专利名称：一种测试电感的方法
技术领域：
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种测试三端差分电感的方法。
背景技术：
在集成电路中，有源器件固然非常重要，但是更包含了大面积的无源器件，包括片 上传输线和片上电感等。在通常的无线产品中，电感元件只占元件总数的不到百分之十，但 它们对总的射频性能有很重要的影响。因此对这些无源元件上的电感的设计和分析也得到 了广泛的研究。由于大规模集成电路的形成，螺旋形电感被广泛应用到压控振荡器，低噪声 放大器，功率放大器，混频器以及阻抗匹配电路中。由于电感器是一种储能元件，因而螺旋 形电感的电感值的变化通�？梢杂跋斓秸龅缏返恼逍阅埽既凡饬柯菪蔚绺械牡绺� 值显得非常重要。在实际的工艺中的片上电感是采用多层金属互连线缠绕而成的。以往的片上电感 设计成单端的形式，使电感的一个端口对于交流信号而言是接地的，另一端接交流信号。在 实际应用中，该单端电感结构常导致直流失调和信号隔离的问题出现。由此本领域技术人 员设计出多层金属互连线的差分电感拓扑结构，就是将电感的两个端口输入的信号的大小 相等幅度相反，而电感是中心对称的，在电感线圈的几何中心就是虚拟的地，这样的电感节 省了芯片的面积也提高了电感值并解决了上述单端电感结构的问题。现有中的差分电感结 构分为半数圈电感结构和整数圈电感结构。然而，由于集成电路中的元件的尺寸在按比例缩�。鹗艋チ叩南呖聿欢系乇� 窄，导致在设计电感模型时金属互连线和引线上的寄生电感越来越大，这样就需要在设计 电感模型时准确掌握晶片上的电感器的电感值(该处的电感值是指不包括该电感器连接 的引线和焊盘上的寄生电感和电阻)，进而设计出符合需求的片上电感器。现有技术中测量 电感器的电感值是通过去除晶片上的电感器形成开路结构，进一步用一导线连接所述开路 结构的接地引线和其它连接焊盘的引线形成短路结构，测量不同结构的晶片的相关参数来 获取所需电感器的电感值。由于现有技术中的开路结构和短路结构的晶片设计导致测量不 准确，并且会在短路结构中产生较多的寄生电感和寄生电阻，从而不能准确得到电感器本 身的特性。参照图la、图Ib和图Ic所示，图Ia示出了现有技术中制备的65nm工艺下整数圈 电感器和其引线连接结构的示意图，图Ib和图Ic示出了现有技术中制备的65nm工艺下测 量整数圈电感器的电感值的示意图，所述晶片100包含电感器104、电感器104的第一引线 101、第二引线102和第三引线103，其中第一引线101接地，第二引线102和第三引线103 分别连接第一焊盘105和第二焊盘106。现有技术中，首先测量包含电感器104的晶片100 上的第一散射参数S1 ；其次将晶片100上的电感器104移除，获得无电感器104的晶片的第 二散射参数&，然后将所述第一散射参数S1、第二散射参数&转换为第一和第二导纳参数 Y1^ Y2,并获取Y1减去\的值，从而获取电感器104的相关参数特性，进而与仿真电感的相 关特性进行比较。由于第一散射参数S1包括电感器的电感值的散射参数，焊盘和引线上的
3寄生电感、寄生电阻和寄生电容对应的散射参数，第二散射参数&只包括焊盘和引线上的 寄生电容对应的散射参数，而对于焊盘和引线上的寄生电感和寄生电阻却无法消除。另外， 若使用导线材料将第一引线101和第二引线102连接形成短路结构的晶片，测量该短路结 构的晶片的相关参数，并与上述参数I、t进行计算获取电感器104的相关特性时，又会导 致多计算了增加的导电材料上的寄生电感和寄生电阻，也会使得测量的电感器104的电感 值与仿真电感值的误差较大，其误差范围大概为10%，由此使得无法建立较好的电感器模 型供电路设计者使用，进而无法依据该电感器模型获取准确的电感值的晶片，常导致后续 制备出的包含电感器的晶片不符合实际需求。因此，如何在测试阶段能够准确的测量出电感器的电感值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，本发明提供一种测试晶片上的电感的方法，所述晶片包括设置 于该晶片上的电感和连接该电感的外围引线，该外围引线包括使所述电感接地的第一引 线，和使该电感的两端分别连接相对应焊盘的第二引线和第三引线，所述方法包括下列步 骤测量包含所述电感和外围引线的第一参数；移除所述电感，得到包含外围引线的开路结构，测量该开路结构的第二参数；将所述开路结构的外围引线互相连接，形成短路结构，测量该短路结构的第三参 数；通过从所述第一参数中减去第二参数和第三参数获取表示所述电感值的第四参 数。进一步地，所述第一参数为第一导纳参数，所述第二参数为第二导纳参数，第三参 数为第三阻抗参数。进一步地，所述方法还包括将所述第四参数转换为晶片上电感的电阻值、电感值 和品质因数值。进一步地，所述测量包含所述电感和外围引线的第一参数的步骤进一步包括测量所述电感和外围引线分别对应的第一散射参数，将该第一散射参数转换为第 一导纳参数；其中该第一散射参数包括所述电感对应的散射参数，以及外围引线上的寄生电 阻、寄生电感和寄生电容分别对应的散射参数。进一步地，所述测量该开路结构的第二参数的步骤进一步包括测量所述开路结构的第二散射参数，将该第二散射参数转换为第二导纳参数；其中，所述第二散射参数包括所述外围引线上的寄生电容对应的散射参数。进一步地，所述测量该短路结构的第三参数的步骤进一步包括测量所述短路结构的第三散射参数，将该第三散射参数转换为第三阻抗参数；
4
其中，所述第三散射参数包括所述外围引线上的寄生电阻和寄生电感分别对应的 阻抗参数。进一步地，所述将所述短路结构为所述各自连接焊盘的第二引线、第三引线与所 述接地的第一引线相互移动连接。进一步地，当所述电感为半数圈电感时，所述将所述开路结构的外围引线互相连 接包括将所述第二引线、第三引线和各自的焊盘分别向所述电感的中心移动，以及将所述 第一引线及其连接接地的部分向电感的中心移动，使其与所述第二引线和第三引线互相连 接形成短路。进一步地，当所述电感为整数圈电感时，所述将所述开路结构的外围引线互相连 接包括将所述第一引线及其连接接地的部分整体移动，使其与所述第二引线和第三引线 互相连接形成短路。本发明提供一种改进的测试三端差分电感的设计方法，该方法测试的电感器的电 感值与仿真的电感值比较，其误差范围为2 %，品质因数Q值的误差为7. 5 %，依据该测试结 果建立的电感器模型而制备的包含电感器的晶片能够较好地符合实际的设计需求。
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Ia为现有技术中制备的整数圈电感器和其引线连接结构的示意图；图Ib和图Ic为现有技术中制备的65nm工艺下测量整数圈电感器的电感值的示 意图；图2a、图2b和图2c为使用本发明中的方法获取65nm工艺下测试半数圈电感特性 的示意图；图3a、图北和图3c为使用本发明的方法获取65nm工艺下测试整数圈电感特性的 示意图；图4a、图4b和图如为使用本发明的方法测试的65nm工艺下电感特性的L、R和Q 与纯电感比较的效果图；图5为使用本发明的方法测试三段差分电感的电感值的方法流程图。
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。本发明提供一种改进的测试三端差分电感的设计方法，使用本发明的方法是如何 准确测量电感器的电感值，即通过设计开路结构和短路结构，有效地去除焊盘和引线上的 寄生电容，并能够进一步去除焊盘和引线的寄生电感和寄生电阻，获得电感器的电感值的 测试结果。依据该测试结果能够建立较好的电感器模型。该测试方法不仅能够消除焊盘和 引线之间的寄生电容，还能够有效地消除焊盘和引线上的寄生电感和寄生电阻的影响，进而获得较准确的电感器的电感值。参照图2a、图2b和图2c所示，图2a、图2b和图2c示出了使用本发明中的方法 获取图Ia中65nm工艺下测试半数圈电感特性的示意图；其中，本实施例中以65nm工艺下 的半数圈电感为例进行说明，本实施例中的半数圈电感的线宽w = 8 μ m，相邻线圈之间的 间距为1. 5 μ m，线圈的内半径30 μ m，线圈数为1.5圈。图加所示的晶片200包括电感器 204和外围引线，所述外围弓I线包括连接该电感器204接地端的第一引线201和使该电感的 两端分别连接相对应的焊盘的第二引线202、第三引线203。具体地，第一引线201用于接 地GND (如图加所示，横向实线即为接地部分)；第二引线202为左引线用于连接第一焊盘 205或其他导电器件；第三引线203为右引线用于连接第二焊盘206或其他导电器件，所述 左引线和右引线用于接收或发送信号/电流。在图加中，虚线所示的八边形为防护圈，用 于防止外接电路对器件的影响，起到隔离的作用。另外，晶片200的四个角上分别设有接地 的焊盘207，便于连接检测散射参数的探针。在本实施例中，该处接地的焊盘207与第一焊 盘205、第二焊盘206之间的距离(纵向距离)可忽略不计，且该距离不会因为晶片中的相 关引线的变化而变化。在实际应用晶片200之前需要准确掌握该晶片200上电感器204的电感值，由此， 本实施例中提供一种测量半数圈电感器204的电感值的方法，通过测量包含电感器204的 晶片200的结构的参数、开路结构(OPEN结构)的参数和短路结构(SHORT结构)的参数来 获取所述晶片200上的电感器204的电感值。该处测量的参数可以为散射参数S、导纳参 数Y或阻抗参数Z(导纳参数Y反应了一个器件或电路允许流经它的给定频率下的交流电 流通过的能力；阻抗参数Z反应了一个器件对流经它的给定频率下的交流电流的抵抗力)， 具体选用参数S、Y或Z分析可以依据实际的测量仪器/或工艺选择。在本实施例中优选使 用网络分析仪测量散射参数S，并将测量的散射参数S转换为导纳参数Y或阻抗参数Z进行 后续的计算。具体地，本实施例首先测量包含电感器204的晶片200上的散射参数S貞，该处参 数S总是通过例如Agilent PNA微波网络分析仪对包含电感器204的晶片200的输入信号 和输出信号分析得到，所述散射参数包括电感器204的电感值对应的散射参数，以及第 一引线201、第二引线202、第三引线203和第一焊盘205、第二焊盘206上的寄生电容、寄生 电感和寄生电阻各自对应的散射参数。然后，将散射参数转换为导纳参数Y^然后将 晶片200上的电感器204移除，得到如图2b所示的结构，获取开路结构的导纳参数Yoten，即 直接测量开路结构的散射参数Swen，该散射参数Swen包括第一引线201、第二引线202和第 三引线203和第一焊盘205、第二焊盘2060上的寄生电容对应的散射参数，并将该散射参数 Sqpen转换为导纳参数YQPEN。由于开路结构的晶片上移除了电感器204，进而能够准确获得所 述焊盘和引线上的寄生电容的值(如图2b所示)。接着，将所述导纳参数与Yoten相减， 得到Y1，将Y1转换为阻抗参数Z1。接着，如图2c所示，获取短路结构的散射参数&raT。将该开路结构分别移动第一 引线201、第二引线202和第三引线203向中心0汇集连接。需要注意的是，移动上述三个 引线并不增加所述引线的长度，而是将所述第一引线和连接的接地线一起向下移动，如图 2c所示的晶片上部分的接地线GND的间距变宽，而对于第二引线202和第三引线203则是 和相对应连接的第一焊盘、第二焊盘一起向中心0移动。如图2c所示，短路结构的晶片的横向尺寸缩�。菹虺叽缥捶⑸浠杂诟镁纳喜康慕拥夭糠窒嘤Φ丶涌�。使第二 引线202和第三引线203与第一引线201相互连接形成短路结构，测量其散射参数，并 转换为阻抗参数&HQKT，该参数包括第一引线201、第二引线202、第三引线203和第一 焊盘205、第二焊盘206上的寄生电感和寄生电阻分别对应的散射参数。所述短路结构由于 将引线和焊盘短路，进而没有寄生电容的干扰，有效地获取引线和焊盘上的寄生电感和寄 生电阻的值。再接着，将阻抗参数&减去^mkt即为最后计算的到所述电感器204的电感值 对应的阻抗参数，进一步地将该阻抗参数转换为相应的散射参数，可以有效地分析所述电 感器204的电感、电阻和品质因数。可以采用软件将所述散射参数S转换为导纳参数Y、阻 抗参数Z进而与实际的仿真电感的相关参数进行比较。通过上述方法测得的电感器的电感 值与仿真电感值的误差仅为2%，且品质因数的误差仅为7. 5%，即本实施例中所述测量电 感的方法能够准确获取晶片上电感器的电感值，由此本领域技术人员可以依据上述测量的 电感值建立较准确的电感模型。本实施例中65nm工艺下的半数圈电感的线宽w = 8μπι，线圈之间的间距为 1.5μπι，线圈的内半径30μπι，线圈数为1.5圈，第一引线201的长度为62nm，第二引线202 和第三引线203的长度均为45. 5 μ m。由于上述半数圈线圈占据的横向距离为114 μ m，且第 一引线连接于所述半数圈线圈的几何中心，进而将所述第一引线、第二引线、第三引线以及 第一焊盘、第二焊盘组成的开路结构中将第一引线、第二引线和第三引线分别向电感器204 的中心移动57 μ m，实现第二引线和第三引线与第一引线的互相连接，形成短路。需要说明 的是，该处第一引线、第二引线和第三引线以及焊盘的移动并没有增加相应引线的长度，只 是将第一引线与接地部分、第二引线与第一焊盘、第三引线与第二焊盘整体向中心移动构 成短路结构。在本实施例中，测量参数的包含电感器的晶片、测量参数Soten的开路结构的晶 片和测量参数Sskm的短路结构的晶片分别是预先设计的其他相关参数(如衬底材料及厚 度)都一致的三种结构的晶片。上述的测试方法有效地将焊盘和引线产生的寄生电容和寄 生电感、以及寄生电阻的干扰作用消除，进而得到非常准确的电感值。另一实施例中测量电 感器的电感值、品质因数Q值与仿真电感值、品质因数Q值比较如下。表一测量半径30μπι(Κ30)、圈数2.5(N2d5)的差分电感与仿真电感的比较
电感器仿真电感 值L_电感器的 电感值 L(nH)误差仿真电感 的品质因 数Q电感器的 品质因数 Q误差频率半径、圈 数2.4GHzR30N2d50.68420.68230.28%19.0820.5-7.44%2.4GHzR60N20.94140.96-1.98%22.40523.4644-4.73%2.4GHzR60N3d52.902.861.38%12.2912.37-0.65%
权利要求
1.一种测试晶片上的电感的方法，所述晶片包括设置于该晶片上的电感和连接该电感 的外围引线，该外围引线包括使所述电感接地的第一引线，和使该电感的两端分别连接相 对应焊盘的第二引线和第三引线，所述方法包括下列步骤测量包含所述电感和外围引线的第一参数；移除所述电感，得到包含外围引线的开路结构，测量该开路结构的第二参数；将所述开路结构的外围引线互相连接，形成短路结构，测量该短路结构的第三参数；通过从所述第一参数中减去第二参数和第三参数获取表示所述电感值的第四参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一参数为第一导纳参数，所述第二参 数为第二导纳参数，第三参数为第三阻抗参数。
3.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第四参数转换为晶片上电感的电阻值、电感值和品质因数值。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量包含所述电感和外围引线的第一 参数的步骤进一步包括测量所述电感和外围引线分别对应的第一散射参数，将该第一散射参数转换为第一导 纳参数；其中该第一散射参数包括所述电感对应的散射参数，以及外围引线上的寄生电阻、寄 生电感和寄生电容分别对应的散射参数。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量该开路结构的第二参数的步骤进 一步包括测量所述开路结构的第二散射参数，将该第二散射参数转换为第二导纳参数；其中，所述第二散射参数包括所述外围引线上的寄生电容对应的散射参数。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量该短路结构的第三参数的步骤进 一步包括测量所述短路结构的第三散射参数，将该第三散射参数转换为第三阻抗参数；其中，所述第三散射参数包括所述外围引线上的寄生电阻和寄生电感分别对应的阻抗 参数。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述短路结构为所述各自连接焊盘 的第二引线、第三引线与所述接地的第一引线相互移动连接。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述电感为半数圈电感时，所述将所述开 路结构的外围引线互相连接包括将所述第二引线、第三引线和各自的焊盘分别向所述电 感的中心移动，以及将所述第一引线及其连接接地的部分向电感的中心移动，使其与所述 第二引线和第三引线互相连接形成短路。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述电感为整数圈电感时，所述将所述开 路结构的外围引线互相连接包括将所述第一引线及其连接接地的部分整体移动，使其与 所述第二引线和第三弓I线互相连接形成短路。
全文摘要
本发明公开了一种测试电感的方法，所述晶片包括设置于该晶片上的电感和连接该电感的外围引线，该外围引线包括使所述电感接地的第一引线，和使该电感的两端分别连接相对应焊盘的第二引线和第三引线，所述方法包括下列步骤测量包含所述电感和外围引线的第一参数；移除所述电感，得到包含外围引线的开路结构，测量该开路结构的第二参数；将所述开路结构的外围引线互相连接，形成短路结构，测量该短路结构的第三参数；通过从所述第一参数中减去第二参数和第三参数获取表示所述电感值的第四参数。通过该方法测试的电感器的电感值比较准确，其误差范围为2％。
文档编号G01R27/02GK102147434SQ20101011051
公开日2011年8月10日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者何丹 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
