硅衬底CMOS射频集成电路中金属厚度对平面螺旋电感Q值的影响

硅衬底CMOS射频集成电路中金属厚度对平面螺旋电感Q值的影响

第11卷第5期2005

年10月

上海大学学报(自然科学版)

JOURNALOFSHANGHAIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)

Vol.11No.5Oct.2005

　　文章编号:100722861(2005)0520455205

硅衬底CMOS射频集成电路中金属厚度对

平面螺旋电感Q值的影响

陈雪芳,　程东方,　杨文荣

1

2

2

(1.上海大学理学院,上海200444;2.上海大学,摘要:该文着重分析金属线厚度对Q值的影响.5、10和20μm,并用AnsoftHFSS软件进行FEM(finite).,金属线厚度对电感Q值的影响在很大.μm时,通过进一步增加金属线厚度来改善Q值仍是可能的.

关键词:;;串联电阻;Q值;RF集成电路中图分类号:T4　　　文献标识码:A

EffectofMetalThicknessonQualityFactorofPlanarSpiralInductorsinSi2basedCMOSRFICs

CHENXue2fang,　CHENGDong2fang,　YANGWen2rong

1

2

2

(1.SchoolofSciences,ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China;2.MicroelectronicR&DCenter,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

Abstract:Theeffectofmetalthicknessonthequalityfactorofplanarspiralinductorsissimulatedandanalyzed.Threetypesofinductorswithmetalthicknessof5～20μmweredesignedandsimulatedbyFEMusingAnsoftHFSS.ItisshownthatthemetalthicknesseffectontheQ2factordependsonthediameteroftheinnermostturninaplanarspiralinductor.ThereforeitispossibletofurtherimproveQ2factorsbyincreasingthemetalthicknessbeyond10μm.

Keywords:planarspiralinductor;metalthickness;seriesresistance;Qvalue;RFIC

　　在CMOS射频集成电路(RFIC)中,制作高Q值

的无源器件非常重要,尤其是平面螺旋电感是无源器件中最难集成的元件.使用高Q值的电感,可以提高RF模块电路的可靠性和电路设计的效率,但在CMOS工艺上实现足够高Q值的电感是一大难题.原因来自于两个方面:(1)CMOS工艺采用的低阻衬底在高频时产生寄生电容效应和寄生电阻效

应;(2)用于制作电感的金属线本身的电阻带来损耗.为提高集成电感的Q值,已经进行了大量的研究工作,有很多文献提出了解决这些问题的方案.针对第一个问题的方案有:采用低损耗衬底,增加氧化层的厚度,在衬底形成一定深度间隔的pn结隔离等.针对第二个问题的方案有:采用低电阻率的金属(例如铜、金)制作电感,增加金属线厚度以减小串联

收稿日期:2004208230　通信作者:程东方(1952～),男,副教授,研究方向为微电子与固体电子学.E2mail:chengdf@http://www.77cn.com.cn

硅衬底CMOS射频集成电路中金属厚度对平面螺旋电感Q值的影响

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　　　　上海大学学报(自然科学版)第11卷　

电阻,采用多层布线技术等.还有一些采用优化版图

的手段来提高Q值,如:采用多边形甚至圆形的螺旋电感以减小电阻损耗,减小平面螺旋电感的圈数等办法实现高Q值的电感.

本文着重分析金属线的厚度对平面螺旋电感

Q值的影响.因为金属线厚度增加会减小串联电

Cox1=Cox2=Csi1=C

si2=Rsi1=Rsi2=

ε l W,2

tox l W Csub,2

l W Gsub

(3)(4)(5)

.

阻,所以金属层厚度的增加对提高电感的品质因数非常有效.关于金属线的厚度对品质因数的影响,过

[2,3]

去已经作了大量的研究,但大多都集中在几个微

[3,4]

米的范围内.有研究表明,当金属厚度达到10μm左右,Q值变化会达到一种饱和状态.这个结论是在仅仅考虑趋肤效应影响的情况下得到的.实际上,当金属线厚度增加到一定程度,]

.5、10、20μm,和m两种;并且采用AnsoftHFSSFEM的仿真.仿真的结果表

其中:ρ为金属的导电率,l为金属线的总长度,W

为金属线的总宽度,δ为趋肤深度,t为金属层厚度,n为线圈匝数,εox,tox为氧化层的厚度,Csub,Gsub为衬明:在同时考虑趋肤效应和邻近效应的情况下,金属

线厚度对Q值的影响在很大程度上取决于电感内径的大小.因此在适当的条件下当金属线厚度超过10μm时再增加金属线厚度仍可以进一步改善

Q值.

图1(a)　平面螺旋电感的平面图

Fig.1(a)　Planviewsofaspiralinductor

1　品质因数(Q)的理论模型

1.1　螺旋电感的物理模型

图1(b)　平面螺旋电感的物理模型

Fig.1(b)　Physicalmodelofaspiralinductor

平面螺旋电感一般由CMOS或BiCMOS工艺中的多层金属来实现,其中一层用作电感线圈,另一层用作引出线.图1(a)为它的平面图:S为金属条间距,W为金属线宽度,Din为电感的内径,Dout为电感的外径,N为线圈数.在高频时,由于涡流效应和硅衬底损耗,电感在储存磁场能量的同时,还通过欧姆损耗消耗能量的寄生电阻和储存电场能量的寄生电容,这些电阻和电容值称为寄生参数.斯坦福大学的C.PatrickYue等在文献[2]中提出了集成电感的集总参数物理模型,如图1(b)所示.图中L和R为金属连线的串联电感和电阻,Cm为金属层间的电容,

Cox1和Cox2是金属连线和衬底间的寄生电容,Rsi1、Rsi2和Csi1、Csi2分别为衬底本身的寄生电阻和寄生

1.2　Q表达式的提取

根据Q值的定义式,再将以上电感的物理模型

进行适当的简化以便于Q值的计算,就可以得到Q

[1]

值的表达式.品质因数Q的定义式如(6)式所示:

Q电感=.(6)

一个周期内的能量损耗

(8)式决定[1]:电场峰值能和磁场峰值能分别由(7)、

2

V0(Cm+Cp)

(7)　　E电场峰值能=,

2×L

(8)

　　E磁场峰值能=22.

2[(ωL)+R]

[1]

一个周期内的能量损耗为:

E一个周期损耗的能量=

电容,并且还给出了各个参数的计算公式如下:

ρ(1)R=δ,-tΠ

δ (1-e)W

Cm=n W,

toxM1-M2

2

ω2

Rp

+

22

(ωL)+R

,(9)

其中:

Rp=

2

ω2CoxRsi

ε(2)

()

+,2

Cox

2

(10)

硅衬底CMOS射频集成电路中金属厚度对平面螺旋电感Q值的影响

22

ω()Cp=Cox222.

1+ω(Cox+Csi)Rsi

(11)

V0为通过电感端口的峰值电压.将(7)～(9)式代入

(6)式可得:

Q=

ωR

2

R×　　2

Rp+[(ωLΠR)+1]R

()2

1--ωL(Cm+Cp

).

L

(12)

(12)式表明Q值由等式右边的三项因子决定,其

中:第一项表征存储的磁场能和串联电阻上的能量损耗;第二项表征衬底损耗因素,即在半导体衬底上的能量损耗;第三项表征自谐振因素,场能随频率上升而造成Q值的下降,时的Q为零,静磁场能输出,1.3　Q值的途径

文献[2,7]中都给出了研究的结果.通过查找大量的

资料发现,以往的研究,金属线厚度大部分都集中在几个微米的范围内.文献[3,4]的研究还表明:当金属线厚度达到或超过10μm,Q值变化达到一种饱和状态.但是我们设计的电感的仿真结果(图2(a))表明:如果电感的内径比较大,当金属线厚度超过10μm后,Q值仍随金属线厚度的增加而增大.研究发现,以往的结果是在仅仅考虑了趋肤效应对串联电阻的影响得出的.但是,[2]的研究,当金10,本文将结.

2.1　电感的设计

Q的表达式(12)可以看出,集成螺旋电感的损耗大致来源于三方面:一 …… 此处隐藏：7293字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……