Contents
Scientific publications vi
Introduction x
1 SOI technologies for analog applications 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Comparison of SOI and bulk MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 The SOI materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Structure and properties of the various SOI MOSFET transistors, the influence of the silicon film . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.1 Comparison between the structures of long channel FD and PD transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.2 Properties of FD and PD devices . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.3 Threshold voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 The position of industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Insulators and substrates used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1 Classical SOI substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.2 High Resistivity SOI substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 Silicon-on-Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.4 Silicon-on-Anything . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.5 Silicon-on-Sapphire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Size Does Matter: Evolution of the Microelectronic . . . . . . . . . . . 17
1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 On-wafer microwave measurement methods . . . . . . . 25
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Waves and scattering parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Power waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 Pseudo waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.4 Scattering Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.4.1 The transmission line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.4.2 The thru line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.5 Transfer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.6 Immittance Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.7 Change of reference impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.7.1 Scattering Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.7.2 Pseudo scattering matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 The Vector Network Analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.2.1 The transfer function formalism . . . . . . . . . . . . 41
2.3.2.2 General TAN self calibration procedure . . . . . . . . 43
2.3.2.3 Practical applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4 On-wafer measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 Measurement of silicon CMOS devices . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.2.1 Limitations due to CMOS technology . . . . . . . . . . 50
2.4.2.2 Two steps calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.2.3 Alternative to the two step calibration . . . . . . . . . 59
2.4.2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.3 Optimization of the measurement procedure . . . . . . . . . . 60
2.4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.3.2 TRM Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.3.3 On-wafer TRL Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.3.4 In uence of the power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.3.5 Control of the quality of the calibration . . . . . . . . 65
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 RF modeling and characterization of sub-micron MOSFET 69
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Small signal model of integrated SOI MOSFET . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.1 Useful e ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.2 Quasi-static model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.3 Non-quasi-static model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.4 Extrinsic model and access elements . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.4.1 Extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.4.2 Extrinsic resistances and inductances . . . . . . . . . 75
3.2.4.3 Extrinsic-Extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.4.4 Access parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 Extraction procedure of the small signal model . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 Parasitic access elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.2 Extrinsic-extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.3 Extrinsic resistances and inductances . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.3.4 Extrinsic capacitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3.5 Intrinsic elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3.6 Comparison between FD, PD, and Bulk MOSFET . . . . . . . . 98
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 Performances of alternative MOSFETs in SOI technologies 103
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Relevant gures of merit for RF applications . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.1 Figures of Merit of integrated transistors . . . . . . . . . . . . 104
4.2.2 Cut-o frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3 The Dynamic Threshold MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.2 Device fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.3 DC characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.4 Frequency behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.4.1 Medium frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3.4.2 High frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4 The Graded Channel MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.2 Device fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.4.3 DC characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.4.3.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.4.3.3 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.4.4 RF properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5 Passive elements on SOI technologies 143
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2 Properties of transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.2 Coplanar waveguide (CPW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2.3 Thin lm microstrip line (TFMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2.4 Strip line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.3 Modeling of integrated inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3.1 Topology under scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3.2 De nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.2.1 Equivalent circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.2.2 Quality factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.3 Modeling of square spiral inductors . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3.3.2 Modeling 3-coupled lines on multilayered silicon substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.3.3.3 Modeling of the admittance matrix of n-coupled lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.3.3.4 Modeling of the inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.3.3.5 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.3.3.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.3.4 Prospective design of square spiral inductor. . . . . . . . . . . 181
5.3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.3.4.2 Design rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.3.4.3 Prospecting new technologies . . . . . . . . . . . . . . 186
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6 Conclusion 195
A Relations between scattering and immittance parameters I
B Determination of extrinsic-extrinsic capacitances III
C Alternative uses of the body contacted MOSFET VII
D Modeling of microstrip lines by using variational principle XI
D.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
D.2 Using a variational principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
D.3 Propagation modes determination of 3-coupled microstrip lines . . XIII