学校代码：10246 学号：021021061 復旦大婴 博士学位论文 射频集成电路片上电感的分析与优化设计 Analysis and Optimum Design of On-Chip Inductor for RF ICs 院 系： 微电子学系 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 菅洪彦 指导教师： 闵昊教授 完成日期： 2005年4月20日
学校代码： 10246 学 号： 021021061 博 士 学 位 论 文 射频集成电路片上电感的分析与优化设计 Analysis and Optimum Design of On-Chip Inductor for RF ICs 院 系： 微电子学系 专 业： 微电子学与固体电子学 姓 名： 菅洪彦 指 导 教 师： 闵昊 教授 完 成 日 期： 2005 年 4 月 20 日
Analysis and Optimum Design of On-Chip Inductor for RF ICs by Hongyan Jian B.S.(Shaanxi Normal University,Xi'an)1992 M.S.(Ocean University of China,Qingdao)1996 A dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Microelectronics in the GRADUATE DIVISION of the FUDAN UNIVERSITY,SHANGHAI Committee in charge: Professor Hao Min Professor Zhiliang Hong Professor Junyan Ren Professor Lianxing Yang Spring 2005 Copyright Spring 2005,by Hongyan Jian ALL RIGHTS RESERVED
Analysis and Optimum Design of On-Chip Inductor for RF ICs by Hongyan Jian B.S. (Shaanxi Normal University, Xi’an) 1992 M.S. (Ocean University of China, Qingdao) 1996 A dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Microelectronics in the GRADUATE DIVISION of the FUDAN UNIVERSITY, SHANGHAI Committee in charge: Professor Hao Min Professor Zhiliang Hong Professor Junyan Ren Professor Lianxing Yang Spring 2005 Copyright Spring 2005, by Hongyan Jian ALL RIGHTS RESERVED
目 录 第一章引言 1.1市场需求和技术推动1 1.2电感在射频集成电路中的作用2 1.3片上电感研究进展和存在的问题2 1.3.1集成电感3 1.3.2金属互连线电感的研究现状4 1.3.3金属互连线电感研究存在的问题5 1.4论文的组织结构6 参考文献7 第二章片上电感的物理模型与特性分析 2.1串连电感10 2.1.1自感10 2.1.2互感11 2.1.3电感值的计算12 2.1.4电感值与面积成本13 2.2片上电感的实现与物理特性13 2.2.1金属互连线电感的结构13 2.2.2寄生与损耗分析15 2.2.3品质因数和自谐振频率16 2.3电感寄生电容模型17 2.3.1分布电容模型17 2.3.1.1假设和定义18 2.3.1.2电感贮存电能和寄生电容20 2.3.2平面螺旋电感的寄生电容定量计算22 2.3.3垂直螺线管电感的寄生电容定量计算26 2.3.4平板电容计算33 2.4串联电阻分析33 2.4.1直流电阻34 2.4.2趋肤效应电阻34 2.4.2.1趋肤效应35 2.4.2.2趋肤效应电阻37 2.4.3邻近效应电阻40
i 目 录 第一章 引言 1.1市场需求和技术推动 1 1.2电感在射频集成电路中的作用 2 1.3 片上电感研究进展和存在的问题 2 1.3.1集成电感 3 1.3.2 金属互连线电感的研究现状 4 1.3.3 金属互连线电感研究存在的问题 5 1.4 论文的组织结构 6 参考文献 7 第二章 片上电感的物理模型与特性分析 2.1 串连电感 10 2.1.1 自感 10 2.1.2 互感 11 2.1.3 电感值的计算 12 2.1.4 电感值与面积成本 13 2.2 片上电感的实现与物理特性 13 2.2.1 金属互连线电感的结构 13 2.2.2 寄生与损耗分析 15 2.2.3 品质因数和自谐振频率 16 2.3 电感寄生电容模型 17 2.3.1 分布电容模型 17 2.3.1.1 假设和定义 18 2.3.1.2 电感贮存电能和寄生电容 20 2.3.2 平面螺旋电感的寄生电容定量计算 22 2.3.3 垂直螺线管电感的寄生电容定量计算 26 2.3.4 平板电容计算 33 2.4 串联电阻分析 33 2.4.1 直流电阻 34 2.4.2 趋肤效应电阻 34 2.4.2.1 趋肤效应 35 2.4.2.2 趋肤效应电阻 37 2.4.3 邻近效应电阻 40
2.5衬底物理模型和损耗分析42 2.5.1衬底的变压器效应43 2.5.1.1衬底磁能损耗物理模型43 2.5.1.2衬底磁能损耗数学解析43 2.5.2衬底电容耦合损耗48 2.5.2.1衬底电容耦合损耗物理模型48 2.5.2.2衬底电容耦合损耗数学解析49 2.5.3衬底耦合50 2.5.4衬底温度效应50 2.6小结51 参考文献51 第三章片上电感的优化设计 3.1增大耦合系数的方法55 3.1.1增大同平面线圈耦合系数的方法55 3.1.2增大垂直串连耦合系数的方法57 3.1.3垂直螺线管电感优化设计58 3.2寄生电容降低方法60 3.2.1结构上降低线圈与衬底之间寄生电容的方法60 3.2.2结构上降低线圈与衬底之间寄生电容的方法62 3.2.3改进工艺降低电感寄生电容63 3.3降低串联电阻的方法64 3.3.1降低直流电阻方法64 3.3.1.1结构上降低直流电阻64 3.3.1.2工艺上降低直流电阻65 3.3.2电流拥挤效应抑制66 3.3.2.1趋肤效应抑制66 3.3.2.2邻近效应抑制69 3.3.2.3多电流路径抑制电流拥挤效应的版图优化设计方法72 3.4衬底的损耗抑制75 3.4.1衬底涡流损耗的抑制方法75 3.4.2降低衬底电容耦合损耗的方法76 3.4.3衬底耦合的降低78 3.5电感应用电路优化设计方法79 3.5.1高性能片上电感的标准79
ii 2.5 衬底物理模型和损耗分析 42 2.5.1 衬底的变压器效应 43 2.5.1.1 衬底磁能损耗物理模型 43 2.5.1.2 衬底磁能损耗数学解析 43 2.5.2 衬底电容耦合损耗 48 2.5.2.1 衬底电容耦合损耗物理模型 48 2.5.2.2 衬底电容耦合损耗数学解析 49 2.5.3 衬底耦合 50 2.5.4 衬底温度效应 50 2.6 小结 51 参考文献 51 第三章 片上电感的优化设计 3.1 增大耦合系数的方法 55 3.1.1 增大同平面线圈耦合系数的方法 55 3.1.2 增大垂直串连耦合系数的方法 57 3.1.3 垂直螺线管电感优化设计 58 3.2 寄生电容降低方法 60 3.2.1 结构上降低线圈与衬底之间寄生电容的方法 60 3.2.2 结构上降低线圈与衬底之间寄生电容的方法 62 3.2.3 改进工艺降低电感寄生电容 63 3.3 降低串联电阻的方法 64 3.3.1 降低直流电阻方法 64 3.3.1.1 结构上降低直流电阻 64 3.3.1.2 工艺上降低直流电阻 65 3.3.2 电流拥挤效应抑制 66 3.3.2.1 趋肤效应抑制 66 3.3.2.2 邻近效应抑制 69 3.3.2.3 多电流路径抑制电流拥挤效应的版图优化设计方法 72 3.4 衬底的损耗抑制 75 3.4.1 衬底涡流损耗的抑制方法 75 3.4.2 降低衬底电容耦合损耗的方法 76 3.4.3 衬底耦合的降低 78 3.5 电感应用电路优化设计方法 79 3.5.1 高性能片上电感的标准 79
3.5.2压控电感自调谐振荡器80 3.5.3pn结衬底隔离中心频率偏差校正82 3.5.4金属地屏蔽83 3.6小结83 参考文献84 第四章 测试与分析 4.1在片测试和去嵌入88 4.1.1地屏蔽的开路通路去嵌入结构89 4.1.2可缩放的开路通路去嵌入方法91 4.2测试分析93 4.2.1流片测试93 4.2.2平面螺旋和螺线管电感94 4.2.3差分和单端电感97 4.2.4结构上降低差分电感临近线圈寄生电容的方法99 4.2.5电感串连电阻降低方法100 4.2.5.1结构上降低直流电阻100 4.2.5.2多电流路径电感101 4.2.6降低衬底效应方法的验证106 4.2.6.1pn结抑制衬底高频电流107 4.2.6.2各种地屏蔽比对107 4.2.6.3不同测试功率下的衬底损耗109 4.3小结110 参考文献111 第五章 结论 5.1总结112 5.2展望113 附录一趋肤深度公式推导115 附录二两个平行线圈的耦合系数118 附录三两种去嵌入方法119 附录四双端口网络120 致谢122
iii 3.5.2 压控电感自调谐振荡器 80 3.5.3 pn结衬底隔离中心频率偏差校正 82 3.5.4 金属地屏蔽 83 3.6 小结 83 参考文献 84 第四章 测试与分析 4.1 在片测试和去嵌入 88 4.1.1 地屏蔽的开路通路去嵌入结构 89 4.1.2 可缩放的开路通路去嵌入方法 91 4.2 测试分析 93 4.2.1 流片测试 93 4.2.2 平面螺旋和螺线管电感 94 4.2.3 差分和单端电感 97 4.2.4 结构上降低差分电感临近线圈寄生电容的方法 99 4.2.5 电感串连电阻降低方法 100 4.2.5.1 结构上降低直流电阻 100 4.2.5.2 多电流路径电感 101 4.2.6 降低衬底效应方法的验证 106 4.2.6.1 pn结抑制衬底高频电流 107 4.2.6.2 各种地屏蔽比对 107 4.2.6.3 不同测试功率下的衬底损耗 109 4.3 小结 110 参考文献 111 第五章 结论 5.1 总结 112 5.2 展望 113 附录一 趋肤深度公式推导 115 附录二 两个平行线圈的耦合系数 118 附录三 两种去嵌入方法 119 附录四 双端口网络 120 致谢 122