半導體晶元的異構集成技術

08-12

半導體晶元的異構集成技術

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本篇綜述介紹IEEE微波理論與技術學會(MTT-S)會刊《微波雜誌》(IEEE Microwave Magazine)最新三/四月期上刊登的封面主題文章。本期的主題是半導體晶元異構集成技術。共四篇文章介紹現今的最新技術狀況及進展，展示了先進多層疊和新興的三維異構集成技術的演化。這些技術能為實現下一代毫米波和亞毫米波/太赫茲應用提供關鍵性的材料、集成技術、以及電路。

先簡單說一下IEEE各個專業學會出版的期刊magazine和journal的區別，雖然中文翻譯都稱作「雜誌」，但在IEEE內這兩者是有區別的。IEEE各個專業學會通常都有自己的學會會刊稱作magazine，其上刊登的技術文章的主要目的是用通俗語言介紹各學會技術專業領域內技術的最新進展和發展趨勢，所以在文章中盡量少用專業術語和數學公式，而圖表都做了美工美化使得普通受眾可以理解。另外magazine就是介紹學會相關的消息，包括人事組織和活動等等。而各學會出版的journals或transactions則是純技術刊物，其技術論文包含了純專業術語和數學公式等只有業內專業人士才能理解的內容。

半導體晶元異構集成技術(Heterogeneous Integration)

一直以來電磁頻譜中的毫米波(mmW)和亞毫米波(sub-mmW)/太赫茲(THz)都未被人類充分利用，但現在人們對這些電磁頻譜加以利用的興趣日益增長。而當前半導體和封裝技術的快速進展以及商用測試設備已經達到了1太赫茲的測試能力使得在這些高頻段頻譜上開發重要應用已成為可能。在毫米波和亞毫米波頻譜內的這些新應用包括下一代寬頻超高速無線通信系統、高清晰攝像機和感測器、以及汽車雷達等。這些應用都將要求以低成本獲得更佳性能、更小型、更有效、更可靠而愈加複雜的功能。

硅(Si)在電路功能、複雜集成度、成熟度和良品率、以及成本方面一直是半導體技術中的主導材料。而且近年來集成硅(CMOS和BiCMOS)射頻技術已經在功率上取得巨大的進步，同時也將頻率擴展到了100GHz左右。然而仍然還有眾多應用只能使用像磷化銦(InP)和氮化鎵(GaN)這樣的化合物半導體技術才能實現。磷化銦能提供最大頻率為1太赫茲的晶體管，具備高增益和高功率，以及超高速混合信號電路。而氮化鎵能使器件具備大帶寬、高擊穿電壓、以及高達100GHZ的輸出功率。因此將異類半導體集成為一體——即異構集成(hetero-geneous integration或heterointegration)，可產生即經濟又具有小尺寸的更大設計靈活性和更好的系統性能。

異構集成背景介紹

傳統上，多層多晶元集成技術已經用於在單個襯底上橫向集成不同類半導體器件（硅和化合物半導體）以及無源元件（包括濾波器和天線）。運用這種技術，無源元件被嵌入到多個層疊中以達到高Q值和小型化。同時其中的短距互連能得到比傳統印刷電路板技術更高的性能和更密集的電路。而且近年來在多層襯底材料以及集成和裝配技術上（包括層壓材料、陶瓷、和集成無源器件）取得的巨大進展導致了更先進的電路和系統性能並將頻率擴展到了100GHz左右。

然而隨著頻率的上升，在多個集成電路間的互聯塊和線內的損耗迅速地增加。同時多晶元集成通常缺乏幾何和互聯清晰度以達成橫向和縱向的緊密度。因此各類新方式被研究用來克服互聯的寄生效應。這要求複雜的三維單片或晶圓級異構集成不同的半導體，這裡模擬/數字功能可以單片方式實現或在單個晶元上通過精密光刻對準將一個功能堆疊在另一個之上來實現。利用此技術，高頻率和高性能可以經由化合物半導體材料（磷化銦和氮化鎵）來實現，而同時也利用了硅材料的成熟、複雜數字功能、以及低成本的獨有特性。這類異構集成是國際上一個熱門研發課題。在過去十年里在這個領域內最具重大的研發活動都是由米國國防部國防高級研究項目局（DARPA）通過各類項目如硅上化合物半導體材料（COSMOS——Compound Semiconductor Materials on Silicon）以及多樣化易用異構集成（DAHI——Diverse Accessible He-terogeneous Integration）進行資助的。其中三維異構集成被劃分為四個基本類別：單片（monolithic）、小晶元（chiplet）、晶圓鍵合（wafer-bonding）、和外延轉移（epitaxial transfer）。

在單片集成方式中，不同材料經由精選的外延或變質生長工藝生長。用此技術已有將磷化銦(InP)異質結雙極晶體管(HBT—— heterojunction bipolar transistor)與硅CMOS以及氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT——high-electron-mobility transistor)與硅CMOS成功集成的報道。理論上三維異構集成可將硅、化合物半導體以及無源器件完美地結合起來。但在這個單片集成方式中，硅與化合物半導體是橫向極為靠近生長的，因而其間產生了幾微米的距離。此種集成的其他缺陷還包括由於集成了磷化銦而改變了硅工藝流程以及外部材料如金污染了硅製作過程。

而在另一方面，在晶圓級異構集成（小晶元、晶圓鍵合和外延轉移）方式中，硅與化合物半導體器件是在獨立完成了硅與化合物半導體各自工藝後集成的。這對現存的工藝製造過程構成最小風險並能在化合物半導體(磷化銦)與硅(CMOS和BiCMOS)器件間提供緊密縱向集成。其中，小晶元集成能將各種不同的半導體技術例如氮化鎵HEMT、磷化銦雙HBT、以及硅MEMS等彼此相臨地安放在一完整的CMOS晶圓上。此種鍵合技術也打破了化合物半導體技術的晶元尺寸縮小障礙，因為III-V元素化合物小晶元能被放置於任意大小的CMOS晶圓上。

四篇文章概述

《Pushing the Envelope for Heterogeneity》 (PDF)作者為英國公司AMWT, Ltd.的Kamal K. Samanta。文章回顧了在多層、多晶元以及三維異構集成技術中的最新重大進展和最新技術開發，以及用於下一代毫米波和亞毫米波應用的相關電路。這些電路可實現低成本高性能小型化射頻前端。文章介紹了多層、多晶元集成技術，例如陶瓷（低溫共燒和感光顯像型）、層壓材料、集成無源器件，及其先進電路成果。文章還詳細描述了相對新型的三維異構集成技術的重要發展，包括單片、晶圓鍵合、外延轉移、以及小晶元鍵合，及其他們的相應優點和未來的挑戰。

《A Revolution on the Horizon from DARPA》 (PDF)的作者為米國國防部國防高級研究項目局DARPA的Daniel S. Green，米國國防承包商Booz Allen Hamilton公司的Carl L. Dohrman，Jeffrey Demmin，和Yan Zheng，以及HetInTec公司的Tsu-Hsi Chang。文章概述了由DARPA經由項目COSMOS、DAHI、和ELASTx資助開發的革命性材料、器件、和集成技術。關於COSMOS項目，作者討論了開發在硅CMOS電路內集成化合物半導體技術的新方法並探討了三個主要途徑。關於DAHI項目，作者介紹了持續開發將先進化合物半導體器件與硅技術以及其他新型器件結合起來的異構集成工藝。作者還探討了為商用設計異構集成電路和系統創辦代工產能。文章還示範了所推薦技術的高級應用，包括新型三維多功能集成天線陣列。

《A Meeting of Materials》 (PDF)的作者為米國國防承包商Northrop Grumman太空系統公司（NGAS）的Augusto Gutierrez-Aitken及其團隊。文章詳細介紹了NGAS使用DAHI方式和DAHI代工取得的成就。這裡你將了解到異構集成工藝設計工具PDK的開發（使用EDA主流工具Cadence的Virtuoso）、熱模擬工具的開發、在單個晶元上微米尺度的兩個化合物半導體器件（磷化銦HBT和氮化鎵HEMT）與硅CMOS和高Q值無源元件的小晶元集成開發。這個技術為未來無線應用提供了射頻、直流、數字和混合信號集成能力。作者還敘述創辦了一運作中的代工廠，能為微波市場提供異構集成電路代工服務。

《Tight Focus Toward the Future》 (PDF)的作者為德國研究機構FBH和IHP的研發人員。文章詳細介紹晶圓級異構集成，特彆強調了在SiGe鍺化硅BiCMOS晶圓上直接縱向集成轉移襯底磷化銦HBT器件及其這個技術的未來方向。作者示範了基於外延轉移異構集成的毫米波源的先進性能。這個毫米波源將鍺化硅電壓控制振蕩器VCO與磷化銦放大器和倍頻器集成在一起，運行在300GHz以上輸出頻率。

展望未來

多層和三維異構集成是一個全球性的熱門研發課題。新穎材料、熱管理、建模、電路/系統設計、和集成技術是下一代毫米波和亞毫米波系統成功實現的關鍵所在，決定了未來下一代5G寬頻超高速無線通信等技術的實現與否。本篇介紹的四篇文章詳細提供了在這個領域內的最新進展，這些進展有可能在不久的將來徹底改變毫米波和亞毫米波/太赫茲的應用。