Thesis defence of Thalis Da Costa Guedes (RMS team): Study and Development of Innovative ESD Protection Solutions for Low Noise Amplifiers in RF Applications Incorporating Statistical Analysis of ESD-Induced Effects

Thalis DA COSTA GUEDES - RMS team

Direction of the thesis
Philippe FERRARI - Thesis director - Full professor - TIMA Laboratory
Manuel BARRAGAN - Thesis co-director - Research director - TIMA Laboratory
Jean-Marc DUCHAMP - Thesis co-supervisor - Associate professor - Laboratoire de Génie Electrique
Johan BOURGEAT - Thesis co-supervisor - Engineer - STMicroelectronics

Rapporteurs
Bruno BARELAUD - Rapporteur - Full professor - Université de Limoges
Fabrice CAIGNÉ - Rapporteur - Associate professor - Université de Toulouse

Composition of the jury
Philippe FERRARI - Thesis director - Full professor - TIMA Laboratory
Bruno BARELAUD - Rapporteur - Full professor - Université de Limoges
Fabrice CAIGNÉ - Rapporteur - Associate professor - Université de Toulouse
Jean-Baptiste BEGUERET - Examinator - Full professor - Université de Bordeaux
Manuel BARRAGAN - Guest - Research director - TIMA Laboratory

Title: Study and Development of Innovative ESD Protection Solutions for Low Noise Amplifiers in RF Applications Incorporating Statistical Analysis of ESD-Induced Effects
Keywords: ESD,Radio Frequencies,LNA
Abstract: This work addresses the challenges posed by electrostatic discharge (ESD) in radio frequency (RF) circuits, focusing on low-noise amplifiers (LNAs) operating near 10 GHz. Parasitic capacitance in protection components can degrade circuit performance by increasing noise and reducing gain. After a thorough study of discharge models and protection components, a reference LNA was designed and simulated. Electromagnetic and ESD simulations revealed the limitations of traditional protections against fast CDM-type discharges, leading to the proposal of a novel “ESD capacitor” approach that maintains protection effectiveness without compromising RF performance. This solution was implemented and validated in FD-SOI 28 nm and 18 nm technologies through frequency, electrical, and ESD qualification tests. Furthermore, a statistical study correlated vf-TLP measurements with RF parameters, demonstrating that RF performance degradation precedes leakage current increase, enabling early fault detection. An innovative methodology for analyzing ESD measurements in RF circuits was developed, optimizing test accuracy and efficiency. This research contributes a robust, integrated solution for ESD protection in high-frequency RF circuits, directly impacting the reliability and performance of advanced microelectronic devices.

Titre : Étude et développement de solutions innovantes de protection ESD pour amplificateurs à faible bruit dans les applications RF, intégrant une analyse statistique des effets induits par l'ESD
Mots-clés : ESD,Radiofréquences,LNA
Résumé : Ce travail traite des défis liés aux décharges électrostatiques (ESD) dans les circuits radiofréquence (RF), en se concentrant sur les amplificateurs faible bruit (LNA) fonctionnant autour de 10 GHz. La capacité parasite des composants de protection peut dégrader les performances du circuit en augmentant le bruit et en réduisant le gain. Après une étude approfondie des modèles de décharge et des composants de protection, un LNA de référence a été conçu et simulé. Les simulations électromagnétiques et ESD ont révélé les limites des protections traditionnelles face aux décharges rapides de type CDM, conduisant à la proposition d’une nouvelle approche, le « condensateur ESD », qui conserve l’efficacité de la protection sans compromettre les performances RF. Cette solution a été implémentée et validée sur des technologies FD-SOI 28 nm et 18 nm, via des mesures fréquentielles, électriques et des tests de qualification ESD. De plus, une étude statistique a corrélé les mesures VF-TLP avec les paramètres RF, montrant que la dégradation des performances RF précède l’augmentation du courant de fuite, permettant une détection précoce des défauts. Une méthodologie innovante pour l’analyse des mesures ESD sur circuits RF a été développée, optimisant la précision et l’efficacité des tests. Ce travail apporte une solution robuste et intégrée pour la protection ESD dans les circuits RF à haute fréquence, contribuant directement à la fiabilité et aux performances des dispositifs microélectroniques avancés.