The 65nm CMOS SOI technology potentialities for millimeter wave wireless applications

• Auteur / Autrice : Baudouin Martineau
• Direction : François Danneville, Andreia Cathelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-ondes et microtechnologies
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés pour microondes

Lignes de transmission pour microondes

Mélangeurs hyperfréquences

Bruit radioélectrique

Amplificateurs microondes

Ondes millimétriques

Transistors MOSFET

Technologie silicium sur isolant

MOS complémentaires

Mots clés libres

Amplificateur faible bruit

Résumé

Dans le cadre des nouvelles applications dans la bande de fréquence millimétrique, une évaluation de la technologie CMOS 65nm SOI pour la conception de circuits est proposée. Cette évaluation s'articule autour de deux axes principaux. Tout d'abord les composants actifs et passifs spécifiques à la technologie font l'objet d'une étude en terme de performances et de modélisations. Ensuite la technologie est évaluée au travers d'exemple de circuits composant une chaîne de réception. La caractérisation des composants à des fréquences allant jusqu'à 110GHz a permis de montrer le gain associé à la technologie SOI pour l'utilisation de transistors et de lignes de transmissions. Les figures de bruit minimum mesurées sur les transistors SOI flottant représentent aujourd'hui l'état de l'art. De la même manière les constantes d'atténuation mesurées sur des lignes coplanaires dans cette technologie sont de l'ordre de celle obtenues avec des technologies dédiées. Le développement de modèles pour l'actif et le passif à permis également l'évaluer cette technologie avec des blocs spécifiques d'une chaîne de réception à des fréquences millimétriques. Plusieurs amplificateurs faible bruit pour des fréquences allant de 60GHz à 94GHz ont été réalisés. Ces différentes réalisations ont montré des performances en ligne avec l'état de l'art en terme de figure de bruit minimum ou de gain. L'évaluation a également portée sur les mélangeurs passifs. Ce dernier bloc a notamment permis de montrer les différences entre substrat massif et SOI pour un même nœud technologique. Grâce à ce travail nous pouvons affIrmer que la technologie CMOS SOI 65nm permet de réaliser des circuits à des fréquences millimétriques proches de l'état de l'art. Ce travail a également permis le développement de nouvelles méthodes de conception dans un environnement industriel. Ces résultats ont également donné lieu à plusieurs communications internationales avec acte ainsi qu'un dépôt de brevet.

As the 65nm CMOS SOI technology was not initially developed for millimeter wave design, this work demonstrates the advantages of using this technology for applications at such high frequencies. The demonstration is focused on two parts. First active and passive devices are studied in order to evaluate the potentiality for low noise and high gain performances at millimeter frequencies. Different figures of merit are introduced for both actives and passives. Characterization and modeling techniques improvement are developed in this work. Ln a second part, reception millimeter wave building blocks are developed such as low noise amplifiers and mixers. The advantages of SOI-MOSFETs in comparison with bulk are important not only for the digital world but : also for analog/RF design. The maximum fT and fmax of the floating body and body contacted transistors are : 155/200 GHz and 132/150 GHz respectively. The NFmin performance of the FB transistor is 3. 5dB at 80GHz. This thesis work proposes millimeter wave frequencies models for passive components on a CMOS BEOL. Specific models for coplanar wave guides, discontinuities, inductors and capacitors are developed. Measurements and electromagnetic simulations are used to highlight the increase performances by using SOI substrate instead of bulk. The 65nm CMOS SOI process is proved to be a very promising technology for millimetre wave applications among other the 80GHz 3 stages LNA developed in this work which is state of the art in term of CMOS noise performance at 80GHz. The benefit of the CMOS SOI is illustrated with a comparison of two blocks designed at the same frequency in both technologies. The CMOS SOI demonstrates a very good, improvement in terms of power consumption and area saving. Ln the near future, SOI is clearly one of the most promising solutions for applications at millimeter wave frequencies. As it is shown, wireless technologies require high-performance transistors and low-loss passive devices. One major point not studied in this work is the ability to design on-chip antenna in SOI. Today, the SOI CMOS silicon technology is the only one allowing this type of approach at millimeter wave frequency. Nevertheless, although a mass product should lower the cost of the SOI technology, a choice between benefits associated to SOI and additional cost in comparison with bulk have to be considered for each targeted applications