FR2964499A1

FR2964499A1 - Ligne de transmission haute frequence accordable

Info

Publication number: FR2964499A1
Application number: FR1057136A
Authority: FR
Inventors: Philippe Ferrari; Gustavo Pamplona Rehder
Original assignee: Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Current assignee: Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-03-09
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: EP2614553A1; FR2964499B1; WO2012032269A1; US20130249653A1; US9136573B2

Abstract

L'invention concerne une ligne de transmission haute fréquence comprenant un ruban (6) conducteur central associé à au moins un plan de blindage conducteur (4), dans laquelle au moins une partie de l'espace compris entre le plan conducteur et le ruban conducteur comprend un matériau ferroélectrique (10)

Description

B10411 1 LIGNE DE TRANSMISSION HAUTE FRÉQUENCE ACCORDABLE

Domaine de l'invention La présente invention concerne une ligne de transmission radiofréquence (RF). On entend ici par radiofréquence le domaine des ondes millimétriques ou submillimétriques, par exemple dans une plage de fréquences de 10 à 500 GHz. Exposé de l'art antérieur Le développement continu des circuits intégrés sur silicium ouvre des possibilités de fonctionnement à très haute fréquence dans le domaine des radiofréquences. Les éléments passifs utilisés comprennent des adaptateurs, des atténuateurs, des diviseurs de puissance et des filtres. Les lignes de transmission reliant ces éléments, ou les constituant, sont un élément de base dans un circuit RF. Pour exploiter la technologie sur silicium, on a besoin de lignes de transmission sur puces à haut facteur de qualité. En effet, le facteur de qualité est un paramètre essentiel car il représente les pertes d'insertion d'une ligne de transmission pour un déphasage donné. De plus ces lignes doivent fournir un déphasage déterminé et avoir une impédance caractéristique déterminée pour la fréquence utilisée. De façon générale, ces lignes de transmission sont constituées d'un ruban conducteur ayant des dimensions latérales B10411

2 de 10 à 50 pm et d'une épaisseur de l'ordre du pm (0,5 à 5 pm selon la technologie utilisée). Ce ruban conducteur est entouré d'un ou plusieurs conducteurs latéraux, supérieur ou inférieur constituant des plans de masse destinés à constituer avec le ruban conducteur une structure de type guide d'onde. Dans des technologies compatibles avec la réalisation de circuits intégrés électroniques, le ruban conducteur et les plans de masse sont constitués d'éléments de niveaux de métallisation formés au-dessus d'un substrat semiconducteur.

Un type de ligne de transmission particulièrement per-formant est décrit dans le brevet américain N° 6 950 590 dont la figure 4a est reproduite dans la figure 1 ci-jointe. Sur un substrat de silicium 128 revêtu de niveaux métalliques séparés par un isolant 127, est formé un plan de blindage inférieur 136 divisé en bandes parallèles de petite largeur, par exemple de l'ordre de 0,1 à 3 pm. Dans un niveau de métallisation plus élevé est formé un ruban conducteur central 122 constituant la ligne de transmission proprement dite, entouré de rubans latéraux de masse coplanaires 124, 126.

Des avantages et caractéristiques d'une telle ligne sont décrits en détail dans le brevet susmentionné. L'ensemble du ruban central 122 et des lignes de masse 124 et 126 étant coplanaire, cette structure est couramment appelée guide d'onde coplanaire et désignée par le sigle CPW (d'après les termes anglo-saxons CoPlanar Waveguide). En outre, comme cela est indiqué dans ce brevet, la structure constitue un guide à onde lente couramment désigné par le sigle S-CPW pour guide d'onde coplanaire à onde lente (Slow wave CoPlanar Waveguide). Dans une structure telle que celle de la figure 1, les dimensions des divers éléments sont optimisées pour obtenir, à une fréquence déterminée, des caractéristiques de phase données ainsi qu'une impédance caractéristique donnée. Il n'est pas possible de modifier ces caractéristiques une fois la ligne réalisée. Par exemple, il n'est pas possible de réaliser un déphaseur présentant un déphasage donné identique pour plusieurs B10411

3 fréquences différentes, ou un adaptateur d'impédance permettant d'adapter diverses impédances. Résumé Ainsi, la présente invention prévoit une ligne de transmission de type guide d'onde coplanaire particulièrement adaptée à une intégration sur des circuits intégrés microélectroniques, dans laquelle divers paramètres du guide d'onde sont ajustables pour optimiser le déphasage à une fréquence choisie et pour une impédance caractéristique choisie, et pour modifier les paramètres de la ligne afin de s'adapter à une fréquence de fonctionnement différente ou à une impédance caractéristique différente. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit une ligne de transmission haute fréquence comprenant un ruban conducteur associé à au moins un plan de blindage conducteur, dans laquelle au moins une partie de l'espace compris entre le plan de blindage et le ruban conducteur comprend un matériau ferroélectrique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la ligne est du type à guide d'onde coplanaire à onde lente comprenant deux rubans latéraux s'étendant de part et d'autre du ruban central. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau ferroélectrique s'étend sous tout ou partie du ruban 25 central et des rubans latéraux. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la ligne est associée à des moyens de polarisation sélective (Vbias) du ruban central et/ou des rubans latéraux. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 30 les rubans latéraux ont leurs parties centrales formées au-dessus d'évidements et sont associés à des moyens de déplacements électrostatiques latéraux. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que 35 d'autres seront exposés en détail dans la description suivante B10411

4 de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une reproduction de la figure 4a du brevet américain 6 950 590 ; les figures 2A, 2B et 2C sont respectivement une vue en coupe, une vue en perspective et une vue de dessus d'une ligne de transmission selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 3 est une vue en coupe d'une ligne de 10 transmission selon un autre mode de réalisation de la présente invention ; et les figures 4A et 4B sont une vue de dessus et une vue en coupe d'une ligne de transmission selon un mode de réalisation de la présente invention. 15 On notera que, de façon générale, comme cela est usuel dans la représentation des composants microélectroniques, les éléments des diverses figures ne sont pas tracés à l'échelle. Description détaillée Comme l'illustrent les figures 2A, 2B et 2C, sur un 20 substrat 1, par exemple un substrat semiconducteur, par exemple en silicium, sont formés des niveaux de métallisation séparés par un matériau isolant 2. Dans un niveau bas de métallisation, est formé un plan de blindage divisé en microbandes 4 analogue à la structure 136 de la figure 1. Au-dessus de ce niveau de 25 métallisation est formé un ruban de transmission central 6 analogue au ruban 122 et, de part et d'autre de ce ruban central, sont formés des rubans latéraux de masse 8 et 9 analogues aux rubans de masse 124 et 126 de la figure 1. Comme l'illustre la figure 2A, entre les rubans 6, 8, 30 9 et le plan de blindage 4 est disposé un matériau ferroélectri- que 10 (la couche de matériau ferroélectrique 10 n'a pas été représentée en figures 2B et 2C pour la simplicité de représen- tation). Un matériau ferroélectrique a généralement une constante diélectrique élevée, et cette constante diélectrique 35 peut passer à des valeurs bien supérieures si un champ élec- B10411

trique continu est appliqué. Par exemple, pour du BST (BaSrTi) d'une épaisseur de 300 nm, la constante diélectrique passe de 100 à 300 pour des tensions de polarisation variant de 20 à 50 volts. 5 On notera que la composante capacitive entre le ruban central 6 et les rubans transverses 8 et 9 est négligeable si on regarde les faces latérales en regard du ruban central 6 et des rubans latéraux 8 et 9. Ainsi, la composante capacitive entre le ruban central 6 et les rubans transverses 8 et 9 correspond pour l'essentiel à la capacité entre le ruban et le plan de blindage 4 et à la capacité entre le plan de masse et chacun des rubans latéraux 8 et 9. Si ces trois capacités ont une même valeur, Cw, la capacité d'ensemble sera égale à 2Cw/3. En fonction de la tension de polarisation, cette capacité d'ensemble pourra varier dans un facteur de l'ordre de 1 à 3. Pour appliquer une tension de polarisation transverse à la couche de matériau ferroélectrique 10, on pourra, comme cela est illustré en figure 2C, appliquer une tension Vbias à chacun des rubans latéraux et au ruban central. Pour éviter que cette connexion de polarisation interfère avec le signal RF appliqué au ruban central, on disposera une impédance entre la source de tension de polarisation et le ruban central, de préférence une inductance L mais éventuellement aussi une résistance de forte valeur.

D'un point de vue pratique, pour mettre en place la couche de matériau ferroélectrique 10, on pourra former l'ensemble des niveaux de métallisation séparés par des isolants généralement prévus comme métallisations d'interconnexion au-dessus d'un circuit intégré. Au niveau de la ligne de transmis- Sion, le plan de blindage 4 sera formé dans un niveau de métallisation inférieur, aucune métallisation ne sera formée au-dessus et la couche isolante 2 au-dessus du plan de blindage 4 pourra être gravée et remplie d'un matériau ferroélectrique avant de former les rubans métalliques 6, 8 et 9.

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6 En figure 2A, on a représenté la couche ferroélectrique 10 comme occupant tout l'intervalle entre le plan de blindage et les rubans conducteurs 6, 8 et 9. Cette réalisation est susceptible de nombreuses variantes. Par exemple, la couche ferroélectrique ne descend pas nécessairement jusqu'au plan de blindage inférieur et elle est éventuellement revêtue d'une couche d'interface avant le dépôt des rubans métalliques 6, 8 et 9. Une variante de réalisation de la couche ferroélec- trique 10 est représentée en figure 3. Dans cette variante, la couche ferroélectrique 10, au lieu d'être présente sous l'ensemble des rubans conducteurs est présente par portions seulement sous une partie de ces rubans conducteurs. Plus particulièrement, comme le montre la figure, une portion de matériau ferroélectrique 10A est disposée sous le ruban 6 et des portions de matériau ferroélectrique 10B et 10C sont formées sous les rubans 8 et 9. Selon d'autres variantes de réalisation, on pourra prévoir que le matériau ferroélectrique ne soit présent que sous le ruban central ou que sous les rubans latéraux. Ceci est susceptible de simplifier le circuit de commande de polarisation car il suffira alors d'appliquer une polarisation sur le ruban central ou sur les rubans latéraux. La variation de polarisation entre le ou les rubans 6, 8, 9 et le plan de blindage 4 aura pour effet principal de modifier la capacité équivalente Ceq de la ligne de transmission. Ceci entraîne une modification de l'impédance caractéristique Z = (Leq/Ceq)1i2 de la ligne, Leq étant l'inductance équivalente de la ligne. Corrélativement, la vitesse de phase du signal de propagation, v(p = 1/ (Leq.Ceq) 1i2, sera modifiée et il en résulte une modification de la longueur électrique de la ligne, 8 = 1(w/v(P) , où 1 représente la longueur physique de la ligne de transmission et w la fréquence angulaire du signal. On pourrait modifier continûment Ceq en appliquant des 35 différences de potentiel plus ou moins importantes entre le ou B10411

7 les rubans 6, 8, 9 et le plan de blindage 4. Toutefois, on pourra préférer agir par tout ou rien en appliquant des potentiels tels que la capacité équivalente prenne l'une ou l'autre de plusieurs valeurs prédéterminées.

Comme on l'a vu précédemment, la possibilité de modifier la capacité équivalente Ceq entraîne une possibilité de modification de l'impédance caractéristique de la ligne et de la vitesse de phase d'un signal dans la ligne. Toutefois, ceci ne permet pas de régler indépendamment ces deux paramètres. Pour permettre un réglage indépendant de l'impédance caractéristique et de la vitesse de phase, un mode de réalisation de la présente invention prévoit que la distance latérale entre les rubans de masse latéraux et le ruban central est réglable, ce qui a pour effet essentiel de modifier l'inductance équivalente Leq de la ligne. Un mode de réalisation d'une structure permettant d'obtenir ce réglage indépendant est illustré en figures 4A et 4B qui sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 4A. Les figures 4A et 4B seront décrites collectivement ci-après. La structure des figures 4A et 4B constitue une variante de celle décrite en relation avec les figures 2A à 2C. On retrouve le plan de blindage 4 et la ligne ruban centrale 6 encadrée des rubans de masse 8 et 9. Un matériau électrique 10A est disposé seulement sous le ruban central 6 entre ce ruban et le plan de blindage 4. Un évidement 18, 19 est formé sous chacun des rubans latéraux 8 et 9 pour que ces rubans puissent être déplacés latéralement sous l'effet d'une différence de tension entre eux et des électrodes latérales externes 21, 22. Les rubans latéraux 8 et 9 sont reliés à des plots 23-1, 23-2 et 24-1, 24-2 respectivement formés sur l'isolant 2 par des lamelles 25-1, 25-2 et 26-1, 26-2. Les lamelles 25-1, 25-2 et 26-1, 26-2 forment ressort et permettent un déplacement des rubans de masse 8 et 9 quand ils sont attirés par les électrodes externes 21, 22.

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8 Des systèmes de butée pourront être prévus pour limiter le déplacement des rubans latéraux et éviter un court-circuit entre ces rubans et les électrodes 21, 22 ou le conducteur central 6. Ces butées pourront par exemple être constituées de couches isolantes déposées sur les faces latérales des divers éléments. Lors du fonctionnement de la structure des figures 4A et 4B, une fois qu'une polarisation est appliquée, les rubans latéraux 8 et 9 se déplacent par rapport au ruban central. Cela a pour effet principal de modifier l'inductance équivalente Leq de la ligne de transmission. On peut ainsi régler indépendamment Leq et Ceq et donc Z et v(p. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art.

Divers moyens pourront être mis en oeuvre pour polariser le ruban central et les rubans latéraux par rapport au plan de blindage, et pour déplacer les rubans latéraux par rapport au ruban central. L'invention a été décrite dans le cadre d'un exemple particulier de son application à une structure de type S-CPW. Toutefois on comprendra qu'elle s'applique de façon générale à d'autres types de lignes de transmission à ruban dont les paramètres dépendent de la ou des distances entre ce ruban et divers plans de masse.

En ce qui concerne le déplacement latéral, diverses variantes pourront également être utilisées. En particulier, les électrodes d'attraction 21 et 22 et les rubans de masse 8, 9 pourront être couplés par des structures interdigitées. De plus, les lamelles formant ressorts 25-1, 25-2, 26-1, 26-2 pourront avoir diverses configurations, par exemple des formes en méandres. L'un des avantages de la structure décrite ici est qu'elle est bien compatible avec les techniques usuelles de formation de niveaux de métallisation généralement utilisées B10411

9 pour la réalisation d'interconnexions au dessus d'un circuit intégré microélectronique. Uniquement à titre d'exemple, et pour fixer les idées, on pourra choisir pour une ligne de transmission destinée à fonctionner à des fréquences voisines de 60 GHz les dimensions suivantes : - largeur des rubans et distance entre les rubans 6, 8, 9 : de l'ordre de 7 à 15 }gym, - distance verticale entre les niveaux de métallisation : de 10 l'ordre de 0, 5 à 2 }gym, - distance entre les rubans de masse 8 et 9 et les électrodes 21 et 22 : de l'ordre de 0,5 à 2 }gym. Avec ces valeurs on pourra commander le déplacement électrostatique des divers éléments avec des tensions ayant des 15 valeurs de l'ordre de la dizaine de volt et provoquer des variations des valeurs de capacité et d'inductance d'un facteur de l'ordre de 1,5 à 3. Diverses techniques pourront être mises en oeuvre pour réaliser une ligne de transmission telle que décrite ici. Par 20 exemple, en ce qui concerne la figure 4B, les évidements 18, 19 sous chacun des rubans latéraux 8 et 9 pourront être réalisés en formant sur la surface de la structure une couche sacrificielle avant de déposer les métallisations 6, 8 et 9 et en éliminant cette couche sacrificielle une fois les métallisations réali- 25 Sées. En outre, en ce qui concerne la structure de la figure 4B, on pourrait prévoir que la couche ferroélectrique ait une plus grande étendue et qu'elle soit recouverte d'une couche sacrificielle avant formation des conducteurs 6, 8, 9.

Claims

REVENDICATIONS1. Ligne de transmission haute fréquence comprenant un ruban (6) conducteur central associé à au moins un plan de blindage conducteur (4), dans laquelle au moins une partie de l'espace compris entre le plan conducteur et le ruban conducteur comprend un matériau ferroélectrique (10).
2. Ligne de transmission selon la revendication 1 du type à guide d'onde coplanaire à onde lente comprenant deux rubans latéraux (8, 9) s'étendant de part et d'autre du ruban central.
3. Ligne de transmission selon la revendication 2, dans laquelle le matériau ferroélectrique s'étend sous tout ou partie du ruban central et des rubans latéraux.
4. Ligne de transmission selon la revendication 3, associée à des moyens de polarisation sélective (Vbias) du ruban 15 central et/ou des rubans latéraux.
5. Ligne de transmission selon la revendication 2, dans laquelle les rubans latéraux ont leurs parties centrales formées au-dessus d'évidements et sont associés à des moyens de déplacements électrostatiques latéraux.