Statistical charge-based modeling of 1/f noise in standard and high-voltage MOS transistors

Abstract

Nowadays, analog and RFIC applications are exclusively been designed by CMOS technol-ogy. Apart from conventional CMOS, HV-MOS process is also widely used in specific appli-cations such as automotive industry, scientific and medical applications and consumer elec-tronics. Nevertheless, the performance of both CMOS and HV-MOS design can be limited by low frequency noise (LFN) which becomes really significant in state of the art technologies that it is inversely proportional to channel area. Mean value and variability of LFN are both area- and bias-dependent. Variability increases as device dimensions shrink bearing similarity with the behavior of mean value noise. The same trend can be observed in the bias-dependence of 1/f noise variability. Flicker noise in HV-MOSFETs is expected to be generat-ed by the same causes as in conventional MOSFETs since the same operating principles rule both kind of these MOS devices due to the existence of the oxide interface in the channel part. The main question was if any similar effect is observed in drift region. Our analysis showed that the extension of gate oxide in the surface of drift region, can give rise to 1/f noise. Because of the significant impact of LFN in advanced analog and RF circuit design, the usage of correct, physics-based, compact models both for mean value and statistical be-havior of LFN has become essential for noise simulation. Within the context of this Thesis, a charge-based compact model both for the mean-value and the variability of 1/f noise was im-plemented and validated for both CMOS and HV-MOS process for the first time.

Στις μέρες μας, οι εφαρμογές αναλογικών και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πολύ υψηλών συχνοτήτων (RFIC) σχεδιάζονται αποκλειστικά με τεχνολογία CMOS. Εκτός από τη συμβατική CMOS τεχνολογία, η HV-MOS τεχνολογία χρησιμοποιείται επίσης ευρέως σε συγκεκριμένες εφαρμογές όπως στη βιομηχανία αυτοκινήτων, σε επιστημονικές και ιατρικές εφαρμογές και σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Η απόδοση τόσο της CMOS όσο και της HVMOS σχεδίασης μπορεί να περιοριστεί από το θόρυβο χαμηλών συχνοτήτων (LFN) που γίνεται ιδιαίτερα σημαντικός σε σύγχρονες τεχνολογίες μιας και είναι αντιστρόφως ανάλογος με το μήκος του καναλιού. Η μέση τιμή και η μεταβλητότητα του θορύβου χαμηλών συχνοτήτων είναι εξαρτώμενες τόσο από την επιφάνεια όσο και από τις συνθήκες πόλωσης του τρανζίστορ. Η μεταβλητότητα αυξάνει όσο οι διαστάσεις της διάταξης μειώνονται ενώ παρόμοια συμπεριφορά παρουσιάζει και η μέση τιμή του θορύβου. Η ίδια συμπεριφορά μπορεί να παρατηρηθεί όσον αφορά την εξάρτηση της μεταβλητότητας του 1/f θορύβου από την πόλωση. Ο 1/f θόρυβος στα HV- MOSFETs αναμένεται να δημιουργείται από τις ίδιες αιτίες όπως και στα συμβατικά MOSFETs μιας και οι ίδιες αρχές λειτουργίας διέπουν και τα δύο είδη αυτών των MOS διατάξεων εξαιτίας της ύπαρξης της διεπαφής οξειδίου. Tο βασικό ερώτημα ήταν αν κάποιο παρόμοιο φαινόμενο παρατηρείται στην drift περιοχή. Η ανάλυση μας έδειξε ότι η επέκταση του οξιδίου της πύλης στην επιφάνεια της drift περιοχής, μπορεί να προκαλέσει 1/f θόρυβο. Εξαιτίας της σημαντικής επίδρασης του LFN σε προηγμένη σχεδίαση αναλογικών και RF κυκλωμάτων, η χρήση σωστών, βασισμένων στη φυσική, συμπαγών μοντέλων τόσο για τη μέση τιμή όσο και για την στατιστική συμπεριφορά του LFN έχει γίνει αναγκαία για τις ανάγκες προσομοίωσης θορύβου. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής, ένα συμπαγές, βασισμένο στα φορτία, μοντέλο τόσο για τη μέση τιμή όσο και για την μεταβλητότητα του 1/f θορύβου αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε τόσο για τη συμβατική CMOS τεχνολογία όσο και για την HV-MOS τεχνολογία για πρώτη φορά.