用于射频集成的高q硅基电感的优化设计

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1、用于射频集成的高Q硅基电感的优化设计王惠娟1，2，潘杰1，2，任晓黎2，曹立强1，2，于大全1，万里兮1（1.中国科学院微电子研究所，北京100029；2.华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，江苏无锡214135）摘要：采用理论分析与电磁仿真结合的方法，对硅上多层金属构成的螺旋电感进行电性能研究，优化并获得一种适用于射频电路集成的硅基射频高Q电感。对于影响电感Q值的多种损耗机制，重点研究了趋肤效应对电感的影响。并通过结构参数及金属层叠优化后，硅上电感的Q值可以达到60以上，自谐振频率可以达到10G

2、Hz以上，可以较好地应用于射频系统中的滤波选频及匹配等网络。.jyqk[Zin]分别代表电感阻抗值的实部和虚部，对于无辐射系统，如Z=R+jX，则Q=

3、X

4、R，谐振回路的品质因数为谐振回路的特性阻抗与回路电阻之比。元件的有效Q值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。而Q值的大小与其损耗机制有关。1.2硅基电感损耗机制对于硅上螺旋电感，在不涉及磁芯材料的情况下，影响电感Q值主要有两种损耗：一种是衬底损耗，一种是导体损耗。衬底损耗由衬底电阻率及衬底与电感金属间绝缘层厚度来决定，衬底电阻率越高，绝缘层

5、厚度越大，其Q值越低[7]。导体损耗是由构成片上无源元件的金属导体有限的电导率引起的，这一部分损耗根据形成原因可分为直流损耗以及高频损耗两种。为了减少欧姆损耗，可选用低电阻率的金属材料，增大导体横截面积，减小导体长度。随着频率的升高，电流趋向于在导体的外表面流动产生趋肤效应，它取决于频率、金属电导率和磁导率，趋肤深度和高频下电阻可以表示为以下公式[1]：式中：σ为金属电导率，μ为磁导率，ω为工作角频率。工作频率越高，趋附深度δs越小，Rs越大，导体损耗越大，信号幅度的衰减就越快。表1给出了常见的几种用

6、于制作无源器件的金属的电导率、电阻率及在典型高频点下的趋肤深度。从表中可以看出，铜和银导电率较好，由于铜金属的易于制作且价格便宜，而金属铝由于其加工时易控制性且成本最低，易于形成电极，在半导体工艺中应用较多。2硅基电感的层叠及优化仿真2.1硅基螺旋电感的设计参数通过对硅上平面螺旋电感进行了理论分析，给出了影响电感电学性能主因素。总结出在设计中要考虑的可变参数包括：（1）衬底的厚度及电阻率；（2）线圈的圈数；（3）金属的线厚、线宽、线间距，材料的选择；（4）线圈面积与电感参数的影响；（5）多圈的过孔及连

7、出方式[3]。本文选取其中的几个关键点，介绍具体的分析、仿真及优化过程。为了研究硅上电感的电学特性，采用两种不同的软件（HFSS，ADS）完成以下电感的电磁仿真（EM）及建模仿真。本文所采用的电感为平面螺旋八边形结构，金属层叠由四层金属及两种通孔构成。其4层金属可以组成如图1所示的两种结构，图中M1和M3的典型选择为金属铝，M2及VIA1_2的典型选择为金属铜。基于这两种层叠，选择以下参数来完成优化：硅上电感的典型硅衬底选择均为2000Ω?cm，而衬底厚度采用尽可能薄加工时且易于拿持的尺寸350μm，

8、选择2μm的氧化层来作为硅表面绝缘。由于金属厚度大于3倍趋肤深度时，电感性能的改善并不明显，所以图1中构成电感的主要层M1和M2均为3μm，VIA1_2也为3μm，金属表面电极层M3为1μm。2.2硅基螺旋电感的设计参数（1）电感的线宽、间距及内径：电感的电感内径D=240μm；4种电感的线条宽度1+M2+M3+VIA1_2；M1+M2+VIA1_2；M2+VIA1_2；M2，如图4所示，数据中4条曲线依次对应4种电感。结果显示电感的感值均接近，但是Q值有区别。预计的采用4层金属够成获得最高Q的电感并

9、非如此，在2.5GHz读取数据对比，采用单层M2上形成电感Q值最高可超过40，初步分析这是由于趋肤效应造成的。为了进一步分析这种现象，采用单圈电感在不同层上走线建模。选择内径D为600μm、线宽60μm的八边形电感，对不同层金属的结构进行仿真得到的电感值及Q值如图5所示，图中4种电感的金属构成分别为M2，M3，M2+M3，M1+M2+M3+VIA1_2。同样选择频率约在2.5GHz最近点读取数据，可知采用3μm厚铜作为惟一金属层的电感Q值最大，并且其Q最大值可以超过60（7GHz左右）。图5中同时给出

10、了两种电感的表面电流分布的结果，左图为L1的结果，可以看出其表面电流较大，右图为L4的结果（L2和L3结果类似），这是由于仅有L1电感是由3μm的厚铜构成，其他电感表面均有一层1μm的铝。而铜的导电率是比铝要高得多，使得铜线圈电阻小于铝圈。由于趋肤效应，电场往线圈的金属表面集中，所以L1的电流会大得多。3高频寄生参数的提取对于硅上螺旋电感的等效模型研究，已经有较多的发表文章研究，但是大多等效模型都没有考虑到高频时的趋肤效应所带来的影响[6，9]。在本文中