Ingénierie de substrat par micro-usinage laser pour l’amélioration des performances de composants et fonctions RF intégrées en technologie SOI-CMOS

Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'approche More-than-Moore constitue un facteur cle pour ameliorer les performances du systeme, l'integration et la diversification des applications. Dans le domaine des systemes RF/hyperfrequences, il est essentiel de developper des fonctionnalites optimisees pour diverses exigences comme la linearite, les pertes, la sensibilite, etc. Bien que la technologie silicium-sur-isolant (SOI) offre des solutions concurrentielles pour le marche des radiofrequences et des hyperfrequences, il a ete demontre dans des etudes anterieures que l'ingenierie des substrats SOI permet d'ameliorer encore les performances. Dans ce contexte, l'objet specifique de ce travail de these a ete d'etudier le traitement des substrats porteurs de tranches SOI (Silicium-sur-Isolant). L'objectif a consiste a enlever le substrat de silicium sous la zone active des fonctions RF pour obtenir des membranes SOI menant a des pertes RF reduites et une amelioration de la linearite. Nous avons donc developpe le procede de micro-usinage et de gravure assistee par laser femtoseconde FLAME (Femtosecond Laser Assisted Micromachining and Etch) pour suspendre en membrane les fonctions RF integrees sur un substrat SOI. Un taux d'ablation specifique eleve de 8,5 x 106 µm3 s-1 a ete obtenu pour produire des membranes dont la surface varie de quelques centaines de µm2 a plusieurs mm2. La caracterisation RF a ete realisee sur differentes fonctions RF suspendues : commutateurs, inductances et amplificateurs a faible bruit (LNA). Une comparaison avec des substrats SOI a haute resistivite montre des performances superieures pour les fonctions RF integrees en membranes. Pour le commutateur, les mesures de distorsion harmonique ont montre une amelioration de 23 dB et 6 dB des secondes et troisiemes harmoniques, respectivement. Des mesures en regime petit signal d'inductance sur membranes ont revele un quasi-doublement du facteur de qualite Q jusqu'a 3,2 nH. L'elimination du substrat de l'inductance d'adaptation d'entree des LNA entraine une reduction du facteur de bruit de ~0,1 dB. Ces resultats mettent en evidence le potentiel important que constitue l’ingenierie des substrats pour l'amelioration des performances RF des technologies CMOS. De plus, pour les besoins d'analyse en boucle courte, la methode FLAME permet de quantifier tres rapidement l'influence du substrat sur les pertes et la linearite sans avoir recours a des techniques d’elimination complete. Un autre avantage distinctif de cette methode est la possibilite de quantifier l'effet du substrat sur un circuit complet en suspendant un composant specifique sans affecter les autres. Les methodes de fabrication developpees sont egalement applicables aux capteurs en technologie SOI, ce qui apporte une valeur ajoutee globale en ligne avec le paradigme More-than-Moore.