Initiation à la caractérisation, simulation et modélisation en haute fréquence de composants passifs et actifs

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1 10 èmes Journées Pédagogiques JPCNFM 2008, Sain Malo novembre 2008 Iniiaion à la caracérisaion, simulaion e modélisaion en haue fréquence de composans passifs e acifs Aude Ferle (ingénieur INSA-SGM 2008), Abdelkrim Medjahdi, Francis Calmon, Marine Le Berre, Guillaume Hyver, Anne Kaminski, Chrisian Gonrand e Alain Ponce (direceur du CIMIRLY) 1. Inroducion Nous proposons d iniier nos éudians à la caracérisaion, la simulaion e la modélisaion de composans acifs e passifs en haue fréquence (quelques GHz). Cee formaion cible les éudians au niveau maser ou école d ingénieur dans les filières orienées composans e maériaux semiconduceurs ou concepion de sysèmes inégrés. Paran d un circui réalisé en echnologie CMOS 0.35 µm (AusriaMicroSysems) conenan des composans passifs (inducances, capaciés) e acifs (ransisors NMOS) ainsi que les moifs de de-embedding, les éudians peuven ravailler à plusieurs niveaux : - en simulaion / modélisaion : déerminaion des caracérisiques élecriques à parir du modèle compac disponible dans le design-ki (ex. coefficien de qualié Q de l inducance, fréquence de ransiion f du ransisor ), simulaion par élémens finis (ex. COMSOL) de l inducance ec. - en caracérisaion : mesures des paramères-s pour obenir la valeur de l inducance e son coefficien de qualié, de la fréquence de ransiion du ransisor ec. - en concepion : à parir de ces élémens, concevoir une foncion analogique par exemple un oscillaeur (conrôlé en ension). Les noions nouvelles inroduies lors de ce apprenissage concernen noammen : - vue physique (layou) des élémens passifs (inducance, capacié) e acifs (ransisors), - modélisaion compace e inroducion des effes en haue fréquence (exemple : couplage avec le subsra dans le modèle de l inducance), - caracérisaion RF : calibraion (par exemple de ype SOLT) e de-embedding, paramères-s, définiion f ec. - concepion RF : simulaion dans le domaine fréqueniel, adapaion d impédance ec. 2. La echnologie e les srucures réalisées La echnologie uilisée du fondeur AusriaMicroSysems (AMS) es iniulée : C35B4C3 (echnologie CMOS 0.35 µm avec 4 niveaux de méal e 2 niveaux de polysilicium). Le coû, via les circuis muli-projes du CMP (hp://cmp.imag.fr/), es de 650 euros/mm² pour 25 puces (avec un minimum de 3 mm²). Le premier circui réalisé conien plusieurs srucures de es : - Transisors NMOS 0.35µm x 10µm avec différens nombres de doigs de grille, - Capaciés (à base de ransisors NMOS avec source e drain reliés) : 0.35µm x 10µm avec différens nombres de doigs de grille, - Moifs open, shor e hru pour le de-embedding des ransisors e des capaciés, - Inducances avec accès 1 por, - Moifs open e shor pour le de-embedding des inducances. Les circuis ne son pas mis en boîier, les caracérisaions se fon direcemen sur silicium avec des poines GSG (masse signal - masse). Un deuxième circui conenan un oscillaeur a éé réalisé (voir secion 4).

2 CIMIRLY Figure 1 : Vue layou e phoo du circui réalisé en echnologie AMS CMOS 0.35µm 3. Caracérisaions e analyses 3.1. Calibraion e de-embedding Les echniques uilisées son classiques : - calibraion de ype SOLT (shor, open, load, hru) à parir d un subsra de calibraion adapé à nos poines GSG (masse signal masse), - de-embedding avec un moif open (éliminaion des élémens parallèle) e shor (éliminaion des élémens série). Finalemen la marice Z rans inrinsèque au composan es donnée par : 1 1 Z rans = Équaion 1 YDUT YOPEN YSHORT YOPEN Les mesures se fon sous-poines avec un analyseur de réseau (8510C) conrôlé par le logiciel IC-CAP. Ce dernier nous perme de : - piloer l analyseur (e les SMUs), - raparier les mesures calibrées, - raier les mesures : de-embedding, affichage, calculs sur les marices ec. Figure 2 : Phoos de l insallaion

3 3.2. Caracérisaion des inducances La mesure du paramère S 11 (inducance avec un accès 1 por) perme de remoner à l impédance puis à la capacié e au faceur de qualié. L inducance auour de 1.5 nh présene un faceur de qualié auour de 5 à 3 GHz (valeurs conformes aux données du design-ki). La Figure 3 e la Figure 4 présenen quelques résulas expérimenaux. Figure 3 : Exracion de la valeur de l inducance P014 (sans e avec de-embedding) [Ferle 08] Figure 4 : Exracion de la valeur du faceur de qualié de l inducance SP014 [Ferle 08] 3.3. Caracérisaion des capaciés Les capaciés MOS son réalisées à parir des srucures de ransisors NMOS avec drain e source reliés (Figure 5). Les paramères S mesurés (après de-embedding) son ransformés en paramères Y e permeen d accéder aux deux capaciés (C ga «gae-o-all» e C gc «gae-o-chanel» [San Andrès 06] (Figure 6). L inérê d une mesure en haue fréquence (au dessus de 100 MHz, jusqu à quelques GHz) e d obenir une meilleure résoluion par rappor à une caracérisaion C-V radiionnelle. Cee echnique de caracérisaion («spli C-V») associée à une mesure saique I-V sur le ransisor associé perme une exracion de la mobilié effecive dans le canal du ransisor ([Sodini 82]) Cgc RFCV 400 MHz Cgc spli CV rad. C (pf) Figure 5 : Capacié MOS réalisée à parir d un ransisor NMOS [San Andrès 06] Vg (V) Figure 6 : Comparaison C-V echnique radiionnelle e en HF

4 3.4. Caracérisaion des ransisors Après une mesure saique I-V (Figure 7), la mesure des paramères S pour un poin de foncionnemen donné perme d exraire la fréquence de ransiion. 3,0E-02 2,5E-02 Id [A] 2,0E-02 1,5E-02 1,0E-02 Id (Vgs=1,5V) Id (Vgs=1,4V) Id (Vgs=1,3V) Id (Vgs=1,2V) Id (Vgs=1,1V) Id (Vgs=1,0V) Id (Vgs=0,9V) Id (Vgs=0,8V) Id (Vgs=0,7V) Id (Vgs=0,6V) 5,0E-03 0,0E+00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 Vds [V] Figure 7 : Caracérisiques Id -Vds pour différens Vgs (ransisor NMOS 0.35µm x 10µm avec 20 doigs de grille) id La fréquence de coupure f es exraie lorsque le gain en couran ( ) es égal à 1 avec la sorie en courcircui (côé drain) e l enrée commandée par une source de couran (côé grille). La conséquence es que iin r g e C gd n inerviennen pas dans la définiion de f. On peu monrer facilemen (à parir d un schéma équivalen en peis signaux) que i i d in ω g m ( Cgs + Cgd ) [Lee 98], soi gm ω Équaion 2 C + C ) ( gs gd D un poin de vue expérimenal, la fréquence f es déerminée à parir de la mesure du paramère h 21 (module égal à 1 c.à.d. 0 db). Les paramères H son calculés à parir des paramères S mesurés (après deembedding). Le module de h 21 décroî avec une pene de -20dB/décade, e la valeur de f es obenue par exrapolaion (Figure 8). Mag(h21) [db] MAG(h21) Vgs=1V MAG(h21) Vgs=1,1V MAG(h21) Vgs=1,2V MAG(h21) Vgs=1,3V MAG(h21) Vgs=1,4V MAG(h21) Vgs=1,5V MAG(h21) Vgs=0,9V MAG(h21) Vgs=0,8V MAG(h21) Vgs=0,7V MAG(h21) Vgs=0,6V f [GHz] ,E+07 1,E+08 1,E+09 1,E+10 1,E+11 Frequency [Hz] 0 0,0E+00 5,0E-02 1,0E-01 1,5E-01 Ids / W [ma/µm] Figure 8 : Caracérisique Mag(h 21 ) e f : ransisor NMOS 0.35µm x 10µm avec 20 doigs de grille (V ds = 3V)

5 4. Concepion d un oscillaeur A parir des élémens éudiés séparémen (inducance, ransisor), nous pouvons envisager de concevoir un circui oscillaeur foncionnan enre 1 e 2 GHz. Une srucure différenielle basée sur une configuraion croisée e une cellule oscillane {L, C} a éé dessinée e réalisée (Figure 10Figure 9). L inducance es celle caracérisée dans la secion 3.2, la capacié es un varacor (réalisé à parir d un ransisor MOS). Pour une caracérisaion plus facile, les puces VCO peuven êre collées sur subsras en alumine (avec quelques zones méallisées), des bondings enre la puce e les zones méallisées permeron d accéder facilemen aux polarisaions coninues. Quelques résulas expérimenaux son regroupés sur la Figure 11 e la Figure 12. Figure 9 : Srucure de l oscillaeur Figure 10 : Vue complèe de 2 VCOs (layou e phoo) 2, freq [GHz] 2,2 2,1 2 1,9 freq [GHz] P [dbm] P [dbm] P [dbm] , , Vune [V] Figure 11 : Mesures du VCO ,2900E+09 2,2905E+09 2,2910E+09 2,2915E+09 2,2920E+09 2,2925E+09 Frequency [Hz] Figure 12 : Specre du VCO (Vdd=Vpol=Vbuffer=3.3V, Vune=4V)

6 5. Bilan La réalisaion d un circui dans une echnologie faible coû perme de disposer de nombreuses srucures de es pour une caracérisaion en haue fréquence direce sur silicium. De nombreux enseignemens peuven reposer sur l exploiaion de ce circui : - echniques de caracérisaion haue fréquence (définiion e mesures des paramères S, ransformaion S - Y - Z, calibraion, de-embedding, srucures de es avec plos GSG ) - mesures d inducances : capacié e coefficien de qualié en foncion de la fréquence, lien avec un modèle «SPICE», exracion du modèle équivalen On peu aussi envisager une simulaion de l inducance sous COMSOL Muliphysics (3D) ou HFSS (3D) ou Momenum (2D½). - mesures de capaciés MOS : capacié d inversion, d accumulaion, lien avec schéma pei signal du ransisor, exracion de mobilié effecive dans le canal - mesures de ransisors : exracion de la fréquence de ransiion, lien avec le modèle «SPICE» Ces composans peuven ensuie êre uilisés dans une foncion elle un oscillaeur en inégran la même inducance e les mêmes ransisors. Références [Ferle 08] [Lee 98] [San Andrés 06] [Sodini 82] A. Ferle, "Simulaion, modélisaion e caracérisaion de composans semi-conduceurs en haue fréquence", Rappor de proje de fin d éudes, INSA de LYON, 2008 T.H. Lee, "The Design of CMOS Radio-Frequency Inegraed Circuis" Cambridge Universiy press, 1998 E. San Andrés, L. Panisano, J. Ramos e al., "RF Spli Capaciance Volage Measuremens of Shor-Channel and Leaky MOSFET Devices", IEEE elecron device leers, vol. 27, n. 9, pp , 2006 C.G. Sodini, T.W. Eksed, J.L. Moll e al., "Charge accumulaion and mobiliy in hin dielecrics MOS ransisors", Solid Sae Elecron., vol.25, n.9, pp , 1982 Remerciemens Nos remerciemens s adressen au service CMP (Circuis Muli-Projes) de Grenoble (hp://cmp.imag.fr/) pour le suppor e le suivi dans la réalisaion des circuis. Conacer les aueurs Aude Ferle es ingénieur INSA, déparemen Science e Génie des Maériaux (promoion 2008). Abdelkrim Medjahdi e Guillaume Hyver son docorans à l Insiu des Nanoechnologies de Lyon. Francis Calmon, Marine Le Berre, Anne Kaminski, Chrisian Gonrand e Alain Ponce son enseignans - chercheurs à l INSA de Lyon e membres de l Insiu des Nanoechnologies de Lyon. Pour oue quesion e parage d expérience similaire : Francis Calmon francis.calmon@insa-lyon.fr él. : fax :