Thesis defence of Tarek Bouzar (RMS team): Contribution to the design of miniature high frequency probes for precision microwave measurements on silicon wafers

Tarek BOUZAR - RMS team

Direction of the thesis
Sébastien FRÉGONESE - Thesis director - Researcher - IMS Bordeaux
Jean-Daniel ARNOULD - Thesis co-director - Associate professor - TIMA Laboratory

Rapporteurs
Kamel HADDADI - Rapporteur - Full professor - Université de Lille
Thierry PARRA - Rapporteur - Full professor - Université de Toulouse

Composition of the jury
Thomas ZIMMER - President of the jury - Full professor - Université de Bordeaux
Sébastien FRÉGONESE - Thesis director - Researcher - IMS Bordeaux
Jean-Daniel ARNOULD - Thesis co-director - Associate professor - TIMA Laboratory
Kamel HADDADI - Rapporteur - Full professor - Université de Lille
Thierry PARRA - Rapporteur - Full professor - Université de Toulouse
Joao AZEVEDO GONCALVES - Examinator - Engineer - STMicroelectronics
Olivier OCCELLO - Guest - Teaching assistant - Université de Montpellier

Title: Contribution to the design of miniature high frequency probes for precision microwave measurements on silicon wafers
Keywords: electromagnetic simulation, millimeter-wave (mm-wave), on-wafer measurement, probes, S-parameter
Abstract: Significant progress has been made in semiconductor technology and high-speed integrated circuit (IC) fabrication, yet the measurement infrastructure for characterizing these ICs remains largely underdeveloped, especially for on-wafer measurements. In particular, commercial probes for applica- tions below 110 GHz use technologies that were developed and patented roughly 15 to 20 years ago and are now almost obsolete. Furthermore, these commercial technologies are very costly, mainly because they rely on the manual assembly of several components. In addition, this assembly method causes large variations from one product to another. Manual assembly also limits the possibility of reducing the geo- metric scale of the probe, which is necessary to improve its performance. From an electrical performance standpoint, current commercial probes are not sufficiently miniaturized, causing strong coupling either between the substrate and/or adjacent circuits and the probes, or between probes themselves. This leads to unreliable measurement results above 60 GHz. Consequently, there is a need to reduce the probe size, although this becomes increasingly challenging, to the point where a truly innovative probe design is the only viable solution. Lastly, measuring in a wide frequency band up to 500 GHz requires measuring band by band, which raises issues with contact, increases labor costs, and complicates result analysis. In this ANR project (called PRECISE), we propose a new approach to designing wideband probes operating from DC to at least 110 GHz (a possibly up to 220 and 325 GHz) with significantly reduced probe-to-substrate coupling.

Titre : Contribution à la conception de sondes miniatures à haute fréquence pour des mesures micro-ondes de précision sur les tranches de silicium
Mots-clés : mesure sur tranche, ondes millimétriques, paramètres S, simulation électromagnétique, sonde
Résumé : Cette thèse porte sur la conception de sondes miniatures haute fréquence pour les mesures micro-ondes de précision sur tranches de silicium. Elle s’inscrit dans un contexte où les technologies semi-conducteurs, notamment les technologies SiGe BiCMOS, atteignent des performances de plus en plus élevées dans les domaines millimétriques et sub-THz, alors que les moyens de mesure sur wafer restent limités par les performances des sondes, les erreurs de calibration et les couplages électromagnétiques parasites.

Les sondes commerciales actuelles, bien qu’efficaces dans de nombreuses configurations, présentent encore des limites importantes lorsque la fréquence augmente et que les dispositifs à caractériser deviennent fortement miniaturisés. Leur géométrie peut favoriser l’apparition de couplages sonde–sonde, sonde–substrat ou avec les structures voisines du dispositif sous test. Ces perturbations deviennent critiques aux hautes fréquences et peuvent conduire à des erreurs importantes dans l’extraction des paramètres S ainsi que des figures de mérite des transistors, telles que la fréquence de transition fT et la fréquence maximale d’oscillation fMAX.

Dans ce cadre, une partie importante de cette thèse est consacrée à l’analyse des limites des méthodes de calibration classiques, notamment TRL et SOLT. Une attention particulière est portée à la calibration à 16 termes, qui permet de modéliser des chemins d’erreur supplémentaires non pris en compte par les calibrations standards. Cette approche intègre notamment les fuites internes du banc de mesure, les couplages entre sondes, ainsi que les chemins croisés entre les sondes et les récepteurs du VNA.

Cependant, la calibration à 16 termes présente aussi des contraintes importantes. Sa mise en œuvre nécessite des standards de calibration spécifiques, parfois asymétriques, ainsi qu’une méthodologie d’extraction rigoureuse. Cette complexité rend son utilisation plus difficile dans un contexte industriel. Ainsi, cette thèse met en évidence une solution pour fiabiliser les mesures haute fréquence : réduire directement les perturbations à la source par la conception de sondes miniaturisées à faible couplage électromagnétique.

La contribution principale de ce travail concerne le développement de nouvelles architectures de sondes miniaturisées sur silicium haute résistivité, conçues pour limiter les couplages électromagnétiques parasites lors des mesures sur wafer. Les choix technologiques, incluant le substrat, la métallisation, la ligne de transmission, les transitions électromagnétiques et la géométrie des pointes, sont étudiés et optimisés afin d’obtenir des sondes compactes, large bande et adaptées aux mesures jusqu’à 110 GHz, avec des perspectives d’extension vers 220 et 325 GHz.

Enfin, la thèse ouvre la voie à de nouvelles générations de sondes intégrant des fonctions passives, notamment pour les mesures différentielles, ainsi qu’à une optimisation mécanique plus approfondie du contact entre la sonde et les plots de caractérisation. L’ensemble de ces travaux contribue au développement de solutions de mesure plus précises, plus compactes et plus fiables pour la caractérisation des technologies silicium avancées en très haute fréquence.