衬底结构特征对硅基螺旋电感性能的影响
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＊国家高 技术 研究 发 展计 划 （编 号 ：２００２ＡＡ３１２０１０），国家 重点 基础 研究 发展 规划 （编号 ：Ｇ２００００３６６０３）￣ＩＩ［］；；ｇ自然科学 基 金（编 号 ：６ｏ３３６ｏ１０）资助项 目
ｔ通 信 作 者 ．Ｅｍａｉｌ：ｃｌｘｕｅ＠ ｓｅｍｉ．ａｃ．ｃａ ２００６．０４．１７收 到 ，２００６．０５．２２定 稿
２ 硅 基 螺旋 电感 的物 理 模 型
图 １是 螺 旋 电感 的 结 构 和物 理 模 型 ，其 中 Ｍ１ 为上 层金 属 线 圈 ；Ｍ２为 底 层 互 联 金 属 ；ＩＤ 为 电感
（ｂ） 图 １ （ａ）简化 的螺 旋 电 感 剖 面 图 ；（ｂ）简 化 的螺 旋 电感 俯 视 图 Ｆｉｇ．１ （ａ）Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｉｒａｌ ｉｎｄｕｃｔｏｒ；（ｂ）Ｓｉｍ ｐｌｉｆｉｅｄ ｔｏｐ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｉｒａｌ ｉｎｄｕｃｔｏｒ
件 ．其 中 Ｌ 和 尺 是 电感 自身 的 串联 电感 和 电 阻 ；
Ｃ 是两 层导 体 问 寄生 电容 ；Ｃ。 是 电感 与 硅 衬底 问
寄 生 电容 ；Ｃ 和 尺 ｉ是 电感 下 方 衬底 的寄 生 电容 和
电阻 ，由此模 拟衬底 损耗 情况 ．上述 各参 数可 用下 列
公 式计算 ：
＠ ２００６中 国 电 子学 会
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半 导 体 学 报
第 ２７卷
的 内径 ；Ｄ 为 电感 的外径 ；Ｗ 为金属 条 的 宽度 ； 为
相邻 金属 条之 间 的间隔 ．
图 ２为 电感 的等 效 电 路模 型 ．电 感 是储 存 磁
场 能量 的元 件 ，电 阻 、电容 则 为 电 感 的主 要 寄 生 元
，
Ｒ ｓ 丽
）
Ｃ ＝ ，２Ｗ
ｔ ０ｘｍｅｔａ１
（２）
ｃ ：告ｍ
厶
‘ ＯＸ
（３）
１
Ｃ。ｉ＝ ÷ ｆＷＣ ｂ 厶
（４）
．
关 键 词 ：硅 基 ；螺 旋 电 感 ；品 质 因子 ；衬 底 结 构
ＥＥＡＣＣ ： ２１４０； １３５０； ２５６０
中图 分 类 号 ：ＴＮ４０５ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０２５３—４１７７（２００６）１１—１９５５—０６
１ 引 言
近年来 ，随 着 无 线 通 信 市 场 的飞 速 发 展 ，低 造 价 、高性能 的 片上射 频器 件 的需求 也在 不断地 增加 ． 为 了满足 低损 耗 、高集成 度 的要求 ，片 上集成 螺旋 电 感 已成为 压控 振荡 器 、低 噪声 放 大器 、混 频器 以及 中 频 滤波 器等许 多 通信 模 块 中的 重要 元件 ．由 于硅 基 集 成 电路制 造成本 相 对 较 低 ，使 得 硅 基 射 频集 成 电 路 对 ＧａＡｓ基集成 电路 具 有 相 当大 的竞 争 力 ．但 是 硅 衬底 在 高 频 下 的高 损 耗 限制 了 硅 基 射 频 电感 性 能 ，为 了改善 其性 能 ，许 多 工作 者通 过改善 衬底 的结 构 特性 来提 高 电感 的性 能 ．例 如提 高 衬 底 导体 电 阻 率或 者 采 用 ｓｏＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ．ｏｎ．ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）材 料 作 为 衬 底 ｌ＿１］，增 大金 属 与衬底 之 间的氧 化层 厚度 ］，以及 去 除 电感 底 部 衬底 ］．但 是 系 统 研究 衬 底 结 构对 电 感 性能 改善 的报 道还 很 缺 乏 ．实 际 制作 测量 和三 维 电 磁场 模拟 是两 种 常用 的表 征 电感 特 性 的方 法 ，在 精 度 上两 者有很 好 的吻合 ．与 传统 的表 征方法 相 比 ，通 过 三维 电磁 场 模 拟 分 析 的 方 法 显 得 更 为 经 济 和 便 利 ．不 用制作 测试 基 片 ，并 且改变 结构 参数 也是 非常 容 易 实现 的方法 ．本 文 在 分 析 硅衬 底 上 射 频螺 旋 电 感 物理 模型 的 基础 上 ，采 用 ａｎｓｏｆｔ ＨＦＳＳ三维 电磁 场模 拟器对 影 响 电感 值 和 Ｑ 值 及谐 振 频 率 的各 参 数 进 行 了全 面详 尽 的模拟 ，系 统分 析 了衬 底 电阻率 、 隔离层 的厚 度 以及 隔 离层 的 材料 、衬 底 引入 硅 锗合 金层 对 电感 性 能 的影 响 ．得 出 了一 些 实 用 的设 计 原 则 ，可有效 地指 导 射频集 成 电路 中集成 电感 的设计 ．
、
薛春来 姚 飞 成步文 王启明
（中 国科 学 院半 导 体研 究 所 集 成 光 电 子 国家 重 点 联 合 实 验 室 ，北 京 １０００ 场 模 拟 的 方 法 对 不 同 硅 衬 底 结 构 螺 旋 电感 进 行 了 模 拟 和 分 析 ．通 过 改 变 衬 底 的 电 导 率 、隔 离 层 的厚 度 以 及 隔 离 层 的 材 料 、衬 底 引 入硅 锗 合 金 层 等 模 拟 ，分 析 了 电感 性 能 的变 化 ．结 果 表 明 随 着 电导 率 的 减 小 ， 电 感 的 性 能 会 增 强 ，但 改 善 的 幅度 会 逐 渐 减 小 ．厚 的 ｓｉ０２隔 离 层 有 利 于 减 小 衬 底 损 耗 ，但 是 会 给 工 艺 增 加 难 度 ．采 用 低 ｋ材 料 作 为 隔 离 层 是 改 善 电感 性 能 的 一 种 比较 理 想 的方 法 ．
第 ２７卷 第 １１期 ２００６年 ｌ１月
半 导 体 学 报
Ｃ Ｈ ＩＮ ＥＳＥ ＪＯＵ Ｒ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ ＳＥＭ ＩＣＯ ＮＤ ＵＣＴＯ Ｒ Ｓ
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Ｖ Ｏ１．２７ ＮＯ．１１ ＮＯＶ，，２００６
衬 底 结 构 特 征 对 硅 基 螺 旋 电 感 性 能 的 影 响 ＊
