CN102156792A - 片上电感集总模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型片上电感集总模型，所述片上电感集总模型在传统单π电感模型的电感部分接入了并联的R0和L0，表征趋肤效应和邻近效应；在衬底部分接入了并联的Rsub和Csub，表征衬底的电磁损耗。本发明片上电感集总模型与传统单π模型相比，因其同时考虑了趋肤效应和邻近效应及衬底的电磁损耗，在自谐振频率范围内可以更加精确地模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上螺旋电感。
Description
技术领域
本发明属于集成电路领域，涉及一种片上螺旋电感等效模型的建立，特别涉及一种在自谐振频率范围内能精确模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上电感集总模型。
背景技术
在CMOS射频集成电路（RFIC）发展中，片上螺旋电感以其噪声小，成本低和易于集成等优点已经部分取代分立电感，成为射频集成电路中的关键元件，并被广泛应用于滤波器，LNA以及VCO电路，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。
品质因数Q是描述电感性能最重要的参数之一。减小电感的趋肤效应、邻近效应及衬底的电磁损耗是在高频下提升电感Q值的重要途径。因此，可以从电感结构和衬底两方面进行优化提高Q值。在电感结构方面，为减小趋肤效应和邻近效应，研究人员提出了许多新颖的电感结构，其中包括渐变结构，差分结构以及叠层结构等。在衬底方面，为减小衬底损耗，研究人员采用了新的衬底材料和衬底结构，其中包括高阻硅衬底、SOI衬底、石英衬底、锗硅衬底、衬底pn结隔离等。
片上螺旋电感模型要求在较宽频带内准确模拟电路性能，完整地描述电感性能，并且模型参数在考虑各种高频集成效应的同时应与频率无关。近年来，国内外研究人员提出了多种电感模型，如单π物理模型、双π物理模型、T型物理模型。这些模型部分考虑了电感的涡流效应、趋肤效应、邻近效应和寄生电容等。以传统单π物理模型为例，参考图12，传统单π模型由片上电感的寄生电容和电阻组成的串联和并联支路构成。串联支路（即电感部分）由电感自身的物理量组成，模型参数中Ls表示片上电感的电感量，Rs表示电感的串联电阻，Cs表示电感线圈内部间的边缘电容。两条对称的并联支路（即衬底部分）由衬底的寄生参量构成，模拟了衬底的损耗。 
ox1和Cox2表示电感部分和衬底部分间的耦合电容，Rsi和Csi表示衬底部分的电阻和电容。传统单π模型适用的工作频率低，在高频范围下，并不能准确模拟电感线圈的趋肤效应、邻近效应以及衬底的电磁损耗。
随着工艺精度不断提高，片上螺旋电感的尺寸不断变小，对电感建模的精度要求也不断提高，因此，需要考虑各类效应对电感性能的影响，并根据实际情况对电感现有模型进行必要的修正。有的强调了邻近效应和衬底涡流的影响，对单π模型进行改进；有的提出差分电感模型；有的分析研究了温度和频率与衬底涡流的关系，建立了改进型电感模型；有的研究了由下层金属引线和中心连接引起的差分电感的不对称性从而产生的寄生效应对电感性能的影响；此外，还有衬底损耗模型、宽带模型等各种针对不同效应、不同结构的新型电感模型。
上述的电感模型中，从单π模型到T型模型到考虑各种损耗的新型模型，其等效电路越来越复杂，参数提取也越来越困难，同时对于电感在结构上的变化对模型的影响未作更多的研究。而且上述模型大多是基于硅衬底上螺旋电感，并未涉及渐变结构的电感及SOI等衬底上电感，因此限制了电感模型在射频集成电路中的应用。
由上可见，建立一种在一定范围内能精确模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上电感集总模型是非常必要的。
发明内容
本发明是旨在解决现有的片上电感集总模型由于没有考虑不同电感结构和不同衬底材料的情况，进而导致不能精确完整地模拟电感性能的问题。
本发明提供一种新型片上电感集总模型，其特征在于，所述片上电感集总模型在传统单π模型的的电感部分接入了并联的R0和L0，表征趋肤效应和邻近效应；在所述传统单π模型的衬底部分接入了并联的Rsub和Csub，表征衬底的电磁损耗，使所述片上电感集总模型在自谐振频率范围内更加精确地模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上螺旋电感。
其中，根据所述片上电感集总模型的连接方式，所述电感部分的串联电阻R(ω)和串联电感L(ω)分别由以下公式决定：
ω为电感元件工作角频率，当ω→0时，
DC=R1，LDC=L1+L0；当 ω→∞时，RHF=R1+R0， LHF=L1。RDC和LDC表示低频下电感元件的串联电阻和串联电感，RHF和LHF表示高频下电感元件的串联电阻和串联电感。由此可见，R1表示电感的低频串联电阻，L1表示电感的高频串联电感。
其中，Rsub和Csub代表衬底损耗对所述片上螺旋电感的影响，基于具有不同衬底的所述片上螺旋电感，Rsub和Csub具有不同的值。
其中，所述电感部分还包括与R1、L1及R0和L0并联连接的Cs，Cs表示电感线圈内部间的边缘电容；所述电感部分和所述衬底部分通过
ox1和Cox2连接，
ox1和Cox2表示电感和衬底间的耦合电容，由于两个端口非对称，
ox1≠Cox2。
其中，所述衬底部分包括两个分支，各分支包括并联连接的Rsi和Csi，Rsi和Csi分别表示衬底的电阻和电容，所述两个分支中的Rsi为相同值，所述两个分支中的Csi为相同值。
本发明提供的片上电感集总模型与传统单π模型相比，因其同时考虑了趋肤效应和邻近效应及衬底的电磁损耗，在自谐振频率范围内可以更加精确地模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上螺旋电感。
附图说明
图1为本发明提出的新型片上电感集总模型。
图2为不同圈数的固定结构电感的测试和模型提取的Q值比较。
图3为不同圈数的单一渐变结构电感的测试和模型提取的Q值比较。
图4为不同圈数的新颖渐变结构电感的测试和模型提取的Q值比较。
图5为单一渐变结构电感的测试和模型提取的S参数比较。
图6为新颖渐变结构电感的测试和模型提取的S参数比较。
图7为高阻硅衬底电感的测试与模型提取的Q值比较。
图8为石英衬底电感的仿真与电感模型提取的Q值比较。
图9为SOI衬底电感的仿真与电感模型提取的Q值比较。
图10为3.5圈的SOI衬底电感的仿真与模型提取的S参数比较。
图11为4.5圈的SOI衬底电感的仿真与模型提取的S参数比较。
图12为传统单π物理模型的电路结构的示意图。
具体实施方式
为更清楚地说明本发明，以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的描述。
参考图1，图1为本发明提出的新型片上电感集总模型。如图1所示，本发明的片上电感集总模型在传统单π模型的基础上，在电感部分接入了并联的R0和L0，表征趋肤效应和邻近效应；在衬底部分接入了并联的Rsub和Csub，表征衬底的电磁损耗。根据该模型的连接方式，电感的串联电阻R(ω)和串联电感L(ω)分别由公式给出 :
ω为电感元件工作角频率，当ω→0时，
DC=R1，LDC=L1+L0；当 ω→∞时，RHF=R1+R0， LHF=L1。RDC和LDC表示低频下电感元件的串联电阻和电感，RHF和LHF表示高频下电感元件的串联电阻和电感。Rsub和Csub代表衬底损耗对片上螺旋电感的影响，基于不同衬底的电感，Rsub和Csub应有不同的值。Cs表示电感线圈内部间的边缘电容；
电感和衬底间的耦合电容，由于两个端口非对称，故
ox1≠Cox2。Rsi和Csi分别表示衬底的电阻和电容，两个分支中的Rsi和Csi为相同值。
在本实施例中，模型参数提取过程为：首先在ADS中建立本模型等效电路；然后将电感测试或电磁场仿真数据导入ADS中，从而进行模型参数的提取。在参数提取时，要考虑以下原则：第一，电感集总模型的两个端口是非对称的，因此
ox1≠Cox2；第二，两个分支中的Rsi和Csi分别取相同参数，即Rsi1=Rsi2，Csi1=Csi2；第三，同时将Q值优化、等效串联电阻Rs和等效串联电感
都加入仿真目标函数；第四，由于片上螺旋电感总工作在自谐振频率以下，因此等效电路模型需模拟至自谐振频率。
由于在高频信号作用下，趋肤效应和邻近效应越加显著，组成电感的金属线圈中流过的电流分布不均匀，频率越高，分布就越不均匀，从而导致电感的串联电阻值增大，串联电感值减小。因此本模型在传统单π模型的基础上，在电感部分接入了并联的R0和L0元件，用以表征高频下趋肤效应和邻近效应带来的对电感串联电阻的影响。另外考虑到高频下的衬底损耗影响加剧，在衬底部分接入了并联的Rsub和Csub元件，用以表征高频下衬底的电磁损耗对电感性能的影响。
根据本模型的参数特性，以下将通过两个部分对本发明做进一步的描述：第一，不同电感结构的电感；第二，不同衬底材料的电感。
第一部分，不同电感结构的电感。
本部分实施例中，首先，在高阻硅衬底上设计和制备多种结构的电感，各电感的结构参数如表1所示。表1 为不同电感结构电感的结构参数。其中Q1、Q4、Q7 为固定结构电感；Q2、Q5、Q8为单一渐变结构电感；Q3、Q6、Q9为新颖渐变结构电感。表1中参数意义如下：Dout代表电感外径；W代表电感导线线宽；S代表电感线圈导线之间的间距；N代表电感圈数。
在高阻硅衬底上制备电感的工艺流程如下：在电阻率为1000Ω·cm、厚度为350μm的硅衬底上热生长0.8μm的二氧化硅；然后淀积一层钛/金薄膜后光刻，局部电镀金，厚度约0.6μm；PECVD一层约0.9μm的二氧化硅；干法刻蚀二氧化硅形成接触孔；最后淀积一层钛/金薄膜后光刻，局部电镀金，厚度约1.5μm，光刻并刻蚀成电感层。
然后，使用Agilent PNA E8363B矢量网络分析仪在Cascade S300微波探针上进行S参数（即描述电路性能的参数）的测试，测试频段在50MHz～10GHz范围内。所得的S参数进行去嵌入的处理，之后导入ADS中建立的本模型等效电路，进行模型参数的提取，再根据ADS所提供的Gradient算法对模型进行Q、L参数的提取。
模型提取的参数值如表2所示。表2为不同电感结构电感的模型提取参数值。表2中参数意义如下：当频率ω→0时，
DC=R1，LDC=L1+L0；当频率ω→∞时，RHF=R1+R0， LHF=L1；RDC和LDC表示低频下电感元件的串联电阻和电感，RHF和LHF表示高频下电感元件的串联电阻和电感。Rsub和Csub表示衬底损耗对片上螺旋电感的影响。Cs表示电感线圈内部间的边缘电容； 电感和衬底间的耦合电容。Rsi和Csi分别表示衬底的电阻和电容。如表2所示，新颖渐变结构电感的等效串联电感值和电阻值为最小，固定结构电感的等效串联电感值和电阻值为最大，单一渐变结构电感的等效串联电感值和电阻值介于前两者之间；对于相同外径，不同圈数的电感而言，圈数越多，衬底损耗越严重。这与电感特性的物理分析相一致。
参考图2、3、4。图2为不同圈数的固定结构电感的测试和模型提取的品质因数Q值比较；图3为不同圈数的单一渐变结构电感的测试和模型提取的Q值比较；图4为不同圈数的新颖渐变结构电感的测试和模型提取的Q值比较。如图2、3、4所示，本模型提取的Q值与通过实验测试获得的固定结构Q1和Q7、单一渐变结构Q2和Q8以及新颖渐变结构Q3和Q9的Q值都有很好的吻合。
参考图5、6。图5为单一渐变结构电感的测试和模型提取的S参数比较；图6为新颖渐变结构电感的测试和模型提取的S参数比较。如图5、6所示，本模型提取的S参数与实验测试的不同圈数的单一渐变结构电感和新颖渐变结构的电感的S参数都有很好的吻合，说明本模型可以反映不同电感结构对于电感性能的影响。
第二部分，不同衬底材料的电感。
本部分实施例中，首先采用HFSS电磁场仿真软件，设计了基于高阻硅、石英和SOI衬底上的多种结构电感，各电感的结构参数如表3所示。表3为不同衬底材料电感的结构参数。其中Q10、Q13、Q16 为高阻硅衬底；Q11、Q14、Q17为石英衬底；Q12、Q15、Q18为SOI衬底。表3中参数意义如下： Dout代表电感外径；W代表电感导线线宽；S代表电感线圈导线之间的间距；N代表电感圈数。由于HFSS的电磁场仿真没有采用近似，因此数据有很高的准确性。本实施例还在高阻硅衬底（1000Ω·cm）上进行了上述Q10、Q13、Q16电感的制备，以验证模型的正确性。制备工艺与测试过程与第一部分一致。
表4为不同衬底材料电感的模型提取参数值。各模型参数提取的过程与第一部分一致。表4中参数意义与第一部分表2中参数意义相同。如表4所示，高阻硅衬底电感的等效串联电阻值都比石英衬底、SOI衬底电感的大得多；石英、SOI和高阻硅的Rsub依次减小；高祖硅、石英和SOI的Csub依次减小。这与电感实际的衬底特性相一致。
参考图7、8、9。图7为高阻硅衬底电感的测试与模型提取的Q值比较；图8为石英衬底电感的仿真与电感模型提取的Q值比较；图9为SOI衬底电感的仿真与电感模型提取的Q值比较。如图7所示，本模型提取的Q值与实验测试的高阻硅衬底Q16有很好的吻合；如图8、9所示，本模型提取的Q值与HFSS仿真的石英衬底Q17和SOI衬底Q18有很好的吻合。
参考图10、11。图10 为3.5圈的SOI衬底电感的仿真与模型提取的S参数比较；图11为4.5圈的SOI衬底电感的仿真与模型提取的S参数比较。Q12是3.5圈；Q18是4.5圈。如图10、11所示，对于不同圈数，本模型提取的S参数与HFSS仿真的SOI衬底电感的S参数有很好的吻合。说明本模型可以反映不同衬底材料对于电感性能的影响。
综上所述，本发明片上电感集总模型同时考虑了电感的趋肤效应、邻近效应和衬底电磁损耗，经本模型提取的在不同电感结构和不同衬底材料情况下的电感的数据与测试数据或仿真数据均有很好的吻合，因此在自谐振频率范围内可以更加精确地模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上螺旋电感。
本发明公开以上较佳实施例并非是用以限定本发明。本发明所属技术领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可进行多种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围以权利要求书所要求保护的范围为准。
Claims (5)
1.一种片上电感集总模型，其特征在于，所述片上电感集总模型在传统单π模型的电感部分接入了并联的R0和L0，表征趋肤效应和邻近效应；在所述传统单π模型的衬底部分接入了并联的Rsub和Csub，表征衬底的电磁损耗，使所述片上电感集总模型在自谐振频率范围内更加精确地模拟不同电感结构和不同衬底材料的片上螺旋电感。
2.根据权利要求1所述的片上电感集总模型，其特征在于，根据所述片上电感集总模型的连接方式，所述电感部分的串联电阻R(ω)和串联电感L(ω)分别由以下公式决定：
ω为电感元件工作角频率，当ω→0时，
DC=R1，LDC=L1+L0；当 ω→∞时，RHF=R1+R0，LHF=L1；RDC和LDC表示低频下电感元件的串联电阻和串联电感，RHF和LHF表示高频下电感元件的串联电阻和串联电感；其中，R1表示电感的低频串联电阻，L1表示电感的高频串联电感。
3.根据权利要求1所述的片上电感集总模型，其特征在于，Rsub和Csub代表衬底损耗对所述片上螺旋电感的影响，基于具有不同衬底的所述片上螺旋电感，Rsub和Csub具有不同的值。
4.根据权利要求1所述的片上电感集总模型，其特征在于，所述电感部分还包括与R1、L1及R0和L0并联连接的Cs，Cs表示电感线圈内部间的边缘电容；所述电感部分和所述衬底部分通过
ox1和Cox2连接，
ox1和Cox2表示所述电感部分和所述衬底部分间的耦合电容，其中两个端口非对称，
ox1≠Cox2。
5.根据权利要求1所述的片上电感集总模型，其特征在于，所述衬底部分包括两个分支，各分支包括并联连接的Rsi和Csi，Rsi和Csi分别表示所述衬底部分的电阻和电容，所述两个分支中的Rsi为相同值，所述两个分支中的Csi为相同值。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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