoles potentiellement sujet aux interférences. Dans ces travaux, le but est d’évaluer les problématiques d’interférences rencontrées par KNX-RF en utilisant des modèles de simulation qui permettraient d’augmenter à sa fiabilité radio. Ainsi, un premier modèle a été développé sur MATLAB/Simulink et a permis de connaître les performances et les limitations de ce protocole au niveau de la couche physique dans un scénario d’interférence se produisant à l’intérieur d’une box/gateway domotique multi-protocoles. Ces simulations ont été complétées par des essais expérimentaux sur le terrain qui ont permis de vérifier les résultats obtenus. Un deuxième modèle a été développé pour évaluer les mécanismes de la couche MAC, cette fois-ci, grâce au simulateur OMNet++/MiXiM. Ce modèle reprend tous les mécanismes d’accès au canal et d’agilité en fréquence spécifiés par la norme KNX. Un scénario de collisions de trames a été simulé et plusieurs propositions d’améliorations sont discutées dans ce manuscrit. Les modèles développés permettent d’analyser et de prédire en avance de phase le comportement de KNX-RF dans un environnement radio contraignant
This thesis addresses the performance of the KNX-RF protocol used for home automation applications in terms of radiofrequency robustness in a multi-protocol environment that is potentially subject to interferences. In this work, the aim is to assess the interference problems encountered by KNX-RF using simulation models that would increase its RF reliability. Thus, a first model was developed on MATLAB / Simulink and allowed to investigate the performance and limitations of this protocol at its physical layer in an interference scenario occurring inside a multiprotocol home and building automation box/gateway. These simulations were followed by field experimental tests in an indoor environment (house) to verify the results. A second model was developed to evaluate the MAC layer mechanisms of KNX-RF through the discrete event simulator OMNeT ++/Mixim. This model includes all the mechanisms of channel access and frequency agility specified by KNX-RF standard. A frame collision scenario was simulated and several improvement proposals are discussed in this manuscript. The developed models can be used to analyze and predict in advance phase the behavior of KNX-RF in a radio-constrained environment

Les micro- et nanotechnologies (MNT) connaissent aujourd'hui un essor important dans des domaines très variés. On observe en particulier un développement des filières de micro-interrupteurs. En effet, les interrupteurs MEMS ont démontré un gain de performances significatif en comparaison avec les systèmes de commutation actuels. Ces composants sont donc devenus très attractifs pour de nombreuses applications grand public et haute fiabilité, notamment en raison de la facilité d'intégration des microsystèmes à d'autres composants passifs ou issus de la filière microélectronique. L'énorme potentiel de cette technologie a poussé la communauté scientifique à envisager les micro-interrupteurs comme technologie de substitution aux systèmes de commutation actuels pour les applications faibles à moyennes puissances. Cependant, ces interrupteurs MEMS n'ont pas encore atteint un niveau de fiabilité convenable pour entrer en phase d'industrialisation poussée. L'une des principales défaillances observées durant le fonctionnement du composant se traduit soit par l'augmentation de la résistance de contact en fonction du nombre de cycles, allant jusqu'à atteindre une résistance infinie, soit par le collage irrémédiable des deux électrodes de contact au cours des cycles de commutations, annihilant la commande du composant. Ces deux phénomènes limitent de manière drastique la durée de vie du micro-interrupteur. La fiabilité du microcontact électrique, demeure ainsi le point critique dans ce type de composant, en raison des forces de contact bien souvent très faibles, entrainant des aires de contact effectives extrêmement réduites et des températures à l'interface de contact relativement élevées. C'est pourquoi de nouvelles techniques de caractérisation du microcontact ont été développées pendant cette thèse afin d'étudier l'évolution de la résistance de contact en fonction du nombre de cycles et de la force appliquée. Ces bancs de test nous permettent d'analyser le comportement électromécanique et électrothermique du microcontact, afin de comprendre l'origine des mécanismes de défaillance à travers une approche physique. L'originalité des travaux réalisés dans cette thèse réside dans l'étude de la température à l'interface de contact, considérée ici comme le principal vecteur de défaillance des contacts dans les interrupteurs MEMS ohmiques. En effet, la hausse de la température de contact engendre les principaux mécanismes de défaillance du microcontact, à savoir l'adhésion, le transfert de matière et la croissance de films isolants en surface du contact. Plusieurs types de contact seront étudiés afin d'accroitre la compréhension des phénomènes physiques à l'origine des défaillances pour finalement proposer une configuration fiable, fonctionnant malgré les contraintes thermiques à l'interface de contact.

La microscopie à émission de photons spectrale (SPEM) est une technique non destructive utilisée comme outil de localisation des défauts et comme indicateur des mécanismes de défaillance. Cette thèse présente un nouveau système de SPEM développé pour étudier la fiabilité des dispositifs de puissance à large bande interdite, notamment les MOSFET SiC et les MEMTs AlGaN/GaN. Un aperçu des différents aspects fondamentaux de l'émission de lumière dans les dispositifs à semi-conducteurs est présenté. L'analyse spectrale en électroluminescence des MOSFET SiC à haute puissance et des HEMTs AlGaN/GaN est rapportée et corrélée avec des analyses électriques et micro-structurales pour localiser les défaillances et identifier l'origine physique de la dérive des performances de ces composants
Spectroscopic photon emission microscopy (SPEM) is a non-destructive technique used as a defect localizing tool and as an indicator of the failure mechanisms. This thesis presents a new system of SPEM developed to study the reliability of wide band Gap power devices notably SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs. An overview of different fundamental aspects of the light emission defects on semiconductors devices is presented. The electroluminescence spectral analysis of high power stressed SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs is reported and correlated with electrical and micro-structural analysis to localize the failures and identify the physical origin of the performance drift of these components

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse consistent principalement en la conception de fonctions intégrées radiofréquences BiCMOS SiGe exploitant des résonateurs à ondes acoustiques de volume FBAR. Contrairement aux techniques actuelles rencontrées dans l'industrie qui consistent à réaliser des filtres et des résonateurs discrets et à les associer par la suite avec les circuits actifs des émetteurs-récepteurs au niveau du boîtier, nos résonateurs sont directement réalisés sur le substrat silicium des circuits actifs RF par une technique appelée intégration " above-IC ". Avec cette méthode d'intégration, les parasites et la modélisation associés aux microsoudures (Wire Bonding) sont éliminés. Elle permet aussi de se passer des circuits d'interface et d'adaptation nécessaires dans le cas de filtres RF discrets. Ceci permet de réduire considérablement la consommation et le volume des systèmes. Des amplificateurs faible bruit filtrants et des oscillateurs visant le standard WLAN IEEE 802.11a ont ainsi été implantés en utilisant cette technique d'intégration "above IC". Les circuits obtenus sont très compacts, et leurs performances, notamment celles des oscillateurs, sont à l'état de l'art. Par ailleurs, des amplificateurs faible bruit et des VCO LC SiGe intégrés pour application WLAN 5GHz sont également présentés et leurs techniques d'optimisation sont données.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEA-Leti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clé dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.