Novel Concepts for On-chip Phase and Flicker Noise Measurements

Im Zuge vielfältiger technischer Weiterentwicklung wächst die Bedeutung von integrierten Oszillatoren mit möglichst stabiler Phase. In neuen Anwendungsgebieten wie Quantencomputern, Radarsensoren für (autonome) Automobile oder dem 6G Mobilfunkstandard sind lokale Oszillatoren mit sehr geringem Phasenrauschen (englisch: Phase Noise) essenzielle Systembestandteile. Zugleich wird durch Verbesserungen in Produktionsverfahren, sowie durch neuartige Halbleiterfertigungstechniken die Größe von integrierten Transistoren immer weiter reduziert. Mit der Verkleinerung der Kanalfläche geht allerdings inhärent ein Anstieg des mittleren Flickerrauschens einher, sowie eine größere Varianz der Bauteile. ... mehrDes Weiteren werden bei derart geringen Kanalflächen zuvor vernachlässigbare Rauscheffekte relevant, wie etwa das durch Ladungsfallen verursache Generations-Rekombinations-Rauschen (englisch: random telegraph noise).

Im Spannungsfeld zwischen erhöhtem Stromrauschen der einzelnen Komponenten und der eng begrenzten Phasenrauschen-Spezifikation fusst die erfolgreiche Schaltungsentwicklung auf einem eingehenden Verständnis der Stromrauschen-zu-Phasenrauschen-Konvertierungsmechanismen, sowie auf präzisen statistischen Simulationsmodellen.

Das intuitive Verständnis der Schaltung bezüglich Phasenrauschens wird erschwert durch die Komplexität der zugrundeliegenden mathematischen Beziehungen, aber ebenso durch proprietäre verschlüsselte Bauteil-Modelle. In dieser Arbeit wird daher die Möglichkeit untersucht, allgemeine technologieunabhängige Modelle zu verwenden, um einen tieferen Einblick in die qualitativen Zusammenhänge zu erlangen. Hier kann zum einen veranschaulicht werden, dass die Berechnung der Empfindlichkeit der Oszillationsphase als Funktion der Zeit eine Vereinfachung der Bauteil-Modelle erlaubt. Andererseits wird jedoch gezeigt, dass die Simulation der statistischen Eigenschaften der Phase (also das Phasenrauschen-Spektrum) auf akkurate Bauteil-Modelle angewiesen ist.

Weiterhin wird in der Arbeit untersucht wie Abweichungen des Rauschspektrums von der typischen $1/f$-Abhängigkeit das Phasenrauschen verschiedener Oszillatortopologien beeinflusst. Die Messungen von Strukturen, die auf den neuesten Gate-All-Around und FinFET Technologieknoten gefertigt wurden, zeigen eine direkte lineare Abhängigkeit solcher Effekte, wobei der Gewichtungsfaktor gemäß der Floquet-Theorie berechnet werden kann. Diese Erkenntnis betont weiterhin die Relevanz statistischer Rauschmodelle mit korrekter Spannungs- und Kanalflächenabhängigkeit.

Um derartige Modelle zu entwickeln werden Messwerte für eine Vielzahl von Transistoren benötigt, wobei unterschiedliche Schwellenspannungen, Bauteilgeometrien und angelegte Spannungen charakterisiert werden müssen. Die herkömmlichen Labormessungen sind allerdings zeitintensiv und beanspruchen pro Bauteil eine relativ große Die-Fläche. Die Herangehensweise ist daher im Hinblick auf die straffen Projekt-Zeitpläne der Process-Design-Kit Entwicklung zunehmend ungeeignet. Eine integrierte Teststruktur kann hier als nützliche Ergänzung dienen, um viele Datensätze in einer kurzen Zeitspanne zu erzeugen. In dieser Arbeit wird daher eine neue Methode zur Messung von Flickerrausch-Leistungsspektren mit hoher Messgenauigkeit bei frei wählbaren Spannungen vorgestellt. Im Vergleich zu vorherigen Ansätzen ist es hier möglich, das parasitäre Rauschen weiterer Bauteile im Messsystem mithilfe von Korrelationstechniken zu unterdrücken. Die Daten der Messung der entwickelten Teststruktur zeigen eine gute Übereinstimmung mit hochpräzisen Refernezmessungen.

Selbst bei einem lokalen Oszillator, der mit perfekten Modellen entwickelt wurde, sind unerwartete Effekte im Phasenrauschen nicht ausgeschlossen, etwa aufgrund von Alterungsprozessen oder unvorhergesehenen äußeren Einflüssen. Eine Überwachung der Oszillatoren (englisch build-in self-test) kann daher auch in der Anwendung hilfreich sein, um Verschlechterungen zu erkennen und bei Bedarf Gegenmaßnahmen, wie etwas Spannungsanpassungen, vorzunehmen. In der Arbeit wird eine neue derartige Teststruktur vorgestellt, die vor allem bei Anwendung mit mehreren Oszillatoren, wie etwa Transceiver, mit ihrem minimalen zusätzlichen Flächenbedarf besticht. Die Messung der entsprechenden Schaltung liefert verlässliche Ergebnisse, wobei vor allem die größere Robustheit gegenüber Quantisierungsrauschen im Vergleich zu vorherigen Ansätzen hervorzuheben ist.

With the advancement of technology, the need for spectrally pure signal generation is increasing. Emerging applications ranging from quantum computing to automotive radar to increased bandwidth 6G communication rely on local oscillators with tight phase noise specifications. At the same time, enhancements of production processes and novel manufacturing techniques enable an ongoing shrinkage of semiconductor device feature sizes. However, a reduction of the transistor channel area is intrinsically accompanied by a rise in both the mean value of the flicker noise and in device-to-device variations. ... mehrFurthermore, at this scale previously negligible noise effects begin to play a significant role, such as random telegraph noise due to charge trapping of single charge carriers.

In this conflict field of wanting more stability from noisier devices, successful circuit design is based on a thorough understanding of the phase fluctuation upconversion mechanism and accurate statistical device models.

Intuition about phase noise is often hindered by the complexity of the underlying mathematics and of the proprietary circuit models. Therefore, in this work, the feasibility of using technology-agnostic general compact models to increase design insight is investigated. It is shown that the susceptibility of the oscillator's phase toward noise is a robust quantity, permitting model simplifications for design exploration. The statistical phase properties, on the other hand, are shown to rely on highly accurate compact models.

Furthermore, it is investigated how deviations from the typical $1/f$ flicker noise influence the phase noise of different oscillator topologies. The results measured in leading-edge Gate-All-Around and FinFET technology nodes show a direct upconversion of these effects weighted by the sensitivity of relevant bias conditions according to Floquet theory. These findings further underline the relevance of refined bias- and area-dependent noise models including their statistical deviations.

For the development of the required statistically accurate models, noise data is needed for a multitude of transistors, including variations in device flavors, geometries, and bias conditions. Conventional laboratory measurements are, however, time- and area-intensive, making them increasingly inadequate in light of tight process-design kit release timelines. Here, high-throughput integrated solutions can serve as a valuable supplement to generate high-volume data. Hence, a novel on-chip concept is presented for the high-sensitivity measurement of flicker noise spectra at freely selectable bias conditions. Measurement of the designed test chips shows a good match between the proposed technique and high-precision laboratory equipment.

Even a local oscillator designed with perfect models is not excluded from unexpected phase noise behavior, for example due to aging or unforeseen external influences. In-field monitoring techniques can be used to identify performance degradations and apply countermeasures, such as supply voltage adjustments. Therefore, in this work, the delta jitter is introduced as a novel on-chip phase noise measurement technique with minimal area-overhead for applications with multiple local oscillators. The measurement of the design delivers reliable results and shows increased quantization robustness compared to previous techniques.