Modélisation compacte des transistors MOS nanométriques pour applications radiofréquences et millimétriques

Compact modeling of nanométric MOS transistors for RF and millimeter-wave applications

• Auteur / Autrice : Benjamin Dormieu
• Direction : François Danneville, Patrick Scheer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies, acoustique, télécommunications
• Date : Soutenance le 07/12/2012
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit

Circuits électroniques -- Bruit

Bruit radioélectrique

Silicium -- Substrats

Ondes millimétriques

Radiofréquences

Modèles mathématiques

MOS (électronique)

Mots clés libres

Technologie HKMG

Résistance de grille

Résumé

Ces travaux sont dédiés à l’évaluation et l’amélioration des modèles compacts dédiés au transistor MOS, dans le cadre de ses applications radiofréquences et millimétriques. Les compétences des modèles compacts se sont étendues à partir des applications numériques et analogiques pour atteindre le domaine de l’électronique radiofréquence. Leur développement fait toutefois face à de nouveaux défis principalement liés à l’impact croissant des éléments parasites sur le fonctionnement du transistor. Ces recherches sont ainsi particulièrement motivées par l’arrivée de la technologie de grille High-k/Métal, qui pose de nouvelles problématiques au niveau du comportement électrique de la résistance de grille. Pour répondre aux nouveaux comportements géométriques et en tension appliquées de cette dernière, une nouvelle topologie distribuée du réseau d’entrée est proposée. En parallèle, une caractérisation exhaustive de transistors HKMG a été effectuée, à la fois en mesure petit signal qu’en terme de bruit radiofréquence. La confrontation des modèles compacts avec ces dernières mesures confirme la présence de bruit en excès dans les composants. L’investigation de nouvelles approches pour la modélisation et l’extraction des transistors MOS est également menée, par l’usage de structures dédiées, mesurées en gamme radiofréquence et millimétrique. Elles facilitent l’extraction des paramètres du modèle de transistors à caisson isolé. En particulier, l’intérêt des mesures 4-port est mis en évidence. Au final, ces travaux couvrent une partie importante des effets parasites dégradant les performances du transistor MOS dans les domaines radiofréquences et millimétriques.

This work focuses on the evaluation and the improvement of models dedicated to compact MOS transistor for RF and millimeter-wave applications. Compact models have been extended from analog and digital applications to reach the field of radiofrequency electronics. However, their development is facing new challenges mainly related to the increasing impact of parasitic elements on the operation of the transistor. This research is particularly motivated by the advent of high-k/metal gate technology, which raises new issues for the electrical behavior of the gate resistance. To face the new behaviors with both geometrical and applied voltage variations, a new distributed topology of the input network is proposed. In parallel, a comprehensive characterization of HKMG transistor is achieved, both in terms of RF small signal and noise. Confrontation of compact models with recent measurements confirmed the presence of excess noise in the components. The investigation of new approaches for the modeling and the extraction of RF MOS transistors is also conducted, by using two types of dedicated structures that are measured in RF and millimeter range. They facilitate the extraction of model parameters for devices with isolated well. 4-port measurements are also shown to be promising for a MOS model extraction. Eventually, these works cover a significant portion of parasitic effects degrading the performance of the MOS transistor in the RF and millimeter domains.