[논문]메탈 더미 구조를 포함하는 서브 테라헤르츠 CMOS 온칩 마이크로스트립 패치 안테나

심동하; 양지훈; 한승한; 이현민; 김기훈; 김호경

doi:10.5515/kjkiees.2017.28.6.505

초록
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본 논문은 CMOS 공정에 수반되는 메탈 더미 구조가 서브 테라헤르츠 온칩 마이크로스트립 패치 안테나의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 45 nm CMOS 공정을 이용해 400 GHz 온칩 안테나를 설계하고, 3D EM 시뮬레이션을 통하여 메탈 더미 구조의 밀도에 따른 안테나의 공진주파수와 효율을 분석하였다. 검증을 위해 발진기와 집적된 안테나를 설계/제작하고, FTIR과 볼로미터를 이용한 준광학적 방법을 통해 측정을 수행하였다. 측정 결과, 밀도가 27 %인 더미 구조에 의해 안테나의 복사전력이 417 nW에서 87 nW로 6.8 dB 감소하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzes the effect of metal dummy structures in CMOS on antenna performances of a sub-terahertz on-chip microstrip patch antenna. A 400-GHz on-chip antenna is designed in a 45-nm CMOS process, and the resonance frequency and efficiency of the antenna are analyzed depending on the density...

This paper analyzes the effect of metal dummy structures in CMOS on antenna performances of a sub-terahertz on-chip microstrip patch antenna. A 400-GHz on-chip antenna is designed in a 45-nm CMOS process, and the resonance frequency and efficiency of the antenna are analyzed depending on the density of metal dummy structures. Antennas integrated with an oscillator are designed and fabricated for verification, and measurements are performed using quasi-optical methods with an FTIR and bolometer. The measurement results shows that the radiated power drops from 420 nW to 90 nW by 6.8 dB due to the dummy structures with the density of 27 %.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 45 nm CMOS 공정을 이용하여 400 GHz 온칩 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하고, 더미 구조가 안테나의 성능에 미치는 영향을 분석한다. 결과를 검증하기 위해 발진기와 집적된 온칩 안테나를 설계/제작하고, FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)과 볼로미터(bolometer)를 이용한 준광학적(quaisi-optical) 측정을 수행한다^[5].

제안 방법

3D EM 시뮬레이터를 이용하여 메탈 더미 구조가 안테나 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 그림 3은 메탈 더미 구조의 밀도에 따른 안테나의 공진주파수(resonant frequency)와 효율(efficiency)을 보여준다.
45 nm CMOS 공정에서 메탈 더미 구조를 포함하는 400- GHz 온칩 마이크로스트립 패치 안테나를 구현하고, 더미 구조가 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 밀도 27 %의 더미 구조에 의해 공진주파수와 효율이 각각 7 % 및 5 dB의 감소하는 것으로 예측되었다.
45 nm CMOS 공정을 이용하여 더미 구조 밀도가 각각 (더미 구조가 없는) 0 %와 27 %인 두 개의 안테나-발진기를 제작하고, 복사전력을 측정하였다. 발진기의 출력 전력을 측정할 수 없는 관계로 안테나의 효율을 직접 구할 수는 없지만, 복사전력의 차이를 통해 효율의 차이를 추정하고, 이를 설계 결과와 비교하였다.
본딩 패드(bonding pad)를 포함한 칩의 크기는 670×450 μm이다. Al 레이어의 최대폭을 제한하는 디자인 룰을 만족하면서 안테나의 성능에 미치는 영향을 최소화하기 위해 패치 표면에 동일편파(co-polarization) 방향으로 25×2 μm² 크기의 슬롯(slot)을 삽입하였다. 슬롯의 피치은 동일편파 및 교차편파(crosspolarization) 방향으로 각각 약 50 μm 및 25 μm이다.
본 논문에서는 45 nm CMOS 공정을 이용하여 400 GHz 온칩 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하고, 더미 구조가 안테나의 성능에 미치는 영향을 분석한다. 결과를 검증하기 위해 발진기와 집적된 온칩 안테나를 설계/제작하고, FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)과 볼로미터(bolometer)를 이용한 준광학적(quaisi-optical) 측정을 수행한다^[5].
복사전력 측정을 위한 측정 셋업은 그림 5와 같다. 안테나를 볼로미터의 윈도우에 밀착시켜 윈도우에 연결된 윈스턴콘(Winstone cone)을 통해 검출기로 전달된 안테나의 전체 복사전력을 측정하였다[5]. 잡음(noise)과 드리프트(drift)를 포함하는 볼로미터 출력 전압(V_OUT)의 정확한 측정을 위해 락인증폭기(lock-in amplifier)를 사용하였다.
. 이를 해결하기 위해 그림 4와 같이 안테나와 발진기(oscillator)를 단일 칩(single chip)으로 집적해 안테나에 신호를 공급하고, 복사전력의 측정을 통해 메탈 더미 구조의 영향을 평가하였다. 발진기는 2차 고조파를 성분을 합성하는 푸쉬-푸쉬(push-push) 방식으로 설계되었다^[1].

대상 데이터

안테나의 구현에 사용된 45-nm CMOS 공정은 6층의 메탈 레이어(M1∼M6)와 Al 패드 레이어를 포함한다(그림 1). 패드 Al 레이어로 안테나 패치를, M1∼M5를 연결해 접지면을 구현하였다.

데이터처리

45 nm CMOS 공정을 이용하여 더미 구조 밀도가 각각 (더미 구조가 없는) 0 %와 27 %인 두 개의 안테나-발진기를 제작하고, 복사전력을 측정하였다. 발진기의 출력 전력을 측정할 수 없는 관계로 안테나의 효율을 직접 구할 수는 없지만, 복사전력의 차이를 통해 효율의 차이를 추정하고, 이를 설계 결과와 비교하였다. 볼로미터와 FTIR 을 이용해 측정된 복사신호(발진기)의 주파수는 407 GHz 이다^[5].

이론/모형

이를 해결하기 위해 그림 4와 같이 안테나와 발진기(oscillator)를 단일 칩(single chip)으로 집적해 안테나에 신호를 공급하고, 복사전력의 측정을 통해 메탈 더미 구조의 영향을 평가하였다. 발진기는 2차 고조파를 성분을 합성하는 푸쉬-푸쉬(push-push) 방식으로 설계되었다^[1].
안테나를 볼로미터의 윈도우에 밀착시켜 윈도우에 연결된 윈스턴콘(Winstone cone)을 통해 검출기로 전달된 안테나의 전체 복사전력을 측정하였다[5]. 잡음(noise)과 드리프트(drift)를 포함하는 볼로미터 출력 전압(V_OUT)의 정확한 측정을 위해 락인증폭기(lock-in amplifier)를 사용하였다. 신호발생기(signal generator)를 이용하여 발진기를 10 Hz의 주파수로 변조(ON/OFF)시키며, 락인증폭기(lockin amplifier)를 통해 볼로미터의 출력 전압을 측정해 복사 전력으로 변환하였다.

성능/효과

시뮬레이션 결과, 밀도 27 %의 더미 구조에 의해 공진주파수와 효율이 각각 7 % 및 5 dB의 감소하는 것으로 예측되었다. 발진기와 집적된 안테나를 설계/제작하였고, 준광학적 측정을 통해 407 GHz에서 더미 구조에 의해 복사전력이 6.8 dB 감소하는 것을 확인하였다. 상기 결과는 마이크로스트립 패치 안테나를 포함하는 서브 테라헤르츠 영역의 CMOS 집적회로의 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
45 nm CMOS 공정에서 메탈 더미 구조를 포함하는 400- GHz 온칩 마이크로스트립 패치 안테나를 구현하고, 더미 구조가 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 밀도 27 %의 더미 구조에 의해 공진주파수와 효율이 각각 7 % 및 5 dB의 감소하는 것으로 예측되었다. 발진기와 집적된 안테나를 설계/제작하였고, 준광학적 측정을 통해 407 GHz에서 더미 구조에 의해 복사전력이 6.
측정 결과, 발진기가 ON 상태에서 더미 구조가 없는 안테나와 더미 구조를 포함한 안테나의 복사전력은 각각 417 nW와 87 nW로 측정되었다. 측정된 복사전력은 6.

후속연구

8 dB 감소하는 것을 확인하였다. 상기 결과는 마이크로스트립 패치 안테나를 포함하는 서브 테라헤르츠 영역의 CMOS 집적회로의 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온칩 안테나로 마이크로스트립 패치 안테나가 사용되는 이유는?	마이크로스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna) 구조는 접지면(ground plane)이 실리콘 기판에 의해 유발되는 손실을 차단하기 때문에, 서브 테라헤르츠(sub-tera- hertz) CMOS 집적회로의 온칩 안테나(on-chip antenna)로 많이 사용되고 있다[1]. CMOS 공정 중 CMP(Chemical Me- chanical Planarization)는 층간 유전체의 평탄화를 위한 주요한 공정으로 널리 사용되고 있다.
	마이크로스트립 패치 안테나는 어떤 용도로 많이 사용되는가?	마이크로스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna) 구조는 접지면(ground plane)이 실리콘 기판에 의해 유발되는 손실을 차단하기 때문에, 서브 테라헤르츠(sub-tera- hertz) CMOS 집적회로의 온칩 안테나(on-chip antenna)로 많이 사용되고 있다[1]. CMOS 공정 중 CMP(Chemical Me- chanical Planarization)는 층간 유전체의 평탄화를 위한 주요한 공정으로 널리 사용되고 있다.
	제안된 안테나의 높은 동작 주파수로 인해 네트워크 분석기(network analyzer)와 온웨이퍼 프로브(on-wafer probe) 룰 이용해 신호를 공급하는 기존의 온칩 안테나 측정 방식은 적용이 용이하지 않아 제시된 해결책은?	제안된 안테나의 높은 동작 주파수로 인해 네트워크 분석기(network analyzer)와 온웨이퍼 프로브(on-wafer probe) 룰 이용해 신호를 공급하는 기존의 온칩 안테나 측정 방식은 적용이 용이하지 않다[7]. 이를 해결하기 위해 그림 4와 같이 안테나와 발진기(oscillator)를 단일 칩(single chip)으로 집적해 안테나에 신호를 공급하고, 복사전력의 측정을 통해 메탈 더미 구조의 영향을 평가하였다. 발진기는 2차 고조파를 성분을 합성하는 푸쉬-푸쉬(push-push) 방식으로 설계되었다[1].

참고문헌 (10)

E. Seok et al., "A 410-GHz CMOS push-push oscillator with a patch antenna", in IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 472-473, Feb. 2008.
B. E. Stine et al., "The physical and electrical effects of metal-fill patterning practices for oxide chemical-mechanical polishing processes", IEEE Trans. Elec. Dev., vol. 45, no. 3, Mar. 1998.
A. Tsuchiya, H. Onodera, "Dummy fill insertion considering the effect on high-frequency characteristics of spiral inductors", in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., pp. 787-790, Jun. 2008.
S. Amakawa, et al., "Design of well-behavied low-loss millimetre-wave CMOS transmission lines", Workshop on Signal and Power Integrity, May 2014.
D. J. Arenas, et al., "Characterization of near-terahertz complementary metal-oxide semiconductor circuits using a Fourier-transform interferometer", Review of Scientific Instruments, vol. 82, no. 10, 103106-1-103106-6, Oct. 2011.

상세보기
D. M. Pozar, "Microstrip antennas", Proc. IEEE, vol. 80, no. 1, Jan. 1992.

상세보기
K. V. Caekenberghe et al., "A 2-40 GHz probe station based setup for on-wafer antenna measurements", IEEE Trans. Ant. Prop., vol. 56, no. 10, pp. 3241-3247, Oct. 2008.

상세보기
S. Kang, S. V. Thyagarajan, and Ali M. Niknejad, "A 240 GHz wideband QPSK transmitter in 65 nm CMOS", in IEEE RFIC Symp., pp. 353-356, Jun. 2014.
H. Xie, L. Belostotski, and M. Okoniewski, "A 460-GHz CMOS substrate-integrated-waveguide slot-antenna design", Micro. Opt. Tech. Lett., vol. 58, no. 2, pp. 347-351, Feb. 2016.

상세보기
W. Steyaert, P. Reynaert, "A 0.54 THz signal generator in 40 nm bulk CMOS With 22 GHz tuning range and integrated planar antenna", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 49, no. 7, pp. 1617-1626, Jul. 2014.

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