专利名称：一种螺旋形电感的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的版图设计，特别是涉及一种螺旋形电感的设计方法。
背景技术：
随着集成电路的发展，晶片的尺寸相对的按比例缩小，然而，在实际的电感的版图设计中，电感的面积十分庞大，不能按比例缩小。此外，由于平面电感的不同线圈之间的耦合系数低，导致电感的性能随着电感圈数的增加而变得较差。但是为了实现较大电感值的同时节省芯片面积，本领域技术人员不得不采用多圈电感的结构，进而设计出将电感绕成螺旋形线圈的结构。由于集成电路的进一步发展，芯片内的螺旋形电感的互连结构从0.35 微米时的4层金属，发展到0. 18微米的6层金属，以及90纳米下的8层金属结构，相应地， 较多层线圈的螺旋形电感互连结构也出现了较多问题，例如由于叠层电感而引发的电流失调和信号隔离等各种问题。为解决上述的问题，本领域技术人员通常采用两个差分电感合并的方法形成差分电路拓扑结构，在多层金属互连线设计为差分电感的两个端口输入的信号的大小相等幅度相反，并且电感是中心对称的，该电感的几何中心为虚拟的地，这样差分电感形成两个独立的单端电感的合并，不仅节省了面积还降低了电感对衬底的寄生电容。为使合并的差分电感能够更好地连接，并有效地减小寄生电容，在版图设计时，技术人员需要逐点的计算和绘制需要的螺旋形电感的形状。由于现有技术的版图工具无法绘制不规则的角度连线，使得在版图设计模型中只能通过计算每点的坐标，一点一线的勾画出需要的多边形图案，或者只能使用相近似的图形(例如半圆形)的线圈进行拼凑，即预先设计不同半径的半圈形电感，再将各个半径接近的半圈形电感链接，由此常导致最后形成的螺旋形电感结构中线圈的连接处存在着不连续，以及棱角现象。该设计螺旋形电感的方法不仅需要耗费大量的计算和绘制时间，还会导致在不同半径的线圈的连接处电感的耦合系数降低，使得芯片上的螺旋形电感的品质因数Q降低，最后导致制备的螺旋形电感不符合实际需求。如图1所示，图1示出了现有技术中的绘制螺旋形电感模型100的示意图。图1 中螺旋形电感的内半径巧=30 μ m，圈数η = 1，电感器线圈的宽度(线宽)w = 8 μ m，电感器线圈之间的间距(线隙)s = 2μπι。其绘制方法是通过半圆形线圈对接来模拟最终的螺旋形结构，以此形成螺旋形电感器。具体地，首先绘制两个半径分别为A和巧的半圆环101 和半圆环102，其中，半圆环101的半径T1 = 30 μ m，设定圆心坐标为O1(Oj)；半圆环102 的半径r2= 0~+8)，圆心坐标为02(8，0)。其次将绘制的半圆环101和半圆环102的一端对接，即使半圆环101的一端IOlb与半圆环102的一端10 对接，最后调整各个半圆环的接口，使其整齐一致，保持较好的连续性。需要说明的是，所述每个半圆环的线宽w是一致的。在实际的版图设计中，上述绘制螺旋形电感模型的方法，常常导致每一个半圆环与另一半圆环在接口上与其他部分不一致，使得螺旋形电感的连续性差，进一步导致最后形成的螺旋电感器耦合系数降低，以及品质因数下降，进而导致应用该螺旋形电感器的射频电路/芯片的性能降低。综上所述，对于本领域技术人员来说，如何绘制一种连续性强，且品质因数相对较高的螺旋形电感模型成为当前需要解决的技术问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式
部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。为解决上述问题，本发明提供一种螺旋形电感的设计方法，该方法包括设定螺旋形电感的起始半径、电感圈数n，线宽w和线隙s ；设定所述螺旋形电感的角度变化量Δ α和半径变化量Ar中的任一个；选择绘制所述螺旋形电感的圆心的位置，依据所述起始半径、角度变化量和半径变化量计算绘制所述螺旋形电感需要的坐标点的坐标；将所述每一坐标点依次连接，获得螺旋形电感。进一步地，当设定了所述角度变化量Δ α时，所述半径变化量ΔΓ为Ar = s/(360/Δ α)；以及，当设定了所述半径变化量ΔΓ时，所述角度变化量 Δ α 为 Δ α = ArX360/s。进一步地，所述计算绘制所述螺旋形电感需要的坐标点的坐标％和7,依据的公式为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为所述起始半径，ΔΓ为所述半径变化量，Δ α为所述角度变化量，N为正整数，且0<Ν<η Χ360/Δ α，η为所述电感圈数。进一步地，所述方法还包括将所述绘制的螺旋形电感嵌入在版图中。进一步地，所述绘制的螺旋形电感结构为半数圈电感或整数圈电感。本发明提供一种改进的具有高自谐振频率和高品质因数Q的螺旋形电感的设计方法，使用该方法设计的螺旋形电感的自谐振频率远远大于已有的传统方法设计的自谐振频率，并能够进一步降低螺旋形线圈之间的寄生电容，提高了螺旋形电感的品质因数。另外，使用该方法绘制的螺旋形电感缩短了技术人员的绘制周期，并使得最后的螺旋形电感储能值提高，以及使用该方法绘制的螺旋形电感的结构占用版图的面积小，并方便嵌入版图中。
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，图1为示出了现有技术中的绘制螺旋形电感结构的示意图；图加和图2b为使用本发明的方法绘制后的螺旋形电感结构的示意图；图3a为采用本发明所述方法绘制并制备不同半径的螺旋形电感器的Q值的变化
4示意图；图北为采用本发明所述方法绘制并制备不同半径的螺旋形电感器的电阻、电容和电感值的变化示意图；图4为本发明的螺旋形电感设计方法的步骤流程图。
具体实施例方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。本发明提供一种在版图设计阶段提高螺旋形电感的品质因数和自谐振频率的绘制方法，使用该方法绘制的螺旋形电感在后续的工艺中，制备的螺旋形电感器的自谐振频率和品质因数Q比较高，且能够有效地降低螺旋形线圈连接之间的寄生电容。针对现有技术中的存在的多个半圆环电感拼合不连续的缺点，本实施例中详细介绍一种绘制连续一致的螺旋形电感的方法。参照图加和图2b所示，图加示出了一个实施例中绘制螺旋形电感模型的分解示意图，图2b示出了以上述半径变化量Ar和角度变化量 Aa绘制的螺旋形电感的俯视图。所述螺旋形电感为起始半径r = 30 μ m，圈数η = 1. 5，电感器线宽w = 8 μ m，电感器线隙s = 2 μ m的螺旋形电感的结构模型。在本实施例中，首先设定角度变化量Aa，并依据计算所述角度变化量Aa计算所述半径变化量△!"，该处的角度变化量Aa可以通过将圆的360角度分成不同的份，例如，将圆分成20份，每一份18度， 即Aa =18° ；或者将圆分成360份，每一份1度，S卩Aa= Γ。本实施例中是将一个圆划分为720份，每一份0. 5度，在每旋转角度变化量Aa = 0. 5度时，半径增加量Ar = s/ (360/ Δ a) = 2/(360/0. 5) = 0. 0028 μ m0该处的角度变化量Δ a越小，绘制的螺旋形电感的线条就越平滑，模拟出的结构就越能够符合实际的参数需求。当然也可以预先设定半径变化量Δ r，如可以设定Ar = 0.005 μ m，其对应的角度变化量为Aa= ArX360/s。然后选择螺旋形电感结构相对应于版图上的起始点，由于版图都是预先绘制各个器件的结构或形状，再将其嵌入到版图中，故需要在芯片/晶片的螺旋形电感的预留位置设定螺旋形电感的圆心0和螺旋形线圈的起始点。在本实施例中以0(0，0)为圆心，起始点M1(I^O)进行说明。接着将起始半径沿着逆时针方向旋转，对于起始半径每旋转1，N为正整数) 个角度变化量△ a时，起始半径的长度增加N个半径变化量，进而依据半径长度即起始半径和N个半径变化量之和获取该螺旋性线圈需要的坐标点的坐标值。如图加所示，第一半径的长度为r，坐标点M1 [r，0]，当所述起始半径旋转一个角度变化量Δ α时，第二半径长度r+r’，第二半径坐标*M2[(r+Ar)XC0S(A α), (r+Ar)Xsin(A α)]；所述起始半径旋转两个角度变化量Δ α时，第三半径长度r+2 Δ r， 第三半径坐标为M3 [ (r+2 Δ r) X cos (2 Δ α )，(r+2 Δ r) *sin (2 Δ α )]；以此类推，所述起始半径旋转N个角度变化量Δ α时，第N半径长度r+(N-I) Δ r，第N半径的坐标点的计算公式为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为正整数，N的最大值为ΠΧ360/Δ α，(η为线圈数)，Δ α小于 180度大于0度，Ar为非零数值；Δ α和Δr越小绘制的螺旋形线圈的品质因数越高，即储能效果更好。依据上述的计算方式，依次逆时针旋转起始半径，获取绘制所述螺旋形电感需要的每一个坐标点。其中，所述绘制螺旋形线圈所需旋转的角度为ηΧ360，(η为螺旋形线圈的圈数)。本实施例中转到螺旋形电感需求的圈数η = 1. 5，即旋转540度，获取1080个坐标点，将1080个坐标点依次连接，如图加中的螺旋形电感的部分曲线201，从而得到如图 2b所示的螺旋形电感结构的俯视图。从图2b中可以看出，采用本实施例中的方法绘制的螺旋形电感的结构中相邻线圈之间是连续的，且间距相同。需要说明的是，当制备螺旋形电感时，半径变化量ΔΓ = s/(360/Δ α )。另外，上述绘制方法中还可以设定相邻线圈之间的线隙不同，螺旋形线圈之间的线隙s不是唯一的，进而使得△!·可能随着角度的变化而变化， 即ΔΓ为非固定值，该处的Ar可以依次增大，也可以减小。设定螺旋形电感结构的相邻两个线圈之间的距离不同的目的是，保证相邻线圈之间电压降依据实际需求进行变化，由此可以有效地降低螺旋形电感的相邻线圈之间产生的寄生电容。使用本实施例中所述的方法在绘制的螺旋形电感结构中的每一线圈的各个点之间的连续性较强，不会出现耦合系数不相同的现象，采用本实施例所述的方法绘制的螺旋形电感结构中的每一个线圈的线宽是均勻一致的，并且相邻线圈之间的间距即线隙是一致的，由此螺旋形电感的结构制备的电感器的品质因数Q值和自谐振频率值相对较高。参照图3a和图北所示，图3a示出了采用本发明所述方法绘制并制备不同半径的螺旋形电感器的Q值的变化示意图。图3a中所示的横坐标为频率，单位Hz，纵坐标为螺旋形电感的品质因数Q值，无单位。其中，图3a中的曲线是该螺旋形电感器的线宽W= 10 μ m， 相邻螺旋形线圈的间距s = 2 μ m，圈数为η = 4. 5的螺旋形电感器随半径变化的Q值曲线， 图中曲线301代表半径r = 120 μ m的螺旋形电感器的Q值，曲线302代表半径r = 90 μ m 的螺旋形电感器的Q值，曲线303代表半径r = 60 μ m的螺旋形电感器的Q值和曲线304 代表半径r = 30 μ m的螺旋形电感器的Q值，图3a中显示的螺旋形电感器的品质因数Q随着半径r的减小而增大。图北示出了采用本发明所述方法绘制并制备不同半径的螺旋形电感器的电阻r、 电感L和电容C随半径变化的示意图。图北中横坐标为半径(μ m)，纵坐标为电阻Rwfi (欧姆)、电感L(riH)或电容C(pF)。具体地，当纵坐标为电容C(pF)时，图北中的曲线305 是该螺旋形电感器的线宽w = 10 μ m，相邻螺旋形线圈的间距s = 2 μ m，圈数为η = 4. 5的螺旋形电感器随半径30 μ m至120 μ m变化的电容值曲线，其寄生电容变化的经验公式可以为C = 10. 4+0. 319r-0. 0012r2, r为半径(μ m)，即当半径r逐渐增大时，所述寄生电容越来越小。当纵坐标为电感L(riH)时，图北中的曲线306是该螺旋形电感器的线宽W = 10 μ m，相邻螺旋形线圈的间距S = 2 μ m，圈数为η = 4. 5的螺旋形电感器随半径30 μ m 至120μπι变化的电感值曲线，其变化的经验公式可以为L = 0. 457+0. 0917r, r为半径 (μ m)，即当半径r依次增大时，所述电感L成比例的增大。当纵坐标为电阻Rtta (欧姆)时，图北中的曲线307是该螺旋形电感器的线宽w =IOym,相邻螺旋形线圈的间距s = 2 μ m，圈数为η = 4. 5的螺旋形电感器随半径30 μ m至120μπι变化的电感值曲线，其变化的经验公式可以为RWfi= 1.97+0. 0486r, r为半径 (μ m)，即当半径r依次增大时，所述电阻Rtta成比例的增大。有上述的曲线和经验公式可以得到，由于本实施例中的绘制方法使得螺旋形电感器的总长度加长，由此可以在一定的芯片面积上设计品质因数更高的螺旋形电感，从而增加了该螺旋形电感的电阻值和电感值，相应地减小了寄生电容。参考图4所示，图4示出了本实施例中螺旋形电感的版图设计方法的步骤流程图。 具体地，步骤401，设定所述螺旋形电感的起始半径r和所述螺旋形电感需要的电感圈数 n，线宽w和线隙S。步骤402，设定所述螺旋形电感的角度变化量Δ α和半径变化量Δ r中的任一个， 并计算绘制所述螺旋形电感需要的坐标点的总数，具体地，可以预先设定角度变化量Aa 的值，其相应地半径变化量ΔΓ = s/(360/Aa)；当然也可以预先设定半径变化量ΔΓ，例如，可以设定所述ΔΓ为0.005 μ m，或者更小，该半径变化量ΔΓ对应的角度变化量为Aa =ArX360/s。步骤403，选择绘制所述螺旋形电感的圆心的位置，即在芯片/晶片的螺旋形电感的预留位置对应地设定螺旋形电感的圆心和螺旋形线圈的起始点，依据所述起始半径、 角度变化量和半径变化量计算所述坐标点的坐标。在本实施例中，是依据％= (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 为正整数， 获取绘制所述螺旋形电感需要的每一个点的坐标值，该螺旋形电感结构的坐标点总数为 nX 360/△ a，即可以设定所述半径依据角度的增加而增加，螺旋结构是向外扩展；或选择半径依据角度的增加而减小，螺旋结构时向内旋转，半径依次减小。步骤404，将所述每一坐标点依次连接，获得螺旋形电感。最后，执行步骤405，将所述绘制的螺旋形电感嵌入在版图中。需要说明的是，常规的电感线圈之间的距离采用等间距的设计结构，由于差分对称电感外圈到内圈相邻线圈的电压差逐渐降低，而且寄生电容与相邻线圈之间的距离成正比。因而，采用螺旋形电感结构的差分电感的绘制，同样可使用上述绘制螺旋形电感的方法调整外圈到内圈的相邻线圈之间的距离(即各个线隙不同)，从而使得整体的电感相邻线圈之间的寄生降低。常见的差分电感外圈到内圈相邻线圈的电压差是逐渐降低的，故可以在绘制螺旋形电感结构时设定半径变化量ΔΓ = s/(360/Δ a)随着线隙的变化而变化。本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求
1.一种螺旋形电感的设计方法，其特征在于，所述方法包括设定螺旋形电感的起始半径、电感圈数n，线宽W和线隙S ；设定所述螺旋形电感的角度变化量△ α和半径变化量Nr中的任一个；选择绘制所述螺旋形电感的圆心的位置，依据所述起始半径、角度变化量和半径变化量计算绘制所述螺旋形电感需要的坐标点的坐标；将所述每一坐标点依次连接，获得螺旋形电感。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当设定了所述角度变化量△α时，所述半径变化量ΔΓ为Ar = s/(360/A α )。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当设定了所述半径变化量Ar时，所述角度变化量Δ α为Δα = ArX360/s。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算绘制所述螺旋形电感需要的坐标点的坐标％和yN依据的公式为xN = (r+ (N-I) Ar) X cos ((N-I) Aa);yN = (r+ (N-I) Ar) X sin ((N-I) Δα)；其中r为所述起始半径，Δ r为所述半径变化量，Δ α为所述角度变化量，N为正整数， 且0 <Ν<ηΧ360/Δ α，η为所述电感圈数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述绘制的螺旋形电感嵌入在版图中。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绘制的螺旋形电感结构为半数圈电感或整数圈电感。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述螺旋形电感的起始半径!·为30μ m，电感圈数η为1. 5，电感器线宽w为8 μ m，电感器线隙s为2 μ m。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述角度变化量Δα为0.5度。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述半径变化量Δr为0. 005 μ m。
全文摘要
本发明公开了一种螺旋形电感的设计方法，该方法包括设定螺旋形电感的起始半径、电感圈数n，线宽w和线隙s；设定所述螺旋形电感的角度变化量Δα和半径变化量Δr中的任一个；选择绘制所述螺旋形电感的圆心的位置，依据所述起始半径、角度变化量和半径变化量计算绘制所述螺旋形电感需要的坐标点的坐标；将所述每一坐标点依次连接，获得螺旋形电感。使用该方法设计的螺旋形电感能够进一步降低螺旋形线圈之间的寄生电容，提高了螺旋形电感的品质因数。另外，该方法绘制的螺旋形电感缩短了技术人员的绘制周期。
文档编号G06F17/50GK102194021SQ201010124480
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月11日 优先权日2010年3月11日
发明者包自意, 李莲 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司