[发明专利]片上多金属互联层组合天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成电路技术领域的天线，具体是一种片上多金属互联层组合天线。

背景技术

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 DeviceLetters)第二期的文章：使用硅基集成天线进行封装内无线通信(WirelessCommunication in a Flip-Chip Package using Integrated Antennas on SiliconSubstrate)，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 Integratedon 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.Ohashi等人在2007年4月发表在日本应用物理杂志(JapaneseJournal 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 SignalTransmission in Stacked Multi Chip Packaging)，提出了一种片上八木天线，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。

发明内容

本发明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，有效地缩小天线的尺寸，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。本发明天线与主流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。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：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。

本发明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。