Thesis defence

Thesis defence of Mohammed WEHBI (RMS team): Design of patch filters for millimeter-wave applications in BiCMOS 55-nm technology

on the 6 March 2023
06/03/2023 - 14:00
Mohammed WEHBI - RMS team
Composition of the jury
Philippe FERRARI - Thesis Director - Full professor - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP) - TIMA Laboratory (France)
Cédric QUENDO - Rapporteur - Full professor - Université de Bretagne Occidentale Technopole Brest-Iroise (France)
Serge VERDEYME - Rapporteur - Full professor - Université de Limoges (France)
Anne-Laure FRANC - Examinator - Associate professor - Toulouse Institute of Technology (Toulouse INP)
Florence PODEVIN - Examinator - Full professor - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP) - TIMA Laboratory (France)
Cédric DURAND - Examinator - Doctor in Sciences - STMicroelectronics (France)

Design of patch filters for millimeter-wave applications in BiCMOS 55-nm technology
Keywords: microwaves, filters, BiCMOS, millimeter-waves

This dissertation introduces the first patch filter design at mm-waves band above 50 GHz, using the BiCMOS 55-nm integrated circuit technology that is provided by STmicroelectronics. The two versions of BiCMOS55 (8 Metal Layers (8ML) and 9ML EVO), are exploited in order to gain space in comparison between different filter designs performance. The aim is to design the first narrow-band dual-mode bandpass patch filter targeting frequencies above 120 GHz with 10% of fractional bandwidth. Thanks to the framework collaboration between TIMA Laboratory and STMicroelectronics, that allowed the availability of participating in different realization tapeout runs in order to design and implement several original 2nd order and dual-band patch-like filters targeting frequencies at 50 GHz, 60 GHz, 90 GHz, 200 GHz and 270 GHz. Since, the potentiality of the technology is not yet known for patch resonators, the unloaded quality factor Q_u is extracted and compared for all different metal/oxide layer substrates from the BACK-END-OF-LINE (BEOL). Then, based on the extracted information, the suitable layers are chosen. Since it is very important to have compact patch filter, a deep analysis of using grounded vias with patch resonators has encountered to understand its influence on size reduction and fundamental resonance modes. Grounded vias are used with antennas for modes suppression, but it is barely used with filters. This has led us to newly developing its synthesis methodology in order to design the asynchronous narrowband dual-mode bandpass filter. Moreover, filters with cascaded coupling scheme are conducted while using the traditional synthesis approach. Implementation or layout scheme of the designed filters is pivotal in this work flow. Based on the design rule manual (DRM) provided by the manufacturer, the characteristics of the oxide layers along with the conductivity of the metal layers and other elements, such as vias, are extracted. Due to the strict and picky design rules, especially for the Min/Max metal dimensions and surface metal densities, post-layout simulation is required to compensate their influence on the intended filter.

Conception de filtres patch pour applications en bande millimétrique en technologie BiCMOS 55 nm
Mots-clés : micro-ondes, filtres, BiCMOS, bande millimétrique

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.

Location

Grenoble INP - Viallet site - Amphi Barbillion

The defence will also be available via Zoom
https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/91048431571?pwd=dDJqZ1FydEVma1NTbkYvQVg4Q2Rsdz09
Mis à jour le 5 October 2022