Bruit basse fréquence dans des dispositifs MOSFET des technologies avancées : Des observations expérimentales aux nouvelles méthodes d'extraction et de modélisation

Low Frequency Noise in advanced MOSFET technologies : From experimental observations to new extraction and modeling methods

• Auteur / Autrice : Angeliki Tataridou
• Direction : Gérard Ghibaudo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 14/04/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Mireille Mouis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthias Bucher, Edwige Bano
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bogdan Mihail Cretu, Fabien Pascal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit électronique

Transistors MOSFET

MOS complémentaires

Mots clés libres

Bruit de génération-Recombinaison

Bruit à basses fréquences

Bruit telegraphique

Generation-Recombination noise

Random telegraph noise

Low-Frequency noise

Résumé

Malgré les progrès dans la recherche et développement des composants à semi-conducteurs, avec l'incorporation de nouveaux matériaux et architectures et la réduction des dimensions géométriques, qui conduisent à des performances et à une vitesse supérieure, le bruit basse fréquence, LFN, est devenu une préoccupation majeure pour les transistors micro et nanométriques, car son impact au niveau de l'appareil et du circuit est plus important que jamais. Tout d'abord, il faut noter que, dans cette thèse, quand on parle de LFN, on entend le type de bruit interne dû au piégeage/dépiégeage ou/et aux collisions de porteurs libres. Pour les spectres de type 1/f, la densité spectrale de puissance de tension à bande-plate, SVfb, est inversement proportionnelle à la surface, et donc en passant des dispositifs micro aux dispositifs nanométriques, le niveau LFN est augmenté. De plus, avec la miniaturisation de la surface du transistor, un different type de bruit appelé Random Telegraph Noise apparaît et devient la contribution principale au lieu du 1/f, à mesure que le comportement de piège individuel devient visible. En plus de cela, l'introduction de nouveaux matériaux et architectures dans la technologie CMOS entraîne l'apparition d'un comportement particulier comme celui du bruit de génération-recombinaison qui montre un PSD Lorentzien au lieu de 1/f. En conséquence, les composants électroniques de nouvelle génération seront gouvernés par des instabilités liées à leur bruit intrinsèque. Il est donc essentiel d’adapter les méthodes de caractérisation et de simulation de LFN/RTN pour permettre l'amélioration de la technologie. C'est pourquoi une étude théorique et expérimentale approfondie de toutes les sources de bruit dans les nouveaux composants devient indispensable dans ce domaine de recherche en microélectronique.Dans cette thèse, les dispositifs qui répondent aux spécifications ITRS sous la demande des directives technologiques ''More Moore'' et ''More than Moore'', ont été caractérisés en termes de LFN. A travers cette étude, les phénomènes physiques qui induisent le bruit intrinsèque du dispositif ont été identifiés, une information utile non seulement pour le dispositif lui-même, mais aussi pour la modélisation précise du bruit et donc pour faciliter la conception des circuits associés. En plus, les mesures LFN ont servi d'outil de diagnostic pour l'identification des zones défectueuses donnant des informations sur la qualité des transistors fabriqués. Cette dernière est essentielle pour l'optimisation des étapes de fabrication. De plus, bien que la théorie LFN, ainsi que ses modèles correspondants, soient bien établis et utilisés avec succès depuis des années, les problèmes existant dans les dispositifs miniaturisés pourraient d'une part, entraver l'extraction fiable des paramètres du bruit et d'autre part, ils pourraient être utilisés pour le découplage et l'identification des effets des pièges. Par conséquent, une version révisée du modèle “carrier number with correlated mobility fluctuations” a été proposée afin d'éliminer l'impact de la résistance série sur l’extraction des paramètres de bruit, et une nouvelle méthodologie de mesure a été introduite, utilisant la répartition inhomogène des porteuses à l'intérieur du canal afin de détecter le nombre maximum des pièges RTN. Enfin, ainsi que l'apparition de spectres Lorentziens étant de plus en plus fréquente dans les technologies FET avancées, les modèles de domaine fréquentiel LFN doivent être révisés. En effet, les modèles de domaine fréquentiel existants sont limités au comportement typique en 1/f qui, comme nous le prouvons dans cette thèse, peut compromettre le fonctionnement sûr des circuits. Nous présentons une méthode pour implémenter des spectres de bruit Lorentziens dans Verilog-A. Une fois cette méthode validée, quelques exemples d'application du bruit de circuit sont présentés, pour l'extraction précise de l'impact du bruit Lorentzien sur la performance des circuits.

Despite the advancements in the semiconductor device research and development, with the incorporation of new materials and architectures, as well as the downsizing of the geometrical dimensions, which lead to superior device performance and speed, the Low Frequency Noise, LFN, has become a major concern for micro- and nanoscale transistor components, as its impact on both device and circuit level is more important than ever. First of all, it should be noted that, in this dissertation, when referring to LFN we mean the internal type of noise due to trapping/detrapping or/and scattering of free carriers. For 1/f-like spectra, the power spectral density of the flat-band voltage, SVfb, is inversely proportional to the area, and thus going from micro- to nanoscale devices the LFN level is increased. In addition, with the miniaturization of the transistor area, a different type of noise called random telegraph noise, RTN, appears and becomes the main contribution instead of 1/f, as individual trap behavior becomes visible. On top of that, the introduction of new materials and architectures in the CMOS technology results to the appearance of peculiar noise behavior like the generation-recombination, GR, noise, which show a Lorentzian PSD instead of 1/f-like. As a result, next-generation electronic components will be governed by instabilities arising from their intrinsic noise sources. It is therefore essential to change the methods of characterization and simulation of LFN/RTN to allow the technology improvement. This is why a thorough theoretical and experimental study of all noise sources in emerging components becomes indispensable in this field of research in microelectronics.In this dissertation, various devices which meet the ITRS specifications under the demand of “More Moore” and “More than Moore” technology roadmaps (i.e. FinFETs, TriGate NW FETs, CoolCube 3DSI FETs), have been characterized in terms of LFN. Through this study, the physical phenomena that induce the intrinsic device noise have been identified, an information useful not only for the device itself, but also for the accurate noise modeling and therefore for the design facilitation of the associated circuits. On top of that, LFN measurements were utilized as a diagnostic tool for the identification of defective zones giving information on the quality of the fabricated transistors. The latter is essential for the optimization of fabrication steps. In addition, although the theory of LFN, as well as its corresponding models, are well-established and successfully used for years, issues existing in aggressively scaled down devices might on one hand, hinder the reliable extraction of noise parameters and on the other hand, they can be utilized for traps’ effects decoupling and identification. Consequently, a revised version of the “carrier number with correlated mobility fluctuations” (CNF/CMF) model has been proposed so as the impact of series resistance on noise parameters to be eliminated, and a new measurement methodology has been introduced, utilizing an inhomogeneous carrier distribution inside the channel that allows for the maximum RTN-inducing trap detection. Finally, since the appearance of Lorentzian spectra is more and more frequent in the advanced FET technologies, LFN frequency domain models need to be revised. This is because the existing frequency domain models are limited to the typical 1/f behavior which, as we demonstrate in this thesis, can compromise the nominal operation of circuits. Hence, we present a method for the implementation of Lorentzian noise spectra through Verilog-A. Once this method is validated, some circuit noise application e xamples are examined, in order to showcase how non-1/f noise can affect a circuit’s performance.