Lignes de propagation intégrées à fort facteur de qualité en technologie CMOS. Application à la synthèse de circuits passifs millimétriques, High quality factor integrated transmission lines in CMOS technology - Application to millimetre passive circuits

De
Publié par

Sous la direction de Philippe Ferrari, Emmanuel Pistono
Thèse soutenue le 06 juillet 2011: Grenoble
L’objectif de ces travaux est le développement en technologie intégrée standard d’une topologiede ligne de propagation optimisée en termes de pertes, d’encombrement et de facteur de qualitéaux fréquences millimétriques. Cette topologie nommée S-CPW (Shielded CoPlanarWaveguide) utilise le phénomène d’ondes lentes afin de miniaturiser longitudinalement la ligned’un facteur compris entre 1,3 et 3,2 par rapport à des topologies classiques. Disposantégalement de faibles pertes, les lignes développées présentent un facteur de qualité élevé parfoissupérieur à 40, à 60 GHz. A partir de l’étude du champ électromagnétique dans la structure, unmodèle électrique a été développé. C’est le premier modèle dans la littérature prenant en compteles pertes dans ce type de guide d’onde. Plusieurs dispositifs passifs intégrés réalisés avec deslignes S-CPW dans différentes technologies CMOS ont été caractérisés jusqu’à 110GHz. Lacompacité et les faibles pertes d’insertion obtenues pour la mesure de filtres à stubs et dediviseurs de puissance permettent de réussir l’intégration de circuits passifs compacts entechnologie microélectronique CMOS standard aux fréquences millimétriques.
-Guide coplanaire à ondes lentes
-Filtres
-Diviseur de puissance
-Circuits intégrés CMOS
-Forts facteur de qualité
This work focuses on high-performance S-CPW (Shielded CoPlanar Waveguide) transmissionlines in classical CMOS integrated technologies for the millimeter-wave frequency band.Thanks to an important slow-wave phenomenon, the physical length of S-CPW decreases by afactor from 1.3 to 3.2 compared with classical transmission lines. Presenting also lowattenuation loss, the developed transmission lines show very high quality factor (higher than 40at 60 GHz). The precise study of the electromagnetism field leads to an electrical model forS-CPWs. This is the first model that takes the losses in this topology into account. Then, somebasic passive circuits designed with S-CPWs and characterized up to 110 GHz are presented invarious CMOS technologies. The low insertion losses and relative low surfaces of a powerdivider and a passband filter show the great interest of S-CPW to integrate compact passivecircuits in classical CMOS technologies at millimeter-wave frequencies.
-Slow-wave coplanar waveguides
-Filters
-Power splitters
-CMOS integrated circuits
-High quality factor
Source: http://www.theses.fr/2011GRENT039/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Optique et Radio fréquence
Arrêté ministériel : 7 août 2006


Présentée par
« Anne-Laure FRANC »


Thèse dirigée par « Philippe FERRARI » et
codirigée par « Emmanuel PISTONO »

préparée au sein du Laboratoire IMEP-LAHC
dans l'École Doctorale Électronique, Électrotechnique,
automatique et traitement du signal


Lignes de propagation intégrées
à fort facteur de qualité en
technologie CMOS - Application
à la synthèse de circuits passifs
millimétriques


Thèse soutenue publiquement le « 6 juillet 2011 »,
devant le jury composé de :
M. Daniel PASQUET
Professeur des universités, Cergy-Pontoise, Président
M. Gilles DAMBRINE
Professeur des universités, Lille, Rapporteur
M. Ke WU
Professeur, Montréal (Canada), Rapporteur
M Pierre VINCENT
Ingénieur CEA-Léti, Grenoble, Membre
M. Daniel GLORIA
Ingénieur STMicroelectronics, Crolles, Membre
M. Philippe FERRARI
Professeur des universités, Grenoble, Directeur de thèse
M. Emmanuel PISTONO
Maître de conférences, Grenoble, Co-directeur de thèse
tel-00625474, version 1 - 21 Sep 2011tel-00625474, version 1 - 21 Sep 2011RÉSUMÉ / ABSTRACT

Résumé
L’objectif de ces travaux est le développement en technologie intégrée standard d’une topologie
de ligne de propagation optimisée en termes de pertes, d’encombrement et de facteur de qualité
aux fréquences millimétriques. Cette topologie nommée S-CPW (Shielded CoPlanar
Waveguide) utilise le phénomène d’ondes lentes afin de miniaturiser longitudinalement la ligne
d’un facteur compris entre 1,3 et 3,2 par rapport à des topologies classiques. Disposant
également de faibles pertes, les lignes développées présentent un facteur de qualité élevé parfois
supérieur à 40, à 60 GHz. A partir de l’étude du champ électromagnétique dans la structure, un
modèle électrique a été développé. C’est le premier modèle dans la littérature prenant en compte
les pertes dans ce type de guide d’onde. Plusieurs dispositifs passifs intégrés réalisés avec des
lignes S-CPW dans différentes technologies CMOS ont été caractérisés jusqu’à 110GHz. La
compacité et les faibles pertes d’insertion obtenues pour la mesure de filtres à stubs et de
diviseurs de puissance permettent de réussir l’intégration de circuits passifs compacts en
technologie microélectronique CMOS standard aux fréquences millimétriques.


Title
Development of high-performance slow-wave transmission lines at millimeter-wave
frequencies - Application to circuits design.
Abstract
This work focuses on high-performance S-CPW (Shielded CoPlanar Waveguide) transmission
lines in classical CMOS integrated technologies for the millimeter-wave frequency band.
Thanks to an important slow-wave phenomenon, the physical length of S-CPW decreases by a
factor from 1.3 to 3.2 compared with classical transmission lines. Presenting also low
attenuation loss, the developed transmission lines show very high quality factor (higher than 40
at 60 GHz). The precise study of the electromagnetism field leads to an electrical model for
S-CPWs. This is the first model that takes the losses in this topology into account. Then, some
basic passive circuits designed with S-CPWs and characterized up to 110 GHz are presented in
various CMOS technologies. The low insertion losses and relative low surfaces of a power
divider and a passband filter show the great interest of S-CPW to integrate compact passive
circuits in classical CMOS technologies at millimeter-wave frequencies.

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tel-00625474, version 1 - 21 Sep 2011REMERCIEMENTS
Je souhaite tout d’abord remercier chacun des membres de mon jury de thèse d’avoir accepté
de consacrer du temps à l’examen de mes travaux de recherche.
Je tiens à adresser toute ma reconnaissance à mes encadrants de thèse, Philippe Ferrari et
Emmanuel Pistono, pour leur aide très précieuse durant ces trois années. Leur expérience et
leur disponibilité ont assuré le succès de ce travail.
Je remercie vivement Daniel Gloria de STMicroelectronics qui m’a fait confiance en me
permettant un large accès à une technologie spécifique RF.
Un grand merci à Nicolas Corrao qui a effectué les mesures sous pointes présentes dans mon
mémoire, ainsi qu’à Gérard Meunier du laboratoire G2ELab pour son aide sur l’établissement
d’un modèle électrique, sans oublier Alexandre Chagoya du CIME Nanotech pour les petits
tracas informatiques qu’il a toujours su rapidement résoudre.
Merci également à tous les membres de l’équipe S-CPW pour les échanges toujours très
enrichissants que nous avons pu avoir. Je pense tout particulièrement à Asma Laraba pour sa
contribution à l’Annexe 1, Gustavo Rehder, Trang Vo Thu et Benjamin Blampey pour leurs
idées sur le Chapitre 5 mais aussi à Darine Kaddour, Xiaolan Tang, Jean-Michel Fournier,
Florence Podevin, François Burdin, Marwa Abdel-Aziz, Hamza Issa, Anne Vilcot, Estelle
Lauga-Larozze, Jean-Daniel Arnould, Jean-Marc Duchamp, ...
Mes pensées vont aussi aux différents membres du bureau A233 (Guillaume, Rémy, Arnaud,
Amélie, Hamza, Claire) pour leur bonne humeur quotidienne.
Je ne saurais oublier l’ensemble des membres du laboratoire que j’ai eu la chance de côtoyer ces
trois années ainsi que les personnels techniques et administratifs pour leur aide toujours
rapide et efficace.

Et pour finir, je remercie de tout mon cœur ma famille de m’avoir toujours encouragée et
soutenue et Florian de si bien m’accompagner chaque jour.

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tel-00625474, version 1 - 21 Sep 2011

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tel-00625474, version 1 - 21 Sep 2011TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION GÉNÉRALE.................................................... .....1.3.........
CHAPITRE 1 M:INIATURISATION DES LIGNES DE PROPAGATION ET FACDETE UR
QUALITÉ....................................................... .1.5................
1.1 PARAMÈTRES CARACTÉRISTIQUES D ’UNE LIGNE DE PROPAGATION ........................ ..................... 16
1.1.1 Paramètres primaires.................................................................................1 6
1.1.2 Paramètres secondaires.............................................................................................1 6
1.1.2. 1 Cas général............................................................. ............. 16
1.1.2. 2 Cas faibles pertes ....................................................... ........... 17
1.1.3 Facteur de qualité....................................................................................1 7
1.2 ÉTAT DE L’ART DE LA MINIATURISATION DE LIGNES DE PROPAGATION INTÉGRÉES............... .......... 18
1.2.1 Lignes de propagation classiques.............................................................18
1.2.2 Méthodes classiques de miniaturisation par ondntes .l.e................................... ....20
1.2.2. 1 Facteur d’ondes lentes........... . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..................... .........2.1..
1.2.2. 2 État de l’art de la miniaturisation en microélenicqturoe .......................... .2 .2..................
1.3 LIGNES À ONDES LENTES DISTRIBUÉES ............................................................ ....................... 24
1.3.1 Principe des lignes à ondes lentes distrib.u.é..e..s.........................................2..4. .
1.3.2 Historique et état de l’art........................................................................2 5
1.3.2. 1 Mise en évidence d’un mode de propagation à onde nst el s...................... ...................... 25
1.3.2. 2 Implémentation sur substrat GaAs ............ . . . . . . . ........................... .....2.6...........
1.3.2. 3 Implémentation sur substrat de silicium....................................................... ........2.7............
1.4 C ONCLUSION ............................................................ .....3.2...........
CHAPITRE 2 R:ÈGLES DE CONCEPTION DE LIGNES INTÉGRÉES À ONDES ..L.E.N.T.E...... ......35
2.1 M ÉTHODE DE SIMULATION .......................................................................... ....................... 35
2.1.1 Outil de simulation électromagnétique.......................................................3.. .5
2.1.2 De-embedding.........................................................................................3 6
2.1.3 Extraction des paramètres........................................................................3 7
2.2 INFLUENCE DES DIFFÉRENTES DIMENSIONS PHYSIQUES ........................................ .....3.7...............
2.2.1 Géométrie de la ligne coplanaire............................................................3 8
2.2.1. 1 Ruban central et espacement entre le sign palla ne s td le msa sse .................. ................ 38
2.2.1. 2 Réduction de la largeur des plans de masse................................. ..3.9...............
2.2.2 Épaisseur de diélectrique........................................................................4 1
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tel-00625474, version 1 - 21 Sep 20112.2.3 Dimensions du plan des barreaux flottants...........................................................4.1.. ..
2.2.4 Épaisseur des métaux...............................................................................4 4
2.2.5 Recouvrement des barreaux sous le plan de .m...a..s.s.e................................... ....45
2.3 M ODÉLISATION ÉLECTRIQUE................................................ .................... 46
2.3.1 État de l’art de la modélisation de lignes ..S..-.C.P.W...........................................4.7.. ...
2.3.2 Choix d’un modèle équivalent physique....................................................4.8.. .
2.3.2. 1 Détail du modèle........................................................ ...........48
2.3.2. 2 Paramètres secondaires du modèle RLRC..................................... ..4.9................
2.3.3 Éléments réactifs.......................................................................................5 0
2.3.4 Éléments dissipatifs....................................................................................................5 2
TM2.3.4. 1 Conditions d’utilisation de Flux 3D.......................................... ............. 52
2.3.4. 2 Étude électrique....................................................... ........... 52
2.3.4. 3 Étude magnétique....................................................... ..........5.3.
2.3.4. 4 Validation du modèle équivalent .......................................... ......5.5.........
2.3.4. 5 Proportion des pertes .................................................... .........5.6..
2.3.4. 6 Résultat du modèle ...................................................................................... ....................5.7.
2.4 SYNTHÈSE DES RÈGLES DE CONCEPTION .......................................... ............ 58
CHAPITRE 3 S:YNTHÈSE DE LIGNES S-CPW ET RÉSULTATS EXPÉRIMEN.T.A.U.X.......... ........61
3.1 REPRODUCTIBILITÉ....................................................................................... .6.1...................
3.2 T ECHNOLOGIE AMS 0,35µ M ............................................... ................... 64
3.2.1 Description de la technologie..................................................................6 4
3.2.2 Résultats.................................................................................................... 65
3.2.2. 1 Impédance caractéristique........................................................................... ................6..5....
3.2.2. 2 Permittivité relative effective....................................................................... ..................6..6..
3.2.2. 3 Atténuation linéique et facteur de qualité.................................. ....6..7...........
3.3 T ECHNOLOGIE ST B9MW.................................................6.8. ........................
3.3 .1 Description de la technologie B9MW ...........................................................6..8 .
3.3 .2 Résultats en B9MW....................................................................................................6 9
3.3.2. 1 Impédance caractéristique en technologie B9MW ............................6. .9.....................
3.3.2. 2 Permittivité relative effective en technolog.i.e.. .B9. M .W ....................... 7.1....................
3.3.2. 3 Atténuation linéique en technologie B9MW................................... .7.1.................
3.3.2. 4 Facteur de qualité en technologie B9MW.................................... ..7.3...............
3.4 C OMPACITÉ LATÉRALE ................................................................................7. 3.......................
3.4.1 Déphasage surfacique...............................................................................7 3
3.4.2 Réduction de la largeur des plans de ma.s..s.e..........................................7..6. ..
3.4.2. 1 Influence de la largeur des plans de massepa sruarmè lter s s électriques ........... ........... 76
3.4.2. 2 Couplage entre deux lignes adjacentes.................................. ....7.7............
8
tel-00625474, version 1 - 21 Sep 20113.5 ORIGINE DES PERTES.................................................................................... 7.8.....................
3.5. 1 Dans les barreaux flottants........................................................................7 8
3.5.1. 1 Épaisseur des couches métalliques ......................................... .....7.8..........
3.5.1. 2 Densité de barreaux .................................................... ..........7.9.
3.5. 2 « Dummies »............................................................................................. 79
3.6 C OMPARAISON AVEC DES LIGNES CLASSIQUES ..................................... .........8.1....
3.6.1 Performances électriques..........................................................................8 1
3.6.1. 1 S-CPW par rapport à CPW .................................................... .......8.1......
3.6.1. 2 S-CPW par rapport à microruban ............................................... .....8.2..........
3.6.2 Compacité................................................................................................................... 84
3.7 C ONCLUSION DU CHAPITRE 3 ................................................ .................... 86
CHAPITRE 4 :CIRCUITS À BASE DE LIGNES S-CPW.............................. ..................89
4.1 JONCTIONS ................................................................................................ ............8.9.........
4.1.1 Jonction S-CPW............................................................................................9 0
4.1.2 Jonction microruban...................................................................................9 2
4.1.2. 1 Jonction droite ......................................................... ............ 92
4.1.2. 2 Jonction en té........................................................... ............ 92
4.2 FILTREDS BR.............................................................................................. .............9.4........
4.2.1 Principe...................................................................................................... 94
4.2.2 Résonateurs DBR intégrés...........................................................................96
4.2.3 Filtre DBR du deuxième ordre................................................................97
4.2.4 Comparaison avec des topologies classiques......................................................9.8.. ....
4.2.5 Conclusion sur le filtrage............................................................................9 9
4.3 D IVISEURS DE PUISSANCE .................................................. ...................... 99
4.3.1 Principe...................................................................................................... 99
4.3.2 Réalisation................................................................................................................1 00
4.3.3 Comparaison avec des méthodes alternatives...................................................... ...103
4.4 INVERSEUR DE PHASE ....................................................10.3. ......................
4.5 C ONCLUSION DU CHAPITRE 4 ................................................ .................. 105
CHAPITRE 5 DI:SCUSSION ET PERSPECTIVES................................................... .................107
5.1 LIGNES S-CPW EN TECHNOLOGIE AVANCÉE 28 NM ................................. ...1.0.7.............
5.1.1 Description de la technologie 28 nm de STMircornoieclse.c..t................................ .107
5.1.2 Aperçu des possibilités en technologie 28 nm...........................................1.0..8.. ...
9
tel-00625474, version 1 - 21 Sep 20115.1.3 Conclusion.................................................................................................................1 09
5.2 C ARACTÉRISATION DE COUCHES MINCES DE MATÉRIAUX DIÉLE CTRIQUES.................... ............... 110
5.2.1 Difficulté de caractérisation de diélectriqueous cehen s cminces........................... ..110
5.2.2 Caractérisation de couches minces à l’aide ds eà loignndes lentes................... ....110
5.2.2. 1 Sensibilité par rapport à la permittivité rela.ti.v.e....................................... ....1.1.1..............
5.2.2. 2 Sensibilité par rapport à la tangente de pe.rt.e..s......................................... ..1.1.3...............
5.2.3 Conclusion.................................................................................................1 13
5.3 D ÉPHASEURS ACCORDABLES MILLIMÉTRIQUES ..................................... .......1.1.4.....
5.3. 1 État de l’art............................................................................................1 14
5.3. 2 Principe du déphaseur passif chargé par des rvsa.r.a..c..t.o.................................. ..115
5.3. 3Déphaseurs basés sur les lignes à ondes len..t.e..s......................................1.1..7.. ...
5.3.3. 1 Déphaseur distribué S-CPW ferroélectrique .................................. 1.1.7.................
5.3.3. 2 Déphaseur distribué S-CPW à MEMS ........................................... .1.2.1...............
5.4 C ONCLUSION .............................................................................................. ......1.2.4............
CONCLUSION GÉNÉRALE..................................................... ....1.2.7.......
ANNEXE 1 :LIGNES DE PROPAGATION À ONDES LENTES EN TECHNOLCOB GIE P
CIRCUIT IMPRIMÉ DOUBLE COUCHE............................................. ...............129
A1.1 ÉTAT DE L’ART DE LA MINIATURISATION EN CIRCUIT IMPRIMÉ ..........................9. ...................... 12
A1.1.1 Utilisation de matériaux « high k »..........................................................129
A1.1.2 Circuits hybrides : approche semi-localisée..............................................1.3...0 .
A1.1.2. 1 Éléments localisés ................ .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .................................... ................1.3.0..
A1.1.2. 2 Défauts de plan de masse .......................................................................... ..........1.3.1........
A1.1.2. 3 Éléments distribués...................................................... .......1.3.1...
A1.2 LIGNES À ONDES LENTES EN CIRCUIT IMPRIMÉ ..................................... .......1.3.2.....
A1.2.1 Topologie.................................................................................................1 32
A1.2.2 Réalisation et Mesures.............................................................................................13 2
A1.2.2. 1 Réalisation ........................................................... ..........132
A1.2.2. 2 Mesures fréquentielles ............................................... ......1.3.3......
A1.2.2. 3 Mesures temporelles .................................................. ......1.3.6......
A1.2.3 Conclusion.................................................................................................1 37
ANNEXE 2 :CHAMP MAGNÉTIQUE ET INDUCTANCE.............................. ............139
A2.1 C HAMP MAGNÉTIQUE CRÉÉ PAR UN FIL .......................................... .......... 139
A2.1.1 Magnétostatique.......................................................................................13 9
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