硅基毫米波元器件建模关键技术研究

随着硅基集成电路工艺的飞速发展使得MOSFET有可能取代化合物器件成为下一代微波/毫米波电路的候选者。作为工艺线和芯片设计者之间的桥梁，精确的元器件模型和全新的设计流程已成为毫米波集成电路发展的当务之急。本项目将微波电子学中的场分析方法与传统的电路设计方法相结合，从毫米波频段的大信号模型和无源元件建模方法入手，在课题组已建立的小信号模型基础上，采用将晶体管的非线性效应和高频效应分离的思想，结合电磁仿真手段，建立基于模拟的栅源、栅漏、分布电容的可预测模型以及互联线的寄生模型；同时，考虑工艺节点不断减小后工艺偏差还会对无源元件的电学特性产生影响，改进蒙特卡洛分析和工艺角分析方法，提出新的毫米波电路的输出特性的统计分布算法。所有研究将结合SMIC 65nm及以下工艺节点验证，在此基础上达到提升毫米波电路成品率的目的。

硅基CMOS器件虽然还不能提供与III-V族化合物器件完全匹敌的频率及噪声特性，随着工艺的不断进步，CMOS晶体管截止频率不断提升带来的性能优势，以及可以和数字部分单片集成带来的成本优势，极大促进了高集成度、便携式、低功耗、低成本的CMOS系统向更高频段发展。作为工艺线和芯片设计者之间的桥梁，本项目从毫米波段元器件建模关键技术出发开展研究，重点解决毫米波集成电路发展迫切需要的精确的元器件建模技术和全新的设计流程。在项目开展的几年中，我们重点对有源器件，无源元件和测试去嵌技术等方面进行了深入的研究，其中，对于有源器件的建模，研究了晶体管的大信号模型，基于国内的最先进的CMOS工艺，在课题组已建立的小信号模型基础上，采用将晶体管的非线性效应和高频效应分离的思想，建立起大信号模型，并利用65nm工艺对器件的大信号特性进行了验证。而Transformer和Balun在RF和mm-Wave电路中的用途十分广泛，相比已经得到充分研究的电感，它们的特性更加复杂，且在非常高频段下的探讨并不充分，需要进一步的研究工作。对于无源器件的建模，我们从高频balun，transformer和传输线的建模方法出发，首先建立了相对应的基于等效电路的模型，在模型中重点考虑了主从线圈之间的分布式效应，金属导线与硅衬底之间的寄生效应以及其它寄生效应，并对提取方法进行了研究，进一步研究了射频电路无源元件的自动参数提取和可伸缩模型建模方法，在此基础上，研究了考虑工艺偏差对无源元件的电学特性的影响，分析了毫米波电路的输出特性的统计分布，所有研究结果结合SMIC65nm, 40nm及28nm工艺节点进行了验证。该项目的实时对硅基毫米波电路和THz电路的发展进行了有益的探索。