Thesis defence of Olivier Occello (RMS team): Non-intrusive, generic and quasi-static solutions for integrated millimeter-wave circuits test and calibration

Abstract: Since the early 2010s, we've been witnessing an increase in millimeter-band applications of System On Chip (SoC). The growth in working frequencies calls for innovations at various levels, ranging from the development of higher-performance technologies to more efficient testing, as well as integrated design issues for two of these emerging needs are grouped around two main applications: telecommunications and autonomous vehicles. In this thesis, we present a method for testing millimeter-band integrated circuits based on machine learning, with drastically reduced complexity. The method uses process variation sensors, which by design are non-intrusive, generic and quasi-static. The advantage of these sensors is that they provide information on process-related variations in the physical characteristics of circuits, rather than on the performance of parts of these circuits, making the approach more generic. Sensors for process variations of simple characteristics can then be measured quasi-statically, reducing the complexity of the test compared with a functional test. Finally, these sensors are generally already present on the wafer, and are already integrated and measured by the foundry for its technology monitoring, which reduces the complexity of the test, and reduces the silicon costs of measuring process variation sensors. The test method was demonstrated using two demonstrators integrated on 55 nm BiCMOS STM technology. Various avenues for LNA design were explored, particularly for passive components. The proposed method has been applied to predict the S-parameters and NF-noise figure of two LNAs at 25 and 27 GHz. A reproducibility study of the measurements was carried out, confirming our conclusions. We were thus able to predict the S parameters (Gain and Return Loss) and the noise figure (NF) of a millimeter-band LNA, based solely on PT sensor signatures, measured automatically by the foundry, at frequencies in the kilohertz range. A calibration method derived from the test method was also described. For its demonstration, a tunable LNA was designed, using a PIN diode as variable capacitor. Only the first stage of the demonstration was successfully completed, mainly due to the small data set available.
 

Titre : Solutions non-intrusives, génériques et quasi-statiques pour le test et le calibrage de circuits intégrés en bande millimétrique
Mots-clés : Apprentissage, calibrage, circuit intégré, millimétrique, test
Résumé : Depuis le début des années 2010, nous assistons à une augmentation des applications en bande millimétrique des systèmes sur puce (« System On Chip » - SoC). La croissance des fréquences de travail demande des innovations à différents niveaux, allant du développement de technologies plus performantes au test plus efficace, en passant par des enjeux de conception intégrée pour deux de ces besoins émergents sont regroupés autour de deux applications principales : les télécommunications et les véhicules autonomes. Dans cette thèse, nous présentons une méthode de test de circuits intégrés en bande millimétrique basée sur l’apprentissage automatique dont la complexité est drastiquement réduite. Cette méthode utilise des capteurs de variations de process qui sont de par leur conception non-intrusifs, génériques et quasi-statiques. Ces capteurs ont pour avantage de donner des informations sur les variations dues au process, des caractéristiques physiques des circuits, et non sur les performances de parties de ces circuits, ce qui rend la démarche plus générique. Les capteurs de variations de process de caractéristiques simples sont alors mesurables en quasi-statique, réduisant la complexité du test par rapport à un test fonctionnel. Enfin, ces capteurs sont généralement déjà présents sur le wafer, ils sont déjà intégrés et mesurés par le fondeur pour son monitorage de la technologie, ce qui réduit la complexité du test, et réduit les coûts silicium, de mesure des capteurs de variations de process et de conception. La méthode de test a été démontrée à l’aide de deux démonstrateurs intégrés sur la technologie STM BiCMOS 55 nm. Diverses pistes de conception de LNA, notamment sur les composants passifs, ont été explorées. La méthode proposée a été appliquée pour la prédictions des paramètres S et de la figure de bruit NF de deux LNAs à 25 et 27 GHz. Une étude de reproductibilité des mesurées a été réalisée, et a pu conforter nos conclusions. Nous avons donc pu prédire des paramètres S (Gain et Return Loss) et la figure de bruit (NF) d’un LNA en bande millimétrique, uniquement à partir de signatures de capteurs PT, mesurées automatiquement par le fondeur, à des fréquences de l’ordre du kilohertz. Une méthode de calibrage dérivée de la méthode de test a été également décrite. Pour sa démonstration, un LNA accordable a été conçu, utilisant une diode PIN comme capacité variable. Seule la première étape de la démonstration a pu être menée à bien, principalement en raison de l’ensemble de données à disposition de taille réduite.