CN101017816A

CN101017816A - 具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法

Info

Publication number: CN101017816A
Application number: CN 200710037615
Authority: CN
Inventors: 王勇; 石艳玲; 陈寿面; 赵宇航
Original assignee: East China Normal University; Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd; East China Normal University
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2007-08-15

Abstract

本发明提供一种具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，涉及集成电路制造技术。现有的片上螺旋电感设计方法没有考虑两金属导体间距变化对电感性能的影响，难以提供低R_s值、高Q值的螺旋电感。本发明的设计方法，采用以下公式计算片上螺旋电感每一圈金属导体的线宽w_n及相邻两圈金属导体的间距s_n：当N为奇数时，w_N+w₁＝w_N－1+w₂＝...＝2w_(N+1)/2＝2w，s_N－1+s₁＝s_N－2+s₂＝...＝s_(N+1)/2+s_(N－1)/2＝2s；当N为偶数时，w_N+w₁＝w_N－1+w₂＝...＝w_(N/2)+1+w_N/2＝2w，s_N－1+s₁＝s_N－2+s₂＝...＝2s_N/2＝2s；且w_n+1＞w_n，s_n+1＞s_n。采用本发明的设计方法能降低片上螺旋电感在高频时产生的涡流效应和临近效应，使串联等效电阻下降，从而减小能量损耗。

Description

具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术，尤其涉及集成电路芯片的片上螺旋电感的设计方法。

背景技术

在CMOS射频集成电路(RFIC)的发展中，最迫切和最困难的是要生产出高性能的新器件和新的单元电路，它们是实现单片CMOS集成射频前端的基础。片上螺旋电感作为射频集成电路中的关键元件，在射频前端的各个模块中均有广泛的应用，如射频预选回路、低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)以及LC回路等模块，也是电路中最难设计和掌握的元件，它的性能参数直接影响着射频集成电路的性能。片上螺旋电感能实现射频集成电路中电感的集成化问题，从而有助于射频集成电路的片上系统实现。

近年来随着移动通信向小型化、低功耗化发展，对单片RFIC的需求日益增加，片上螺旋电感成为了国内外研究的热点。其中很大一部份是研究如何降低片上螺旋电感衬底损耗的方法，如使用离子注入或制作多孔硅层等方法实现选择性形成半绝缘硅衬底，或在电感线圈和硅衬底之间插入图形式接地屏蔽层，或在硅衬底中形成PN结隔离以减少衬底损耗等。而对片上螺旋电感的金属导体损耗研究得较少，特别是对版图优化的方法。

通常人们使用线宽不变的金属导体来制作片上螺旋电感，在这种电感中，通过最内圈金属导体的磁感应强度为最大，进而产生涡流损耗的影响也是最大的。根据这一点，人们提出了最大中空结构的版图布局，但这还不是提高电感品质因子Q的最优方案。后来人们又提出了优化电感版图的方法来提高电感品质因子Q。如IEEE报道，2000年Jose M Lopez-Villegas等人提出一种金属导体线宽可变的算法，对金属导体线宽进行优化，以提高电感的品质因子Q值。而在其所给出的方法中，只涉及到金属线宽，没有考虑两金属导体间距变化对电感性能的影响。

事实上，当两相邻金属导体间距不同时，它们之间所受到的磁场作用是不一样的，该磁场作用将改变金属导体的电流分布。间距越小时，磁场相互作用越强烈，这将导致金属导体中的电流密度更加的不均匀，使得金属导体串联电阻R_s变大，从而影响电感的品质因子Q值下降；另外，在电感其它参数不变的情况下，如果两金属导体的间距变大，金属导体的总长度将变大，且内径变小，这也将使得金属导体串联电阻R_s进一步增大，从而也影响电感的品质因子Q值下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，以实现片上螺旋电感的渐变结构，通过该结构来降低片上螺旋电感在高频时产生的涡流效应和临近效应，使串联等效电阻下降，从而减小能量损耗。

为了达到上述的目的，本发明提供一种具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，所述的片上螺旋电感包括衬底及形成在衬底上的金属导体线圈，所述金属导体线圈的总圈数为N，所述每一圈金属导体的线宽w_n(n＝1，2，...，N)及相邻两圈金属导体的间距s_n(n＝1，2，...，N-1)根据下列公式计算：

当N为奇数时，w_N+w₁＝w_N-1+w₂＝w_N-2+w₃＝...＝2w_(N+1)/2＝2w，

且w_n+1＞w_n，n＝1，2，...，N-1；

s_N-1+s₁＝s_N-2+s₂＝s_N-3+s₃＝…＝s_(N+1)/2+s_(N-1)/2＝2s，

且s_n+1＞s_n，n＝1，2，...，N-2；

当N为偶数时，w_N+w₁＝w_N-1+w₂＝w_N-2+w₃＝…＝w_(N/2)+1+w_N/2＝2w，

且w_n+1＞w_n，n＝1，2，...，N－1；

s_N-1+s₁＝s_N-2+s₂＝s_N-3+s₃＝...＝2s_N/2＝2s，

且s_n+1＞s_n，n＝1，2，...，N-2；

其中，w_N和w₁分别为最外圈和最内圈的金属导体线宽，s_N-1和s₁分别为最外圈线圈与它相邻线圈之间的间距和最内圈线圈与它相邻线圈之间的间距；w和s为常数，分别表示固定金属导体线宽和间距。

在上述的设计方法中，固定金属导体线宽w和间距s的值分别由片上螺旋电感的工艺尺寸和电感值确定。

在上述的设计方法中，从内圈到外圈，金属导体的线宽w_n及间距s_n的数值呈均匀递增。

在上述的设计方法中，第n圈金属导体的线宽w_n与第n和第n-1圈金属导体的间距s_n-1的比值介于1到2.5之间。

在上述的设计方法中，所述金属导体的线宽w_n，其数值大小介于80纳米到35微米；金属导体的间距s_n，其数值大小介于80纳米到35微米。

本发明的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，基于对片上螺旋电感多种损耗机制的分析，对磁感应强度最大的内圈导体，采用宽度最窄的金属线；对欧姆损耗最主要的外圈导体，采用宽度最宽的金属线，且从内到外，金属线宽依次增大；同时，考虑到两金属导体间距变化对电感性能的影响，本发明对导体间距也采用从内到外逐渐增大的设计。采用上述设计方法后，其片上螺旋电感在高频时涡流效应和临近效应影响降低，使得串联等效电阻Rs下降，从而使其能量损耗更小。采用此种设计方法，在电感L值基本不变的情况下，可使得片上螺旋电感的Q值达到最大化，且制备工艺与常规的CMOS工艺兼容。

附图说明

通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为本发明一具体实施例的金属导体线圈的结构俯视图。

具体实施方式

以下将对本发明的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法作进一步的详细描述。

本发明所要设计的片上螺旋电感，包括衬底及形成在衬底上的具有渐变金属导体线宽及间距的金属导体线圈，该金属导体线圈从内圈到外圈，其每一圈金属导体的线宽逐渐增加，且相邻两圈金属导体的间距也逐渐增加。假定金属导体线圈的圈数为N，从内圈到外圈依次标号为1，2，...，N，且以w_n(n＝1，2，...，N)表示任一圈金属导体的线宽，以s_n(n＝1，2，...，N-1)表示任意相邻两圈金属导体的间距，则w_n和s_n的取值满足下列公式：

且w_n+1＞w_n，n＝1，2，...，N-1；

s_N-1+s₁＝s_N-2+s₂＝s_N-3+s₃＝...＝s_(N+1)/2+s_(N-1)/2＝2s，

且s_n+1＞s_n，n＝1，2，...，N-2；

当N为偶数时，w_N+w₁＝w_N-1+w₂＝w_N-2+w₃＝...＝w_(N/2)+1+w_N/2＝2w，

且w_n+1＞w_n，n＝1，2，...，N－1；

s_N-1+s₁＝s_N-2+s₂＝s_N-3+s₃＝...＝2s_N/2＝2s，

且s_n+1＞s_n，n＝1，2，...，N-2；

考虑到金属导体间距与磁场作用及串联等效电阻Rs的关系，相邻两圈金属导体的间距不应大于该两圈金属导体中任一圈的线宽。较佳地，对于任意的n(n＝1，2，...，N)，线宽w_n与间距s_n-1的比值应处于1到2.5之间。大量的仿真结果表明，当比值符合上述条件时，可以有效地提高金属导体线圈的性能。

针对上述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感结构，本发明提供了如下的设计方案：

首先，根据片上螺旋电感的应用，确定衬底材料和金属导体材料，并进一步确定平面特性以及结构形式。衬底材料可选自硅(高阻硅或低阻硅)、砷化镓、石英、绝缘体上硅(SOI)、锗、磷化铟或镓化铟；金属导体材料可选用铜、铝、金、镍、铬、钴、钛、钽或上述金属的合金。片上螺旋电感的金属导体可以是等平面的，也可以是非等平面的；片上螺旋电感的结构可以是正四边形、正六边形、正八边形、正十二边形、正十六边形、正三十二边形、圆形、菱形或椭圆形。

接着，根据所要求设计的片上螺旋电感的电感量及工艺尺寸，确定电感的金属线圈圈数N和外径D_out。金属线圈圈数N可以是2圈至100圈，螺旋电感外径D_out的数值大小可以由10微米至1毫米。

然后，根据工艺尺寸和电感值，确定金属导体的厚度，以及固定金属导体线宽w和间距s的值。

最后，根据前述公式计算每一圈金属导体的线宽w_n(n＝1，2，...，N)及相邻两圈金属导体的间距s_n(n＝1，2，...，N-1)，并在制造相应金属层时完成片上螺旋电感的制作。

图1为采用上述方法设计的片上螺旋电感的金属导体线圈的结构俯视图。于本实施例中，衬底材料选用高阻硅，金属导体材料选用金，平面特性为等平面，并采用方形电感结构。螺旋电感的金属导体厚度选用2μm，金属线圈圈数N选用7圈，电感外径D_out选用90μm，固定金属导体线宽w和间距s的值分别设定为2.5μm和1.5μm。为了方便数据设计，本实施例采用了等差分布的线宽w_n，以及大致上呈均匀递增的间距s_n，并使得w_n和s_n的值符合上述公式，得到一组设计数据如下：片上螺旋电感从内到外每圈金属导体的线宽w_n分别为1μm，1.5μm，2μm，2.5μm，3μm，3.5μm和4μm；而从内到外线圈间的间距s_n分别为0.9μm，1.14μm，1.38μm，1.62μm，1.86μm和2.1μm。

于本发明的另一实施例中，片上螺旋电感的线圈圈数N选用4圈，电感外径D_out选用400μm，固定金属导体线宽w和间距s分别是20μm和10μm，则片上螺旋电感从内到外每圈的金属线宽w_n可设计为10μm，16μm，24μm和30μm；从内到外线圈间的间距s_n可设计为8μm，10μm和12μm。

于本发明的又一实施例中，片上螺旋电感的线圈圈数N选用9圈，电感外径D_out选用30μm，固定金属导体线宽w和间距s分别是0.35μm和0.2μm，则片上螺旋电感从内到外每圈的金属线宽w_n可设计为0.2μm，0.24μm，0.28μm，0.32μm，0.35μm，0.38μm，0.42μm，0.46μm和0.5μm；从内到外线圈间的间距s_n可设计为0.1μm，0.13μm，0.16μm，0.19μm，0.21μm，0.24μm，0.27μm和0.3μm。

通过对上述优选实施例进行一系列的性能仿真，从仿真结果可知，采用本发明的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法能够有效提高螺旋电感的性能。金属导体线宽w_n和间距s_n的设计可以遵循均匀递增的原则，也可以配合制造工艺的可行性，采用非均匀递增的设计数据，两种情况下，均能获得较佳的性能值。根据工艺要求，并配合相应的线圈圈数N和电感外径D_out，本发明能够设计出金属线圈宽度w_n、金属线圈间距s_n数值大小在80纳米到35微米范围内的各类片上螺旋电感，具有广泛的应用价值。

Claims

1、一种具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，所述的片上螺旋电感包括衬底及形成在衬底上的金属导体线圈，所述金属导体线圈的总圈数为N，其特征在于，所述每一圈金属导体的线宽w_n(n＝1，2，...，N)及相邻两圈金属导体的间距s_n(n＝1，2，...，N-1)由下列公式计算：

当N为奇数时，w_N+w₁＝w_N-1+w₂＝w_N-2+w₃＝...＝2w_(N-1)/2＝2w，

且w_n+1＞w_n，n＝1，2，...，N-1；

s_N-1+s₁＝s_N-2+s₂＝s_N-3+s₃＝...＝s_(N+1)/2+s_(N-1)/2＝2s，

且s_n+1＞s_n，n＝1，2，...，N-2；

且w_n+1＞w_n，n＝1，2，...，N-1；

s_N-1+s₁＝s_N-2+s₂＝s_N-3+s₃＝...＝2s_N/2＝2s，

且s_n+1＞s_n，n＝1，2，...，N-2；

2、如权利要求1所述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，其特征在于：固定金属导体线宽w和间距s的值由片上螺旋电感的工艺尺寸和电感值确定。

3、如权利要求1所述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，其特征在于：从内圈到外圈，金属导体的线宽w_n及间距s_n的数值呈均匀递增。

4、如权利要求1所述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，其特征在于：第n圈金属导体的线宽w_n与第n和第n-1圈金属导体的间距s_n-1的比值介于1到2.5之间。

5、如权利要求1所述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，其特征在于：所述金属导体的线宽w_n，其数值大小介于80纳米到35微米；金属导体的间距s_n，其数值大小介于80纳米到35微米。

6、如权利要求1所述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：根据片上螺旋电感的电感值确定电感的金属导体线圈圈数N和外径。

7、如权利要求6所述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，其特征在于：所述片上螺旋电感的圈数N介于2圈至100圈。

8、如权利要求6所述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，其特征在于：所述片上螺旋电感的外径介于10微米至1毫米。

9、如权利要求1所述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：根据片上螺旋电感的应用确定衬底材料、金属导体材料、电感平面特性及结构形式。

10、如权利要求1所述的具有渐变金属导体线宽及间距的片上螺旋电感的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：根据工艺尺寸确定金属导体的厚度。