introduction

INTRODUCTION
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INTRODUCTION
Dans nos sociétés modernes, les communications sont un enjeu important pour nos
activités quotidiennes. Les liaisons satellitaires ou terrestres, entre appareils ou individus
constituent le flot journalier des transmissions. Afin d'assurer ces échanges, le signal analogique
devient le relais de la parole, de l'image et des données. Avec l'augmentation de la quantité
d'information à véhiculer, l'électronique analogique qui est le support du signal doit faire face à
des contraintes imposées par la nature de l'échange, de l'utilisateur et la physique. Ainsi, les
systèmes nécessitent une forte intégration de ses composants afin d'assurer des opérations de
plus en plus complexes sur les signaux numériques et analogiques. Ceci impose par conséquent
une bonne adéquation entre les zones de traitement du signal numérique et les éléments
analogiques, réalisés dans la même puce. Concernant la mobilité et l'autonomie des systèmes
électroniques, leur consommation énergétique doit être faible pour permettre une alimentation
par des batteries peu volumineuses. Enfin, la réalisation des circuits requiert l'optimisation de
leurs constituants sans dégrader leurs performances. Ceci nécessite de minimiser les pertes liées
aux lignes de transmission, aux divers effets de couplage et au bruit électronique.
Afin de satisfaire toutes ces conditions, les caractéristiques de ces systèmes s'appuient sur
des normes définies en fonction de l'utilisation finale[1,2]. Elles sont définies en fonction de :
• la puissance du signal émis en sortie.
(33 dBm pour le GSM, 27 dBm pour le W-CDMA)
• la sensibilité aux signaux reçues en entrée.
(-117 dBm pour le W-CDMA, -104 dBm pour le CDMA)
• la fréquence de fonctionnement.
(1,575 GHz pour le GPS, 2,4 GHz pour le WiFi ou 802.11b, WLAN ou
802.11g et Bluetooth, 5,2 GHz pour l'OFDM, 802.11a, HiperLAN2,
28 à 31 GHz pour le LMDS)
• la bande passante.
(1,3 GHz pour le LMDS)
• la linéarité dans la bande passante.
Suivant les applications visées, ces normes sont plus ou moins contraignantes vis-à-vis du
circuit à réaliser. Dans le domaine des micro-ondes, ces applications sont essentiellement liées
aux systèmes de communication par radio, aux ‛‛pagers”, aux communications par satellites
(apparu en 1945), à la téléphonie mobile (1985), aux réseaux locaux sans fil (1990) et à la
navigation par satellite (1991). L'électronique analogique micro-onde est également employée
pour les radars civils et militaires dans des domaines tels que la météorologie, l'aérospatiale,
l'automobile, la cartographie, l'identification, la surveillance mais également pour l'armement. En
définitive, il existe une grande variété d'applications des systèmes micro-ondes dont l'activité
majeure reste les télécommunications.
Le prochain paragraphe décrit les étages analogiques composant un système de
communication. La conception de ce système nécessite une technologie adaptée aux besoins des
micro-ondes. Un aperçu de ces technologies est donné en seconde partie de cette introduction.
Les dispositifs sur silicium sont comparés par rapport aux autres types de substrat. Notamment,
parmi la famille du silicium, la technologie Silicium-Sur-Isolant ou SOI possède un potentiel
important pour rivaliser face aux procédés coûteux mais performants sur substrat AsGa. Un

INTRODUCTION
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historique du SOI est ensuite donné. Celui-ci s'appuie sur les divers procédés technologiques de
réalisation de ces substrats. Enfin, cette introduction se poursuit par une comparaison entre les
technologies SOI et silicium massif pour les transistors à effet de champ MOS, et se termine par
un dernier paragraphe consacré au plan de ce mémoire.
1- Les dispositifs intégrés
À partir des années 1990, le besoin de circuits micro-ondes connu une croissance
fulgurente. Avec l'amélioration des outils de conception assistée par ordinateur, il fut possible
d'accroître le niveau de complexité dans la réalisation de circuits analogiques micro-ondes. Pour
des raisons de réduction de coûts et d'augmentation des performances, les systèmes actuels
tendent à intégrer l'ensemble des fonctionnalités analogiques et numériques sur une seule puce
électronique. Ces éléments, ‛‛Systems-On-Chip” ou SOC ou ‛‛Systems-In-Package” ou SIP,
comprennent, dans le cadre d'un équipement de téléphonie mobile les étages de réception, de
conversion analogique/numérique, de décodage et de traitement du signal numérique et enfin
l'étage d'émission. La figure 1 donne un exemple typique d'une chaîne de traitement pour un
téléphone cellulaire d'après des représentations données par Larson[1]. L'étage de réception peut
devenir plus complexe lorsque le dispositif fonctionne en multibande[3]. Actuellement, ces
systèmes tendent à incorporer des solutions plus complexes comme le décodage MPEG pour la
vidéo, le gps ou des unités de calcul comme les micro-processeurs.
Figure 1 : Exemple d'un schéma possible d'un téléphone cellulaire
avec ses étages de réception et d'émission.
Dans le système présenté à la figure 1, trois types d'amplificateur sont présentés. Le LNA
est un amplificateur à faible niveau de bruit intrinsèque. Cet élément majeur constitue le premier
étage limitant les performances d'une de réception micro-onde. Par l'antenne, une variété de
signaux, dont le signal utile, atteint l'entrée du LNA. Sa fonction est, alors, d'amplifier ces signaux
sans apporter du bruit supplémentaire. Les caractéristiques optimales d'un LNA est un gain élevé,
une large bande passante, une faible consommation et un niveau de bruit interne négligeable. Ces
caractéristiques dépendent des transistors employés. Deux technologies sont principalement en
concurrence pour ce type d'élément : les FET avec le MESFET AsGa et les bipolaires avec le
HBT SiGe. Dans la suite de ce chapitre, d'autres technologies émergentes seront définies et
positionnées par rapport aux deux précédentes. Le PA correspond à un amplificateur de
puissance. Cet amplificateur doit satisfaire à des contraintes de gain, de puissance de sortie et de
consommation. Typiquement, des amplificateurs de classe AB sont utilisés. Enfin, le VGA, ou
Microcontrôleur
Démodulateur
A/N
Modulateur
A/N
*
7
0 #
4 8 5
1
9
2 6 3
L C D
Oscillateur
Local RF
LNA LNAOscillateur
Local RF
Oscillateur
Local RF
V
GA
V
GA
PA
Filtre
SAW
Filtre
SAW
Filtre
SAW
V
GA
Traitement du signa
l
Interrupteur RF

INTRODUCTION
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amplificateur à gain variable, permet d'ajuster le niveau de puissance reçu ou émit, en fonction de
la localisation de l'utilisateur par rapport aux bornes radios de son opérateur téléphonique.
Les VCO, ou les oscillateurs contrôlés par une tension, sont des dispositifs qui
démodulent le signal micro-onde dans la bande de base et inversement. Ces éléments nécessitent
un faible niveau de bruit de phase, être accordé sur une plage de fréquence fixe, être indépendant
de la température, des dérives liées au procédé de fabrication, de la charge de sortie et des
variations de puissance. Les interrupteurs RF analogiques placés à l'entrée du circuit, après
l'antenne, permutent entre le signal reçu et le signal émis. Les deux principales qualités d'un
interrupteur RF sont le maintien de la linéarité à l'état passant et une parfaite isolation à l'état
bloqué.
Tous ces circuits nécessitent une optimisation des paramètres lors de leur conception.
Suivant la technologie employée, l'amélioration des performances se fera sur la base d'un
compromis. Un aperçu des paramètres à ajuster pour la conception de circuits analogiques est
donné à la figure 2. Par exemple, il est possible d'améliorer le gain mais au détriment de la
sensibilité en entrée du circuit, donc du bruit, ou de la puissance consommée.
Figure 2 : Octogone représentant les paramètres à ajuster lors de la
conception de circuits analogiques.
L'amélioration des paramètres cités à la figure précédente, impose la recherche et le
développement de nouvelles technologies financièrement compétitives, avec un faible temps de
mise sur le marché. Des efforts importants sont à fournir dans la compréhension des
phénomènes physiques, afin de guider le technologue et le concepteur dans la réalisation et
l'optimisation de circuits micro-ondes.
Le paragraphe suivant donne une comparaison des différentes technologies employées
pour réaliser des circuits analogiques micro-ondes. De cette étude, les substrats de la filière SOI
semblent prometteurs, alliant les avantages de coût avec la puissance technologique.
2- Les différentes technologies
Historiquement, les technologies III-V comme l'AsGa ont été les premières à s'imposer
dans le domaine des micro-ondes. En effet, la résistivité des substrats GaAs est 10 000 fois plus
grande environ que les substrats en technologie silicium. Les pertes étant plus fortes pour le
silicium, cette technologie ne convenaient pas au développement d'éléments micro-ondes. De
plus, la mobilité des électrons est 6 fois plus importante dans l'AsGa que dans le silicium. Les
circuits sont alors plus rapides et peuvent amplifier à des fréquences élevées. Alliant une grille
basée sur une diode Schottky rapide, les MESFET sur GaAs furent les premiers éléments
micro-ondes qui permirent la conception de circuits travaillant au-delà de la limitation en
fréquence imposée par les transistors bipolaires sur silicium. Les inconvénients majeurs de cette
Gain
Brui
t
Linéarité
Bande
Passante
Puissance
consommée
Tension
d'alimentation
Adaptation
en entrée
/
sortie
V
itesse
Circuit
A
nalogique

INTRODUCTION
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technologie étaient le manque de rendement de ce type de matériau et le coût important dans sa
réalisation. En 1968, un premier circuit à base de transistors à effet de champ en technologie
AsGa a été réalisé. Sa fréquence de travail se situait autour de 94 GHz.
Avec la réduction de la longueur du canal pour les MOSFET sur silicium massif, à l'heure
actuelle, il possible d'obtenir des fréquences de coupure de l'ordre de ceux obtenues avec des
MESFET AsGa. Par contre, dans le cas des MOSFET Si, le niveau de bruit reste plus important
que celui des MESFET AsGa à cause de la résistance série de grille et du couplage capacitif entre
la grille et le canal. De très bonnes performances pour la fréquence de coupure sont obtenues
pour les transistors bipolaires à hétérojonction SiGe[4]. Cependant, les dispositifs à base de
semi-conducteur III-V ont un coût de développement élevé comparativement au silicium. La
figure 3 situe les principales technologies existantes selon le domaine fréquentiel applicable ainsi
que les normes de télécommunication associées. Sur cette figure, extraite d'après l'ITRS 2003, il
est possible de noter que la technologie sur silicium est employée actuellement pour des
applications dont la fréquence de travail ne dépasse pas 10 GHz.
Figure 3 : Représentation des performances des technologies par
rapport aux applications micro-ondes[5]
Avec les technologies sur silicium, un nouveau type de substrat contenant une couche
d'oxyde a fait son apparition. La technologie SOI ou Silicon-On-Insulator est une alternative
prometteuse au silicium dans la réalisation de transistors micro-ondes. En effet, malgré son coût
de développement supérieur de 10 % par rapport aux technologies sur substrat massif classiques,
le gain en performance est évalué entre 20 et 35 %[6]. Les fréquences de coupure sont supérieures
à 150 GHz pour la technologie 0,13 µm. Avec l'utilisation de substrats fortement résistif, les
pertes sont diminuées et les performances accrues notamment au niveau du bruit micro-onde.
Ainsi, les performances fréquentielles des technologies silicium indiquée à la figure 3 doivent être
revues à la hausse.
3- Historique du SOI
La technologie SOI compte plusieurs procédés industriels qui ont été développés pour
réaliser un film de silicium sur une couche isolante. Le plus ancien est le SOS ou Silicon-On-
Sapphire. Depuis les années 1980, d'autres techniques ont été mises au point et sont devenues des
standards industriels. Les deux principaux procédés sont le SIMOX et le BSOI dont une
technique dérivée est le Smart-Cut®. Ce paragraphe retrace l'historique des procédés de
fabrication du SOI en évoquant leurs avantages ainsi que leurs inconvénients.
normes
f
réquenc
e
technologie

INTRODUCTION
33
3.1 La technologie Silicon-On-Sapphire
La technologie ‛‛Silicon-On-Sapphire”, ou SOS a été mise au point dès 1964[7,8]. Les
principales applications furent pour l'électronique numérique avec la conception de mémoires[9],
de cellules logiques[10] et de microprocesseurs[11]. À partir des années 1980, le SOS connu un
regain d'intérêt pour des applications analogiques[12].
La fabrication de substrats SOS se déroule autour de la croissance épitaxiale d’un film de
silicium sur un substrat de saphir, Al203. Les principaux inconvénients de cette technologie sont
son coût et la présence de défauts à l’interface entre le silicium et le substrat. Actuellement, la
réalisation de ces substrats est améliorée par l'incorporation d'une étape de recristallisation en
phase solide, SPER, à la suite d'une implantation d'ions de silicium, Si+28, après épitaxie,
voir figure 4. L'épaisseur du film de silicium obtenu se situe entre 500 et 1 000 Å[13].
Figure 4 : Processus de fabrication des plaques SOS.
Les avantages de la technologie SOS sont une totale isolation électrique, une très forte
isolation contre les rayons ionisants et pas de présence d'une grille arrière. De plus, l'isolation
thermique est plus faible que dans le cas d'une isolation par SiO2. Ses défauts sont son coût de
développement, la présence de défauts dans le cristal de silicium, des problèmes de stress
mécaniques et une mauvaise qualité de l'interface arrière.
3.2 ELO et ZMR
Les procédés ELO ou ‛‛Epitaxial Lateral Overgrowth”, et ZMR ou ‛‛Zone Melting
Recrystallization”, donnent des matériaux de qualité médiocre[14]. Ces deux techniques trouvent
tout leur intérêt dans la réalisation de circuits intégrés 3D. La première technique consiste à faire
croître le silicium à partir d'ouvertures effectuées dans l'oxyde de silicium, voir figure 5-a. La
seconde méthode, indiquée à la figure 5-b, fait appel à la recristallisation du silicium déposé sur la
couche d'oxyde par une source de chaleur (faisceau d'électrons, laser,…).
a) ELO b) ZMR
Figure 5 : Procédé de fabrication des tranches SOI par a) ELO et
b) ZMR.
Recuit
Si
SiO2
Faisceau laser, d'électrons,
lampes à halogène, graphite
Si
SiO2
Épitaxie
A
l2O3
Si
A
l2O3
Si+28
Zone
amorphe
SPER à 550°C
Suppression des défauts
à 900°C
A
l2O3
Si
A
l2O3
Oxydation thermique
Suppression de l'oxyde