（电路与系统专业论文）深亚微米cmos集成电路片上无源器件仿真测试参数提取及模型研究.pdf

t i a ny h s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rh u a n g f e n g y i a n d s e n i o re n g x u y o n g t n r l n e e r uy o n g b i n s c h o o lo f i n t e g r a t e dc i r c u i t s so u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 果。 写过 与我 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 重暇日期： p s l l1 ， 摘要 摘要 和电子技术的快速增长带来了集成电路( i c ) 产业的蓬勃发展。随着集成电路工艺的改进，片上 的性能逐步提高，片上无源器件在满足电路性能指标的同时极大的提高了系统的集成度，这已经 研究和应用。然而，从器件优化和电路仿真的角度而言，无源元件研究仍然具有挑战。器件与频 精确模型及其高精度的参数提取方法仍旧很缺乏，并已经成为制约c m o s 集成电路产业发展的瓶 文介绍了无源元件仿真，测试，参数提取和建模全过程。现有两种主流的片上无源元件的建模技 场( e m ) 仿真和等效电路的物理模型。本文首先对电磁场仿真建模技术进行了介绍，并分别用 软件( a n s o f th f s s 和a d sm o m e n t u m ) 对无源元件进行了定性研究。该方法是一种经济快捷的建 但存在准确性，缩放等方面的问题。第三章中描述了s 参数测试和参数剥离，针对二端口和多端 别给出了常用的参数剥离方法，并比较了各种方法的优缺点。在得到的剥离后s 参数值的基础上， 了等效电路模型技术，给出了一些常用的电感等效电路模型，如目前被广泛应用的单，r 等效电路， 双万等效电路等，同时提出了几款原创性的模型，如n 一7 r 等效电路和带中央抽头的对称电感等效电路等。 等效电路建模技术基于晶圆在片测试的s 参数测值，具有良好的精确性和广泛的兼容性，被广泛的采用。 最后本文阐述了等效电路模型的一些参数提取方法，并着重讨论了特征函数参数提取法。目前主流参数提 取法是的迭代拟合法，需要大量迭代运算，既非常耗时，又由于其与输入的初始值有强的关联性，可能会 产生潜在的收敛问题，如非最佳结果和非收敛解等。本论文提出的方法很好的避免了以上缺点，可以很好 的应用于不同模型，同时提取参数所得到的模型与测试结果实现了高精度的拟合。 本文中提出的模型和总结出的参数提取方法能够提供给集成电路工程师以及电类研究领域研究者一 定的帮助。 关键字： 电感，变压器，仿真，参数剥离，模型，等效电路，参数提取 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o na n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yr i s e sab o o m i n gg r o w t ho f i n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fi cp r o c e s s ，t h eb e h a v i o ro f t h eo n - c h i pp a s s i v ec o m p o n e n t p r o g r e s s e sg r a d u a l l y , i tn o to n l ym e e t st h et a r g e to f l cp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oa d v a n c e so n 。c h i pi n t e g r a t i o ng r e a t l y ， w h i c hh a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n di m p l e m e n t e d h o w e v e r , i nt h ep o i n t so fd e v i c eo p t i m i z a t i o na n dc i r c u i t s i m u l a t i o n , t h er e s e a r c ho fp a s s i v ed e v i c e si ss t i l lf u l lo fc h a l l e n g e ，a n da c c u r a t ef r e q u e n c y - i n d e p e n d e n tm o d e l s w i t hh i g hp r e c i s i o np a r a m e t e re x t r a c t i o nf o rt h ed e v i c e sa r es t i l lm i s s i n g , w h i c hh a v eb e c o m et h eb a r r i e r si nr e l a t e t ot h ed e v e l o p m e n to fc m o si c s i nt h i st h e s i s ，s i m u l a t i o n ，m e a s u r e m e n t , p a r a m e t e re x t r a c t i o na n dm o d e l i n ga r ed i s c u s s e df o rp a s s i v e c o m p o n e n t t h e r ee x i s tt w om a i nm o d e l i n gt e c h n o l o g i e s ，e l e c t r o m a g n e t i c ( e m ) s i m u l a t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i t p h y s i c a lm o d e l t h ee mi s i n t r o d u c e df i r s ti n c l u d i n gd i s c u s s i o no ft w os o f t w a r e ( a n s o f ih f s sa n da d s m o m e n t u m ) u t i l i z e df o rt h eo r i e n t e dr e s e a r c ho fo n c h i pp a s s i v ec o m p o n e n t t h ee ma p p r o a c hi sa ne c o n o m i c a l e f f i c i e n tm o d e l i n gt e c h n o l o g yw i t ht h ed r a w b a c k so f v e r a c i t ya n ds c a l i n g t h ec h a p t e rt h r e ed e s c r i b e ssp a r a m e t e r m e a s u r e m e n ta n dd e - e m b e d d i n g , a n ds e v e r a lc o m m o nu s e dd e e m b e d d i n ga p p r o a c h e so r el i s t e df o rb o t ht w op o r t a n dm u l t i - p o r tn e t w o r kw i t hc o m p a r i s o np r o sa n dc o i l so fe a c hm e t h o d a l s o ，t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e li s s u m m a r i z e db a s e do nt h ed e - e m b e d d e dsp a r a m e t e r , s o m ew i d e l ya d o p t e di n d u c t o rm o d e l sa r ep r e s e n t e d ，s u c ha s s i n g l e i t e q u i v a l e n tc i r c u i t , d o u b l e - 7 re q u i v a l e n tc i r c u i t , a n ds e v e r a lo r i g i n a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e di n c l u d i n g n 石 e q u i v a l e n tc i r c u i ta n de q u i v a l e n tc i r c u i tf o rs y m m e t r i ci n d u c t o rw i t hc e n t e r - t a p t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l i n g t e c h n o l o g yb a s e do i lm e a s u r e dsp a r a m e t e ro fo n - c h i pw a v e rh a sb e e nb r o a d l ya d o p t e dd u e t oi t sa c c u r a c ya n d w i d e l yc o m p a t i b i l i t y f u r t h e r m o r e ，s o m ep a r a m e t e re x t r a c t i o na p p r o a c h e sa r ei l l u s t r a t e d ，a n dan o v e la p p r o a c h n a m e dc h a r a c t e r i s t i c - f u n c t i o ni se m p h a s i z e d c u r r e n t l y , t h em o s tp o p u l a ra p p r o a c hi si t e r a t i o nf i t t i n go p t i m i z a t i o n n e v e r t h e l e s s ，a l lt h e s ei t e r a t i o nm e t h o d sa r et i m ec o n s u m i n ga n dm a ye x p e r i e n c ep o t e n t i a lc o n v e r g e n c ep r o b l e m s i n c l u d i n gn o n - o p t i m a ls o l u t i o n sa n dn o n - c o n v e r g e n c er e s u l td u et ot h es t r o n gr e l a t i o no fi n i t i a lv a l u e si n p u t t h e n e wa p p r o a c hd e v e l o p e di nt h i sp a p e rc a na v o i dt h ep r o b l e m sh e r e i n , a n de x t r a c tp a r a m e t e r sf o rd i f f e r e n tm o d e l s s u c c e s s f u l l y m o r e o v e r , h i g hp r e c i s i o na g r e e m e n th a sb e e no b t a i n e db e t w e e nt h em e a s u r e dd a t aa n dt h em o d e l t h ep r e s e n t e dm o d e la n dm e t h o dw o u l dp r o v i d ea s s i s t a n c ef o ri ce n g i n e e ra n dr e s e a r c h e ri ne l e c t r i c a la r e r k e y w o r d s ： i n d u c t o r , t r a n s f o r m e r , s i m u l a t i o n ，d e e m b e d d i n g , m o d e l i n g ，e q u i v a l e n tc i r c u i t , p a r a m e t e re x t r a c t i o n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ll 目录1 ii 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 无源器件在集成电路中的应用1 1 2 1 在低噪声放大器中的应用l 1 2 2 在振荡器中的应用2 1 2 3 混频器中的应用2 1 2 4 功率放大器中的应用2 1 3 无源器件模型的研究和国内外发展前景3 1 4 论文的主要工作3 1 5 论文结构4 第二章无源器件的电磁场仿真5 2 1t s m c 射频c m o s 工艺5 2 2 采用h f s s 仿真t s m c0 1 8t u n 工艺c m o s 螺旋电感7 2 2 1h f s s 仿真软件设置7 2 2 2c m o s 螺旋电感的h f s s 仿真8 2 3 采用a d sm o m e n t u m 仿真t s m c0 1 8 岬工艺c m o s 变压器9 2 3 1a d sm o m e n t u m 仿真软件设置1 0 2 3 2c m o s 螺旋变压器的a d sm o m e n t u m 仿真和定性分析1 1 2 4 本章小结1 2 第三章器件测试与参数剥离1 3 3 1 电感的s 参数测试和寄生参数剥离1 3 3 1 1 二端口元件( 电感) 的s 参数测试1 3 3 1 2 二端口元件( 电感) 剥离方法1 5 3 2 多端口元件( 变压器，巴伦) 的s 参数测试和寄生参数剥离2 2 3 2 1 多端口元件( 变压器，巴伦) 的s 参数测试2 2 东南大学工程硕士学位论文 3 2 2 多端口元件( 变压器，巴伦) 的剥离方法2 2 3 3 本章小结2 5 第四章器件物理模型2 7 4 1 无源元件( 电感，变压器) 的主要技术指标2 7 4 1 1 电感的主要技术指标2 7 4 1 2 变压器的主要技术指标2 8 4 2 主流的电感等效电路模型2 9 4 2 1 单r 九参数等效电路模型2 9 4 2 2 分布电容模型3 0 4 2 3 考虑高阶效应的单石等效电路模型3 0 4 2 4 同时考虑串联高阶效应和衬底耦合电容的单万等效电路模型3 1 4 2 5 考虑衬底高频效应的单万等效电路模型3 1 4 2 6 双万等效电路模型3 2 4 2 7 其他等效电路模型3 4 4 3 本论文所提出的模型3 5 4 3 1 电感n t 等效电路模型3 5 4 3 2 带中央抽头的对称电感电路模型3 7 4 4 本章小结3 8 第五章特征函数参数提取法3 9 5 1 传统的参数提取方法4 0 5 2 新型的特征函数参数提取法4 l 5 2 1 单7 t 模型的参数提取4 1 5 2 2 考虑衬底耦合和串联支路高阶效应的单石模型的参数提取4 4 5 2 3 考虑衬底寄生电感的硅基传输线的片上电感模型的参数提取4 8 5 2 4 双7 r 模型的参数提取5 0 5 2 5n - z 等效电路模型的参数提取5 5 5 2 6 带中央抽头的对称电感等效电路模型的参数提取5 7 5 3 本章小结6 0 第六章总结与展望6 3 6 1 论文回顾6 3 6 2 工作展望6 3 6 3 总结6 5 i v v 第一章绪论 1 引言 第一章绪论 随着以电子通信等为核心的第三次科技革命的逐步推进，现代社会经济与社会得到了空前的发展。这 发展，又反过来要求和促进科技的发展。电子通信技术的基础及物理实现是集成电路技术，尤其是目前 流的深亚微米c m o s 集成电路技术，同样，这也是目前科学研究的热点。 无源器件是实现低成本、低电压、低功耗、低噪声、高集成度纳米c m o s 集成电路的重要元件，其性 极大的影响着整机性能，因而是整个集成电路研究的基础。从上世纪中叶开始，研究人员对无源元件模 进行了大量研究，如美国斯坦福大学，加利福利亚大学伯克利分校，伊利诺伊大学香槟分校等，都取得 重大的突破性的成果。然而，在某些领域，如在片螺旋电感( i n d u c t o r ) 和变压器( t r a n s f o r m e r ) 等方面， 没有固定的成熟的模型标准。由于其在高频所表现出的如高阶效应，衬底寄生效应等不定因素，因此加 高品质的无源器件和无源器件模型的建立是困扰射频工程师的难题。 1 2 无源器件在集成电路中的应用 片上无源器件包括电感，变压器，耦合器，共分器，传输线，巴伦等很多种类。在集成电路发展的早 期，因为片上无源器件占用芯片面积过大而且品质因数q 值低，无源器件通常都是在片外实现。随着集成 电路的工作频率的提高，封装寄生效应对电路的性能影响越来越严重，而芯片的集成度也越来越高，使用 片外元件很难满足目前集成电路设计的要求。随着工艺的进步，片上无源器件的q 值已经有了很大的提高， 使用片上无源器件不仅可以获得高的集成度，而且可以使电路具有更稳定的性制1 1 。目前，片上无源器件 ( 主要为螺旋电感和变压器) 在集成电路的设计中，尤其是射频集成电路设计中已扮演重要的角色。 以下以现代通信系统中发展最迅速的无线通信系统中部分组件为例，举例介绍无源器件在集成电路中 的一些应用。 1 2 1 在低噪声放大器中的应用 低噪声放大器( 1 0 wn o i s ea m p l i f i e r , l n a ) 是射频接收机重要的前端模块，它的性能很大程度上决定了 整个系统的性能，尤其是噪声系数方面。为了达到设计指标，在系统设计中常常采用片上螺旋电感来提高 整个电路的性能。文献2 1 设计的l n a 采用了分别置于源极，漏极和栅极的三个电感结构。对于输入阻抗实 l 东南大学工程硕士学位论文 部的宽带匹配，加入源极电感是一种常用手段。源极电感的通过其负反馈，提高了l n a 的输入阻抗，减 少了增益，提高了线性度。因为有栅极电容的存在，一般输入阻抗虚部是容性的，栅极电感的存在很好的 起到了补偿作用。精确的设计栅极电感，可以很好的减少和优化l n a 的噪声系数。漏极电感提高了l n a 的稳定性和输出匹配，但减少了2 到3 d b 的增益和4 d b 的线性度。同样，为了能更好的优化电路性能，文 献【2 1 中还给电感加上了保护环和地屏蔽层，以及合理的布局规划版图位置，进一步提高了电路性能。 1 2 2 在振荡器中的应用 振荡器要求高q 值的谐振回路，因此片上电感或者变压器的设计对电路成功与否取决定性作用。文献 【3 】中设计了一个在c 波段工作的振荡器( o s c i l l a t o r ) 。为了实现指标，设计中采用了一个高q 值的电感，此电 感是采用厚膜的玻璃环氧树脂多层印刷基板技术的有机多层板的圆形电感。通过这样的设计，电感在6 g h z 时达到了高达8 0 的q 值，从而大大改善了整个振荡器的相位噪声( - 1 1 3 d b c h z ) 。文献【4 】中设计了一个考 毕子( c o l p i t t s ) 振荡器。为了实现电路功能，采用了高q 值的变压器，同时还专门针对此变压器建模，提 出了一种全新的模型。文献【5 l 中采用了一个卷绕电感来设计压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r , v c o ) 。此电感成功的补偿了来自外部电路，尤其是驱动放大器( d r i v e r a m p l i f i e r ，d a ) 的电磁影响。此电 感两圈之间是完全反向的，从而成功的使得右边成功补偿了左边。 1 2 3 混频器中的应用 混频器具有非线性作用，会产生出大量的组合频率分量，这些频率分量中包括位于中频带宽范围附近 的很难滤除的组合频率分量。一个好的变压器，将很好的抑制在混频过程中产生的组合频率分量。文献【6 】 提出了采用变压器的混频器( m i x e r ) 。此混频器可以分为两个，第一个是宽带螺旋变压器混频器，第二个 是马逊式变压器混频器。设计者先对变压器建模，建模的基础上附加一系列针对性设计，成功得到了从直 流到4 0 g h z 频率工作范围内的混频器。 1 2 4 功率放大器中的应用 功率放大器( p a ，p o w e r a m p l i f i e r ) 简称功放是无线发射机的关键模块。在硅芯片中实现功率放大器 本身就是射频集成电路设计中的难题，而在低电压下实现高的功率输出和附加功率效率则更加困难。使用 片上变压器作为功放的输入级和级间耦合，由于变压器固有的隔直流特性使线圈间的直流偏置独立，极大 地缓解了低电压下的偏置问题。此外变压器可以提供匹配使电路获得最大的功率输出。文献【7 1 设计了一个 工作在5 8 g h z 的a b 型功率放大器( p ：a ) ，此功率放大器采用了以变压器为基础的功率连接，此结构可 以实现简单的功率控制，同时通过新技术实现了低插入损耗。 2 第一章绪论 1 3 无源器件模型的研究和国内外发展前景 由于无源器件在电路设计中的重要作用，而无源器件模型好坏决定了无源器件甚至整个电路设计的好 坏，因此无源器件模型的研究在射频集成电路设计中占重要地位。 一般说来，无源元件建模研究方法可以分为如下几个大类，首先是从元件本身物理性质出发，按照物 理的方法，推导出一系列公式，从而进一步发展出整套模型。但是此方法不能充分考虑器件在高频情况下 的各种寄生效应，也不能充分计算硅衬底的非绝缘性在高频时的耦合和损耗，从而不能提供很精确的模型。 其次是采用三维全波电磁场仿真的方法，在知道电感详细的几何结构参数、物理参数和工艺参数( 如掺杂 浓度等) 的前提下，提供较高精度的仿真建模。但很多情况下，一些电磁场仿真所需要的物理参数随频率 的变化以及工艺参数的详细分布情况并不完全了解，这样，也不能实现高精度的电感模型。目前最主流的 方法是在测试结果( 如s 一参数) 的基础上，反过来进行模型仿真。这样，可以建立一系列针对不同参数的 等效电路模型并具有和频率无关的分离元件( 1 u c ) 。这样的模型可以适用于很多集成电路仿真器，如s p i c e ， 并提供如时域、频域、以及噪声仿真。所以，等效电路模型被广泛地应用在c m o s 的工艺设计手册中。 因为高频的寄生效应以及衬底的耦合和损耗，使得等效电路的结构变得很复杂。这样，如何在测试的 s 参数基础上，提取电感等效电路参数，同样成为一个理论研究的重要领域，并且具有直接的工程技术价 值。传统的等效电路参数提取方法中，一个最常用的手段是迭代拟合的数值解方法。通过一定的搜索途径， 如遗传算法，指数下降法，二分法等，逐步调节各参数值，通过使仿真结果达到同测试结果的吻合来求其 参数值。但迭代拟合的存在如多参数系统的多值解和不具备物理意义的非最佳解，更严重的问题是，对于 不同的电感器件，其相应的非最佳解将无法提供一个合理的缩放率( 对尺寸的依赖关系) ，这个问题一直 是工程领域的重大课题。 在过去的几十年间，国际上电感从单兀模型到双t 模型，模型已经较为成熟，其中较为经典的文献包 捌8 】【1 2 】。但仍有不少盲点需要进一步的研究。相应的，变压器模型还不成熟，仍然需要大量艰苦的工作。 近几年我国在该领域研究发展迅速，其中北京大学王阳元教授所在的项目组和清华大学余志平教授的项目 组都取得了相当的成就，如文献【1 3 1 ，【1 4 j 所述。同样，东南大学我所在的黄风义教授项目组，也在期间取得了 相当的进展，相关成果先后发表在一些国际权威杂志，如i e e ej s s c ，i e e ee d l 和i e e e 聊t t 等，具体 参考文酬1 5 h 2 0 1 。其中，部分成果已经达到或接近了国际先进水平。 1 4 论文的主要工作 本论文将在过去几年间本项目组在电感模型领域的研究基础上，开展一系列补充和完善性的研究，并 重点介绍一些本人的研究心得和成果。其中包括对电感和变压器的电磁场仿真，在电磁场仿真基础上对电 3u 东南大学工程硕士学位论文 感和变压器的定性分析，二端口和四端口元件的参数剥离，针对带中央抽头的对称电感等效电路模型，高 精度的n - a 等效电路模型，以及一种具有物理意义的特征函数法求解电感元件模型参数的方法，本方法是 我们项目组在电感模型领域自主开发的具有原始创新性的参数提取途径。 1 5 论文结构 整篇论文主要分为六个部分。第二章介绍了针对无源器件的电磁场仿真，其中分别采用a n s o f th f s s 三维电磁场仿真环境和a d sm o m e n t u m 二点五维的电路级电磁场仿真，通过设置合理的参数值来仿真 t s m c0 1 8 微米工艺基础上的螺旋电感和变压器，并在此基础上进行了定性和部分定量研究。第三章分别 介绍了针对二端口网络和四端口网络的测试和参数剥离方法，这些测试和参数剥离，是整个建模工作的前 提条件。第四章重点介绍了在片螺旋电感的等效电路物理模型，分别分析了传统的单万等效电路模型和先 进的双万等效电路模型，并在这些基础上，介绍了本人的主要模型工作，如带中央抽头的对称电感等效电 路模型和高精度的n - x 等效电路模型，本文提出的可缩放模型取得了较好的仿真精度。第五章主要介绍了 螺旋电感等效电路的参数提取方法，该章首先以遗传算法为例介绍了目前广泛采用的迭代拟合优化方法的 优缺点，在此基础上本项目组创新性的提出了解析性参数提取方法特征函数法。并为不同的螺旋电感 结构和模型开发了相应的解析性参数提取方法，都取得了理想的精度。最后第六章中简单讨论了后续工作 和对未来研究的展望。 4 第二章无源器件的电磁场仿真 第二章无源器件的电磁场仿真 硅片上无源元件建模具有种类繁多的方法，如基于r l c 元件的等效电路物理模型，这类模型根据电感 的尺寸、工艺参数能够计算出电感模型的元件值，它们具有较好的可缩放性，能使用于不同的电感，便于 电感的优化，但是这类模型具有较低的精度，往往不适用于高精度仿真。近些年，由于电磁场仿真工具的 不断进步，特别是能提供很高精度的器件s 参数的仿真软件的问世，同时结合其具有建模周期短，开销少 ( 无需流片) ，并且能为其他建模方法提供准确的模型参考数据，电磁场仿真已成为无源器件建模中比较 重要的手段。 适用于无源器件的仿真器主要分为以下两类。一类是通用的电磁场仿真工具，包括h f s s ，s o n n e t ， a d sm o m e n t u m 和i e 3 d 等。 另外一类是专门应用于电感和变压器的仿真工具，如a s i t i c ，f a s t h e n r y ， s i s p 等。大多数仿真器对于各种机制的模拟比较充分，具有较好的精度。例如，通用的a n s o t t h f s s 是自 适应网格剖分，a l p s 快速扫频，切向元等专利技术的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无 源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、s 参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。 该软件被广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域。 其精度较高，但仿真结果有时并不适用于电路，同时三维仿真需要大量的仿真时间，不利于电感的优化和 调试。通用的a d sm o m e n t u m 是一个具于矩量法的2 5 维平面电磁场仿真工具，它可以用于模拟各种类 型衬底上的各种几何结构的无源器件，仿真器具有良好的收敛性和较快的速度，较好的稳定性，比较适用 于电感的优化。其专门针对电路设计，突出性的集成了衬底模块，完全按照集成电路的标准来设计，但存 在仿真精度不高的问题。 以下将以具体的t s m co 1 8 t u nc m o s 工艺为例，介绍a n s o f lh f s s 和a d sm o m e n t u m 这两款主流软 件的建模设置，并完成对电感和变压器的电磁场仿真。首先，这里将介绍t s m c0 1 8 9 mc m o s 工艺的基 本设计规则。 2 1t s m c 射频c m o s 工艺 不同的工艺影响着不同的电路性能，工作频率和集成度，也影响着不同的片上螺旋电感和变压器品质 因数。目前标准的c m o s 工艺的发展趋势，是使用更短的栅长和更多层的金属以达到更好的性能，更高的 速度和更高的集成度。对于无源元件来说，影响其品质因数的重要工艺参数主要有金属的厚度，金属的电 导率，氧化层的厚度，氧化层的介电常数以及衬底的介电常数和电导率等。为此，人们不断改进工艺参数 5 东南大学工程硕士学位论文 以提高无源元件的品质因数。常用的工艺改进方法有以下几种：使用电导率更大的金属，如a u 和c u ；增 加金属层的厚度，增加介质层厚度，如采用微机械方法生成厚二氧化硅隔离层；使用掺杂的硅衬底以增加 衬底电阻率等。 t s m cc m o s 从o 1 8 岬工艺开始，专门为模拟集成电路设计提供了用于加工片上螺旋电感和螺旋变 压器，能够提高电感和变压器性能的厚顶层金属1 2 1 1 。图2 1 是t s m co 1 8 1 m a c m o s 工艺的剖面图，其具有 六层金属，包括增厚的第六层金属。表2 1 和表2 2 分别列出了t s m co 1 8 1 m 射频c m o s 工艺的金属和介 质的工艺技术参数。 酝绺氇滋缪魄蹴沲巍鍪霉。：奠：土：善：鬻运菇淄 0 网一瑙卜：；i 跚 - ! 一_ _ - 一，_ _ _ 目l 一 一 o i j 己i j = 。瑚 一吲。j 。= = ? = 啊1 = ? = ：? 瓤p 。_ ：。 ：霄卵1 。一一q ：0 矿。 ? p = j ：呵= 。= 。= 。用+ 。_ = 可+ = 。= = = ： o 巧矿：阿1 ：日：。1 r 一嚣分；i = = ：r 函砷：i = ；= = ： = ! = = ：! = ；= ；f 簖f = = ： ；= ! = ；：搏嘲： ；= ；= o j ： ：， 一： ： 一 ：；。：= + ： ： 誓：r 雷竹：广雷州努；：置! ：；产背州：。! ；! 智f r f ：；：! a r m m 一一 s n b 日浩餐 图2 1t s m co 1 8 微米c m o s 工艺的剖面副2 1 1 表2 1t s m c 0 18 微米c m o s 工艺金属的主要技术参数【2 1 】 厚度最小宽度最小间距 导电率( s m )金属和f o x 下衬底的 金属 ( 埃)( 岬) ( 1 u n )距离( 埃) 0 1 8o 2 5 ( d o m )( d o m ) p o l2 0 0 03 5 0 0 o 1 60 2 7 ( d o s )( d o s ) m l 5 3 0 00 2 3o 2 32 4 1 0 71 1 0 0 0 m 25 3 0 00 2 8o 2 82 4 1 0 72 4 8 0 0 m 35 3 0 0o 2 80 2 82 4 1 0 73 8 6 0 0 m 45 3 0 00 2 80 2 82 4 1 0 75 2 4 0 0 m 5 5 3 0 00 2 80 2 82 4 1 0 76 6 2 0 0 m 62 3 4 0 01 51 52 4 1 0 78 1 5 0 0 6 第二章无源器件的电磁场仿真 表2 2t s m co 1 8 微米c m o s 工艺介质层的主要技术参划2 1 1 介质 厚度( 埃)变化范围电介质常数 f o x 3 5 0 01 7 1 3 9 i l d7 5 0 02 1 4 4 0 i m d l a 1 1 8 0 02 0 3 7 i m d i b 2 0 0 0 3 4 2 i m d 2 a * 1 1 8 0 02 0 3 7 i m d 2 b 2 0 0 0 3 4 2 i m d 3 a * 1 1 8 0 02 0 3 7 i m d 3 b 2 0 0 03 4 2 i m d 4 a 1 1 8 0 02 0 3 7 i m d 4 b 2 0 0 03 4 2 i m d 5 a + 1 1 8 0 02 0 3 7 i m d 5 b 3 5 0 03 4 2 p a s s l 2 5 0 0 01 0 4 2 p a s s 21 5 0 01 0 4 2 p a s s 36 0 0 01 0 7 9 + ：介质层1 l d ，i m d l b ，i m d 2 b ，i m d 3 b ，i m d 4 b ，i m d 5 b 过刻蚀( o v e r e t c h e d ) 1 0 0 0 埃。 “：介质层p a s s l 用高密度等离子体化学气相淀积( h d p ) 方法淀积制备，顶层金属以上最小厚度为5 0 0 0 埃，当顶层金属宽度大于2 9 m 时，最小厚度为1 0 0 0 0 埃。 ”：f o x 层的厚度在p o i 层下大于i l d 层5 0 0 埃。 2 2 采用h f s s 仿真t s m co 1 8l a r n 工艺c m o s 螺旋电感 a n s o f t 公司开发的h f s s 是一个强大的三维电磁场仿真软件，下面我们以t s m co 1 8l a m 工艺的c m o s 螺旋电感为例，简要介绍在a n s o f th f s s 环境下的仿真方法。 2 2 1h f s s 仿真软件设置 h f s s 是一款运算量巨大的仿真软件，需要巨大的内存支持和较长的仿真时间。一般说来，必须要用 合理的仿真参数和得当的仿真设置来提高运算速度，减少内存需求。为了得到精确的仿真，以下几点非常 重要。 ( 1 ) 简化测试结构( d e v i c eu n d e rt e s t ，d u t ) 。可以通过合并相同材料的金属过孔，连线等来简化仿真 结构，加快仿真速度。 ( 2 ) c a d e n c e 版图的g d si i 文件能导入到h f s s 仿真环境。 7 东南大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 空气盒的外径最好设置为仿真结构的两倍。当空气盒的尺寸足够大时，辐射边界条件会自动等价 于完全电场边界条件( p e r f e c teb o u n d a r y ) 。 ( 4 ) 为模拟g s g 探针测试环境，h f s s 的分析类型( s o l u t i o nt y p e ) 需要被选择位端口驱动模式( d r i v e n t e r m i n a l ) 。 ( 5 ) 分析导体内部( s o l v et h ei n s i d ec o n d u c t o r ) 。导体的电导率较高，分析导体内部需要大量的网格， 因此需要花费更多的仿真时间。当选择分析高电导率的材料时，h f s s 会警告用户，该警告可忽略。 ( 6 ) h f s s 能自适应剖分网格，使用基于长度的网格剖分初始化网格( 1 e n g t h - b a s e d ) 。为节省仿真时间， 网格的最大数目可以设置为5 0 0 0 。 ( 7 ) 将接地环金属设置为超导金属( p e r f e c tc o n d u c t o r ) 。 ( 8 ) 在地线和无源结构之间定义集总端口( 1 u m p e dp o r t ) 。设置阻抗为5 0 欧姆，激励端口的积分线 ( i n t e g r a t i o nl i n e ) 从地指向测试器件( d u t ) 。 ( 9 ) 为了得到精确的仿真结果，在h f s s 的分析设置中( a n a l y s i ss e t u p ) ，最大d e l t as 可以设置为小于 0 0 1 。同时为了减少迭代和加快仿真速度，l a m b d a 优化项推荐使用0 0 5 ，并使用内插扫描( i m e r p o l a t es w e e p ) 。 ( 1 0 ) 在h f s s 中绘制仿真器件结构时尽量保证物体边角的光滑性。 更多的仿真注意点可以参考。 2 2 2c m o s 螺旋电感的h f s s 仿真 图2 2 是3 5 圈方形硅片螺旋电感在h f s s 仿真环境中的三维示意图。该电感的金属宽度设置为1 5 微 米，金属间距为1 5 微米，内径为6 0 微米。仿真中为了减少内存使用，在三维模型中使用一相对介电常数 为4 的氧化层来代替t s m c0 1 8 微米c m o s 的多层介质( 包括氧化层，多晶硅，低层金属和中间填充物) ， 衬底选择电导率为1 2 2s m 。图2 3 是h f s s 仿真的螺旋电感的s 参数和该尺寸电感的测试s 参数的比较 图，从图上可以看出，在频率范围o 1 - - 6 g h z 内，h f s s 具有很高的仿真精度，这为螺旋电感的建模提供了 一种有效的方法。 8 第二章无源器件的电磁场仿真 一_ _ 图2 2 3 5 圈方形硅片螺旋电感在h f s s 中的仿真结构示意图 图2 3 h f s s 仿真的3 5 圈、1 2 0 p m 外径、1 5 i t m 线宽、2 i n n 线间距的螺旋电感s 参数和测量s 参 2 3 采用a d sm o m e n t u m 仿真t s m co 1 8 岬工艺c m o s 变压器 由于h f s s 软件通常采用复杂的三维计算，需要大量的时间和很高的硬件要求，同时该软件并 门针对电路设计，所以，针对更为复杂的器件，如变压器等，h f s s 并不适用。因此，需要用到专 9 东南大学工程硕士学位论文 集成电路来设计的2 5 维a d sm o m e n t u m 来进行仿真。下面我们将简要介绍在a d sm o m e n t u m 环境下 c m o s 螺旋变压器的仿真方法，同时给出对变压器简要的定性分析。 2 3 1a d sm o m e n t u