Thesis defence of Joycelyn Hai (RMS team): RF reliability in SOI CMOS technologies: device model and application to power amplifiers

Joycelyn HAI - RMS team

Composition of the jury
Jean-Daniel ARNOULD - Thesis director - Associate professor - Grenoble INP/TIMA
Cristelle MANEUX - Rapporteur - Full professor - Université de Bordeaux
Didier VINCENT - Rapporteur - Full professor - Université Jean Monnet
Florence PODEVIN - Examinator - Full professor - Grenoble INP / TIMA
Alain BRAVAIX - Examinator - Full professor - ISEN Méditerranée
Patrick SCHEER - Guest - Engineer - STMicroelectronics
Estelle LAUGA-LARROZE - Guest - Associate professor - Université Grenoble Alpes

Title: RF reliability in SOI CMOS technologies: device model and application to power amplifiers
Keywords: RF/mmW reliability, Aging models, Power Amplifier, Integrated circuit design, Characterization
Abstract: The development of SOI CMOS technology has greatly contributed to the rapid evolution of RF/mmW communication systems which play a critical role in the deployment of 5G networks. To meet the performance targets of 5G specifications, complex modulation schemes use high peak-to-average-power (PAPR) levels that are generated by the power amplifier (PA). The high-power levels, in turn, impact the device reliability due to the voltage handling limits of modern CMOS technology. At early design stages, accurate aging models can be leveraged to assess the trade-off between performance and reliability in consideration of the targeted RF mission profile. The two dominant CMOS reliability mechanisms found in RF PA mission profiles are hot-carrier injection (HCI) and off-state time-dependent dielectric breakdown (off-TDDB). The first part of this thesis aims to consolidate the HCI aging model using well-established RF/mmW aging methodology by performing model-to-hardware correlation (MHC) at accelerated DC and 28GHz RF stress conditions for different PA cell topologies. The MHC, validated for fresh and degraded PA device, is then used to perform a simulation-based sensitivity analysis to evaluate the impact of different model card parameters on the accuracy of RF HCI modeling. The results showed that both fresh and degradation model precision affects the RF degradation estimation, which highlights the significance of a degradation model described by physical effects of the device. The second part of this thesis focuses on the validity of RF modeling approach for off-state reliability (HCI degradation and TDDB). An integrated test structure generating off-state RF stress waveforms at DC, 500MHz and 1GHz to evaluate the frequency dependence in off-state reliability modeling has been designed. Time-power law parametric degradation has been observed in DC and RF (500MHz and 1GHz) off-state HCI stress measurements, suggesting the validity of quasi-static modeling approach for off-state HCI degradation. On the other hand, off-state RF TDDB characterization demonstrate increasing time-to-breakdown with increasing frequency, in particularly a gain factor of x2 at 1GHz compared to DC TDDB. This study was then extended to on and off-state RF HCI stress sequences revealing negligible interaction between the two degradation mechanisms, resulting in an additive degradation modeling approach. The last part of this thesis provides proof of concept to demonstrate aging compensation of a 28GHz RF PA. This is done by implementing the design of a negative feedback loop for on-chip adaptive body bias control in FDSOI technology which partially compensates the threshold voltage drift induced by RF HCI stress.

Titre : Fiabilité RF en technologie SOI CMOS : modélisation et application à un amplificateur de puissance
Mots-clés : Fiabilité RF/mmW, modèles de vieillissement, Power Amplifier, Conception de circuits intégrés, Caractérisation
Résumé : Le développement de la technologie SOI CMOS a contribué à l'évolution rapide des systèmes de communication RF/mmW qui jouent un rôle critique dans le déploiement des réseaux 5G. Pour répondre aux objectifs de performance des spécifications 5G, des schémas de modulation complexes utilisent des niveaux de puissance crête sur puissance moyenne (PAPR) élevés générés par l'amplificateur de puissance (PA). Ces niveaux de puissance élevés ont un impact important sur la fiabilité du dispositif en raison des limites en tension de la technologie CMOS moderne. Dans les premières étapes de la conception, des modèles de vieillissement précis peuvent être utilisés pour évaluer le compromis entre les performances et la fiabilité en considérant le profil de mission RF spécifique. Les deux mécanismes de fiabilité CMOS principaux trouvés dans les profils de mission RF PA sont l'injection de porteurs chauds (HCI) et le claquage d’oxyde de grille en état « off » (off-TDDB). La première partie de cette thèse vise à consolider le modèle de vieillissement HCI en utilisant une méthodologie de vieillissement RF/mmW bien établie en effectuant une corrélation modèle-hardware (MHC) dans des conditions de stress DC accélérées et RF 28GHz pour différentes topologies de cellules PA. La MHC, validée pour le transistor PA avant (appelé « fresh ») et après la dégradation, est ensuite utilisée pour effectuer une analyse de sensibilité basée sur la simulation afin d'évaluer l'impact des différents paramètres de carte de modèle sur la précision de la modélisation RF HCI. Les résultats ont montré que la précision du modèle « fresh »et dégradé peut influencer l'estimation de la dégradation RF, ce qui souligne l'importance d'un modèle de dégradation décrit par les effets physiques du transistor. La deuxième partie de cette thèse se concentre sur la validité de l'approche de modélisation RF pour la fiabilité « off-state » (dégradation HCI et TDDB). Une structure de test intégrée générant des formes d'ondes de stress RF off-state à DC, 500 MHz et 1 GHz pour évaluer la dépendance en fréquence dans la modélisation de la fiabilité RF off-state. Une dégradation paramétrique suivant une loi en puissance a été observée suite aux mesures de stress HCI « off-state » en DC et RF (500 MHz et 1 GHz), suggérant la validité de l'approche de modélisation quasi-statique pour la dégradation HCI. D'autre part, la caractérisation off-TDDB RF montrent une augmentation du temps de claquage avec l'augmentation de la fréquence, en particulier un facteur de gain de x2 à 1 GHz par rapport à TDDB DC. Cette étude a ensuite été étendue aux séquences de stress HCI RF « on-state » et « off-state », révélant une interaction négligeable entre les deux mécanismes de dégradation, ce qui donne lieu à une approche de modélisation de dégradation additive. La dernière partie de cette thèse fournit une preuve de concept pour démontrer la compensation du vieillissement d'un PA RF à 28 GHz. Cela s’appuie sur la conception d'une boucle de rétroaction négative pour le contrôle de polarisation adaptatif « body-bias » sur puce en technologie FDSOI qui compense partiellement la dérive de tension de seuil induite par le stress HCI RF.