1692 半导体学报 第27卷 (2)临近效应随着相邻金属的宽度和间距之比(w/ 图4是单圈金属线宽相同的多电流路径电感和 )的增大而加强；(3)相同的条件下，奇耦合的临近 单电流路径电感品质因数的比较.图中下标M和S 效应效果强于偶耦合的临近效应效果 分别代表多电流路径和单电流路径；difr和se分别 2.3多电流路径抑制电流拥挤效应 表示差分和单端 16F Lam(225,15.4 金属之间的最大距离是受工艺的设计规则限制 14h L4r335,14.1) 的，采用最近的间距后，为了降低临近效应而降低金 12外 属宽度和间距比值，就要降低金属宽度.这样同时就 10 Lef13,9.6) 会降低金属的趋肤效应，但是会增大金属的直流电 J0108J-O 8 Lm135.8.3) 阻，为此可以将多根金属并联来降低金属的直流电 阻，同时能够抑制电流拥挤效应。 Lx4m武10.99) L5654 :(8.04) Lw6.54 3实验与讨论 4 6 10 12 Frequency/GHz 为了验证多电流路径是否能够降低片上电感的 图4多电流路径和单电流路径电感的品质因数 电流拥挤效应，采用新加坡特许(Charted)半导体的 Fig.4 Ofactor of the inductors with multicurrent- 4层金属的射频和模拟工艺分别设计了中空的以及 path and single-current-path 非中空的多电流路径电感.使用GSG探针台以及网 由于电流拥挤效应使得线圈内的电流更加集 络分析仪进行了在片测试！ 中，而加大线圈的自感；但是由于临近效应使得电流 3.1中空的多电流路径电感 的再分布，在外圈电流趋向该圈的外边缘，内圈电流 趋向内边缘，如图5所示，使得不同线圈之间的线圈 图3(b)是4电流路径3圈差分电感的版图照 耦合系数降低，互感减小，对于互感大于自感的线圈 片.将一个电感线圈分成4股，在电流流入和流出电 而言，临近效应会降低线圈的电感值.临近效应使得 感的位置并联.电感保持了对称结构结构的对称意 线圈的有效电流面积减小，同时增大了相邻线圈电 味着电学的对称，这样的电感用在差分电路中，可以 流的有效距离.电感线圈与衬底之间的耦合电容与 提高自身以及电路的性能，同时能够降低芯片的面 积2,8剧].由于距电感中心的距离越近，临近效应越 电感的有效电流面积成正比.而相邻线圈之间的寄 明显，为此电感设计为中空结构 生电容与两者的有效电流的间距成反比.因此临近 效应降低了电感的寄生电容.所以多电流路径电感 的自谐振频率和最大品质因数所在的频率都比单电 流路径的电感低，如图4所示.多电流路径抑制电流 拥挤效应的作用是明显的，对于中空的电感而言，多 电流路径的最大品质因数比单电流路径电感高 15%. 百00百口 流密度 (a) 图5多电流路径(a)和单电流路径(b)的偶耦合导体的电流 分布示意图 Fig.5 Current distribution of the even coupling con ductors with multi-current-path (a)and single current (b) path (b) 图3035μm两多品硅四铝工艺的射频(a)和模拟(b)工艺设 3.2不同电流路径的电感 计的电流多路径片上电感芯片版图照片 Fig.3 Die photos of the inductor with multi-current- 图6为非中空的不同电流路径的电感性能对 path in 0.35um 2p4m RF (a)and analog (b)technolo- 比.其中L19L25L24和L27分别为5,4,3,1电流 y 路径，电感的单电流路径金属线宽等于多电流路径半 导 体 学 报 第 27 卷 (2) 临近效应随着相邻金属的宽度和间距之比 ( w/ s) 的增大而加强 ; (3) 相同的条件下 ,奇耦合的临近 效应效果强于偶耦合的临近效应效果. 2. 3 多电流路径抑制电流拥挤效应 金属之间的最大距离是受工艺的设计规则限制 的 ,采用最近的间距后 ,为了降低临近效应而降低金 属宽度和间距比值 ,就要降低金属宽度. 这样同时就 会降低金属的趋肤效应 ,但是会增大金属的直流电 阻 ,为此可以将多根金属并联来降低金属的直流电 阻 ,同时能够抑制电流拥挤效应. 3 实验与讨论 为了验证多电流路径是否能够降低片上电感的 电流拥挤效应 ,采用新加坡特许(Charted) 半导体的 4 层金属的射频和模拟工艺分别设计了中空的以及 非中空的多电流路径电感. 使用 GSG探针台以及网 络分析仪进行了在片测试. 3. 1 中空的多电流路径电感 图 3 (b) 是 4 电流路径 3 圈差分电感的版图照 片. 将一个电感线圈分成 4 股 ,在电流流入和流出电 感的位置并联. 电感保持了对称结构. 结构的对称意 味着电学的对称 ,这样的电感用在差分电路中 ,可以 提高自身以及电路的性能 ,同时能够降低芯片的面 积[12 ,18 ] . 由于距电感中心的距离越近 ,临近效应越 明显 ,为此电感设计为中空结构. 图 3 0135μm 两多晶硅四铝工艺的射频(a) 和模拟( b) 工艺设 计的电流多路径片上电感芯片版图照片 Fig. 3 Die p hot os of t he induct or wit h multi2current2 p at h in 0135μm 2p4m RF (a) and analog (b) technolo2 gy 图 4 是单圈金属线宽相同的多电流路径电感和 单电流路径电感品质因数的比较. 图中下标 M 和 S 分别代表多电流路径和单电流路径 ;diff 和 se 分别 表示差分和单端. 图 4 多电流路径和单电流路径电感的品质因数 Fig. 4 Q2factor of the inductors with multi2current2 path and single2current2path 由于电流拥挤效应使得线圈内的电流更加集 中 ,而加大线圈的自感 ;但是由于临近效应使得电流 的再分布 ,在外圈电流趋向该圈的外边缘 ,内圈电流 趋向内边缘 ,如图 5 所示 ,使得不同线圈之间的线圈 耦合系数降低 ,互感减小 ,对于互感大于自感的线圈 而言 ,临近效应会降低线圈的电感值. 临近效应使得 线圈的有效电流面积减小 ,同时增大了相邻线圈电 流的有效距离. 电感线圈与衬底之间的耦合电容与 电感的有效电流面积成正比. 而相邻线圈之间的寄 生电容与两者的有效电流的间距成反比. 因此临近 效应降低了电感的寄生电容. 所以多电流路径电感 的自谐振频率和最大品质因数所在的频率都比单电 流路径的电感低 ,如图 4 所示. 多电流路径抑制电流 拥挤效应的作用是明显的 ,对于中空的电感而言 ,多 电流路径的最大品质因数比单电流路径电感高 15 %. 图 5 多电流路径(a) 和单电流路径( b) 的偶耦合导体的电流 分布示意图 Fig. 5 Current distribution of the even coupling con2 ductors with multi2current2path (a) and single current path (b) 3. 2 不同电流路径的电感 图 6 为非中空的不同电流路径的电感性能对 比. 其中 L19 ,L25 ,L24 和 L27 分别为 5 ,4 ,3 ,1 电流 路径 ,电感的单电流路径金属线宽等于多电流路径 2961