[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR20230002319A - 단결정 음향 공진기/필터를 갖는 이종 집적 광대역 고 전자 이동도 트랜지스터 전력 증폭기 - Google Patents

단결정 음향 공진기/필터를 갖는 이종 집적 광대역 고 전자 이동도 트랜지스터 전력 증폭기 Download PDF

Info

Publication number
KR20230002319A
KR20230002319A KR1020227032069A KR20227032069A KR20230002319A KR 20230002319 A KR20230002319 A KR 20230002319A KR 1020227032069 A KR1020227032069 A KR 1020227032069A KR 20227032069 A KR20227032069 A KR 20227032069A KR 20230002319 A KR20230002319 A KR 20230002319A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
compound semiconductor
layer
semiconductor layer
single crystal
chip
Prior art date
Application number
KR1020227032069A
Other languages
English (en)
Inventor
제-슝 란
라나딥 두타
종해 김
Original Assignee
퀄컴 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 퀄컴 인코포레이티드 filed Critical 퀄컴 인코포레이티드
Publication of KR20230002319A publication Critical patent/KR20230002319A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0688—Integrated circuits having a three-dimensional layout
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/05—Holders; Supports
    • H03H9/0504—Holders; Supports for bulk acoustic wave devices
    • H03H9/0514—Holders; Supports for bulk acoustic wave devices consisting of mounting pads or bumps
    • H03H9/0523—Holders; Supports for bulk acoustic wave devices consisting of mounting pads or bumps for flip-chip mounting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003—Nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66446—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
    • H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7786—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/213—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02228—Guided bulk acoustic wave devices or Lamb wave devices having interdigital transducers situated in parallel planes on either side of a piezoelectric layer
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/05—Holders; Supports
    • H03H9/0538—Constructional combinations of supports or holders with electromechanical or other electronic elements
    • H03H9/0542—Constructional combinations of supports or holders with electromechanical or other electronic elements consisting of a lateral arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/05—Holders; Supports
    • H03H9/10—Mounting in enclosures
    • H03H9/1007—Mounting in enclosures for bulk acoustic wave [BAW] devices
    • H03H9/1014—Mounting in enclosures for bulk acoustic wave [BAW] devices the enclosure being defined by a frame built on a substrate and a cap, the frame having no mechanical contact with the BAW device
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/175—Acoustic mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
    • H03H2003/025—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks the resonators or networks comprising an acoustic mirror

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

3D 집적 회로 (3D IC) 칩이 설명된다. 3D IC 칩은 화합물 반도체 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 능동 소자를 갖는 다이를 포함한다. 화합물 반도체 HEMT 능동 소자는 단결정의 화합물 반도체 층 상의 화합물 반도체 층들로 구성된다. 3D IC 칩은 또한 단결정의 화합물 반도체 층에 집적된 음향 소자를 포함한다. 3D IC 칩은 단결정의 화합물 반도체 층 상의 다이의 백-엔드-오브-라인 층들에 집적된 수동 소자를 더 포함한다.

Description

단결정 음향 공진기/필터를 갖는 이종 집적 광대역 고 전자 이동도 트랜지스터 전력 증폭기
35 U.S.C . §119 하의 우선권 주장
본 출원은 2020년 4월 21일자로 출원된 "HETEROGENEOUS INTEGRATED WIDEBAND HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR POWER AMPLIFIER WITH A SINGLE-CRYSTAL ACOUSTIC RESONATOR/FILTER" 라는 제목의 정규 출원 제 16/854,313 호에 대해 우선권을 주장하고, 이는 그 전체가 참조에 의해 본원에 명시적으로 통합된다.
배경
분야
본 개시는 일반적으로 무선 통신 시스템들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 단결정 음향 공진기/필터를 갖는 이종 집적 광대역 고 전자 이동도(HEMT) 전력 증폭기(PA)에 관한 것이다.
배경
모바일 라디오 주파수(radio frequency; RF) 트랜시버들에 대한 설계 과제들은 5세대(5G) 및 미래의 6세대(6G) 송신 주파수 사양들을 충족시키기 위한 성능 고려사항들을 포함한다. 이러한 5G/6G 성능 사양들은 미래의 송신 주파수 사양들을 지원하기 위해 현재 표준들에 비해 상당한 송신 주파수 증가를 요구한다. 트랜지스터들은 일반적으로 밀리미터파와 같은 통신 향상들을 지원하기 위해 실질적으로 더 높은 주파수들에서 동작하도록 선택된다. 이들 트랜지스터들은 통상적으로 이종접합 바이폴라 트랜지스터 (Heterojunction Bipolar Transistor; HBT) 들, 고 전자 이동도 트랜지스터 (High-electron-mobility Transistor; HEMT) 들, 부정형 고 전자 이동도 트랜지스터 (Pseudomorphic High-electron-mobility Transistor; pHEMT) 들 등의 화합물 반도체 트랜지스터들을 이용하여 구현된다.
고 전자 이동도 트랜지스터들은 5G/6G 송신 주파수 사양들을 충족시키기 위한 우수한 후보들이다. 특히, 넓은 밴드갭 채널을 사용하는 고-전자-이동도 트랜지스터들 (예를 들어, 질화물 반도체들) 은 실질적으로 더 높은 송신 주파수들을 지원하면서 RF 전력 밀도를 상당히 증가시킬 수도 있다.
요약
3D 집적 회로 (3D IC) 칩이 설명된다. 3D IC 칩은 화합물 반도체 (compound semiconductor) 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 능동 소자(active device)를 갖는 다이를 포함한다. 화합물 반도체 HEMT 능동 소자는 단결정의 화합물 반도체 층 상의 화합물 반도체 층들로 구성된다. 3D IC 칩은 또한 단결정의 화합물 반도체 층에 집적된 음향 소자(acoustic device)를 포함한다. 3D IC 칩은 단결정의 화합물 반도체 층 상의 다이의 백-엔드-오브-라인 (back-end-of-line) 층들에 집적된 수동 소자(passive device)를 더 포함한다.
3D 집적 회로(3D IC) 칩을 제조하는 방법이 설명된다. 그 방법은 반도체 기판 상에 단결정의 화합물 반도체 층을 에피택셜 성장시키는 단계를 포함한다 . 방법은 또한 단결정의 화합물 반도체 층 상에 화합물 반도체 층들을 에피택셜 성장시키는 단계를 포함한다. 그 방법은 반도체 기판 상의 단결정의 화합물 반도체 층 상의 화합물 반도체 층들로부터 화합물 반도체 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 능동 소자를 제조하는 단계를 더 포함한다. 방법은 또한 단결정 화합물 반도체 층에 음향 소자를 집적하는 단계를 포함한다. 방법은 단결정의 화합물 반도체 층 상의 3D IC 칩의 백-엔드-오브-라인 층들에 집적된 수동 소자를 제조하는 단계를 더 포함한다 .
이는 이하의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수도 있도록 하기 위해 본 개시의 피처들 및 기술적 이점들을 다소 광범위하게 요약하였다. 본 개시의 추가적인 피처들 및 이점들은 이하에서 설명될 것이다. 본 개시가 본 개시의 동일한 목적들을 수행하기 위해 다른 구조들을 수정 또는 설계하기 위한 기초로서 쉽게 이용될 수도 있다는 것이 당업자에 의해 인식되어야 한다. 또한, 이러한 등가의 구성들은 첨부된 청구항들에 기재된 바와 같은 본 개시의 교시들로부터 벗어나지 않는다는 것이 당업자에 의해 인식되어야 한다. 본 개시의 특징인 것으로 여겨지는 신규한 피처들은, 추가적인 목적들 및 이점들과 함께, 그것의 구성 및 동작 방법 양자에 관하여, 첨부 도면들과 관련하여 고려될 때 이하의 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 도면들 각각은 단지 예시 및 설명의 목적을 위해 제공되고, 본 개시의 제한들의 정의로서 의도되지 않는다는 것이 명백하게 이해될 것이다.
도면들의 간단한 설명
본 개시의 피처들, 성질, 및 이점들은 도면들과 함께 취해질 경우에 하기에 기재된 상세한 설명으로부터 더 명백하게 될 것이며, 도면들에 있어서 동일한 참조 부호들은 전반에 걸쳐 대응하게 식별한다.
도 1 은 반도체 웨이퍼의 사시도이다.
도 2a 내지 도 2b 는 다이의 단면도들을 나타낸다.
도 3 은 예시적인 무선 디바이스의 블록도를 도시한다.
도 4 는 본 개시의 양태들에 따른, 협대역 음향 필터들 및 광대역 집적 수동 소자 필터들과 통합된 화합물 반도체 전계 효과 트랜지스터(FET) 전력 증폭기(PA)를 포함하는 3D 집적 회로(3D IC) 칩을 예시한다.
도 5a 내지 도 5m 은 본 개시의 양태들에 따른, 도 4의 3D 집적 회로 (3D IC) 칩을 제조하기 위한 프로세스 흐름을 예시한다.
도 6 은 본 개시의 양태들에 따른, 인쇄 회로 기판에 의해 지지되는 도 4 의 3D 집적 회로 (3D IC) 칩을 예시한다.
도 7 은 본 개시의 양태들에 따른, 3D 집적 회로(3D IC) 칩을 제조하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 8 은 본 개시의 일 양태가 유리하게 채용될 수도 있는 예시적인 무선 통신 시스템을 도시한 블록도이다.
상세한 설명
첨부된 도면들과 관련하여 이하에서 전개되는 상세한 설명은 다양한 구성들의 설명으로서 의도된 것이며, 본원에 설명된 개념들이 실시될 수도 있는 유일한 구성들을 나타내도록 의도된 것은 아니다. 상세한 설명은 다양한 개념들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 상세들을 포함한다. 그러나, 이들 개념들이 이들 특정 상세들 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 일부 경우들에 있어서, 잘 알려진 구조들 및 컴포넌트들은 그러한 개념들을 불명료하게 하는 것을 회피하기 위하여 블록도 형태로 도시된다.
설명된 바와 같이, 용어 "및/또는"의 사용은 "포괄적 OR"을 나타내도록 의도되고, 용어 "또는"의 사용은 "배타적 OR"을 나타내도록 의도된다. 본 명세서에서 기술된 바와 같이, 본 설명 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "예시적인"은 "예, 실례, 또는 예시로서 역할을 하는" 을 의미하며, 다른 예시적인 구성들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 반드시 해석될 필요는 없다. 본 명세서에서 기술된 바와 같이, 본 설명 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "결합된(coupled)"은 "개재 연결들(예를 들어, 스위치), 전기적, 기계적 또는 다른 것을 통해 직접적으로 또는 간접적으로 연결된"을 의미하며, 반드시 물리적 연결들로 제한되지 않는다. 또한, 연결들은 객체들이 영구적으로 연결되거나 해제가능하게 연결되도록 할 수 있다. 연결들은 스위치들을 통해 이루어질 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 본 설명 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "근접"은 "인접, 매우 근접, 옆에, 또는 가까이에" 를 의미한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 본 설명 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "온(on)"은 일부 구성들에서 "직접 온"을 의미하고, 다른 구성들에서 "간접적으로 온"을 의미한다.
5G/6G 송신 주파수 사양들은 미래의 성능 사양들을 지원하기 위해 현재 표준들에 비해 상당한 송신 주파수 증가(예를 들어, 초 당 10 기가비트 (10Gbps))를 요구한다. 또한, 다양한 기술 혁신들이 방대한 무선 통신 속도에 대한 수요를 견인하고 있다. 이러한 기술 혁신들은 예를 들어, 자율 주행, 산업 사물 인터넷(IOT), 원격 의료 운영/자원 공유, 인포테인먼트/게임/교육을 포함한다. 다른 기술 혁신들은 인공 지능(AI) 및 가상 현실(VR)/인공 현실(AR)/혼합 현실(MR)/확장 현실(XR) 디바이스들과의 상호작용적 협업을 포함한다. 이러한 기술 혁신들은 1 밀리세컨드 미만의 레이턴시 (예를 들어, < 1 ms 레이턴시) 로 초당 10 기가비트 (10 Gbps) 의 속도로 동작하는 무선 인터페이스들에 대한 수요를 이끌고 있다.
또한, 미디어 애플리케이션들은 또한 거대한 무선 통신 속도에 대한 요구를 견인하고 있다. 특히, 혼합 현실 (MR) 및 확장 현실 (XR) 을 위한 라이브 HD (high definition) 비디오 (4K/8K) 및 HF VoIP (high frequency voice over internet protocol) 오디오 콘텐츠 전송은 10Gbps 보다 훨씬 더 높은 다운링크 및 업링크 속도를 규정한다. 이러한 방대한 데이터 전송 레이트들은 더 넓은 대역폭을 제공할 수 있는 밀리미터 파(mmWave) 통신들로 실현될 수도 있다.
이러한 요구에 부응하기 위해, 진보된 반도체 기술들 (예를 들어, 서브-6 GHz 라디오 주파수 집적 회로(RFIC), mmWave (예를 들어, Ka/28GHz, Ku/39GHz) 및 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC) 프론트엔드) 이 개발되었다. 또한, 첨단 모뎀들, 센서들, 생체 인식 및 AI 칩들을 위해, 벌크 상의 진보된 실리콘 상보형 금속 산화물 반도체 (CMOS) 프로세스 기술 노드들 (예를 들어, 28nm, 22nm, 16nm/14nm, 10nm, 7nm, 5nm), 반도체 온 절연체 (SOI) 및 완전 공핍형 SOI (FD-SOI) 프로세스 플랫폼이 개발된다.
불행하게도, 차세대 (NextGen) 고성능/저전력 모바일 사용자 장비 (UE) 디바이스들을 위한 전력-성능-면적-비용 (PPAC) 사양을 제공하기 위해 3D 집적 회로 (3D IC) 기술 솔루션이 이용가능하지 않다 (또는 성숙도에 도달하지 않았다). 이러한 NextGen UE 디바이스들의 실현은 NextGen 소비자 제품들을 전진시키기 위해 업계 선두 플레이어들에 의해 희망된다.
본 개시의 양태들은 모놀리식 3D IC 칩에 관한 것이다. 3D IC 칩은 화합물 반도체 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 능동 소자를 갖는 다이를 포함한다. 본 개시의 양태에서, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자는 단결정의 화합물 반도체 층 상에 성장된 화합물 반도체 층으로 구성된다. 3D IC 칩은 또한 단결정 층에 집적된 음향 소자를 포함한다. 3D IC 칩은 단결정의 화합물 반도체 층 상의 다이의 백-엔드-오브-라인 층들에 집적된 수동 소자를 더 포함한다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 3D IC 칩은 협대역 음향 필터들 및 광대역 집적 수동 소자 필터들과 통합된 이종 광대역 화합물 반도체 FET 전력 증폭기(PA)로 구성된다. 일 구성에서, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자는 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)/갈륨 질화물(GaN) 이종 광대역 HEMT 전력 증폭기로서 구현된다. 이러한 구성에서, HEMT 전력 증폭기는 음향 소자를 제공하기 위해 단결정 알루미늄 질화물(AlN) 벌크 음향파(X-BAW) 음향 공진기들/필터와 통합된다. 3D IC 칩은 또한 백-엔드-오브-라인 층에 광대역 집적 수동 소자 (IPD) 정합 컴포넌트/필터 디바이스를 통합한다.
이 HEMT 전력 증폭기 구성은 원하는 전력 증폭기 사양 (예를 들어, B41(대역 41) PA(전력 증폭기) 모듈(2.5-2.69 GHz)) 을 충족시킨다. 특히, 단결정 AlN 층은 높은 (예를 들어, X2: 두배) 전기-기계적 결합 계수 (kt 2) 가 예를 들어, B41 PA 모듈 사양의 대략 200 메가헤르츠(200 MHz) 대역폭을 커버할 수 있게 한다. 또한, 디바이스들은 통합된 RF 프론트 엔드를 위해 얇은/열 전도성 알루미나 기판 상에 페이스-투-페이스 (F2F) 본딩된다. HEMT PA 의 이러한 통합은 고효율, 전력 밀도, 광대역, 및 효율적인 임피던스 매칭을 제공한다.
화합물 반도체 바이폴라 트랜지스터들 및 전계 효과 트랜지스터들과 같은 현대의 반도체 칩 제품들의 성공적인 제조는 사용되는 재료들과 프로세스들 사이의 상호 작용을 수반한다. 집적 회로 구조의 반도체 제조를 위한 프로세스 흐름은 인터커넥트들(interconnects)(예를 들어, M1, M2, M3, M4 등)을 형성하기 위한 FEOL(front-end-of-line) 프로세스들, MOL(middle-of-line)(MEOL(middle-end-of-line)이라고도 지칭됨) 프로세스들, 및 BEOL(back-end-of-line) 프로세스들을 포함할 수도 있다. 프론트-엔드-오브-라인 프로세스들은 트랜지스터들, 커패시터들, 및 다이오드들과 같은 능동 소자들을 형성하는 프로세스 단계들의 세트를 포함할 수도 있다.
프론트-엔드-오브-라인 프로세스들은 이온 주입, 어닐링, 산화, 화학 기상 증착(CVD) 또는 원자 층 증착(ALD), 에칭, 화학적 기계적 연마(CMP), 및 에피택시를 포함한다. 미들-오브-라인 프로세스들은 트랜지스터들의 백-엔드-오브-라인 인터커넥트들로의 연결을 가능하게 하는 프로세스 단계들의 세트를 포함할 수도 있다. 이들 단계들은 실리사이드화 및 콘택트 형성뿐만 아니라 응력 도입을 포함한다. 백-엔드-오브-라인 프로세스들은, 도 1 및 도 2a 내지 도 2b 에 도시된 바와 같이, 독립적인 트랜지스터들을 묶고 회로들을 형성하는 인터커넥트들을 형성하는 프로세스 단계들의 세트를 포함할 수도 있다.
도 1 은 반도체 웨이퍼의 사시도이다. 웨이퍼(100)는 반도체 웨이퍼일 수도 있거나, 웨이퍼(100)의 표면 상에 반도체 재료의 하나 이상의 층들을 갖는 기판 재료일 수도 있다. 웨이퍼(100)가 반도체 재료인 경우, 초크랄스키(Czochralski) 공정을 이용하여 시드 결정(seed crystal)으로부터 성장될 수도 있으며, 시드 결정은 반도체 재료의 용융된 배쓰(bath)에 담그고 서서히 회전되어 배쓰로부터 제거된다. 그 후, 용융된 재료는 결정의 배향에서 시드 결정 상으로 결정화된다.
웨이퍼(100)는 갈륨 비소(GaAs), 인듐 인화물(InP), 또는 갈륨 질화물(GaN)과 같은 화합물 반도체 재료, 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs), 또는 인듐 갈륨 안티몬(InGaSb)과 같은 삼원 재료, 인듐 갈륨 비소 인화물(InGaAsP)과 같은 사원 재료, 또는 다른 화합물 반도체 재료들에 대한 기판 재료일 수 있는 임의의 재료로 구성될 수도 있다. 그 재료들 중 많은 것이 성질상 결정질일 수도 있지만, 다결정 또는 비정질 재료들이 또한 웨이퍼(100)에 사용될 수도 있다.
웨이퍼(100), 또는 웨이퍼(100)에 결합되는 층들에는 웨이퍼(100)를 더 전도성으로 만드는 재료들이 공급될 수도 있다. 제한적 방식이 아니라, 예를 들어서, 실리콘 웨이퍼는 웨이퍼(100)에 첨가된 인 또는 붕소를 가져서 웨이퍼(100)에서 전하가 흐를 수 있게 한다. 이들 첨가제는 도펀트들로서 지칭되고, 웨이퍼(100) 또는 웨이퍼(100)의 부분들 내에 여분의 전하 캐리어들 (전자들 또는 정공들) 을 제공한다. 웨이퍼(100)에서 여분의 전하 캐리어들이 제공되는 영역들, 어떤 타입의 전하 캐리어들이 제공되는지, 및 추가적인 전하 캐리어들의 양(밀도)을 선택함으로써, 웨이퍼(100) 내에 또는 상에 상이한 타입들의 전자 소자들이 형성될 수도 있다.
웨이퍼(100)는 웨이퍼(100)의 결정 배향을 나타내는 배향(102)을 갖는다. 배향(102)은 도 1에 도시된 바와 같이 웨이퍼(100)의 편평한 에지일 수도 있거나, 웨이퍼(100)의 결정 배향을 나타내기 위한 노치 또는 다른 표시일 수도 있다. 배향(102)은 웨이퍼(100) 내의 결정 격자의 평면들에 대한 밀러 지수들(Miller Indices)을 나타낼 수도 있다.
웨이퍼(100)가 원하는 대로 처리된 후에, 웨이퍼(100)는 다이싱 라인들(104)을 따라 분할된다. 다이싱 라인들(104)은 웨이퍼(100)가 파단되거나 조각들로 분리될 곳을 나타낸다. 다이싱 라인들(104)은 웨이퍼(100) 상에 제조된 다양한 집적 회로들의 윤곽을 정의할 수도 있다.
일단 다이싱 라인들(104)이 정의되면, 웨이퍼(100)는 다이(106)를 형성하기 위해 조각들로 소잉되거나 그 외에 분리될 수도 있다. 다이(106) 각각은 많은 소자들을 갖는 집적 회로일 수도 있거나 또는 단일 전자 디바이스일 수도 있다. 칩 또는 반도체 칩으로도 지칭될 수도 있는 다이(106)의 물리적 사이즈는 다이(106)가 포함하도록 설계된 개별 소자들의 수 뿐만 아니라, 웨이퍼(100)를 특정 사이즈들로 분리하는 능력에 적어도 부분적으로 의존한다.
웨이퍼(100)가 하나 이상의 다이(106)로 분리된 후, 다이(106)는 다이(106) 상에 제조된 디바이스들 및/또는 집적 회로들로의 액세스를 허용하기 위해 패키징 내에 장착될 수도 있다. 패키징은 단일 인-라인 패키징, 이중 인-라인 패키징, 마더보드 패키징, 플립-칩 패키징, 인듐 도트/범프 패키징, 또는 다이(106)에 대한 액세스를 제공하는 다른 타입들의 패키징을 포함할 수도 있다. 다이(106)는 또한 다이(106)를 별도의 패키지에 장착하지 않고 와이어 본딩, 프로브들, 또는 다른 연결들을 통해 직접 액세스될 수도 있다.
도 2a는 다이(106)의 단면도를 예시한다. 다이(106)에는, 반도체 재료일 수도 있고/있거나 전자 디바이스들을 위한 기계적 지지부로서 작용할 수도 있는 기판(substrate)(200)이 있을 수도 있다. 기판(200)은 기판(200) 전체에 존재하는 전자들(N-채널로 지정됨) 또는 정공들(P-채널로 지정됨) 전하 캐리어들을 갖는 도핑된 반도체 기판일 수도 있다. 전하 캐리어 이온들/원자들로 기판(200)을 후속적으로 도핑하는 것은 CMOS 프로세스에 따라 기판(200)의 전하 운반 능력들을 변화시킬 수도 있다.
반도체 기판은 또한 웰(well)(206) 및 웰(208)을 가질 수도 있다. 웰(208)은 웰(206) 내에 완전히 있을 수도 있다. 웰(206)은 또한 다이(106) 내의 전기장 및/또는 자기장으로부터 웰(208)을 격리하기 위한 격리 웰로서 사용될 수도 있다. 층들(예를 들어, 210 내지 214)이 다이(106)에 추가될 수도 있다. 층(210)은 예를 들어, 웰들(예를 들어, 202-208)을 서로 또는 다이(106) 상의 다른 소자들로부터 격리시킬 수도 있는 산화물 또는 절연 층일 수도 있다. 이러한 경우에, 층(210)은 이산화규소, 중합체, 유전체, 또는 다른 전기 절연 층일 수도 있다. 층(210)은 또한 상호접속 층일 수도 있으며, 이 경우 그것은 구리, 텅스텐, 알루미늄, 합금, 또는 다른 전도성 또는 금속 재료들과 같은 전도성 재료를 포함할 수도 있다.
층(212)은 또한 원하는 디바이스 특성들 및/또는 층들(예를 들어, 210 및 214)의 재료들에 따라 유전체 또는 전도성 층일 수도 있다. 층(214)은 외력으로부터 층들(예를 들어, 210 및 212)뿐만 아니라 웰들(202-208) 및 기판(200)을 보호할 수도 있는 캡슐화 층일 수도 있다. 제한으로서가 아니라, 예를 들어, 층(214)은 다이(106)를 기계적 손상으로부터 보호하는 층일 수도 있거나, 층(214)은 다이(106)를 전자기 또는 방사선 손상으로부터 보호하는 재료의 층일 수도 있다.
다이(106) 상에 설계된 전자 디바이스들은 많은 피처들 또는 구조적 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 다이(106)는 기판(200), 웰들(202-208), 및 원하는 경우 층들(예를 들어, 210-214)에 도펀트들을 부여하기 위해 임의의 수의 방법들에 노출될 수도 있다. 제한으로서가 아니라, 예를 들어, 다이(106)는 이온 주입, 확산 프로세스, 화학 기상 증착, 에피택셜 성장, 또는 다른 CMOS 방법들을 통해 결정 격자로 드라이빙되는 도펀트 원자들의 증착에 노출될 수도 있다. 층들(예를 들어, 210-214)의 부분들의 선택적 성장, 재료 선택, 및 제거를 통해, 그리고 기판(200) 및 웰들(202-208)의 선택적 제거, 재료 선택, 및 도펀트 농도를 통해, 많은 상이한 구조물들 및 전자 디바이스들이 본 개시의 범위 내에서 형성될 수도 있다.
또한, 기판(200), 웰들(202-208) 및 층들(예를 들어, 210-214)은 다양한 프로세스들을 통해 선택적으로 제거되거나 추가될 수도 있다. 화학적 습식 에칭, 화학적 기계적 평탄화(CMP), 플라즈마 에칭, 포토레지스트 마스킹, 다마신 프로세스들, 및 다른 방법들은 본 개시의 구조들 및 디바이스들을 생성할 수도 있다. 기판(200), 웰들(202-208), 및 층들(예를 들어, 210-214)은 바이폴라 트랜지스터들(BJT들), 이종접합 바이폴라 트랜지스터들(HBT들), 고-전자-이동도 트랜지스터들(HEMT들), 부정형 고-전자-이동도 트랜지스터들(PHEMT들) 등과 같은 화합물 반도체 트랜지스터의 형성을 가능하게 할 수도 있다.
바이폴라 접합 트랜지스터 (BJT) 들로서도 지칭되는 바이폴라 트랜지스터들은 정공 및 전자 전하 캐리어들 양자 모두를 사용하는 타입의 트랜지스터이다. 이종 접합 바이폴라 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor; HBT)는 소자의 이미터(emitter)와 베이스(base) 영역들에 서로 다른 반도체 물질을 사용하여 이종 접합을 만드는 일종의 바이폴라 트랜지스터이다. 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 상이한 밴드갭들을 갖는 상이한 반도체 재료들 사이의 접합에 의존하여 이종접합을 형성하는 전계 효과 트랜지스터(FET)의 일종이다. 고 전자 이동도 트랜지스터는 III-V족 화합물 반도체 재료, II-VI족 화합물 반도체 재료, 또는 다른 유사한 화합물 반도체 재료를 사용할 수도 있다. 고-전자-이동도 트랜지스터들은 도 2b에 도시된 바와 같이, 5G 및 미래의 6G 성능 사양들을 충족시킬 수도 있는 실질적으로 더 높은 송신 주파수들을 지원함으로써 이종접합 트랜지스터들 상에서 개선될 수도 있다.
도 2b는 다이(106)의 화합물 반도체 전계 효과 트랜지스터(FET)(250) 구성을 예시한다. 대표적으로, 화합물 반도체 FET(250)는 반절연 기판(252)(예를 들어, 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 또는 알루미늄 산화물(Al2O3))을 포함한다. 상기 반절연 기판(252) 상에 버퍼 층 (254) (선택적) 이 배치된다. 화합물 반도체 재료 (예컨대, 갈륨비소(GaAs)) 로 이루어질 수도 있는 버퍼 층(254)은 반절연 기판(252) 상에 성장되어 반절연 기판(252)으로부터 결함들을 분리한다. 버퍼 층(254)은 화합물 반도체 FET(250)의 활성 층들을 성장시키기 위한 매끄러운 표면을 제공한다. 그러나, 버퍼 층(254)은 선택적이어서, 활성 층들이 반절연 기판(252) 상에 직접 성장될 수도 있다.
화합물 반도체 FET(250)는 또한 채널(260)을 포함하며, 이는 일반적으로 버퍼 층(254) 이후에 성장되고 갈륨 질화물(GaN), 또는 다른 유사한 화합물 반도체 재료들로 구성될 수도 있다. 이상적으로, 화합물 반도체 FET(250)의 모든 전자 전도는 채널(260)에서 발생해야 한다. 배리어 층(262)(예를 들어, 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN))이 채널(260) 상에 성장된다. 이 예에서, 배리어 층(262)은 화합물 반도체 FET(250)의 소스(S)(264), 게이트(G)(266) 및 드레인(D)(268)을 지지한다. 화합물 반도체 FET(250)는, 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, RF 프론트 엔드 모듈의 모바일 RF 트랜시버들에 RF 전력 증폭기들을 포함하는 라디오 주파수(RF) 칩 설계들과 같은 고속 회로에 사용될 수도 있다.
도 3은 무선 디바이스(300)의 예시적인 설계의 블록도를 도시한다. 도 3은 무선 트랜시버(WTR)일 수도 있는 트랜시버(320)의 예를 도시한다. 일반적으로, 송신기(330) 및 수신기(350)에서의 신호들의 컨디셔닝은 증폭기(들), 필터(들), 업컨버터들, 다운컨버터들 등의 하나 이상의 스테이지들에 의해 수행될 수도 있다. 이러한 회로 블록들은 도 3에 도시된 구성과 다르게 배치될 수도 있다. 또한, 도 3에 도시되지 않은 다른 회로 블록들이 또한 송신기(330) 및 수신기(350)에서 신호들을 컨디셔닝하기 위해 사용될 수도 있다. 달리 언급되지 않는 한, 도 3의 임의의 신호 또는 도면들의 임의의 다른 도면은 단일-종단(single-ended) 또는 차동(differential)일 수도 있다. 도 3의 일부 회로 블록들이 또한 생략될 수도 있다.
도 3에 도시된 예에서, 무선 디바이스(300)는 일반적으로 트랜시버(320) 및 데이터 프로세서(310)를 포함한다. 데이터 프로세서(310)는 데이터 및 프로그램 코드들을 저장하기 위한 메모리(미도시)를 포함할 수도 있으며, 일반적으로 아날로그 및 디지털 처리 소자들을 포함할 수도 있다. 트랜시버(320)는 양방향 통신을 지원하는 송신기(330) 및 수신기(350)를 포함할 수도 있다. 일반적으로, 무선 디바이스(300)는 임의의 수의 통신 시스템들 및 주파수 대역들에 대한 임의의 수의 송신기들 및/또는 수신기들을 포함할 수도 있다. 트랜시버(320)의 전부 또는 일부는 하나 이상의 아날로그 집적 회로(IC)들, 라디오 주파수(RF) 집적 회로(RFIC)들, 혼합 신호 IC들 등 상에서 구현될 수도 있다.
송신기 또는 수신기는 슈퍼 헤테로다인(super-heterodyne) 아키텍처 또는 직접 변환(direct-conversion) 아키텍처로 구현될 수도 있다. 수퍼-헤테로다인 아키텍처에서, 신호는 다수의 스테이지들에서 라디오 주파수와 기저대역 사이에서, 예를 들어, 하나의 스테이지에서 라디오 주파수로부터 중간 주파수(intermediate frequency; IF)로, 그리고 그 후 수신기에 대해 다른 스테이지에서 중간 주파수로부터 기저대역으로 주파수 변환된다. 직접-변환 아키텍처에서, 신호는 하나의 스테이지에서 라디오 주파수와 기저대역 사이에서 주파수 변환된다. 슈퍼-헤테로다인 및 직접-변환 아키텍처들은 상이한 회로 블록들을 사용하고 및/또는 상이한 요건들을 가질 수도 있다. 도 3에 도시된 예에서, 송신기(330) 및 수신기(350)는 직접 변환 아키텍처로 구현된다.
송신 경로에서, 데이터 프로세서(310)는 송신될 데이터를 프로세싱한다. 데이터 프로세서(310)는 또한 송신 경로에서 송신기(330)에 동위상(I) 및 직교위상(Q) 아날로그 출력 신호들을 제공한다. 예시적인 양태에서, 데이터 프로세서 (310) 는 데이터 프로세서 (310)에 의해 생성된 디지털 신호들을 추가 프로세싱을 위해 동위상 (I) 및 직교위상 (Q) 아날로그 출력 신호들 (예를 들어, I 및 Q 출력 전류들) 로 변환하기 위한 디지털-대-아날로그 변환기들 (DAC들) (314a 및 314b) 을 포함한다.
송신기 (330) 내에서, 저역통과 필터들 (332a 및 332b) 은 동위상 (I) 및 직교위상 (Q) 아날로그 송신 신호들을 각각 필터링하여, 이전의 디지털-대-아날로그 변환에 의해 야기되는 원하지 않는 이미지들을 제거한다. 증폭기들 (Amp) (334a 및 334b) 은 저역통과 필터들 (332a 및 332b) 로부터의 신호들을 각각 증폭하고, 동위상 (I) 및 직교위상 (Q) 기저대역 신호들을 제공한다. 업컨버터(340)는 업컨버팅된 신호를 제공하기 위해 TX LO 신호 생성기(390)로부터의 동위상(I) 및 직교(Q) 송신(TX) 로컬 발진기(LO) 신호들로 동위상(I) 및 직교(Q) 기저대역 신호들을 업컨버팅한다. 필터(342)는 업컨버팅된 신호를 필터링하여 수신 주파수 대역의 잡음뿐만 아니라 주파수 업컨버팅으로 인한 원하지 않는 이미지들을 제거한다. 전력 증폭기(PA)(344)는 필터(342)로부터의 신호를 증폭하여 원하는 출력 전력 레벨을 획득하고 송신 라디오 주파수 신호를 제공한다. 전력 증폭기(344)는 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 넓은 밴드갭 질화물 반도체들을 포함하는 것과 같은 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 사용하여 구현될 수도 있다. 송신 라디오 주파수 신호는 듀플렉서/스위치(346)를 통해 라우팅되고 안테나(348)를 통해 송신된다.
수신 경로에서, 안테나 (348) 는 통신 신호들을 수신하고 수신된 라디오 주파수 (RF) 신호를 제공하며, 이는 듀플렉서/스위치 (346) 를 통해 라우팅되고 저잡음 증폭기 (LNA) (352)에 제공된다. 듀플렉서/스위치(346)는 RX 신호들이 TX 신호들로부터 분리되도록, 특정 수신 (RX) 대 송신 (TX) (RX-대-TX) 듀플렉서 주파수 분리와 함께 동작하도록 설계된다. 수신된 RF 신호는 LNA (352) 에 의해 증폭되고 필터 (354) 에 의해 필터링되어 원하는 RF 입력 신호를 획득한다. 하향변환 믹서들(361a 및 361b)은 필터(354)의 출력을 RX LO 신호 생성기(380)로부터의 동위상(I) 및 직교위상(Q) 수신(RX) LO 신호들(즉, LO_I 및 LO_Q)과 믹싱하여 동위상(I) 및 직교위상(Q) 기저대역 신호들을 생성한다. 동위상(I) 및 직교위상(Q) 기저대역 신호들은 증폭기들(362a 및 362b)에 의해 증폭되고 저역통과 필터들(364a 및 364b)에 의해 추가로 필터링되어 동위상(I) 및 직교위상(Q) 아날로그 입력 신호들을 획득하며, 이들은 데이터 프로세서(310)에 제공된다. 도시된 예시적인 구성에서, 데이터 프로세서(310)는 데이터 프로세서(310)에 의한 추가 프로세싱을 위해 아날로그 입력 신호들을 디지털 신호들로 변환하기 위한 아날로그-대-디지털 변환기들(ADC들)(316a 및 316b)을 포함한다.
도 3에서, 송신 로컬 발진기 (TX LO) 신호 생성기 (390) 는 주파수 상향변환을 위해 사용되는 동위상 (I) 및 직교위상 (Q) TX LO 신호들을 생성하는 한편, 수신 로컬 발진기 (RX LO) 신호 생성기 (380) 는 주파수 하향변환을 위해 사용되는 동위상 (I) 및 직교위상 (Q) RX LO 신호들을 생성한다. 각 LO 신호는 특정 기본 주파수를 갖는 주기적 신호이다. 위상 고정 루프(PLL)(392)는 데이터 프로세서(310)로부터 타이밍 정보를 수신하고, TX LO 신호 생성기(390)로부터의 TX LO 신호들의 주파수 및/또는 위상을 조정하는 데 사용되는 제어 신호를 생성한다. 유사하게, PLL(382)은 데이터 프로세서(310)로부터 타이밍 정보를 수신하고, RX LO 신호 생성기(380)로부터의 RX LO 신호들의 주파수 및/또는 위상을 조정하는 데 사용되는 제어 신호를 생성한다.
전력 증폭기(344)는 도 2b에 도시된 바와 같이 화합물 반도체 FET(250)와 같은 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT)를 사용하여 구현될 수도 있다. 고 전자 이동도 트랜지스터는 상이한 밴드갭들을 갖는 상이한 반도체 재료들 사이의 접합에 의존하여 이종접합을 형성하는 전계 효과 트랜지스터(FET)의 일종이다. 와이드 밴드갭 반도체들(예를 들어, 갈륨 질화물)에 기초한 고-전자-이동도 트랜지스터들은 5G 통신 링크들의 특정된 고주파수들에서의 동작을 지원하면서, 상당히 증가된 RF 전력 밀도, 고 효율 및 광대역 임피던스 매칭을 제공한다.
인프라스트럭처/기지국, 무선 고정 액세스 포인트(WFA), 고객 구내 장비(CPE) 및 모바일 사용자 장비(UE) 디바이스들에서의 배치를 위해 mmWave/MMIC의 전력-성능-면적-비용(power-performance-area-cost; PPAC) 이점들을 활용하기 위한 솔루션이 요구된다. CMOS 상의 GaN이 8-인치 웨이퍼 프로세스에 대해 성공적으로 입증되었지만, 더 큰 응력 도전들은 기술이 8-인치를 넘어 전진하는 것을 방해하였다. 또한, 물리 기상 증착(PVD) 기반 다결정 AlN 막을 갖는 포스트-CMOS 집적에 대해 입증된 알루미늄 질화물(AlN) 공진기들/필터들은 낮은 삽입 손실 및 광대역 필터들에 대한 적절한 성능 지수(FOM)에 대한 제한된 전기-기계 결합 계수(K t 2) 및 품질(Q)-인자에 의해 손상된다.
본 개시의 양태들은 모놀리식 3D 집적 회로(3D IC) 칩에 관한 것이다. 3D IC 칩은 화합물 반도체 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 능동 소자를 갖는 다이를 포함한다. 본 개시의 양태들에서, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자는 [111] 배향을 갖는 실리콘 기판 상에 성장된 화합물 반도체 에피택셜 층들로 구성된다. 3D IC 칩은 또한 단결정 층에 집적된 음향 소자를 포함한다. 3D IC 칩은 단결정의 화합물 반도체 층 상의 다이의 백-엔드-오브-라인 층들에 집적된 수동 소자를 더 포함한다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 3D IC 칩은 협대역 음향 필터들 및 광대역 집적 수동 소자 필터들과 통합된 이종 광대역 화합물 반도체 FET 전력 증폭기(PA)로 구성된다. 일 구성에서, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자는 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)/갈륨 질화물(GaN) HEMT 전력 증폭기를 사용하여 구현된다. 이러한 구성에서, HEMT 전력 증폭기는 음향 소자를 제공하기 위해 단결정 AlN(알루미늄 질화물) 벌크 음향파(X-BAW) 음향 공진기/필터와 통합된다. 3D IC 칩은 또한, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 백-엔드-오브-라인 층에 광대역 집적 수동 소자(IPD) 정합 컴포넌트/필터 디바이스를 통합한다.
도 4 는 본 개시의 양태들에 따른, 협대역 음향 필터들 및 광대역 집적 수동 소자 필터들과 통합된 화합물 반도체 전계 효과 트랜지스터(FET) 전력 증폭기(PA)를 포함하는 3D 집적 회로(3D IC) 칩을 예시한다. 대표적으로, 3D IC 칩(400)은 화합물 반도체 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 능동 소자(410)(예를 들어, HEMT 전력 증폭기)를 포함하는 다이(440)를 포함한다. 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)는 단결정의 화합물 반도체 층(442)(예를 들어, 알루미늄 질화물(AlN)의 단결정 층) 상의 화합물 반도체 층들(420)(예를 들어, GaN/AlGaN)로 구성될 수도 있다. 본 개시의 일 양태에서, AlN의 단결정 층의 사용은 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410) 및 음향 소자(430) 양자 모두에 대해 열 확산을 제공한다.
본 개시의 이러한 양태에서, 다이(440)는 단결정의 화합물 반도체 층(442)에 통합된 음향 소자(430)를 포함한다. 일 구성에서, 음향 소자(430)는 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)와 나란히 배열된다. 이 예에서, 음향 소자(430)는 단결정 벌크 음향파(X-BAW) 필터(432) 및 리플렉터(reflector)(434)로 구성된다. 일 구성에서, 다이(440)는 단결정의 화합물 반도체 층(442) 상에 그리고 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410) 상에 층간 절연막 (interlayer dielectric) 층(444)을 포함한다. 이 구성에서, X-BAW 필터(432)에 결합된 리플렉터(434)는 층간 절연막 층(444) 내에 있다.
본 개시의 양태들에 따르면, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)는 초기에 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 기판(예를 들어, 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 다이 또는 라디오 주파수(RF) 다이)을 사용하여 형성되고, 후속적으로, 유전체 접합 층(446)을 사용하여 기판(402)(예를 들어, 열 전도성 기판)에 전달 및 접합된다. 이 구성에서, 기판(402)은 단결정의 화합물 반도체 층(442)으로부터 먼 쪽의 층간 절연막 층(444)에 결합된다. 또한, 다이(440)는 기판(402)과 층간 절연막 층(444) 사이에 유전체 접합 층(446)(예를 들어, 실리콘 탄소 질화물(SiCN))을 포함한다. 기판(402)은 열 전도성/전기 절연성 기판(예를 들어, 알루미나(Al2O3))일 수도 있다.
3D IC 칩(400)은 또한 단결정의 화합물 반도체 층(442) 상의 다이(440)의 BEOL(back-end-of-line) 층들(450)(예를 들어, M3, M4, M5)에 집적된 수동 소자(IPD)(460)를 포함한다. IPD(460)는 커패시터(470)(예를 들어, 금속-절연체-금속(MIM)) 및 BEOL 층(450)(예를 들어, M4 및 M5)의 재배선 층(redistribution layer; RDL)들로 구성된 인덕터(480)로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 커패시터(470)와 인덕터(480)의 상호 연결은 IPD(460)로서 LC(inductive-capacitor) 필터를 제공할 수도 있다. 또한, BEOL층들(450) 중 M5 BEOL층에 WLP(Wafer Level Process) 볼들(490)을 적하하여 3D IC 칩(400)을 완성한다.
도 5a 내지 도 5m 은 본 개시의 양태들에 따른 도 4 의 3D IC 칩(400)을 제조하기 위한 프로세스 흐름을 예시한다. 도 5a는 본 개시의 양태들에 따른, 제조 프로세스의 단계(501) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 도 5a는 단결정의 화합물 반도체 층(442) 및 화합물 반도체 층들(420)을 지지하는 반도체 기판(520)(예를 들어, 벌크 실리콘(Si))을 도시한다. 본 개시의 일 양태에서, 단결정의 화합물 반도체 층(442)은 반도체 기판(520) 상에 단결정(X) 알루미늄 질화물(X-AlN) 층을 에피택셜 성장시킴으로써 형성된다. 이어서, 단결정의 화합물 반도체 층(442) 상에 화합물 반도체 층들(420)을 성장시킨다.
일 구성에서, 단결정의 화합물 반도체 층(442)의 제 1 표면(441)(예를 들어, 전방 측 표면)은, 에피택셜 성장되고 HEMT 전력 증폭기로서 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)를 형성할 수도 있는 버퍼 층(422)(예를 들어, AlGaN), 채널 층(424)(예를 들어, GaN), 및 배리어 층(426)(예를 들어, AlGaN)을 지지한다. 버퍼 층(422)은 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)의 활성 층들이 성장할 수도 있는 표면을 제공한다. 그러나, 버퍼 층(422)은 활성 층들이 반도체 기판(520) 바로 위에 있는 단결정의 화합물 반도체 층(442)의 제 2 표면(443) 반대편의 단결정의 화합물 반도체 층(442)의 제 1 표면 상에 직접 성장될 수도 있는 경우 선택적일 수도 있다.
화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)는 채널 층(424)을 포함하는데, 이 채널 층은 버퍼 층(422) 이후에 성장되며, 갈륨 질화물(GaN) 또는 다른 화합물 반도체 재료들로 구성될 수도 있다. 이상적으로, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)의 모든 전자 전도는 채널 층(424)에서 발생해야 한다. 배리어 층(426)(예를 들어, 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN))이 채널 층(424) 상에 성장된다. 또한, 배리어 층(426) 상에 캡 층(미도시)을 성장시킬 수도 있다. 캡 층(도시되지 않음), 배리어 층(426), 채널 층(424), 및 버퍼 층(422)을 형성하기 위한 추가적인 세부사항들은 본 개시의 혁신적인 세부사항들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 생략된다.
도 5b는 본 개시의 양태들에 따른, 프로세스 흐름의 단계(502) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 프로세스 흐름의 단계(502)에서, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)의 제조는 소스(S), 게이트(G) 및 드레인(D)에 대한 BEOL 연결들(예를 들어, M1 및 M2)을 형성함으로써 완료된다. 이 예에서, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)는 층간 절연막 층(444) 내에 캡슐화되는 HEMT 전력 증폭기로서 구성된다. 일단 형성되면, 단결정 벌크 음향파(X-BAW) 필터(432)가 음향 소자(430)의 일부로서 단결정의 화합물 반도체 층(442)에 형성된다.
도 5c는 본 개시의 양태들에 따른, 음향 소자(430)를 형성하기 위한 프로세스 흐름의 단계(503) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 음향 소자(430)를 형성하기 위해, 층간 절연막 층(444)은 X-BAW 필터(432)를 포함하는 단결정의 화합물 반도체 층(442)의 표면을 노출시키도록 에칭된다.
도 5d는 본 개시의 양태들에 따른, 음향 소자(430)의 리플렉터(434)를 형성하기 위한 프로세스 흐름의 단계(504) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 이 예에서, 리플렉터(434)는 X-BAW 필터(432) 상에 형성된다. 그리고, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)와 음향 소자를 예를 들어, 화학적 기계적 연마 (CMP) 공정을 이용하여 평탄화한다.
도 5e는 본 개시의 양태들에 따른, 반도체 기판(520)의 제거를 준비하기 위한 프로세스 흐름의 단계(505) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 반도체 기판(520)의 제거는 도 5f에 도시된 바와 같이, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410) 및 음향 소자(430)를 포함하는 층간 절연막 층(444)을 기판(402)으로 재배치하기 위한 층 이송 프로세스의 일부이다.
도 5f는 본 개시의 양태들에 따른, 층 이송을 수행하기 위한 프로세스 흐름의 단계(506A) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 이 예에서, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410) 및 음향 소자(430)를 포함하는 층간 절연막 층(444)은 기판(402)에 본딩된다. 본딩은 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410) 및 음향 소자(430)를 포함하는 층간 절연막 층(444) 및 기판(402) 양자 모두 상에 유전체 본드 층(446)을 성장시킴으로써 가능하게 된다. 본 개시의 일 양태에서, 콜드 본드 프로세스(예를 들어, 100°C - 150°C 에서)는 기판(402) 상의 유전체 접합 층(446)을 층간 절연막 층(444) 상의 유전체 접합 층에 접합시킨다. 이 예에서, 층간 절연막 층(444)을 기판(402)에 본딩하기 위해 F2F(face-to-face) 유전체 본딩이 수행된다. 이 구성에서, 기판(402)은 열 전도성/전기 절연성 기판(예를 들어, 알루미나(Al2O3))이다. 또한, 유전체 접합 층으로서 실리콘 탄소 질화물(SiCN) 층을 사용하는 것은 종래의 실리콘 산화물(SiOx)에 비해 더 우수한 열 전도성을 제공한다.
도 5g는 본 개시의 양태들에 따른, 반도체 기판(520)을 제거하기 위한 프로세스 흐름의 단계(507A) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 반도체 기판(520)의 제거는 반도체 기판(520)에 대한 그라인딩 공정에 의해 수행될 수도 있다. 대안적으로, 단결정의 화합물 반도체 층(442)의 제 2 표면(443)(예를 들어, 후방측 표면)이 노출될 때까지 반도체 기판(520) 상에 에칭 프로세스가 수행된다. 이 예에서, 반도체 기판(520)의 제거는, 도 5j 및 도 5k에 도시된 바와 같이, BEOL 층들(450)이 형성되는 단결정의 화합물 반도체 층(442)의 제 2 표면(443)(예를 들어, 후면)을 노출시킨다.
도 5h 및 도 5i는 음향 소자(430)가 공기 공동(air cavity)(436)과 함께 형성되는 대안적인 단계들(506B 및 507B)을 예시한다. 그렇지 않으면, 도 5h 및 5j 에 도시된 공정은 도 5f 및 5g에 도시된 프로세스 흐름과 동일하다.
도 5j는 본 개시의 양태들에 따른, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410) 및 음향 소자(430)로의 연결들을 형성하기 위한 프로세스 흐름의 단계(508) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 이 예에서, 음향 소자(430)의 전극(438)은 X-BAW 필터(432) 및 단결정의 화합물 반도체 층(442)의 제 2 표면(443)(예를 들어, 노출된 후방측 표면) 상에 형성된다. 또한, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)의 소스/드레인 영역들의 소스/드레인 오믹 콘택트들 상에 랜딩하도록 관통 비아들(예를 들어, 관통 알루미늄 질화물(AlN) 비아(TAV))이 형성된다.
도 5k는 본 개시의 양태들에 따른, BEOL 층들(450)에 IPD(460)를 형성하기 위한 프로세스 흐름의 단계(509) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 이 예에서, IPD(460)는 단결정의 화합물 반도체 층(442) 상의 다이(440)의 백-엔드-오브-라인 (BEOL) 층들(450)(예를 들어, M3, M4, M5)에 형성된다. IPD(460)의 형성은 커패시터(470)(예를 들어, 금속-절연체-금속(MIM)) 및 인덕터(480)의 형성을 포함한다. 커패시터(470)는 바텀 메탈(bottom metal; BM), 유전체, 및 탑 메탈(top metal; TM)을 포함할 수도 있다. 또한, 인덕터(480)는 BEOL 층(450)(예를 들어, M4 및 M5)의 재배선 층(RDL)들로 구성된다. 일단 형성되면, 커패시터(470)와 인덕터(480)의 상호연결이 디포짓되어 IPD(460)로서 유도성 커패시터(LC) 필터를 제공한다.
도 5l은 본 개시의 양태들에 따른, 3D IC 칩(400)에 대한 상호연결들을 형성하기 위한 프로세스 흐름의 단계(510) 이후의 3D IC 칩(400)을 나타낸다. 이 예에서, 웨이퍼 레벨 프로세스(WLP) 볼들(490)은 3D IC 칩(400)의 형성을 완료하기 위해 BEOL 층들(450) 중 M5 BEOL 층 상에 드롭된다.
도 5m은 본 개시의 양태들에 따른, 기판(402)을 제거하기 위한 프로세스 흐름의 단계(507A) 이후의 3D IC 칩(400)의 부분을 나타낸다. 이 예에서, 기판(402)은 유전체 접합 층(446)으로부터 접합해제된다. 이는 3D IC 칩(400)의 높이를 감소시키기 위해 수행될 수도 있는 선택적인 단계이다.
도 6은 본 개시의 양태들에 따른, 인쇄 회로 기판(600)에 의해 지지되는 도 4의 3D IC 칩(400)을 나타낸다. 3D IC 칩(400)은 초기에 플립된다. 일단 플립되면, WLP 볼들(490)은 인쇄 회로 기판(PCB)(602)에 연결된다. WLP 볼들(490)의 PCB(602)로의 연결은 솔더 리플로우 공정을 사용하여 수행될 수도 있다. WLP 볼들(490)로서 도시되지만, PCB(602)에 대한 연결은 PCB(602)에 대한 플립-칩(FC) 본딩을 위한 구리 범프들에 의한 것일 수도 있다.
도 7 은 본 개시의 양태들에 따른, 3D 집적 회로(3D IC) 칩을 제조하는 방법(700)을 예시하는 흐름도이다. 방법 (700) 에서의 블록들은 도시된 순서대로 또는 순서와 다르게 수행될 수 있고, 일부 양태들에서, 적어도 부분적으로 병렬로 수행될 수 있다.
방법(700)은 블록(702)에서 시작하며, 여기서 단결정의 화합물 반도체 층이 반도체 기판 상에 에피택셜 성장된다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 단결정의 화합물 반도체 층(442)은 반도체 기판(520)(예를 들어, [111] 배향을 갖는 실리콘 웨이퍼) 상에 단결정(X) 알루미늄 질화물(X-AlN) 층(예를 들어, X-AlN 층)을 에피택셜 성장시킴으로써 형성된다. 블록(704)에서, 화합물 반도체 층들이 단결정의 화합물 반도체 층 상에 에피택셜 성장된다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 버퍼 층(422)(예를 들어, AlGaN), 채널 층(424)(예를 들어, GaN), 및 배리어 층(426)(예를 들어, AlGaN)은 단결정의 화합물 반도체 층(442) 상에 에피택셜 성장된다.
도 7을 다시 참조하면, 블록(706)에서, 화합물 반도체 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 능동 소자가 단결정의 화합물 반도체 층 상의 화합물 반도체 층들로부터 제조된다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 단결정의 화합물 반도체 층(442)은 버퍼 층(422)(예를 들어, AlGaN), 채널 층(424)(예를 들어, GaN), 및 배리어 층(426)(예를 들어, AlGaN)을 지지하여 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)의 제조를 가능하게 한다. 도 5a에 도시된 구성에서, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)는 5G 및 미래의 6G 통신을 지원하기 위해 광대역 전력 증폭을 제공하기 위한 GaN HEMT 로서 제조된다.
도 7을 다시 참조하면, 블록(708)에서, 음향 소자가 제조되고 단결정의 화합물 반도체 층에 통합된다. 예를 들어, 도 5c 내지 도 5e에 도시된 바와 같이, 단결정 벌크 음향 파 (X-BAW) 필터(432)는 음향 소자(430)의 일부로서 단결정의 화합물 반도체 층(442)에 형성된다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 리플렉터(434)는 X-BAW 필터(432) 상에 형성된다. 또한, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410) 및 음향 소자는, 예를 들어, 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 이용하여 평탄화되어, 도 5e에 도시된 바와 같이, 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)와 나란한 배열의 음향 소자(430)의 형성을 완료한다. 방법(700)은 또한 화합물 반도체 HEMT 능동 소자(410)의 소스/드레인 영역들의 소스/드레인 오믹 컨택트들 상에 랜딩하기 위한 관통 비아들(예를 들어, 관통 AlN 비아(TAV))의 형성을 포함할 수도 있다.
블록(710)에서, 집적 수동 소자들은 단결정의 화합물 반도체 층 상의 3D IC 칩의 백-엔드-오브-라인 (BEOL) 층들에서 제조된다. 예를 들어, 도 5j 및 도 5k에 도시된 바와 같이, IPD(460)는 단결정의 화합물 반도체 층(442)의 제 2 표면(443)(예를 들어, 후방측 표면) 상의 BEOL 층들(450) 내에 형성된다. IPD(460)의 형성은 커패시터(470)(예를 들어, 금속-절연체-금속(MIM)) 및 BEOL 층들(450)(예를 들어, M4 및 M5)의 재배선 층(RDL)들로 구성된 인덕터(480)의 형성을 포함한다.
방법(700)은 단결정의 화합물 반도체 층의 후면 표면 상의 제 1 백-엔드-오브-라인 (BEOL) 층간 절연막(interlayer dielectric; ILD) 층에 금속 절연체 금속(MIM) 커패시터를 형성하기 위해 유전체 층에 의해 분리된 제 1 전극 및 제 2 전극을 디포짓함으로써 IPD(460)를 형성할 수도 있다. 방법(700)은 또한 인덕터를 형성하기 위해 BEOL ILD 층 상에 재배선 층을 디포짓하는 단계를 포함할 수도 있다. 방법(700)은 집적 수동 소자를 형성하기 위해 MIM 커패시터와 인덕터를 상호연결하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, IPD(460)는 광대역 고품질(Q)-비율 IPD 필터를 가능하게 하기 위해 유도성-커패시터(LC) 필터를 IPD(460)로서 제공하기 위해 커패시터(470)와 인덕터(480)의 상호연결로부터 형성될 수도 있다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 3D IC 칩은 3D IC 칩의 BEOL 층들에 형성된 하이-Q IPD를 포함하는, X-BAW 음향 필터 소자와 나란히 배열된 화합물 반도체(예를 들어, GaN) HEMT 소자를 포함한다. 본 발명의 이 양태에서, 화합물 반도체 HEMT 소자는 고효율, 고 전력 밀도, 및 광대역 전력 증폭기 (PA) 능력을 제공한다. 또한, X-BAW 음향 필터를 구현하기 위하여 높은 전기-기계적 결합 계수(kt 2)를 갖는 단결정(X) 알루미늄 질화물 (X-AlN) 막이 제공된다. 높은 열 전도성 X-AlN 층(예를 들어, Sc:AlN)은 HEMT 소자 및 음향 필터 소자를 위한 열 확산기(spreader)로서 작용한다. 일 구성에서, 열 전도성/전기 절연성 알루미나 박형 기판은 고전력 핸들링 조건들 하에서 HEMT 소자 및 음향 필터 소자를 지지한다. 또한, F2F(Face-to-Face) 유전체 본딩을 통해 얇은 알루미나 기판 위에 HEMT 소자와 음향 필터 소자를 전사할 수 있다. 유전체 접합 층으로서 SiCN 층의 사용은 전통적인 실리콘 산화물(SiOx)에 비해 더 양호한 열 전도성을 제공한다. 유전체 접합 층의 이러한 구성은 HEMT 소자 및 음향 필터 소자로부터 알루미나 기판으로의 양호한 열 소산을 제공한다.
본 개시의 추가 양태에 따르면, 모놀리식 3D 집적 회로(3D IC) 칩이 설명된다. 3D IC 칩은 단결정의 화합물 반도체 층에 집적된 필터링을 위한 수단을 포함한다. 필터링 수단은, 예를 들어, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 음향 소자(430) 및/또는 단결정 벌크 음향파(X-BAW) 필터(432) 및 리플렉터(434)를 포함할 수도 있다. 다른 양태에서, 전술된 수단은, 전술된 수단에 의해 인용된 기능들을 수행하도록 구성된 임의의 층, 모듈, 또는 임의의 장치일 수도 있다.
본 개시의 추가적인 양태들에 따르면, 화합물 반도체 재료는 갈륨 질화물(GaN), 갈륨 비화물(GaAs), 인듐 인화물(InP), 갈륨 스티븀(GaSb), 갈륨 인화물(GaP), 인듐 갈륨 비화물(InGaAs), 알루미늄 갈륨 비화물(AlGaAs), 인듐 갈륨 인화물(InGaP), 알루미늄 갈륨 인화물(AlGaP), 알루미늄 갈륨 스티븀(AlGaSb), 인듐 갈륨 스티븀(InGaSb), 인듐 갈륨 질화물(InGaN), 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN), 인듐 갈륨 비소 인화물(InGaAsP), 인듐 갈륨 비소 스티븀(InGaAsSb), 또는 인듐 갈륨 비소 질화물(InGaAs:N)을 포함할 수도 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 이들은 단지 예시적인 것이며, 다른 재료들이 가능하다.
도 8은 본 개시의 일 양태가 유리하게 채용될 수도 있는 예시적인 무선 통신 시스템(800)을 도시한 블록도이다. 예시의 목적으로, 도 8은 3개의 원격 유닛들(820, 830, 및 850) 및 2개의 기지국들(840)을 도시한다. 무선 통신 시스템들은 다수의 더 많은 원격 유닛들 및 기지국들을 가질 수도 있음을 인식할 것이다. 원격 유닛들(820, 830, 및 850)은 개시된 화합물 반도체 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 IC 디바이스들(825A, 825C, 및 825B)을 포함한다. 다른 디바이스들이 또한 기지국들, 사용자 장비, 및 네트워크 장비와 같은 개시된 화합물 반도체 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 도 8은 기지국들(840)로부터 원격 유닛들(820, 830, 및 850)로의 순방향 링크 신호들(880), 및 원격 유닛들(820, 830, 및 850)로부터 기지국들(840)로의 역방향 링크 신호들(890)을 도시한다.
도 8에 있어서, 원격 유닛(820)은 모바일 전화기로서 도시되고, 원격 유닛(830)은 휴대용 컴퓨터로서 도시되며, 원격 유닛(850)은 무선 로컬 루프 시스템에 있어서의 고정 위치 원격 유닛으로서 도시된다. 예를 들어, 원격 유닛은 모바일 폰, 핸드-헬드 PCS(personal communications systems) 유닛, 퍼스널 디지털 어시스턴트 (PDA) 와 같은 휴대용 데이터 유닛, GPS 가능 디바이스, 내비게이션 디바이스, 셋톱 박스, 뮤직 플레이어, 비디오 플레이어, 엔터테인먼트 유닛, 검침 장비와 같은 고정 위치 데이터 유닛, 또는 데이터 또는 컴퓨터 명령들을 저장 또는 취출하는 다른 통신 디바이스, 또는 이들의 조합들일 수도 있다. 도 8은 본 개시의 양태들에 따른 원격 유닛들을 예시하지만, 본 개시는 이러한 예시적인 예시된 유닛들에 제한되지 않는다. 본 개시의 양태들은 개시된 화합물 반도체 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 많은 디바이스들에서 적합하게 이용될 수도 있다.
첨부된 청구항들 및 그 등가물들은 그러한 형태들 또는 변형들을 보호의 범위 및 사상 내에 있도록 커버하도록 의도된다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 장치들, 방법들, 및 시스템들은 다수의 통신 네트워크들 및/또는 통신 기술들에 가입한 멀티-SIM 무선 디바이스들에 적용될 수도 있다. 본 명세서에 개시된 장치들 , 방법들, 및 시스템들은 또한 다른 것들 중에서도 디지털적으로 그리고 차동적으로 구현될 수도 있다. 도면들에 예시된 다양한 컴포넌트들은, 예를 들어, 프로세서 상의 소프트웨어 및/또는 펌웨어, ASIC/FPGA/DSP, 또는 전용 하드웨어로서 구현될 수도 있지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 위에서 개시된 특정 예시적인 양태들의 특징들 및 속성들은 추가적인 양태들을 형성하기 위해 상이한 방식들로 조합될 수도 있으며, 이들 모두는 본 개시의 범위 내에 속한다.
전술한 방법 설명들 및 프로세스 흐름도들은 단지 예시적인 예들로서 제공되며, 방법의 동작들이 제시된 순서로 수행되어야 함을 요구하거나 암시하도록 의도되지 않는다. 동작들 중 어떤 것은 다양한 순서로 수행될 수도 있다. "이후", "그 후", "다음” 등과 같은 단어는 동작 순서를 제한하려는 것이 아니고; 이 단어들은 단순히 방법들의 설명을 통해 독자를 안내하는 데 사용될 뿐이다.
본 명세서에 개시된 양태들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및 동작들은 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 양자의 조합들로서 구현될 수도 있다. 이러한 하드웨어 및 소프트웨어의 상호교환가능성을 명확히 설명하기 위해, 다양한 예시적인 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들 및 동작들이 일반적으로 그 기능의 관점에서 위에서 설명되었다. 그러한 기능성이 하드웨어로서 구현될지 또는 소프트웨어로서 구현될지는 전체 시스템에 부과된 설계 제약들 및 특정 애플리케이션에 의존한다. 당업자는 설명된 기능성을 각각의 특정 애플리케이션에 대하여 다양한 방식들로 구현할 수도 있지만, 그러한 구현 결정들이 본 개시의 범위로부터의 일탈을 야기하는 것으로서 해석되지는 않아야 한다.
본 명세서에 개시된 다양한 양태들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 로직들, 로직 블록들, 모듈들, 및 회로들을 구현하는데 사용되는 하드웨어는 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 주문형 집적 회로 (ASIC), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이 (FPGA) 또는 다른 프로그래밍가능 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 또는 본 명세서에 설명된 기능들을 수행하도록 설계된 이들의 임의의 조합으로 구현 또는 수행될 수도 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있지만, 대안으로, 프로세서는 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수도 있다. 또한, 프로세서는 수신기 디바이스들의 조합, 예를 들어 DSP 와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 결합한 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 이러한 구성으로서 구현될 수도 있다. 대안적으로, 일부 동작들 또는 방법들은, 주어진 기능에 특정한 회로에 의해 수행될 수도 있다.
하나 이상의 예시적인 양태들에 있어서, 설명된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 이 기능들은 비일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체 또는 비일시적 프로세서-판독가능 저장 매체에 하나 이상의 명령들 또는 코드로서 저장될 수도 있다. 본 명세서에 개시된 방법 또는 알고리즘의 동작들은 비일시적 컴퓨터 판독가능 또는 프로세서 판독가능 저장 매체 상에 상주할 수도 있는 프로세서 실행가능 명령들로 구현될 수도 있다. 비일시적 컴퓨터 판독가능 또는 프로세서 판독가능 저장 매체들은 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 액세스될 수도 있는 임의의 저장 매체일 수도 있다. 제한이 아닌 예로서, 이러한 비일시적 컴퓨터 판독가능 또는 프로세서 판독가능 저장 매체들은 랜덤 액세스 메모리 (RAM), 판독 전용 메모리 (ROM), 전기적으로 소거가능한 프로그래밍가능 판독 전용 메모리 (EEPROM), 플래시 메모리, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 저장 디바이스들, 또는 원하는 프로그램 코드를 명령들 또는 데이터 구조들의 형태로 저장하는데 사용될 수도 있고 컴퓨터에 의해 액세스될 수도 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수도 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 디스크 (disk) 및 디스크 (disc) 는 콤팩트 디스크 (CD), 레이저 디스크, 광학 디스크, 디지털 다용도 디스크 (DVD), 플로피 디스크 및 블루-레이® 디스크를 포함하고, 여기서 디스크 (disk) 들은 보통 데이터를 자기적으로 재생하는 한편, 디스크 (disc) 들은 레이저들로 데이터를 광학적으로 재생한다. 상기의 조합들이 또한 비일시적 컴퓨터 판독가능 및 프로세서 판독가능 매체들의 범위 내에 포함된다. 부가적으로, 방법 또는 알고리즘의 동작들은, 코드들 및/또는 명령들의 세트 중 하나 또는 그 임의의 조합으로서 비일시적 프로세서 판독가능 저장 매체 및/또는 컴퓨터 판독가능 저장 매체 상에 상주할 수도 있으며, 이들은 컴퓨터 프로그램 제품에 통합될 수도 있다.
본 개시가 특정 예시적인 양태들 및 애플리케이션들을 제공하지만, 본 명세서에 설명된 특징들 및 이점들 모두를 제공하지 않는 양태들을 포함하는, 당업자들에게 명백한 다른 양태들이 또한 본 개시의 범위 내에 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 장치들, 방법들, 및 시스템들은 다른 것들 중에서도 디지털적으로 그리고 차동적으로 수행될 수도 있다. 이에 따라, 본 개시의 범위는 오직 첨부된 청구항들에 대한 참조에 의해서만 정의되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 3D 집적 회로(3D IC) 칩으로서,
    단결정의 화합물 반도체 층 상에 화합물 반도체 층들을 포함하는 화합물 반도체 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 능동 소자를 포함하는 다이;
    상기 단결정의 화합물 반도체 층에 집적된 음향 소자; 및
    상기 단결정의 화합물 반도체 층 상의 상기 다이의 백-엔드-오브-라인 (back-end-of-line) 층들에 집적된 수동 소자를 포함하는, 3D IC 칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체 층들은 갈륨 질화물 (GaN) 및 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN) 층들을 포함하는, 3D IC 칩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정의 화합물 반도체 층은 단결정 (X) 알루미늄 질화물(X-AlN) 층을 포함하는, 3D IC 칩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 소자는 벌크 음향 파 (X-BAW) 필터를 포함하는, 3D IC 칩.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 단결정의 화합물 반도체 층 상의 그리고 상기 화합물 반도체 HEMT 능동 소자 상의 층간 절연막; 및
    상기 층간 절연막 내에 있고 상기 X-BAW 필터에 결합된 리플렉터를 더 포함하는, 3D IC 칩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 층간 절연막 내에 있고 상기 리플렉터 및 상기 X-BAW 필터의 부분을 둘러싸는 공기 공동을 더 포함하는, 3D IC 칩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정의 화합물 반도체 층 상의 그리고 상기 화합물 반도체 HEMT 능동 소자 상의 층간 절연막; 및
    상기 층간 절연막에 결합되고, 상기 단결정의 화합물 반도체 층으로부터 원위에 있는 기판을 더 포함하는, 3D IC 칩.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 층간 절연막 사이에 형성된 접합 층을 더 포함하는, 3D IC 칩.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판은 알루미나 (Al2O3) 를 포함하는, 3D IC 칩.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체 HEMT 능동 소자는 이종 광대역 HEMT 전력 증폭기 (PA) 를 포함하는, 3D IC 칩.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 수동 소자는 인덕터에 결합된 커패시터를 포함하는, 3D IC 칩.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 커패시터는 금속-절연체-금속 (MIM) 커패시터를 포함하고, 상기 인덕터는 상기 백-엔드-오브-라인 층들의 재배선 층들을 포함하는, 3D IC 칩.
  13. 3D 집적 회로 (3D IC) 칩을 제조하는 방법으로서,
    반도체 기판 상에 단결정의 화합물 반도체 층을 에피택셜 성장시키는 단계;
    상기 단결정의 화합물 반도체 층 상에 화합물 반도체 층들을 에피택셜 성장시키는 단계;
    상기 반도체 기판 상의 상기 단결정의 화합물 반도체 층 상에 상기 화합물 반도체 층들로부터 화합물 반도체 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 능동 소자를 제조하는 단계;
    상기 단결정의 화합물 반도체 층에 음향 소자를 집적하는 단계; 및
    상기 단결정의 화합물 반도체 층 상의 상기 3D IC 칩의 백-엔드-오브-라인 (back-end-of-line) 층들에 수동 소자를 제조하는 단계를 포함하는, 3D IC 칩을 제조하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 단결정의 화합물 반도체 층을 에피택셜 성장시키는 단계는, 상기 반도체 기판 상에 단결정 (X) 알루미늄 질화물 (X-AlN) 층을 성장시키는 단계를 포함하는, 3D IC 칩을 제조하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체 층들을 에피택셜 성장시키는 단계는, 상기 X-AlN 층 상에 갈륨 질화물 (GaN) 및 알루미늄 갈륨 질화물 (AlGaN) 층들을 성장시키는 단계를 포함하는, 3D IC 칩을 제조하는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 수동 소자를 제조하는 단계는,
    상기 단결정의 화합물 반도체 층의 후방측 표면 상의 제 1 백-엔드-오브-라인 (BEOL) 층간 절연막 (ILD) 층에 금속 절연체 금속 (MIM) 커패시터를 형성하기 위해 유전체 층에 의해 분리된 제 1 전극 및 제 2 전극을 디포짓하는 단계;
    인덕터를 형성하기 위해 상기 제 1 BEOL ILD 층 상에 재배선 층을 디포짓하는 단계; 및
    상기 MIM 커패시터와 인덕터를 상호 연결하여 상기 수동 소자를 형성하는 단계를 포함하는, 3D IC 칩을 제조하는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 단결정의 화합물 반도체 층의 후방측 표면을 노출시키기 위해 상기 반도체 기판을 제거하는 단계; 및
    상기 단결정의 화합물 반도체 층의 전방 측 표면 상의 그리고 상기 화합물 반도체 HEMT 능동 소자 상의 층간 절연막에 열 전도성 기판을 본딩하는 단계를 더 포함하는, 3D IC 칩을 제조하는 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 음향 소자를 집적하는 단계는, 상기 단결정의 화합물 반도체 층에 벌크 음향 파 (X-BAW) 필터를 형성하는 단계를 포함하는, 3D IC 칩을 제조하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단결정의 화합물 반도체 층 상에 그리고 상기 화합물 반도체 HEMT 능동 소자 상에 층간 절연막을 디포짓하는 단계; 및
    상기 층간 절연막 내에 있고 상기 X-BAW 필터에 결합된 리플렉터를 형성하는 단계를 더 포함하는, 3D IC 칩을 제조하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 층간 절연막 내의 그리고 상기 리플렉터 및 상기 X-BAW 필터의 부분을 둘러싸는 공기 공동을 형성하는 단계를 더 포함하는, 3D IC 칩을 제조하는 방법.
KR1020227032069A 2020-04-21 2021-04-16 단결정 음향 공진기/필터를 갖는 이종 집적 광대역 고 전자 이동도 트랜지스터 전력 증폭기 KR20230002319A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/854,313 US11437367B2 (en) 2020-04-21 2020-04-21 Heterogeneous integrated wideband high electron mobility transistor power amplifier with a single-crystal acoustic resonator/filter
US16/854,313 2020-04-21
PCT/US2021/027829 WO2021216382A1 (en) 2020-04-21 2021-04-16 Heterogeneous integrated wideband high electron mobility transistor power amplifier with a single-crystal acoustic resonator/filter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230002319A true KR20230002319A (ko) 2023-01-05

Family

ID=75888186

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227032069A KR20230002319A (ko) 2020-04-21 2021-04-16 단결정 음향 공진기/필터를 갖는 이종 집적 광대역 고 전자 이동도 트랜지스터 전력 증폭기

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11437367B2 (ko)
EP (1) EP4140033A1 (ko)
KR (1) KR20230002319A (ko)
CN (1) CN115428332A (ko)
BR (1) BR112022020898A2 (ko)
TW (1) TW202220167A (ko)
WO (1) WO2021216382A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11605620B2 (en) * 2020-06-19 2023-03-14 Qualcomm Incorporated Three-dimensional (3D) integrated circuit with passive elements formed by hybrid bonding
CN115050820A (zh) * 2021-01-12 2022-09-13 英诺赛科(苏州)半导体有限公司 半导体器件及其制造方法
CN114785315B (zh) * 2022-06-22 2022-12-16 华南理工大学 一种可开关式声波滤波器、模组及制作方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7898047B2 (en) * 2003-03-03 2011-03-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Integrated nitride and silicon carbide-based devices and methods of fabricating integrated nitride-based devices
US7112860B2 (en) 2003-03-03 2006-09-26 Cree, Inc. Integrated nitride-based acoustic wave devices and methods of fabricating integrated nitride-based acoustic wave devices
US9812350B2 (en) 2013-03-06 2017-11-07 Qorvo Us, Inc. Method of manufacture for a silicon-on-plastic semiconductor device with interfacial adhesion layer
US9356045B2 (en) 2013-06-10 2016-05-31 Raytheon Company Semiconductor structure having column III-V isolation regions
CN104241279B (zh) * 2013-06-18 2017-09-01 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种集成电路及其制造方法
US9653516B2 (en) 2014-12-30 2017-05-16 Win Semiconductors Corp. Acoustic wave device structure, integrated structure of power amplifier and acoustic wave device, and fabrication methods thereof
CN105141278B (zh) 2015-07-21 2018-05-22 苏州能讯高能半导体有限公司 一种晶体管与薄膜体声波谐振器集成的放大模块
US10002838B2 (en) 2016-06-22 2018-06-19 Qualcomm Incorporated Method and apparatus for back-biased switch transistors
US11056532B2 (en) * 2016-07-01 2021-07-06 Intel Corporation Techniques for monolithic co-integration of polycrystalline thin-film bulk acoustic resonator devices and monocrystalline III-N semiconductor transistor devices
US10062683B1 (en) 2017-02-27 2018-08-28 Qualcomm Incorporated Compound semiconductor transistor and high-Q passive device single chip integration
US11502124B2 (en) * 2019-01-16 2022-11-15 Intel Coropration Filter-centric III-N films enabling RF filter integration with III-N transistors
CN110380702B (zh) 2019-07-25 2020-04-10 深圳市汇芯通信技术有限公司 集成器件制造方法及相关产品

Also Published As

Publication number Publication date
US11437367B2 (en) 2022-09-06
EP4140033A1 (en) 2023-03-01
US20210327873A1 (en) 2021-10-21
WO2021216382A1 (en) 2021-10-28
BR112022020898A2 (pt) 2022-11-29
TW202220167A (zh) 2022-05-16
CN115428332A (zh) 2022-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10084074B1 (en) Compound semiconductor field effect transistor gate length scaling
US10062683B1 (en) Compound semiconductor transistor and high-Q passive device single chip integration
US20210151428A1 (en) Integration of heterogeneous transistors on diamond substrate by layer transfer
KR20230002319A (ko) 단결정 음향 공진기/필터를 갖는 이종 집적 광대역 고 전자 이동도 트랜지스터 전력 증폭기
US10461164B2 (en) Compound semiconductor field effect transistor with self-aligned gate
US10109724B2 (en) Heterojunction bipolar transistor unit cell and power stage for a power amplifier
US20200350425A1 (en) Integration of heterogeneous transistors on diamond substrate
US11380678B2 (en) Metamorphic high electron mobility transistor-heterojunction bipolar transistor integration
US10026731B1 (en) Compound semiconductor transistor integration with high density capacitor
US10680086B2 (en) Radio frequency silicon-on-insulator integrated heterojunction bipolar transistor
US20220302107A1 (en) Compound semiconductor and complementary metal oxide semiconductor (cmos) transistor integration
US10622465B2 (en) Heterojunction bipolar transistor (HBT)

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination