Design of patch filters for millimeter-wave applications in BiCMOS 55-nm technology

Conception de filtres patch pour applications en bande millimétrique en technologie BiCMOS 55 nm Cette thèse démontre la réalisation des premiers filtres de type patch en bande millimétrique au-delà de 50 GHz, en technologie intégrée BiCMOS 55 nm fournie par la société STMicroelectronics. Deux versions de Back-End-Of-Line ont été utilisées, offrant respectivement huit niveaux de métaux (8ML) et neuf niveaux de métaux (9ML). Les objectifs étaient de réaliser des filtres alliant performances et forte compacité afin de répondre aux besoins futurs de la 6ème génération de systèmes de télécommunication (6G). Plus précisément, un des objectifs était de réaliser des filtres et diplexer présentant des bandes passantes inférieures à 10% au-delà de 120 GHz. Grâce à l’excellente collaboration entre le laboratoire TIMA et la société STMicroelectronics, ainsi que l’aide précieuse de l’IEMN à Lille pour les phases de caractérisation RF, les objectifs ont été atteints, avec de nombreux filtres et diplexer réalisés entre 50 GHz et près de 300 GHz.Les technologies utilisées ont dans un premier temps été évaluées en termes de performances en extrayant le facteur de qualité non chargé, Q_u, de patchs élémentaires, ceci pour de nombreuses combinaisons de métaux offerts par le Back-End-Of-Line. Cela a permis d’effectuer un choix éclairé des métaux à utiliser pour les filtres.Afin de réduire la surface des patchs, de nombreuses techniques issues des filtres RF réalisas en technologie PCB ont été étudiées en technologie BiCMOS, afin de réduire la surface des patchs. Ces techniques concernent l’utilisation de vias, de fentes, et de charges capacitives afin de pouvoir généraliser une approche de conception basée sur des résonateurs multi-modes. Ces techniques nous ont conduit à développer de nouvelles méthodes de synthèses asynchrones afin de concevoir les filtres multi-modes souhaités. Des filtres multi-résonateurs couplés ont également été réalisés, afin d’améliorer la sélectivité, en utilisant une méthode de synthèse traditionnelle.L’implémentation et le layout des filtres est une phase clé très importante lorsque qu’il s’agit de gérer des circuits passifs en technologies avancées. En se basant sur les règles de dessin fournies par le fondeur (DRM pour « Design Rule Manuel »), les caractéristiques des métaux (layers et vias) ainsi que des diélectriques ont été extraites en amont de la synthèse. Une fois la synthèse réalisée, il s’est agit de considérer les règles de densité et de gérer l’ajout de dummies de manière judicieuse afin de ne pas impacter de manière trop forte les performances des filtres, cette étape nécessitant le recours intensif à la simulation électromagnétique 3D.Au final, les filtres réalisés et mesurés montrent pour certains des performances à l’état de l’art. En particulier, nous avons démontré qu’il était possible de réaliser des diplexer avec des filtres bande étroite (< 10%) présentant des pertes inférieures à 3 dB dans la bande.