专利名称：：确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法
技术领域：
：本发明涉及射频通信技术中集成电路平面螺旋电感的分析与应用，具体涉及一种确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法。
背景技术：
：平面螺旋电感是射频无线通信系统中重要的无源器件，广泛应用于射频前端各个模块，如射频预选回路、低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)以及LC回路等模块。设计射频芯片时采用多层布线实现可集成平面螺旋电感，不仅可以减小芯片面积，实现单片射频集成电路(RFIC)，而且能降低电路的功耗和噪声，从而提高电路性能。巨大的市场需求推动了无线通信技术的迅速发展，SOC技术日新月异，可集成平面螺旋电感的射频性能及应用成为国内外研究热点。由于平面螺旋电感的射频电感值不仅与复杂的结构参数、工艺参数有关，而且取决于高频时的各种寄生效应，因而很难简单地由结构参数直接获得，而要获得实用的工作点频段对应的射频电感值就更加困难。在人们将大量精力投入于提高电感品质因数g值，建立精确的RLC模型时，对于精确分析电感值的方法研究却*緩慢。1974年Greenhouse提出了一种精确的电感值计算方法，但计算方法本身较繁瑣且效率低，受限于当时的制备技术，该算法适用于较大尺寸电感，工作频率为几十至几百MHz。1999年斯坦福大学提出了Wheeler公式、电流近似公式和数值拟和公式来分析平面螺旋电感，三种算法虽然简便高效，但只适用于分析金属线宽及间距为常数、形状规则的平面螺旋电感，并且该算法只考虑了电感的结构参数，忽略了一些实际工艺参数(如金属膜厚、芯片面积等)的影响。2002年SnezanaJenei提出了电感值的整体平均算法，该算法简洁、高效、精确，但也只能适用于分析金属线宽及间距为常数且形状》见则的平面螺旋电感。2005年华东师范大学提出了分圈迭代算法，该算法的最大特点是可用于分析金属线宽及间距变化的平面螺旋电感。但是上述分析技术都有一个共同的不足之处只能用于计算低频电感值，无法获得射频频段的电感值。
发明内容本发明所解决的技术问题在于提供一种能够快速、准确获得平面螺旋电感射频频段电感值的方法，以弥补现有技术的缺失。为了解决上述技术问题，本发明提供一种确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，所述电感具有一自谐振荡频率X，所述方法包括下列步骤确定平面螺旋电感的低频电感值Z。；获取品质因数最大值所对应的电感工作频率;根据电感的衬底类型确定与制备电感衬底相关的系数p;将低频电感值丄。乘以一个系数的p次方以得到射频频段的电感值，该系数是/9鹏与,的比值与1的和，其中，与制备电感衬底相关的系数"是通过对同一种衬底类型、不同结构的平面螺旋电感进行模拟及测试，获取多组上述参数值，并根据这些参数值的上述关系进行拟合而获得。进一步地，系数"是一个小于1的正数。进一步地，所述的低频电感值￡。釆用Greenhouse算法、S.Jenei算法或者分圈迭代算法确定。进一步地，所述的与制备电感衬底相关的系数々根据不同的衬底类型确定如下低阻硅对应的"值为0.10±0.03;高阻硅对应的y9值为0.20±0.02;SOI衬底对应的p值为0.25±0.05;砷化镓对应的^值为0.35±0.05;石英衬底对应的^值为0.40±0.03。其中，上述的低阻硅是指电阻率为5-20Q.cm的硅衬底材料；所述的高阻硅是指电阻率大于等于lOOOQ.cm的硅衬底材料；所述的SOI衬底是指埋层氧化硅厚度为0.1拜，顶层硅厚度为0.3拜，硅电阻率为1000Q'cm的硅衬底材料。本发明的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，通过设定合理的;5值，并根据电感的基本结构参数与;S值的关系，可以方便准确地确定射频频段的电感值，填补了现有技术的空白。由于对应同一种村底材料，其々值是固定的，因此，在采用本发明的方法确定射频电感值时，完成低频电感值丄。的计算之后，其余步骤不会受到电感版图参数及工艺参数的影响，如此可P争低片上无源电感的设计难度。具体实施方式以下将对本发明的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法作进一步的详细描述。从实际电路的设计出发，从宏观上对低频电感值计算方法进行修正，以获得精确的射频频段电感值，是本技术的核心所在。根据电踪要求确定电感值、带宽、工作频率及最大g值等设计规格参数，以确定工作点频率以及该频率点的电感〗直。首先根据Greenhouse、S.Jenei、分圈迭代等算法，通过使用业界公认精度很高的三维电磁场仿真软件HFSS进行模拟分析，计算出低频电感值Z。，然后若干次实际流片和测试分析，寻求基于低频电感值i:。的计算平面螺旋电感射频电感值的公式，即下文所述的闭合公式，并通过系数々的适当选取建立了射频电感值和对应低频值之间的联系。具体地，本发明的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，是根据平面螺旋电感的低频电感值i:。、电感自谐振荡频率y;,对应品质因数g最大值时的工作频率/9_(设定电感工作在Q最大值对应的频率点附近)以及系数-，利用闭合公式来确定射频频段电感值i^的，该闭合公式如下入'1+/gm祖上式中，P表示与衬底相关的系数，是一个小于l的正数，该;9值是通过对同一种衬底类型、不同结构的平面螺旋电感进行模拟及实际高频电感值的测试，获取多组丄。、,、人_、、的值，并基于这些值根据上述闭合公式进行拟合而获得。对于不同的村底类型，；0的取值请参阅表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>其中，低阻硅是指电阻率为10&cm的硅衬底材料；高阻硅是指电阻率大于1000Q*cm的珪衬底材料；SOI衬底是指埋层氧化硅厚度为O.l拜，顶层硅厚度为0.3pm，珪电阻率为1000Q'cm的硅衬底材料。下面以高阻硅和低阻硅为例给出两个具体实施例。实施例一为在电阻率为lOOOQ.cm的高阻硅衬底上制备平面螺旋电感，/取值为0.20，具体数据如表2中No.14所示；实施例二为在电阻率为10Q.cm的低阻硅衬底上制备平面螺旋电感，〃取值为0.10,具体数据如表2中No.58所示。上述两个实施例，衬底厚度均为350拜。电感制备工艺流程为首先在硅衬底上热生长厚度为lnm的Si02,然后溅射并电镀厚度为0.5pm的金，形成电感下层金属；介质层由等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺淀积厚度为6000A的二氧化硅实现，光刻并刻蚀出通孔后，溅射并电镀厚度为1.8pm的金，形成电感的上层金属。电感外径为400iim。针对基于上述工艺制备的不同圏数电感样品进行参数测量，数据汇总如表2所示，No.l4为高阻硅衬底上制备样品，No.5~8为低阻硅衬底上制备样品。所分析性能参数包括自谐振荡频率、2值最大对应的频率、低频电感测量值丄,_、工作频率点电感值4_以及采用本发明的闭合公式拟合的电感值~。此外，还定义了两个相对误差参量E1、￡2来验证本发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表征了电感测量结果中射频段电感值与低频电感值之间的误差；而￡2表征了采用本发明的方法确定的射频电感值与射频段电感测量值之间的误差。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>针对上述两种实施例，从￡1值可以看出，用低频电感值i^。代替g值最大时所对应的电感值，误差非常大，对于一些分析样品，该误差值接近10%。而￡2的值则有明显的减小，表明本发明方法分析得出的射频电感值^则精确得多，一般误差不大于2%，低阻硅衬底样品的误差更小。需要说明的是，虽然上述两个实施例中针对不同的衬底类型均选取了p取值范围的中间值，但实际上采用/取值范围中的任意值都可以达到较佳的技术效果，其分析得出的射频电感值的误差均在2.5%以内，明显优于现有技术，并且符合实际电感设计的精度要求。电感工作在低频和高频不同频段处，其电感值有明显差别。本发明的确定集成电路平面螺旋电感的射频频段电感值的方法充分考虑了这一差异，能精确有效地确定工作点频段处的电感值，从而提高了射频平面螺旋电感的设计精度及准确性，同时降低了射频可集成无源器件及相关电路的设计难度和设计周期。该方法尤其适用于确定最大0值附近频段的射频电感值。'权利要求1、一种确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，所述电感具有一自谐振荡频率fr，其特征在于，所述方法包括下列步骤确定平面螺旋电感的低频电感值L0；获取品质因数最大值所对应的电感工作频率fqmax；根据电感的衬底类型确定与制备电感衬底相关的系数β；将低频电感值L0乘以一个系数的β次方以得到射频频段的电感值，该系数是fqmax与fr的比值与1的和，其中，与制备电感衬底相关的系数β是通过对同一种衬底类型、不同结构的平面螺旋电感进行模拟及测试，获取多组上述参数值，并根据这些参数值的上述关系进行拟合而获得。2、如权利要求1所述的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，其特征在于系数々是一个小于1的正数。3、如权利要求1所述的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，其特征在于所述的低频电感值Z。采用Greenhouse算法、S.Jenei算法或者分圈迭代算法确定。4、如权利要求1所述的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，其特征在于，所述的与制备电感衬底相关的系数y根据不同的衬底类型确定如下低阻硅对应的p值为0.10±0.03;高阻硅对应的-值为0.20±0.02;SOI衬底对应的/值为0.25±0.05;砷化镓对应的〃值为0.35±0.05;石英衬底对应的-值为0.40±0.03。5、如权利要求4所述的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，其特征在于所述的低阻硅是指电阻率为520Q.cm的硅衬底材料。6、如权利要求4所述的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，其特征在于所述的高阻硅是指电阻率大于等于1000Q*cm的硅村底材料。7、如权利要求4所述的确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，其特征在于所述的SOI衬底是指埋层氧化硅厚度为0.1^im，顶层硅厚度为0.3|im，硅电阻率为1000Q.cm的硅衬底材料。全文摘要本发明提供了一种确定平面螺旋电感射频频段电感值的方法，所述电感具有一自谐振荡频率f<sub>r</sub>，所述方法首先确定平面螺旋电感的低频电感值L<sub>0</sub>，然后获取品质因数Q最大值所对应的电感工作频率f<sub>qmax</sub>，接着根据电感的衬底类型确定与制备电感衬底相关的系数β，最后将低频电感值L<sub>0</sub>乘以一个系数的β次方得到射频频段的电感值，其中，该系数是f<sub>qmax</sub>与f<sub>r</sub>的比值与1的和，与制备电感衬底相关的系数β是根据不同的衬底类型，通过仿真获得的对应于品质因数最大值的一个小于1的正数。采用本发明的方法能够快速、准确地获得平面螺旋电感射频频段的电感值，并且在获得精确的射频电感值的同时，不会增加片上无源电感的设计难度。文档编号G01R27/26GK101403776SQ20081020270公开日2009年4月8日申请日期2008年11月13日优先权日2008年11月13日发明者磊张,勇王,石艳玲,罗天星,肖启荣,陈大为,陈寿面申请人:华东师范大学;上海集成电路研发中心有限公司