FBH-Forschung: 06.11.2012

3-dimensionale Integration von SiGe-BiCMOS und InP-HBT-Technologie

Justierung InP- und SiGe-BiCMOS-Wafer
Abb. 1: Separat prozessierte InP- undSiGe-BiCMOS-Wafer werden mittels Justagemarken ausgerichtet und mit einer Genauigkeit < 10 µm durch einen dünnen BCB-Film verbunden.
Entfernen Trägersubstrat & Erzeugen Vias
Abb. 2: Nach dem Bondprozess werden das InP-Trägersubstrat entfernt und die zuvor prozessierten Strukturen freigelegt. Durch Ätzen werden Vias zwischen den Metallisierungsebenen der InP- und Silizium-Technologie erzeugt und mit Gold gefüllt.
Mikrostreifenleitung mit Vias
Abb. 3: In TS-Technologie hergestellte Mikrostreifenleitung mit Vias in die darunter liegende Metallisierungsebene des BiCMOS-Wafers.

Am FBH hergestellte Höchstfrequenzschaltkreise auf Basis von InP-Heterobipolar-Transistoren (HBT) arbeiten in einem Leistungs- und Frequenzbereich, der bei weitem die Leistungsfähigkeit Silizium-basierter Bauelemente übersteigt. Aufgrund der hohen Elektronenbeweglichkeit bei gleichzeitig hoher Durchbruchspannung erschließt sich die InP-Technologie Anwendungsgebiete, die durch RF-CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) oder SiGe-BiCMOS-Schaltkreise nicht mehr zugänglich sind. Die Fähigkeit große Hochfrequenzleistungen bei hohen Frequenzen zu erzeugen ermöglicht Anwendungsfelder in der Millimeterwellen-Bildgebung. Dies sind beispielsweise hochauflösende Radarsysteme oder Terahertz-Scanner, weitere Applikationen liegen im Bereich der drahtlosen Kommunikation - speziell für die Datenübertragung > 100 Gbit/s ist die InP-Technologie nicht wegzudenken.

Dennoch ist die Dominanz von Silizium als Basismaterial der modernen Halbleitertechnologie unbestritten: Mit einem Marktanteil von 98,5% stellt die Silizium-basierte Technologie die am weitesten verbreitete Methode zur Herstellung integrierter Schaltungen da. Etablierte Prozessmodule, hohe Integrationsdichte und Ausbeute, und damit eine vergleichsweise preisgünstige Fertigung sind nur einige Vorteile der Silizium-Technologie. Bei Anwendungsfrequenzen jenseits von 100 GHz bricht die Leistung der Schaltungen jedoch ein und limitiert die Anwendung dieser Technologie.

Um die Vorteile der InP-HBT-  und der Silizium-Technologien zu vereinen, wird in einem gemeinsamen SAW-Projekt mit dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) eine Technologieplattform für heterogen integrierte Schaltungen bei Terahertz-Frequenzen (0,1 – 1 THz) entwickelt [1]. Im Rahmen des "HiTeK"-Projektes wird auf den am FBH etablierten Transfer-Substrat-Prozess [2] zurückgegriffen, der die monolithische Integration beider Technologien ermöglicht. Die Silizium-basierten SiGe-BiCMOS-Komponenten werden durch das IHP in 250 nm Technologie bereitgestellt, dessen Produktionslinie auf Wafern mit 200 mm Durchmesser basiert. Sowohl Silizium- als auch InP-Wafer werden zunächst separat prozessiert. Um die 200 mm Silizium-Wafer mit der 3"-Prozesslinie des FBH kompatibel zu machen, werden die Wafer entsprechend zersägt. Die 3-dimensionale Integration der beiden Technologien erfolgt anschließend am FBH in einem Waferbond-Prozess mittels Benzocyclobuten (BCB, vgl. Abb. 1). Da hierbei laterale Bond-Justiergenauigkeiten von mindestens 10 µm gefordert werden, musste der bis dato genutzte Bond-Prozess nicht nur dem neuen Materialsystem InP/BCB/Si angepasst, sondern auch die Präzision des Waferalignments deutlich verbessert werden. Nach dem Waferbonden wird das InP-Trägersubstrat vollständig entfernt und die zuvor in den InP- und BiCMOS-Prozessen geschaffenen Strukturen werden freigelegt (Abb. 2). In einem Trockenätzprozess werden vertikale Kontaktverbindungen (Vias) definiert (Abb. 3), durch die kurze und verlustarme Verbindungen zwischen der Si-BiCMOS und der InP-basierten Technologie geschaffen werden. Dabei wird die Etablierung niedriger Via-Kontaktwiderstände dadurch erschwert, dass die BiCMOS-Technologie Aluminium als obere Metallisierungsebene verwendet, das an Luft eine oxidische Passivierungsschicht ausbildet. Durch Optimierung der Prozessführung konnte der Kontaktwiderstand der Via-Übergänge von mehreren Ohm auf 300 mOhm gesenkt werden. In einem ersten Technologiedurchlauf wurden passive Leitungsstrukturen getestet, deren Design den Anforderungen angepasst wurde. Die Dämpfungsverluste der Gold-Mikrostreifenleitung bei 110 GHz betragen 0,4 dB/mm. Durch die Via-Übergänge resultiert eine Dämpfung von 0,36 dB pro Übergang. Die geringen Verluste und das erreichte Frequenzverhalten bestätigen die erwarteten Eigenschaften in der Kombination der beiden Technologien. Der erste Prozess mit aktiven Bauelementen steht kurz vor dem Abschluss.

Publikationen:

[1] M. Lisker, A. Trusch, M. Fraschke, P. Kulse, Y. Borokhovych, B. Tillack, I. Ostermay, T. Krämer, F.J. Schmückle, O. Krüger, V. Krozer, W. Heinrich, "InP-Si BiCMOS Hetero Integration for Broadband Radio Links", submitted to Smart Systems Integration, International Conference & Exhibition, 2013.

[2] T. Kraemer, M. Rudolph, F.J. Schmueckle, J. Wuerfl, G. Traenkle, "InP DHBT Process in Transferred-Substrate Technology With ft and fmax Over 400 GHz", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 56 (9), p. 1897 – 1903, 2009.