FR2931301A1 - Guide d'onde coplanaire - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif électronique de guide d'onde coplanaire comprenant un substrat sur lequel est monté un ruban signal et au moins un plan de masse.L'invention est essentiellement caractérisée en ce que le ruban signal comprend une pluralité de lignes signal d'un même niveau de métallisation reliées électriquement entre elles.Avantageusement, le plan de masse est réalisé en un matériau conducteur d'électricité et comprend une pluralité de trous.

Description

La présente invention concerne le domaine des composants passifs, en particulier les composants passifs pour circuits électroniques hyperfréquences tels que les guides d'ondes coplanaires.
De tels composants sont réalisés par exemple à l'aide de technologies de silicium sur isolant, dites SOI pour Silicon On Insulator . Cette technologie de fabrication est utilisée par exemple à titre d'alternative au silicium brut.
Avec l'utilisation de substrats fortement résistifs, les pertes sont diminuées et les performances accrues. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif électronique de guide d'onde coplanaire susceptible de propager un signal hyperfréquence, et comprenant un substrat sur lequel est monté un ruban signal central et au moins un plan de masse, ledit ruban signal central et ledit plan de masse étant chacun réalisés sous la forme d'un ensemble d'au moins une couche de métallisation, au moins une couche de métallisation du plan de masse étant susceptible de coopérer avec une couche de même niveau du ruban signal central pour la propagation du signal hyperfréquence. Pour la fabrication de tels dispositifs, il 25 existe une contrainte majeure. Cette contrainte concerne les règles de dessin sur silicium. Sur silicium, il n'est en effet pas possible de dessiner des métaux pleins au-delà d'une certaine largeur seuil, ce qui limite les 30 dimensions du ruban signal : pour une technologie donnée (65nm, 130nm, etc.), il existe une largeur maximale pour le ruban signal en plein. Au-delà, il existe des problèmes de bombage ( dishing ) au cours de la fabrication même des composants électroniques : les couches (ou niveaux) de métallisation sont réalisées en général en cuivre, matériau mou , dans un cadre d'oxyde de silicium SiO2, matériau dur . Si la largeur d'une bande de cuivre est trop importante, la bande de cuivre risque de se creuser ou de bomber, la structure finale risque donc de perdre sa planéité, et le composant électronique risque de devenir défectueux. En outre, la densité métallique doit être respectée, c'est-à-dire que pour une technologie donnée, il existe en cours de fabrication une fenêtre de contrôle, de dimensions déterminées, qui en se déplaçant au-dessus du dispositif électronique, doit détecter une certaine quantité de métal, par exemple minimale ou maximale, en fonction de la zone contrôlée et du type de dispositif électronique. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif, par ailleurs conforme au préambule cité ci-avant, essentiellement caractérisé en ce que chaque couche de métallisation du ruban signal central susceptible de propager un signal hyperfréquence comprend une pluralité de lignes signal individuelles reliées électriquement entre elles pour la propagation dudit signal hyperfréquence.
Grâce à cette configuration, la largeur totale couverte par la pluralité de lignes signal individuelles peut être supérieure à la largeur maximale susceptible d'être donnée à une ligne signal individuelle unique sans perte de planéité. De préférence, les lignes signal sont séparées 5 entre elles d'une distance minimum, en l'espèce de l'ordre de 0,5 pm. Avantageusement, l'ensemble des lignes signal individuelles sont parallèles et toutes reliées à une couche supérieure d'alimentation, typiquement en 10 aluminium, dont les contraintes de dessins sont beaucoup moins restrictives, c'est-à-dire dont la largeur maximale peut être beaucoup plus grande que la largeur maximale possible d'une seule ligne signal individuelle. 15 Grâce à cette configuration multi-lignes, la densité de métal au niveau du ruban central est supérieure à celle obtenue par un ruban central ne comprenant qu'une seule ligne signal individuelle (trouée afin d'être réalisable), tout en respectant 20 les règles de dessin pour chaque ligne signal individuelle. Au niveau du plan de masse, celui-ci est réalisé selon l'invention en un matériau conducteur d'électricité, typiquement du cuivre, et comprend une 25 pluralité de trous. De préférence, les trous sont répartis en lignes parallèles au ruban signal central, chaque ligne parallèle comprenant des trous identiques entre eux et équidistants les uns des autres. 30 Dans un mode de réalisation, la dimension des trous et/ou l'espacement des trous forme(nt) un gradient du ruban signal vers la périphérie du plan de masse. C'est-à-dire que le plan de masse comprend un gradient de densité métallique depuis le ruban signal central vers la périphérie du plan de masse.
De préférence, le gradient de densité métallique est décroissant depuis le ruban signal central vers la périphérie du plan de masse. Dans un mode de réalisation, le substrat est un substrat à haute résistivité.
Dans cette configuration, le plan de masse et le ruban signal central comprennent une pluralité de couches de métallisation dont l'une quelconque d'entre elles est utilisée pour la propagation d'un signal hyperfréquence.
Alternativement, le plan de masse et le ruban signal central comprennent une pluralité de couches de métallisation dont au moins deux couches quelconques de métallisation sont reliées électriquement entre elles pour la propagation d'un signal hyperfréquence.
Dans un autre mode de réalisation, toutes les couches de métallisation sont reliées électriquement entre elles pour la propagation d'un signal hyperfréquence. De préférence, au moins la couche de métallisation la plus éloignée du substrat du plan de masse coopère avec la couche de métallisation la plus éloignée du substrat du ruban signal central pour la propagation du signal hyperfréquence. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 représente une vue de dessus d'une partie du dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 représente une vue en perspective et en trois dimensions de la figure 1, et la figure 3 représente une coupe transversale d'un mode de réalisation de l'invention.
En référence à la figure 1, le dispositif 100 selon l'invention est, dans un mode de réalisation, un guide d'onde coplanaire comprenant un substrat 130 à haute résistivité sur lequel est monté un ruban signal 120 et au moins un plan de masse 110. Par haute résistivité, on entend une résistivité supérieure à 1 KQcm. Pour simplifier la présente description, un autre plan de masse symétrique par rapport au ruban signal central n'est pas représenté ni décrit, sa structure étant la même que celle du plan de masse 110. Dans un mode de réalisation, le ruban signal central 120 comprend une pluralité de lignes signal 121, 122, 123 de largeur respective W1, W2 et W3, et réalisées au même niveau de métallisation. Les largeurs respectives W1, W2 et W3 des lignes signal 121, 122, 123 peuvent être identiques entre elles ou non. Ces lignes signal sont reliées électriquement entre elles de préférence par l'intermédiaire de nias 150 vers un niveau de métallisation supérieur, typiquement en aluminium, non représenté, servant d'alimentation. Dans la structure représentée à la figure 1, le courant se propage dans un seul sens, le long des lignes signal, de l'entrée IN vers la sortie OUT du ruban. Dans un premier aspect de l'invention, la densité métallique au niveau du ruban central est maximale grâce aux lignes signal de transmission.
La surface totale couverte, ou la largeur totale W, du ruban signal central 120 peut alors être supérieure à la largeur maximale W1 ou W2 ou W3 d'une seule ligne signal. A titre d'exemple non limitatif, en technologie 130 nm, la largeur maximale d'un ruban central plein (ne comprenant qu'une seule ligne signal centrale) d'un sixième niveau de métal à partir du substrat ne peut excéder 11,99 }gym, sous peine de bombage. Selon un mode de réalisation de l'invention, le ruban signal central comprend trois lignes signal identiques dont les dimensions de chaque ligne signal sont de W1=W2=W3= 5 }gym, espacées de 0,5 }gym. Dans cette configuration, la largeur W du ruban signal central est alors de 16 }gym.
Dans cette configuration, la densité de métal obtenue est de 93.75%, et la largeur totale du ruban W peut alors être supérieure à la largeur maximale d'une seule ligne signal, c'est-à-dire supérieure à la largeur maximale que pourrait avoir le ruban s'il ne comprenait qu'une seule ligne signal.
Grâce à cette configuration, la résistance du ruban diminue, ce qui augmente les performances du composant électronique. Un deuxième aspect de l'invention concerne les 5 plans de masse 110. Un plan de masse 110 est déparé du ruban signal central 120 par une fente de largeur S. Pour qu'un signal hyperfréquence se propage convenablement, il convient également d'obtenir une 10 densité métallique particulière au niveau du plan de masse. Au niveau du plan de masse, le mode de propagation n'est alors pas unidirectionnel comme dans le ruban signal central, mais le courant peut se 15 propager perpendiculairement à la direction de propagation d'une ligne signal. Ainsi, dans cette structure de plan de masse, le courant se propage dans deux sens orthogonaux (parallèle et orthogonal au ruban signal). 20 Et si la même solution que pour le ruban signal central est utilisée, c'est-à-dire réaliser le plan de masse sous forme d'une pluralité de lignes reliées électriquement entre elles, les pertes sont augmentées. Cette solution n'est donc pas souhaitable. 25 Selon l'invention, la structure du plan de masse comprend avantageusement un ensemble de trous, permettant la propagation du courant dans ces deux directions orthogonales entre elles, et permettant d'éviter les problèmes de bombages susmentionnés. 30 De ce fait, le dispositif selon l'invention subit également moins de pertes au niveau de la masse.
Par trou, on entend un évidement réalisé dans une bande de métallisation en cuivre (ou aluminium), ledit évidement étant comblé par du dioxyde de silicium SiO2.
Comme représenté à la figure 1 ou à la figure 2, de préférence, la structure selon l'invention comprend un plan de masse 110 ayant une largeur pleine, exempte de trous, L maximale au plus près du ruban signal central 120, et dans lequel on effectue ensuite latéralement un certain nombre de trous, de sorte à réduire sa densité. Sur la figure 2, le ruban signal central 120 possède une largeur W et peut être composé d'une pluralité de lignes signal reliées entre elles, comme décrit précédemment. Le nombre de trous et leur dimension ainsi que leur position sont définis de sorte à respecter les règles de densité métallique (en l'espèce en technologie 130 nm, W = 3 }gym, s = 3 }gym et L = 11.99 }gym) . Les trous effectués dans le plan de masse peuvent être de dimensions et/ou d'espacement variables, mais sont avantageusement identiques entre eux et équi-espacés le long d'une même ligne parallèle au ruban signal central. L'espacement LLI entre deux trous adjacents d'une même ligne peut être différent d'une ligne de trous à l'autre. L'espacement LI entre deux lignes de trous 30 adjacentes peut être différent le long du plan de masse.
De cette manière, on peut définir avantageusement au niveau du plan de masse un gradient dans la dimension des trous d'une ligne de trous à l'autre, et/ou un gradient dans l'espacement entre les trous d'une même ligne de trous, de même qu'un gradient de l'espacement entre deux lignes de trous adjacentes. En l'espèce, dans un mode de réalisation, l'espacement LLI entre deux trous adjacents d'une même ligne diminue de la bande centrale 120 vers la périphérie P du plan de masse (donc le nombre de trous par ligne augmente), et l'espacement LI entre deux lignes de trous adjacentes diminue de la bande centrale 120 vers la périphérie du plan de masse.
Grâce à cette configuration, la densité de courant est la plus forte au niveau des zones proches du ruban signal central 120, ce qui diminue la résistance globale de la structure de propagation (ruban) par une meilleure répartition des lignes de champ électrique. Plus la largeur pleine L du plan de masse à proximité du ruban signal central est importante, plus les lignes de champ électrique sont confinées dans cette zone.
Plus la dernière ligne de trous est éloignée du ruban central, plus les pertes par effet magnétique sont limitées (aplatissement des lignes de champ magnétique). En outre, la structure du composant électronique 30 selon l'invention peut être réalisée comme représentée sur la figure 3.
La figure 3 représente schématiquement une coupe transversale dispositif électronique 200 tel qu'un guide d'onde coplanaire. Le guide d'onde coplanaire 200 comprend un ruban signal central 220. Le ruban signal central 220 peut être réalisé par une pluralité de lignes signal reliées électriquement entre elles comme décrit précédemment. En outre, le guide d'onde coplanaire 200 comprend au moins un plan de masse 210. Le plan de masse 210 peut être réalisé comme décrit précédemment. Comme représenté sur la figure 3, le guide d'onde coplanaire 200 comprend une pluralité de couches de métallisation, en l'espèce six, respectivement M1 à M6. L'alimentation est assurée par une couche d'aluminium ALIM qui distribue le courant par l'intermédiaire par exemple de nias (non représentés). Il est connu de l'homme du métier que seule la dernière couche de métallisation soit utilisée pour la propagation des ondes hyperfréquence. Par dernière couche de métallisation, on entend la couche de métallisation, en général en cuivre, la plus éloignée du substrat 130, en l'espèce la sixième couche M6. Selon l'invention, et de manière surprenante, sur un substrat 130 haute résistivité, une couche de métallisation autre que la dernière couche peut être utilisée pour le transport d'un signal hyperfréquence.
En outre, plusieurs couches peuvent être utilisées à cet effet, en les reliant électriquement entre elles, par exemple par l'intermédiaire de vias 230. Contrairement aux connaissances générales de l'homme du métier [A. M. Mangan, S. P. Voinigescu, M.T. Yang, and M. Tazlauanu, "De-Embedding Transmission Line Measurements for accurate Modelling of IC Designs," IEEE Trans. Electron. Dev., Vol. ED- 53, pp.235-241, No.2, 2006.], l'utilisation d'une couche inférieure à la dernière couche de métallisation pour la propagation d'une onde hyperfréquence sur un substrat à haute résistivité n'augmente pas la capacité parasite au regard du substrat. Dans l'exemple non limitatif illustré à la figure 3, seules les première, deuxième et troisième couches de métallisation, respectivement M1, M2 et M3 sont reliées entre elles par l'intermédiaires de vias 230. Dans un autre mode de réalisation, une seule couche de métallisation, éventuellement autre que la dernière couche, est utilisée pour le transport d'un signal hyperfréquence. En l'espèce l'une des couches de métallisation M1 à M6. Dans d'autres modes de réalisation, d'autres combinaisons de couches sont utilisées pour le transport d'un signal hyperfréquence. L'invention comprend toutes les combinaisons possibles de couches de métallisation, de deux ou plusieurs couches, jusqu'à l'utilisation de toutes les couches de métallisation.
L'alimentation des couches de métallisation utilisées pour le transport d'un signal hyperfréquence est assurée par la couche d'alimentation ALIM. La combinaison de couches utilisées est déterminée selon la possibilité d'utiliser ou non des substrats hautement résistifs, ainsi que par des contraintes d'intégration avec d'autres composants ou de routage (nécessité de laisser un niveau de métal disponible pour d'autres connexions).
L'invention est avantageusement mise en oeuvre dans le domaine des hyperfréquences, notamment pour la réalisation de filtres à 90 GHz.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif électronique de guide d'onde coplanaire (100, 200) susceptible de propager un signal hyperfréquence, et comprenant un substrat (130) sur lequel est monté un ruban signal central (120, 220) et au moins un plan de masse (110, 210), ledit ruban signal central et ledit plan de masse étant chacun réalisés sous la forme d'un ensemble d'au moins une couche (M1-M6) de métallisation, au moins une couche de métallisation du plan de masse étant susceptible de coopérer avec une couche de même niveau du ruban signal central pour la propagation du signal hyperfréquence, caractérisé en ce que chaque couche de métallisation (M1-M6) du ruban signal central (120, 220) susceptible de propager un signal hyperfréquence comprend une pluralité de lignes signal individuelles (121, 122, 123) reliées électriquement entre elles pour la propagation dudit signal hyperfréquence.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la largeur totale couverte par la pluralité de lignes signal individuelles est supérieure à la largeur maximale susceptible d'être donnée à une ligne signal individuelle unique sans perte de planéité.
  3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le plan de masse (110, 210) est réalisé à partir d'un matériau conducteur d'électricité et comprend une pluralité de trous. 5 1014
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les trous sont répartis en lignes parallèles au ruban signal central (120, 220), chaque ligne parallèle de trous comprenant des trous identiques entre eux.
  5. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le plan de masse (110, 210) comprend un gradient de densité métallique depuis le ruban signal central vers la périphérie (P) du plan de masse.
  6. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le gradient de densité métallique est décroissant depuis le ruban signal central (120, 220) vers la périphérie (P) du plan de masse (110, 210). 15
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (130) est un substrat à haute résistivité, et dans lequel le plan de masse (110, 210) et le ruban signal central (120, 220) comprennent une 20 pluralité de couches de métallisation (M1-M6) dont l'une quelconque d'entre elles est utilisée pour la propagation d'un signal hyperfréquence.
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 25 1 à 6, dans lequel le substrat (130) est un substrat à haute résistivité, et dans lequel le plan de masse(110, 210) et le ruban signal central (120, 220) comprennent une pluralité de couches de métallisation (M1-M6) dont au moins deux couches quelconques de métallisation sont reliées électriquement 30 entre elles pour la propagation d'un signal hyperfréquence.
  9. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel toutes les couches de métallisation (M1-M6) sont reliées 15 électriquement entre elles pour la propagation d'un signal hyperfréquence.
  10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins la couche de métallisation la plus proche du substrat du plan de masse coopère avec la couche de métallisation la plus proche du substrat du ruban signal central pour la propagation du signal hyperfréquence.
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