Diseño de una Librería de Inductores Integrados en Tecnología UMC 0.18 µm

Diseño de una librería de inductores
integrados en tecnología UMC 0.18 µm
Autor: D. Octavio Medina Day
Tutores: Dr. D. Javier del Pino Suárez
Dr. D. Antonio Hernández Ballester

PFC - Diseño de un librería de inductores integrados en tecnología UMC 0.18 µm Julio 2005
Índice
1. Introducción
2. ADS: Momentum
3. Estudios Previos
4. Diseño de la librería de inductores
5. Herramientas desarrolladas
6. Conclusiones y líneas futuras
7. Presupuesto

Introducción
• Avance tecnológico
• Requerimientos de menor área y consumo,
mayor calidad
• Numerosos estándares de comunicaciones

Introducción
• Mejora no tan evidente en dispositivos pasivos
como activos
• Inductores, elemento crítico en RF
Área
Calidad
Necesidad de mejora

Introducción
• Inductores integrados
– Proceso de fabricación
Sustrato tipo P
Capa epitaxial n
Óxido de silicio
Pista metálica
r
s
w

Introducción
– Inductancia
– Factor de calidad
2
Energía almacenada
Q
Energía disipada en un ciclo

  
2
Energía de pico magnética Energía de pico eléctrica
Q
Energía disipada en un ciclo


  
1 10
0
2
4
6
8
10
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
Qmax
fQmax

Introducción
– Campos electromagnéticos

Introducción
– Campo magnético B(t) Ls

Introducción
– Campo eléctrico E1(t) Ls Rs

Introducción
– Campos eléctricos E2(t) y E4(t)
Ls Rs
Cp

Introducción
– Campo eléctrico E3(t)
Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1

Introducción
• Fuentes de pérdidas
– Efecto pelicular (efecto skin)

r I
f
f
• Distribución uniforme de la corriente
• Distribución no uniforme de la corriente
• Concentración en los bordes → δ
• Aumento de la resistencia

Introducción
– Corrientes de torbellino (corrientes eddy)
Bprincipal
I
Itorbellino
Pistas
interiores
Distribución
no uniforme de
la corriente
↑ I en el interior
↓ I en el exterior
↑ Resistencia

Introducción
– Corrientes en el sustrato de Si
Óxido

 I
-I
B(t)
Si

  
Isus -Isus

Introducción
• Diseño y fabricación de un inductor integrado
s
w
a
r
Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1
S

Introducción
• Generación de una
librería completa
– Mismo proceso
múltiples veces
– Elevado coste
económico
– Requiere mucho
tiempo

Introducción
• Objetivo:
– Generar una librería de inductores integrados
Coste económico
Coste en tiempo
USO DE SIMULADORES ELECTROMAGNÉTICOS

ADS: Momentum
• ADS
– Paquete CAD de Agilent Technologies
– Distintos tipos de simulaciones
• Típicas en otros paquetes SW: DC, lineal, transitorio,…
• Avanzadas: HB, S, electromagnético,…

ADS: Momentum
• Entorno

ADS: Momentum
• Entorno
Caja negra

ADS: Momentum
• Momentum
– Simulador electromagnético
– Basado en el “método de los momentos”

ADS: Momentum
• Momentum
– Momentum RF
Precisión
Coste computacional
Banda de RF

ADS: Momentum
• Momentum
– Definición de las capas de sustrato
• Espacio libre
• Pasivación
• Dióxido de Si
• Sustrato semiconductor
• GND
- Grosor t
- εr

ADS: Momentum
• Momentum
– Definición de las capas de metalización
• Distintos niveles
de metalización
• Vías
- Grosor t
- Conductividad σ

ADS: Momentum
• Momentum
– Relación entre capas

ADS: Momentum
• Momentum
– Efecto pelicular. Separa en:
• Efecto edge
• Efecto skin
Unilateral Bilateral

ADS: Momentum
• Momentum
– Efecto edge. Mallado especial

ADS: Momentum
• Momentum
– Grosor de las capas metálicas. Efecto skin
• Aproximación de grosor nulo (sheet)
t
J(r)
σ
Js(r)
strip (σ,t)
Zs función de t y σ

ADS: Momentum
• Momentum
• Aproximación de grosor nulo (sheet)
strip (σ,t)
δs

ADS: Momentum
• Momentum
• Aproximación de grosor finito (thick)
t
J(r)
σ
strip (σ,t/2)
Js,1(r)
t Js,2(r)
strip (σ,t/2)
vía

ADS: Momentum
• Momentum
• Aproximación de grosor finito (thick)
strip (σ,t/2)
strip (σ,t/2)
via (σ ,t)
δs
δs

Estudios previos
• Tecnología UMC 0.18 µm
279.4 µm
Capas de metalización y SiO2
Sustrato semiconductor
736.6 µm

Estudios previos
• Estudio del grosor del sustrato semiconductor
– Grosor 279.4 µm/736.6 µm
1 10
0
2
4
6
8
10
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3,0
Factor
de
Calidad
Frecuencia (GHz)
Tamaño sustrato 279.4 µm
Tamaño sustrato 736.6 µm
Inductancia
(nH)
r = 88.5 µm, n = 3.5 vueltas, w = 10 µm, s = 2 µm, M6_2
Q
L

Estudios previos
279.4 µm
M2
M3
M4
M5
M6
VIA
VIA
VIA
VIA
VIA
PASIVACIÓN
M1 0.48 µm
0.56 µm
0.56 µm
0.56 µm
0.56 µm
0.88 µm

Estudios previos
0.48 µm
0.56 µm
0.56 µm
0.56 µm
0.56 µm
2 µm
M2
M3
M4
M5
M6
VIA
VIA
VIA
VIA
VIA
PASIVACIÓN
M1

Estudios previos
• Disposición de las vías entre capas metálicas
– Literatura: vías continuas
– Reglas de diseño: vías distribuidas
– Simulador Momentum: no permite vías distribuidas
Metal
Vía
s d
d

Estudios previos
• Parámetros geométricos
– Número de lados
4 lados 8 lados 20 lados
r = 120 µm, n = 2.5 vueltas, w = 15 µm, s = 2 µm

Estudios previos
– Número de lados
1 10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
4 lados
8 lados
20 lados
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
lados Factor de calidad

Estudios previos
– Espaciado entre pistas metálicas s
r = 150µm, n = 3.5 vueltas, w = 10 µm
1 10
0
2
4
6
8
10
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
s = 2 um
s = 4 um
s = 8 um
s = 16 um
1 10
0
2
4
6
8
10
12
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)
s = 2 um
s = 4 um
s = 8 um
s = 16 um
Qmax

1 10
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
n = 1.5
n = 2.5
n = 3.5
n = 4.5
n = 5.5
n = 6.5
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)
1 10
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
n = 1.5
n = 2.5
n = 3.5
n = 4.5
n = 5.5
n = 6.5
Estudios previos
– Número de vueltas n
r = 150µm, w = 10 µm, s = 2 µm
Qmax

1 10
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
w = 5 um
w = 10 um
w = 15 um
w = 20 um
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)
1 10
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
w = 5 um
w = 10 um
w = 15 um
w = 20 um
Estudios previos
– Ancho de pista w
r = 150µm, n = 3.5 vueltas, s = 2 µm
Qmax

1 10
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
r = 100 um
r = 120 um
r = 150 um
r = 180 um
r = 200 um
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)
1 10
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
r = 100 um
r = 120 um
r = 150 um
r = 180 um
r = 200 um
Estudios previos
– Radio exterior r
n = 3.5 vueltas, w = 10 µm, s = 2 µm
Qmax

Estudios previos
• Parámetros estructurales
– Metal auxiliar de salida
1 10
0
1
2
3
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3,0
Espira M2 salida con M1
Factor
de
Calidad
Frecuencia (GHz)
Inductancia
(nH)
r = 90 µm, n = 3.5 vueltas, w = 10 µm, s = 2 µm
1 10
0
1
2
3
4
5
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3,0
Factor
de
Calidad
Frecuencia (GHz)
Inductancia
(nH)

Estudios previos
– Metales que forman el inductor
r = 150µm, n = 3.5 vueltas, w = 10 µm, s = 2 µm
1 10
0
2
4
6
8
M1
M2
M3
M4
M5
M6_1
M6_2
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
1 10
0
2
4
6
8
10
12
M1
M2
M3
M4
M5
M6_1
M6_2
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)
1 metal

1 10
4
5
6
7
8
9
10
M1 M2
M2 M3
M3 M4
M4 M5
M5 M6_1
M5 M6_2
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)
1 10
0
2
4
6
8
10
12
M1 M2
M2 M3
M3 M4
M4 M5
M5 M6_1
M5 M6_2
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
Estudios previos
r = 150µm, n = 3.5 vueltas, w = 10 µm, s = 2 µm
2 metales

1 10
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
1 metal
2 metales
3 metales
4 metales
5 metales
6 metales
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)
1 10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Factor
de
Calidad
(Q)
Frecuencia(GHz)
1 metal (M6_2)
2 metales (M5-M6_2)
3 metales (M4-M6_2)
4 metales (M3-M6_2)
5 metales (M2-M6_2)
6 metales (M1-M6_2)
Estudios previos
Q Uso de M6 especial (M6_2)

SIMULACIONES CON ASITIC
DISEÑO, FABRICACIÓN Y MEDIDA
LIBRERÍA DE INDUCTORES BASADA EN
MEDIDAS
MODELO
PARAMÉTRICO
HERRAMIENTA DE
LAYOUT
HERRAMIENTA DE
SELECCIÓN DE
INDUCTORES BASADA EN
EL MODELO PARAMÉTRICO
HERRAMIENTA DE
SELECCIÓN DE
MEDIDAS
Librería de inductores integrados
• Método habitual para obtención de librería

• Nuevo método para obtención de librería
POCOS INDUCTORES MEDIDOS
CONFIGURACIÓN DEL SIMULADOR
MODELO PARAMÉTRICO
LISTA DE INDUCTORES
LIBRERÍA DE INDUCTORES BASADA EN
SIMULACIONES
HERRAMIENTA DE
LAYOUT
HERRAMIENTA DE
SELECCIÓN DE
SIMULACIONES
HERRAMIENTA DE
SELECCIÓN DE
EL MODELO
PARAMÉTRICO
M6_2
M5 underpass

• Ajuste del simulador Momentum a las medidas
Vía: conductor perfecto,
grosor t
Metal: conductor no perfecto,
grosor t/2
grosor t/2
grosor t
Aproximación thick
Aproximación sheet

Aproximación thick todos los metales
Opción 1
M1
M2
M3
M4
M5
M6

Aproximación sheet todos los metales
Opción 2
M1
M2
M3
M4
M5
M6

Aproximación thick M1-M4/sheet M5-M6_2
Opción 3
M1
M2
M3
M4
M5
M6

Aproximación thick M1-M4/sheet M5-M6_2/vía mayor
Opción 4
M1
M2
M3
M4
M5
M6

Aproximación thick M1-M5/sheet M6_2
Opción 5
M1
M2
M3
M4
M5
M6

Aproximación sheet M1-M4/thick M5-M6_2
Opción 6
M1
M2
M3
M4
M5
M6

Aproximación sheet/thick todos los metales
Máxima y mínima conductividad
Opción 7 (max)
Opción 8 (min)
Opción 9 (max)
Opción 10 (min)
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M1
M2
M3
M4
M5
M6

1 10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Medidas
Thick appr. todos niveles, máx. con. (Opc. 7)
Thick appr. todos niveles (Opc. 1)
Thick appr. todos niveles, mín. con. (Opc. 8)
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
1 10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Medidas
Thick appr. todos niveles, máx. con. (Opc. 7)
Thick appr. todos niveles, mín. con. (Opc. 8)
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)

1 10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Medidas
Sheet appr. todos niveles, máx. con. (Opc. 9)
Sheet appr. todos niveles (Opc. 2)
Sheet appr. todos niveles, mín. con. (Opc. 10)
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
1 10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Medidas
Sheet appr. todos niveles, máx. con. (Opc. 9)
Sheet appr. todos niveles, mín. con. (Opc. 10)
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)

1 10
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Medidas
Thick appr. m1-m4, Sheet appr. m5-m6 (Opc. 3)
Thick appr. m1-m4, Sheet appr. m5-m6, +vía (Opc. 4)
Thick appr. m1-m5, Sheet appr. m6 (Opc. 5)
Sheet appr. m1-m4, Thick appr. m5-m6 (Opc. 6)
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)
1 10
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Medidas
Thick appr. m1-m4, Sheet appr. m5-m6 (Opc. 3)
Thick appr. m1-m4, Sheet appr. m5-m6, +vía (Opc. 4)
Thick appr. m1-m5, Sheet appr. m6 (Opc. 5)
Sheet appr. m1-m4, Thick appr. m5-m6 (Opc. 6)
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)

• Modelo paramétrico
– Objetivo: ecuación para cada elemento del circuito equivalente
Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1

Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1
– Inductancia
Ls
Total propia
L L M M
 
  
  
2 2
0
22 14
e
K n a
L
r a

  

  
28
e
K 

– Resistencia serie
Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1
Rs
S
l
R
w t 

 
l
w
t
•
1
R
t 


•
1
S
R R
w
 
Frecuencia
sin
2 cos
S
t t
sh
l
R
t t
w ch
 
 
 


   
2

  

 
Profundidad de penetración
3
e
t
w
 
 
Efectiva
1 10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Medidas
Modelo paramétrico, delta efectiva
Modelo paramétrico, delta
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)

– Capacidad paralela
Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1
Cp
2
5 6
u
PU
oxM M
n w
C
t



 
t m
PT
l t
C
s


 
2
5 6
5 6
u t m oxM M
P
oxM M
n w s l t t
C
t s



    
 


– 2 Puertos
Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1
1 2

– Capacidad entre espiral y sustrato
Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1
Cox1
ox
Cox w l
t

  

– Capacidad del sustrato
Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1
Csub1
0
sub r
A
C
t
 
  

– Resistencia del sustrato
Ls Rs
Cp
Cox1 Cox2
Rsub1 Rsub2
Csub2
Csub1 Rsub1
sub sub
t
R
A

 

– Resultados del modelo
r(µm) n w(µm) s(µm)
64.5 1.5 10 2
76 2.5 10 2
88.5 3.5 10 2
100.5 4.5 10 2
112.5 5.5 10 2
Inductores con medidas

1 10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Medidas
Modelo paramétrico
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
1 10
0
1
2
3
4
5
Medidas
Modelo paramétrico
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)
1.5 vueltas

2.5 vueltas
1 10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Medidas
Modelo paramétrico
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
1 10
0
1
2
3
4
5
Medidas
Modelo paramétrico
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)

3.5 vueltas
1 10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Medidas
Modelo paramétrico
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
1 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Medidas
Modelo paramétrico
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)

4.5 vueltas
1 10
2
4
6
8
10
12
14
16
Medidas
Modelo paramétrico
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
1 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Medidas
Modelo paramétrico
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)

5.5 vueltas
1 10
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Medidas
Modelo paramétrico
Factor
de
Calidad
Frecuencia(GHz)
1 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Medidas
Modelo paramétrico
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)

Inductores con medidas de la inductancia
r(µm) n w(µm) s(µm)
85 2.5 15 2
117.5 2.5 15 2
157.5 2.5 15 2
1 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Medidas r = 85 um
Modelo paramétrico r = 85 um
Medidas r = 117,5 um
Modelo paramétrico r = 117,5 um
Medidas r = 157,5 um
Modelo paramétrico r = 157,5 um
Inductancia
(nH)
Frecuencia(GHz)

• Librería de inductores
– Implementación del modelo en un algoritmo de
búsqueda para máximo factor de calidad
– Frecuencias: 0.85, 1.5, 1.8, 2.4, 5.6 GHz
– Inductancias: entre 0.5 y 6.5 nH
– Radio exterior (r): entre 25 y 300 µm
– Número de vueltas (n): entre 1.5 y 15.5 vueltas
– Espaciado entre pistas (s): 1.5 µm.
– Anchura de pistas (w): entre 5 y 50 µm

– Parámetros geométricos, inductancia y factor de
calidad basados en simulaciones de Momentum
1 10
0
2
4
6
8
10
12
14
0
1
2
3
4
5
Factor de calidad
Inductancia(nH)
Frecuencia(GHz)
Factor
de
Calidad
Inductancia

– Parámetros geométricos, inductancia y factor de
calidad
Frecuencia (GHz) 0.85 1.5 1.8 2.4 5.6
QMedio
7.17 8.81 9.40 9.94 10.10
rMedio (µm) 245.38 198.08 172.7 147.31 94.67
nMedio
2.57 2.81 3.03 3.35 3.81
wMedio (µm) 42.86 32.15 27.61 22.73 11.25

– Modelo paramétrico para 2 metales en paralelo
Nº metales QMedio rMedio (µm) nMedio wMedio (µm)
1 7.17 245.38 2.57 42.86
2 8.28 220.48 2.88 40.1

Herramientas desarrolladas
• Software IMODEL

• Generador de inductores basado en el modelo
paramétrico

• Mejora del generador automático de layouts
– Vías distribuidas

Conclusiones
• Momentum. Guía de uso
• Fruto de simulaciones
– El grosor del sustrato semiconductor no
determinante
– Aumento no lineal de Q con aumento del
número de lados
– Mayor Q en BF con varios metales en
paralelo
• Desarrollo de un modelo paramétrico
para búsqueda de máximo Q
guías de diseño

Conclusiones
• Amplia librería de inductores integrados en
tecnología UMC 0.18 µm
• Desarrollo de una serie de herramientas software
para el diseño y análisis
• Nueva metodología
Parámetro
Procedimiento
Habitual
Procedimiento
Propuesto
Consumo de tiempo Alto Bajo
Coste Alto Bajo
Precisión en la definición de la librería Bajo Alto
Precisión en los datos de la librería Alto Medio/Alto
O. Medina, J. del Pino, A. Goni-Iturri, S. L. Khemchandani, J. García, A.
Hernandez, “A Method to Build-up an Integrated Inductor Library”,
XX Conference on Design of Circuits and Integrated Systems, 2005

Líneas futuras
• Fabricación de inductores
• Análisis de otros parámetros internos en el
funcionamiento de Momentum. Ej: densidad
efectiva en el mallado
• Estudio de estructuras alternativas en la
fabricación. Bobinas apiladas
• Uso de modelos alternativos de circuito
equivalente de un inductor integrado
• Estudiar la implementación del modelo
paramétrico en estándares de Ultra-Wide-Band
• Análisis de los efectos del campo eléctrico
lateral

Presupuesto
Concepto Coste
Trabajo tarificado por tiempo empleado 72237.60 €
Amortización del material hardware 3095.00 €
Amortización del material software 1541.25 €
Redacción del proyecto 5154.99 €
Derechos de visado del COIT 257.45 €
Gastos de tramitación y envío 6.01 €
TOTAL (sin IGIC) 82292.30 €
IGIC (5%) 4114.61 €
TOTAL 86406.91 €

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