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Precision measurements play a crucial role in electronic engineering, particularly in the characterization of silicon-based heterojunction bipolar transistors (HBTs) embedded into devices for THz applications using the BiCMOS technology. Thanks to ongoing innovations in terms of nanoscale technology manufacturing, devices capable of operating in the sub-millimeter wave region are becoming a reality, and need to support the demand for high frequency circuits and systems. To have accurate models at such frequencies, it is no longer possible to limit the parameter extraction below 110 GHz, and new techniques for obtaining reliable measurements of passive and active devices must be investigated.In this thesis, we examine the on-wafer S-parameters characterization of various passive test structures and SiGe HBTs in STMicroelectronics' B55 technology, up to 500 GHz. We start with an introduction of the measuring equipment usually employed for this type of analysis, then moving on to the various probe stations adopted at the IMS Laboratory, and finally focusing on calibration and deembedding techniques, reviewing the major criticalities of high-frequency characterization and comparing two on-wafer calibration algorithms (SOLT and TRL) up to the WR-2.2 band.Two photomask production runs for on-wafer characterization, both designed at IMS, are considered: we introduce a new floorplan design and evaluate its ability to limit parasitic effects as well as the effect of the environment (substrate, neighbors, and crosstalk). For our analysis, we rely on electromagnetic simulations and joint device model + probe EM simulations, both including probe models for an evaluation of measurement results closer to real-world conditions.Finally, we present some test structures to evaluate unwanted impacts on millimeter wave measurements and novel transmission line design solutions. Two promising designs are carefully studied: the "M3 layout", which aims to characterize the DUT in a single-tier calibration, and the "meander lines", which keeps the inter-probe distance constant by avoiding any sort of probe displacement during on-wafer measurements.; Les mesures de précision jouent un rôle crucial dans l'électronique, en particulier dans la caractérisation des transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) à base de silicium embarqués dans des dispositifs pour applications THz utilisant la technologie BiCMOS. Grâce aux innovations récentes en termes de fabrication de technologies à l'échelle nanométrique, les dispositifs capables de fonctionner dans la région des ondes submillimétriques deviennent une réalité et doivent répondre à la demande de circuits et de systèmes haute-fréquence. Pour disposer de modèles précis à de telles fréquences, il n'est plus possible de limiter l'extraction des paramètres en dessous de 110 GHz, et de nouvelles techniques permettant d'obtenir des mesures fiables de dispositifs passifs et actifs doivent être étudiées.Dans cette thèse, nous examinerons la caractérisation des paramètres S sur silicium (on-wafer) de différentes structures de test passives et des HBT SiGe en technologie B55 de STMicroelectronics, jusqu'à 500 GHz. Nous commencerons par une introduction de l'équipement de mesure habituellement utilisé pour ce type d'analyse, puis nous passerons aux différents bancs de mesure adoptés au laboratoire IMS, et enfin nous nous concentrerons sur les techniques de calibrage et d’épluchage (de-embedding), en passant en revue les principales criticités de la caractérisation haute-fréquence et en comparant deux algorithmes de calibrage on-wafer (SOLT et TRL) jusqu'à la bande WR-2.2.Deux cycles de production de photomasques pour la caractérisation on-wafer, tous deux conçus à l'IMS, seront présentés: nous introduirons un nouveau design du floorplan et évaluerons sa capacité à limiter les effets parasites ainsi que l'effet de son environnement (substrat, structures voisines et diaphonie). Pour notre analyse, nous nous appuierons sur des simulations électromagnétiques et des simulations EM mixtes de modèle compacte + sonde, toutes deux incluant les modèles des sonde pour une évaluation des résultats de mesure plus proche des conditions réelles.Enfin, nous présenterons quelques structures de test pour évaluer les impacts indésirables sur les mesures d'ondes millimétriques et de nouvelles solutions de conception de lignes de transmission. Deux designs prometteurs seront soigneusement étudiées: le "layout M3", qui vise à caractériser le DUT dans un étalonnage à un seul niveau, et les "lignes à méandre", qui maintiennent la distance entre les deux sondes constante en évitant tout déplacement pendant les mesures sur silicium.

Precision measurements play a crucial role in electronic engineering, particularly in the characterization of silicon-based heterojunction bipolar transistors (HBTs) embedded into devices for THz applications using the BiCMOS technology. Thanks to ongoing innovations in terms of nanoscale technology manufacturing, devices capable of operating in the sub-millimeter wave region are becoming a reality, and need to support the demand for high frequency circuits and systems. To have accurate models at such frequencies, it is no longer possible to limit the parameter extraction below 110 GHz, and new techniques for obtaining reliable measurements of passive and active devices must be investigated.In this thesis, we examine the on-wafer S-parameters characterization of various passive test structures and SiGe HBTs in STMicroelectronics' B55 technology, up to 500 GHz. We start with an introduction of the measuring equipment usually employed for this type of analysis, then moving on to the various probe stations adopted at the IMS Laboratory, and finally focusing on calibration and deembedding techniques, reviewing the major criticalities of high-frequency characterization and comparing two on-wafer calibration algorithms (SOLT and TRL) up to the WR-2.2 band.Two photomask production runs for on-wafer characterization, both designed at IMS, are considered: we introduce a new floorplan design and evaluate its ability to limit parasitic effects as well as the effect of the environment (substrate, neighbors, and crosstalk). For our analysis, we rely on electromagnetic simulations and joint device model + probe EM simulations, both including probe models for an evaluation of measurement results closer to real-world conditions.Finally, we present some test structures to evaluate unwanted impacts on millimeter wave measurements and novel transmission line design solutions. Two promising designs are carefully studied: the "M3 layout", which aims to characterize the DUT in a single-tier calibration, and the "meander lines", which keeps the inter-probe distance constant by avoiding any sort of probe displacement during on-wafer measurements., Les mesures de précision jouent un rôle crucial dans l'électronique, en particulier dans la caractérisation des transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) à base de silicium embarqués dans des dispositifs pour applications THz utilisant la technologie BiCMOS. Grâce aux innovations récentes en termes de fabrication de technologies à l'échelle nanométrique, les dispositifs capables de fonctionner dans la région des ondes submillimétriques deviennent une réalité et doivent répondre à la demande de circuits et de systèmes haute-fréquence. Pour disposer de modèles précis à de telles fréquences, il n'est plus possible de limiter l'extraction des paramètres en dessous de 110 GHz, et de nouvelles techniques permettant d'obtenir des mesures fiables de dispositifs passifs et actifs doivent être étudiées.Dans cette thèse, nous examinerons la caractérisation des paramètres S sur silicium (on-wafer) de différentes structures de test passives et des HBT SiGe en technologie B55 de STMicroelectronics, jusqu'à 500 GHz. Nous commencerons par une introduction de l'équipement de mesure habituellement utilisé pour ce type d'analyse, puis nous passerons aux différents bancs de mesure adoptés au laboratoire IMS, et enfin nous nous concentrerons sur les techniques de calibrage et d’épluchage (de-embedding), en passant en revue les principales criticités de la caractérisation haute-fréquence et en comparant deux algorithmes de calibrage on-wafer (SOLT et TRL) jusqu'à la bande WR-2.2.Deux cycles de production de photomasques pour la caractérisation on-wafer, tous deux conçus à l'IMS, seront présentés: nous introduirons un nouveau design du floorplan et évaluerons sa capacité à limiter les effets parasites ainsi que l'effet de son environnement (substrat, structures voisines et diaphonie). Pour notre analyse, nous nous appuierons sur des simulations électromagnétiques et des simulations EM mixtes de modèle compacte + sonde, toutes deux incluant les modèles des sonde pour une évaluation des résultats de mesure plus proche des conditions réelles.Enfin, nous présenterons quelques structures de test pour évaluer les impacts indésirables sur les mesures d'ondes millimétriques et de nouvelles solutions de conception de lignes de transmission. Deux designs prometteurs seront soigneusement étudiées: le "layout M3", qui vise à caractériser le DUT dans un étalonnage à un seul niveau, et les "lignes à méandre", qui maintiennent la distance entre les deux sondes constante en évitant tout déplacement pendant les mesures sur silicium.

International audience; In this paper, an innovative millimeter-wave (mm-wave) through-load switch for in-situ reflectometers and on-wafer calibration is proposed. This two-port device can switch between two states: (i) a through connection or (ii) a 50 Ω load for both of its ports. The through-load switch is composed of a 3-dB directional coupler and two nMOS transistors controlled through a biasing voltage applied to their gate. Measurement results of a 120-GHz 3-dB directional coupler are provided up to 145 GHz together with EM simulations and circuit-level simulations up to 220 GHz of the through-load switch. A wide bandwidth is obtained, from 73 GHz to 179 GHz, with limited insertion loss of 2 dB.

A multiline Thru-Reflect-Line (mTRL) calibration and parasitic pad removal kit is presented, intended for mm-wave III-V nanowire MOSFET characterization. Multiline TRL is implemented in a low-temperature BEOL process with substrate decoupled microstrip transmission lines. The transmission line characteristic impedance needed for accurate mTRL calibration is modelled. Simulated transmission line parameters show a good fit with measured transmission line data, including line characteristic impedance variation. Line loss less than 0.5 dB/mm up to 50 GHz is obtained. Finally, interconnect via section is calibrated and modelled, showing mTRL's ability to obtain small parasitic parameters.

On-wafer microwave characterization and uncertainty evaluation of two-port coplanar waveguide (CPW) high impedance nanodevices are proposed. The test devices are manufactured with resistive metallic nano-films integrated in tapered CPW structures. Microwave conductance in the range 100–500 $\mu \mathbf{S}$ associated to parallel capacitances in the order of hundreds aF are exemplary shown up to 20 GHz. The uncertainty corresponding to the post-calibration residual errors-terms is provided. In addition, a sensitivity analysis investigating technological process variability using FEM-based EM modelling is considered.

International audience; Methods for traceable characterization and uncertainty evaluation of planar 1-port CPW short-open-load (SOL) devices are developed. The agreement of modelling and verification measurement results greatly supports the application of the proposed parameterization models and used FEM-based EM modelling of CPW structures for traceable characterization of planar CPW-based SOL devices in the frequency range between a few kHz up to 50 GHz.

This paper investigates a unified theory to derive vector network analyzer calibration algorithms based on the T-matrix representation, by which means the line-reflect-match (LRM), line-reflect-match-match (LRMM), and the line-reflect-reflect-match (LRRM) calibrations are formulated. The proposed calibration theory is more general than other versions of LRM, LRMM, and LRRM in that an arbitrary known two-port device can be used as the line standard L, rather than a perfect thru or transmission line. Experimental verifications of the proposed theory using on-wafer calibrations from 0.5 GHz to 110 GHz are given.

This thesis targets receive front-ends with high linearity for applications such as UMTS, CDMA, GPS, TETRA, and WLAN. It reviews available circuit architectures and linearization techniques and chooses the methods best suited for each problem. All circuits have been designed using production line Silicon-Germanium bipolar and BiCMOS processes. Theoretical considerations, extensive simulations and measurements showed that SiGe HBT technology - despite its exponential current-versus-voltage characteristics - offers higher linearity than pHEMT at low current consumption. For a given supply current, the most linear SiGe HBT LNA uses a single-stage cascode design with narrow band reactive load and inductive series feedback. In order to achieve a high 3rd order intercept point (IP3) in the two-tone test, the difference frequency (often called ’beat frequency’) needs to be shorted properly. Different low-frequency termination techniques like broadband source termination, LC trap networks, inductive bias networks and active bias networks based on operational amplifiers have been evaluated and the optimum solution was chosen, depending on the application. For very narrowband applications, cancellation of intermodulation products by using capacitive parallel feedback can be exploited, leading to high IP3. All realised LNAs have been benchmarked with published results and are close to the theoretical optimum in linearity. Both passive mixers and active Gilbert cell mixers have been optimised with respect to linearity. For systems where the interferers appear out-of-band of the SAW filter between LNA and mixer, an optimised Gilbert cell mixer is generally the best compromise in system noise figure, linearity and power consumption. For systems with strong in-band jammer (e.g. professional mobile radio terminals), a NMOS ring mixer with high peak-to-peak LO drive shows high input-referred linearity and allows for high LNA gain resulting in a very low system noise figure.

The continuous improvement in Silicon technologies allows SiGeC (Silicon-Germanium-Carbon) heterojunction bipolar transistors (HBT) to compete with III-V components for millimeter wave and sub-THz (below 300GHz) applications. The technology development cycle (characterization, modeling, design and fabrication) needs several iterations resulting in high costs. Furthermore, the measurement methodologies need to be re-assessed and modified to address higher measurement frequencies. In order to reduce the number of iterations and to allow reliable measurement in the sub-THz band, the characterization procedure has been revisited.First, a description and investigation of the measurement instrument (VNA) has been made. After exploring all possible calibration methods, the best candidate for an “on-wafer” calibration for the sub-THz frequency range has been selected. Then, after analyzing the limits of the chosen calibration method (Thru-Reflect-Line: TRL), workarounds are proposed, by modification of the errors coefficients calculation and by changing the standards used during the calibration process. At last, a study concerning the de-embedding methods is carried out. It is shown, that using two new standards helps to reduce the over-compensation of parasitic components., La constante amélioration des technologies silicium permet aux transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) SiGeC (Silicium-Germanium : Carbone) de concurrencer les composants III-V pour les applications millimétriques et sous-THz (jusqu’à 300GHz). Le cycle de développement de la technologie (caractérisation-modélisation-conception-fabrication) nécessite plusieurs itérations, entraînant des coûts élevés. De plus, les méthodologies de mesure doivent être réévaluées et ajustées pour adresser des fréquences plus élevées. Afin de réduire le nombre d’itérations et de permettre la montée en fréquence de la mesure, un travail de fond sur la première étape, la caractérisation, s’avère indispensable.Pour répondre à cette exigence, une description et une étude des instruments de mesure (VNA) est réalisée dans un premier temps. Un état de l’art des méthodes de calibrage permet de choisir la solution la plus pertinente pour la calibration sur puce valable dans la gamme de fréquences sous-THz. Ensuite, après avoir relevé plusieurs défauts dans la méthode choisie (à savoir la méthode Thru-Reflect-Line : TRL), des solutions sont proposées concernant la modification des calculs des coefficients d’erreur et également en modifiant les standards utilisés durant le calibrage. Finalement, une étude sur les méthodes d’épluchage est réalisée. Une amélioration est proposée par la modification de deux standards évitant le principal problème de l’état de l’art, la surcompensation des composants parasites.