EP2566807A1 - PROCEDE D'INTEGRATION DE MICRO-INTERRUPTEURS DE TYPE MEMS SUR DES SUBSTRATS EN GaN COMPORTANT DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES DE PUISSANCE - Google Patents

PROCEDE D'INTEGRATION DE MICRO-INTERRUPTEURS DE TYPE MEMS SUR DES SUBSTRATS EN GaN COMPORTANT DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES DE PUISSANCE

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EP2566807A1
EP2566807A1 EP10718178A EP10718178A EP2566807A1 EP 2566807 A1 EP2566807 A1 EP 2566807A1 EP 10718178 A EP10718178 A EP 10718178A EP 10718178 A EP10718178 A EP 10718178A EP 2566807 A1 EP2566807 A1 EP 2566807A1
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EP
European Patent Office
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microswitches
substrate
electronic
components
producing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10718178A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Afshin Ziaei
Matthieu Le Baillif
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00222—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C1/00246—Monolithic integration, i.e. micromechanical structure and electronic processing unit are integrated on the same substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/01—Switches
    • B81B2201/012—Switches characterised by the shape
    • B81B2201/016—Switches characterised by the shape having a bridge fixed on two ends and connected to one or more dimples
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/07—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C2203/0707—Monolithic integration, i.e. the electronic processing unit is formed on or in the same substrate as the micromechanical structure
    • B81C2203/0735—Post-CMOS, i.e. forming the micromechanical structure after the CMOS circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics

Definitions

  • a method of integrating MEMS microswitches on GaN substrates comprising electronic components of
  • the field of the invention is that of microelectronics. A number of applications require the use of electronic components made on different substrates to perform different functions.
  • gallium nitride is commonly used as a substrate
  • GaN which is a broadband semiconductor for producing optoelectronic devices or devices of high power or operating at high frequency.
  • These devices are particularly used in high frequency signal transmission / reception systems comprising components known as “LNA” or “HPA” meaning respectively "Low Noise Amplifier” or “High Power Amplifier”.
  • LNA Low Noise Amplifier
  • HPA High Power Amplifier
  • the components of these devices then realize the shaping of the signals, their amplification, the measurement of their electronic characteristics.
  • These systems also require switches arranged between the heart of the electronic system and the transmitting / receiving antenna, the switches used to switch the signals depending on whether the system operates in transmission or reception.
  • these microswitches or “switch” are made in MEMS technology, the acronym MEMS meaning "Micro Electro Mechanical System”. We will not detail this technology, well known elsewhere.
  • micro-switch The principle of operation of a "micro-switch” is to carry out the displacement of a micro-membrane by subjecting it to an electrostatic force, the displacement or the deformation of the membrane subjected to this force varying an electronic parameter such as the value of a resistance or capacity.
  • the microswitches are made on Si / SiO 2 substrates, incompatible with the production of electronic components on GaN substrate.
  • the manufacturing processes of electronic components and MEMS require very different manufacturing temperatures.
  • steps of deposition and removal of sacrificial layers to make the suspended membranes can seriously damage the different layers of the components of power.
  • these various electronic components are connected by electrical connections, the method being better known by the term "bonding".
  • the subject of the invention is a method for producing an electronic module comprising, on the one hand, electronic power components made on a gallium nitride (GaN) substrate and, on the other hand, electrostatically-activated microswitches.
  • MEMS type Micro Electro Mechanical System
  • the electronic components and the microswitches are made on a single gallium nitride substrate and that the method comprises at least the following embodiments:
  • Step 1 Realization of the power components on the gallium nitride substrate
  • Step 2 Deposition of a first common passivation layer on said components and on the entire substrate;
  • Step 3 Realization of the microswitches on said substrate.
  • step 2 is followed by a step 2a preceding step 3, step 2a consisting in producing a second passivation layer at the locations of the microswitches.
  • step 2bis is followed by a step 2ter preceding step 3, step 2ter consisting of locally removing the first passivation layer above the electrical interconnection zones of the electronic components and depositing a conductive layer. above said electrical interconnection areas.
  • step 3 essentially consists of depositing electrically conductive pads at the locations of the microparticles. switches and to achieve above said pads at least one suspended membrane, the assembly constituting said microswitches.
  • the passivation layers are made of silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the invention also relates to an electronic module comprising electronic power components made on a gallium nitride (GaN) substrate of the "HEMT" (High Electron Mobility Transistor) type, characterized in that the electronic power components are covered with a passivation layer and that the module also comprises MEMS type electrostatic activation microswitches on the same substrate, said module being able to be a radiofrequency transmission module.
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • Figures 1 to 5 show the main steps of a method of producing an electronic module according to the invention.
  • a first step illustrated in FIG. 1 power components are produced on the substrate 1 made of gallium nitride.
  • the gallium nitride substrate 1 is made on a first silicon substrate 2.
  • the power component 3 represented in FIG. 1 is a transistor conventionally comprising a drain, a gate and a source made in a nitride layer. of aluminum-gallium (AIGaN).
  • AIGaN aluminum-gallium
  • This transistor comprises three conductive pads denoted respectively D, G and S.
  • the electronic components made may be, for example, "LNA", “DRA” or “HPA” meaning respectively "Low Noise Amplifier", " Digital Research Amplifier “and” High Power Amplifier "used in high frequency signal transmission / reception systems.
  • a first passivation layer 4 is deposited common to the entire wafer of 1 GaN substrate, covering the power components 3 and necessary for their completion and protection and the realization of microswitches.
  • the passivation layer may be silicon oxide (SiO 2 ).
  • the passivation layer thus ensures a dual role.
  • the power components 3 and in particular the zones made of doped semiconductors are protected during the subsequent steps of the production method and particularly during the deposition and elimination steps of the sacrificial resin layers.
  • the passivation layer also participates in the production of microswitches.
  • step 3 the different electrodes 5 necessary for the operation of the microswitches are produced, and then a second passivation layer 6 is deposited at the locations of the microswitches.
  • the passivation layer may be silicon nitride (Si 3 N 4 ). Still shown in FIG. 3, step 2bis is followed by a step
  • Step 2ter consists in locally removing the first passivation layer 4 over the electrical interconnection zones of the electronic components and depositing a conductive metallization layer 7 above said electrical interconnection zones.
  • the microswitches 10 are made on said substrate.
  • Step 3 essentially consists in depositing electrically conductive pads 8 at the locations of the microswitches as illustrated in FIG. 4. Then, as shown in FIG. 5 above said pads, at least one suspended membrane 9 is produced, the assembly constituting the microswitches.
  • the membrane is produced by the deposition and the partial elimination of sacrificial resin layers.
  • the microswitch can be a two-way switch type "SPDT" meaning "Single Port Dual Throw".
  • SPDT Single Port Dual Throw
  • the two dashed rectangles represent the limits of the electronic component 3 and the microswitch 10.
  • the materials used for producing the various elements may be, for example, gold, platinum, tungsten or titanium.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des procédés de réalisation des modules électroniques comprenant d'une part des composants électroniques de puissance (3) réalisés sur substrat (1) en nitrure de gallium (GaN) et d'autre part des micro-interrupteurs (10) à activation électrostatique de type MEMS (Micro Electro Mechanical System). Les composants électroniques et les micro-interrupteurs selon l'invention sont réalisés sur un seul substrat en nitrure de gallium et le procédé de réalisation comporte au moins les étapes suivantes :- Etape 1 : Réalisation des composants de puissance (3) sur le substrat en nitrure de gallium; - Etape 2 : Dépôt d'une première couche de passivation commune (4) sur lesdits composants et sur le substrat; - Etape 3 : Réalisation des micro-interrupteurs (10) sur ledit substrat.

Description

Procédé d'intégration de micro-interrupteurs de type MEMS sur des substrats en GaN comportant des composants électroniques de
Le domaine de l'invention est celui de la micro-électronique. Un certain nombre d'applications nécessite l'utilisation de composants électroniques réalisés sur différents substrats de façon à réaliser différentes fonctions.
Ainsi, on utilise couramment comme substrat le nitrure de gallium
(GaN) qui est un semi-conducteur à large bande pour réaliser des dispositifs optoélectroniques ou des dispositifs de grande puissance ou fonctionnant à haute fréquence. Ces dispositifs sont notamment utilisés dans les systèmes de transmission/réception de signaux haute fréquence comportant des composants dits « LNA » ou « HPA » signifiant respectivement « Low Noise Amplifier » ou « High Power Amplifier ». Les composants de ces dispositifs réalisent alors la mise en forme des signaux, leur amplification, la mesure de leurs caractéristiques électroniques. Ces systèmes nécessitent également des interrupteurs disposés entre le cœur du système électronique et l'antenne d'émission/réception, les interrupteurs permettent d'aiguiller les signaux selon que le système fonctionne en émission ou en réception. Généralement, ces micro-interrupteurs ou « switch » sont réalisés en technologie MEMS, l'acronyme MEMS signifiant « Micro Electro Mechanical System ». On ne détaillera pas cette technologie, bien connue par ailleurs. Le principe de fonctionnement d'un « micro-switch » est de réaliser le déplacement d'une micro-membrane en la soumettant à une force électrostatique, le déplacement ou la déformation de la membrane soumis à cette force faisant varier un paramètre électronique comme la valeur d'une résistance ou d'une capacité. Actuellement, les micro-interrupteurs sont réalisés sur des substrats Si/SiO2, incompatibles de la réalisation des composants électroniques sur substrat GaN. De plus, les procédés de fabrication des composants électroniques et des MEMS nécessitent des températures de fabrication très différentes. Enfin, les étapes de dépôt et de retrait de couches sacrificielles pour réaliser les membranes suspendues peuvent endommager gravement les différentes couches des composants de puissance. Aussi, on relie ces différents composants électroniques par des raccordements électriques, le procédé étant plus connu sous le terme de « bonding ». Ces raccordements électriques présentent cependant des pertes électriques qui peuvent être préjudiciables au bon fonctionnement de l'ensemble. Ainsi, un « bonding » réalisé entre un dispositif « MEMS » et un dispositif électronique sur GaN présente une perte de 0.5 dB. Un seul module électronique possède nécessairement plusieurs « bondings », ce qui augmente d'autant les pertes. D'autre part, on augmente ainsi la taille du module final.
Le procédé de réalisation selon l'invention tend à remédier à ces inconvénients. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un module électronique comprenant d'une part des composants électroniques de puissance réalisés sur substrat en nitrure de gallium (GaN) et d'autre part des micro-interrupteurs à activation électrostatique de type MEMS (Micro Electro Mechanical System), caractérisé en ce que les composants électroniques et les micro-interrupteurs sont réalisés sur un seul substrat en nitrure de gallium et que le procédé comporte au moins les étapes de réalisation suivantes :
• Etape 1 : Réalisation des composants de puissance sur le substrat en nitrure de gallium ;
• Etape 2 : Dépôt d'une première couche de passivation commune sur lesdits composants et sur l'intégralité du substrat ;
• Etape 3 : Réalisation des micro-interrupteurs sur ledit substrat. Avantageusement, l'étape 2 est suivie d'une étape 2bis précédant l'étape 3, l'étape 2bis consistant en la réalisation d'une seconde couche de passivation aux emplacements des micro-interrupteurs. Avantageusement, l'étape 2bis est suivie d'une étape 2ter précédant l'étape 3, l'étape 2ter consistant à supprimer localement la première couche de passivation au- dessus des zones d'interconnexion électrique des composants électroniques et à déposer une couche conductrice au-dessus des dites zones d'interconnexion électrique.
Avantageusement, l'étape 3 consiste essentiellement à déposer des plots électriquement conducteurs aux emplacements des micro- interrupteurs et à réaliser au-dessus desdits plots au moins une membrane suspendue, l'ensemble constituant lesdits micro-interrupteurs.
Préférentiellement, les couches de passivation sont en oxyde de silicium (SiO2) ou en en nitrure de silicium (Si3N4). L'invention concerne également un module électronique comprenant des composants électroniques de puissance réalisés sur substrat en nitrure de gallium (GaN) de type transistors « HEMT » (High Electron Mobility Transistor), caractérisé en ce que les composants électroniques de puissance sont recouverts d'une couche de passivation et que le module comporte également sur le même substrat des microinterrupteurs à activation électrostatique de type MEMS, ledit module pouvant être un module d'émission réception radiofréquence.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
Les figures 1 à 5 représentent les principales étapes d'un procédé de réalisation d'un module électronique selon l'invention.
Toutes les étapes qui suivent sont réalisées par les techniques de photolithographie utilisées couramment pour la réalisation des composants électroniques.
Dans une première étape illustrée en figure 1 , on réalise des composants de puissance sur le substrat 1 en nitrure de gallium. Sur la figure 1 , le substrat 1 en nitrure de gallium est réalisé sur un premier substrat en silicium 2. Le composant de puissance 3 représenté en figure 1 est un transistor comportant classiquement un drain, une grille et une source réalisés dans une couche de nitrure d'aluminium-gallium (AIGaN). Ce transistor comporte trois plots conducteurs notés respectivement D, G et S. Les composants électroniques réalisés peuvent être, à titre d'exemple, des « LNA », des « DRA » ou des « HPA » signifiant respectivement « Low Noise Amplifier », « Digital Research Amplifier » et « High Power Amplifier » utilisés dans les systèmes de transmission/réception de signaux haute fréquence.
Dans une seconde étape illustrée en figure 2, on dépose une première couche de passivation 4 commune à l'ensemble du wafer de substrat 1 en GaN, recouvrant les composants de puissance 3 et nécessaire à leur finition et à leur protection et à la réalisation des micro-interrupteurs. La couche de passivation peut être en oxyde de silicium (SiO2). La couche de passivation assure ainsi un double rôle. Les composants de puissance 3 et en particulier les zones réalisées en semi-conducteurs dopés sont protégés durant les étapes ultérieures du procédé de réalisation et tout particulièrement durant les étapes de dépôt et d'élimination des couches sacrificielles en résine. La couche de passivation participe également à la réalisation des micro-interrupteurs. Dans l'étape 2bis suivante représentée en figure 3, on réalise les différentes électrodes 5 nécessaires au fonctionnement des microinterrupteurs, puis on dépose une seconde couche de passivation 6 aux emplacements des micro-interrupteurs. La couche de passivation peut être en nitrure de silicium (Si3N4). Toujours représenté en figure 3, l'étape 2bis est suivie d'une étape
2ter. L'étape 2ter consiste à supprimer localement la première couche de passivation 4 au-dessus des zones d'interconnexion électrique des composants électroniques et à déposer une couche de métallisation conductrice 7 au-dessus des dites zones d'interconnexion électrique. Dans l'étape 3 représentée en figures 4 et 5, on réalise les microinterrupteurs 10 sur ledit substrat. L'étape 3 consiste essentiellement à déposer des plots 8 électriquement conducteurs aux emplacements des micro-interrupteurs comme illustré en figure 4. Puis, on réalise comme indiqué sur la figure 5 au-dessus desdits plots au moins une membrane suspendue 9, l'ensemble constituant les micro-interrupteurs. La membrane est réalisée par le dépôt et l'élimination partielle de couches sacrificielles en résine.
Le micro-interrupteur peut être un interrupteur à deux voies de type « SPDT » signifiant « Single Port Dual Throw ». Sur la figure 5, les deux rectangles en traits pointillés représentent les limites du composant électronique 3 et du micro-interrupteur 10.
Les matériaux utilisés pour la réalisation des différents éléments peuvent être, à titre d'exemple, l'or, le platine, le tungstène ou le titane.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'un module électronique comprenant d'une part des composants électroniques de puissance (3) réalisés sur substrat (1 ) en nitrure de gallium (GaN) et d'autre part des microinterrupteurs (10) à activation électrostatique de type MEMS (Micro Electro Mechanical System), caractérisé en ce que les composants électroniques et les micro-interrupteurs sont réalisés sur un seul substrat en nitrure de gallium et que le procédé comporte au moins les étapes de réalisation suivantes :
• Etape 1 : Réalisation des composants de puissance (3) sur le substrat (1 ) en nitrure de gallium ;
• Etape 2 : Dépôt d'une première couche de passivation commune (4) sur les dits composants et sur l'intégralité du substrat (1 ) ;
• Etape 3 : Réalisation des micro-interrupteurs (10) sur ledit substrat.
2. Procédé de réalisation d'un module électronique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'étape 2 est suivie d'une étape 2bis précédant l'étape 3, l'étape 2bis consistant en la réalisation d'une seconde couche de passivation (6) aux emplacements des micro-interrupteurs.
3. Procédé de réalisation d'un module électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape 2bis est suivie d'une étape 2ter précédant l'étape 3, l'étape 2ter consistant à supprimer localement la première couche de passivation au-dessus des zones d'interconnexion électrique des composants électroniques et à déposer une couche conductrice (7) au-dessus des dites zones d'interconnexion électrique.
4. Procédé de réalisation d'un module électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape 3 consiste essentiellement à déposer des plots (8) électriquement conducteurs aux emplacements des micro-interrupteurs et à réaliser au-dessus desdits plots au moins une membrane suspendue (9), l'ensemble constituant lesdits micro-interrupteurs.
5. Procédé de réalisation d'un module électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les couches de passivation sont en oxyde de silicium (SiO2) ou en en nitrure de silicium (Si3N4).
6. Module électronique comprenant des composants électroniques de puissance réalisés sur substrat en nitrure de gallium (GaN) de type transistors « HEMT » (High Electron Mobility Transistor), caractérisé en ce que les composants électroniques de puissance sont recouverts d'une couche de passivation et que le module comporte également sur le même substrat des micro-interrupteurs à activation électrostatique de type MEMS.
7. Module électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le module est un module d'émission réception radiofréquence.
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