Développement de solutions BIST (Built-In Self-Test) pour circuits intégrés radiofréquences/millimétriques

Development of Built-In Self-Test solutions for RF/mm-wave integrated circuits

• Auteur / Autrice : Florent Cilici
• Direction : Salvador Mir, Sylvain Bourdel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Parra, Benoît Poussard, Manuel Barragán Asian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Bernard, Nathalie Deltimple

Mots clés

Mots clés contrôlés

Estimation de paramètres

Radiofréquences

Circuits intégrés

Ondes millimétriques

Mots clés libres

Bist

Apprentissage automatique

Test indirect

Ondes millimétriques

Circuits intégrés

Calibrage

Bist

Machine learning

Indirect test

Millimeter waves

Integrated circuits

Calibration

Résumé

Les technologies silicium récentes sont particulièrement prônes aux imperfections durant la fabrication des circuits. La variation des procédés peut entrainer une dégradation des performances, notamment aux hautes fréquences. Dans cette thèse, plusieurs contributions visant la réduction des coûts et de la complexité du test des circuits millimétriques sont présentées. Dans ce sens, deux sujets principaux ont fait l'objet de notre attention : a) le test indirect non-intrusif basé sur l’apprentissage automatique et b) la calibration non-itérative "one-shot". Nous avons en particulier développé une méthode générique pour implémenter un test indirect non-intrusif basé sur l’apprentissage automatique. La méthode vise à être aussi automatisée que possible de façon à pouvoir être appliquée à pratiquement n'importe quel circuit millimétrique. Elle exploite les modèles Monte Carlo du design kit et des informations de variations du BEOL pour proposer un jeu de capteurs non-intrusifs. Des mesures à basses fréquences permettent ensuite d'extraire des signatures qui contiennent des données pertinentes concernant la qualité des procédés de fabrication, et donc a fortiori de la performance du circuit. Cette méthode est supportée par des résultats expérimentaux sur des PAs fonctionnant à 65 GHz, conçus dans une technologie 55 nm de STMicroelectronics. Pour s'attaquer plus encore à la dégradation des performances induite par les variations des procédés de fabrication, nous nous sommes également penchés sur une procédure de calibration non-itérative. Nous avons ainsi présenté un PA à deux étages qui peut être calibré en post-fabrication. La méthode de calibration exploite une cellule de découplage variable comme moyen de modifier les performances de l'amplificateur. Des moniteurs de variations des procédés de fabrication, placés dans les espaces vides du circuit, sont utilisés afin de prédire la meilleure configuration possible pour les cellules de découplage variables. La faisabilité et les performances de cette approche ont été validés en simulation.

Recent silicon technologies are especially prone to imperfections during the fabrication of the circuits. Process variations can induce a noticeable performance shift, especially for high frequency devices. In this thesis we present several contributions to tackle the cost and complexity associated with testing mm-wave ICs. In this sense, we have focused on two main topics: a) non-intrusive machine learning indirect test and b) one-shot calibration. We have in particular developed a generic method to implement a non-intrusive machine learning indirect test based on process variation sensors. The method is aimed at being as automated as possible and can be applied to virtually any mm-wave circuit. It leverages the Monte Carlo models of the design kit and the BEOL variability information to propose a set of non-intrusive sensors. Low frequency measurements can be performed on these sensors to extract signatures that provide relevant information about the process quality, and consequently about the device performance. The method is supported by experimental results in a set of 65 GHz PAs designed in a 55 nm technology from STMicroelectronics. To further tackle the performance degradation induced by process variations, we have also focused on the implementation of a one-shot calibration procedure. In this line, we have presented a two-stage 60 GHz PA with one-shot calibration capability. The proposed calibration takes advantage of a novel tuning knob, implemented as a variable decoupling cell. Non-intrusive process monitors, placed within the empty spaces of the circuit, are used for predicting the best tuning knob configuration based on a machine learning regression model. The feasibility and performance of the proposed calibration strategy have been validated in simulation.