Contribution à la caractérisation sur wafer de transistors MOS FD-SOI en bande millimétrique

Contribution to on-wafer characterization of millimeter- wave FD-SOI MOS transistors

• Auteur / Autrice : Karthi Pradeep
• Direction : Thomas Zimmer, Sébastien Frégonèse, Marina Deng
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 28/06/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Mounaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Scheer, Benjamin Dormieu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Ferrari, François Danneville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lignes à bandes

FD-SOI (transistors)

Transistors MOSFET

Étalonnage

Ondes millimétriques

Transistors sous-térahertz

Surfaces (technologie) -- Analyse

Mots clés libres

Caracterisation

Lignes de transmission

Terahertz

Ondes millimétriques

Calibrage sur silicium

MOSFET sur FDSOI

Characterization

Transmission Lines

THz

Millimeter-Wave

On-Wafer Calibra­tion

MOSFET on FDSOI

Résumé

Les technologies CMOS sur silicium présentent des aptitudes reconnues pour les applications millimétriques. Parmi elles, les technologies (FD-SOI) développées à partir du nœud 28nm offrent des caractéristiques prometteuses pour un vaste champ d'applications, avec notamment des, fr, et !MAX, au-delà de 300 GHz. Pour permettre la conception de ces circuits, une modélisation précise des transistors FD-SOI est absolument nécessaire. De plus, il n'est plus possible de limiter l'extraction des paramètres en dessous de 110 GHz, et de nouvelles techniques permettant d'obtenir des mesures fiables de dispositifs passifs et actifs doivent être étudiées. Dans cette thèse, nous examinerons la caractérisation des paramètres S sur silicium (on-wafer) de différentes structures de test passives et des transistors MOS en technologie 28nm FD SOI de STMicroelectronics, jusqu'à 500 GHz. En commençant par une introduction de l'équipement de mesure habituellement utilisé pour ce type d'analyse, nous passons aux différents bancs de mesure adoptés au laboratoire IMS, et enfin nous nous con­centrerons sur les techniques de calibrage et d'épluchage (de-embedding). Deux puces dif­férentes ont été étudiées. L'analyse repose sur des simulations électromagnétiques et des sim­ulations EM mixtes de modèle petit signal + sonde, toutes deux incluant les modèles des son­des pour une évaluation des résultats de mesure plus proche des conditions réelles. Enfin, quelques structures de test sont présentées pour évaluer les pertes dans les lignes, la préci­sion de la méthodologie de correction d'impédance et finalement le couplage sonde-sonde et sonde-substrat.

Silicon CMOS technologies have been recognized for their abilities in millimeter­wave applications. Among them, the FD-SOI technologies developed from the 28nm node offer promising performances for fr and f MAX beyond 300 GHz. To enable the design of circuits op­erating at millimeter-wave frequencies, an accurate modeling of FD-SOI transistors is essential. Furthermore, it is no longer possible to limit parameter extraction below 110 GHz, and new techniques for obtaining reliable measurements of passive and active devices need to be inves­tigated. In this thesis, we will examine the on-wafer S-parameter characterisation of different passive test structures and MOS transistors in 28nm FD SOI technology from STMicroelectron­ics, up to 500 GHz. Starting with an introduction to the measurement equipment usually used for this type of analysis, we move on to the different measurement benches adopted in the IMS laboratory, and finally focusing on the calibration and de-embedding techniques. Two different chips were studied. Analysis relies on electromagnetic simulations and mixed small signal plus probe model EM simulations, both including the probe models for a doser evaluation of the measurement results under real conditions. Finally, presented are some test structures to eval­uate the losses in the lines, the accuracy of the impedance correction methodology and finally the probe-to-probe and probe-to-substrate coupling.