可用于毫米波集成电路的硅基CMOS传输线结构及模型研究

毫米波频率开始在超高速无线通信和安全等领域得到广泛的应用，纳米尺度先进的CMOS工艺可为实现高集成、低成本的毫米波集成电路（MMIC）应用提供了极佳的、可延伸的平台，高质量的硅基毫米波传输线结构及模型已成为成功实施MMIC CAD的关键之一。本项目以中芯国际硅基90纳米工艺为研究对象，结合RF工艺的多层金属特征，研究可用于MMIC的低损耗低辐射和抗电磁干扰三维传输线结构，开展硅基传输线互连中的不连续性问题研究，建立精确地传输线模型，实现模型与物理结构尺寸和损耗机制之间的可缩放性映射；研究新的如基于仿生学研究中的粒子群算法（PSO）的毫米波传输线结构综合方法，并考察传输线物理尺寸多维变化对其性能和成品率的影响；以期解决基于90纳米及以下硅基CMOS工艺进行高性能、高成品率和低成本MMIC CAD支持这一基础问题。

为支持硅基CMOS工艺进行高性能、低成本的毫米波集成电路（MMIC）设计，项目针对硅基传输线结构、特征和模型及在MMIC中的应用进行了研究，开展的主要工作和成果如下：.（1）分析了硅基CMOS工艺多金属-介质特征，并基于典型传输线结构和实测数据修正建立了基于HFSS和ADS Momentum的三维EM仿真环境，为新型传输线结构和特性研究提供了定量分析基础。同时，基于实际的工艺流片和实测数据，对比了纳米尺度CMOS工艺下多种常见传输线结构的电学特征（包括特征阻抗、传播损耗等），为硅基CMOS工艺下选择合适的传输线结构进行高性能集成电路设计提供理论和实际验证支持。.（2）基于工艺特征和建立的三维电磁仿真环境，提出了带浮动侧墙的慢波微带线结构（FSW-MSL）、半椭圆形接地共面波导结构（SE-GCPW）、部分侧墙垂直接地的共平面波导结构（PS-VGP-CPW）和P+注入垂直接地的共平面波导结构等多种新型的传输线结构，这些结构在传播损耗（低损耗低辐射）、隔离性能（抗电磁干扰）和小尺寸方面具有独特的优势；另外，我们还针对后两种结构完成了模型和测试数据验证，为实现高性能的MMIC设计提供CAD基础。.（3）针对毫米波集成电路中常用的多种传输线，基于工艺特征、版图参数和测试数据，完成了相应等效电路模型的构建和参数提取及验证；针对应用广泛的CPW结构，分别建立了传播（长度）方向和通用的两种可缩放等效电路模型，并构建了相应的模型参数缩放规则，实测数据验证了模型的可用性。.（4）基于上述的结构和模型，我们将传输线结构应用至毫米波集成电路的设计中，实现了包括30GHz带通滤波器、60GHz单片功率放大器和60GHz单片压控振荡器等多种典型电路设计，有效地验证了传输线结构和模型的可用性，为进一步实现高性能、高集成的集成电路乃至集成系统提供良好支撑。.项目要求主要研究内容均已按计划完成，研究范围覆盖传输线结构、测试、模型、电路验证的整个流程，并在新型传输线结构、高精度的传输线模型及在毫米波集成电路的应用中取得了良好的成果，为纳米尺度硅基CMOS工艺实现高可靠、高集成度、低成本的集成电路乃至系统提供CAD和设计支持。