集成工艺中的无源元件-电感的集成

东南大学射频与光电集成电路研究所陈志恒,Sep-23,2002《射频集成电路设计基础》讲义集成电路中的无源元件‰引言‰一些基本概念‰电阻‰电容‰电感概述‰螺旋电感值的计算‰电感模型‰影响Q值的因素‰电感的其他集成方式‰参考文献射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件引言1of30↵引言•衡量一种工艺是否适合于射频电路的集成不仅要看它能否提供高频性能优良的晶体管，还要看它能否提供高品质的无源元件–与分立元件电路设计相反，集成电路中晶体管随手可得而且所占面积越来越小，而无源元件却因占用面积较大，代价昂贵。并且由于要兼顾整体性能，尤其是晶体管的性能，集成无源元件的品质常常差强人意，因此无源元件的大量使用对集成显然是不利–随着工艺的发展，当晶体管性能已经获得大幅度的提高，无源元件逐步成为电路集成的瓶颈时，改进工艺就显得有必要。例如CMOS工艺，目前已经出现所谓的RFCMOS和混合信号(Mixed-Signal)CMOS，它们与传统CMOS工艺的最显著区别就在于提供了较高品质的无源元件•集成无源元件的选择依据：成本(占用面积小)、品质因数、工作频率、寄生参数、容差(Tolerance)、匹配(Matching)、稳定性(温度系数)、线性度(是否随电压变化)等射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件一些基本概念2of30↵一些基本概念•集成电路中的“层”(Layer)–可以认为集成电路是在一块基座上不同几何尺寸的不同材料的堆砌»基座：衬底(Substrate)，机械支撑作用，构成元件的基本材料»半导体：不同掺杂浓度的半导体材料，主要用于形成有源器件»绝缘层：二氧化硅等，用作隔离和介质»连接层：金属、多晶硅，器件之间的连接；可构成电阻、电容、电感–硅(CMOS)工艺中的物理层»P型或N型硅衬底，典型电阻率约10Ω-cm，数百微米厚»P阱、N阱(P-well,N-well)，方块电阻1kΩ，制作晶体管的基础，阱与阱之间，阱与衬底之间具有隔离作用»P型和N型扩散层(P-diff,N-diff)，MOS管的源、漏极»多晶硅(Poly)»金属(M1,M2,...)»接触孔和过孔(ContactsandVias)射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件一些基本概念3of30↵–砷化镓金属-半导体场效应管(GaAsMESFET)工艺中的物理层»半绝缘砷化镓衬底»N型砷化镓半导体»金属栅和金属连接层»欧姆接触和过孔射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件一些基本概念4of30↵•趋肤效应(SkinEffect)(1)–f:频率，µ:磁导率，σ:电导率–距离导体表面(或底面)x处的电流密度为(A/m2)，如果导体厚度为t，宽度为w，那么流过导体的总电流为所以导体的有效厚度为(2)其等效电阻为(3)δ1πfµσ-----------------=JJ0ex–δ⁄⋅=IJw⋅()xd0t∫J0ex–δ⁄w⋅()xd0t∫J0wδ1et–δ⁄–()===teff1et–δ⁄–()δ=Rρlwteff----------lw1et–δ⁄–()δσ------------------------------------==射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电阻5of30↵电阻•电阻、电阻率和方块电阻(SheetResistance)––SheetResistance=ρ/t•S型电阻的估算–每个方块电阻值为–转角处的方块约为0.5-.55–接触孔所在方块电阻(不含接触孔电阻)约为0.14ρtWLIMetal1RρLWt-------ρt---LW-----RLW-----===RRRRR∴42×31×60.55×20.14×+++()R≈14.58R=射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电阻6of30↵•CMOS工艺中的常见电阻材料(数值仅供参考)•MOS电阻线性区MOS管的漏极电流为，近似于一个电阻，其优点是占用面积小，主要缺点是线性较差，温度系数较大SheetResistanceToleranceTemperatureCoefficientPolysilicon20-50Ω/sq(non-silicide)1-5Ω/sq(silicide)Absolute:±10%Matching:2%500-1500ppm/°CDiffusion(silicide)15-30Ω/sq(N+)40-200Ω/sq(P+)Absolute:±2-10%Matching:0.1-0.5%500-1500ppm/°CWell1-5kΩ/sq(N-Well)Absolute:±30%Matching:±5%~3000ppm/°CIdµCOXWL-----VGSVth–()VDS12---VDS2–=RDS1I∂VDS∂⁄---------------------1µCOXWL⁄()VGSVth–VDS–()--------------------------------------------------------------------------==射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电阻7of30↵•砷化镓工艺中的电阻–薄膜(ThinFilm)电阻»TaN或NiCr合金»高精度»TCR±100ppm/°C»寄生效应小»~20-200Ω/square–砷化镓电阻»N型GaAs半导体、欧姆接触»+1000ppm/°CR射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电阻8of30↵•电阻的温度和电压系数TCR–温度系数»一阶的电阻-温度函数R(T)=RT0[1+TCR(T−T0)]，T0通常取27°C»忽略二阶温度效应，两个相同材料的电阻R1(T)=R1,T0[1+TCR(T−T0)]，R2(T)=R2,T0[1+TCR(T−T0)]的比值，从中可以得出什么结论？–电压系数»»N-well电阻的电压系数大约为200ppm/V•电阻相对误差–TCR1R---dRdT-------⋅=R1T()R2T()--------------R1T0,1TRCTT0–()+[]R2T0,1TRCTT0–()+[]----------------------------------------------------------=R1T0,R2T0,-----------=VCR1R---dRdV-------⋅=RV()RV01VCRV⋅+()=R∆R-------L∆L-------W∆W--------–R∆R-------------+W∆W--------–≈=射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电阻9of30↵•电阻的匹配–不匹配的原因主要是集成电路工艺中的不一致性，例如掩模制作中的尺寸和对齐误差，注入、扩散和蚀刻过程中的不均匀性等引起的–叉指形(Interdigitized,Fingered)的结构可以提高元件之间的匹配程度–中心对称(Common-centeroid,symmetrical)的结构具有更好的匹配特性，但是走线比较复杂，并且可能引起寄生量的失配–使用DummyLayoutRdistance射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电容10of30↵电容•介电常数、电容、边缘(Fringe)电容–自由空间的介电常数ε0=8.854×10−12(F/m)–单位面积电容(fF/µm2)–单位边长电容fF/µm–二氧化硅εr=3.9,如果tox=1µm,Cox=34.5(aF/µm2)•CMOS工艺中的电容–平板电容»金属层叠：通常两层金属之间的电容只有30-40aF/µm2»Poly-Poly2：~0.9fF/µm2»MIM(Metal-Insulator-Metal):~1fF/µm2εrtoxCε0εrtox---------=射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电容11of30↵–边缘电容(Fringing)»有效地利用金属边缘(横向)的电容可以极大地增加单位面积电容值(10倍以上)–PN结电容–电容相对误差，»P＝L＋W为周长，A＝W×L为面积»为了减小误差，应尽量减小P/A的比值，所以正方形比长方形误差小»为了提高匹配程度，两个电容的P/A比值应该相同C∆C-------L∆L-------W∆W--------+LW+()δLW----------------------==C∆C-------PA---∝∴射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电容12of30↵–一个0.25umCMOS工艺中的电容参数Table1:CapacitanceParametersofa0.25µmCMOSProcessN+ActiveP+ActivePolyM1M2M3M4M5M4PN-wellUnitsAreaSubstrate165018921023416105460aF/µm2AreaN+Active61805221141210aF/µm2AreaP+Active5904aF/µm2AreaPoly60181186aF/µm2AreaM14316107aF/µm2AreaM2421610aF/µm2AreaM34115aF/µm2AreaM440970aF/µm2FringeSubstrate3853163?423624aF/µmFringePoly7142322521aF/µmFringeM16138aF/µmFringeM2543730aF/µmFringeM35340aF/µmFringeM463aF/µm射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电感概述13of30↵电感概述•电感在电路中的应用–阻抗转换–调谐负载–反馈–滤波–单双端转换–分布式放大器•集成电感的可能性–低频：L大，集成不现实，多用分立元件–高频：L较小，片外分立元件的精确难以控制，而在芯片上占用的面积相对较小–现代IC工艺中金属层不断增加电感质量有可能同步提高射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电感概述14of30↵•工艺的限制–在传统的集成电路工艺中，电感不是一个标准元件，因此在工艺的描述文件中通常只能找到晶体管、电阻、电容的参数–当前的硅工艺(Bipolar,CMOS,BiCMOS)已经能够提供高频性能良好、胜任数GHz(low-gigaherz)频段工作的晶体管，但是却难以提供高品质因数的电抗元件，主要原因之一在于高参杂的硅衬底引起高频损耗–由于寄生参数多、高频分析复杂，长期以来在片电感的设计一直缺乏精确的模型和高效的辅助设计工具–砷化镓(GaAs)工艺的情况要好得多，其“半绝缘”的衬底和空气桥(Air-Bridge)技术大大降低了衬底引起的损耗–随着硅工艺和硅工艺射频集成电路的发展，情况正在得到改善»在CMOS中改用低参杂(电阻率约15Ω-cm)衬底结合双阱或三阱工艺»提供较厚的顶层金属用于电感的制作或高速互联并提供相应的模型»MEMS?射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件电感概述15of30↵•螺旋电感(SpiralInductors)–平面螺旋电感很早就用于PCB、陶瓷等介质上，八十年代末开始在砷化镓芯片上得到广泛应用。–在硅片上的第一次成功尝试从文献报道来看是UCBerkeleyR.G.Meyer教授的研究小组在1989年完成的[2]，主要参数如下LfresonantQ大电感9.7nH2.47GHz3@0.9GHz小电感1.9nH9.7GHz8@4.1GHz射频集成电路设计基础集成电路中的无源元件螺旋电感值的计算16of30↵螺旋电感值的计算•早在七十年代，H.M.Greenhouse就给出了很精确的平面矩形螺旋电感直流电感量的计算公式[3]，总电感被表示成组成矩形螺旋的各段(Segment)导体自电感与段间互电感之和。如果一个矩形电感由N圈4N个金属段组成，那么总共要计算4N个自感值，2N