一種螺旋形電感的設計方法
2023-06-06 06:26:31
專利名稱：一種螺旋形電感的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件的版圖設計，特別是涉及一種螺旋形電感的設計方法。
背景技術：
隨著集成電路的發展，晶片的尺寸相對的按比例縮小，然而，在實際的電感的版圖設計中，電感的面積十分龐大，不能按比例縮小。此外，由於平面電感的不同線圈之間的耦合係數低，導致電感的性能隨著電感圈數的增加而變得較差。但是為了實現較大電感值的同時節省晶片面積，本領域技術人員不得不採用多圈電感的結構，進而設計出將電感繞成螺旋形線圈的結構。由於集成電路的進一步發展，晶片內的螺旋形電感的互連結構從0.35 微米時的4層金屬，發展到0. 18微米的6層金屬，以及90納米下的8層金屬結構，相應地， 較多層線圈的螺旋形電感互連結構也出現了較多問題，例如由於疊層電感而引發的電流失調和信號隔離等各種問題。為解決上述的問題，本領域技術人員通常採用兩個差分電感合併的方法形成差分電路拓撲結構，在多層金屬互連線設計為差分電感的兩個埠輸入的信號的大小相等幅度相反，並且電感是中心對稱的，該電感的幾何中心為虛擬的地，這樣差分電感形成兩個獨立的單端電感的合併，不僅節省了面積還降低了電感對襯底的寄生電容。為使合併的差分電感能夠更好地連接，並有效地減小寄生電容，在版圖設計時，技術人員需要逐點的計算和繪製需要的螺旋形電感的形狀。由於現有技術的版圖工具無法繪製不規則的角度連線，使得在版圖設計模型中只能通過計算每點的坐標，一點一線的勾畫出需要的多邊形圖案，或者只能使用相近似的圖形(例如半圓形)的線圈進行拼湊，即預先設計不同半徑的半圈形電感，再將各個半徑接近的半圈形電感連結，由此常導致最後形成的螺旋形電感結構中線圈的連接處存在著不連續，以及稜角現象。該設計螺旋形電感的方法不僅需要耗費大量的計算和繪製時間，還會導致在不同半徑的線圈的連接處電感的耦合係數降低，使得晶片上的螺旋形電感的品質因數Q降低，最後導致製備的螺旋形電感不符合實際需求。如圖1所示，圖1示出了現有技術中的繪製螺旋形電感模型100的示意圖。圖1 中螺旋形電感的內半徑巧=30 μ m，圈數η = 1，電感器線圈的寬度(線寬)w = 8 μ m，電感器線圈之間的間距(線隙)s = 2μπι。其繪製方法是通過半圓形線圈對接來模擬最終的螺旋形結構，以此形成螺旋形電感器。具體地，首先繪製兩個半徑分別為A和巧的半圓環101 和半圓環102，其中，半圓環101的半徑T1 = 30 μ m，設定圓心坐標為O1(Oj)；半圓環102 的半徑r2= 0~+8)，圓心坐標為02(8，0)。其次將繪製的半圓環101和半圓環102的一端對接，即使半圓環101的一端IOlb與半圓環102的一端10 對接，最後調整各個半圓環的接口，使其整齊一致，保持較好的連續性。需要說明的是，所述每個半圓環的線寬w是一致的。在實際的版圖設計中，上述繪製螺旋形電感模型的方法，常常導致每一個半圓環與另一半圓環在接口上與其他部分不一致，使得螺旋形電感的連續性差，進一步導致最後形成的螺旋電感器耦合係數降低，以及品質因數下降，進而導致應用該螺旋形電感器的射頻電路/晶片的性能降低。綜上所述，對於本領域技術人員來說，如何繪製一種連續性強，且品質因數相對較高的螺旋形電感模型成為當前需要解決的技術問題。
發明內容
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式
部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。為解決上述問題，本發明提供一種螺旋形電感的設計方法，該方法包括設定螺旋形電感的起始半徑、電感圈數n，線寬w和線隙s ；設定所述螺旋形電感的角度變化量Δ α和半徑變化量Ar中的任一個；選擇繪製所述螺旋形電感的圓心的位置，依據所述起始半徑、角度變化量和半徑變化量計算繪製所述螺旋形電感需要的坐標點的坐標；將所述每一坐標點依次連接，獲得螺旋形電感。進一步地，當設定了所述角度變化量Δ α時，所述半徑變化量ΔΓ為Ar = s/(360/Δ α)；以及，當設定了所述半徑變化量ΔΓ時，所述角度變化量 Δ α 為 Δ α = ArX360/s。進一步地，所述計算繪製所述螺旋形電感需要的坐標點的坐標％和7,依據的公式為xN = (r+ (N-I) Δ r) X cos ((N-I) Δ α )；yN = (r+(N-I) Δι·) X sin((N-I) Δ α )；其中r為所述起始半徑，ΔΓ為所述半徑變化量，Δ α為所述角度變化量，N為正整數，且0<Ν<η Χ360/Δ α，η為所述電感圈數。進一步地，所述方法還包括將所述繪製的螺旋形電感嵌入在版圖中。進一步地，所述繪製的螺旋形電感結構為半數圈電感或整數圈電感。本發明提供一種改進的具有高自諧振頻率和高品質因數Q的螺旋形電感的設計方法，使用該方法設計的螺旋形電感的自諧振頻率遠遠大於已有的傳統方法設計的自諧振頻率，並能夠進一步降低螺旋形線圈之間的寄生電容，提高了螺旋形電感的品質因數。另外，使用該方法繪製的螺旋形電感縮短了技術人員的繪製周期，並使得最後的螺旋形電感儲能值提高，以及使用該方法繪製的螺旋形電感的結構佔用版圖的面積小，並方便嵌入版圖中。
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。在附圖中，圖1為示出了現有技術中的繪製螺旋形電感結構的示意圖；圖加和圖2b為使用本發明的方法繪製後的螺旋形電感結構的示意圖；圖3a為採用本發明所述方法繪製並製備不同半徑的螺旋形電感器的Q值的變化
4示意圖；圖北為採用本發明所述方法繪製並製備不同半徑的螺旋形電感器的電阻、電容和電感值的變化示意圖；圖4為本發明的螺旋形電感設計方法的步驟流程圖。
具體實施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。本發明提供一種在版圖設計階段提高螺旋形電感的品質因數和自諧振頻率的繪製方法，使用該方法繪製的螺旋形電感在後續的工藝中，製備的螺旋形電感器的自諧振頻率和品質因數Q比較高，且能夠有效地降低螺旋形線圈連接之間的寄生電容。針對現有技術中的存在的多個半圓環電感拼合不連續的缺點，本實施例中詳細介紹一種繪製連續一致的螺旋形電感的方法。參照圖加和圖2b所示，圖加示出了一個實施例中繪製螺旋形電感模型的分解示意圖，圖2b示出了以上述半徑變化量Ar和角度變化量 Aa繪製的螺旋形電感的俯視圖。所述螺旋形電感為起始半徑r = 30 μ m，圈數η = 1. 5，電感器線寬w = 8 μ m，電感器線隙s = 2 μ m的螺旋形電感的結構模型。在本實施例中，首先設定角度變化量Aa，並依據計算所述角度變化量Aa計算所述半徑變化量△!"，該處的角度變化量Aa可以通過將圓的360角度分成不同的份，例如，將圓分成20份，每一份18度， 即Aa =18° ；或者將圓分成360份，每一份1度，S卩Aa= Γ。本實施例中是將一個圓劃分為720份，每一份0. 5度，在每旋轉角度變化量Aa = 0. 5度時，半徑增加量Ar = s/ (360/ Δ a) = 2/(360/0. 5) = 0. 0028 μ m0該處的角度變化量Δ a越小，繪製的螺旋形電感的線條就越平滑，模擬出的結構就越能夠符合實際的參數需求。當然也可以預先設定半徑變化量Δ r，如可以設定Ar = 0.005 μ m，其對應的角度變化量為Aa= ArX360/s。然後選擇螺旋形電感結構相對應於版圖上的起始點，由於版圖都是預先繪製各個器件的結構或形狀，再將其嵌入到版圖中，故需要在晶片/晶片的螺旋形電感的預留位置設定螺旋形電感的圓心0和螺旋形線圈的起始點。在本實施例中以0(0，0)為圓心，起始點M1(I^O)進行說明。接著將起始半徑沿著逆時針方向旋轉，對於起始半徑每旋轉1，N為正整數) 個角度變化量△ a時，起始半徑的長度增加N個半徑變化量，進而依據半徑長度即起始半徑和N個半徑變化量之和獲取該螺旋性線圈需要的坐標點的坐標值。如圖加所示，第一半徑的長度為r，坐標點M1 [r，0]，當所述起始半徑旋轉一個角度變化量Δ α時，第二半徑長度r+r』，第二半徑坐標*M2[(r+Ar)XC0S(A α), (r+Ar)Xsin(A α)]；所述起始半徑旋轉兩個角度變化量Δ α時，第三半徑長度r+2 Δ r， 第三半徑坐標為M3 [ (r+2 Δ r) X cos (2 Δ α )，(r+2 Δ r) *sin (2 Δ α )]；以此類推，所述起始半徑旋轉N個角度變化量Δ α時，第N半徑長度r+(N-I) Δ r，第N半徑的坐標點的計算公式為xN = (r+ (N-I) Δ r) X cos ((N-I) Δ α )；yN = (r+ (N_l) Δ r) X sin ((N-I) Δα)；
其中，N彡1，N為正整數，N的最大值為ΠΧ360/Δ α，(η為線圈數)，Δ α小於 180度大於0度，Ar為非零數值；Δ α和Δr越小繪製的螺旋形線圈的品質因數越高，即儲能效果更好。依據上述的計算方式，依次逆時針旋轉起始半徑，獲取繪製所述螺旋形電感需要的每一個坐標點。其中，所述繪製螺旋形線圈所需旋轉的角度為ηΧ360，(η為螺旋形線圈的圈數)。本實施例中轉到螺旋形電感需求的圈數η = 1. 5，即旋轉540度，獲取1080個坐標點，將1080個坐標點依次連接，如圖加中的螺旋形電感的部分曲線201，從而得到如圖 2b所示的螺旋形電感結構的俯視圖。從圖2b中可以看出，採用本實施例中的方法繪製的螺旋形電感的結構中相鄰線圈之間是連續的，且間距相同。需要說明的是，當製備螺旋形電感時，半徑變化量ΔΓ = s/(360/Δ α )。另外，上述繪製方法中還可以設定相鄰線圈之間的線隙不同，螺旋形線圈之間的線隙s不是唯一的，進而使得△!·可能隨著角度的變化而變化， 即ΔΓ為非固定值，該處的Ar可以依次增大，也可以減小。設定螺旋形電感結構的相鄰兩個線圈之間的距離不同的目的是，保證相鄰線圈之間電壓降依據實際需求進行變化，由此可以有效地降低螺旋形電感的相鄰線圈之間產生的寄生電容。使用本實施例中所述的方法在繪製的螺旋形電感結構中的每一線圈的各個點之間的連續性較強，不會出現耦合係數不相同的現象，採用本實施例所述的方法繪製的螺旋形電感結構中的每一個線圈的線寬是均勻一致的，並且相鄰線圈之間的間距即線隙是一致的，由此螺旋形電感的結構製備的電感器的品質因數Q值和自諧振頻率值相對較高。參照圖3a和圖北所示，圖3a示出了採用本發明所述方法繪製並製備不同半徑的螺旋形電感器的Q值的變化示意圖。圖3a中所示的橫坐標為頻率，單位Hz，縱坐標為螺旋形電感的品質因數Q值，無單位。其中，圖3a中的曲線是該螺旋形電感器的線寬W= 10 μ m， 相鄰螺旋形線圈的間距s = 2 μ m，圈數為η = 4. 5的螺旋形電感器隨半徑變化的Q值曲線， 圖中曲線301代表半徑r = 120 μ m的螺旋形電感器的Q值，曲線302代表半徑r = 90 μ m 的螺旋形電感器的Q值，曲線303代表半徑r = 60 μ m的螺旋形電感器的Q值和曲線304 代表半徑r = 30 μ m的螺旋形電感器的Q值，圖3a中顯示的螺旋形電感器的品質因數Q隨著半徑r的減小而增大。圖北示出了採用本發明所述方法繪製並製備不同半徑的螺旋形電感器的電阻r、 電感L和電容C隨半徑變化的示意圖。圖北中橫坐標為半徑(μ m)，縱坐標為電阻Rwfi (歐姆)、電感L(riH)或電容C(pF)。具體地，當縱坐標為電容C(pF)時，圖北中的曲線305 是該螺旋形電感器的線寬w = 10 μ m，相鄰螺旋形線圈的間距s = 2 μ m，圈數為η = 4. 5的螺旋形電感器隨半徑30 μ m至120 μ m變化的電容值曲線，其寄生電容變化的經驗公式可以為C = 10. 4+0. 319r-0. 0012r2, r為半徑(μ m)，即當半徑r逐漸增大時，所述寄生電容越來越小。當縱坐標為電感L(riH)時，圖北中的曲線306是該螺旋形電感器的線寬W = 10 μ m，相鄰螺旋形線圈的間距S = 2 μ m，圈數為η = 4. 5的螺旋形電感器隨半徑30 μ m 至120μπι變化的電感值曲線，其變化的經驗公式可以為L = 0. 457+0. 0917r, r為半徑 (μ m)，即當半徑r依次增大時，所述電感L成比例的增大。當縱坐標為電阻Rtta (歐姆)時，圖北中的曲線307是該螺旋形電感器的線寬w =IOym,相鄰螺旋形線圈的間距s = 2 μ m，圈數為η = 4. 5的螺旋形電感器隨半徑30 μ m至120μπι變化的電感值曲線，其變化的經驗公式可以為RWfi= 1.97+0. 0486r, r為半徑 (μ m)，即當半徑r依次增大時，所述電阻Rtta成比例的增大。有上述的曲線和經驗公式可以得到，由於本實施例中的繪製方法使得螺旋形電感器的總長度加長，由此可以在一定的晶片面積上設計品質因數更高的螺旋形電感，從而增加了該螺旋形電感的電阻值和電感值，相應地減小了寄生電容。參考圖4所示，圖4示出了本實施例中螺旋形電感的版圖設計方法的步驟流程圖。 具體地，步驟401，設定所述螺旋形電感的起始半徑r和所述螺旋形電感需要的電感圈數 n，線寬w和線隙S。步驟402，設定所述螺旋形電感的角度變化量Δ α和半徑變化量Δ r中的任一個， 並計算繪製所述螺旋形電感需要的坐標點的總數，具體地，可以預先設定角度變化量Aa 的值，其相應地半徑變化量ΔΓ = s/(360/Aa)；當然也可以預先設定半徑變化量ΔΓ，例如，可以設定所述ΔΓ為0.005 μ m，或者更小，該半徑變化量ΔΓ對應的角度變化量為Aa =ArX360/s。步驟403，選擇繪製所述螺旋形電感的圓心的位置，即在晶片/晶片的螺旋形電感的預留位置對應地設定螺旋形電感的圓心和螺旋形線圈的起始點，依據所述起始半徑、 角度變化量和半徑變化量計算所述坐標點的坐標。在本實施例中，是依據％= (r+(N-I) Ar) X cos ((N-I) Aa) ;yN = (r+(N-I) Δ r) X sin ((N-I) Δ a)，其中 N 彡 1，N 為正整數， 獲取繪製所述螺旋形電感需要的每一個點的坐標值，該螺旋形電感結構的坐標點總數為 nX 360/△ a，即可以設定所述半徑依據角度的增加而增加，螺旋結構是向外擴展；或選擇半徑依據角度的增加而減小，螺旋結構時向內旋轉，半徑依次減小。步驟404，將所述每一坐標點依次連接，獲得螺旋形電感。最後，執行步驟405，將所述繪製的螺旋形電感嵌入在版圖中。需要說明的是，常規的電感線圈之間的距離採用等間距的設計結構，由於差分對稱電感外圈到內圈相鄰線圈的電壓差逐漸降低，而且寄生電容與相鄰線圈之間的距離成正比。因而，採用螺旋形電感結構的差分電感的繪製，同樣可使用上述繪製螺旋形電感的方法調整外圈到內圈的相鄰線圈之間的距離(即各個線隙不同)，從而使得整體的電感相鄰線圈之間的寄生降低。常見的差分電感外圈到內圈相鄰線圈的電壓差是逐漸降低的，故可以在繪製螺旋形電感結構時設定半徑變化量ΔΓ = s/(360/Δ a)隨著線隙的變化而變化。本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。
權利要求
1.一種螺旋形電感的設計方法，其特徵在於，所述方法包括設定螺旋形電感的起始半徑、電感圈數n，線寬W和線隙S ；設定所述螺旋形電感的角度變化量△ α和半徑變化量Nr中的任一個；選擇繪製所述螺旋形電感的圓心的位置，依據所述起始半徑、角度變化量和半徑變化量計算繪製所述螺旋形電感需要的坐標點的坐標；將所述每一坐標點依次連接，獲得螺旋形電感。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，當設定了所述角度變化量△α時，所述半徑變化量ΔΓ為Ar = s/(360/A α )。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，當設定了所述半徑變化量Ar時，所述角度變化量Δ α為Δα = ArX360/s。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述計算繪製所述螺旋形電感需要的坐標點的坐標％和yN依據的公式為xN = (r+ (N-I) Ar) X cos ((N-I) Aa);yN = (r+ (N-I) Ar) X sin ((N-I) Δα)；其中r為所述起始半徑，Δ r為所述半徑變化量，Δ α為所述角度變化量，N為正整數， 且0 <Ν<ηΧ360/Δ α，η為所述電感圈數。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括將所述繪製的螺旋形電感嵌入在版圖中。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述繪製的螺旋形電感結構為半數圈電感或整數圈電感。
7.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述螺旋形電感的起始半徑!·為30μ m，電感圈數η為1. 5，電感器線寬w為8 μ m，電感器線隙s為2 μ m。
8.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述角度變化量Δα為0.5度。
9.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述半徑變化量Δr為0. 005 μ m。
全文摘要
本發明公開了一種螺旋形電感的設計方法，該方法包括設定螺旋形電感的起始半徑、電感圈數n，線寬w和線隙s；設定所述螺旋形電感的角度變化量Δα和半徑變化量Δr中的任一個；選擇繪製所述螺旋形電感的圓心的位置，依據所述起始半徑、角度變化量和半徑變化量計算繪製所述螺旋形電感需要的坐標點的坐標；將所述每一坐標點依次連接，獲得螺旋形電感。使用該方法設計的螺旋形電感能夠進一步降低螺旋形線圈之間的寄生電容，提高了螺旋形電感的品質因數。另外，該方法繪製的螺旋形電感縮短了技術人員的繪製周期。
文檔編號G06F17/50GK102194021SQ201010124480
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月11日 優先權日2010年3月11日
發明者包自意, 李蓮 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司