Конструктивные подходы к интеграции приборов на основе разных полупроводниковых технологий в микроэлектронике СВЧ

Введение. Достижение высоких характеристик радиоэлектронной системы требует применения комбинации приборов, реализованных на разных полупроводниковых технологиях, – гетерогенной интеграции. Достоинства гетерогенной интеграции очевидны при компактном соединении элементов в единую схему. Развитие подходов интеграции, обеспечивающих повышенную функциональность и улучшенные рабочие характеристики, является актуальной проблемой современной электронной компонентной базы СВЧ.

Цель работы. Аналитический обзор современных и перспективных направлений конструктивных решений интеграции микроэлектроники СВЧ на основе разных широкозонных полупроводниковых технологий.

Материалы и методы. Рассмотрены 8 подходов интеграции, обеспечивающих соединение приборов на разных полупроводниковых технологиях в СВЧ-диапазоне: монолитная гетерогенная интеграция, монтаж пластина-к-пластине, метод переноса слоев, интеграция в единую подложку, интеграция методом печати, интеграция проволоками, перевернутый монтаж, hot-via. Рассмотрены конструктивные подходы интеграции, этапы реализации, достоинства и недостатки.

Результаты. Монолитная гетерогенная интеграция и монтаж пластина-к-пластине, как и метод переноса слоев, несмотря на минимальные длины межсоединений, имеют ряд фундаментальных ограничений, связанных с совместимостью разных полупроводниковых материалов, а также требуют больших технологических возможностей, что сдерживает их развитие и применение. Интеграция в единую подложку из-за вариативности реализации позволяет обеспечить уникальные характеристики, например благодаря интеграции магнитных материалов, однако требует высокой сложности технологических процессов интеграции. Метод перевернутого монтажа обеспечивает минимальные потери и паразитные составляющие переходных межсоединений в СВЧ-диапазоне благодаря миниатюризации переходных межсоединений. Hot-via, как модификация метода перевернутого монтажа, обеспечивает лучшую совместимость с микрополосковыми схемами. Их дальнейшее совершенствование и массовое применение во многом зависят от развития технологии формирования локальных переходных межсоединений.

Заключение. Развитие подходов близкой интеграции в микроэлектронике СВЧ идет как в монолитном направлении – монолитная гетерогенная интеграция и монтаж пластина-к-пластине, так и в гибридномонолитном – метод переноса слоев, интеграция в единую подложку, применение аддитивных технологий, перевернутый монтаж и hot-via. Проведенный сравнительный анализ представленных методов имеет практическое применение

1. Connecting Chips with More Than 100 GHz Bandwidth / W. Heinrich, M. Hossain, S. Sinha, F.- J. Schmückle, R. Doerner, V. Krozer, N. Weimann // IEEE J. Microw. 2021. Vol. 1, № 1. P. 364–373. doi: 10.1109/JMW.2020.3032879

2. Heterogeneously Integrated RF Circuits Using Highly Scaled off-the-Shelf GaN HEMT Chiplets / F. Herrault, J. C. Wong, Y. Tang, H. Y. Tai, I. Ramos // IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2020. Vol. 30, № 11. P. 1061–1064. doi: 10.1109/LMWC.2020.3025126

3. III-V/III-N technologies for next generation high-capacity wireless communication / N. Collaert, A. Alian, A. Banerjee, G. Boccardi P. Cardinael et al. // Intern. Electron Devices Meeting (IEDM). San Francisco, USA, 03–07 Dec. 2022. IEEE, 2022. P. 11.5.1– 11.5.4. doi: 10.1109/IEDM45625.2022.10019555

4. OMMIC D01PH технологический процесс. URL: https://www.macom.com/european-semiconductor-center/mesc-processes (дата обращения 24.08.2023)

5. High Performance and High Reliability of 0.1μm InP HEMT MMIC Technology on 100 mm InP Substrates / R. Lai, Y. C. Chou, L. J. Lee, P. H. Liu, D. Leung, Q. Kan, X. Mei, C. H. Lin, D. Farkas, M. Barsky, D. Eng, A. Cavus, M. Lange, P. Chin, M. Wojtowicz, T. Block, A. Oki // IEEE 19th Intern. Conf. on Indium Phosphide & Related Materials, Matsue, Japan, 14–18 May 2007. IEEE, 2007. P. 63–66. doi: 10.1109/ICIPRM.2007.381123

6. 6W Ka Band Power Amplifier and 1.2dB NF X-Band Amplifier Using a 100nm GaN/Si Process / R. Leblanc, N. Santos Ibeas, A. Gasmi, F. Auvray, J. Poulain, F. Lecourt, G. Dagher, P. Frijlink // IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symp. (CSICS), Austin, TX, USA, 23–26 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/CSICS.2016.7751009

7. 0.13 μ m SiGe BiCMOS Technology Fully Dedicated to mm-Wave Applications / G. Avenier, M. Diop, P. Chevalier, G. Troillard, N. Loubet et al. // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2009. Vol. 44, № 9. P. 2312–2321. doi: 10.1109/JSSC.2009.2024102

8. A 0.13-/spl mu/m SOI CMOS technology for lowpower digital and RF applications / N. Zamdmer, A. Ray, J.-O. Plouchart, L. Wagner, N. Fong, K. A. Jenkins, W. Jin, P. Smeys, I. Yang, G. Shahidi, F. Assaderghi // Symp. on VLSI Technology. Digest of Technical Papers, Kyoto, Japan, 12–14 June 2001. IEEE, 2001. P. 85–86. doi: 10.1109/VLSIT.2001.934959

9. A Novel Si–GaN Monolithic Integration Technology for a High-Voltage Cascoded Diode / J. Ren, C. Liu, C. W. Tang, K. M. Lau, J. K. O. Sin // IEEE Electron Device Let. 2017. Vol. 38, № 4. P. 501–504. doi: 10.1109/LED.2017.2665698

10. Pat. US 8823146B1. Semiconductor structure having silicon devices, column III-Nitride devices, and column III-non-Nitride or Column II-VI devices / W. E. Hoke. 02.09. 2014.

11. Kazior T. E. Beyond CMOS: heterogeneous integration of III–V devices, RF MEMS and other dissimilar materials/devices with Si CMOS to create intelligent microsystems // Phil. Trans. R. Soc. A. 2014. Vol. 372, № 2012. P. 20130105. doi: 10.1098/rsta.2013.0105

12. Silicon-on-insulator with hybrid orientations for heterogeneous integration of GaN on Si (100) substrate / R. Zhang, B. Zhao, K. Huang, T. You, Q. Jia, J. Lin, S. Zhang, Y. Yan, A. Yi, M. Zhou, X. Ou // AIP Advances. 2018. Vol. 8, № 5. P. 055323. doi: 10.1063/1.5030776

13. Kazior T. E., LaRoche J. R., Hoke W. E. More Than Moore: GaN HEMTs and Si CMOS Get It Together // IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symp. (CSICS), Monterey, CA, USA, 13– 16 Oct. 2013. IEEE, 2013. P. 1–4. doi: 10.1109/CSICS.2013.6659239

14. Mendes J. C., Liehr M., Li C. Diamond/GaN HEMTs: Where from and Where to? // Materials. 2022. Vol. 15, № 2. P. 415. doi: 10.3390/ma15020415

15. Heteroepitaxial Growth of III-V Semiconductors on Silicon / J.-S. Park, M. Tang, S. Chen, H. Liu // Crystals. 2020. Vol. 10, iss. 12. P. 1163. doi: 10.3390/cryst10121163

16. A review of silicon-based wafer bonding processes, an approach to realize the monolithic integration of Si-CMOS and III–V-on-Si wafers / S. Bao, Y. Wang, K. Lina, L. Zhang, B. Wang, W. A. Sasangka, K. E. K. Lee, S. J. Chua, J. Michel, E. Fitzgerald, C. S. Tan, K. H. Lee // J. Semicond. 2021. Vol. 42, № 2. P. 023106. doi: 10.1088/1674-4926/42/2/023106

17. InAlN/GaN-on-Si HEMT with 4.5 W/mm in a 200-mm CMOS-Compatible MMIC Process for 3D Integration / S. Warnock, C.-L.Chen, J. Knechtl, R. Molnar et al. // IEEE/MTT-S Intern. Microwave Symp. (IMS). 2020. Los Angeles, CA, USA, 04–06 Aug. 2020. IEEE, 2020. P. 289–292. doi: 10.1109/IMS30576.2020.9224061

18. Si/InP Heterogeneous Integration Techniques from the Wafer-Scale (Hybrid Wafer Bonding) to the Discrete Transistor (Micro-Transfer Printing) / A. D. Carter, M. E. Urteaga, Z. M. Griffith, K.-J. Lee, J. Roderick, P. Rowell, J. Bergman, S. Hong, R. Patti, C. Petteway, G. Fountain, K. Ghosel, C. A. Bower // IEEE SOI-3D-Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conf. (S3S), Burlingame, CA, USA, 15–18 Oct. 2018. IEEE, 2018. P. 1–4. doi: 10.1109/S3S.2018.8640196

19. LaRoche J. Towards a Si foundry-compatible GaN-on-Si MMIC process on 200 mm Si with Cu damascene BEOL (Conf. Presentation) // Proc. SPIE 11280, Gallium Nitride Materials and Devices XV, 112801G, 10 March 2020. doi: 10.1117/12.2543913

20. A Hetero-Integrated W-Band Transmitter Module in InP-on-BiCMOS Technology / M. Hossain, M. H. Eissa, M. Hrobak, D. Stoppel, N. Weimann, A. Malignaggi, A. Mai, D. Kissinger, W. Heinrich, V. Krozer // 13th European Microwave Integrated Circuits Conf. (EuMIC), Madrid, Spain, 23–25 Sept. 2018. IEEE, 2018. P. 97–100. doi: 10.23919/EuMIC.2018.8539915

21. Transfer print techniques for heterogeneous integration of photonic components / B. Corbett, R. Loi, W. Zhou, D. Liu, Z. Ma // Progress in Quantum Electronics. 2017. Vol. 52. P. 1–17. doi: 10.1016/j.pquantelec.2017.01.001

22. Gong Z. Layer-Scale and Chip-Scale Transfer Techniques for Functional Devices and Systems: A Review // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, iss. 4. Art. 842. P. 1–47. doi: 10.3390/nano11040842

23. Moutanabbir O., Gösele U. Heterogeneous Integration of Compound Semiconductors // Annual Review of Materials Research. 2010. Vol. 40, iss. 1. P. 469–500. doi: 10.1146/annurev-matsci-070909-104448

24. Lerner R., Hansen N. H. Commercial Sweet Spots for GaN and CMOS Integration by Micro-Transfer-Printing // ISPS’21 Proc. Prague, Czech Technical University. 2021. P. 99–106. doi: 10.14311/ISPS.2021.015

25. Micro-transfer Printing of GaN HEMTs for Heterogeneous Integration and Flexible RF Circuit Design / B. P. Downey, A. Xie, S. Mack, D. S. Katzer, J. G. Champlain, Yu Cao, N. Nepal, T. A. Growden, V. J. Gokhale, R. L. Coffie, M. T. Hardy, E. Beam, C. Lee, D. J. Meyer // Device Research Conf., Columbus, OH, USA, 21–24 June 2020. IEEE, 2020. P. 1–2. doi: 10.1109/DRC50226.2020.9135179

26. A compact and low-profile GaN power amplifier using interposer-based MMIC technology / D. Kim, J. M. Yook, S. J. An, S. R. Kim, J.-G. Yook, J. C. Kim // IEEE 16th Electronics Packaging Technology Conf., Singapore, 03–05 Dec. 2014. IEEE, 2014. P. 672–675. doi: 10.1109/EPTC.2014.7028416

27. Kompa G., Wasige E., Joodaki M. Quasi Monolithic Hybrid Technology Based on Si Micromachining and Low-Temperature Thin-Film Processing // World Micro-technologies Congress of MICROTEC. 2000. Sep. P. 109–114.

28. Metal-Embedded Chiplet Assembly for Microwave Integrated Circuits / F. Herrault, J. C. Wong, D. Regan, D. F. Brown, H. Fung, Y. Tang, H. Sharifi // IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2020. Vol. 10, № 9. P. 1579–1582. doi: 10.1109/TCPMT.2020.3012505

29. Si-Embedded IC Package for W-band Applications: Interconnection Analysis / H.-B. Lee, B.-W. Min, Y.-G. Kim, J. M. Yook, S. Kim, W. Kim // IEEE AsiaPacific Microwave Conf., Singapore, 10–13 Dec. 2019. IEEE, 2019. P. 1080–1082. doi: 10.1109/APMC46564.2019.9038484

30. Metal-Embedded Chip Assembly Processing for Enhanced RF Circuit Performance / A. Estrada, G. Lasser, M. Pinto, F. Herrault, Z. Popović // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2019. Vol. 67, № 9. P. 3537–3546. doi: 10.1109/TMTT.2019.2931010

31. Monolithically Integrated Self-Biased Circulator for mmWave T/R MMIC Applications / Y. Cui, H.-Y. Chen, S. Chen, D. Linkhart, H. Tan et al. // IEEE Intern. Electron Devices Meeting. 2021. P. 4.2.1–4.2.4. doi: 10.1109/IEDM19574.2021.9720611

32. Additively Manufactured mm-Wave Multichip Modules with Fully Printed ‘Smart’ Encapsulation Structures / X. He, B. K. Tehrani, R. Bahr, W. Su, M. M. Tentzeris // IEEE Trans. Microwave Theory Techn. 2020. Vol. 68, № 7. P. 2716–2724. doi: 10.1109/TMTT.2019.2956934

33. Additive Manufacturing of a W-Band Systemon-Package / M. T. Craton, X. Konstantinou, J. D. Albrecht, P. Chahal, J. Papapolymerou // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2021. Vol. 69, № 9. P. 4191–4198. doi: 10.1109/TMTT.2021.3076066

34. Cung G., Spence T., Borodulin P. Enabling broadband, highly integrated phased array radiating elements through additive manufacturing // IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, MA, USA, 18–21 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 1–9. doi: 10.1109/ARRAY.2016.7832632

35. Kolias N. J., Borkowski M. T. The development of T/R modules for radar applications // IEEE/MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest, Montreal, QC, Canada, 17–22 June 2012. IEEE, 2012. P. 1–3. doi: 10.1109/MWSYM.2012.6259727

36. A Low-Cost 30-W Class X-Band GaN-on-Si MMIC Power Amplifier with a GaAs MMIC Output Matching Circuit / J. Kamioka, Y. Kawamura, Y. Tarui, K. Nakahara, Y. Kamo, H. Okazaki, M. Hangai, K. Yamanaka, H. Fukumoto // 13th European Microwave Integrated Circuits Conf., Madrid, Spain, 23– 25 Sep. 2018. IEEE, 2018. P. 93–96. doi: 10.23919/EuMIC.2018.8539903

37. Interconnects Analyses in Quasi-Monolithic Integration Technology / M. Joodaki, A. Kricke, H. Hillmer, G. Kompa // IEEE Electrical Performane of Electronic Packaging, Scottsdale, AZ, USA, 23–25 Oct. 2006. IEEE, 2006. P. 229–232. doi: 10.1109/EPEP.2006.321236

38. A Cost-Effective Flip-Chip Interconnection for Applications from DC until 200 GHz / P. V. Testa, H. Morath, P. Goran, C. Carta, F. Ellinger // IEEE AsiaPacific Conf. on Applied Electromagnetics, Melacca, Malaysia, 25–27 Nov. 2019. IEEE, 2019. P. 1–6. doi: 10.1109/APACE47377.2019.9021003

39. Design considerations for a new generation of SiPMs with unprecedented timing resolution / S. Enoch, A. Gola, P. Lecoq, A. Rivetti // J. Inst. 2021. Vol. 16, № 02. P. P02019–P02019. doi: 10.1088/1748-0221/16/02/P02019

40. Generational changes of flip chip interconnection technology / W. S. Tsai, C. Y. Huang, C. K. Chung, K. H. Yu, C. F. Lin // 12th Intern. Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conf. (IMPACT), Taipei, Taiwan, 25–27 Oct. 2017. IEEE, 2017. P. 306–310. doi: 10.1109/IMPACT.2017.8255955

41. Path to 3D heterogeneous integration / D. S. Green, C. L. Dohrman, J. Demmin, T.-H. Chang // Intern. 3D Systems Integration Conf. (3DIC), Sendai, Japan, 31 Aug.–02 Sep. 2015. IEEE, 2015. P. FS7.1–FS7.3. doi: 10.1109/3DIC.2015.7334469

42. Wafer-level Au–Au bonding in the 350–450 °C temperature range / H. R Tofteberg, K. Schjølberg-Henriksen, E. J. Fasting, A. S. Moen, M. M. V. Taklo, E. U. Poppe, C. J. Simensen // J. of Micromechanics and Microengineering. 2014. Vol. 24, iss. 8. P. 084002. doi: 10.1088/0960-1317/24/8/084002

43. Recent progress in SLID bonding in novel 3DIC technologies / L. Sun, M.-H. Chen, L. Zhang, P. He, L.-S. Xie // J. of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 818. Art. 152825. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.152825

44. Technology for the Heterointegration of InP DHBT Chiplets on a SiGe BiCMOS Chip for mm-wave MMICs / M. Rausch, T. Flisgen, C. Stolmacker, A. Stranz, A. Thies, R. Doerner, H. Yacoub, W. Heinrich // 52nd European Microwave Conf. (EuMC), Milan, Italy, 27–29 Sep. 2022. IEEE, 2022. P. 28–31. doi: 10.23919/EuMC54642.2022.9924451

45. Flip-Chip Integration of III-V Chips on Wafer for mmW Applications / A. S. Efimov, A.. A. Zaycev, A. S. Kurochka, A. M. Temnov, K. V. Dudinov, A. M. Emelianov, D. D. Korolkova, A. D. Rudina, Y. S. Ranzhin // IEEE 8th All-Russ. Microwave Conf. (RMC), Moscow, Russia, 23–25 Nov. 2022. IEEE, 2022. P. 220–222. doi: 10.1109/RMC55984.2022.10079408

46. Li C.-H., Hsieh W.-T., Chiu T.-Y. A Flip-Chip-Assembled W-Band Receiver in 90-nm CMOS and IPD Technologies // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2019. Vol. 67, № 4. P. 1628– 1639. doi: 10.1109/TMTT.2019.2894426

47. Encapsulated Organic Package Technology for Wideband Integration of Heterogeneous MMICs / S. Pavlidis, G. Alexopoulos, A. Ç. Ulusoy, M. Cho, J. Papapolymerou // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2017. Vol. 65, № 2. P. 438– 448. doi: 10.1109/TMTT.2016.2630067

48. Heinrich W. The flip-chip approach for millimeter wave packaging // IEEE Microwave Magazine. 2005. Vol. 6, № 3. P. 36–45. doi: 10.1109/MMW.2005.1511912

49. Fan-out Wafer Level Packaging of GaN Traveling Wafer Amplifier / D. Schwantuschke, E. Ture, T. Braun, T. D. Nguyen, M. Wohrmann, M. Pretl, S. Engels // IEEE/MTT-S Intern. Microwave Symp. - IMS 2022, Denver, CO, USA, 19–24 June 2022. IEEE, 2022. P. 579–582. doi: 10.1109/IMS37962.2022.9865579

50. Feghhi R., Joodaki M. Thermal analysis of microwave GaN-HEMTs in conventional and flip-chip assemblies // Intern. J. of RF and Microwave Computer-Aided Engineering. 2018. Vol. 28, iss. 8. Art. e21513. doi: 10.1002/mmce.21513

51. A Millimeter-Wave System-on-Package Technology Using a Thin-Film Substrate With a Flip-Chip Interconnection / S. Song, Y. Kim, J. Maeng, H. Lee, Y. Kwon, K.-S. Seo // IEEE Transactions on Advanced Packaging. 2009. Vol. 32, no. 1. P. 101–108. doi: 10.1109/TADVP.2008.2006626

52. Transceiver MMIC's for street surveillance radar / K. Tsukashima, O. Anegawa, T. Kawasaki, A. Otsuka, M. Kubota, T. Tokumitsu, S. Ogita // 11th European Microwave Integrated Circuits Conf. (EuMIC), London, UK, 03–04 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 329–332. doi: 10.1109/EuMIC.2016.7777557

53. DBIT-direct backside interconnect technology: a manufacturable, bond wire free interconnect technology for microwave and millimeter wave MMICs / T. E. Kazior, H. N. Atkins, A. Fatemi, Y. Chen, F. Y. Colomb, J. P. Wendler // IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp., Digest. Denver, CO, USA, 08–13 June 1997. IEEE, 1997. P. 723–726. doi: 10.1109/MWSYM.1997.602892

54. A Hot-via Chip-to-substrate Interconnect for Ultra-compact System Package Application up to W Band / J. Yang, B. Zou, J. Xu, J. Zhou // PIER Let. 2022. Vol. 107. P. 75–81. doi: 10.2528/PIERL22020201

55. Millimetre-wave Hot-Via interconnect-based GaAs chip-set for automotive RADAR and security sensors / PF. Alleaume, C. Toussain, C. Auvinet, D. Domnesque, P. Quentin, M. Camiade // European Microwave Integrated Circuit Conf., Amsterdam, Netherlands, 27–28 Oct. 2008. IEEE, 2008. P. 52–55. doi: 10.1109/EMICC.2008.4772226