一种“L-2L”传输线去嵌入方法的优化分析

贠明辉，王晓磊，秦 臻，陈文彬，蔡 苗，杨道国



一种“L-2L”传输线去嵌入方法的优化分析

贠明辉，王晓磊，秦 臻，陈文彬，蔡 苗，杨道国

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

介绍了一种基于硅基微波共面波导传输线的“L-2L”去嵌入技术的改进方法。该方法可更加精确地剥离在片器件参数中探针焊盘寄生效应的影响。利用ADS软件对无焊盘的理想传输线结构进行了电磁仿真，确立了去嵌入结果精确度的判定标准。使用GSG微波探针提取了测试样品的参数，推导了π型寄生参量等效电路模型中并联导纳不同位置（=0，0.5，1）下左、右探针焊盘的矩阵，得到了去嵌入后在片器件的本征传输特性参数，并结合电磁仿真对比。结果表明：=1时，其参数曲线与仿真结果最为接近(平均偏差量Δ11=18.431，Δ21=4.405，Δ11.418)。对于不同在片测试器件需要着重考虑的取值。

共面波导；传输线；参数；寄生效应；去嵌入；测量

近些年，随着CMOS工艺的不断进步，微波单片集成电路（MMIC）已获得迅速发展，集成电路面积不断减小，数字电路时钟频率由以往的MHz发展到了更高的GHz。与此同时，对微波器件的精确表征也提出了更高的要求。微波器件的线性性能指标主要包括插值损耗、回波损耗、隔离度、驻波比等，这些指标都可以用参数表达[1]。通常采用矢量网络分析仪（VNA）进行在片器件的参数提取。

在毫米波、亚毫米波集成电路设计中，传输线不再简单应用于电路中器件间的相互连接，还可以直接被用作硅基片上电容、片上电感、阻抗匹配、滤波器、功率分配器等，而其他的一些射频微波模块几乎也都可以由传输线来实现。因此，在片传输线成为决定电路性能的关键部件，决定着微波集成电路的工作性能。在传输线被建模、优化、应用在集成电路之前，精确地表征其特性显得十分必要。探针台在片测试时，由于芯片尺寸非常小，无法与微波探针(GSG：Ground-Signal-Ground)直接接触，不可避免地要在芯片两端设计探针焊盘，以便能够连接被测器件(DUT：Device-Under-Test)和微波探针。如图1所示，探针焊盘的存在导致所测网络的参考面由芯片本身C-C转移到探针针尖B-B，故测量结果中包含额外的焊盘网络参数，结果并不精确。在对芯片进行特性表征之前需要采用去嵌入技术来剥离寄生结构影响，以便得到芯片的本征特性[2]。

图1 芯片测量参考面的转移

基于级联原理的“L-2L”去嵌入法[3]是国内外一类比较新的去嵌入思路。将传输线等效为微波网络进行分析，其外接寄生结构（探针焊盘）作为级联配置通过特定的矩阵运算进行消除。“L-2L”去嵌入法只需要两组不同长度的传输线（2=21）芯片，可有效节约制作成本和时间。但是该去嵌入法的精确度依赖于求得的左、右探针焊盘的网络参数，在以往的研究中[4]，往往把探针焊盘等效电路模型中并联导纳的位置默认在特性阻抗的外部（如图2所示），直接推导得到的探针焊盘的矩阵参数，并未考虑并联导纳位置不同对去嵌入结果的影响，其理论并不严谨。且目前大多数研究只是将去嵌入处理结果和自身测量数据进行对比来验证去嵌入精度，其说服力不足。针对这一问题，本文通过微调仿真参数来确定芯片主体结构（DUT）的理想建模尺寸，采用ADS软件求得了无焊盘“理想”模型的参数用于去嵌入后结果精确度的判定。本文借助MATLAB 2012（a）软件对采集的201个频率点参数数据进行了处理，详细分析了不同位置（=0，0.5，1）下探针焊盘单π型等效电路模型的变化，并分别对测试结果进行处理，通过与仿真结果进行对比，更加直观地反映了不同值对去嵌入结果的影响。最终确定了优化后的“L-2L”去嵌入方法的等效电路模型，分析了其实用性。

图2 传统π型寄生参量等效电路

1 实验设计

选用硅基背敷金属共面波导传输线作为实验样件，图3所示是样件的示意图，表1为测试结构的基本参数。笔者共设计了两组不同尺寸测试样件，这些样件除长度（=500，1 000 μm）不同外其他结构尺寸保持一致。

图3 样件结构示意图

表1 芯片的基本参数

Tab.1 Basic design parameters of the chip

采用英国STS公司生产的PECVD等离子体增强化学气相沉淀系统PC310进行SiO2薄膜制备，该系统得到的薄膜具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、抗侵蚀能力强以及良好的介电性质[5]。测量中发现，Pt层和微波探针电接触性较差，故在Pt层上面沉积了一层0.1 μm厚的Au层用于改善电接触性能。芯片顶层光刻出共面波导结构，中心导带两端设置了探针测试用的接触焊盘，图4所示为带焊盘结构的测试芯片的照片。

在片参数测量系统由惠普8753E矢量网络分析仪(VNA)、计算机和Cascade晶圆探针台（含ISS标准阻抗基片）等硬件组成，测量范围为1 ~ 6 GHz，信号采集为200个频率点。样件测量之前，首先使用晶圆探针台自带的ISS校准件执行短路-开路-负载-直通（SOLT）校准，用于去除由电缆、接插件、寄生量以及由矢量网络分析仪内部产生的12项矢量误差[6]。

图4 带焊盘结构的测试芯片照片

2 “L-2L”去嵌入原理

2.1 去嵌入过程

微波频率范围内，必须考虑传输线的分布参数效应[7]，将焊盘等效为集总参数元件，根据传输线原理[8]，复传播常数可以由具有相同特性阻抗c而不同长度的双线测量中提取，整个芯片看成焊盘与传输线组成的级联网络，去嵌入过程中假设测试器件为完全对称结构。

两组不同长度的样件被用作去嵌入理论分析，其中1=，2=2。GSG探针焊盘直接耦接在传输线两端，每个焊盘作为级联配置被假设为一个由并联导纳（=+j）和串联阻抗（=+j）组成的微波网络。

去嵌入过程的公式如下：

2.2 π型等效电路模型的优化

“L-2L”去嵌入法的关键部分在于左、右焊盘的传输参数的求解。通常，传统π型等效电路没有考虑特性阻抗和并联导纳位置（用来表示）不同对左、右探针焊盘传输参数的影响，只是默认如图2所示的位置关系。因此需要对样件的π型等效电路进行更为详细的探究。图5所示为改进后的样件π型等效电路图。其中取值分别为0，0.5，1，公式（6）、（7）可求得不同取值下左、右探针焊盘的参数矩阵。

图5 m不同取值下对应的样件π型等效电路模型

3 结果分析

3.1 理想模型参数确定

亚微米和深亚微米芯片进行参数测量时，较小的物理尺寸改变即可引起测量结果的变化。根据以往研究[9]，若采用原始的制造参数进行建模分析，测试和仿真得到的参数曲线有较大的偏差。因此，笔者选择中间导体宽度、Au层厚度1和介电层厚度在原尺寸±0.01 μm的差异下进行了微调分析。为便于直观，设定了11和21仿真与实验数据的平均误差百分比Δ11、Δ21、Δ来进行结果判断。其公式定义如下：

经过多次微调对比，得到了一组比较理想的样件的物理结构建模尺寸：=10.1 μm、1=0.21 μm和=0.10 μm。如图6所示：微调后，仿真和实验值11≤0.131 dB，Δ11≤1.828%；21≤0.355 dB，平均偏差≤0.817%，仿真结果和测试值达到了很好的拟合，故微调后的仿真参数可以代表实际器件的结构尺寸。据此，笔者设计了无焊盘仿真结构用于去嵌入后精确度验证。图7所示为电磁仿真软件ADS中设计的无焊盘结构版图（layout）。

图6 S参数测量与仿真数据对比

3.2 去嵌入结果对比

图8所示为=0，0.5，1时，三种去嵌入结果与仿真参数的对比，图9所示为三种去嵌入结果与仿真的偏差百分比，表2所示为平均偏差量的计算结果。对于11，1~2.775 GHz 时的三条曲线与仿真结果偏差都不明显，但随着频率增加，=0曲线和仿真结果偏离越较大。平均偏差量：=0，Δ11=45.468%；=0.5，Δ11=4.578%；=1，Δ11=18.431%。对于21，频率在1.675 GHz后，=0和=0.5曲线与仿真结果有非常明显的偏离。平均偏差量：=0，Δ21=31.577%；=0.5，Δ21=29.326%；=1，Δ21=4.405%；故综合比较：=0，Δ=38.523%；=0.5，Δ=16.952%；=1，Δ=11.418%。数据对比非常明显地看出=1的情况下，去嵌入结果和仿真的参数拟合度最高。观察11和21曲线变化发现，三种情况下去嵌入后参数偏差量都有随着频率增加变大的趋势，这说明高频下，去嵌入后的精确度变差。主要原因有两种：第一，“L-2L”去嵌入法忽略了焊盘与中心导带金属互连线的影响，高频下互连线的趋肤效应和辐射效应加强，对去嵌入结果的不良影响加剧；第二，高频下，测量结果更容易受到外界干扰，测量结果的误差会相应增大。因此，高频下对硅基片上共面波导传输线样件进行电学特性表征的时候，更为精确的去嵌入方法显得尤为重要。因此综合对比：采用“L-2L”去嵌入方法处理测量参数的时候，应选=1时的寄生结构π型等效电路分析。

图7 无焊盘结构仿真L=500 μm

图8 去嵌入结果与仿真S参数的对比

图9 去嵌入结果与仿真值的偏差量（ΔS11、ΔS21）对比

表2不同取值下去嵌入结果与仿真参数偏差结果

Tab.2 Comparison of S-parameters between de-embedding analysis and simulation under the three cases when m is equal to 0, 0.5 and 1

4 结论

通过ADS软件微调了测试样件的结构尺寸参数，确立了最优参数组合下的“理想”对比模型用于去嵌入结果精确度的评判。针对“L-2L”去嵌入法中传统π型等效电路不精确的问题展开了分析，建立了=0，0.5，1三种情况下的探针焊盘π型等效电路并借助MATLAB软件计算得到了样件主体结构的本征参数，与“理想”仿真模型进行了对比。分析计算结果表明：=1时的探针焊盘π型等效电路模型更加适合共面波导传输线的去嵌入分析，优化了传统的“L-2L”去嵌入方法。

电子信息技术的快速发展，硅基在片芯片工作频率也不断增加，“L-2L”去嵌入法所适用的范围更加广泛，在采用此种方法进行在片芯片电学性能精确表征的时候必须考虑取值不同对去嵌入结果的影响。

[1] 雷静. 非同轴微波器件测试夹具的设计与应用 [J]. 电子元件与材料, 2011, 30(7): 60-63.

[2] CRUPI G. Microwave de-embedding from theory to applications [M]. Oxford, UK: Academic Press, 2013.

[3] TOKGOZ K K, LIM K, KAWAI S, et al. Characterization of crossing transmission line using two-port measurements for millimeter-wave CMOS circuit design [J]. IEICE Trans Electron, 2015, 98(1): 35-44.

[4] HSU C L, ARDILA G, BENECH P. A de-embedding technique for metallic nanowires in microwave characterization [J]. Microelectron Eng, 2013, 112(12): 241-248.

[5] 李靓, 姚熹, 张良莹. 低介电常数多孔二氧化硅薄膜的制备与性能研究 [J]. 固体电子学研究与进展, 2005(4): 549-553.

[6] SEELMANN-EGGEBERT M, OHLROGGE M, WEBER R, et al. On the accurate measurement and calibration of S-parameters for millimeter wavelengths and beyond [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2015, 63(7): 1-8.

[7] 刘宗行, 张凯, 王永东. 均匀传输线的高速数据采集系统设计[J]. 重庆理工大学学报(自然科学), 2007, 21(6): 58-63.

[8] POZAR D M. Microwave engineering [M]. New York, USA: Wiley, 2012.

[9] CHEN W B, HUANG H M, MA X S, et al. Simulation model and it's sharp tuning for SiO2thin film transmission line [C]// International Conference on Electronic Packaging Technology. Dalian: Dalian University of Technology, 2013: 1284-1287.

（编辑：陈渝生）

Optimization analysis of "L-2L" transmission line de-embedding method

YUN Minghui, WANG Xiaolei, QIN Zhen, CHEN Wenbin, CAI Miao, YANG Daoguo

(Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China)

A improved "L-2L" de-embedding technology based on silicon-based microwave coplanar waveguide transmission line was presented to remove the influence of probe pad’s parasitic effect on the-parameter of the device accurately. In order to determine the standard of the improved de-embedding method, the ideal transmission line structures without pads were simulated by using ADS software.-parameter of the test sample was extracted using GSG(Ground-Signal-Ground) microwave probe. Thematrix of the left pad and the right pad in single π type parasitic parameters equivalentcircuitmodel considering different position of shunt admittance() (=0, 0.5, 1) was derived. The intrinsic characteristic-parameter of the device on chips was obtained after de-embedding, and compared with electromagnetic simulation. The results show the-parameters curve of=1 is more closed to that of electromagnetic simulation compared with two others (=0, 0.5) (Δ11=18.431, Δ21=4.405, the average deviation of Δ11.418). As for different devices on chips thevalue should be taken into consideration seriously.

coplanar waveguide; transmission line;-parameter; parasitics effect; de-embedding; measurement

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.017

TN432

A

1001-2028（2016）07-0072-05

2016-04-29

陈文彬

国家自然科学基金资金资助项目（No. 61361004）；广西科学研究与技术开发计划资助项目（No. 桂科转14124005-1-7）

陈文彬（1983－），男，广西桂林人，副教授，主要从事微电子器件及材料方面的研究，E-mail: cwb0201@163.com；

贠明辉（1992－），男，河南许昌人，研究生，研究方向为微波材料电学性能表征，E-mail: ymh01@foxmail.com。

2016-07-01 10:50:48

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1050.016.html