專(zhuān)利名稱(chēng)：片上多金屬互聯(lián)層組合天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路技術(shù)領(lǐng)域的天線，具體是一種片上多金屬互聯(lián)層組 合天線。
背景技術(shù)：
隨著微電子工藝的不斷發(fā)展，集成電路元件規(guī)模如莫爾定律所述成幾何級(jí)數(shù) 增長(zhǎng)。新近，微米、亞微米工藝的成熟和應(yīng)用，使人們?cè)桨l(fā)關(guān)注互連線的信號(hào)完 整性問(wèn)題，即全局互連傳輸延遲問(wèn)題、互連線功耗問(wèn)題以及互連線可靠性等問(wèn)題。 基于上述考慮，不少學(xué)者提出采用無(wú)線互連的方式代替現(xiàn)有的互連線系統(tǒng)，即采 用片上集成天線、功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、編解碼器 (Coder/Decoder)等組件的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如局部互連、全局互聯(lián)、全 局時(shí)鐘線以及數(shù)據(jù)傳輸線等功能。高性能片上天線是高速集成電路和無(wú)線互聯(lián)的 關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的偶極子天線、折線天線、PIFA天線和縫隙天線等系統(tǒng)普 遍存在天線尺寸較大、傳輸性能不佳、性能易受附近金屬元器件影響以及性能易 受封裝結(jié)構(gòu)影響等問(wèn)題。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，基于CMOS工藝的片上天線，特別是應(yīng)用于 無(wú)線互聯(lián)的片上天線是現(xiàn)代集成電路技術(shù)中研究的熱點(diǎn)之一，J. Branch等人在 2005年2月發(fā)表在電氣與電子工程學(xué)會(huì)電子器件快報(bào)(IEEE Electron Device Letters)第二期的文章使用硅基集成天線進(jìn)行封裝內(nèi)無(wú)線通信(Wireless Communication in a Flip-Chip Package using Integrated Antennas on Silicon Substrate),提出采用片上細(xì)線偶極子天線進(jìn)行時(shí)鐘線通信，然而由于片上天線 性能的限制，該系統(tǒng)通信傳輸損耗很大，效率較低；T. Kikkawa等人在2005年 10月發(fā)表在電氣與電子工程學(xué)會(huì)電子器件快報(bào)(IEEE Electron Device Letters)第十期的文章用于甚大規(guī)模集成電路無(wú)線互聯(lián)的硅基集成分形偶極子的超寬帶 特性(Ultrawideband Characteristics of Fractal Dipole Antennas Integrated on Si for ULSI Wireless Interconnects),提出采用矩形分形偶極子天線來(lái)進(jìn)行超寬帶無(wú)線互聯(lián)，但是該天線尺寸較大，占據(jù)了大量寶貴的芯片面積，因此實(shí) 用性不高；K. 0hashi等人在2007年4月發(fā)表在日本應(yīng)用物理雜志(Japanese Journal of Applied Physics)的文章用于疊層多芯片封裝內(nèi)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)?片上八木天線(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線， 獲得了較高的傳輸增益，然而該天線尺寸較大，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用于片上無(wú)線互聯(lián)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提供一種多金屬互聯(lián) 層組合天線，有效地縮小天線的尺寸，拓寬天線的工作帶寬，并大幅提高其在無(wú) 線互聯(lián)中的傳輸增益，并且不占用任何額外的芯片面積。本發(fā)明天線與主流CMOS 工藝全面兼容，適用于各種電阻率的硅基片，且不需要額外的阻抗匹配部件，同 時(shí)也適用于多層低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝，具有廣泛的工藝適應(yīng)性。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括多金屬互聯(lián)層輻射元件、 饋電穿孔、短路穿孔、二氧化硅層和硅基片。所述硅基片在最下方，其上方是二 氧化硅層，二氧化硅層上方是多金屬互聯(lián)層輻射元件、饋電穿孔和短路穿孔。所 述多金屬互聯(lián)層輻射元件中心與饋電穿孔相連，兩端與短路穿孔相連，形成多金 屬互聯(lián)層組合天線。所述多金屬互聯(lián)層輻射元件由n層金屬互聯(lián)層結(jié)構(gòu)組合而成，每層的金屬結(jié) 構(gòu)可以相同，也可以不同。上述層數(shù)n是小于或等于半導(dǎo)體工藝的最大金屬互聯(lián) 層層數(shù)的任意整數(shù)。所述多金屬互聯(lián)層輻射元件可以是直線極子結(jié)構(gòu)，也可以是折線極子結(jié)構(gòu)。所述饋電穿孔與多金屬互聯(lián)層輻射元件中心相連，使多金屬互聯(lián)層輻射元件 的n層金屬互聯(lián)層結(jié)構(gòu)相連。饋電穿孔同時(shí)也負(fù)責(zé)多金屬互聯(lián)層組合天線的饋 電，可以與片上集成的功率放大器或者低噪放相連。所述短路穿孔與多金屬互聯(lián)層輻射元件兩端相連，使所述多金屬互聯(lián)層輻射 元件兩端電平相等。所述二氧化硅和硅基片都是CMOS集成電路中的必需組件。本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)多金屬互聯(lián)層的層數(shù)n、每層的幾何形狀共可調(diào)整組合天線 的性能。層數(shù)n可以根據(jù)不同廠家的工藝自由選擇，可以使用全部的金屬互聯(lián)層，也可以使用部分的金屬互聯(lián)層。本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相相比，其效果是積極和明顯的。本發(fā)明因?yàn)椴捎昧硕鄬?金屬互聯(lián)層組合結(jié)構(gòu)，可以有效地增加片上天線的輻射體積，縮減片上天線的尺 寸17%以上，增加片上天線的阻抗帶寬達(dá)6%，顯著提高片上天線在無(wú)線互聯(lián)應(yīng)用 的傳輸增益達(dá)，平均傳輸增益提高6dB左右，并且不占用任何額外的芯片面積。 另外，本發(fā)明天線與主流CMOS工藝全面兼容，適用于各種電阻率的硅基片，且 不需要額外的阻抗匹配部件；同時(shí)也適用于多層低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝，具有 廣泛的工藝適應(yīng)性。


圖1是本發(fā)明一種片上多金屬互聯(lián)層組合天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的具有不同層數(shù)的多金屬互聯(lián)層組合天線的反射系數(shù)圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的具有不同層數(shù)的多金屬互聯(lián)層組合天線的傳輸增益圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括多金屬互聯(lián)層輻射元件1、饋電穿孔2、短路 穿孔3、 二氧化硅層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 化硅層4,再上方是所述多金屬互聯(lián)層輻射元件1、饋電穿孔2和短路穿孔3。所 述多金屬互聯(lián)層輻射元件1中心與所述饋電穿孔2相連，兩端與所述短路穿孔3 相連，形成多金屬互聯(lián)層組合天線。所述多金屬互聯(lián)層輻射元件1由n層金屬互聯(lián)層結(jié)構(gòu)組合而成，每層的金屬 結(jié)構(gòu)可以相同，也可以不同。所述多金屬互聯(lián)層輻射元件1可以是直線極子結(jié)構(gòu)，也可以是折線極子結(jié)構(gòu)。所述饋電穿孔2與所述多金屬互聯(lián)層輻射元件1中心相連，使所述多金屬互 聯(lián)層輻射結(jié)構(gòu)1的n層金屬互聯(lián)層結(jié)構(gòu)相連。所述饋電穿孔2同時(shí)也負(fù)責(zé)所述多金屬互聯(lián)層組合天線的饋電，可以與片內(nèi)的功率放大器或者低噪放相連。所述短路穿孔3與所述多金屬互聯(lián)層輻射元件1兩端相連，使所述多金屬互 聯(lián)層輻射元件l兩端電平相等。所述二氧化硅4和硅基片5都是CMOS集成電路中的必需組件。 本實(shí)施例通過(guò)調(diào)節(jié)多金屬互聯(lián)層的層數(shù)n、每層的幾何形狀共可調(diào)整組合天 線的性能。層數(shù)n可以根據(jù)不同廠家的工藝自由選擇，可以使用全部的金屬互聯(lián) 層，也可以使用部分的金屬互聯(lián)層。圖l是本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，具體尺寸為所述多金屬互聯(lián)層輻射元件1 中金屬互聯(lián)層層數(shù)n為l層、2層、4層和8層，層間距為1.5微米，所有層天 線形式均采用中心饋電的平面偶極子天線，天線長(zhǎng)度為2毫米，寬度為IO微米， 厚度為0.5微米；所述饋電穿孔2和短路穿孔3均為圓柱形穿孔，直徑為10微 米；所述二氧化硅層4的厚度為2微米，相對(duì)介電常數(shù)為4;所述硅基片5的厚 度為250微米，相對(duì)介電常數(shù)為11.9，導(dǎo)電率為20歐姆厘米。評(píng)估本實(shí)施例的 傳輸增益時(shí)，將l對(duì)完全相同的天線平行放置并對(duì)準(zhǔn)，間距為10毫米。圖2是本實(shí)施例的反射系數(shù)圖。從圖中可以看出層數(shù)n為1層的天線諧振頻 點(diǎn)在25.25 GHz，相對(duì)帶寬為15.6%;隨著層數(shù)n的增大，天線諧振頻點(diǎn)下移， 且?guī)捵儗?。層?shù)n為8層的天線諧振頻帶為20. 85 GHz，相對(duì)帶寬為21. 4%，相 比層數(shù)n為1層的天線，尺寸縮減了 15. 6%,相對(duì)帶寬提高了約5. 8%。圖3是本實(shí)施例的傳輸增益圖。從圖中可以看出，隨著層數(shù)n的增大，本實(shí) 施例的傳輸增益在其工作頻帶內(nèi)和低于工作頻帶的頻率范圍內(nèi)大幅提高。層數(shù)n 為8的天線比層數(shù)n為1的天線相比，傳輸增益平均提高了6 dB左右。
權(quán)利要求
1、一種片上多金屬互聯(lián)層組合天線，包括多金屬互聯(lián)層輻射元件(1)、饋電穿孔(2)、短路穿孔(3)、二氧化硅層(4)和硅基片(5)，所述硅基片(5)在最下方，其上方是二氧化硅層(4)，其特征在于，所述二氧化硅層(4)上方是多金屬互聯(lián)層輻射元件(1)、饋電穿孔(2)和短路穿孔(3)，所述多金屬互聯(lián)層輻射元件(1)中心與所述饋電穿孔(2)相連，兩端與所述短路穿孔(3)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上多金屬互聯(lián)層組合天線，其特征是，所述多 金屬互聯(lián)層輻射元件(1)由n層金屬互聯(lián)層結(jié)構(gòu)組合而成，層數(shù)n任意整數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的片上多金屬互聯(lián)層組合天線，其特征是，所 述多金屬互聯(lián)層輻射元件(l)是直線極子結(jié)構(gòu)，或是折線極子結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的片上多金屬互聯(lián)層組合天線，其特征是，所 述多金屬互聯(lián)層輻射元件(1)，其n層金屬互聯(lián)層結(jié)構(gòu)通過(guò)饋電穿孔(2)相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上多金屬互聯(lián)層組合天線，其特征是，所述饋 電穿孔(2)，與片內(nèi)的功率放大器或者低噪放相連，負(fù)責(zé)整個(gè)天線的饋電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成電路技術(shù)領(lǐng)域的片上多金屬互聯(lián)層組合天線，包括多金屬互聯(lián)層輻射元件、饋電穿孔、短路穿孔、二氧化硅層和硅基片。多金屬互聯(lián)層輻射元件中心與饋電穿孔相連，兩端與短路穿孔相連，形成多金屬互聯(lián)層組合天線。本發(fā)明因?yàn)椴捎昧硕鄬咏饘倩ヂ?lián)層組合結(jié)構(gòu)，可以有效地增加片上天線的輻射體積，縮減片上天線的尺寸，增加片上天線的阻抗帶寬，顯著提高片上天線在無(wú)線互聯(lián)應(yīng)用的傳輸增益，并且不占用任何額外的芯片面積。另外，本發(fā)明與主流CMOS工藝全面兼容，適用于各種電阻率的硅基片，且不需要額外的阻抗匹配部件；同時(shí)也適用于多層低溫共燒陶瓷工藝，具有廣泛的工藝適應(yīng)性。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK101227026SQ200710173270
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者聲 葉, 琦 吳, 毛軍發(fā), 耿軍平, 金榮洪 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)