Design of analog integrated circuits aiming characterization of radiation and noise

Abstract

This thesis is focused on two challenges faced by analog integrated circuit designers when predicting the reliability of transistors implemented in modern CMOS processes: radiation and noise. Regarding radiation, the concern of this work is the Total Ionizing Dose (TID): accumulation of ionizing dose deposited (electrons and protons) over a long time in insulators leading to degradation of electrical parameters of transistors (e.g. threshold voltage and leakage). This work presents a case-study composed by bandgap-based and threshold voltagebased voltage reference circuits implemented in a commercial 130 nm CMOS process. A chip containing the designed circuits was irradiated through γ-ray Cobalt source (60 Co) and the impact of TID effects up to 490 krad on the output voltages is presented. It was found that the impact of radiation on the output voltage accuracy was similar or more severe than the variation caused by the process variability for most of the case-study circuits. For the bandgap-based reference implemented using thin-oxide and thick-oxide transistors, TID effects result in a variation of the output voltage of 5.5 % and 12%, respectively. For the threshold voltage references, the output variation was between 2% and 15% depending on the circuit topology. Regarding noise, the concern of this work is the transistor flicker noise under cyclostationary operation, that is, when the voltage at transistor gate terminal is constantly varying over time. Under these conditions, the flicker noise becomes a function of VGS; and its is not accurately predicted by traditional transistor flicker noise models. This thesis presents a case-study composed by voltage oscillators (inverter-based ring and LC-tank topologies) implemented in 45 and 130 nm CMOS processes. The oscillation frequency and its dependency on the bulk bias were investigated. Considering the ring-oscillator, the average oscillation frequency variation caused by supply voltage and bulk bias variation are 495 kHz/mV and 81 kHz/mV, respectively. The average oscillation frequency is 103.4 MHz for a supply voltage of 700 mV, and the measured averaged period jitter for 4 measured samples is 7.6 ps. For the LC-tank, the measured oscillation frequency was 2.419 GHz and the total frequency variation considering 1 V of bulk bias voltage was only ~ 0.4 %.

Esta tese de doutorado trata de dois desafios que projetistas de circuitos integrados analógicos enfrentam quando estimando a confiabilidade de transistores fabricados em modernos processos CMOS: radiação e ruído flicker. Em relação a radiação, o foco desde trabalho é a Dose Total Ionizante (TID): acumulação de dose ionizante (elétrons e prótons) durante um longo período de tempo nas camadas isolantes dos dispositivos, então resultando na degradação dos parâmetros elétricos (por exemplo, a tensão de limiar e as correntes de fuga). Este trabalho apresenta um caso de estudo composto por circuitos referência tensões de baseados na tensão de bandgap e na tensão de limiar dos transistores. Esses circuitos foram fabricados em uma tecnologia comercial CMOS de 130 nm. Um chip contendo os circuitos foi irradiado usando raio gama de uma fonte de cobalto (60 Co), e o impacto dos efeitos da radiação até uma dose de 490 krad nas tensões de saída é apresentado. Foi verificado que o impacto da radiação foi similar ou até mesmo mais severo que os efeitos causados pelo processo de fabricação para a maior parte dos circuitos projetados. Para as referências baseadas na tensão de bandgap implementadas com transistores de óxido fino e grosso, a variação na tensão de saída causada pela radiação foi de 5.5% e 15%, respectivamente. Para as referências baseadas na tensão de limiar, a variação da tensão de saída foi de 2% a 15% dependendo da topologia do circuito. Em relação ao ruído, o foco desta tese é no ruído flicker do transitor MOS quando este está em operação ciclo-estacionária. Nesta condição, a tensão no terminal da porta está constantemente variando durante a operação e o ruído flicker se torna uma função da tensão porta-fonte e não é precisamente estimado pelos tradicionais modelos de ruído flicker dos transistores MOS. Esta tese apresenta um caso de estudo composto por osciladores de tensão (topologia baseada em anel e no tanque LC) projetados em processos 45 e 130 nm. A frequência de oscilação e sua dependência em relação à polarização do substrato dos transistores foi investigada. Considerando o oscilador em anel, a média da variação da frequência de oscilação causada pela variação da tensão de alimentação e da polarização do substrato foi 495 kHz/mV e 81 kHz/mV, respectivamente. A média da frequência de oscilação é de 103,4 MHz e a média do jitter medido para 4 amostras é de 7.6 ps. Para o tanque LC, a frequência de oscilação medida é de 2,419 GHz e sua variação considerando 1 V de variação na tensão de substrato foi de aproximadamente 0,4 %.