片上多金属互联层组合天线制造技术

本发明专利技术涉及一种集成电路技术领域的片上多金属互联层组合天线，包括：多金属互联层辐射元件、馈电穿孔、短路穿孔、二氧化硅层和硅基片。多金属互联层辐射元件中心与馈电穿孔相连，两端与短路穿孔相连，形成多金属互联层组合天线。本发明专利技术因为采用了多层金属互联层组合结构，可以有效地增加片上天线的辐射体积，缩减片上天线的尺寸，增加片上天线的阻抗带宽，显著提高片上天线在无线互联应用的传输增益，并且不占用任何额外的芯片面积。另外，本发明专利技术与主流ＣＭＯＳ工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，且不需要额外的阻抗匹配部件；同时也适用于多层低温共烧陶瓷工艺，具有广泛的工艺适应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种集成电路
的天线，具体是一种片上多金属互联层组 合天线。
技术介绍
随着微电子工艺的不断发展，集成电路元件规模如莫尔定律所述成几何级数 增长。新近，微米、亚微米工艺的成熟和应用，使人们越发关注互连线的信号完 整性问题，即全局互连传输延迟问题、互连线功耗问题以及互连线可靠性等问题。 基于上述考虑，不少学者提出采用无线互连的方式代替现有的互连线系统，即采 用片上集成天线、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、编解码器 (Coder/Decoder)等组件的无线收发系统来实现诸如局部互连、全局互联、全 局时钟线以及数据传输线等功能。高性能片上天线是高速集成电路和无线互联的 关键技术之一。传统的偶极子天线、折线天线、PIFA天线和缝隙天线等系统普 遍存在天线尺寸较大、传输性能不佳、性能易受附近金属元器件影响以及性能易 受封装结构影响等问题。经对现有技术的文献检索发现，基于CMOS工艺的片上天线，特别是应用于 无线互联的片上天线是现代集成电路技术中研究的热点之一，J. Branch等人在 2005年2月发表在电气与电子工程学会电子器件快报(IEEE Electron Device Letters)第二期的文章使用硅基集成天线进行封装内无线通信(Wireless Communication in a Flip-Chip Package using Integrated Antennas on Silicon Substrate),提出采用片上细线偶极子天线进行时钟线通信，然而由于片上天线 性能的限制，该系统通信传输损耗很大，效率较低；T. Kikkawa等人在2005年 10月发表在电气与电子工程学会电子器件快报(IEEE Electron Device Letters)第十期的文章用于甚大规模集成电路无线互联的硅基集成分形偶极子的超宽带 特性(Ultrawideband Characteristics of Fractal Dipole Antennas Integrated on Si for ULSI Wireless Interconnects),提出采用矩形分形偶极子天线来进行超宽带无线互联，但是该天线尺寸较大，占据了大量宝贵的芯片面积，因此实 用性不高；K. 0hashi等人在2007年4月发表在日本应用物理杂志(Japanese Journal of Applied Physics)的文章用于叠层多芯片封装内无线信号传输的 片上八木天线(On-chip Yagi-Uda Antenna for Horizontal Wireless Signal Transmission in Stacked Multi Chip Packaging),提出了一禾中片上八木天线， 获得了较高的传输增益，然而该天线尺寸较大，无法实际应用于片上无线互联。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种多金属互联 层组合天线，有效地縮小天线的尺寸，拓宽天线的工作带宽，并大幅提高其在无 线互联中的传输增益，并且不占用任何额外的芯片面积。本专利技术天线与主流CMOS 工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，且不需要额外的阻抗匹配部件，同 时也适用于多层低温共烧陶瓷(LTCC)工艺，具有广泛的工艺适应性。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括多金属互联层辐射元件、 馈电穿孔、短路穿孔、二氧化硅层和硅基片。所述硅基片在最下方，其上方是二 氧化硅层，二氧化硅层上方是多金属互联层辐射元件、馈电穿孔和短路穿孔。所 述多金属互联层辐射元件中心与馈电穿孔相连，两端与短路穿孔相连，形成多金 属互联层组合天线。所述多金属互联层辐射元件由n层金属互联层结构组合而成，每层的金属结 构可以相同，也可以不同。上述层数n是小于或等于半导体工艺的最大金属互联 层层数的任意整数。所述多金属互联层辐射元件可以是直线极子结构，也可以是折线极子结构。所述馈电穿孔与多金属互联层辐射元件中心相连，使多金属互联层辐射元件 的n层金属互联层结构相连。馈电穿孔同时也负责多金属互联层组合天线的馈 电，可以与片上集成的功率放大器或者低噪放相连。所述短路穿孔与多金属互联层辐射元件两端相连，使所述多金属互联层辐射 元件两端电平相等。所述二氧化硅和硅基片都是CMOS集成电路中的必需组件。本专利技术通过调节多金属互联层的层数n、每层的几何形状共可调整组合天线 的性能。层数n可以根据不同厂家的工艺自由选择，可以使用全部的金属互联层，也可以使用部分的金属互联层。本专利技术和现有技术相相比，其效果是积极和明显的。本专利技术因为采用了多层 金属互联层组合结构，可以有效地增加片上天线的辐射体积，缩减片上天线的尺 寸17%以上，增加片上天线的阻抗带宽达6%，显著提高片上天线在无线互联应用 的传输增益达，平均传输增益提高6dB左右，并且不占用任何额外的芯片面积。 另外，本专利技术天线与主流CMOS工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，且 不需要额外的阻抗匹配部件；同时也适用于多层低温共烧陶瓷(LTCC)工艺，具有 广泛的工艺适应性。附图说明图1是本专利技术一种片上多金属互联层组合天线结构示意图；图2是本专利技术实施例的具有不同层数的多金属互联层组合天线的反射系数图；图3是本专利技术实施例的具有不同层数的多金属互联层组合天线的传输增益图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护 范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括多金属互联层辐射元件1、馈电穿孔2、短路 穿孔3、 二氧化硅层4和硅基片5。所述硅基片5位于最下方,其上方是所述二氧 化硅层4,再上方是所述多金属互联层辐射元件1、馈电穿孔2和短路穿孔3。所 述多金属互联层辐射元件1中心与所述馈电穿孔2相连，两端与所述短路穿孔3 相连，形成多金属互联层组合天线。所述多金属互联层辐射元件1由n层金属互联层结构组合而成，每层的金属 结构可以相同，也可以不同。所述多金属互联层辐射元件1可以是直线极子结构，也可以是折线极子结构。所述馈电穿孔2与所述多金属互联层辐射元件1中心相连，使所述多金属互 联层辐射结构1的n层金属互联层结构相连。所述馈电穿孔2同时也负责所述多金属互联层组合天线的馈电，可以与片内的功率放大器或者低噪放相连。所述短路穿孔3与所述多金属互联层辐射元件1两端相连，使所述多金属互 联层辐射元件l两端电平相等。所述二氧化硅4和硅基片5都是CMOS集成电路中的必需组件。 本实施例通过调节多金属互联层的层数n、每层的几何形状共可调整组合天 线的性能。层数n可以根据不同厂家的工艺自由选择，可以使用全部的金属互联 层，也可以使用部分的金属互联层。图l是本实施例的结构示意图，具体尺寸为所述多金属互联层辐射元件1 中金属互联层层数n为l层、2层、4层和8层，层间距为1.5微米，所有层天 线形式均采用中心馈电的平面偶极子天线，天线长度为2毫米，宽度为IO微米， 厚度为0.5微米；所述馈电穿孔2和短路穿孔3均为圆柱形穿孔，直径为10微 米；所述二氧化硅层4的厚度为2微米，相对介电常数为4;所述硅基片5的厚 度为25本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种片上多金属互联层组合天线，包括：多金属互联层辐射元件（１）、馈电穿孔（２）、短路穿孔（３）、二氧化硅层（４）和硅基片（５），所述硅基片（５）在最下方，其上方是二氧化硅层（４），其特征在于，所述二氧化硅层（４）上方是多金属互联层辐射元件（１）、馈电穿孔（２）和短路穿孔（３），所述多金属互联层辐射元件（１）中心与所述馈电穿孔（２）相连，两端与所述短路穿孔（３）相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴琦，金荣洪，耿军平，叶声，毛军发，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]