nscreport矽製程射頻積體電路多層螺旋電感特性之研究fign….pdfVIP

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 多層堆疊高Q 值螺旋電感的設計 Multilayer Stacked High Q Spiral Inductor Design 計畫編號 ：90-2213-E-032-002- 計畫執行起訖 ：2001.08.01 至 2002.07.31 計畫主持人 ：李慶烈 淡江大學電機工程學系 摘要 ： 大，因此利用矽基底做成的螺旋電感，一般而 本報告研究在矽基板上，平面螺旋電感的 言，其 Q 值皆較低，因此如何提高CMOS 電 特性。我們利用電磁模擬軟體探討在定面積 感的Q 值一直是不少研究者關心的課題。利用 下，比較不同電感結構在不同損耗基底下的感 Bond wires 雖然可以提供高Q 值的電感，但是 值、共振頻率和品質因子之間的變化。在不同 其電感值無法隨意變化，且易受bonding 過程 結構中，我們有用via把兩層金屬連起來的結 及外在環境的影響，利用主動電感可以是提高 構，用來降低電感的串聯電阻，使品質因子提 Q 值的另一方法，但是因為主動電感的雜訊較 高；有把電感的線段分割，以改善電流擁擠效 大，且消耗功率也較高，因此，直接改善螺旋 應，降低電阻值，增加品質因子；有用spiral電感的Q 值亦具有相當重要的意義。 array的結構，使在基底的磁場減小，降低基 近年來，由於RF IC 中，電感的品質因子 底的損耗，使品質因子增加。 太低，各界均對於改善電感的品質因子提出了 許多的方法，但是對於想在定面積之下，去增 I. 研究動機與背景 加電感的感值，卻不至於降低電感的品質因 在RFIC 的領域，原本以GaAs 為主要的 子，眾人所提出的結構不多，其中是因為多層 製成，因GaAs 電晶體具有良好的高頻特性， 的螺旋電感，在上下層的金屬線之間的電容太 但由於 CMOS 製成技術的進步 ，在深次微米 大，以至於共振頻率太小，不符使用。在總觀 領域已可提供相當高f T 的電晶體(~20GHz) ， 各家之雙層電感結構之後，提出了一種雙層螺 因此在微波頻段的低頻部份(2GHz 左右) 旋電感的新結構，以期在感值，品質因子及共 CMOS 已形成一個相當引人注意的選擇，因其 振頻率上能夠有不錯的效果。 可以將類比電路及數位相關的邏輯電路製作 於同一晶片上，這完全符合大量生產時低成本 II. 基本原理 的要求。 A. 品質因子(Quality factor): 就COMS 的RFIC 而言，被動電感往往以 電感的品質因子大小，是被用來評斷效能 螺旋的結構出現且占有相當大的晶片面積，因 好壞的一個指標，原因是因為電感的品質因子 此只要能提高單位面積的電感值就能夠進一 的大小，和電感儲存能量的能力有關。品質因 步降低成本，另外，矽材料的損耗比GaAs 要 子可以用能量的觀點和電路的觀點來定義。 2p (Stored Energy )max (2)Solenoid 的變形 Q = Energy Loss Per cycle 考慮下圖wire 半徑越來越小的3D 線圈