硅基射頻螺旋電感的在片測試和剝離方法

1、更多電子資料請登錄賽微電子網硅基射頻螺旋電感的在片測試和剝離方法*石新明 唐禎安 鄒 娟(大連理工大學電信學院電子系, 大連 116023)摘 要: 使用無錫上華 0.5 mm(DPTM)標準CMOS工藝制備了螺旋電感芯片, 利用矢量網絡分析儀和探針臺搭建了硅基螺旋電感測試裝置, 對該硅基螺旋電感進行了測試。采用兩種去除電路寄生參數的剝離方法, 分析了高頻條件下各種測試寄生參量的影響。建立了基于0.5 mm(DPTM)標準CMOS工藝在片螺旋電感的寄生參量單p等效電路模型, 詳細列出了在片螺旋電感測試和寄生參數的剝離步驟, 測試結果在0.18.5 GHz范圍內與三維電磁場(HFSS)仿真結果有

2、很好的一致性, 驗證了此方法在片上螺旋電感測試中的有效可行性。關鍵詞: 在片螺旋電感；電路模型；在片測試法；剝離中圖分類號: TN3文獻標識碼: A國家標準學科分類代碼: 140.4030Measurement and de-embedding of on-chip spiral inductors on Si substratesShi Xinming Tang Zhenan Zou Juan(The Electronical Department of Dalian University of Technology, Dalian 116023)Abstract: The spiral i

3、nductor is made by the CSMC 0.5 mm DPTM standard CMOS technology and measured by vector network analyzer and probe platform. Put the measurements used in RF and MW into the on-chip spiral inductors. Analyzed the effect of parasitical parameter for the measurement at high frequency and measured the o

4、n-chip spiral inductors by that. Parasitical parameters circuit models for the measurement of on-chip spiral inductors by standard 0.5 mm (DPTM) CMOS technology is also developed. The methods of measurements and parasitical parameters of de-embedding are discussed clearly. According to the results,

5、the measurements show excellent agreement with the results of the electromagnetic solver(HFSS) over a frequency from 0.1 GHz to 8.5 GHz,so its a good measurement at high frequency. Keywords: on-chip inductor; circuit model; on wafer measurement; de-embedding1 引 言硅基片上螺旋電感是構成放大器、混頻器、振蕩器等RF電路中的關鍵元件, 其在

6、高頻條件下的精確測試是硅基射頻電路設計的前提。片上螺旋電感量值一般都是nH數量級, 為了進行在片精確測試, 消除螺旋電感所帶來寄生參量的影響, 采用了Agilent-(E5071C) 0.18.5 GHz矢量網絡分析儀和探針臺搭建測試裝置, 進行了硅基螺旋電感的在片測試, 詳細分析了各種高頻測試寄生參量的影響, 建立了硅基在片螺旋電感測試結構單p寄生參量等效電路模型。為精確測試在片螺旋電感性能參數, 消除器件間的串擾和高頻條件下同軸線、儀器、探針和電感結構等帶來的寄生參量影響, 電感設計采用GSG (ground-signal-ground)共面波導結構來降低串擾影響, 將射頻電路與微波電路系

7、統(tǒng)中去除電路寄生參量效應的2種剝離方法應用到了在片螺旋電感測試中, 詳細列出了利用這2種不同的剝離方法進行了螺旋電感的在片測試的具體步驟, 并將這兩種方法的測試結果與三維電磁場仿真軟件(HFSS)建模仿真結果相比具有很好的一致性, 驗證了這兩種剝離方法的有效可行性。2 在片測試螺旋電感芯片制備使用無錫上華 0.5 mm (DPTM)標準CMOS工藝流片, 其芯片結構在光學顯微鏡下的照片如下圖1所示3。為了盡量減小線圈間的耦合、使測試結果便于分析, 設計其幾何尺寸為線寬W=30 mm, 線間距S=10 mm, 內徑長度為Din=100 mm, 線圈匝數N=3.5。電感測試焊盤的布局7, 首先要根

8、據探針的型號和探針之間的間距來確定, 為防止引入串擾采用了平面波導結構的GSG(G: Ground地; S: Signal信號; G: Ground地)焊盤布局, 兩焊盤之間的中心間距100 mm, 兩個接地信號端是為了消除在高頻條件下器件的串擾。圖1 0.5 mm 標準CMOS工藝電感測試芯片照片Fig. 1 The photograph about spiral inductor of 0.5 mm standard CMOS technology3 在片螺旋電感測試方法 為了進行硅基片上螺旋電感的準確測試, 消除寄生參量的影響, 精確反應螺旋電感的高頻特性, 得到螺旋電感的本征參數。本文

9、利用矢量網絡分析儀(Agilent-E5071C)和探針臺搭建了測試裝置9, 選取了S參數作為螺旋電感基本測量參數, 分析建立了螺旋電感在片測試寄生參量等效電路模型, 并利用開路剝離法和開路短路剝離法兩種寄生參數剝離圖2 S參數圖Fig. 2 The graph of S parameter方法, 提煉硅基螺旋電感在片測試的精確S參數。S參數是被用來分析高頻電路, S21和S12分別代表正向和反向的傳輸因子, 從而能得到傳輸特性, S11和S22分別代表正向和反向的反射因子能得到阻抗 特性。3.1 測試系統(tǒng)的注意事項和在片測試方法 硅基射頻螺旋電感的在片測試系統(tǒng)由Agilent- (E5071

10、C) 0.18.5 GHz矢量網絡分析儀、探針臺、探針頭、萬用表以及其他附件組成1, 測試裝置如圖3所示, 其測試原理結構圖如圖4所示。在使用網絡分析儀之前首先要對儀表內部及其連接的測試系統(tǒng)進行校準, 只有經過校準的儀器才可以準確反應待測器件的性能和指標參數, 本測試網絡分析采用傳統(tǒng)的OSL(open-short-load)校準, 即開路、短路和極低反射的匹配終端校準方法2-5。微調探針臺上的探針頭實現校準和測試, 探針由夾具固定在探針臺上通過2.5 mm同軸電纜接通轉接探頭與網絡分析儀的端口一和端口二相連, 完成同軸線到微帶線的轉換。本測試裝置采用最常用的(G-S-G)(G: Ground

11、S: Signal G: Ground探針結構, 即螺旋電感共面波導結構測試探針, 兩探針之間的間距為100 mm。圖3 螺旋電感在片測試系統(tǒng)Fig. 3 The test system of spiral inductor 圖4 測試原理結構圖Fig. 4 The theory of the test structure3.2 在片測試寄生參量等效電路模型及剝離方法兩端口待測片上螺旋電感(device under test) DUT(理想螺旋電感)的等效電路模型如圖5所示, 電感在片測試引入的寄生參量包括焊盤和同軸線的寄生參量以及測試探針和焊盤之間的接觸電阻4。此前人們所研究螺旋電感在片測試

12、寄生參量等效電路模型只包含部分參量, 本文建立了硅基片上螺旋電感測試所有寄生參量的二端口單p等效電路模型(如圖5所示)。其中, Rs和Ls分別為待測元件和焊盤之間信號線的串聯電感和串聯電阻; Cs為焊盤和金屬線圈間的寄生電容; Cox為焊盤和金屬線圈與襯底氧化層電容; Rsub和Csub分別為襯底電阻和襯底電容; Rc為探針和焊盤自檢的接觸電阻, 為了得到電感的精確參數, 需要從電感的測試數據中剝離寄生參量, 得到真實的電感S參數。電感通過襯底將電磁場耦合到焊盤, 對于探針與焊盤接觸電阻的剝離, 通過合理的焊盤設計以及多次小心的測試, 來降低測試焊盤的串擾, 提高參數剝離精度。圖5 兩端口待測

13、器件片上寄生參量等效電路模型Fig. 5 The effective circuit model of parameter about two ports device on wafer3.3 開路剝離法上述片上螺旋電感二端口網絡等效電路的開路剝離法測試6, 開路剝離法主要是去除由于焊盤的寄生電容等并聯元件引入的寄生參量, 焊盤與元件之間的金屬連線的電阻和電感可以忽略, 即圖5中Ls和Rs的值可以忽略, 通過額外開路結構的測量得到S參數, 進行參數轉換, 通過Y參數運算即可得到器件本身的測試數據。其具體步驟如下: 1) 對硅基螺旋電感及其開路結構進行S參數測試, 得到被測器件的S參數SDUT和

14、開路結構的S參數SOpen 2) 將上述測試所得的S參數由等式轉換為Y參數, 得到YDUT和YOpen;3) 通過YDUT和YOpen相減得到YDevice; YDevice = YDUT-YOpen;4) 將Y參數YDevice根據等式轉換為S參數, 得到SDevice所得的S參數就是通過開路剝離法去除元件寄生效應影響的器件本身的S參數。3.4 開路短路剝離法開路剝離法忽略了互連線寄生電感和寄生電阻的影響, 而開路短路法考慮了被測器件連線電阻和電感等串聯寄生元件器模型可用圖5表示, 開路短路剝離法需要附加專門用于剝離的開路測試結構和短路測試結構, 開路測試結構用于確定并聯元件, 短路測試結構

15、是為了測試連線的損耗和延時造成的影響。其具體的剝離步驟如下所示。1) 對在片電感、開路結構和短路結構分別進行S參數測試, 得到器件的S參數SDUT開路結構的S參數SOpen和短路結構的S參數SShort2) 將上述測試所得的S參數由相應等式轉換為Y參數, 分別得到YDUT、YOpen和YShort3) 通過將得到的YDUT和YOpen相減得到器件的Y參數YDUT-Open=YDUT-YOpen, 通過將YShort和YOpen相減得到焊盤與元件之間金屬連線的電阻和電感的Y參數YShort-Open=YShort-YOpen 4) 將得到的YDUT-Open和YShort-Open轉換為Z參數得

16、到ZDUT-Open和ZShort-Open 5) 通過將ZDUT-Open和ZShort-Open相減得到器件本身精確的Z參數Zdevice=ZDUT-Open-ZShort-Open 6) 將Z參數Zdevice轉換回S參數, 得到Sdevice所得到的S參數就是去除寄生效應影響的器件本身精確的S參數。4 測試結果與仿真驗證兩種不同剝離方法測試所得的S11參數和S21參數在幅值和相位值, 同三維電磁場仿真軟件(HFSS)建模仿真結果比較, 可以看出其幅值變化趨勢同仿真結果一致, 驗證了此方法在片上螺旋電感測試中的有效可行性。兩種剝離方法在低頻時都保持了較高的精度, 隨著頻率的升高, 開路剝

17、離法產生較大的誤差, 開路短路剝離法仍保持了比較高的精度; 因此開路短路法更加適合高頻條件下硅基螺旋電感的在片測試。圖6 測試與仿真的S11相位Fig. 6 The angle of S11 about test and simulation圖7 測試與仿真的S11幅度Fig. 7 The scope of S21 about test and simulation圖8 測試與仿真的S21幅度Fig. 8 The scope of S11 about test and simulation圖9 測試與仿真的S21相位Fig. 9 The angle of S21 about test and

18、simulation5 結 論利用Agilent-(E5071C)0.18.5 GHz矢量網絡分析儀和探針臺搭建測試裝置, 測試所用片上螺旋電感使用(CSMC)0.5 mm(DPTM)標準CMOS工藝流片, 進行了硅基在片螺旋電感的測試。將射頻微波電路系統(tǒng)中去除電路寄生參數的兩種剝離方法應用到在片螺旋電感的測試中, 詳細列出了兩種剝離方法在片上螺旋電感的測試步驟, 并建立了螺旋電感在片測試寄生參量等效電路模型。兩種方法在0.18.5 GHz范圍內測試結果與三維電磁仿真軟件(HFSS)建模仿真結果進行比較, 具有很好的一致性, 驗證了此方法在片上螺旋電感測試中的有效可行性, 并進一步分析得出開路

19、短路剝離法是一種更適合大范圍高頻率的在片螺旋電感的測試方法, 較好的解決了硅基片上螺旋電感高頻條件下較為精確的測試 問題。參考文獻: 1 唐宗魁, 張佩葉. 矢量網絡分析儀的測量精度J. 科技信息科教前沿, 2008, 20: 396-398.TANG Z K, ZHANG P Y. Test stability and precision of vector network analyzers.J. Frontier of technology, 2008, 20: 396-398.2 DAVID B. 使用Agilent矢量網絡分析儀解決射頻和微波測量領域的難題J. 世界電子元器件測量與測

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