Variability of low frequency fluctuations in sub 45nm CMOS devices-Experiment, modeling and applications

摘要

D une part, les fluctuations et le bruit basse fréquence (BF) dans les dispositifs MOS ont été le sujet de recherche intensive durant ces dernières années. Le bruit BF devient une inquiétude majeure pour la réduction continuelle de la dimension des transistors car le bruit 1/f augmente comme l inverse de la surface des transistors. Le bruit BF et les fluctuations en excès pourraient constituer une limitation sérieuse du fonctionnement des circuits analogiques et numériques. Le bruit 1/f est également d'importance primordiale pour les applications de circuit RF où il provoque le bruit de phase dans les oscillateurs ou les multiplexeurs. Le développement des technologies submicroniques CMOS a conduit à l observation d un nouveau type de bruits, i.e. signaux télégraphiques aléatoires (RTS), entrainant de grandes amplitudes de fluctuations à l heure actuelle, qui peuvent compromettre la fonctionnalité des circuits. D'autre part, la variabilité statistique dans les caractéristiques de transistor est l'un des défis principaux pour les prochaines générations technologiques. La connaissance détaillée des sources de variabilité est extrêmement importante pour la conception et la fabrication des dispositifs résistants à la variabilité. On constate que la dispersion des valeurs de courant de drain des dispositifs n-MOS plutôt petits de la technologie 28 nm est presque deux décades. Cela résulte de l'impact des dopants aléatoires, de la rugosité de bord des lignes et les variations d'épaisseur d'oxyde, qui est plutôt bien compris, ainsi que du rôle du matériau de grille, en poly silicium ou en métal seulement, qui n a été que récemment étudié dans les simulations. La confirmation et la quantification expérimentales de la contribution du bruit et des fluctuations BF manquent toujours. En outre, l'étude de la variabilité du bruit BF et de sa relation avec les autres facteurs des variations des dispositifs n'a été jamais effectuée. Par conséquent, les défis de recherches et les objectifs de cette thèse sont centrés vers les études des fluctuations basses fréquences et du bruit dans les technologies CMOS 32nm et au-delà. Plus spécifiquement, le bruit BF sera étudié avec trois objectifs : i) la caractérisation détaillée du bruit BF des nouvelles technologies CMOS comportant des grilles avec high-k/métal, des poches de canal etc., ii) le changement des paramètres de bruit BF des différentes technologies et iii) l'impact du bruit BF et des fluctuations RTS en tant que sources de variabilité pour des applications de circuit analogique et numérique. Le premier objectif adressera l'origine des fluctuations de BF dans des dispositifs CMOS en termes de densité de piège et de localisation des défauts dans le diélectrique de grille et avec la longueur du canal pour différentes architectures (poche, canal de germanium, FD-SOI etc.). La deuxième partie considérera la variabilité du bruit BF résultant de la dispersion énorme des sources de bruit de dispositif à dispositif ; ceci sera conduit grâce à des mesures statistiques des caractéristiques de bruit de BF en fonction de la surface des dispositifs et des générations technologiques. Le troisième objective se concentrera sur l'impact du bruit de BF ou des fluctuations RTS sur le fonctionnement des circuits élémentaires (inverseur, cellule SRAM) et considérés en tant que source temporelle de variabilité. Nous allons aborder ces trois questions une après l autre dans les paragraphes suivants.