Monolithische Integration von Millimeterwellenbauelementen auf rückseitenstrukturiertem Silizium

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht die monolithische Integration aktiver und passiver Millimeterwellen-Komponenten auf hochohmigem Silizium in der sogenannten Silicon Millimeter Wave Integrated Circuit (SIMMWIC)-Technologie. Ziel ist es, mit Hilfe von Standard-Prozessen aus der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, ein Integrationskonzept darzustellen, mit dem sich der Hochfrequenzteil eines Radar-Sensors als monolithisch integrierte Schaltung im Millimeterwellenbereich realisieren lässt. Ein solcher Hochfrequenzteil besteht zumindest aus Sendesignalerzeugung, passiven Strukturen zur Signalverteilung, einem Antennenelement als Schnittstelle zu den elektromagnetischen Wellen im Freiraum und einer Empfängerschaltung, die typischerweise in Form eines Mischers ausgeführt wird. Der Einsatz eines solchen "Radar-ICs" als komplett monolithisch integrierte Schaltung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem bisher verbreiteten Aufbau aus diskreten Komponenten. So kann durch den Wegfall diskreter Hochfrequenz-Komponenten die Anzahl der eingesetzten Bauelemente reduziert und die Baugröße des Sensors verringert werden. Durch die Integration aller Hochfrequenz-Komponenten ist außerdem eine wesentlich vereinfachte elektrische Kontaktierung möglich, da keine Hochfrequenzsignale von der Halbleiterschaltung nach außen geführt werden müssen. Dies ermöglicht auch den Einsatz einer einfachen Leiterplattentechnologie für die umgebenden Schaltungskomponenten. Durch den Einsatz einer Standard-Backend-Technologie aus der Mikroelektronik können Leiterstrukturen im Mikrometerbereich realisiert werden. Dies erlaubt die präzise Herstellung von Schaltungskomponenten mit sehr geringen Abmessungen, eine Voraussetzung für Arbeitsfrequenzen oberhalb von 100 GHz. Zusätzlich zur Strukturierung der Leiterstrukturen auf der Oberseite des Siliziumwafers, wird mit Hilfe eines Verfahrens zum anisotropen Ätzen von Silizium (dem sogenannten Bosch-Prozess) die Rückseite des Siliziumwafers selektiv rückgedünnt, damit dort partiell eine dünne Siliziummembran entsteht. Im Bereich dieser Membran können Mikrostreifenleitungsstrukturen mit sehr günstigen Hochfrequenzeigenschaften und einer Leitungsdämpfung von weniger als 0,3 dB/mm für den Frequenzbereich von 90-140 GHz realisiert werden. Diese günstigen Eigenschaften konnten durch messtechnische Untersuchung nachgewiesen werden. Ein wesentlicher Bestandteil des Integrationskonzeptes ist die Verfügbarkeit eines integrierten Antennenelements. Erst damit ist eine vollständige monolithische Integration der grundlegenden Millimeterwellenkomponenten auf der Siliziumschaltung erreicht. Dazu wurde eine Mikrostreifen-Patchantenne untersucht und charakterisiert. Trotz der hohen Permittivität von Silizium konnte gezeigt werden, dass sich ein Patch-Antennenelement auf Basis von Mikrostreifenleitungen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 50% realisieren lässt. Die Integration aktiver Bauelemente wurde anhand einer Impatt-Diode untersucht, die mittels Molecular Beam Epitaxy direkt auf dem Siliziumwafer hergestellt wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Halbleiterschichten mit einer genau definierten Schichtdicke und Dotierung erzeugt werden. Durch aufeinander folgendes Abscheiden mehrerer dotierter Halbleiterschichten und anschließendem selektiven Ätzen konnten Impatt-Dioden mit Lawinenfrequenzen von bis zu 110 GHz hergestellt und gemessen werden. Die Impatt-Dioden wurden bis 140 GHz messtechnisch in ihren Kleinsignaleigenschaften charakterisiert. Durch Parameterextraktion konnte ein einfaches Ersatzschaltbild für die Impatt-Diode bestimmt und das Hochfrequenzverhalten der Diode in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt untersucht werden. Basierend auf einer Impatt-Diode als aktivem Element wurden Oszillatoren auf Basis von Koplanarleitungen entworfen und charakterisiert. Es konnten Oszillatoren mit einer Arbeitsfrequenz von bis zu 124 GHz bei 1dBm Ausgangsleistung realisiert werden. Die maximale Ausgangsleistung wurde für einen 104 GHz-Oszillator mit 11,4dBm erreicht. Abschließend wurde eine Transmitterschaltung entworfen und realisiert, die mikromechanisch strukturierte passive Strukturen und aktive Bauelemente in Form von Impatt-Dioden enthält.

This work investigates the fully monolithic integration of active and passive millimeter wave components on high resistivity silicon, using Silicon Millimeter Wave Integrated Circuit (SIMMWIC)-Technology [1]. Employing standard process technology from microelectronics and microsystem technology, key components for the realization of a millimeter wave radar sensor were investigated. Realizing the millimeter wave part of a radar sensor as a monolithically integrated element has a number of advantages compared to a traditional assembly using discrete components. The main advantages are lower cost, higher reliability and smaller component size. Because the size of resonant transmission line structures is only a fraction of a millimeter in size on silicon, an efficient realization as a monolithically integrated circuit, in terms of required area, is feasible. Using a suitable process technology, passive circuits, antennas and active components can be integrated on a silicon chip. This allows creating a fully integrated millimeter wave radar frontend as a single chip component. Such an integrated approach also allows the use of a simple packaging technology, because only low frequency signals need to be transferred on or off chip. In this work, a standard microelectronics process is employed for structuring passive components like signal traces, resonant circuits and the antenna. Utilizing an anisotropic etch process (the so called Bosch-Process), the wafer backside is structured to include thin membranes. Such membranes allow the realization of low loss microstrip components for frequencies up to and above 100 GHz. The expected favorable properties of microstrip components are demonstrated by realizing microstrip transmission lines with less than 0,3 dB/mm loss and radial stubs with a Q factor of more than 40 in the frequency range above 100 GHz. Another key component of the integration concept is the antenna structure. It needs to provide sufficient bandwidth and a well defined radiation pattern. Using a microstrip patch as radiating element an antenna was realized, despivii Abstract te the high permittivity of the silicon substrate. The antenna efficiency was determined to be about 50%. To monolithically integrate active components, Molecular Beam Epitaxy is used. This allows creating semiconducting layers with a well defined thickness and doping profile. In this work, by stacking several semiconducting layers and selectively etching the layers, Impatt diodes have been created. The realizeddiodes are shown to exhibit avalanche frequencies of up to 110 GHz. Using scattering parameter measurements, the Impatt diodes have been characterized up to 140 GHz. Based on the measured small signal parameters, coplanar waveguide Impatt oscillators with oscillation frequencies up to 124 GHz at 1dBm output power have been realized. The maximum output power of 11.4dBm was achieved for a 104 GHz oscillator. Finally, a transceiver circuit was designed and realized, containing micromachined passive components and and Impatt diode as active component.