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第7期 硅基射频螺旋电感的在片测试和剥离方法 · 111 ·
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硅基射频螺旋电感的在片测试和剥离方法*
石新明 唐祯安 邹 娟
(大连理工大学电信学院电子系, 大连 116023)
摘 要: 使用无锡上华 0.5 mm(DPTM)标准CMOS工艺制备了螺旋电感芯片, 利用矢量网络分析仪和探针台搭建了硅基螺旋电感测试装置, 对该硅基螺旋电感进行了测试。采用两种去除电路寄生参数的剥离方法, 分析了高频条件下各种测试寄生参量的影响。建立了基于0.5 mm(DPTM)标准CMOS工艺在片螺旋电感的寄生参量单p等效电路模型, 详细列出了在片螺旋电感测试和寄生参数的剥离步骤, 测试结果在0.1~8.5 GHz范围内与三维电磁场(HFSS)仿真结果有很好的一致性, 验证了此方法在片上螺旋电感测试中的有效可行性。
关键词: 在片螺旋电感；电路模型；在片测试法；剥离
中图分类号: TN3　　　文献标识码: A　　　国家标准学科分类代码: 140.4030
Measurement and de-embedding of on-chip spiral inductors on Si substrates
Shi Xinming Tang Zhen’an Zou Juan
(The Electronical Department of Dalian University of Technology, Dalian 116023)
Abstract: The spiral inductor 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 on-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, 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 it’s a good measurement at high frequency.
Keywords: on-chip inductor; circuit model; on wafer measurement; de-embedding

1 引 言
硅基片上螺旋电感是构成放大器、混频器、振荡器等RF电路中的关键元件, 其在高频条件下的精确测试是硅基射频电路设计的前提。
片上螺旋电感量值一般都是nH数量级, 为了进行在片精确测试, 消除螺旋电感所带来寄生参量的影响, 采用了Agilent-(E5071C) 0.1~8.5 GHz矢量网络分析仪和探针台搭建测试装置, 进行了硅基螺旋电感的在片测试, 详细分析了各种高频测试寄生参量的影响, 建立了硅基在片螺旋电感测试结构单p寄生参量等效电路模型。
为精确测试在片螺旋电感性能参数, 消除器件间的串扰和高频条件下同轴线、仪器、探针和电感结构等带来的寄生参量影响, 电感设计采用GSG (ground-signal-ground)共面波导结构来降低串扰影响, 将射频电路与微波电路系统中去除电路寄生参量效应的2种剥离方法应用到了在片螺旋电感测试中, 详细列出了利用这2种不同的剥离方法进行了螺旋电感的在片测试的具体步骤, 并将这两种方法的测试结果与三维电磁场仿真软件(HFSS)建模仿真结果相比具有很好的一致性, 验证了这两种剥离方法的有效可行性。
2 在片测试螺旋电感芯片制备
使用无锡上华 0.5 mm (DPTM)标准CMOS工艺流片, 其芯片结构在光学显微镜下的照片如下图1所示[3]。为了尽量减小线圈间的耦合、使测试结果便于分析, 设计其几何尺寸为线宽W=30 mm, 线间距S=10 mm, 内径长度为Din=100 mm, 线圈匝数N=3.5。电感测试焊盘的布局[7], 首先要根据探针的型号和探针之间的间距来确定, 为防止引入串扰采用了平面波导结构的GSG(G: Ground地; S: Signal信号; G: Ground地)焊盘布局, 两焊盘之间的中心间距100 mm, 两个接地信号端是为了消除在高频条件下器件的串扰。

图1 0.5 mm 标准CMOS工艺电感测试芯片照片
Fig. 1 The photograph about spiral inductor of 0.5 mm standard CMOS technology
3 在片螺旋电感测试方法
为了进行硅基片上螺旋电感的准确测试, 消除寄生参量的影响, 精确反应螺旋电感的高频特性, 得到螺旋电感的本征参数。本文利用矢量网络分析仪(Agilent-E5071C)和探针台搭建了测试装置[9], 选取了S参数作为螺旋电感基本测量参数, 分析建立了螺旋电感在片测试寄生参量等效电路模型, 并利用开路剥离法和开路短路剥离法两种寄生参数剥离

图2 S参数图
Fig. 2 The graph of S parameter
方法, 提炼硅基螺旋电感在片测试的精确S参数。S参数是被用来分析高频电路, S21和S12分别代表正向和反向的传输因子, 从而能得到传输特性, S11和S22分别代表正向和反向的反射因子能得到阻抗 特性。
3.1 测试系统的注意事项和在片测试方法
硅基射频螺旋电感的在片测试系统由Agilent- (E5071C) 0.1~8.5 GHz矢量网络分析仪、探针台、探针头、万用表以及其他附件组成[1], 测试装置如图3所示, 其测试原理结构图如图4所示。在使用网络分析仪之前首先要对仪表内部及其连接的测试系统进行校准, 只有经过校准的仪器才可以准确反应待测器件的性能和指标参数, 本测试网络分析采用传统的OSL(open-short-load)校准, 即开路、短路和极低反射的匹配终端校准方法[2-5]。微调探针台上的探针头实现校准和测试, 探针由夹具固定在探针台上通过2.5 mm同轴电缆接通转接探头与网络分析仪的端口一和端口二相连, 完成同轴线到微带线的转换。本测试装置采用最常用的(G-S-G)(G: Ground S: Signal G: Ground探针结构, 即螺旋电感共面波导结构测试探针, 两探针之间的间距为100 mm。

图3 螺旋电感在片测试系统
Fig. 3 The test system of spiral inductor

图4 测试原理结构图
Fig. 4 The theory of the test structure
3.2 在片测试寄生参量等效电路模型及剥离方法
两端口待测片上螺旋电感(device under test) DUT(理想螺旋电感)的等效电路模型如图5所示, 电感在片测试引入的寄生参量包括焊盘和同轴线的寄生参量以及测试探针和焊盘之间的接触电阻[4]。此前人们所研究螺旋电感在片测试寄生参量等效电路模型只包含部分参量, 本文建立了硅基片上螺旋电感测试所有寄生参量的二端口单p等效电路模型(如图5所示)。其中, Rs和Ls分别为待测元件和焊盘之间信号线的串联电感和串联电阻; Cs为焊盘和金属线圈间的寄生电容; Cox为焊盘和金属线圈与衬底氧化层电容; Rsub和Csub分别为衬底电阻和衬底电容; Rc为探针和焊盘自检的接触电阻, 为了得到电感的精确参数, 需要从电感的测试数据中剥离寄生参量, 得到真实的电感S参数。电感通过衬底将电磁场耦合到焊盘, 对于探针与焊盘接触电阻的剥离, 通过合理的焊盘设计以及多次小心的测试, 来降低测试焊盘的串扰, 提高参数剥离精度。

图5 两端口待测器件片上寄生参量等效电路模型
Fig. 5 The effective circuit model of parameter about two ports device on wafer

3.3 开路剥离法
上述片上螺旋电感二端口网络等效电路的开路剥离法测试[6], 开路剥离法主要是去除由于焊盘的寄生电容等并联元件引入的寄生参量, 焊盘与元件之间的金属连线的电阻和电感可以忽略, 即图5中Ls和Rs的值可以忽略, 通过额外开路结构的测量得到S参数, 进行参数转换, 通过Y参数运算即可得到器件本身的测试数据。其具体步骤如下:
1) 对硅基螺旋电感及其开路结构进行S参数测试, 得到被测器件的S参数[S]DUT和开路结构的S参数[S]Open
2) 将上述测试所得的S参数由等式转换为Y参数, 得到[Y]DUT和[Y]Open;
3) 通过[Y]DUT和[Y]Open相减得到[Y]Device; [Y]Device = [Y]DUT-[Y]Open
4) 将Y参数[Y]Device根据等式转换为S参数, 得到[S]Device所得的S参数就是通过开路剥离法去除元件寄生效应影响的器件本身的S参数。
3.4 开路短路剥离法
开路剥离法忽略了互连线寄生电感和寄生电阻的影响, 而开路短路法考虑了被测器件连线电阻和电感等串联寄生元件器模型可用图5表示, 开路短路剥离法需要附加专门用于剥离的开路测试结构和短路测试结构, 开路测试结构用于确定并联元件, 短路测试结构是为了测试连线的损耗和延时造成的影响。其具体的剥离步骤如下所示。
1) 对在片电感、开路结构和短路结构分别进行S参数测试, 得到器件的S参数[S]DUT开路结构的S参数[S]Open和短路结构的S参数[S]Short
2) 将上述测试所得的S参数由相应等式转换为Y参数, 分别得到[Y]DUT、[Y]Open和[Y]Short
3) 通过将得到的[Y]DUT和[Y]Open相减得到器件的Y参数[Y]DUT-Open=[Y]DUT-[Y]Open, 通过将[Y]Short和[Y]Open相减得到焊盘与元件之间金属连线的电阻和电感的Y参数[Y]Short-Open=[Y]Short-[Y]Open
4) 将得到的[Y]DUT-Open和[Y]Short-Open转换为Z参数得到[Z]DUT-Open和[Z]Short-Open
5) 通过将[Z]DUTOpen和[Z]Short-Open相减得到器件本身精确的Z参数[Z]device=[Z]DUT-Open-[Z]Short-Open
6) 将Z参数[Z]device转换回S参数, 得到[S]device所得到的S参数就是去除寄生效应影响的器件本身精确的S参数。
4 测试结果与仿真验证
两种不同剥离方法测试所得的S11参数和S21参数在幅值和相位值, 同三维电磁场仿真软件(HFSS)建模仿真结果比较, 可以看出其幅值变化趋势同仿真结果一致, 验证了此方法在片上螺旋电感测试中的有效可行性。两种剥离方法在低频时都保持了较高的精度, 随着频率的升高, 开路剥离法产生较大的误差, 开路短路剥离法仍保持了比较高的精度; 因此开路短路法更加适合高频条件下硅基螺旋电感的在片测试。

图6 测试与仿真的S11相位
Fig. 6 The angle of S11 about test and simulation

图7 测试与仿真的S11幅度
Fig. 7 The scope of S21 about test and simulation

图8 测试与仿真的S21幅度
Fig. 8 The scope of S11 about test and simulation

图9 测试与仿真的S21相位
Fig. 9 The angle of S21 about test and simulation
5 结 论
利用Agilent-(E5071C)0.1~8.5 GHz矢量网络分析仪和探针台搭建测试装置, 测试所用片上螺旋电感使用(CSMC)0.5 mm(DPTM)标准CMOS工艺流片, 进行了硅基在片螺旋电感的测试。将射频微波电路系统中去除电路寄生参数的两种剥离方法应用到在片螺旋电感的测试中, 详细列出了两种剥离方法在片上螺旋电感的测试步骤, 并建立了螺旋电感在片测试寄生参量等效电路模型。两种方法在0.1~8.5 GHz范围内测试结果与三维电磁仿真软件(HFSS)建模仿真结果进行比较, 具有很好的一致性, 验证了此方法在片上螺旋电感测试中的有效可行性, 并进一步分析得出开路短路剥离法是一种更适合大范围高频率的在片螺旋电感的测试方法, 较好的解决了硅基片上螺旋电感高频条件下较为精确的测试 问题。
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唐祯安
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作者简介:

石新明
石新明: 男, 1984年出生, 2007年至今大连理工大学电信学院电子系在读硕士研究生, 主要研究方向为硅基射频螺旋电感的建模参数提取仿真及其应用。
E-mail: sxmlucky@
Shi Xinming: borned in 1984 and is a postgraduate student in electronic department of Dalian University of technology from 2007.The main research direction is the model, the parameter extraction and application of spiral inductors in radio frequency.
唐祯安: 男, 1955年出生, 博士 大连理工大学电子系教授, 博士生导师, 主要研究方向为半导体微传感器及其应用、MEMS设计制造、集成电路设计制造及应用技术等。
E-mail: tangza@
Tang Zhen’an: borned in 1955 was received the Ph D in Dalian University of Technology. He is now an professor in electronic department of Dalian University of Technology. His research interests include the usage of the semiconductor micro-sensor, the design and manufacture of MEMS, design and manufacture in integrated circuit and so on.

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