Caractérisation et modélisation du bruit basse fréquence et télégraphique sur des technologies imageurs CMOS avancées

Characterization and modeling of low-frequency noise and random telegraph noise in advanced CMOS imaging technologies

• Auteur / Autrice : Owen Gauthier
• Direction : Quentin Rafhay, Sébastien Haendler, Christoforos Theodorou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 03/12/2024
• 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 (Grenoble, Isère, France ; Chambéry ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Giorgio Di Natale
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Irina Stefana Ionica
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Pascal, Matthias Bucher
• DOI : 10.70675/91bd67d4z83abz413fz9bd0z29c8337d3762

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes kilométriques

Bruit électronique

Transistors MOSFET

MOS complémentaires

Mots clés libres

Mosfet

Bruit basse fréquence

Rtn

1/f

Technologie imageur

Caractérisation électrique

Mosfet

Low-Frequency noise

Rtn

1/f

Imaging technology

Electrical characterization

Résumé

Suite à la réduction de la taille des transistors CMOS, le bruit basse fréquence dû aux piégeages/dépiégeages des charges dans le diélectrique de grille prend de plus en plus d’importance. Il est en effet inversement proportionnel à la surface d’oxyde de grille. Cela conduit aussi à une forte augmentation de la variabilité dynamique, perturbe de plus en plus le fonctionnement des circuits électriques et réduit la marge de design des circuits. C’est particulièrement le cas pour les circuits de lecture des applications « imagers » ; notamment pour de faible illumination où le bruit limite la sensibilité du capteur. Pour des transistors de petites dimensions, cette variabilité du bruit se traduit aussi par un bruit spécifique dit « Random Telegraph Noise » (RTN) qui a des propriétés temporelles et fréquentielles spécifiques. L’objet ce cette thèse sera la caractérisation et la modélisation de ce bruit dans les technologies imagers. Ainsi, la thèse sera consacrée dans un premier temps à l’étude expérimentale du bruit RTN en fonction des paramètres géométriques, de la polarisation (Vgs, Vds) et de la température. Cela permettra de couvrir l’ensemble du domaine d’utilisation du transistor MOS. La recherche et l’extraction des paramètres du bruit RTN n’est pas une tâche aisée, surtout lorsqu’il y a plusieurs évènements RTN qui se superposent. Pour cela, différentes méthodes d’extraction (à base d’histogramme, de Time-Lag-Plot ou des chaines de Markov) seront évaluées pour identifier une méthode d’extraction fiable et automatisable. Des nouvelles méthodes d’extraction pourraient également être développées, si nécessaire. Enfin, une modélisation de ce bruit sera proposée en vue d’une possible implémentation dans un simulateur.

Following the reduction of the size of CMOS transistors, the low-frequency noise due to the trapping/detrapping of charge carriers in the gate dielectric becomes more and more important. It is indeed inversely proportional to the gate oxide surface. This also leads to a strong increase in dynamic variability, increasingly disrupts the operation of electrical circuits and reduces the design margin of the circuits. This is particularly the case for readout circuits in imaging applications, especially for low illumination where noise limits the sensitivity of the sensor. For small size transistors, this noise variability also results in a specific noise called 'Random Telegraph Noise' (RTN) which has specific temporal and frequency properties. The purpose of this thesis will be the characterization and modeling of this noise in imaging technologies. Thus, the thesis will be devoted initially to the experimental study of RTN noise as a function of geometric parameters, polarization (Vgs, Vds) and temperature. This will allow to cover the whole field of use of the MOS transistor. The search and extraction of the RTN noise parameters is not an easy task, especially when there are several RTN events overlapping. For this purpose, different extraction methods (based on histograms, Time-Lag-Plot or Markov chains) will be evaluated to identify a reliable and automatable extraction method. New extraction methods could also be developed, if necessary. Finally, a model of this noise will be proposed for a possible implementation in a simulator.