4nH硅微机械电感探究.pdfVIP

4nil硅微机械电感研究· 丁勇刘泽文刘理天李志坚 清华大学微电子学研究所， 北京100084 薹要在分析影响电感性能的各因素之后，对微波系统中常用的4nH电感进行了具体的 计算和模拟，给出了在2GHz工作频率下的优化结构，并提出了该微机械平面螺旋电感的 工艺设计。设计结构保证电感在该工作频率下有较高的Q值，工艺流程与硅CMOS_T艺兼 容。 关健字微机械：电感；Q值；硅 1引言 九十年代以来，无线通讯系统的集成度不断提高，利用硅工艺制作单片射频集成电路 (P汴IC)．己成为目前Ic的研究熟点。MEMS技术为硅RFIc提供了新的解决方案，已经 成为目前射频电路、器件研究中的一个重要领域…。电感是无线通信系统中的重要元件，它 的质鼍直接决定了整个电路的性能。由于采用牺牲层、深刻蚀等工艺，硅微机械平面螺旋电 感可以有效控制集成电路中的各种寄生效应，明显提高电感的性能口31。 微波系统中大量使用nil级电感，如何对这些电感进行参数计算和性能优化是一个重要 课题。评价电感性能的参数是电感的大小和电感的O值。电感埴的计算可以使用七十年代 Greenhouse提出的公式14】．而Q值的计算就复杂的多。平面螺旋电感中存在大量影响Q值 的寄生效应，它们受到工作频率、几何尺寸的共同影响，难于精确计算。采用牺牲层_T艺制 作的悬浮结构平面螺旋电感．可有效降低衬底的影响，提高电感的Q值。同时．器件的电 学模型得到简化，可以用简便的方法对Q值进行计算，最后获得优化的几何结构参数。 在对平面螺旋电感进行结构优化的基础上，充分考虑到微波通信系统的要求和工艺的 简单性、可靠性以及与CMOS工艺的兼容性，我们提出了此类平面螺旋结构微机械电感的 制作工艺。 2结构设计与优化 微波通信系统用到的VCO(压控振荡器)中大量使用nH量级的电感，其中以3～5nH 的电感最为常见口】。因此，我们针对4nH的电感进行理论分析和结构优化。 影响平面螺旋线圈电感值大小的主要参数是线圈的面积和匝数．横截面尺寸的影响较 小，而影响电感Q值的主要参数是电感的导线横截面尺寸和最内圈面积。因此，对于横截 面尺寸不同而其它参数相同的线圈，其电感值相差不多，但其Q值相差很大。电路中存在 的各种寄生效应引起的损耗是造成电感O值下降的主要原因。这些寄生效应主要有衬底的 寄生电容、寄生电阻，金属导体的寄生电容、寄生电阻，以及由于涡流损耗等效而成的寄生 电阻等16l。采取牺牲层工艺，平面螺旋结构微机械电感可以去处线圈下的衬底，形成悬浮结 构，消除衬底寄生效应对电感的影响，提高电感的Q值。同时，由于减少了电路中的等效 国家973重点基础研究发展项目(G1999032】05) ·247· 一；_了‘F『_～～—————百飘骶翻甄—————_—_ 寄生元件．电感的Q值便于计算。 通过对导线横截面尺寸不同的各线圈进 行计算，我们得到了这些电感Q值同工作频 率之问的关系，如图1所示。图中四条曲线代 m2)． 表的线圈最内躅面积均为200*200(u 共3．5匝，导线间距均为10Itm。四条曲线代。 表的线圈导线横截面尺寸(pmz)分别为： 曲线a，102；曲线b，】5*2；曲线c，10*5； 曲线d，155。由此图形可以看出，不同频率 下，导线横截面尺寸不同的电感Q值相差很 大。在工作频率为2～4GHz时。横截面为105 图1导线横截面不同的电感，其Q值与工作额 率之间的关系。 (u m2)的电感线圈具有最高的Q值，而在 工作频率高于40Hz时，横截面为10*2(u m2)的电感Q值更高。因此，工作在2GHz频率下4nH的电感应选取的导线横截面尺寸应 为105(itTn2)。 由于高频下的涡流损耗对电感的Q值有较大影响，故应尽量减小涡流损耗。在线圈中， 越靠近线圈中心位置，磁场越强。因此，为避免导线中产生过强的感应涡流，应适当增大线 圈最内圈的面积，使强磁场处没有导体，从而减小涡流损耗。通过在结构设计时综合考虑增 大Q值、节约芯片面积和工艺可靠性三者之间的关系，可确定优化的线圈