In modem high performance digital system, the distribution of power and the suppression of noise are major design issue. As the CMOS technologies are advanced, the design of stable power distribution system becomes more difficult because of low noise margin diminished by the increased operating frequency and total power and the decreased supply voltage of the system. Major obstacle to the stable power distribution system is the simultaneous switching noise (SSN) introduced by the sudden current flow through the inductive power/ground system within very short time period. To suppress the SSN, power/ground network impedance should be kept low at all frequencies where current transients exist.
Until now, the discrete decoupling capacitors are usually adopted for the stable because it can provide low inductive current path to the system. In general, from the frequency of 100MHz, the power/ground impedance is dominated by its inductive nature. Therefore, as the clock frequency and its harmonics are increased over GHz frequency range, the discrete decoupling capacitor is no longer effective because of its inherent large inductance given by the capacitor itself, the mount pad, and the power/ground trace and via. In fact, there are continuous efforts to reduce the parasitic inductance of the capacitor itself such an inter-digitated capacitor (IDC), a low inductance chip capacitor (LICC), and a low inductance capacitor array (LICA). But, a large amount of inductance introduced by the mount-pad, the power/ground trace, and the power/ground via still exist and limit the decoupling performance at the high frequency range over GHz.
Thank to its low inductive property unlike a high inductive discrete decoupling capacitor, an embedded film capacitor becomes a promising component for the power distribution system of the future high performance system. It can provide very low inductive behavior given by removing the mount-pad and traces and reducing the length of the power/ground via, as well as low inductance of the embedded film capacitor itself due to small thickness.
In this research, we have successfully characterized the embedded film capacitor in terms of relative permittivity, power/ground impedance, simultaneous switching noise, and the radiated emission. We have identified the dielectric property of the embedded film capacitor by extracting the relative permittivity over few GHz with the rectangular cavity resonator. We have successfully demonstrated the superior performance of the embedded film capacitor by measurement in terms of the power/ground impedance over GHZ range. Also, we have investigated the effect of the embedded film capacitor on the power distribution system with respect to different film thickness, different dielectric constant, and different via distribution. To ensure the accurate measurement of the power/ground impedance, we have adopted two-port self-impedance measurement technique.
In conclusion, because the inductive behavior dominates the power/ground impedance over hundred megahertz range, the embedded capacitor arises as the promising component for high-speed and high-current digital system due to its low inductive property.
최근의 고성능 초고속 디지털 시스템에서 전력의 적절한 분배와 그에 따른 잡음의 억제는 매우 중요한 설계 이슈가 되고 있다. CMOS 기술의 발전은 전체 시스템의 동작 주파수의 증가와, 전력 소모량의 증가 그리고 전원 전압의 감소를 가져 왔으며, 이에 따라 안정적인 전력선의 설계는 점점 더 어려워 지고 있는 실정이다. 특히, 여러 개의 출력 구동회로가 짧은 시간 동안 동시에 동작함에 따라 발생하는 Simultaneous Switching Noise (SSN)은 이러한 안정적인 전력선 설계의 큰 장애 요소가 되고 있다. 이러한 SSN을 감쇠 시키기 위해서 전력/접지 네트워크 임피던스는 충분히 작은 값을 유지 하여야 한다.
지금까지, 혹은 현재도 전력선의 안정화를 위하여 가장 많이 사용되고 있는 방법은 디스크리트 디커플링 커패시터를 전력/접지 사이에 설치하여, 고주파 전류의 원활한 흐름을 만들어 주는 것이다. 그러나, 일반적으로 100MHz 이상의 주파수에서 전력/접지 임피던스는 인덕티브한 특성을 보이게 된다. 따라서, 디스크리트 디커플링 커패시터 자체와 그것을 설치하기 위한 부가적인 구조물에 의한 상당히 큰 인덕턴스 때문에, GHz 영역의 고주파 영역에서는 아무런 역할을 하지 못한다. 현재까지, 이러한 한계를 극복하기 위하여 커패시터 자체의 인덕턴스를 줄이기 위한 노력이 많이 있어 왔으나, 커패시터 설치를 위한 구조물의 인덕턴스가 여전히 존재 하기 때문에, 그 한계가 쉽게 극복되지 않고 있다.
이러한 디스크리트 소자와는 달리 매우 낮은 인덕턴스를 가지는 내장형 박막커패시터가 미래의 고성능 디지털 시스템의 안정적인 전력분배를 가져다 줄 수 있는 소자로 부상하고 있다. 내장형 박막 커패시터는 그것을 설치하기 위한 마운트 패드나 폭이 좁은 선 등이 필요치 않기 때문에, 매우 낮은 인덕턴스를 제공할 수 있다.
본 연구에서는 이러한 내장형 박막 커패시터의 특성을 고주파 유전상수, 전력/접지 임피던스, SSN의 발생량, 그리고 전자파 발생량의 관점에서 성공적으로 검증 하였다. 수 GHz에 이르는 주파수 영역까지의 상대 유전율을 Cavity Resonator를 사용하여 측정함으로써, 내장형 박막 커패시터에 사용된 유전체의 특성을 파악하였다. 또한, 내장형 박막 커패시터의 GHz 이상 주파수에서의 우수한 성능을 전력/접지 임피던스를 측정함으로써 증명하였으며, 이러한 내장형 박막 커패시터의 두께와, 유전상수, 그리고 비아의 분포 등이 전체 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 정확한 측정을 위하여 두 개의 포트를 이용한 자기-임피던스 측정 방법을 적용하였다.
결론적으로, 수백 MHz 이상 영역에서의 전력/접지 임피던스는 그것이 가지는 인덕티브한 특성에 의해 결정되며, 따라서, 매우 작은 인덕티브 특성을 가지는 내장형 박막 커패시터는 초고속, 고성능 디지털 시스템에서 빠져서는 안 되는 중요한 소자로 각광 받을 것으로 기대된다.
