UltraEM中NTN Layer和PGS对Q值影响的研究

1 介绍

此仿真实例用UltraEM来研究接地屏蔽层(PGS)以及NTN层的改变对器件Q值造成的影响。

PGS和NTN对器件起到的作用都是提高Q值。PGS是接地屏蔽层，其上结构与电感线圈垂直，通过减少金属层与地板之间的耦合起到屏蔽作用；加NTN则会将工艺衬底的掺杂硅换成导电率更低的本征硅，减小了介质损耗角正切，从而降低了能量的损失，起到屏蔽的作用。

本次测试使用的三个实例分别是：

1. CMOS工艺的对称螺旋电感；

2. 在1的基础上添加一个接地屏蔽层；

3. 在1的基础上更改衬底材料为本征硅。

将三个实例放入UltraEM仿真并对比其Q值变化。

2 仿真操作流程          

2.1建立仿真算例

2.1.1 新建工程

依次点击File > New > Project新建工程，如下图 2-1。

图2-1 新建工程 2.1.2 导入设计文件

这里使用示例Examples中采用到接地屏蔽层的Symind_Shield.py工程。

图2‑2 导入设计文件

2.1.3 PGS测试算例

建立两个螺旋电感算例，一个不含PGS，一个含PGS，如图 2-3，图 2-4。  

图2‑3 无屏蔽层

图2‑4 接地屏蔽层 2.1.4 NTN层测试算例

建立两个螺旋电感算例，一个使用掺杂硅衬底，一个使用本征硅衬底。

修改衬底材料参数可按如下方式操作：

依次点击Layer > Set Layer Data打开器件的层数据，如下图2-5。

图2‑5 查看层数据

打开层数据之后，找到底部衬底层，如下图2-6。

图2‑6 查看衬底

点击Dielectric1层所用材料g65d1，即可查看该材料的信息，如下图2-7。

图2‑7 衬底材料

此处使用材料为掺杂硅，电导率为8.0 S/m。为对比NTN layer造成的影响，我们重新定义一个本征硅，电导率设置为0.08 S/m。点击Add Material新建材料，如下图2-8。 图2-8 新建材料

2.2 自定义参数

自定义参数Q值的查看需要预先定义公式，通过Result > Define Quantities建立一个新的公式，如下图2-9。

图2‑9 定义Q参数

通过Define New Quantity，设置参数名及计算公式。

2.3 定义测试频率

通过Solve > Settings进入频率设置页面，在Frequency中设置仿真的起始频率、步长以及截止频率。

图2-10 设置仿真频率

2.4 开始仿真

完成频率设置后，点击Solve > Run以运行仿真，如下图2-11。

图2-11 开始仿真

2.5 查看结果

以上三个算例仿真完成后，单击Result > Model Data，查看仿真结果。选择Q11计算公式，查看其Real part。

图2-12 绘图

图2-13 Q 值对比

Q值曲线由高到低依次是：添加NTN层的电感、添加PGS的电感、无NTN无PGS的电感。

从仿真结果来看，在频率较低的频段，三者几乎重合，Q值区别很小，频率较高时，三者差异逐步增加。

明显可以发现有PGS的电感Q值要比没有的高许多，使用本征硅的电感也明显提高了Q。

此结果基本与理论相符，不论是接地屏蔽层还是减小衬底导电率，两者都是减小了器件的损耗进而提高了Q值。

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审核编辑：汤梓红