Fluctuations basse fréquence et variabilité dans les composants CMOS 32nm

par Eleftherios Ioannidis

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Gérard Ghibaudo et de Jalal Jomaah.

Soutenue le 24-09-2013

à Grenoble en cotutelle avec 126 Aristote Univ of Thessaloniki , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Institut de la Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Stylianos Siskos.

Le jury était composé de Sebastien Haendler, Alkis Hatzopoulos.

Les rapporteurs étaient Cor Claeys, Nathalie Malbert.


  • Résumé

    D’une part, les fluctuations et le bruit basse fréquence (BF) dans les dispositifs MOS ont été le sujet de recherche intensive durant ces dernières années. Le bruit BF devient une inquiétude majeure pour la réduction continuelle de la dimension des transistors car le bruit 1/f augmente comme l’inverse de la surface des transistors. Le bruit BF et les fluctuations en excès pourraient constituer une limitation sérieuse du fonctionnement des circuits analogiques et numériques. Le bruit 1/f est également d'importance primordiale pour les applications de circuit RF où il provoque le bruit de phase dans les oscillateurs ou les multiplexeurs. Le développement des technologies submicroniques CMOS a conduit à l’observation d’un nouveau type de bruits, i.e. signaux télégraphiques aléatoires (RTS), entrainant de grandes amplitudes de fluctuations à l’heure actuelle, qui peuvent compromettre la fonctionnalité des circuits. D'autre part, la variabilité statistique dans les caractéristiques de transistor est l'un des défis principaux pour les prochaines générations technologiques. La connaissance détaillée des sources de variabilité est extrêmement importante pour la conception et la fabrication des dispositifs résistants à la variabilité. On constate que la dispersion des valeurs de courant de drain des dispositifs n-MOS plutôt petits de la technologie 28 nm est presque deux décades. Cela résulte de l'impact des dopants aléatoires, de la rugosité de bord des lignes et les variations d'épaisseur d'oxyde, qui est plutôt bien compris, ainsi que du rôle du matériau de grille, en poly silicium ou en métal seulement, qui n’a été que récemment étudié dans les simulations. La confirmation et la quantification expérimentales de la contribution du bruit et des fluctuations BF manquent toujours. En outre, l'étude de la variabilité du bruit BF et de sa relation avec les autres facteurs des variations des dispositifs n'a été jamais effectuée. Par conséquent, les défis de recherches et les objectifs de cette thèse sont centrés vers les études des fluctuations basses fréquences et du bruit dans les technologies CMOS 32nm et au-delà. Plus spécifiquement, le bruit BF sera étudié avec trois objectifs : i) la caractérisation détaillée du bruit BF des nouvelles technologies CMOS comportant des grilles avec high-k/métal, des poches de canal etc., ii) le changement des paramètres de bruit BF des différentes technologies et iii) l'impact du bruit BF et des fluctuations RTS en tant que sources de variabilité pour des applications de circuit analogique et numérique. Le premier objectif adressera l'origine des fluctuations de BF dans des dispositifs CMOS en termes de densité de piège et de localisation des défauts dans le diélectrique de grille et avec la longueur du canal pour différentes architectures (poche, canal de germanium, FD-SOI etc.). La deuxième partie considérera la variabilité du bruit BF résultant de la dispersion énorme des sources de bruit de dispositif à dispositif ; ceci sera conduit grâce à des mesures statistiques des caractéristiques de bruit de BF en fonction de la surface des dispositifs et des générations technologiques. Le troisième objective se concentrera sur l'impact du bruit de BF ou des fluctuations RTS sur le fonctionnement des circuits élémentaires (inverseur, cellule SRAM) et considérés en tant que source temporelle de variabilité. Nous allons aborder ces trois questions une après l’autre dans les paragraphes suivants.

  • Titre traduit

    Variability of low frequency fluctuations in sub 45nm CMOS devices-Experiment, modeling and applications


  • Résumé

    Low frequency (LF) noise and fluctuations in MOS devices has been the subject of intensive research during the past years. The LF noise is becoming a major concern for continuously scaled down devices, since the 1/f noise increases as the reciprocal of the device area. Excessive low frequency noise and fluctuations could lead to serious limitation of the functionality of the analog and digital circuits. The 1/f noise is also of paramount importance in RF circuit applications where it gives rise to phase noise in oscillators or multiplexors. The development of submicronic CMOS technologies has led to the onset of new type of noises, i.e. random telegraph signals (RTS), yielding large current fluctuations, which can jeopardize the circuit functionality. However, the statistical variability in the transistor characteristics is one of the major challenges for upcoming technological nodes. The detailed knowledge of variability sources is extremely important for the design and manufacturing of variability resistant devices. Whereas the impact of random dopants, line edge roughness and oxide thickness variations is relatively well understood, the role of the polysilicon or metal gate material has only lately been investigated in simulations and experimental confirmation and quantification of its contribution is still lacking. In addition, the study of LFN variability behavior and maybe its relation with the other factors of device variations has never been done. Therefore, the research challenges and objectives of this thesis are centered towards the studies of low frequency fluctuations and noise in 32 nm CMOS technologies and beyond. More specifically, the objectives of the LF noise investigation is summarized in the following points: i) Detailed LF noise characterization of new CMOS technologies featuring high-κ metal gate stacks, channel pockets etc, ii) change of LF noise parameters from different technologies and iii) impact of LF noise and RTS fluctuations as a variability sources for analog and digital circuits. The first objective addresses the origin of the LF fluctuations in CMOS devices in terms of trap density and defect localization in the gate dielectric and along the channel for various architectures (pocket, Ge channel, FD-SOI etc). The second objective considers the LF noise variability resulting from huge dispersion of noise sources from device to device; this is conducted owing to statistical measurements of LF noise characteristics as a function of device area and technological splits. The third issue is focused on the impact of LF noise or RTS fluctuations on the operation of elementary circuits (inverter, SRAM cell) regarded as temporal variability source.


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