[논문]RF 인덕터의 Underpass에 따른 품질 계수 및 항복전압 특성

신종관; 권성규; 장성용; 정진웅; 유재남; 오선호; 김철영; 이가원; 이희덕

doi:10.4313/jkem.2014.27.6.356

RF 인덕터의 Underpass에 따른 품질 계수 및 항복전압 특성
Effect of Uderpass Structure on Quality Factor and Breakdown Voltage in RF Inductor 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.27 no.6, 2014년, pp.356 - 360

신종관 (충남대학교 전자공학과) , 권성규 (충남대학교 전자공학과) , 장성용 (충남대학교 전자공학과) , 정진웅 (충남대학교 전자공학과) , 유재남 (충남대학교 전자공학과) , 오선호 (충남대학교 전자공학과) , 김철영 (충남대학교 전자공학과) , 이가원 (충남대학교 전자공학과) , 이희덕 (충남대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the effect of underpass structure on quality factor and breakdown voltage of octagonal inductors which were fabricated with 90 nm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology for radio frequency integrated circuit (RFIC) was studied. It was found that quality factor and breakdown voltage of inductors with more than one metal layer for underpass showed improved properties compared to those with one metal layer. However, little change of quality factor and breakdown voltage was observed between the inductors with two and more than two metal layers for underpass. Therefore, underpasses with two metal layers are promising for RFIC designs of the octagonal inductors in 90 nm CMOS technology.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 90 nm CMOS 기반에서 팔각형 구조의 인덕터 금속선 밑으로 지나가는 underpass를 일반적으로 사용되는 단일 금속 층 대비 다중 금속 층을 사용한 인덕터의 품질 계수 및 항복전압 특성을 비교 분석하였다.

제안 방법

원형 > 팔각형 > 사각형 순으로 품질 계수가 높지만 설계 편의성 측면에서는 사각형이 가장 유리하다. 그 중 팔각형 구조가 일반적으로 많이 쓰이고 있는데 본 논문에서 연구한 인덕터는 팔각형 구조 중 최상위 금속선 하나만을 사용하여 인덕터 구조를 설계하고 하위 금속선을 underpass로 사용하여 외부 금속선으로 빠지는 역할을 하도록 설계 하였다. 인덕터 금속선에 사용한 최상위 금속선에 비해 underpass에 사용한 하위 금속선의 두께가 상대적으로 많이 얇기 때문에 인덕터의 저항을 크게 하는 요소로 작용될 뿐만 아니라 전압 인가 시 underpass 부분의 높은 저항으로 인해 항복전압에 취약할 수 있다.
본 논문에서는 인덕터의 underpass 부분의 금속 층의 개수를 기존의 일반적인 방법인 1개로 설계하였을 때와 금속 층의 개수를 2개, 3개, 4개로 하였을 때에 따른 품질 계수 및 항복전압 특성에 대해 분석하였다. 단일 금속 층에 비해 다중 금속 층을 사용할 경우 금속선의 두께가 증가하는 효과를 가져와 저항 성분이 감소하여 품질 계수가 최대 5% 증가하였지만 underpass의 금속 층을 2개에서 3개 또는 4개로 증가시킬 경우에는 인덕터의 전체 저항의 변화는 작기 때문에 품질계수 차이는 크지 않았다.
본 측정에서도 소자를 측정한 후 open, short, through pattern을 통하여 de-embedding을 한 후 품질 계수를 추출하였다. 항복전압을 측정하기 위한 장비로는 Parameter analyzer (Keithley 4200)를 사용하였다.
5이다. 인덕터의 금속선은 Metal5로 설계되었고 금속선 안쪽에서 Metal5 밑으로 지나는 underpass 부분은 단일 금속선을 사용한 Metal4와 다중 금속선을 사용한 Metal4 + Metal3, Metal4 + Metal3 + Metal2, Metal4 + Metal3 + Metal2+Metal1의 네 가지 방법으로 설계하였다. 그림 1(c)는 설계한 인덕터의 직렬 성분을 schematic 으로 나타낸 것이다.
인덕터의 품질 계수 추출을 위해 RF 측정을 통하여 S-parameter를 측정한 후 de-embedding을 거쳐 pad 성분이 빠진 S-parameter를 추출한다. 이렇게 추출한 S-parameter를 Y-parameter로 변환하여 아래의 식을 통하여 품질 계수를 추출한다.
품질 계수 추출을 위한 RF 측정은 Network analyzer (Agilent E8360A) 장비를 이용하여 그림 2와 같이 100 MHz∼20 GHz의 주파수 범위에서 GSG probe로 측정하였다.

대상 데이터

실험을 위한 인덕터는 90 nm CMOS 공정에서 설계되었고, 그림 1과 같이 팔각형 구조로 이루어져 있다. 인덕터의 선폭 (W)은 6 μm이고, 내부 반경 (R)은 61.

이론/모형

본 측정에서도 소자를 측정한 후 open, short, through pattern을 통하여 de-embedding을 한 후 품질 계수를 추출하였다. 항복전압을 측정하기 위한 장비로는 Parameter analyzer (Keithley 4200)를 사용하였다.

성능/효과

인덕터의 underpass에 따른 항복전압 특성은 종류별로 세 샘플씩 측정하여 그림 6과 같이 box chart로 나타내었다. Underpass에 따른 항복전압은 M4층일 경우 평균 3.37 V, M4 + M3는 3.63 V, M4 + M3 + M2는 3.57 V, M4 + M3 +M2 + M1일 때 3.65 V로 단일 금속 층일 때 보다 다중 금속 층일 때 최대 9% 증가함을 확인하였다. 항복전압 특성도 품질계수 특성과 유사하게 underpass를 단일 금속 층으로 하였을 때보다 2개 이상의 다중 금속 층으로 하였을 때 개선되는 것을 확인하였다.
Underpass의 금속 층 개수에 따라 그림 4와 같이 품질 계수를 추출하였다. Underpass의 금속 층이 단일 금속 층을 사용하였을 때보다 다중 금속 층을 사용하였을 때 품질 계수가 증가함을 확인하였다.
단일 금속 층을 사용하였을 때 Q_MAX값은 7.59이고, 다중 금속 층을 사용하였을 때 Q_MAX값은 최대 7.94로 약 5%가 증가됨을 확인하였다.
이를 통해 underpass의 금속 층수에 따른 품질 계수의 변화 요인은 인덕턴스 성분의 영향이 아니라 저항 성분의 영향임을 알 수가 있다. 즉, underpass의 금속선이 단일 금속 층으로 사용되었을 때보다 다중 금속 층으로 사용되었을 때 underpass의 저항 성분을 감소시키는 효과를 가져와 품질 계수를 향상 시키는 결과를 가져왔다. 하지만 2개 이상의 다중 금속 층 종류 중에서는 금속 층을 늘렸을 때 품질 계수의 차이가 미미하다.
65 V로 단일 금속 층일 때 보다 다중 금속 층일 때 최대 9% 증가함을 확인하였다. 항복전압 특성도 품질계수 특성과 유사하게 underpass를 단일 금속 층으로 하였을 때보다 2개 이상의 다중 금속 층으로 하였을 때 개선되는 것을 확인하였다. 하지만 품질 계수와 마찬가지로 2개 이상의 다중 금속 층 종류 간에는 큰 차이가 나지 않았다.

후속연구

이러한 결과를 통해 인덕터의 underpass 부분을 단일 금속 층 대신에 2개 이상의 다중 금속 층을 사용하면 면적의 증가 없이 품질 계수를 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라 항복전압 또한 상승시키는 효과를 가져 오기 때문에 인덕터의 신뢰성 측면에도 효과적인 방법이 될 것이다. 하지만 underpass를 3개 이상의 금속 층으로 사용하는 것은 2개로 사용할 때보다 성능 상 더 큰 개선 효과를 기대하기 어렵기 때문에 underpass를 3개 이상의 금속 층으로 사용하는 것은 비효율적인 방법이라 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인덕터의 크기가 RF 설계에 있어 중요한 부분을 차지하는 이유는?	왜냐하면 RF IC의 저가격화뿐만 아니라 미래의 복합·다기능 무선 멀티미디어 단말기 구현을 위한 싱글 칩 솔루션 (single chip solution)을 제공할 수 있는 가능성이 가장 높기 때문이다. 이러한 RF IC 분야에서 인덕터의 크기와 성능은 RF 설계에서 매우 중요한 부분을 차지하고 있는데 이는 인덕터가 RF회로를 구성하는 면적에 많은 부분을 차지하고 있고, VCO (voltage controlled oscillator) 설계에 있어 인덕터의 품질 계수는 VCO의 출력 전력과 위상 잡음 성능을 결정하는데 중요한 역할을 하기 때문이다[1-3]. 또한, 이러한 인덕터의 중요함에도 불구하고 MOS 소자와 달리 인덕터의 성능과 크기를 개선시키는 것은 매우 제한적이다.
	인덕터의 평면 구조는 어떤 구조 순으로 품질 계수가 높은가?	일반적으로 인덕터의 평면 구조는 사각형 구조에서부터 팔각형 원형 구조로 설계가 가능하다. 원형 > 팔각형 > 사각형 순으로 품질 계수가 높지만 설계 편의성 측면에서는 사각형이 가장 유리하다. 그 중 팔각형 구조가 일반적으로 많이 쓰이고 있는데 본 논문에서 연구한 인덕터는 팔각형 구조 중 최상위 금속선 하나만을 사용하여 인덕터 구조를 설계하고 하위 금속선을 underpass로 사용하여 외부 금속선으로 빠지는 역할을 하도록 설계 하였다.
	인덕터의 성능을 개선시키는 방법은 어떤 것들이 있는가?	또한, 이러한 인덕터의 중요함에도 불구하고 MOS 소자와 달리 인덕터의 성능과 크기를 개선시키는 것은 매우 제한적이다. 일반적으로 인덕터의 성능을 개선시키는 방법은 비저항이 낮은 금속을 사용하거나 상대적으로 두꺼운 금속을 사용함으로써 인덕터를 이루는 금속선의 저항을 줄이는 방법이 있고 인덕터의 금속선과 실리콘 기판과의 손실을 줄이기 위해 patterned ground shield를 사용하여 인덕터의 특성을 개선시키는 방법이 있다 [4-6]. 일반적으로 인덕터의 평면 구조는 사각형 구조에서부터 팔각형 원형 구조로 설계가 가능하다.

참고문헌 (9)

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