90納米CMOS工藝的毫米波CPW模型

趙智超++吳鐵峰

[摘 要] 現(xiàn)階段，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對集成電路的設(shè)計提出了更加嚴(yán)格的要求。在毫米波集成電路設(shè)計中，硅基共面波導(dǎo)（CPW）是一種關(guān)鍵性的基礎(chǔ)元件，文章對CPW的機(jī)制以及等效電路模型的設(shè)計進(jìn)行了簡要分析，提出了基于90 nm CMOS工藝的毫米波CPW模型及參數(shù)提取算法，經(jīng)對比分析，該模型在0～66 GHz內(nèi)有效。

[關(guān)鍵詞] COMS工藝；毫米波；CPW模型

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 15. 087

[中圖分類號] TP311 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）15- 0194- 02

0 前 言

最近幾年，通信行業(yè)的飛速發(fā)展，對于通信的速率和帶寬提出了許多新的要求，毫米波段的單片微波集成電路因此應(yīng)運而生，硅基納米工藝的進(jìn)步也使得毫米波CMOS集成電路在硅基上的設(shè)計成為了可能。在毫米波傳輸中，CPW是基礎(chǔ)性器件，對于單片微波集成電路的性能影響巨大，也因此受到了廣泛的關(guān)注。

1 傳輸線模型

以常規(guī)RLGC模型為例進(jìn)行分析，模型以準(zhǔn)TEM模式假設(shè)為基礎(chǔ)，將100 GHz以內(nèi)判斷為合理，而在這個范圍內(nèi)，利用RLGC模型能夠非常準(zhǔn)確的對共面波導(dǎo)的特征進(jìn)行描述?；诖?，新建相應(yīng)的CPW等效電路模型，如圖1所示。

模型包括了n個級聯(lián)模塊，每一個模塊的等效電路都包含有一個串聯(lián)分支和一個并聯(lián)分支，前者可以細(xì)分為R/L梯形網(wǎng)絡(luò)和電感Lhf，能夠?qū)裁娌▽?dǎo)在高頻下的趨膚效應(yīng)進(jìn)行表示，后者包括了用以描述接地線與信號線之間電容效應(yīng)的Csg以及用以描述高頻信號耦合到硅襯底損耗的C-R-C網(wǎng)絡(luò)[1]。

2 參數(shù)提取

2.1 串聯(lián)分支

CPW模型中，直流電阻Rdc包括了兩側(cè)地線導(dǎo)體電阻和信號線導(dǎo)體電阻兩部分，計算公式為

Rdc= +

在公式中，l表示CPW的長度，σ表示金屬電導(dǎo)率，ωs表示信號線導(dǎo)體寬度，ωg表示兩側(cè)地線導(dǎo)體寬度，t為金屬導(dǎo)體厚度。

直流電感Ldc的計算公式為

Ldc=Ls+ -2Msg1+

其中，Ls和Lg1表示信號線與地線的自感，Msg1表示信號線與地線互感，Mg1g2表示兩側(cè)地線互感。信號線和地線的自感與互感同樣可以利用公式計算得到

L=2l（ln +0.500 49+ ）

M=2l[ln（ - + ]

公式中，ω為金屬導(dǎo)體寬度，dGMD為相鄰導(dǎo)體之間的幾何平均距離，為了方便計算，取近似值，即導(dǎo)體中心距離。

結(jié)合對測試數(shù)據(jù)的分析和提取，可以得到RLGC模型中的R、L、G和C。根據(jù)串聯(lián)分支阻抗的計算公式Zmeasure=R+jwL，對相應(yīng)的公式進(jìn)行整理，在高頻工況下，可以得到如下公式：

Rdc=

Rhf=R1

Ldc=L1+

Lhf=L1

結(jié)合上述公式，經(jīng)整合計算，就可以得到R1、R2以及L1和L2的具體值。

2.2 并聯(lián)分支

在并聯(lián)分支中，無論是對于Csg還是對于C-R-C網(wǎng)絡(luò)，都能夠直接運用相應(yīng)的提取方法進(jìn)行參數(shù)的提取[2]，經(jīng)處理后的結(jié)果為：

= ω2+

ω2= ω2+

其中，有CCRC=imag（Y-jωCsg）

3 模型驗證

在模型構(gòu)建完成后，需要模型的準(zhǔn)確性以及參數(shù)提取算法的可靠性進(jìn)行檢驗。本文采用了TSMC 90 nm CMOS混合射頻工藝來對進(jìn)行CPW建模，選擇安捷倫公司生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀（E8363，工作頻率在0.1～67 GHz）進(jìn)行測量作業(yè)，結(jié)合Mangan雙線去嵌法做好去嵌處理。在CPW模型中，兩條信號線的長度分別為100 μm和400 μm，寬度為5 μm，信號線與接地線之間的間隙同樣為5 μm。

結(jié)合第二部分提出的參數(shù)提取方法進(jìn)行參數(shù)提取，得到的結(jié)果如表1所示。

將模型參數(shù)值與實際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以得出結(jié)果是，受不穩(wěn)定的高頻測試環(huán)境的影響，當(dāng)頻率超過40GHz時，S11存在較大的擾動。不過從整體上分析，在0～60 GHz的頻率范圍內(nèi)，模型仿真結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)基本一致，也表明了本文提出的模型和參數(shù)提取算法具備良好的可行性和可靠性[3]。

4 結(jié) 語

總而言之，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的帶動下，毫米波電路得到了越來越廣泛的應(yīng)用，對于無源器件的性能需求也越來越高。傳輸線路是其中最為基本的無源器件，也是對其他無源器件進(jìn)行研究的基礎(chǔ)，應(yīng)該得到足夠的重視。本文將CPW作為研究對象，構(gòu)建了相應(yīng)的電路模型并且對其有效性進(jìn)行了驗證，希望能夠為相關(guān)研究工作提供一些參考。

主要參考文獻(xiàn)

[1]吳國峰.孫玲玲，文進(jìn)才，等.一種0.18 μm CMOS毫米波帶通濾波器的設(shè)計[J].微電子學(xué)，2011，41（3）：367-371.

[2]洪阿灌，王翔，劉軍.基于90 nm CMOS毫米波共面波導(dǎo)建模[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2016，36（4）：1-4.

[3]傅飛.毫米波共面波導(dǎo)建模技術(shù)研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2015.endprint