2.5.1　三维电感的物理结构

在硅基板上形成的三维（3D）多层片上电感技术是一种有吸引力的解决方案［11-13］。堆叠的微型3D电感使用多个金属层，以期占用较小的面积来实现所需的电感量。多层片上电感的准确建模和模型参数提取技术对于优化器件性能和理解器件物理机制极为重要，平面螺旋电感的等效电路模型已用于预测低频范围内的3D多层片上电感，但是这些模型均基于仅由一个金属层构成的平面结构，并不适用于由多个金属层组成的垂直结构。此外，已发现这些模型在3D多层片上电感高频范围内的精度不能让人满意，主要原因是常规模式中未考虑通孔与馈线的分布效应。换句话说，必须改进这些模型以适应立体结构的需要。

为了克服现有模型的局限性，本节介绍一种用于3D多层片上电感的等效电路模型［14，15］，并给出了提取模型参数的半解析方法。此方法具有以下优点：

（1）单层螺旋电感被视为基本单元，整个模型由多个基本单元组成；

（2）考虑了用于将底层的金属板连接到焊盘通孔的分布效应；

（3）无须使用任何短路测试结构，可以根据器件的S参数直接确定模型参数的初始值。

所研究的片上3D电感由使用0.18μm标准CMOS工艺技术制造，包括六层金属，图2.33给出了包含六层金属的片上电感的版图布局和输入/输出焊盘的连接方式。堆叠式电感由不同金属层中的串联螺旋电感组成。通常，不同金属层中的每个螺旋电感可以具有相同或不同的圈数，并且导线从顶部金属层向下缠绕到底部金属层。为了实现如图2.33所示的堆叠式螺旋电感，图2.34给出了多层电感制作工艺，需要开发CMOS后端处理模块：先在六层金属间的电介质中预制垂直堆叠电感，然后通过深反应离子刻蚀线圈区域中的钝化层和金属间电介质，最后采用后CMOS工艺暴露金属螺旋线。图2.35给出了器件的扫描电镜图［14］。

图2.33　包含六层金属的片上电感的版图布局和输入/输出焊盘的连接方式

图2.34　多层电感制作工艺

图2.35　器件的扫描电镜图