一种片上集成硅基折叠式天线的制作方法
【专利摘要】本发明(“一种片上集成硅基折叠式天线”)公开了片上可集成的天线，该天线运用于集成电路系统的可集成超宽带天线。本发明的主要特点是选取的材料为硅基衬底以及其上淀积的中间层和顶层铝金属。主要平面结构采用折叠式结构和用于对天线辐射性能进行调节的金属网格结构。本发明能够实现与传统CMOS平面工艺的完全兼容；能够实现6-8GHz带宽内的宽带信号的发射与接收；实现了与发射端功率放大器和接收端低噪声放大器的阻抗匹配，即50欧姆；提供了一定的传输效率和较好的传输损耗特性；本发明对天线的辐射方向图在一定程度上实现了可调；针对应用于不同系统中的片上天线，本发明都有一定程度上的可适用性。
【专利说明】一种片上集成硅基折叠式天线
【技术领域】
[0001] 本发明涉及硅基可集成天线，具体地说，与集成电路（1C)可以片上集成的超宽带 天线。
【背景技术】
[0002] 片上天线主要实现集成电路中无线传输系统的信号发射与接收。其实现功能类似 于传统天线功能，需要实现电磁波的发射与接收，同时，需要完成发射端与功率放大器的阻 抗匹配以及接收端与低噪声放大器的阻抗匹配。其关键参数为发射与接收时工作带宽，即 工作频率范围；以及无线传输时的能量损耗。
[0003] 片上天线的主要特点是实现与现有CMOS工艺的兼容，在同一个芯片中实现天线 与集成电路的集成，节省互连与面积消耗。由于传统的天线对材料要求较为固定，一般为金 属材料，如铁、铝等；并且对形状要求较为严格，一般为三维结构，这与集成电路（1C)的平 面工艺存在矛盾。因此，现有的解决方案多为大面积的折叠结构，或者更多的采用片外天线 结构，即采用电路芯片与天线分离，再通过管脚和导线的互连实现无线传输。
[0004] 传统分离结构主要存在的问题是，无法集成，与CMOS工艺兼容性差。CMOS工艺为 平面工艺，即通过掺杂、光刻、刻蚀、淀积等步骤实现多层平面结构，采用的主要材料为硅基 衬底、二氧化硅、铝或者铜等金属，形成薄层结构。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术中与CMOS工艺兼容性问题和硅基材料下的面积消耗过大问 题，提供了一种硅基工艺下，利用顶层金属实现的折叠式片上天线，很好的实现了工艺兼容 和电磁波发射和接收。
[0006] 为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
[0007] 片上利用CMOS工艺中的顶层金属，一般为铝或者铜，作为金属材料，利用该层薄 膜型金属，作为电流载体，实现基本的振荡和电磁波发射结构功能。所述片上天线采用镜面 堆成的折叠式结构，利用金属的宽度和厚度，实现相应带宽下的频率匹配和阻抗匹配，通过 调节该结构的占空比等参数，得到目标带宽和阻抗。所述结构利用硅基衬底和淀积的二氧 化硅，实现介质隔离，本发明所述片上天线通过掺杂、光刻、刻蚀等CMOS步骤，从工艺上实 现印刷制造。
[0008] 本发明一种实例所述片上天线，所用材料为铝，其其导电常数为3. 72e+7S/m，衬底 为相对介电常数是11. 9的硅，硅衬底厚度为260um。
[0009] 本发明一种实例所述片上天线，采用一对或两对折叠式结构，金属宽度、金属间 隔、以及基本结构重复组数均可调。
[0010] 本发明一种实例所述片上天线，实现了 6-8GHZ的宽带匹配，和50ohm的阻抗匹 配。为了达成该性能，采用金属宽度为l〇um，重复单元宽为140um，高为450um，天线对相距 150um，金属厚度为4um，总长1950um，金属凸块为150um*150um。
[0011] 本发明一种实例所述片上天线，使用信号为带宽范围为6-8GHz的高斯波脉冲信 号或其它宽带信号，通过脉冲的有无判断传输数据为数字信号的〇或者1，对于非开关调制 的信号，本发明所述天线也具有普适性。
[0012] 本发明的有益效果是：本发明提供了片上可集成的天线，能够实现与传统CMOS平 面工艺的完全兼容；能够实现6-SGHz带宽内的宽带信号的发射与接收；实现了与发射端功 率放大器和接收端低噪声放大器的阻抗匹配，即50ohm ;提供了一定的传输效率和较好的 传输损耗特性；提供了天线辐射方向图可调的实现技术，并有利于改善运用于不同电路结 构中的天线辐射效率的实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 附图1为射频收发信号结构的基本构成；
[0014] 附图2为提出的结构的整体构造，折叠结构制作于顶层，下面是作为可调部分的 金属网格结构，再下面是接地的金属层，以上三个部分之间通过标准CMOS工艺的二氧化硅 进行隔离；
[0015] 附图3为提出结构的一个实例的具体参数情况，其中，a = 100um，b = 140um，h = 1950um，w = 450um，d = 10um ;
[0016] 附图4为实例的网格处理情况，该实例简单处理为用线宽为lOum的条状金属纵 横排列，组成中间较疏四周较密的规整网格结构，其中纵向77条，横向37条，纵向的77条 金属中，处于中间的29条与相邻金属条直接的距离为20um，两侧各24条金属之间距离为 10um ;横向金属的中间13条与相邻金属条直接间距为20um，上下两侧各12条金属之间距 离为10um。注：间距较大的金属条与间距较小金属条相邻时其间距取20um。
[0017] 附图5为所提出结构的实例加工之后的照片。
[0018] 附图6为实例所示的结构在距离为150um时得到的传输增益曲线。
【具体实施方式】
[0019] 下面通过【具体实施方式】结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0020] 本发明的主要发明构思是：利用CMOS工艺中的顶层金属，一般为铝或者铜，作为 金属材料，采用镜面堆成的折叠式结构，利用金属的宽度和厚度，实现相应带宽下的频率匹 配和阻抗匹配；同时，利用硅基衬底和淀积的二氧化硅，实现介质隔离；将CMOS工艺中的底 层金属设置为地端，改变顶层金属与底层金属之间金属层的占空比来调节和改善天线的辐 射方向图。
[0021] 本发明所示天线如附图2所示，天线主体结构由铝构成，其导电常数为3. 72e+7S/ m，衬底为相对介电常数是11. 9的硅。用于演示的实例如附图3所示，其中的具体参数如下： a = 100um，b = 140um，h = 1950um，w = 450um，金属线宽 d = 10um.娃衬底厚度为 260um， 折叠的金属结构厚度是4um。
[0022] 本发明所述天线的实例实现的传输特性曲线如附图6所示，传输天线在工作频率 范围内匹配到50欧姆。在频率5. 86GHz tolO. 08GHz，传输增益s21>-20dB。在这个频率 范围，回损（return loss，sll)满足小于-10dB的条件。S21最大值-5. 88dB出现在频率 为 L 66GHz 时。
[0023] 天线传输增益的计算如下式：
【权利要求】
1. 一种用于集成电路制作工艺的片上天线设计，其结构为单极天线，其主要部分包括 制作在顶层金属上的折叠天线结构； 作为地端的底层金属层； 以及用于调节天线辐射性能的中间金属层网格结构。
2. 根据权利要求1所述的结构，主要天线结构为折叠结构，制作于CMOS工艺的最顶层 金属。
3. 根据权利要求2所述的结构，以底层金属为地端，接到0电平。
4. 根据权利要求2所述的结构，对中间层金属进行网格化处理，此种处理视对片上天 线的具体要求而定，包括且不限于将中间金属层制作为规则排列和不规则分布的孔状结 构。
5. 根据权利要求2所述的结构，其用于集成电路芯片内部的无线信号传输以及芯片与 外部的信号传输。
6. 根据权利要求4所述的结构，通过金属网格的疏密和金属在该层分布，即改变中间 层金属的占空比，来调节天线的辐射方向图，中间金属层的层数和处理方式视天线需要实 现的性能而定。
7. 根据权利要求4所述的结构，金属层的处理一般为中间金属层中的一层或者几层。
【文档编号】H01L23/66GK104112902SQ201310140554
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月19日 优先权日:2013年4月19日
【发明者】王小军 申请人:北京大学深圳研究生院