RF 회로 설계를 위한 실리콘 기판 커플링 모델링, 해석 및 기판 파라미터 추출

Abstract

이 논문에서는 실리콘 기판 등가 회로 모델과 새로운 모델 파라미터 추출 방법을 보인다. 등가 회로 모델을 해석함으로써 회로 블록 사이의 기판 커플링 특성을 고찰하고, 커플링의 크기를 회로 동작 주파수와 특성 주파수(시스템의 폴과 제로 주파수)를 사용하여 분석함으로써 기판 커플링의 물리적 특성을 정량적으로 해석하였다. 제안된 등가회로 모델과 모델 파라미터 추출 방법의 정확성과 타당성을 실험적으로 검증하기 위하여 표준 CMOS 공정을 사용하여 다양한 거리와 기판 저항, 그리고 가드링 구조를 갖는 테스트 패턴을 설계, 제작하고 100 MHz～20 GHz 주파수 영역에서 측정하였다. 그리고 실리콘 기판 등가 회로 모델을 사용하여 HSPICE를 사용하여 시뮬레이션하고 그 결과를 측정 결과와 비교함으로써 제안된 회로 모델과 파라미터 추출 방법의 정확성을 보였다. 따라서 등가 회로 모델과 파라미터 추출 방법은 정확한 혼성 신호 회로 디자인과 효과적인 시스템의 성능 검증에 유용하게 사용될 수 있다.

In this paper, equivalent circuit model and novel model parameter extraction method of a silicon(Si) substrate are presented. Substrate coupling through Si-substrate is quantitatively investigated by analyzing equivalent circuit with operating frequency and characteristic frequencies (i.e., pole and zero frequency) of a system. For the experimental verification of the equivalent circuit and parameter extraction method, test patterns are designed and fabricated in standard CMOS technology with various isolation distances, substrate resistivity, and guard-ring structures. Then, these are measured in 100MHz～20GHz frequency range by using vector network analyzer. It is shown that the equivalent-circuit-based HSPICE simulation results using extracted parameters have excellent agreement with the experimental results. Thus, the proposed equivalent circuit and parameter extraction methodology can be usefully employed in mixed-signal circuit design and verification of a circuit performance.