基于厚铜工艺的高性能片上螺旋电感研究

摘要

近年来，硅基片上螺旋电感作为射频芯片的关键器件，已成为国内外产业界的研究热点。利用先进铜工艺技术在标准硅衬底上制作射频器件及电路，符合射频终端低成本、全集成的发展需求。
　　本文采用单大马士革铜互联工艺技术，开发了厚铜工艺，并设计了系列片上电感进行了流片，并进行了测试和分析了单圈和差分电感，并利用自感应参数方法针对差分电感完成电感参数提取及电感建模工作，从而满足客户在射频集成电路设计者的应用。
　　本文主要工作如下：
　　基于电磁场理论系统分析了片上螺旋电感的损耗机理及影响电感品质因子Q值的多种结构参数，同时利用三维高频仿真工具HFSS对多种工艺和结构参数的电感进行了大量的模拟仿真，验证了采用厚铜工艺对提高高性能片上电感性能的重要性，并设计完成了系列电感来评估其性能。本文基于0.13μm铜后道工艺线，采用单大马士革工艺技术，通过深高宽比的深槽刻蚀和化学机械抛光等关键工艺开发，建立了生产螺旋电感所需采用的厚铜互联制造工艺流程，在200mm晶圆生产线上制备了3μm厚的顶层金属导线，其方块电阻达到6毫欧姆，实现了高性能电感的制造。
　　测试分析和模型提取。通过在片高频测试系统，对制备完成的大量厚铜片上螺旋电感进行了系统的测试分析，测试结果符合设计规格。结果显示：电感值L为2.2nH的片上电感，在工作频率为2.2GHz时其Q值达到16.6，大大优于相同结构的铝电感。
　　针对差分电感，完成电感参数提取及电感建模工作。本文采用的一种基于物理的、完备的、可按比例变化的电感模型，具有三维可伸缩，能够准确描述低频特性，包含修正的趋肤效应和邻近效应。通过比较非对称电感模型仿真数值与测量数值间的差异，该模型能够做到使大部分尺寸电感Q值和L值误差小于10％，满足业界应用的要求。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 片上电感研究现状及应用

1.3 本课题研究的意义

1.4 本课题研究的内容

1.5本论文的结构

第二章 片上螺旋电感的理论分析基础

2.1电感的物理基础

2.2 片上螺旋电感的基本结构及分类

2.3 片上螺旋电感的性能参数

2.4片上螺旋电感的损耗分析

2.5电感模型的建立分析

第三章 片上螺旋电感设计及工艺制备

3.1 高性能片上电感设计对工艺的要求

3.2厚铜工艺开发

3.3 片上螺旋电感的设计

3.4高性能片上螺旋电感的制造

第四章 片上螺旋电感的测试分析及建模

4.1片上螺旋电感测试分析

4.2电感模型的建立

第五章 结 束 语

参 考 文 献

附录1 模型中各几何尺寸的物理含义

附录2 模型中各几何尺寸的计算公式

附录3双π scalable模型中的工艺参数列表

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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