專利名稱：：確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及射頻通信技術(shù)中集成電路平面螺旋電感的分析與應(yīng)用，具體涉及一種確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法。
背景技術(shù)：
：平面螺旋電感是射頻無線通信系統(tǒng)中重要的無源器件，廣泛應(yīng)用于射頻前端各個(gè)模塊，如射頻預(yù)選回路、低噪聲放大器(LNA)、壓控振蕩器(VCO)以及LC回路等模塊。設(shè)計(jì)射頻芯片時(shí)采用多層布線實(shí)現(xiàn)可集成平面螺旋電感，不僅可以減小芯片面積，實(shí)現(xiàn)單片射頻集成電路(RFIC)，而且能降低電路的功耗和噪聲，從而提高電路性能。巨大的市場需求推動(dòng)了無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，SOC技術(shù)日新月異，可集成平面螺旋電感的射頻性能及應(yīng)用成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。由于平面螺旋電感的射頻電感值不僅與復(fù)雜的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)有關(guān)，而且取決于高頻時(shí)的各種寄生效應(yīng)，因而很難簡單地由結(jié)構(gòu)參數(shù)直接獲得，而要獲得實(shí)用的工作點(diǎn)頻段對(duì)應(yīng)的射頻電感值就更加困難。在人們將大量精力投入于提高電感品質(zhì)因數(shù)g值，建立精確的RLC模型時(shí)，對(duì)于精確分析電感值的方法研究卻*緩慢。1974年Greenhouse提出了一種精確的電感值計(jì)算方法，但計(jì)算方法本身較繁瑣且效率低，受限于當(dāng)時(shí)的制備技術(shù)，該算法適用于較大尺寸電感，工作頻率為幾十至幾百M(fèi)Hz。1999年斯坦福大學(xué)提出了Wheeler公式、電流近似公式和數(shù)值擬和公式來分析平面螺旋電感，三種算法雖然簡便高效，但只適用于分析金屬線寬及間距為常數(shù)、形狀規(guī)則的平面螺旋電感，并且該算法只考慮了電感的結(jié)構(gòu)參數(shù)，忽略了一些實(shí)際工藝參數(shù)(如金屬膜厚、芯片面積等)的影響。2002年SnezanaJenei提出了電感值的整體平均算法，該算法簡潔、高效、精確，但也只能適用于分析金屬線寬及間距為常數(shù)且形狀》見則的平面螺旋電感。2005年華東師范大學(xué)提出了分圈迭代算法，該算法的最大特點(diǎn)是可用于分析金屬線寬及間距變化的平面螺旋電感。但是上述分析技術(shù)都有一個(gè)共同的不足之處只能用于計(jì)算低頻電感值，無法獲得射頻頻段的電感值。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種能夠快速、準(zhǔn)確獲得平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺失。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，所述電感具有一自諧振蕩頻率X，所述方法包括下列步驟確定平面螺旋電感的低頻電感值Z。；獲取品質(zhì)因數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的電感工作頻率;根據(jù)電感的襯底類型確定與制備電感襯底相關(guān)的系數(shù)p;將低頻電感值丄。乘以一個(gè)系數(shù)的p次方以得到射頻頻段的電感值，該系數(shù)是/9鵬與,的比值與1的和，其中，與制備電感襯底相關(guān)的系數(shù)"是通過對(duì)同一種襯底類型、不同結(jié)構(gòu)的平面螺旋電感進(jìn)行模擬及測試，獲取多組上述參數(shù)值，并根據(jù)這些參數(shù)值的上述關(guān)系進(jìn)行擬合而獲得。進(jìn)一步地，系數(shù)"是一個(gè)小于1的正數(shù)。進(jìn)一步地，所述的低頻電感值￡。釆用Greenhouse算法、S.Jenei算法或者分圈迭代算法確定。進(jìn)一步地，所述的與制備電感襯底相關(guān)的系數(shù)々根據(jù)不同的襯底類型確定如下低阻硅對(duì)應(yīng)的"值為0.10±0.03;高阻硅對(duì)應(yīng)的y9值為0.20±0.02;SOI襯底對(duì)應(yīng)的p值為0.25±0.05;砷化鎵對(duì)應(yīng)的^值為0.35±0.05;石英襯底對(duì)應(yīng)的^值為0.40±0.03。其中，上述的低阻硅是指電阻率為5-20Q.cm的硅襯底材料；所述的高阻硅是指電阻率大于等于lOOOQ.cm的硅襯底材料；所述的SOI襯底是指埋層氧化硅厚度為0.1拜，頂層硅厚度為0.3拜，硅電阻率為1000Q'cm的硅襯底材料。本發(fā)明的確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，通過設(shè)定合理的;5值，并根據(jù)電感的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與;S值的關(guān)系，可以方便準(zhǔn)確地確定射頻頻段的電感值，填補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的空白。由于對(duì)應(yīng)同一種村底材料，其々值是固定的，因此，在采用本發(fā)明的方法確定射頻電感值時(shí)，完成低頻電感值丄。的計(jì)算之后，其余步驟不會(huì)受到電感版圖參數(shù)及工藝參數(shù)的影響，如此可P爭低片上無源電感的設(shè)計(jì)難度。具體實(shí)施方式以下將對(duì)本發(fā)明的確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。從實(shí)際電路的設(shè)計(jì)出發(fā)，從宏觀上對(duì)低頻電感值計(jì)算方法進(jìn)行修正，以獲得精確的射頻頻段電感值，是本技術(shù)的核心所在。根據(jù)電蹤要求確定電感值、帶寬、工作頻率及最大g值等設(shè)計(jì)規(guī)格參數(shù)，以確定工作點(diǎn)頻率以及該頻率點(diǎn)的電感〗直。首先根據(jù)Greenhouse、S.Jenei、分圈迭代等算法，通過使用業(yè)界公認(rèn)精度很高的三維電磁場仿真軟件HFSS進(jìn)行模擬分析，計(jì)算出低頻電感值Z。，然后若干次實(shí)際流片和測試分析，尋求基于低頻電感值i:。的計(jì)算平面螺旋電感射頻電感值的公式，即下文所述的閉合公式，并通過系數(shù)々的適當(dāng)選取建立了射頻電感值和對(duì)應(yīng)低頻值之間的聯(lián)系。具體地，本發(fā)明的確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，是根據(jù)平面螺旋電感的低頻電感值i:。、電感自諧振蕩頻率y;,對(duì)應(yīng)品質(zhì)因數(shù)g最大值時(shí)的工作頻率/9_(設(shè)定電感工作在Q最大值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)附近)以及系數(shù)-，利用閉合公式來確定射頻頻段電感值i^的，該閉合公式如下入'1+/gm祖上式中，P表示與襯底相關(guān)的系數(shù)，是一個(gè)小于l的正數(shù)，該;9值是通過對(duì)同一種襯底類型、不同結(jié)構(gòu)的平面螺旋電感進(jìn)行模擬及實(shí)際高頻電感值的測試，獲取多組丄。、,、人_、、的值，并基于這些值根據(jù)上述閉合公式進(jìn)行擬合而獲得。對(duì)于不同的村底類型，；0的取值請(qǐng)參閱表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>其中，低阻硅是指電阻率為10&cm的硅襯底材料；高阻硅是指電阻率大于1000Q*cm的珪襯底材料；SOI襯底是指埋層氧化硅厚度為O.l拜，頂層硅厚度為0.3pm，珪電阻率為1000Q'cm的硅襯底材料。下面以高阻硅和低阻硅為例給出兩個(gè)具體實(shí)施例。實(shí)施例一為在電阻率為lOOOQ.cm的高阻硅襯底上制備平面螺旋電感，/取值為0.20，具體數(shù)據(jù)如表2中No.14所示；實(shí)施例二為在電阻率為10Q.cm的低阻硅襯底上制備平面螺旋電感，〃取值為0.10,具體數(shù)據(jù)如表2中No.58所示。上述兩個(gè)實(shí)施例，襯底厚度均為350拜。電感制備工藝流程為首先在硅襯底上熱生長厚度為lnm的Si02,然后濺射并電鍍厚度為0.5pm的金，形成電感下層金屬；介質(zhì)層由等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝淀積厚度為6000A的二氧化硅實(shí)現(xiàn)，光刻并刻蝕出通孔后，濺射并電鍍厚度為1.8pm的金，形成電感的上層金屬。電感外徑為400iim。針對(duì)基于上述工藝制備的不同圏數(shù)電感樣品進(jìn)行參數(shù)測量，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示，No.l4為高阻硅襯底上制備樣品，No.5~8為低阻硅襯底上制備樣品。所分析性能參數(shù)包括自諧振蕩頻率、2值最大對(duì)應(yīng)的頻率、低頻電感測量值丄,_、工作頻率點(diǎn)電感值4_以及采用本發(fā)明的閉合公式擬合的電感值~。此外，還定義了兩個(gè)相對(duì)誤差參量E1、￡2來驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性和精度五i=l1^^—￡^幼Ix100o/o￡2=H。-A/1xiO00/o其中，五i表征了電感測量結(jié)果中射頻段電感值與低頻電感值之間的誤差；而￡2表征了采用本發(fā)明的方法確定的射頻電感值與射頻段電感測量值之間的誤差。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>針對(duì)上述兩種實(shí)施例，從￡1值可以看出，用低頻電感值i^。代替g值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的電感值，誤差非常大，對(duì)于一些分析樣品，該誤差值接近10%。而￡2的值則有明顯的減小，表明本發(fā)明方法分析得出的射頻電感值^則精確得多，一般誤差不大于2%，低阻硅襯底樣品的誤差更小。需要說明的是，雖然上述兩個(gè)實(shí)施例中針對(duì)不同的襯底類型均選取了p取值范圍的中間值，但實(shí)際上采用/取值范圍中的任意值都可以達(dá)到較佳的技術(shù)效果，其分析得出的射頻電感值的誤差均在2.5%以內(nèi)，明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，并且符合實(shí)際電感設(shè)計(jì)的精度要求。電感工作在低頻和高頻不同頻段處，其電感值有明顯差別。本發(fā)明的確定集成電路平面螺旋電感的射頻頻段電感值的方法充分考慮了這一差異，能精確有效地確定工作點(diǎn)頻段處的電感值，從而提高了射頻平面螺旋電感的設(shè)計(jì)精度及準(zhǔn)確性，同時(shí)降低了射頻可集成無源器件及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)周期。該方法尤其適用于確定最大0值附近頻段的射頻電感值。'權(quán)利要求1、一種確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，所述電感具有一自諧振蕩頻率fr，其特征在于，所述方法包括下列步驟確定平面螺旋電感的低頻電感值L0；獲取品質(zhì)因數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的電感工作頻率fqmax；根據(jù)電感的襯底類型確定與制備電感襯底相關(guān)的系數(shù)β；將低頻電感值L0乘以一個(gè)系數(shù)的β次方以得到射頻頻段的電感值，該系數(shù)是fqmax與fr的比值與1的和，其中，與制備電感襯底相關(guān)的系數(shù)β是通過對(duì)同一種襯底類型、不同結(jié)構(gòu)的平面螺旋電感進(jìn)行模擬及測試，獲取多組上述參數(shù)值，并根據(jù)這些參數(shù)值的上述關(guān)系進(jìn)行擬合而獲得。2、如權(quán)利要求1所述的確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，其特征在于系數(shù)々是一個(gè)小于1的正數(shù)。3、如權(quán)利要求1所述的確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，其特征在于所述的低頻電感值Z。采用Greenhouse算法、S.Jenei算法或者分圈迭代算法確定。4、如權(quán)利要求1所述的確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，其特征在于，所述的與制備電感襯底相關(guān)的系數(shù)y根據(jù)不同的襯底類型確定如下低阻硅對(duì)應(yīng)的p值為0.10±0.03;高阻硅對(duì)應(yīng)的-值為0.20±0.02;SOI襯底對(duì)應(yīng)的/值為0.25±0.05;砷化鎵對(duì)應(yīng)的〃值為0.35±0.05;石英襯底對(duì)應(yīng)的-值為0.40±0.03。5、如權(quán)利要求4所述的確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，其特征在于所述的低阻硅是指電阻率為520Q.cm的硅襯底材料。6、如權(quán)利要求4所述的確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，其特征在于所述的高阻硅是指電阻率大于等于1000Q*cm的硅村底材料。7、如權(quán)利要求4所述的確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，其特征在于所述的SOI襯底是指埋層氧化硅厚度為0.1^im，頂層硅厚度為0.3|im，硅電阻率為1000Q.cm的硅襯底材料。全文摘要本發(fā)明提供了一種確定平面螺旋電感射頻頻段電感值的方法，所述電感具有一自諧振蕩頻率f<sub>r</sub>，所述方法首先確定平面螺旋電感的低頻電感值L<sub>0</sub>，然后獲取品質(zhì)因數(shù)Q最大值所對(duì)應(yīng)的電感工作頻率f<sub>qmax</sub>，接著根據(jù)電感的襯底類型確定與制備電感襯底相關(guān)的系數(shù)β，最后將低頻電感值L<sub>0</sub>乘以一個(gè)系數(shù)的β次方得到射頻頻段的電感值，其中，該系數(shù)是f<sub>qmax</sub>與f<sub>r</sub>的比值與1的和，與制備電感襯底相關(guān)的系數(shù)β是根據(jù)不同的襯底類型，通過仿真獲得的對(duì)應(yīng)于品質(zhì)因數(shù)最大值的一個(gè)小于1的正數(shù)。采用本發(fā)明的方法能夠快速、準(zhǔn)確地獲得平面螺旋電感射頻頻段的電感值，并且在獲得精確的射頻電感值的同時(shí)，不會(huì)增加片上無源電感的設(shè)計(jì)難度。文檔編號(hào)G01R27/26GK101403776SQ20081020270公開日2009年4月8日申請(qǐng)日期2008年11月13日優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日發(fā)明者磊張,勇王,石艷玲,羅天星,肖啟榮,陳大為,陳壽面申請(qǐng)人:華東師范大學(xué);上海集成電路研發(fā)中心有限公司