单片微波集成电路前端模块的制作方法

1.本发明涉及射频rf收发器前端模块领域。特别地，本发明涉及单片微波集成电路mmic前端模块。


背景技术：

2.对于比如rf放大器等许多应用，传统的硅互补金属氧化物半导体cmos晶体管在性能方面已经走到了尽头。基于氮化镓的晶体管和高电子迁移率晶体管hemt与传统的硅对应物相比提供了改进的性能。然而，由于硅cmos技术的整体技术成熟度，硅仍然适用于许多应用，比如数字逻辑和开关。因此，可能需要具有包括硅器件和氮化镓器件两者(例如晶体管、开关、转换器和放大器)的集成的rf电路。然而，部分地由于材料特性的差异，这种集成并不简单。这些差异使得将高质量氮化镓材料集成到传统硅衬底上变得特别复杂。这是有问题的，因为需要高质量氮化镓材料来制造器件，例如高性能的hemt。该问题的传统解决方案可能包括厚而复杂的缓冲层或结构。然而，这些无法始终如一地足以做到更多，只能减轻集成带来的质量损失。由于缓冲层或结构的厚度增加，材料使用也不利地增加。因此，需要在技术领域内进行改进。


技术实现要素：

3.本发明的目的是至少减轻现有技术的一些问题。
4.根据本发明的第一方面，提供了一种单片微波集成电路mmic前端模块。
5.该mmic包括：
6.由硅衬底支撑的氮化镓结构；
7.具有发射模式和接收模式的硅基发射/接收开关；
8.发射放大器，该发射放大器被配置为对要由该mmic前端模块发射的传出信号进行放大，其中，该发射放大器电连接到该发射/接收开关，其中，该发射放大器包括形成在该氮化镓结构中的氮化镓高电子迁移率晶体管hemt；以及
9.接收放大器，该接收放大器被配置为对由该mmic前端模块接收的传入信号进行放大，其中，该接收放大器电连接到该发射/接收开关，其中，该接收放大器包括形成在该氮化镓结构中的氮化镓hemt。
10.术语“氮化镓结构”应理解为是指横向限制的结构，即不是覆盖整个硅衬底区域的层。氮化镓结构应进一步理解为在任何程度上包含氮化镓材料的结构。
11.术语“被支撑”是指氮化镓结构在垂直于且正交于硅衬底顶表面的垂直方向上位于硅衬底之上或上方。
12.术语“发射模式”和“接收模式”是指使发射/接收开关适于发射或接收无线信号。在实践中，发射模式可以看到开关适于在发射放大器与天线之间为传出信号提供更直接的电路径，而接收模式可以看到开关适于在天线与接收放大器之间为传入信号提供更直接的电路径。发射模式可以理解为mmic前端模块可以发射传出无线信号的模式。接收模式可以
理解为mmic前端模块可以接收传入无线信号的模式。mmic前端模块由于存在发射模式和接收模式两者而可以理解为是收发器。
13.术语“发射放大器”通常可以理解为rf功率放大器(pa)。因此，术语“接收放大器”通常可以理解为rf低噪声放大器(lna)。
14.材料(即元素和化合物)可以用它们的全名(例如硅或氮化镓)或由它们的iupac符号/名称(例如si或gan)来指代。
15.术语“传出信号”和“传入信号”可以理解为电节点上的电信号(例如电压或电流)或自由空间介质(例如空气或真空)中的电磁信号(例如无线电波)。信号可以通过mmic前端模块的天线部件或连接到mmic前端模块的天线部件在纯电信号与电磁信号之间转换。信号可以通过mmic前端模块的部件(例如放大器和变频器)进行处理。
16.传出信号在由变频器上变频、由发射放大器放大、和/或由天线发射到自由空间中之后仍然可以是传出信号。相应地，传入信号在由天线接收、由接收放大器放大、和/或由变频器下变频之后仍然可以是传入信号。
17.通过在硅衬底之上或上方提供氮化镓结构，发明人已经认识到，氮化镓hemt器件作为发射放大器和接收放大器的一部分可以与硅基发射/接收开关以及其他硅基器件和部件更紧密地集成在一起。这又是有利的，因为它提供了仅在认为最需要的地方(例如对于放大器)使用氮化镓的能力，同时允许mmic的不太关键的部件/器件、或只是具有不同要求的部件/器件改为硅基的。
18.与传统的硅材料相比，氮化镓材料可能具有更大的带隙、更高的电子迁移率、更高的热导率和更高的熔点。反过来，这可能导致器件(例如晶体管)具有更高的开关频率、更少的能量损失、更高电压操作和更高温度操作。
19.与传统的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)相比，hemt可能具有优势。hemt可以提供具有较小电阻的弹道电荷载流子传输。这会提高hemt的效率、速度和功率性能。
20.由于采用了hemt和氮化镓材料，与技术领域内的传统解决方案和器件相比，mmic前端模块可以提供节能以及整体更高效的操作。
21.发射放大器可以包括形成在氮化镓结构中的多个hemt。
22.接收放大器可以包括形成在氮化镓结构中的多个hemt。
23.发射放大器，实际上还有接收放大器，可以仅用一个hemt或多个hemt来制造，每种情况取决于所选择的放大器电路设计。不太复杂的放大器可能具有不超过几个hemt，或者甚至只有一个hemt，而更高级的多hemt放大器可以提供更好的放大器性能指标，比如更高频率操作或更低功率损耗。
24.由硅衬底支撑的氮化镓结构包括第一氮化镓岛和第二氮化镓岛，其中，该第一氮化镓岛和该第二氮化镓岛物理分离并横向共同布置在该硅衬底上。
25.将氮化镓结构提供为多个岛的一个优点可能是对热特性的改善。并不是作为一个结构由于温度变化而膨胀和收缩，而是岛可以单独且独立地这样做。因此，膨胀和收缩的机械应力可以分布在这些岛上。因此可以减少总体最大机械应力。这可能特别重要，因为硅和氮化镓具有不同的热膨胀系数。此外，控制氮化镓岛的温度(例如通过主动或被动冷却)可能没有较大结构那么复杂。氮化镓岛的有利之处还在于，来自多个器件的热量积聚可以更
均等地分布。
26.发射放大器的氮化镓hemt可以形成在第一氮化镓岛中。接收放大器的氮化镓hemt可以形成在第二氮化镓岛中。
27.通过将不同的器件定位在不同的物理结构(即岛)上，可以减少第一器件对第二器件的操作的干扰。这种干扰可以理解为例如噪声较大的信号。
28.第一氮化镓岛的横向尺寸可以在0.1μm至10μm的范围内。第二氮化镓岛的横向尺寸可以在0.1μm至10μm的范围内。
29.氮化镓结构的横向尺寸可以在0.1μm至10μm的范围内。
30.术语“横向尺寸”可以指与硅衬底的平坦顶表面平行的尺寸。就氮化镓结构或氮化镓岛而言，横向尺寸可以理解为例如多边形或圆形的直径或半径。由于氮化镓最常以纤锌矿晶体结构组织，所以氮化镓结构或氮化镓岛的形状可以对应于六边形。横向尺寸可以替代性地指其他尺寸，如例如结构或岛的边缘的长度。
31.该mmic前端模块可以进一步包括：
32.硅基上变频器，该硅基上变频器电连接到该发射放大器，其中，该上变频器被配置为对要由该mmic前端模块发射的传出信号的频率进行上变频；以及
33.硅基下变频器，该硅基下变频器电连接到该接收放大器，其中，该下变频器被配置为对由该mmic前端模块接收的传入信号的频率进行下变频。
34.术语“下变频器”，实际上还有“上变频器”，可以理解为对应于rf混频器。上变频器可以理解为将传出的、要发射的中频(if)信号转换为rf信号。因此，上变频器可以理解为将传入/接收的rf信号转换为if信号。
35.所提出的氮化镓和硅器件集成除了使发射/接收开关是硅基的之外，还可以使变频器是硅基器件。
36.mmic前端模块可以进一步包括被配置为发射和接收无线信号的天线，其中，发射/接收开关电连接到该天线。
37.天线可以理解为被配置为或适用于发射和接收无线电磁信号的任何部件/结构。将天线集成在mmic前端中靠近半导体器件、放大器和开关的位置是优选的，因为可以减少寄生损耗，并且可以减小整体mmic前端模块的大小。
38.天线可以由硅衬底支撑。因此，可以实现更紧密的天线集成。
39.天线可以是阵列天线，该阵列天线包括多个天线阵列元件。天线阵列能够实现波束成形，因此也能够减少浪费，并能够实现更灵活的无线通信。
40.氮化镓结构可以包括垂直于硅衬底布置的垂直纳米线结构。
41.氮化镓结构可以包括氮化镓层和al
x
ga
1-x
n层，其中，0≤x≤0.95。
42.氮化镓结构可以包括氮化铝层。
43.这种氮化镓结构的优点包括具有高晶体质量和较少缺陷的改进的半导体材料。与使用缓冲层的结构相比，氮化镓结构还可以做得更薄并且需要更少的材料来生产。
44.硅基发射/接收开关可以一体形成在硅衬底中，或者其中，硅基发射/接收开关由硅衬底支撑。
45.因此，可以实现更紧密的部件集成。通过利用已经存在的硅衬底来形成硅基器件，可以从生产工艺中去除一些制造步骤，从而使其总体上不那么复杂。
46.根据以下给出的详细描述，本发明的进一步的适用范围将变得清楚。然而，应当理解，具体实施方式和具体示例虽然指示了本发明的优选实施例，但仅以说明性的方式给出，因为根据本具体实施方式，本发明的范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员而言将变得清楚。
47.因此，应理解，本发明不限于所描述的器件的特定组成部分或者所描述的方法的动作，因为这种器件和方法可以改变。还应理解，本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并不旨在是限制性的。
48.必须注意，除非上下文另有明确规定，否则如在本说明书和所附权利要求中所使用的那样，冠词“一个(a)”、“一种(an)”、“该(the)”以及“所述(said)”旨在意指存在一个或多个要素。因此，例如，提及“一个单元”或“该单元”可以包括若干设备等。此外，词语“包括(comprising)”、“包含(including)”、“含有(containing)”和类似用语不排除其他要素或步骤。
附图说明
49.下面将参考附图来更详细地描述本发明的上述和其他方面。这些附图不应被视为限制性的；相反，它们应该被认为是用于解释和理解的目的。
50.如附图所展示的，出于说明性目的，各层和各区域的尺寸可能被夸大，并且因此是为了展示总体结构而提供。在全文中，相同的附图标记指代相同的要素。
51.图1示出了mmic前端模块的示意图。
52.图2示出了包括两个氮化镓岛的mmic前端模块的示意图。
53.图3示出了包括上变频器和下变频器的mmic前端模块的示意图。
54.图4示出了包括天线的mmic前端模块的示意图。
55.图5示出了氮化镓结构的截面示意图。
56.图6示出了示例性发射放大器的电路。
57.图7示出了示例性接收放大器的电路。
具体实施方式
58.现在下文将参考附图对本发明进行更全面地描述，在附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施并且不应被解释为限于本文所阐述的这些实施例；而是，这些实施例被提供用于获得彻底性和完整性、并且向技术人员充分地传达本发明的范围。
59.图1示出了单片微波集成电路mmic前端模块100。
60.mmic前端模块100包括氮化镓结构110。氮化镓结构110由硅衬底120支撑。
61.mmic前端模块100进一步包括硅基发射/接收开关130。发射/接收开关130具有发射模式和接收模式。
62.氮化镓结构110的横向尺寸可以在0.1μm至10μm的范围内。从俯视图来看，氮化镓结构110可以具有圆形形状或多边形形状。氮化镓结构110可以具有六边形形状。
63.硅基发射/接收开关130可以一体形成在硅衬底120中。硅基发射/接收开关130可以由硅衬底120支撑。硅基发射/接收开关130可以形成在增加的硅结构中，而不是最初是硅
衬底120的一部分。这种增加的硅结构可以例如通过化学气相沉积(cvd)或类似的沉积技术来沉积。
64.硅衬底120可以具有米勒指数为《111》的平坦顶表面。硅衬底120可以是基本上单晶硅衬底。硅衬底120可以是硅晶圆。
65.mmic前端模块100进一步包括电连接132到发射/接收开关130的发射放大器112。发射放大器112可以被配置为对要由mmic前端模块100发射的传出信号进行放大。发射放大器112包括形成在氮化镓结构110中的氮化镓高电子迁移率晶体管hemt 114。hemt 114可以包括源极节点、漏极节点和栅极节点，其中，施加到栅极节点的电压可以影响源极节点与漏极节点之间的电流。
66.发射放大器112可以是pa。发射放大器112可以是a、b、ab、c、d、e、f、g或h类pa。发射放大器112可以是差分型放大器。图6示出了作为e类放大器的示例性发射放大器112的电路。发射放大器112可以被配置为例如通过增加传出信号的电压或电流来放大传出信号。发射放大器112可以包括形成在氮化镓结构110中的多个hemt。
67.mmic前端模块100进一步包括电连接133到发射/接收开关130的接收放大器113。接收放大器113可以被配置为对由mmic前端模块100接收的传入信号进行放大。接收放大器113包括形成在氮化镓结构110中的氮化镓hemt115。hemt 115也可以包括源极节点、漏极节点和栅极节点，其中，施加到栅极节点的电压可以影响源极节点与漏极节点之间的电流。
68.接收放大器113可以是lna。接收放大器113可以是差分型放大器。图7示出了示例性接收放大器113的电路。接收放大器113可以被配置为例如通过增加传入信号的电压或电流来放大传入信号。接收放大器113可以包括形成在氮化镓结构110中的多个hemt。
69.在图1至图4中，放大器112、113被示为虚线三角形。这些应该被视为放大器的示意性框图表示，而图6至图7展示了放大器112、113的示例性电路。
70.在图6中，输出节点(vout)对应于电连接件132。在图7中，输入节点(vin)对应于电连接件133。
71.注意，vin和vout指的是单个放大器级别。因此，图6中的vin节点不对应于图7中的vin节点。出于同样的原因，图6中的vout节点不对应于图7中的vout节点。驱动节点(vdd)对于放大器112、113二者来说可以是共享的或单独的。vdd节点可以具有或适于具有基本上固定的电压电平。接地节点(gnd)对于放大器112、113二者来说可以是共享的或单独的。gnd节点可以理解为具有基本上固定的电压电平的相对接地节点。gnd节点可以具有低于vdd节点电压电平的电压电平。图7中的示例性lna的偏置节点(vbias)可以具有或适于具有被配置为影响hemt 115的栅极节点处的电压电平的偏置电压电平。示例性电路还被示为包括电阻、电感器和电容器，这些电阻、电感器和电容器可以根据放大器电路中的电导体的特性形成为分立部件或固有部件。
72.将发射/接收开关130设置为发射模式可以包括形成从发射放大器112经由电连接件132、通过发射/接收开关130到例如天线的电路径。将发射/接收开关130设置为接收模式可以包括形成从接收放大器113经由电连接件133、通过发射/接收开关130到例如天线的电路径。
73.图2示出了mmic前端模块100，其中，由硅衬底120支撑的氮化镓结构110包括第一氮化镓岛211和第二氮化镓岛212。第一氮化镓岛211和第二氮化镓岛212物理分离并横向共
同布置在硅衬底120上。
74.发射放大器112的氮化镓hemt 114可以形成在第一氮化镓岛211中。接收放大器113的氮化镓hemt 115可以形成在第二氮化镓岛212中。
75.第一氮化镓岛211的横向尺寸可以在0.1μm至10μm的范围内。第二氮化镓岛212的横向尺寸可以在0.1μm至10μm的范围内。从俯视图来看，氮化镓岛211、212可以具有圆形形状或多边形形状。氮化镓岛211、212可以具有六边形形状。
76.图3示出了mmic前端模块100，其进一步包括电连接332到发射放大器112的硅基上变频器342。上变频器342可以被配置为对要由mmic前端模块100发射的传出信号的频率进行上变频。
77.mmic前端模块100可以进一步包括电连接333到接收放大器113的硅基下变频器343。下变频器343可以被配置为对由mmic前端模块100接收的传入信号的频率进行下变频。
78.上变频器342和下变频器343可以是混频器。上变频器342和下变频器343可以连接到输出可预测的振荡信号的本地振荡器。上变频器342可以将作为if信号的传出信号转换为对应的rf信号。下变频器343可以将作为rf信号的传入信号转换为对应的if信号。其中，if《《rf。
79.硅基上变频器342和硅基下变频器343可以一体形成在硅衬底120中。硅基上变频器342和硅基下变频器343可以形成在增加的硅结构中，而不是最初是硅衬底120的一部分。这种增加的硅结构可以例如通过cvd或类似的沉积技术来沉积。
80.图4示出了mmic前端模块100，其进一步包括天线451。天线451可以被配置为发射和接收无线信号。发射/接收开关130可以电连接453到天线451。
81.天线451可以被配置为发射和接收电磁无线信号。天线451可以被配置为和/或被优化为发射和接收频率在10mhz至100ghz的范围内、优选地在24ghz至72ghz的范围内的无线信号。
82.天线451可以是例如偶极天线、单极天线、贴片天线等。天线451可以是多输入多输出(mimo)天线。天线451可以包括完美电导体(pec)。天线451可以包括金属。天线451可以包括简并掺杂的半导体，例如硅。天线451可以包括介电材料。
83.天线451可以由硅衬底120支撑。天线451可以一体形成在硅衬底120中。
84.天线451可以是阵列天线。阵列天线包括多个天线阵列元件455。
85.图5示出了氮化镓结构110，其包括垂直于硅衬底120布置的垂直纳米线结构516。
86.垂直纳米线结构516可以包括氮化镓或基本上由氮化镓构成。垂直纳米线结构516可以包括氮化铝或基本上由氮化铝构成。氮化镓结构110可以包括多个垂直纳米线结构516。垂直纳米线结构516可以形成在硅衬底120上。
87.氮化镓结构110可以包括氮化镓层517和al
x
ga
1-x
n层518，其中，0≤x≤0.95。氮化镓层517可以在与衬底120垂直的方向上位于al
x
ga
1-x
n层518上。al
x
ga
1-x
n层518可以横向和垂直地包围垂直纳米线结构516。
88.al
x
ga
1-x
n层518可以包括连续的或离散的渐变。连续渐变可以理解为对于al
x
ga
1-x
n层518中沿垂直方向的不同位置，值x基本上连续变化。类似地，离散渐变可以理解为对于al
x
ga
1-x
n层518中沿垂直方向的不同位置，值x以较大的离散步长变化，例如每步长-0.2。
89.氮化镓结构110可以包括氮化铝层519。氮化铝层519可以在与衬底120垂直的方向
上位于al
x
ga
1-x
n层518下方。
90.氮化镓结构110可以进一步理解为在提交的欧洲专利申请号19215267.6的上下文内的“半导体层结构”。见发明内容中有关“第一方面”的文字。还见图1至图4和对应的描述部分。所确定的主题通过引用并入本文。
91.hemt 114、115可以进一步理解为根据同一提交的欧洲专利申请号19215267.6的hemt。见发明内容中有关“第二方面”的文字。还见图5至图6和对应的描述部分。所确定的主题通过引用并入本文。
92.一般而言，电连接件132、133、333、332、453以及其他未以数字表示的连接(例如放大器112、113内部的连接)可以理解为适用于电流传输的任何物理连接。连接件可以形成为硅集成电路的常规后道(beol)工艺处理的一部分。
93.电连接件132、133、333、332、453可以包括金属材料，比如铝、铜、钯、银和/或金，以及上述材料的合金。例如，用于电连接件132、133、333、332、453的合金可以包括铝和铜，或者替代性地钯和金。电连接件132、133、333、332、453可以实现为简并掺杂的半导体，例如硅。
94.一种用于形成mmic前端模块100的方法可以包括：
95.提供覆盖有氮化镓层结构的硅衬底120；
96.从氮化镓层结构中刻蚀出氮化镓结构110或多个氮化镓岛211、212；
97.可选地，通过cvd将多晶硅结构沉积到硅衬底120上；
98.在硅衬底120或沉积的多晶硅结构中形成硅基器件130、342、343；
99.在氮化镓结构110或多个氮化镓岛211、212中形成氮化镓hemt器件114、115。
100.形成金属层、通孔和互连以将硅基器件130、342、343与氮化镓hemt器件相连接；以及
101.通过例如沉积来钝化上述mmic前端模块100。
102.mmic前端模块100可以被配置用于第5代新无线电(5g nr)通信。mmic前端模块100可以被配置用于蓝牙通信。mmic前端模块100可以是网络互连点(例如无线基站)的一部分。mmic前端模块100可以是例如移动设备、计算机、物联网(iot)设备等网络设备的一部分。本领域技术人员应理解，本发明不以任何方式仅限于上述示例。mmic前端模块100可以被配置用于10mhz至100ghz的范围内、优选地24ghz至72ghz的范围内的频率。当mmic前端模块100被配置用于蓝牙通信时，mmic前端模块100可以替代性地被配置用于1ghz至3ghz的范围内、优选地2.4ghz至2.5ghz的范围内的频率。
103.另外，所披露实施例的变型是技术人员在实践所要求保护的发明时通过学习附图、披露内容、以及所附权利要求可以理解并实现的。