Imec umożliwia integrację chipletów III-V na poziomie systemowym w technologii Si-CMOS

Centrum badań i innowacji w dziedzinie zaawansowanych technologii półprzewodnikowych przekształca swój 300-milimetrowy krzemowy interposer RF w platformę służącą do heterogenicznej integracji chipletów III-V na Si-CMOS. Dzięki unikalnemu połączeniu wbudowanych kondensatorów o wysokiej gęstości, skalowalnej struktury modelowania elementów pasywnych oraz łączenia wspomaganego laserowo w montażu chipletów III-V, platforma ta stanowi fundament dla systemów bezprzewodowych nowej generacji (mmWave i sub-THz), a także dla przetwarzania sygnałów klasy RF w ultraszybkich zastosowaniach w centrach danych.

Źródło: imec

W miarę jak systemy bezprzewodowe przechodzą na częstotliwości mmWave i poniżej THz, a interfejsy elektroniczne i fotoniczne w centrach danych coraz częściej osiągają swoje granice, coraz trudniej jest zapewnić wysokowydajną obsługę sygnałów bez zwiększania złożoności integracji systemu, kosztów, zużycia energii i zajmowanej powierzchni.

Obiecującym rozwiązaniem jest połączenie wzmocnienia, mocy i wydajności materiałów z grupy III-V – takich jak InP, GaAs i GaN – ze skalowalnością i opłacalnością technologii Si-CMOS. Umożliwia to heterogeniczna integracja oparta na chipletach na wysokowydajnym krzemowym interposerze RF: funkcje krytyczne dla wydajności pozostają w kompaktowych chipletach III-V, podczas gdy interposer zapewnia połączenia o niskich stratach i mieści pozostałe elementy pasywne.

Imec konsekwentnie rozwija platformę

• W 2024 r. imec zademonstrował płynną integrację chipletów InP na 300-milimetrowym krzemowym interposerze RF przy znikomych stratach wtrąceniowych przy częstotliwości 140 GHz.
• W 2025 r. rozszerzył rekordowo niskie straty wtrąceniowe platformy do częstotliwości 325 GHz.
• Obecnie imec uzupełnia platformę o trzy nowe rozwiązania:
  • wbudowane kondensatory o wysokiej gęstości,
  • skalowalną strukturę modelowania elementów pasywnych,
  • łączenie wspomagane laserowo do montażu chipletów III-V.

10- do 100-krotny wzrost gęstości pojemności MIMCAP zapewniający wysoką kompaktowość i opłacalność

– Kluczowym czynnikiem pozwalającym zmniejszyć rozmiar i koszt chipletów III-V jest przeniesienie elementów pasywnych – takich jak kondensatory odsprzęgające – na krzemowy interposer RF. W artykule zaprezentowanym podczas tegorocznej konferencji IMS/RFIC pokazujemy, w jaki sposób połączenie tego podejścia do przenoszenia elementów z nową architekturą MIMCAP pozwala na 10- do 100-krotny wzrost gęstości pojemności w porównaniu z typowymi kondensatorami wbudowanymi w chipach w technologiach III-V. Umożliwia to tworzenie bardziej kompaktowych i ekonomicznych projektów systemów oraz poprawia dostarczanie mocy dla systemów bezprzewodowych działających w paśmie mmWave i poniżej THz, a także dla szybkich zastosowań w centrach danych – powiedział Xiao Sun, główny pracownik techniczny w imec.

Nowa architektura kondensatorów MIM (MIMCAP) firmy imec łączy dielektryk o wysokiej stałej dielektrycznej (high-k) – tlenek glinu i hafnu – z trójwymiarowymi (3D) strukturami z wypustkami tlenkowymi w części końcowej linii produkcyjnej (BEOL).

Struktura modelowania umożliwiająca przewidywalne projektowanie elementów pasywnych w zakresie częstotliwości sięgających sub-THz

Uzupełnieniem tych prac jest niedawno zaprezentowana przez imec struktura modelowania pasywnych elementów interposerów RF, zweryfikowana w zakresie częstotliwości sięgających sub-THz (~300 GHz). Model imec pozwala projektantom na dokładne przewidywanie wydajności obwodów w miarę zmian geometrii, bez konieczności ponownego symulowania lub mierzenia każdej odmiany, co znacznie skraca czas rozwoju.

Do tej pory platforma imec koncentrowała się na wydajności linii transmisyjnych. Stanowi ona jednak podstawę dla kompleksowej biblioteki projektowej, która jest obecnie rozszerzana na inne elementy pasywne, w tym cewki indukcyjne i układy MIMCAP.

Łączenie wspomagane laserowo umożliwia montaż systemów chipletów III-V z dużą liczbą elementów pasywnych

Firma imec zademonstrowała wykorzystanie łączenia wspomaganego laserowo do integracji chipletów III-V z krzemowym interposerem RF, umożliwiając montaż w złożonym układzie warstwowym, z dużą liczbą elementów pasywnych bez naruszania limitów termicznych ani uszkadzania wrażliwych na temperaturę warstw interposera.

Podejście firmy imec pozwala osiągnąć dokładność wyrównania poniżej 600 nm oraz przesunięcie obrotowe poniżej 0,05° dla 43 urządzeń. Pomiary RF potwierdzają zachowanie wydajności po montażu, przy odbiciu poniżej −15 dB w zakresie 110–170 GHz, co wskazuje na realną ścieżkę w kierunku w pełni zmontowanych systemów opartych na chipletach wysokoczęstotliwościowych.

– Dzięki tej pracy prezentujemy wyjątkowo zintegrowaną platformę, która łączy w sobie wydajność, skalowalność i możliwości produkcyjne. Naszym kolejnym priorytetem jest dalsze zwiększanie gotowości technologicznej platformy oraz umożliwienie wsparcia dla produkcji małoseryjnej – pomagając tym naszym partnerom w łatwiejszym opracowywaniu i skalowaniu systemów RF nowej generacji – dodał Xiao Sun.