RU2503087C1

RU2503087C1 - Millimetre-range monolithic integrated circuit

Info

Publication number: RU2503087C1
Application number: RU2012125119/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Юрьевич Ющенко; Геннадий Исаакович Айзенштат; Владимир Григорьевич Божков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (ОАО "НИИПП")
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2013-12-27

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: millimetre-range monolithic integrated circuit, which is made on a semi-insulating substrate and has coplanar energy input and output lines, is characterised by that the metal coating of the coplanar lines protrudes beyond the chip. When assembling the monolithic integrated circuit, the metal coating which protrudes beyond the chip is superimposed on the metal coating of coplanar lines and said metal coatings are connected. A the input and output of the circuit, there are maximally matched adapters from one line to the other. This design enables to measure microwave parameters of the monolithic circuits formed on a wafer before dividing into chips, wherein measurement results will match data for the chip mounted in a device.

EFFECT: invention enables to eliminate change in parameters of a monolithic circuit, having coplanar transmission lines at the input and output, when assembling and simplifies the process of assembling the chip itself.

2 dwg

Description

Изобретение относится к монолитным интегральным схемам (МИС), работающим в мм-диапазоне длин волн и предназначено для использования в телекоммуникационных и радиолокационных системах.The invention relates to monolithic integrated circuits (MIS) operating in the mm wavelength range and is intended for use in telecommunication and radar systems.

Известны МИС, работающие в миллиметровом диапазоне длин волн, выполненные на полуизолирующих подложках из арсенида галлия или фосфида индия и содержащие наряду с активными и пассивными компонентами копланарные линии передачи для ввода и вывода энергии. Так в работе [1] дано описание монолитной интегральной схемы малошумящего усилителя работающего в полосе частот 77-103 ГГц и созданного на арсенидгаллиевой подложке на базе транзисторов AlSb/InSb с высокой подвижностью электронов. Наряду с транзисторами и пассивными компонентами в монолитной интегральной схеме на полуизолирующей подложке созданы копланарные линии передач на входе и выходе схемы. Копланарные линии были конструктивно реализованы в виде копланарной линии с заземлением. Особенностью этой конструкции является то, что кроме планарных металлических контактов, лежащих на лицевой стороне подложки, был сформирован сплошной металлический контакт с противоположной стороны подложки. Причем этот сплошной контакт был соединен с земляными контактами (на лицевой стороне), расположенными по обе стороны от центрального контакта. Для соединений указанных контактов в процессе изготовления монолитной схемы в подложке были созданы сквозные отверстия, поверхности которых были затем металлизированы.Known MIS operating in the millimeter wavelength range, made on semi-insulating substrates of gallium arsenide or indium phosphide and containing along with active and passive components coplanar transmission lines for input and output of energy. So in [1], a description is given of a monolithic integrated circuit of a low-noise amplifier operating in the frequency band 77-103 GHz and created on a gallium arsenide substrate based on AlSb / InSb transistors with high electron mobility. Along with transistors and passive components in a monolithic integrated circuit on a semi-insulating substrate, coplanar transmission lines are created at the input and output of the circuit. Coplanar lines were structurally implemented as a ground plane coplanar line. A feature of this design is that in addition to planar metal contacts lying on the front side of the substrate, a continuous metal contact was formed on the opposite side of the substrate. Moreover, this continuous contact was connected to ground contacts (on the front side) located on both sides of the central contact. For the connections of these contacts during the manufacture of a monolithic circuit, through holes were created in the substrate, the surfaces of which were then metallized.

Главным недостаткам известной конструкции монолитной схемы является необходимость осуществлять соединение контактов на разных сторонах подложки, что требует дополнительных технологических затрат.The main disadvantages of the known design of a monolithic circuit is the need to connect contacts on different sides of the substrate, which requires additional technological costs.

Известна другая конструкция МИС, подробно рассмотренная в работе [2]. Она выполнена на полуизолирующей подложке арсенида галлия с использованием псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе гетероструктуры InGaP/InGaAs [1]. На подложке созданы обычные копланарные линии передачи для ввода и вывода энергии без заземляющего контакта на противоположной стороне подложки. Кроме того, в отличие от других конструкций на кристалле МИС выращены металлические столбики (Cu/Sn), предназначенные как для механического, так и для электрического соединений кристалла монолитной интегральной схемы с монтажной платой. Посадку кристалла МИС на монтажную плату необходимо осуществлять методом flip-chip-технологии, что является недостатком данной конструкции, поскольку для изготовления схемы с металлическими столбиками требуется существенного увеличить число дополнительных технологических операций, а значит и стоимость схемы.Another MIS design is known, which was considered in detail in [2]. It was performed on a semi-insulating gallium arsenide substrate using pseudomorphic transistors with high electron mobility based on the InGaP / InGaAs heterostructure [1]. Conventional coplanar transmission lines have been created on the substrate for input and output of energy without grounding contact on the opposite side of the substrate. In addition, unlike other structures, metal columns (Cu / Sn) are grown on the MIS crystal, designed for both mechanical and electrical connections of the crystal of a monolithic integrated circuit with a circuit board. The MIS crystal landing on the circuit board must be carried out using flip-chip technology, which is a drawback of this design, since the manufacturing of a circuit with metal columns requires a significant increase in the number of additional technological operations, and hence the cost of the circuit.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является конструкция монолитной интегральной схемы созданной специалистами Южной Кореи и рассмотренная в работе [3]. Монолитная интегральная схема миллиметрового диапазона длин волн (двухкаскадный малошумящий усилитель на частотный диапазон 90-100 ГГц) была создана на полуизолирующей подложке арсенида галлия с использованием метаморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов. Кроме транзисторов на подложке были сформированы пассивные компоненты, включающие копланарные линии передач и в том числе копланарные линии для ввода и вывода энергии. Металлизация копланарных линий для ввода и вывода энергии лежала на одной поверхности кристалла монолитной интегральной схемы и не выходила за пределы этого кристалла.The closest analogue of the invention is the design of a monolithic integrated circuit created by specialists of South Korea and considered in [3]. A monolithic integrated circuit of the millimeter wavelength range (a two-stage low-noise amplifier for the frequency range of 90-100 GHz) was created on a semi-insulating substrate of gallium arsenide using metamorphic transistors with high electron mobility. In addition to transistors, passive components were formed on the substrate, including coplanar transmission lines, including coplanar lines for input and output of energy. Metallization of coplanar lines for input and output of energy lay on one surface of the crystal of a monolithic integrated circuit and did not go beyond the limits of this crystal.

Недостатком такой конструкции является сложность монтажа кристалла в устройство. Если присоединять кристалл монолитной интегральной схемы к металлическому основанию, то при этом могут измениться электрические параметры созданных копланарных линий передач, что в свою очередь приведет к изменениям характеристик самой МИС. То же самое может произойти, если кристалл приклеить к диэлектрической подложке. Например, для копланарной линии с волновым сопротивлением 50 Ом, при типичной толщине подложки 100 мкм и при зазорах между земляными контактами и центральным проводником 50 мкм при приклейке кристалла на диэлектрическую подложку волновое сопротивление линии изменится примерно на 6%, а при посадке кристалла на металлическое основание это изменение составит уже 20%. Кроме того, параметры известной монолитной схемы могут меняться и при разварке проволокой при монтаже.The disadvantage of this design is the difficulty of mounting the crystal in the device. If you connect a crystal of a monolithic integrated circuit to a metal base, then the electrical parameters of the created coplanar transmission lines can change, which in turn will lead to changes in the characteristics of the MIS itself. The same thing can happen if the crystal is glued to a dielectric substrate. For example, for a coplanar line with a wave impedance of 50 Ω, with a typical substrate thickness of 100 μm and with gaps between the earth contacts and the central conductor of 50 μm, when the crystal is glued onto a dielectric substrate, the wave impedance of the line will change by about 6%, and when a crystal is placed on a metal base this change will be already 20%. In addition, the parameters of the well-known monolithic circuit can change during wire welding during installation.

Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанного недостатка, а именно, в исключении изменений параметров монолитной схемы, содержащей копланарные линии передач на входе и выходе, при монтаже и в упрощении самого процесса монтажа кристалла.The technical result to which the claimed solution is directed is to eliminate this drawback, namely, to exclude changes in the parameters of a monolithic circuit containing coplanar transmission lines at the input and output, during installation and to simplify the process of mounting the crystal.

Этот результат достигается тем, что в монолитной интегральной схеме миллиметрового диапазона длин волн, выполненной на полуизолирующей подложке и содержащей копланарные линии передачи для ввода и вывода энергии, в отличие от прототипа, металлизация копланарных линий выведена за пределы кристалла.This result is achieved by the fact that in the monolithic integrated circuit of the millimeter wavelength range, made on a semi-insulating substrate and containing coplanar transmission lines for inputting and outputting energy, unlike the prototype, metallization of coplanar lines is removed outside the crystal.

Выступающая за пределы кристалла металлизация копланарных линий передачи выполняет несколько функций. Во-первых, она служит для механического закрепления кристалла МИС на входе и выходе схемы к линиям передачи, подведенным к кристаллу при монтаже (кристалл при закреплении оказывается установленным в пространстве в виде мостика, висящего в воздухе между линиями). Во-вторых, самая важная ее функция заключается в том, что за счет электрического соединения всех элементов металлизации копланарной линии с аналогичными элементами линий, установленных на входе и выходе, параметры схемы будут соответствовать параметрам не смонтированной схемы.The metallization of the coplanar transmission lines extending beyond the crystal performs several functions. Firstly, it serves to mechanically fix the MIS crystal at the input and output of the circuit to the transmission lines connected to the crystal during installation (the crystal, when fixed, is installed in space in the form of a bridge hanging in the air between the lines). Secondly, its most important function is that due to the electrical connection of all metallization elements of the coplanar line with similar line elements installed at the input and output, the parameters of the circuit will correspond to the parameters of the unmounted circuit.

Итак, отличительной особенностью монолитной интегральной схемы миллиметрового диапазона длин волн, выполненной на полуизолирующей подложке и содержащей копланарные линии передачи для ввода и вывода энергии является то, что металлизация копланарных линий выведена за пределы кристалла. При монтаже монолитной интегральной схемы, выступающую за пределы кристалла металлизацию накладывают на металлизацию копланарных линий передач и производят их соединение. При этом на входе и выходе схемы реализуются максимально согласованные переходы с одной линии на другую. Предложенная конструкция позволяет производить измерение СВЧ-параметров созданных монолитных схем на пластине еще до разделения на кристаллы, причем результаты измерений будут соответствовать данным для смонтированного в устройство кристалла.So, a distinctive feature of the monolithic integrated circuit of the millimeter wavelength range, made on a semi-insulating substrate and containing coplanar transmission lines for input and output of energy, is that metallization of coplanar lines is removed outside the crystal. When mounting a monolithic integrated circuit protruding beyond the crystal, metallization is applied to the metallization of the coplanar transmission lines and connected. At the same time, the maximum coordinated transitions from one line to another are realized at the input and output of the circuit. The proposed design makes it possible to measure the microwave parameters of the created monolithic circuits on the wafer even before separation into crystals, and the measurement results will correspond to the data for the crystal mounted in the device.

На фиг.1 схематично представлена одна из возможных конструкций предлагаемой монолитной интегральной схемы.Figure 1 schematically shows one of the possible designs of the proposed monolithic integrated circuit.

Предлагаемая монолитная интегральная схема миллиметрового диапазона длин волн выполнена на полупроводниковой полуизолирующей подложке 1, содержит активные и пассивные элементы, расположенные в центральной зоне 2 интегральной схемы. Монолитная интегральная схема, кроме того, содержит копланарную линию передачи для ввода энергии, причем металлизация 3, 4 копланарной линии на входе схемы выведена за пределы кристалла. На выходе схемы тоже создана копланарная линия передачи, у которой металлизация 5, 6 выведена за пределы кристалла.The proposed monolithic integrated circuit of the millimeter wavelength range is made on a semiconductor semi-insulating substrate 1, contains active and passive elements located in the Central zone 2 of the integrated circuit. The monolithic integrated circuit, in addition, contains a coplanar transmission line for energy input, and the metallization of 3, 4 coplanar lines at the input of the circuit is outside the crystal. At the output of the circuit, a coplanar transmission line was also created, in which metallization 5, 6 was brought out of the crystal.

Фиг.2 носит вспомогательный характер и иллюстрирует, каким образом производится монтаж монолитной интегральной схемы 7. На основании 8 установлены две копланарные линии 9 и 10, выполненные, например, на керамике. При монтаже МИС 7 ее кладут на линии 9 и 10, таким образом, чтобы МИС 7 висела на выступающей металлизации не касаясь основания, причем соответствующие металлические элементы копланарных линий на МИС 7 и на керамиках 9 и 10 должны быть совмещены, как показано на фиг.2.Figure 2 is of an auxiliary character and illustrates how the monolithic integrated circuit is installed 7. On the basis of 8, two coplanar lines 9 and 10 are installed, made, for example, on ceramic. When mounting MIS 7, it is placed on lines 9 and 10, so that MIS 7 hangs on the protruding metallization without touching the base, and the corresponding metal elements of the coplanar lines on MIS 7 and ceramics 9 and 10 must be aligned, as shown in FIG. 2.

Пример практического исполнения.An example of practical implementation.

Монолитная интегральная схема однокаскадного малошумящего усилителя на частоту 100 ГГц выполнялась на гетероструктуре InAlGa/InGaAs, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии на полуизолирующей подложке арсенида галлия 1. В качестве активного элемента в схеме был выбран метаморфный транзистор с высокой подвижностью электронов, который создавался с использованием стандартных технологических приемов. Затвор Шоттки в транзисторе длиной 100 нм изготавливался с применением электронной литографии. В схеме создавались также пассивные компоненты, которые вместе с транзистором располагались в зоне 2 монолитной схемы. Кроме того, создавались копланарные линии передач на входе и выходе схемы, причем металлизация линий 3 и 4 на входе, а также металлизация линий 5 и 6 на выходе создавалась путем электрохимического осаждения золота толщиной 5 мкм. После утонынения подложки до 100 мкм, проводилось химическое травление по маске фоторезиста для разделения полупроводниковой пластины на отдельные кристаллы. При этом травление осуществляли таким образом, чтобы металлизация 3 и 4, а также 5 и 6 копланарных линий на входе и выходе после окончания травления выступала за пределы кристалла монолитной схемы на 250 мкм с каждой стороны. Одновременно с копланарными линиями в монолитной схеме точно таким же образом изготавливались выводы для подачи питания, не показанные на фиг.1.A monolithic integrated circuit of a single-stage low-noise amplifier at a frequency of 100 GHz was performed on an InAlGa / InGaAs heterostructure grown by molecular beam epitaxy on a semi-insulating gallium arsenide substrate 1. A metamorphic transistor with high electron mobility was chosen as the active element, which was created using standard electron mobility, which was created using standard electron mobility, which was created using standard technological techniques. A Schottky gate in a 100 nm transistor was fabricated using electronic lithography. Passive components were also created in the circuit, which, together with the transistor, were located in zone 2 of the monolithic circuit. In addition, coplanar transmission lines were created at the input and output of the circuit, and metallization of lines 3 and 4 at the input, as well as metallization of lines 5 and 6 at the output, was created by electrochemical deposition of gold with a thickness of 5 μm. After thinning the substrate to 100 μm, chemical etching was performed using a photoresist mask to separate the semiconductor wafer into individual crystals. In this case, the etching was carried out in such a way that metallization 3 and 4, as well as 5 and 6 coplanar lines at the inlet and outlet after the end of the etching, protruded beyond the crystal of a monolithic circuit at 250 μm on each side. Simultaneously with the coplanar lines in a monolithic circuit, exactly the same conclusions were made for power supply, not shown in figure 1.

Монтаж кристалла изготовленной монолитной интегральной схемы проводился в измерительный узел, где подводимая ко входу мощность подавалась через копланарную линию передачи с заземлением 9, установленную на входе и выполненную на керамической подложке из поликора (Al₂O₃). Толщина подложки составляла 125 мкм. Такая же линия 10 на керамике была установлена и на выходе монолитной схемы. При монтаже выступающие части металлизации копланарных линий на входе и выходе интегральной схемы накладывали на аналогичные элементы копланарных линий на керамиках 9 и 10 и осуществляли термокомпрессию металлизации 3 и 4, а также 5 и 6 с металлизацией линий передачи на керамиках 9 и 10. При этом кристалл монолитной схемы, надежно закрепленный с двух сторон повисал в воздухе, поскольку толщина керамики превышала толщину кристалла. Ширина центральных проводников копланарных линий (металлизация 4 и 6) в микросхеме равнялись 88 мкм, а расстояния между металлизацией 4 и 3 и между металлизацией 6 и 5 были 50 мкм. При этом волновое сопротивление линий составляло 50 Ом. На керамике толщиной 125 мкм с заземленными копланарными линиями при тех же размерах металлизации волновое сопротивление равнялось 49 Ом. Измерение малосигнальных характеристик созданного малошумящего усилителя сначала проводилось на зондовой установке еще до разделения пластины на отдельные кристаллы, а затем после монтажа, в измерительный узел. Было установлено, что параметры монолитной интегральной схемы остаются практически неизменными после монтажа кристалла, что обусловлено отсутствием заметных внесенных неоднородностей на входе и выходе схемы.The crystal of the manufactured monolithic integrated circuit was mounted in the measuring unit, where the power supplied to the input was supplied through a coplanar ground line 9 installed at the input and made on a ceramic substrate made of polycor (Al ₂ O ₃ ). The thickness of the substrate was 125 μm. The same line 10 on ceramics was installed at the output of the monolithic circuit. During installation, the protruding parts of the metallization of coplanar lines at the input and output of the integrated circuit were superimposed on similar elements of coplanar lines on ceramics 9 and 10 and thermocompressed metallization 3 and 4, as well as 5 and 6 with metallization of transmission lines on ceramics 9 and 10. In this case, the crystal monolithic circuit, securely fixed on both sides, hung in the air, because the thickness of the ceramic exceeded the thickness of the crystal. The width of the central conductors of the coplanar lines (metallization 4 and 6) in the microcircuit was 88 μm, and the distances between metallization 4 and 3 and between metallization 6 and 5 were 50 μm. The wave impedance of the lines was 50 ohms. On ceramics 125 microns thick with grounded coplanar lines with the same metallization sizes, the wave impedance was 49 Ohms. Measurement of the low-signal characteristics of the created low-noise amplifier was first carried out on a probe setup before dividing the plate into individual crystals, and then after installation, in the measuring unit. It was found that the parameters of the monolithic integrated circuit remain virtually unchanged after the installation of the crystal, due to the absence of noticeable introduced inhomogeneities at the input and output of the circuit.

Таким образом, показано, что предложенная конструкция монолитной интегральной схемы миллиметрового диапазона не только удобна при монтаже кристалла, но и сохраняет все свои параметры после монтажа, а значит, поставленная цель достигнута.Thus, it is shown that the proposed design of the monolithic integrated circuit of the millimeter range is not only convenient for the installation of the crystal, but also retains all its parameters after installation, which means that the goal is achieved.

Источники информации.Information sources.

1 William R. and et. al. A W-Band InAs/AlSb/ Low-Noise/low-power Amplifier // IEEE Microwave and Wireless components letters. Vol.15., No.4., 2005. P.208-210.1 William R. and et. al. A W-Band InAs / AlSb / Low-Noise / low-power Amplifier // IEEE Microwave and Wireless components letters. Vol.15., No.4., 2005. P.208-210.

2. Watanabe Y., Okubo N. /НЕМТ Millimeter-wave Monolithic 1С Technology for 76 - GHz Automotive Radar // Fujitsu sci. Tech. J. 34.2, 1998, P.153-161.2. Watanabe Y., Okubo N. / HEMT Millimeter-wave Monolithic 1C Technology for 76 - GHz Automotive Radar // Fujitsu sci. Tech. J. 34.2, 1998, P.153-161.

3. Keun-Kwan Ryu and Sung-Chan Kim_/High-performance CPW MMIC LNA Using GaAs-based Metamorphic HEMTs for 94-GHz Applications // Journal of the Korean Physical Society, Vol.56, No.5, May 2010, pp.1509-1513.3. Keun-Kwan Ryu and Sung-Chan Kim_ / High-performance CPW MMIC LNA Using GaAs-based Metamorphic HEMTs for 94-GHz Applications // Journal of the Korean Physical Society, Vol. 56, No.5, May 2010, pp .1509-1513.

Claims

A monolithic integrated circuit of the millimeter wavelength range, made on a semi-insulating substrate and containing coplanar transmission lines for input and output of energy, characterized in that the metallization of the coplanar lines is removed outside the crystal.