基于sti隔离的片上铜线电感及其在滤波电路中的应用-微电子学与固体电子学专业论文.docx

摘要在射频通信电路中，电感在收发机的射频预选回路、低噪声放大器(U妊)、压控 振荡器(VCO)、阻抗匹配网络和滤波器等各个模块中的应用非常广泛，尤其是随着现 代通信系统工作频率的不断提高，电感在高频下的性能将直接影响移动通信系统的质 量。在这种背景下，无源射频螺旋电感及相关电路模块的实现成为一个极为重要的研究 课题。当前，铜工艺的优势十分明显，主要体现在：铜的导电性能优于目前普遍使用的 铝，而且铜的电阻小，散热量小；采用0．139in及以下铜工艺芯片制造技术将有效地提 高芯片的工作频率。因此，在标准硅衬底上采用先进的CMOS铜工艺技术制作射频集 成电路，符合RFIC低成本、全集成的发展要求。本文在广泛调研文献的基础上，基于电路和电磁学理论，分析影响电感Q值的各种 因素，如衬底损耗、欧姆损耗、涡流损耗、趋肤效应、邻近效应等，综合考虑各影响因 子，应用HFSS三维电磁仿真软件，分析改变螺旋电感形状、优化衬底结构和电感制备 工艺等对电感性能的影响，重点研究了采用先进铜布线工艺的螺旋电感，设计了若干组 具有不同版图参数的铜工艺螺旋电感。其中，既有普通结构的螺旋电感，又有新型渐变 结构的螺旋电感，并对设计的铜电感进行了工艺流片和测试。在此研究的基础上，进一 步研究了沟槽隔离(Patterned Trench Isolation)的优化布局对电感性能的影响，研究表 明，在电感下方对应的衬底上适当实现STI隔离槽，能有效地提高电感Q值，且该沟槽 的实现与标准CMOS隔离工艺相兼容。以低阻硅衬底上3．5圈的螺旋电感为例，沟槽隔离结构电感的最大Q值(Q蹦)比传统结构电感高12．4％，自谐振频率‰)也由传统结构电感的15．3GHz提高至16．5GHz。此外，本文还将沟槽隔离结构电感应用于射频无源滤波电路叫，C低通滤波器。数值分析表明，本文所设计截止频率2．4GHz的低通滤波器性能较好，其ADS仿真曲线 与实际工艺条件下的低通滤波器S参数曲线基本重合，低频段时，采用沟槽隔离结构螺 旋电感的低通滤波器性能优于采用普通结构螺旋电感的低通滤波器。关键词：射频集成电路，片上螺旋电感，沟槽隔离，衬底损耗，无源滤波电路AbstractIn RF communication circuits，inductors are widely used in each module of RF transceivers，such as low-noise amplifier(LNA)，voltage-controlled oscillator(vco)， impedance matching networks and filters．Especially,with the increasing operating frequencyof modem communication systems，the performance of inductors at high frequencies willdirectly affect the quality of mobile communication systems．In this context,the realization of RF spiral inductors and the related RF circuit modules has become a very important research topic．At present,the advantages are copper process，mainly in：copper conducts electricitybetter than the currently used aluminum and the resistance of copper iS small．Besides，it emitsa small amount of heat；Below O．1 31．tm，chip manufacturing technology using copper process will effectively increase the operating frequency of chips．Thus，using advanced CMOS copper process technology to produce RFICs on standard silicon substrates is in line with the low-cost and fully integrated development requirements in RFICs．In this paper,based on circuit and electromagnetic