DE60219712T2 - Herstellung von integrierten abstimmbaren/umschaltbaren passiven Mikro- und Millimeterwellenmodulen - Google Patents

Herstellung von integrierten abstimmbaren/umschaltbaren passiven Mikro- und Millimeterwellenmodulen Download PDF

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Description

  • Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von integrierten abstimmbaren und/oder schaltbaren passiven Mikrowellen- und Millimeterwellenmodulen mit Zwischenverbindungen zu anderen Vorrichtungen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es hat eine explosive Zunahme bei drahtloser Kommunikation und dem Auftreten von kommerziellen Anwendungen und Verbraucherapplikationen von Funk-(RF-), Mikrowellen- und Millimeterwellenschaltungen und -systemen in einer Zahl von Bereichen gegeben. Diese Bereiche schließen drahtlose private Kommunikation und lokale Netzwerke (WLAN), Satellitenkommunikation und Fahrzeugelektronik mit ein. Zukünftige Privat- und Bodenkommunikationssysteme wie auch Kommunikationssatelliten stellen Anforderungen wie beispielsweise sehr geringes Gewicht und geringer Energieverbrauch sowie kleines Volumen. Die Abnahme von Größe und Gewicht, die stetig ansteigende Frequenz wie auch der Trend zu umfangreicherer Funktionalität der Kommunikationssysteme, Plattformen machen die Verwendung hochintegrierter RF-Front-End-Schaltungen erforderlich. Beständige Maßstabsanpassung von Chips hat sehr viel zu diesem Zweck beigetragen, zumindest zu der Anhebung der Funktionalität der Geräte oder zum Anstieg der Betriebsfrequenz von zum Beispiel auf CMOS basierender Technologien. Heute ist jedoch eine Situation erreicht worden, in der das Vorhandensein der teuren, außerhalb des Chips angeordneten passiven RF-Bauteile, ob abstimmbar oder nicht, wie zum Beispiel hochqualitative Kondensatoren, hochqualitative Induktivitäten, Widerstände, Schalter, Kapazitätsdioden, hochqualitative Resonatoren und Filter, eine einschränkende Rolle spielt.
  • Gedruckte Schaltungen bzw. Leiterplatten sind weitgehend als eine Technologieplattform verwendet worden, auf denen diese individuellen elektronischen Bauteile montiert sind. Um höhere Dichten und größere Flexibilität zu schaffen, können Chipsets auf ein separates Packsubstrat aufgebracht werden. Verschiedene Konstruktionen dieser Substrate wurden vorgeschlagen, von denen die wichtigsten in dem Buch „Multichip Module Technologies and Alternatives" von D. A. Doane und P. D. Franzon, Van Nostrand Reinhold, 1993 beschrieben sind. Ein Beispiel eines solchen Substrates ist das Multi-Chip-Modul-Substrat (MCM-Substrat), welches typischerweise eine Verbindungsmöglichkeit oder manchmal auch integrierte einfache passive Vorrichtungen wie beispielsweise Widerstände bietet. Zur Schaffung von einstellbaren Komponenten mit beweglichen Teilen, zum Beispiel Schalter, wurde herkömmliche Halbleiterbearbeitung modifiziert, um Vorrichtungen im Mikrometerbereich herzustellen, und ist unter dem Namen Mikro-Elektromechanische Systeme (MEMS) bekannt geworden. Im Allgemeinen ist MEMS-Bearbeitung unkonventionell und ist eher separat als integrierte Vorrichtungen im Allgemeinen hergestellt sind.
  • Zur Bereitstellung einer/eines vollständigen RF-Vorrichtung/-Systems müssen verschiedene separate Komponenten zusammengebracht werden. Ein erster Lösungsweg wird als die Hybridlösung bezeichnet. Diese Hybridlösung kombiniert Bauteile, die in verschiedenen Technologien hergestellt sind, wobei jedes seinen eigenen Zweck, Spezifikationen und Ziele aufweist, auf einer einzigen Technologieplattform, welche zur Aufnahme und Verbindung dieser Vielfalt von Komponenten angepasst ist. Jegliche RF-MEMS mit veränderlichen integrierten passiven Vorrichtungen (IPDs = Integrated Passive Devices) oder jeglichen aktiven Schaltungen, zum Beispiel BICMOS, GaAs oder CMOS, sind auf der Plattform mittels Flip-Chip-Montage aufgebracht, zum Beispiel ein Mikrowellen-MCM-D-Trägersubstrat, welches die Verbindungen und befestigte IPDs, wie zum Beispiel Widerstände, beinhaltet und im RF- und Mikrowellenbereich arbeitet.
  • Derzeit gibt es drei Haupttechnologien, die bei einer solchen Hybridlösung als eine Technologieplattform benutzt werden können:
    • – Auf Keramik basierende (Dickfilm-) Technologie, zum Beispiel Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC).
    • – Auf Dünnfilm basierende Technologie, zum Beispiel Multi-Chip-Module (MCM), welche abgelagerte dünne Filme verwenden (MCM-D).
    • – Technologien basierend auf der Ausdehnung und proportionalen Verkleinerung von Leiterplatten bzw. gedruckten Schaltungen (PCB = Printed Circuit Board) oder auf gedruckten Verdrahtungs-(PWB = Printed Wiring Board-)Technologien, zum Beispiel MCM-L (wobei L für Laminat steht), die aus auf Kunststofflaminat basierenden Dielektrikum und Kupferleitern konstruiert sind.
  • Die letzteren basierenden Technologien, das heißt, auf PCB- oder PWB basierende Technologien, werden hauptsächlich in niederfrequenten digitalen Anwendungen benutzt und sind für Funk- und Mikrowellenapplikationen nicht sehr geeignet. Die anderen beiden Technologieplattformen, solche wie LTCC und MCM-D, können sich für Funk- und Mikrowellenanwendungen eignen. Von diesen erlaubt LTCC die Integration von Kondensatoren, Widerständen und Induktivitäten in einem einzelnen Keramik- oder Glaskeramikkörper bzw. -gehäuse. Dieses wird dadurch erreicht, dass ferritische, dielektrische und leitende Materialien mit niedriger Brenntemperatur in einem Multilayer-Keramikprozess mit Sintertemperaturen um 850°C kombiniert werden. MCM-D ist eine vor kurzem entwickelte Technologie mit Grundlage auf Dünnfilmtechniken wie in der Halbleiter-IC-Industrie verwendet, aber unter Verwendung unterschiedlicher Materialien angewendet. Hierbei werden die Film-MCM-Vorrichtungen durch eine aufeinander folgende Ablagerung von dünnen Leiterlayern und dielektrischen Layern auf einem Substrat hergestellt, zum Beispiel durch Verdampfung, Sputtern, Galvanisieren, chemische Dampfabscheidung (CVD = Chemical Vapour Deposition) und Rotationsbeschichtung bzw. Spin-Coating. Die Layer werden mit standardmäßiger Fotolithografie und Ätzen oder selektiver Ablagerung bzw. Abscheidung strukturiert. Der zweite Lösungsweg wird die monolithische Lösung genannt. Bei dieser monolithischen Lösung können diese Integrated Passive Devices bzw. integrierten passiven Vorrichtungen oder passiven Komponenten in oder auf einem Halbleiterchip integriert werden. Jedoch trotz vieler Jahre der Forschung ergeben sich für solche passiven On-Chip-Komponenten, die auf elektronischen Lösungen in verschiedenen RF-IC-(integrierte Funkschaltungs-)Technologien einschließlich BiCMOS, SiGe und GaAs implementiert und/oder integriert basieren, keine Bauteile mit der hohen Qualität, welche von diskreten passiven Komponenten geboten wird, und welche von den meisten drahtlosen Applikationen gefordert wird.
  • Ein Vergleich der unterschiedlichen Mikrowellen-IPD-Technologien, auch mit den RFICq-Technologien, wie oben aufgeführt ist in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1. Vergleich der unterschiedlichen Technologien für Mikrowellen-IPDs.
    Techn. Kosten Leistung Q-Faktor Max. Frequenz (GHz) Prozesssteuereng Abstimmbar/Schalter Metall-Ebenen W ± ΔW (μm) On-Chip RFICs
    MCM-D Preiswertes Substrat (Glas) 1–1,5 USD/cm2 QL = 30–150 50 Durchschnitt Nein > 2 10 ± 1 Nein
    RF-MEMS Preiswertes Substrat (Glas) 0,5–1 USD/cm2 QL = 40 Qc = 50 (Varicap bzw. Kapazitätsdiode) 80 Durchschnitt Ja < 2 10 ± 1 Nein
    LTCC Glas-Keramik 1–1,5 USD/cm2 QL > 40 10 Gering Nein > 3 100 ± 2 Nein
    III-V (GaAs) Sehr teures Substrat, 30 USD/cm2 QL < 10 15 (FET) 110 (HEMT) Gut Ja > 4 1 ± 0,1 Ja
    BiCMOS Teures Substrat, (HRS, SiGe), 10 USD/cm2 QL < 8 50 (BiPSiGe) Gut Ja > 1 1 ± 0,1 Ja
    III-V + MEMS Sehr teures Substrat, QL < 10 < 50 Durchschnitt Ja > 4 10 ± 1 Ja
  • Mit Grundlage auf dieser Tabelle wird gefolgert, dass LTCC, obwohl für Integrated Passive Devices (,IPDs') im Mikrowellenbereich anwendbar, bestimmte Nachteile aufweist, wenn es sich um Größe, Dichte wie durch die Linienbreite W angezeigt und maximale Betriebsfrequenz handelt. Weiterhin bieten die passiven On-Chip-Komponenten, die auf RF-IC-Technologien (BiCMOS, SiGe oder GaAs) basieren, nicht die hohe Qualität, wie sie von den meisten drahtlosen Applikationen gefordert wird, zum Beispiel liegt der Q-Faktor der Induktivitäten typischerweise unter 10, wohingegen Q-Faktoren über 30 hinaus gewünscht sind. Im Vergleich dazu die Q-Faktoren von MCM-D, welche für feste bzw. befestigte Vorrichtungen um 50 liegen, zum Beispiel sowohl für die Kondensatoren als auch die Induktivitäten. Ein Grund für das schlechte RF-Verhalten sind die verlustbehafteten Substrate, die in standardmäßigen Prozessen verwendet werden. Qualitativ hochwertige Substrate, wie beispielsweise hoch resistives Silizium (HR-Si), GaAs und SOI-Substrate, die für die Herstellung von aktiven Vorrichtungen benötigt werden, sind nur zu höherem Preis erhältlich. Sogar im Fall von hochqualitativen Substraten kann die RF-Leistungsfähigkeit niedrig sein. Auf Grund der begrenzten Abmessungen der Leiterverdrahtung, welche die aktiven und befestigten passiven Vorrichtungen auf dem Substrat verbindet, können dielektrische Verluste hoch sein. Nicht nur die RF-Leistungsfähigkeit, sondern auch die Technologiekosten sind ein bedeutender Punkt. Die Kosten für MCM-D liegen bei ungefähr 1–1,5 USD/cm2 (für einen 7-Masken-Prozess). Dies sollte mit den Kosten von 10 USD/cm2 für einen standardmäßigen BiCMOS-Prozess und sogar höheren Kosten von 30 USD/cm2 für einen GaAs-Prozess verglichen werden. Es sollte dennoch gesagt werden, dass die beiden letzteren Prozesse nicht nur integrierte passive bieten, sondern auch eine volle Integration mit aktiven Schaltkreisen. Eine Entwicklung von passiven Vorrichtungen in solcher Technologie ist jedoch kostenaufwändig, da solche Änderungen die gesamte Technologie beeinflussen könnten, einschließlich der aktiven Vorrichtungen. Die Entwicklung eines monolithischen Prozesses ist ein komplexer und zeitraubender Vorgang. Auf Grund der Defizite von RFIC-Technologien wird ein ständig anwachsender Druck auf die Notwendigkeit zur Entwicklung von Technologien für die Herstellung von „Integrated Passive Devices (IPDs)", welche im RF- und Mikrowellenbereich arbeiten, ausgeübt. Die integrierten Dünnfilm-Technologien liefern im Allgemeinen die Höhe an Präzision, für die Komponenten den Bereich von Wertigkeit, Leistungsfähigkeit und Funktionsdichte zu einem angemessenen Preis, was diese Technologien für die Herstellung von Mikrowellen-IPDs geeignet macht, wobei so eine höher integrierte, kleinere und leichtere Implementation einer RF-Funktion im Vergleich zu dem monolithischen Lösungsweg ermöglicht ist.
  • IPDs für heutige drahtlose Kommunikationssysteme umfassen nicht nur Komponenten mit festen Parameterwerten, sondern auch Komponenten mit variablen Parameterwerten, wie beispielsweise RF-Schalter oder Varicaps bzw. Kapazitätsdioden. Wie Tafel 1 aufzeigt, können variable oder abstimmbare IPDs in verschiedenen Technologien hergestellt werden.
  • Wie jedoch vorher erläutert wurde, sind die RFIC-Technologien zur Herstellung von hoch qualitativen IPDs nicht geeignet, was den Anwendungsbereich dieser Technologien begrenzt.
  • Das Potenzial von RF-MEMS zur Miniaturisierung und Integration macht MEMS-Technologie zu einer führenden Technologie für die Realisierung von variablen IPDs, zum Beispiel Filter, Schalter, Kondensatoren, Induktivitäten, mit dem Potenzial zur Fabrikation von abstimmbaren/schaltbaren Modulen, zum Beispiel adaptive Anpassungsnetzwerke. Die Einführung von Abstimmbarkeit und Schaltbarkeit in Front-Ends der RF-Kommunikation öffnet einen Weg zur Konstruktion von innovativen, rekonfigurierbaren RF-Senderempfänger-Architekturen wie Multiband-Senderempfänger, welche in vorhandenen und drahtlosen Kommunikationssystemen der nächsten Generation benötigt werden. Es wird erwartet, dass RF-MEMS-Technologie einige der störendsten Probleme lösen wird, die in Verbindung mit der Verwendung von diskreten passiven abstimmbaren/schaltbaren Komponenten stehen. Die Technologie kann kleine, mit geringem Gewicht und hoher Leistungsfähigkeit ausgestattete abstimmbare/schaltbare RF-Komponenten hervorbringen, um einige der voluminösen, teuren und unerwünschten diskreten passiven RF-Komponenten zu ersetzen. In grundlegender Weise enthalten diese RF-MEMS-Komponenten bewegliche Teile und/oder aufgehängte Teile, zum Beispiel aufgehängte Induktivitäten oder Übertragungsleitungen. Alle diese Eigenschaften wie von RF-MEMS geboten machen diese Technologie zu einer sehr attraktiven Wahl für die Herstellung von variablen IPDs. Zusätzlich zeigen variable RF-MEMS-Passivkomponenten in einigen Fällen höhere Leistungsfähigkeitseigenschaften im Gegensatz zu ihren Halbleitergegenstücken. Tabelle 2. Vergleich typischer Leistungseigenschaften von RF-Schalterarten
    GaAs MMIC (MESFET Typ) PIN Diode RF-MEMS-Schalter
    Einsatzverlust (@ 2 GHz) 0,51 dB 0,6 dB < 0,2 dB
    Isolation (@ 2 GHz) –25 dB –50 dB –35 dB
    Echodämpfung (@ 2 GHz) –20 dB –10 dB –35 dB
    Max. RF-Frequenz 10 GHz 10 GHz 80 GHz
    Schaltzeit ns im Zehnerbereich Hunderte von ns Hunderte von ns
    RF-Belastbarkeit 30 dBm 30 dBm 30 dBm (1W)
    Erregungs-/Vorspannung +5 V1 +5, –5 V > 12 V
    Standby-Leistungsverbrauch μW im Zehnerbereich Einige mW „Null"
    IP3 37 dBm 44 dBm > 66 dBm 2
    Werkzeuggröße (SPDT3-Schalter) 1,1 × 1,1 × 0,7 mm3 0,8 × 1,3 × 0,7 mm3 2 × 1 × 0,7 mm3
    Gehäuse- bzw. Körpergröße < 3,5 × 3,5 × 2 mm3 < 3,5 × 3,5 × 2 mm3 < 4 × 2 × 2 mm3
    • 1 TTL-kompatible Vorspannung
    • 2 der Grenzen von Messgerätschaften (IP3 extrapoliert wie besser als 66 dBm).
    • 3 Einpoliger Wechselkontakt, zum Beispiel implementiert als ein Toggleschalter zur Antenneschaltung oder T/R- bzw. Senden-/Empfangenschalten.
  • Ein Beispiel ist in Tabelle 2 dargestellt, in welcher die Leistungseigenschaften von unterschiedlichen Typen von Miniatur-RF-Schaltern verglichen werden. Die Tabelle zeigt klar die herausstehende Leistungsfähigkeit von RF-MEMS-Schaltern in Termen von Einsatzverlust, Leistungsverbrauch und Linearität. Zum Beispiel liegt der Einsatzverlust von RF-MEMS-Schaltern typischerweise um 0,2 dB in dem Bereich 1–10 GHz, wohingegen FET-Typ-Schalter einen Einsatzverlust von ungefähr 1 dB in dem gleichen Frequenzbereich aufweisen.
  • Tabelle 3 stellt einen bezeichnenden Leistungsüberblick der unterschiedlichen Technologieplattformen dar, die RF-MEMS implementieren. MEMS-Verfahrensweisen und -Materialien sind eng mit Halbleiterverfahrenstechnik und -Werkstoffen verbunden, folglich wird der MEMS-Teil in der monolithischen Lösung mit dem Halbleitersubstrat hergestellt, zum Beispiel oben auf der Halbleitervorrichtung. Ein Beispiel einer solchen Integration ist gegeben in „Monolithic GaAs PHEMT MMIC's integrated with high Performance MEMS Microrelays" von E.A. Sovero et al. (IEEE MTT-S IMOC 1999 Proceedings, Grazil, p 257).
  • Eine solche Bearbeitung hat den Nachteil, dass eine MEMS-Vorrichtung einen relativ großflächigen und somit teueren Chipbereich beansprucht. Weiterhin ist die Prozessfreiheit eines solchen monolithischen integrierten IPD begrenzt. Was für die befestigten passiven, bereits implementierten in solchen vollintegrierten Prozessen, zum Beispiel CMOS, schon der Fall war, können die Eigenschaften der zu Grunde liegenden aktiven Vorrichtungen durch die nachfolgenden Prozesse der passiven Vorrichtungen nicht verändert werden. Eine solche Prozesseinschränkung begrenzt die Art und Anzahl von technisch durchführbaren IPD in diesem monolithischen Lösungsweg. Tabelle 3. Vergleich der unterschiedlichen RF-MEMS implementierenden Technologielösungswege.
    Technologien für RF-MEMS und befestigte Passive Max. RF-Frequenz Bereich verfügbarer Passiver Verbindung s-Flexibilität Miniaturisier ungsgrad (Größe, Gewicht) Kosten von abstimmbarem RF-Modul Vorlaufzeit Technologie lebensdauer
    Hybrid (LTCC, MCM-D) Gering Weit Hoch Niedrig Mittel Kurz Lang
    Monolithisch (GaAs MMIC+RF-MEMS Hoch Begrenzt Mittel Hoch Hoch Lang Kurz
  • Obwohl die RF-MEMS-Technologie eindeutige Vorteile wie oben erläutert aufweist, zeigt die Technologie auch Nachteile. Zum Beispiel sind die Verbindungshöhen sehr begrenzt und so sind die Anzahl und Qualität von befestigten Passiven.
  • US 6,195,047 beschreibt eine integrierte mikroelektromechanische phasenschiebende Arrayantenne. Die Antenne weist eine Vielzahl von Arrayelementen auf, die auf einer flachen kreisförmigen Scheibe in einem regulären Schema angeordnet sind. Jedes Arrayelement besitzt ein Mikrostreifenfeld mit integrierten mikroelektromechanischen Schaltern und eine Steuereinrichtung. Jeder integrierte mikroelektromechanische Schalter weist zumindest eine Verbindung zu einer Massefläche auf.
  • Die Arrayelemente weise einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt auf, welche separat hergestellt und zusammen versiegelt werden können. Der untere Abschnitt kann ein dielektrisches Substrat aufweisen, wobei ein Metalllayer auf einer Seite des Substrats das Mikrostreifenfeldelement bildet, und ein anderer Metalllayer, der auf der anderen Seite des Substrats geformt ist, eine Massefläche bildet. Eine Vielzahl von Vias bzw. Durchkontaktierungen sind durch das dielektrische Substrat geformt. Die Durchkontaktierungen koppeln die unteren Elektroden der mikroelektromechanischen Schalter mit einer Massefläche.
  • In „Monolithically processed vertically interconnected 3D phase array antenna module" von A.M. Ferendeci in „Proceedings of the IEEE 2000 National Aerospace and Electronics Conference. Naecon 2000. Dayton, OH, oct. 10–12, 2000, IEEE national Aerospace and Electronics Conference, New York, NY; IEEE, US, vol. Conf. 51, 10 Oct. 2000, pages 151–157" wird ein vertikal verbundenes, 3D-monolithisch integriertes Antennenmodul beschrieben. Das Modul weist einen Leistungsverstärker, einen Phasenschieber und eine Planarantenne auf dem oberen Endlayer auf.
  • Dieses Dokument beschreibt die Integration von aktiven Vorrichtungen (Verstärker) und RF-MEMS-Schaltern auf einem selben Substrat. Die RF-Schalter vom MEMS-Typ sind über den Leistungsverstärkern als Schaltelemente eingebaut. Die Schalter nach diesem Dokument sind auf den Zwischenlayern des Moduls verteilt und hergestellt. Der Schalter ist innerhalb von zwei Layern eingeschlossen, da ein nachfolgender oberer Layer über dem Schalter-Teilschaltungslayer hergestellt werden soll.
  • Es ist zu sagen, dass keine der vorerwähnten Technologieplattformen eine flexible, kosteneffektive Lösung für die Herstellung eines weiten Bereichs von festen oder abstimmbaren hoch qualitativen RF- und Mikrowellen-IPDs bietet. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Plattform und ein Verfahren zu ihrem Herstellen zu schaffen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Zwischenverbindungsmodul, aufweisend:
    ein Substrat;
    einen Zwischenverbindungsabschnitt auf dem Substrat, wobei der Zwischenverbindungsabschnitt zumindest einen ersten und einen zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer, die durch einen dielektrischen Layer getrennt sind, aufweist; und
    eine variable passive Vorrichtung mit zumindest einem beweglichen Element, und welche auf dem Substrat gebildet ist und seitlich an dem Zwischenverbindungsabschnitt benachbart angeordnet ist. Gemäß der Erfindung ist das zumindest eine bewegliche Element von dem Metall von einem, nämlich von dem zumindest einen ersten oder zweiten metallischen Zwischenverbindungslayern gebildet.
  • Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Zwischenverbindungsmoduls, aufweisend die Verfahrensschritte:
    Bereitstellen eines Substrats;
    Bilden eines Zwischenverbindungsabschnitts auf dem Substrat, wobei der Zwischenverbindungsabschnitt zumindest einen ersten und einen zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer aufweist, welche durch einen dielektrischen Layer getrennt sind;
    Bilden einer variablen passiven Vorrichtung mit zumindest einem beweglichen Element auf dem Substrat, welches seitlich an dem Zwischenverbindungsabschnitt benachbart angeordnet ist. Gemäß der Erfindung wird ein Bilden des zumindest einen beweglichen Elementes zur gleichen Zeit mit dem Bilden eines, nämlich des zumindest ersten oder zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer des Zwischenverbindungsabschnitts und von demselben Material durchgeführt.
  • Das Zwischenverbindungsmodul kann als ein abstimmbares und/oder schaltbares passives Mikrowellen- oder Millimeterwellenmodul mit Verbindungen bzw. Zwischenverbindungen mit anderen Vorrichtungen implementiert werden. Es ist auch mit anderen Vorrichtungen unter Verwendung von metallischen Zwischenverbindungs- bzw. Verbindungslayern verbindbar.
  • Die variable passive Vorrichtung ist eine Vorrichtung, deren Aufbau variiert werden kann, zum Beispiel auf eine mechanische Weise gebogen, verwunden oder deformiert. Die variable passive Vorrichtung ist in einem Hohlraum in dem dielektrischen Layer angeordnet.
  • Das bewegliche Element ist vorzugsweise von einem metallischen Layer geformt, welcher Teil von einem der beiden metallischen Zwischenverbindungslayer ist. Das bewegliche Element ist auf dem dielektrischen Layer gebildet und wird gelöst, indem der dielektrische Layer lokal entfernt wird.
  • Das bewegliche Element ist typischerweise ein Balken, insbesondere ein Kragarm, eine Membran oder ein Brückenaufbau oder jeder andere Aufbau, der durch Ablagerung von Layern und deren Strukturierung erzielbar ist.
  • Weitere Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche festgelegt.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt einen Querschnitt eines herkömmlichen MCM-D-Substrats, wobei die Zwischenverbindungshöhen und die festen passiven Vorrichtungen illustriert werden.
  • 2 ist ein Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei variable passive Vorrichtungen dargestellt sind, die in der MCM-D-Technologie gebildet und mittels eines Zero-Level-Gehäuses bzw. -Packaging versiegelt sind.
  • 3 zeigt Vorrichtungsquerschnitte in Zwischenstufen, welche einen Verfahrensablauf gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung illustrieren.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, welches die Verfahrensschritte des Verfahrensablaufs gemäß einem Aspekt der Erfindung zeigt, von welchem 3 ein spezifisches Beispiel ist.
  • 5 ist eine Draufsicht eines RF-MEMS-Schalters.
  • 6 ist ein Querschnitt, der eine Ausführung der Erfindung zeigt, wobei nur zwei Zwischenverbindungslevel bzw. -ebenen verwendet werden.
  • 7 bis 11 ist eine schematische Darstellung von verschiedenen Ausführungen der Erfindung.
  • 12 und 13 zeigen zwei alternative Verfahren zum Anbringen eines in Übereinstimmung mit der Erfindung erstellten Moduls an anderen Halbleitervorrichtungen.
  • Tabelle 1. Vergleich unterschiedlicher Technologien des Stands der Technik für Mikrowellen-IPDs.
  • Tabelle 2. Vergleich typischer Leistungseigenschaften von RF-Schalterarten, die durch Verwendung von Technologien des Stands der Technik hergestellt sind.
  • Tabelle 3. Vergleich unterschiedlicher Technologielösungswege des Stands der Technik, welche RF-MEMS implementieren.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
  • Die vorliegende Erfindung wird mit Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungen und Zeichnungen beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern nur durch die Ansprüche. Insbesondere wird im Folgenden das Material BCB zur Verwendung als das dielektrische Zwischenebenen- bzw. Zwischenlevelmaterial beschrieben.
  • Andere Werkstoffe können benutzt werden, wie zum Beispiel aus dem oben erwähnten Buch von Doane und Franzon bekannt ist.
  • Das Konzept zur Integration von passiven Komponenten besteht darin, verschiedene passive Elemente auf einem Substrat zu kombinieren, wobei ein zusätzlicher Wert im Sinne von Kosten, Miniaturisierung, Zuverlässigkeit, Funktionalität und Leistungsfähigkeit geschaffen wird. Die vorliegende Erfindung schafft eine Plattform, die dazu geeignet ist, gleichzeitig eine große Anzahl von festen und variablen passiven Vorrichtungen zu bilden und/oder zu integrieren, wobei eine variable Vorrichtung zumindest ein bewegliches Bauteil oder Element aufweist. Vorzugsweise schafft diese Plattform auch die Integration von aktiven Vorrichtungen auf eine flexible, leichte und anpassungsfähige Art und Weise. Die Kombination von aktiven Vorrichtungen und passiven Vorrichtungen erfolgt auf eine kosteneffektive Art. Eine solche Vorrichtung kann auf einem kostengünstigen Substrat, wie zum Beispiel Glas, gebildet sein, kann einen Leistungsfaktor Q über 30 sowohl für Induktivitäten (QL), zum Beispiel zwischen 30–150, als auch für Kondensatoren (QC), zum Beispiel von ungefähr 50, aufweisen, besitzt eine Betriebsfrequenz bis zu 80 GHz und weist zumindest zwei metallische Layer auf.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die hohen Integrationslevel für IPDs durch die Unterbringung von RF-MEMS-Komponenten in einem Mikrowellen-MCM-D-Substrat erreicht. Die MCM-D-Technologie in Verwendung mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht zumindest die Herstellung von folgenden Strukturen/Komponenten:
  • Konzentrierte Elementstrukturen:
  • Dieses sind Strukturen bzw. Aufbauten, welche physikalisch viel kleiner im Vergleich mit der Wellenlänge der Signale sind. Diese Strukturen schließen mit ein:
    Flip-Chip und Drahtbondverbindungspads
    Leitungsbögen und -verbindung
    Feste passive Komponenten: Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten. Spiralförmige Baluns bzw. Symmetrieübertrager
  • Verteilte Elementstrukturen:
  • Dieses sind Strukturen, welche einen signifikanten Bruchteil der Wellenlänge der Signale ausmachen oder größer als diese sind:
    Übertragungsleitungen
    Kopplungsstrukturen, zum Beispiel Lange-Koppler, Ringkoppler,...
    Leitungsbaluns
    Leistungsverteiler/splitter
  • Die MCM-D-Technologie kann, wie sie mit der vorliegenden Erfindung benutzt wird, eine Mikrowellen-Design-Plattform festlegen, welche die Hochfrequenzverbindungen aufnimmt und außerdem eine fertige verfügbare Sammlung von IPDs bietet, wie beispielsweise feste RF-Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände, Übertragungsleitungen, Viertelwellen- bzw. λ/4-Stichleitungen, usw. Eine Sammlung von Basiskomponenten kann verfügbar gemacht werden, welche Design und Entwicklung von neuen RF-Modulen erleichtert. MCM-D ist geeignet für einen Betrieb von mindestens bis zu 50 GHz. Die Mikrowellen-Aufbaustruktur einer existierenden MCM-D-Technologie ist in 1 dargestellt. Wie zu sehen ist, besteht dieser Aufbau aus integrierten Widerständen (40) und Kondensatoren (35–36–37) auf dem Substrat (1), einem Dünnfilm (unteres K), dielektrischem Layer (7) gefolgt von einem dicken Zwischenverbindungs- bzw. Verbindungslayer (9–10) aus Kupfer. Dieser Layer enthält die Haupt-Zwischenverbindungsleitungen (41) in der Gestalt von so genannten koplanaren Wellenleiterstrukturen (CPW = Coplanar Wave Guide). Dieser Layer wird auch verwendet, um die spiralförmigen Induktivitäten (42) mit hohem Q-Wert zu realisieren. Dem Layer folgt ein nächster dielektrischer Layer (12), welcher auch als ein Passivierungslayer für den Aufbau dient. Der obere metallische Layer (13–14–15) wird zum Aufbringen von Komponenten verwendet und kann auch zur Realisierung von Dünnfilmkondensatoren mit den darunter liegenden metallischen Layern benutzt werden.
  • MCM-D in Gebrauch mit der vorliegenden Erfindung gestattet die Herstellung eines integrierten Systems, welches maximale RF-Leistungsfähigkeit einschließlich Packung hoher Dichte und Prüfalgorithmen unterstützt. Dies ermöglicht eine Integration von vollständigen RF-Front-End-Schaltungen von drahtlosen Kommunikationssystemen auf einem einzigen Package bzw. Gehäuse.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine MCM-D/MEMS-Zwischenverbindungsplattform zu schaffen, welche die integrierte Herstellung der festen und variablen IPDs zum Hervorbringen von selbständigen Zwischenverbindungsmodulen oder abstimmbaren/schaltbaren Single-Chip- oder Multi-Chip-Modulen, die verbesserte Funktionalität liefern, ermöglicht. Im Gegensatz zu dem Hybridlösungsweg, bei welchem Flip-Chip-Zwischenverbindung von variablen oder beweglichen passiven Vorrichtungen benutzt wird, um RF-MEMS-IPDs einzuführen, sind in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die festen und variablen RF-MEMS-IPDs mit festen MCM-D-IPDs in denselben Verfahrensfluss integriert. Mit anderen Worten, es wird eine vollständige integrierte Lösung für einen großen Bereich von festen und variablen Mikrowellen- und RF-Passiven in einem MCM-Substrat erzielt. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist in 2 schematisch dargestellt. Auf diese Weise werden Flip-Chip von RF-IPD-Zusammenbauvorgängen vermieden oder erheblich reduziert, und deshalb sind die Kosten verringert. Außerdem ist das Wafer-Level- oder 0-Level-Package der RF-MEMS-Vorrichtung(en) einfacher wie in Fig. gezeigt erstellt, da die versiegelte bzw. abgedichtete Vorrichtung unter Verwendung der Zusammenschaltbarkeit des MCM-D-Substrats verbindbar ist, während die dielektrischen MCM-D-Layer den Lötring des 0-Level-Package von den MCM-D-Verbindungsebenen isolieren. Weiterhin wird monolithische Integration höhere Betriebsfrequenzen erlauben. Zum Beispiel führt der Bump, der für eine Flip-Chip-Verbindung benutzt wird, eine Induktivität ein, die bei sehr hohen Frequenzen nicht ignoriert werden kann. Ein Verfahrensfluss in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erzeugt variable Impedanz-RF-MEMS-Komponenten, wie beispielsweise Schalter und Kapazitätsdioden kombiniert mit Verbindungen bzw. Zwischenverbindungen, welche eine Verbindung mit anderen Vorrichtungen gestatten. MEMS-Vorrichtungen sind im Allgemeinen bekannt aus „The MEMS Handbook", M. Gad-el-Hak, CRC Press, 2001. Außerdem können diese RF-MEMS-Komponenten mit einer Vielzahl von Festwert-RF-Komponenten, wie zum Beispiel Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände, integriert werden, um vollständige passive RF-Systeme auf einem Chip (SoC) hervorzubringen. Weiterhin ist Hybridintegration durch Flip-Chip-Zusammenbau von ASICs möglich, woraus sich aktive RF-Systeme auf einem Package (SoP) ergeben. Es gestattet dem Flip-Chip Hybridintegration von RF-ICs zur Herstellung einer einzelnen Package-Lösung eines vollständigen RF-Systems, zum Beispiel ein Senderempfänger für Mobilkommunikation.
  • In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden feste und abstimmbare passive Vorrichtungen mit hoher Qualität kombiniert mit Verbindungen innerhalb eines einzigen Prozessablaufs bereitgestellt, woraus sich ein Substrat ergibt, das als Plattform für den Zusammenbau der aktiven Schaltkreise dienen kann.
  • Die variablen passiven Komponenten, welche auf einem Substrat in Übereinstimmung mit der Erfindung integriert werden können, umfassen ohne Einschränkung: digital kodierte variable Kondensatoren (bestehend aus Festwertkondensatoren und MEMS, das heißt variablen Kondensatoren); Schalter mit optionalen On-Chip-Vorspannungsnetzwerken; vollständige (Echtzeitverzögerung) geschaltete Leitungsphasenschiebernetzwerke (zusammengesetzt aus RF-MEMS-Schaltern, CPW-Leitungen und Vorspannungskomponenten auf einem einzelnen Rohchip); Schaltmatrizen (zusammengesetzt aus RF-MEMS-Schaltern, zwischenverbunden durch Multilevel-CPW-Leitungen); geschaltete Filterbänke (zusammengesetzt aus RF-MEMS-Schaltern, Festfrequenzfiltern, sowohl MCM-D-LC-Typ oder mechanische Filter, CPWs und Vorspannungskomponenten).
  • Die vorliegenden Erfindung basiert auf Modifizierung der Verfahrensschritte und Werkstoffe des herkömmlichen MCM-Verfahrens, um Verfahrensschritte einzuschließen, wie zum Beispiel Opferlayerätzen zum Herstellen von abstimmbaren, „beweglichen" oder mehr im Allgemeinen „auf mechanische Weise" variablen Vorrichtungen wie auch Zwischenverbindungen. Typische bewegliche Elemente sind Balken bzw. Träger, insbesondere Kragträger, Membranen und Brücken und alle anderen Elemente, welche durch Ablagerung von Layern gefolgt von Strukturierung erstellt werden können. Lokales hermetisches Versiegeln, wie für Schalter, Filter und abstimmbare Kondensatoren gefordert, kann ebenfalls geschaffen werden.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden die festen oder variablen MEMS-IPDs zusammen mit den festen MCM-D-IPDs und den Zwischenverbindungslayern in den Dünnfilmlayern des MCM-D-Stapels gebildet. Der MCM-Ablauf ist angepasst, um die optimierte Integration dieser MEMS-IPDs zu ermöglichen. Diese Änderung im Verfahrensablauf erfolgt auf Grund des Gebrauchs von Materialien, welche zur Optimierung des MEMS-IPD erforderlich sind, ansonsten könnte die Verarbeitung des MEMS-IPD durch die Werkstoffeigenschaften der MCM-D-Plattform eingeschränkt sein. Eine gegenseitige Beeinflussung auf Prozessbedingungen ist dann vorhanden. Dieser Lösungsweg kann auch als spezielle, flexible oder modulare Integration von MEMS-IPD in dem MCM-D-Stapel gekennzeichnet werden. In diesem Lösungsweg wird eine Auswahl von Materialien getroffen, um annehmbare variable IPD zu schaffen. Zusätzliche spezielle Werkstoffe mit den gewünschten Eigenschaften können auf eine solche Weise eingebracht werden, dass diese speziellen Werkstoffe die MCM-D-Materialien nicht beschädigen bzw. stören, und dass andererseits die Eigenschaften und Charakteristika der neu eingeführten Werkstoffe nicht durch eine weitere Bearbeitung des MCM-D-Stapels beeinflusst werden.
  • Vorzugsweise werden die festen oder variablen MEMS-IPDs zusammen mit den festen MCM-D-IPDs in den Dünnfilmlayern des MCM-D-Stapels in einer einzelnen Prozesssequenz gebildet. Der MCM-D-Prozess wird vollständig ausgenutzt, um die MEMS-IPDs herzustellen, jedoch wird der Ablauf nicht verändert. Um die MEMS- und MCM-D-IPD zu bilden, sind nur Veränderungen in dem Layout, das heißt lithografisches Maskeninfo, notwendig, um selektiv oder lokal die gewünschten Layer zu bilden oder zu entfernen.
  • Eine bevorzugte Ausführung ist in 3 illustriert, die als Querschnitte von Vorrichtungen dargestellt sind, welche in Übereinstimmung mit einem in 4 gezeigten Verfahrensablauf hergestellt sind, wobei der Basisprozessablauf der MCM-D+-Technologie basierend auf der vollständigen Integration von RF-MEMS in den vorhandenen MCM-D. Die auf RF-MEMS basierenden variablen IPDs sind vollständig eingebettet und werden gleichzeitig mit den festen MCM-IPD und Zwischenverbindungen oder Verdrahtung bearbeitet, wodurch Gebrauch von schon vorhandenen Werkstofflayern, wie zum Beispiel Ta2O5, BCB, Ti/Cu/Ti, usw., gemacht wird. Da die Multilayer-Dünnfilmtechnologie der Ausgangspunkt ist, bedingt dies, dass in dieser bevorzugten Ausführung nur begrenzte Flexibilität in Bezug auf die Auswahl von Materialien für die variablen IPDs erforderlich ist, um eine gute Leistungsfähigkeit zu erzielen. Zum Beispiel ist begrenzte Freiheit zur Variation der Dicke von bestimmten Layern gegeben. Ein Vorteil dieses vollständig integrierten Prozessablaufs besteht in einer minimalen Anzahl von Masken und somit minimalen Kosten.
  • Die in 3 gegebene Ablaufgrafik zeigt eine bevorzugte Ausführung, in welcher MCM-D- und MEMS-Vorrichtungen in einem einzigen Verfahrensablauf hergestellt werden. In der Figur zeigt die linke Seite jedes Querschnitts die Konstruktion von typischen MCM-D- Elementen, zum Beispiel eine metallische Zwischenverbindung, Isolationslayer, Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren, wohingegen die rechte Seite die Entwicklung einer typischen MEMS-Vorrichtung mit einem beweglichen Element, zum Beispiel ein Schalter oder Schalterbänke, darstellt.
  • Im Verfahrensschritt 1 wird ein Substrat 1 bereitgestellt. Dieses kann ein geeignetes MCM-D-Substrat, wie zum Beispiel Quarz, sein, oder es könnte ein Halbleitersubstrat, wie zum Beispiel monokristallines Silizium, sein. Es wird in manchen Vorrichtungen bevorzugt, wenn das Substrat 1 ein Isolationssubstrat ist. Ein Nicht-Halbleitersubstrat kann benutzt werden, welches auf Grund seiner geringeren Kosten bevorzugt sein kann. Im Verfahrensschritt 2 wird ein erster Layerstapel 2, 3, 4 gebildet, zum Beispiel durch Sputtern oder durch eine geeignete Ablagerungstechnik. Ein Beispiel würde ein Multilayer-Sputterprozess zur Ablagerung eines TaN-(Tantalnitrid-)Layers 2 von 270 nm Dicke, eines Aluminiumlayers 3 von 1 Mikron und eines zweiten Tantalnitridlayers 4 sein. Im Verfahrensschritt 3 wird ein erster dielektrischer Layer 5 gebildet, zum Beispiel 300 nm Tantaloxid, gebildet durch anodische Oxidierung des oberen Layers 4 aus Tantalnitrid. Der Vorteil einer Verwendung von Tantaloxid besteht darin, dass es eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, und deshalb können große Kondensatoren kleiner und kompakter erstellt werden. Eine Alternative würde eine Verwendung eines Nitrid-Isolationslayers sein. Im Verfahrensschritt 4 wird ein zweiter metallischer Layer 6 gebildet, zum Beispiel durch Sputtern von 1 Mikron von Aluminium. Verfahrensschritt 5 ist der erste Schritt, in welchem der Prozess so geändert wird, dass besondere und spezifische Strukturen für die MEMS- und MCM-Vorrichtungen gebildet werden. Auf der MCM-Seite wird ein Teil eines Kondensators gebildet werden, und der erste metallische Layer 3 wird für die Bildung von Widerstanden freigelegt. Auf der MEMS-Seite wird die Bildung eines Schalters begonnen. Zuerst wird ein Fotoresistlayer abgeschieden, und auf fotolithografische Weise unter Verwendung einer ersten Maske strukturiert, um einen Kondensatorstapel mit einem metallischen Layer für eine obere Kondensatorelektrode 35 und ein Kondensatordielektrikum 36 auf der MCM-Seite und einen Abschnitt 31 eines Schalters, zum Beispiel einen Kontaktbereich für den Schalter auf der MEMS-Seite, festzulegen. Der zweite metallische Layer 6 wird geätzt, zum Beispiel durch ein Nassätzen, um einen Abschnitt der oberen Kondensatorelektrode 37 zu bilden. Der erste dielektrische Layer 5 wird dann trocken geätzt, indem der strukturierte zweite metallische Layer 6 als eine Hartmaske zur Bildung des dielektrischen Kondensatorlayers 36 benutzt wird. In demselben Verfahrensschritt wird der nicht anodisch oxidierte Abschnitt des zweiten Tantalnitridlayers 4 in eigener Ausrichtung zu den oberen Layern trocken geätzt. Im Verfahrensschritt 6 wird ein zweites Fotoresist abgeschieden und fotolithografisch unter Verwendung einer zweiten Maske strukturiert, um Widerstände auf der MCM-Seite festzulegen und zu abzugrenzen, und um die Bildung des Schalters auf der MEMS-Seite fortzusetzen, zum Beispiel wird der Aluminiumlayer 3 nass geätzt, und der Tantalnitridlayer 2 wird unter Benutzung des strukturierten Layers als eine Hartmaske trocken geätzt. In diesem Verfahrensschritt 6 wird die Bodenelektrode (37) des Kondensators geätzt. Im Verfahrensschritt 7 wird ein drittes Fotoresist abgelagert und fotolithografisch unter Verwendung einer dritten Maske strukturiert, um eine Zwischenverbindungsleitung 41 zu bilden, den Widerstand 40 zu vervollständigen und einen Ring auf dem Kondensator auf der MCM-Seite zur Schaffung der endgültigen Festlegung der oberen Elektrode (35) vorzusehen, wohingegen auf der MEMS-Seite der zweite metallische Layer 6 entfernt wird. Um dies zu erreichen, wird der Aluminiumlayer 3 oben auf der Zwischenverbindungsleitung 41 in dem Bereich, der den Widerstand 40 bildet, nass geätzt, wird der Aluminiumlayer 6 oben auf dem Kondensator nass geätzt, um den Ring auf dem Kondensator zu bilden, wohingegen der Aluminiumlayer 6 auf dem Schalter nass geätzt wird, um den dielektrischen Layer freizulegen.
  • An diesem Punkt wird eine Draufsicht in der unteren Figur von Verfahrensschritt 7 gezeigt, wohingegen die obere Figur einen Querschnitt längs der Linie A-A darstellt.
  • Die Festlegung der ersten metallischen Layer in Verfahrensschritt 1 bis 7 kann die Bildung von festen passiven Vorrichtungen, wie zum Beispiel Widerstände, Kondensatoren, Zwischenverbindungen, koplanare Wellenleiter, entweder auf der MCM- oder auf der MEMS-Seite des Moduls ergeben. In dem nächsten Verfahrensschritt 8 wird ein erster Layer eines Zwischenleveldielektrikums (7) abgelagert, zum Beispiel wird BCB-Layer von 5 Mikron Dicke durch Spin-Coating aufgebracht. Dieser Layer ebnet die Oberfläche. Dieser Layer kann benutzt werden, um eine Isolation zu schaffen, zum Beispiel für einen Kondensator. Im Verfahrensschritt 8 wird dieser BCB-Layer 7 über das Substrat mit Rotationsbeschichtung aufgebracht. Dann kann ein viertes Fotoresist abgelagert und unter Verwendung einer vierten Maske fotolithografisch strukturiert werden. Wenn ein fotosensitives BCB benutzt wird, kann dieser Layer 7 direkt (unter Verwendung der vierten Maste) ohne einen zusätzlichen Fotoresistlayer fotolithografisch strukturiert werden. Öffnungen oder Vias 8 bzw. Durchkontaktierungen werden in diesem Layer zur Kontaktierung der passiven Elemente, die während des vorhergehenden Prozesses erlangt worden sind, auf der MCM-Seite festgelegt, zum Beispiel die obere Kondensatorelektrode 35, der Anschluss 41 des Widerstands 40. Normalerweise liegen diese Öffnungen innerhalb des Umfangs der passiven Vorrichtungen. In dieser Stufe des Prozesses wird die Durchkontaktierungs-(vierte)Maske auch angepasst, um den dielektrischen BCB-Layer 7 von Abschnitten der MEMS-Elemente zu entfernen, zum Beispiel um die Signalleitung 31 an dem Schalterort festzulegen. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der, dass ein Bereich festgelegt wird, in welchem der erste dielektrische Layer (der BCB-Layer 7) lokal entfernt wird, um dadurch einen Bereich freizulegen, welcher ein Fenster festlegt, in dem MEMS-Vorrichtungen oder Teile bzw. Abschnitte davon weiter ausgebildet werden. Die untere Figur im Verfahrensschritt 8 ist ein Schnitt längs der Linie B-B. Wie im Verfahrensschritt 9 gezeigt wird ein metallischer Layer 9 abgeschieden, zum Beispiel ein gesputterter 30 nm Titanlayer, der von einem 150 nm Kupferlayer bedeckt ist, welcher als Ausgangslayer zur Galvanisierung des metallischen Layers 10 benutzt wird. Im Verfahrensschritt 10 wird ein fünftes Resist 11 als ein Galvanisierresist aufgebracht und unter Verwendung einer fünften Maske strukturiert, um die Strukturen auszublenden, welche nicht mit dem nächsten metallischen Layer 10 galvanisiert werden sollen. Das Galvanisierresist kann durch Spin-Coating aufgebracht werden. Die Galvaniserresiststruktur ist das Inverse der nächsten metallischen Zwischenverbindungsstruktur und Induktivitätsstruktur, wenn Induktivitäten in der Konstruktion eingeschlossen werden sollen. Das MEMS-Element, das im Verfahrensschritt 8 innerhalb des Fensters in dem BCB-Layer eingeformt worden ist, wird während einer Beschichtung des Galvanisierresistlayers 11 ebenfalls abgedeckt. Die MEMS-Vorrichtung wird von der nachfolgenden Metall- 10 (zum Beispiel Kupfer) Galvanisierung geschützt, obwohl das anfängliche Fenster oder die anfängliche Öffnung, welches/welche im Schritt 9 in dem ersten BCB-Layer eingeformt worden ist, während dieses nachfolgenden Metallgalvanisierungsschritts in den Bereichen der anfänglichen Öffnung, die in Schritt 10 nicht von durch das Galvanisierresist 10 abgedeckt worden sind, teilweise mit Metall 10 aufgefüllt werden kann. Nach der Entfernung des Galvanisierresists wird das MEMS-Element noch in dem Fenster freigelegt und durch den BCB-Layer 7 und durch den nachfolgenden metallischen Layer 10 unbedeckt sein. Demgemäß wird im Verfahrensschritt 11 ein metallischer Layer 10 auf die gesamte Vorrichtung, zum Beispiel 3 Mikron Kupfer, in den Bereichen galvanisiert, welche nicht von dem Galvanisierresist 11 abgedeckt sind. Dieser metallische Layer 10 kann eine Induktivität 43, eine zweite Level- Zwischenverbindungsleitung 42 (der erste Level ist Gegenstand 41) an der Masseleitung der CPW-Zwischenverbindung bilden: die Masseleitung 32 parallel zu der Signalleitung 31 der CPW. Diese Gegenstände werden freigelegt und zugänglich gemacht, indem das Galvanisierresist 11 im Verfahrensschritt 12 entfernt wird, zum Beispiel unter Verwendung von Aceton. Durch Entfernen des Galvanisierresists von dem Bereich, welcher das im Aufbau befindliche MEMS-Element aufweist, wird ein Hohlraum 34 erzeugt, in welchem dieses MEMS-Element angeordnet ist. Auch Abschnitte des metallischen Layers 9, der in Verfahrensschritt 9 aufgebracht worden ist, können unter Verwendung eines Nassätzens für den Kupferlayerabschnitt und unter Verwendung eines Trockenätzens für den Titanlayerabschnitt geätzt werden, um das Metall 9 an den Stellen zu entfernen, wo es in Kontakt mit der im Aufbau befindlichen MEMS-Vorrichtung steht. Das Metall 9 wird somit zumindest innerhalb des Hohlraums 34 entfernt. Die Dicke des Kupferlayers 10 ist viel größer als die Dicke des Kupferlayerabschnitts des im Verfahrensschritt 9 aufgebrachten metallischen Layers 9, und daher wird ein unbedeutender Betrag von Layer 10 in diesem Prozess geätzt. Das Ergebnis dieses Verfahrensschritts 12 besteht darin, dass ein Abschnitt des MEMS-Elementes ein metallischer Layer 10 an den Rändern des Hohlraums 34 sein kann. In der dargestellten MEMS-Vorrichtung ist dieser untere leitende Abschnitt des MEMS-Schalterelementes (33C) Teil der Signalleitung 31. Die CPW-Leitung 32 ist in der Draufsicht der in 5 gezeigten Vorrichtung ersichtlich, und diese CPW-Leitung erstreckt sich von einem Ende des Fensters zu dem anderen Ende, während sich längs der Linie A-A' in dieser Figur die Seiten der CPW-Leitung 32 innerhalb des Umfangs des Fensters befinden.
  • Im Verfahrensschritt 13 wird ein zweiter dielektrischer Layer 12 aufgebracht, zum Beispiel durch Spin-Coating mit einem zweiten BCB-Layer. Die Öffnung 34 in dem BCB-Layer 7, welche das MEMS-Element aufweist, und die Öffnungen zwischen den mit Kupfer galvanisierten Leitungen (zum Beispiel zwischen 42 und 43 im Verfahrensschritt 13) werden aufgefüllt. Dieser zweite BCB-Layer 12 wird die Oberfläche ebnen, die verschiedenen Zwischenverbindungslevel isolieren und auch als eine Opferlayer auf der MEMS-Seite dienen. Er kann auch zur Herstellung eines Dielektrikums für einen Kondensator verwendet werden. Der Layer 12 wird unter Verwendung einer sechsten Maske fotolithografisch strukturiert. Die freigelegten Bereiche werden eine Bondingposition (17) zu dem zweiten Zwischenverbindungslayer (42) und zu einem Abschnitt (33b) einer Metallbrücke (33) der MEMS-Vorrichtung bilden (die Brücke ist ein bewegliches Element). Der Layer 12 wird in Ausrichtung zu dem Hohlraum 34 diesen überlappend so entfernt, dass die metallische Leitung 32 an dem Rand des Hohlraums 34 freigelegt wird. Im Verfahrensschritt 14 wird ein Ausgangslayer 13 aufgebracht, zum Beispiel durch Sputtern von 30 nm Titan und 150 nm Kupfer. Der letzte metallische Layer wird während der Verfahrensschritte 14 bis 17 gebildet, was als der nachgestellte bzw. Back-End-Prozessabschnitt des MCM-D-Ablaufs bezeichnet werden kann, aber wie in Verfahrensschritt 10 ausgeführt, wird die MCM-D-Maske, welche die Struktur des Galvanisierresists 16 festlegt, angepasst. Im Verfahrensschritt 15 wird ein Galvanisierresistlayer 16 aufgebracht und mit einer siebenten Maske strukturiert. In diesem Schritt wird das Galvanisierresist in einem Bereich entfernt, der sich im Wesentlichen oben auf dem MEMS-Element befindet und dieses überlappt, und ein dicker metallischer Layer 14, 15 wird gebildet, welcher das MEMS-Element überlappt, zum Beispiel durch Galvanisieren eines 2 Mikron Kupferlayers und eines Lötstapels mit einem Nickel-/Gold-Blei-/Zinnlayer. Im Verfahrensschritt 16 wird das Galvanisierresist mit einem Lösungsmittel, zum Beispiel Aceton, entfernt und Abschnitte des Ausgangslayers 13 aus Kupfer, der im Schritt 14 aufgebracht worden ist, werden durch Nassätzen entfernt, und koplanare Abschnitte des Titanlayerabschnitts von Metall 13, das im Schritt 14 aufgebracht worden ist, werden durch Trockenätzen entfernt. Um die variable passive Vorrichtung zu lösen, welche zumindest ein verstellbares oder bewegliches Element oder Abschnitt aufweist, wird der im Schritt 13 abgeschiedene 2. Dielektrische Layer 12 im Verfahrensschritt 17 lokal entfernt, um einen Hohlraum 34 zu bilden. Dieser BCB-Layer dient als ein Opferlayer im herkömmlichen MEMS-Prozess. Durch lokales Entfernen des BCB-Layers werden frei stehende Elemente der MEMS-Vorrichtung erzeugt, wie zum Beispiel eine Brücke. Um zu verhindern, dass BCB überall entfernt wird, wird ein Schutzlayer abgelagert und unter Verwendung einer achten Maske strukturiert. Nach dem selektiven Layerätzen (SLE = Selective Layer Etch) von Verfahrensschritt 17 wird dieser Schutzlayer selektiv entfernt ohne die Materialien zu beeinflussen, welche schon auf der MCM-D+-Plattform vorhanden sind. Wenn in dem zusätzlichen Verfahrensschritt 17 der zweite BCB-Layer 12 entfernt wird, zum Beispiel durch selektives Layerätzen (SLE), wird der strukturierte dicke metallische Layer 14 bis 15, welcher zumindest längs einer Richtung das darunter liegende MEMS-Element überlapp, gelöst. Eine frei stehende metallische Struktur 33, welche das bewegliche/variable Teil des MEMS-Elementes ist, wird erhalten. Die so hergestellte Vorrichtung kann von der Außenseite her mittels einer integrierten Null-Level-(0-Level-)Packaging-Technologie abgedichtet bzw. versiegelt werden.
  • Der durch das obige Verfahren hergestellte MEMS-Schalter kann ein Shunt-Schalter sein, der auf einem koplanaren Wellenleiter (CPW) implementiert ist und sich im Wesentlichen wie ein kapazitiver Schalter verhält. Er zeigt zwei Zustände an, einer ist durch eine hohe Kapazität und ein anderer durch eine niedrige Kapazität gekennzeichnet. Der Schalter besteht aus einer aufgehängten beweglichen metallischen Brücke oder Membran 33, welche mechanisch befestigt ist und elektrische mit der Masse der CPW verbunden ist. Wenn die Brücke hoch steht, ist die Kapazität der Signalleitung zu Masse gering und der Schalter ist in dem RF-EIN-Zustand, das heißt, dass das RF-Signal von einer Seite der CPW zu der anderen Seite frei durchlaufen kann. Bei Aktivierung wird die Brücke nach unten auf einen dielektrischen Layer gezogen, welcher lokal oben auf der Signalleitung 31 angeordnet ist. Der Schalter ändert auf diese Weise seinen Zustand, die Kapazität wird hoch, und der Schalter befindet sich in dem RF-AUS-Zustand, das heißt, dass das RF-Signal jetzt zu Masse „kurzgeschlossen" ist. Die DC-Antriebs-Spannung, bei welcher der Schalter seinen Zustand ändert, wird die „Einzieh- bzw. Pull-In-Spannung" genannt. Die Pull-In-Spannung für den in 3 gezeigten Serienschalter kann dicht bei 30 V liegen. Bei Betrieb sind die DC-Steuerspannung und das RF-Signal überlagert und auf der Signalleitung 31 aufgebracht. Weitere Vorrichtungen, welche durch die Anpassungen des obigen Herstellverfahrens erstellt werden können, weisen auf:
    Schalter (SPST, SPDT, SPMT)
    Variable/abstimmbare Kondensatoren
    Mechanische (MEMS-) Resonatoren
    und eine Vielzahl von Kombinationen von passiven oder (einfachen) abstimmbaren/schaltbaren Modulen:
    Abstimmbare LC-Verzögerungsleitungen bzw. -Kreise
    Abstimmbare LC-Filter
    Abstimmbare/schaltbare Übertragungsleitungsresonatoren
    Abstimmbare/schaltbare Übertragungsleitungsfilter
    Mechanische (MEMS-) Filter
    LC-Anpassungsnetzwerke
    Auf MEMS basierende Echtzeitverzögerungsphasenschieber
    Schalt-(LC-, Stripline- und mechanische)Filterbänke
    Abstimmbare „Induktivitäten" (durch Variation der kapazitiven Last der Induktivitäten)
    LC-abstimmbare Filter und ein einpoliger Schalter mit Wechselkontakt (SPDT = Single Pole Double Throw)
  • Eine Ausführung für ein 0-Level-Package, zum Beispiel zur Einhausung eines RF-MEMS-Schalters, mit integrierten eingegrabenen RF-Durchführungen ist in 2 schematisch dargestellt. Unter 0-Level-Packaging ist die Bildung eines umschlossenen bzw. gekapselten bzw. versiegelten Hohlraums auf dem Substrat selbst, das heißt MEMS-Substrat, MCM-Substrat, zu verstehen. Der Lötring (18) kann entweder auf dem Kappenwafer (20) oder auf der oberen Oberfläche des MCM-D+-Vorrichtungswafer (1) erstellt werden. Unter 1-Level-Packaging ist das Verpacken bzw. Packaging oder Anbringen des Chips oder der Vorrichtung in einer Packung bzw. einem Package oder Gehäuse gefolgt von der Versiegelung des Package oder des Gehäuses zu verstehen. Das Package kann dann an dem MCM-Substrat oder einer anderen geeigneten Technologieplattform angebracht werden. Im Gegensatz zu diesem illustriert 2 ein 0-Level-Package gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Serienschalter (33) ist in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Prozess als eine variable passive Vorrichtung auf einem MCM-D-Substrat (1) oder Vorrichtungswafer gebildet. Dieses MCM-D-Substrat und/oder die Oberfläche oder der obere Layer des MCM-D-Stapels bildet eine Seite des Hohlraums (19), zum Beispiel die Unterseite des Hohlraums (19) in 2. Ein Kappenelement (20), zum Beispiel ein Kappenchip, ist über dem Serienschalter (33) angeordnet, wobei eine weitere Seite des Hohlraums, zum Beispiel die Oberseite des Hohlraums, gebildet ist. Beide Seiten, obere und untere in 2, des Hohlraums sind zum Beispiel durch einen Lötring (18) verbunden, welcher durch den säulenförmigen Querschnitt des Lötdichtrings in 2 dargestellt ist, um den Hohlraum hermetisch zu versiegeln bzw. abzudichten. Der Schalter ist in einem Hohlraum, welcher von dem MCM-D-Substrat (1) und/oder dem MCM-D-Stapel, einem Kappenelement (20) und einem das Substrat und/oder den MCM-D-Stapel und den Kappenlayer verbindenden Versiegelungselement (18) gebildet ist, eingekapselt. Dieses Dichtelement steht in Kontakt mit dem Kappenelement (20) und der Oberfläche des Substrats oder des MCM-D-Stapels längs seines gesamten Umfangs. Das Dichtelement (18) bondet das Kappenelement (20) an das MCM-D-Substrat (1) und/oder den Stapel. Das Dichtelement kann ein Lötwerkstoff, zum Beispiel Pb/Sn, sein, wie in EP0951069 „Method of fabrication of a microstructure having an inside cavity" von H. Tilmans et al. offenbart ist. Das Dichtelement kann ein Harz, vorzugsweise BCB, sein. Das BCB kann längs des Umfangs des Hohlraums aufgebracht oder abgelagert und anschließend strukturiert sein, um einen Ring aus BCB zu erzeugen. Das Kappenelement kann auf diesem Ring aus BCB angebracht oder befestigt sein, wobei die Seitenwände des Hohlraums gebildet sind. Das Kappenelement (20) kann oben auf dem MCM-D-Stapel angeordnet sein, wobei es in direktem Kontakt mit dem dielektrischen BCB-Layer oder einem Ring aus BCB steht, der in einer fortlaufenden geometrischen Struktur oder Kurve auf der oberen Oberfläche des MCM-D-Substrats lokalisiert ist. Das Kappenelement (20) kann eine Membrane über dem Hohlraum sein, der in dem MCM-D-Stapel eingeformt ist. Wie in 2 gezeigt ist, kann der elektrische Kontakt zwischen der Vorrichtung innerhalb des Hohlraums, zum Beispiel ein elektrischer Schalter (33) und der Außenseite in einem metallischen Layer (41) erfolgen, welcher in dem dielektrischen MCM-D-Stapel eingebettet ist. Dieser metallische Layer kann der Aluminiumlayer sein, welcher im Verfahrensschritt 7 oder 11 aus 3 strukturiert worden ist. Die leitende Verbindung oder Durchführung zwischen der eingekapselten Vorrichtung (33) und den anderen Vorrichtungen auf derselben Technologieplattform (1) beeinflusst die Abdichtung des Hohlraums nicht, da dank des dielektrischen Werkstoffs (12), der diese leitende Struktur umgibt, kein elektrischer Kontakt zwischen dem Lötdichtring (18) und der metallischen Verdrahtung (zum Beispiel 41) ausgebildet ist. Die Oberfläche des MCM-D-Stapels, auf welcher der Lötring ausgebildet ist, ist durch die BCB-Layer (7, 12), die bei dem Aufbau des MCM-D-Stapels benutzt worden sind, flächig bzw. geebnet und bietet eine im Wesentlichen ebene Oberfläche, auf welcher das verbindende Material des Verbindungselementes längs einer Kurve abgeschieden werden kann. Wie in 2 dargestellt ist, wird das Verbindungsmetall als die Signalleitung eines koplanaren Wellenleiters (CPW) verwendet, um ein RF-Signal von einem Chip zu dem Hohlraum und umgekehrt zu übertragen.
  • In den obigen Ausführungen sind zwei dielektrische Zwischenlayer (7, 12) und drei metallische Layer (2, 3, 4, 6–9, 10–13, 14, 15) zur Bildung des Zwischenverbindungsabschnitts einer Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, welche seitlich benachbart zu einer MEMS-Vorrichtung mit zumindest einem beweglichen Element angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anzahl von Layern beschränkt. Eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt, bei welcher nur zwei Zwischenverbindungslayer und ein dielektrischer Zwischenlevellayer zur Bildung des Zwischenverbindungsabschnitts verwendet werden. Auf dem ersten Zwischenverbindungslevel kann das Folgende vorgesehen sein: ein optionaler Widerstand 40 (unter Verwendung von Layer 2, der Widerstand ist kein wesentliches Element in der MCM-D-Mikrowellenschaltung); ein Kondensator 35, 36, 37 mit einer Bodenelektrode 37 (unter Verwendung von Layern 3 bis 2), Dielektrikum 36 (unter Verwendung von Layern 5) und einer oberen Elektrode 35 (unter Verwendung von Layer 6); ein erster Zwischenverbindungslayer 41 (unter Verwendung von Layern 2 bis 3). Durchkontaktierungen bzw. Vias 8 sind in den dielektrischen BCB-Layer 7 geätzt, um die obere und Bodenelektroden (35, 37) und/oder den Widerstand (40) und/oder eine Induktivitätswindung 45 zu verbinden. Eine CPW-Leitung 32 ist in dem zweiten metallischen Verbindungslayer 9, 10 (Level bzw. Ebene 42) eingeformt und die Windung 45, welche das Signal von dem Kondensator 35, 36, 37 der Brücke (33) zuführt, ist ebenfalls in metallischen Layern 9, 10 eingeformt. In dem variablen passiven Vorrichtungsabschnitt auf dem rechten Teil, ist das Unterteil des Schalters 33s aus den gleichen Layern wie der Kondensator gebildet, obwohl die obere Elektrode 35 hier optional ist und von der Art des Schalters abhängig ist. Nur die untere bzw. Bodenelektrode 37 und das Dielektrikum 36 werden üblicherweise benutzt. Das Brückenmetall 33 ist von dem 2. metallischen Verbindungslayer (unter Verwendung von Layern 9 bis 10) gebildet. Der Brückenfuß 33b korrespondiert zu der Durchkontaktierung 8, welche durch den dielektrischen BCB-Layer 7 hindurch geformt ist und zu der gleichen Zeit geöffnet worden ist, als die MCM-D-Zwischenverbindungs-Vias zur Kontaktierung des Kondensators benutzt worden sind. Wenn Öffnungen zur Kontaktierung der oberen Elektrode (35) des Kondensators gebildet werden, werden Öffnungen in den BCB-Layer (1. dielektrischer, 7) geätzt, um den Brückenfuß 33b freizulegen. Während der Bildung des 2. Zwischenverbindungslevels füllen die metallischen Layer (9, 10) nicht nur die Durchkontaktierungen 8 sondern auch die Öffnungen zu dem Brückenfuß 33b aus. Diese Öffnungen gestatten somit eine Befestigung der Brücke an dem Substrat oder ersten (unteren) Zwischenverbindungslevel. Ähnlich zu dem Verfahren in den vorhergehenden Ausführungen wird der Hohlraum 34 durch Opferätzen des dielektrischen BCB-Layers 7 nach Bearbeiten der zweiten metallischen Zwischenverbindungslayers 9 bis 10 gebildet. Die Brücke 33 an dem Brückenfuß 33b verankert und daher wird der darunter liegende dielektrische BCB-Opferlayer 7 lokal zur Lösung der Brücke 33 entfernt.
  • Der in 3 dargestellte Verfahrensablauf muss modifiziert werden, um diesen Aufbau zu erzielen. Zuerst muss das Strukturieren in Verfahrensschritten 5 und 6 modifiziert werden, um die Zwischenverbindung 41 zwischen dem unteren Ende des Induktivitätsvia 8 und dem Brückenfuß 33b zu schaffen. Im Verfahrensschritt 8 wird der Strukturierungsschritt für den BCB-Layer 7 modifiziert, um die Durchkontaktierung 8 von der Induktivität nach unten zu den ersten metallischen Layern (2, 3, 4) vorzusehen. Der metallische Layer 9, 10, welcher in den vorherigen Ausführungen in Verfahrensschritten 9 bis 12 aufgebracht ist, wird benutzt, um die Brücke 33 wie auch Bondingpads 44 zu bilden. Um dieses zu erreichen, wird das Galvanisierresist 11 von Verfahrensschritten 10 bis 12 dementsprechend strukturiert. Der CPW-Leiter 32 wird von dem ersten metallischen Zwischenverbindungslayer 2, 3, 4 geformt, aber verläuft nun eher parallel zu der Brücke als rechwinklig zu ihr. Der Hauptunterschied zwischen der Vorrichtung von 6 und derjenigen, welche in Übereinstimmung mit dem Verfahren aus 3 gebildet wird, besteht darin, dass die Brücke 33 in dem zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer 42 erstellt wird, und dass die Zwischenverbindung zwischen der Induktivität 45 des MCM-D-Abschnitts und der Brücke 33 des MEMS-Abschnitts in den ersten metallischen Layern 41 erstellt wird, das heißt, in dem metallischen Layer, der zuerst auf das Substrat aufgebracht worden ist, wohingegen in dem Schema von 3 die Brücke unter Verwendung des dritten metallischen Zwischenverbindungslayers hergestellt ist, und eine Zwischenverbindung zwischen der Brücke und der Induktivität unter Verwendung des zweiten metallischen Zwischenverbindungslayers 42 erfolgt. Auch in dieser Ausführung werden die beiden Elektroden des CPW-Masseleiters 32 mit der unteren Elektrode 33C des Kondensators des Schalters verbunden, wohingegen in der vorhergehenden Ausführung der CPW-Leiter mit dem Brückenfuß verbunden war.
  • Aus dem Obigen sind bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung erkennbar: eine metallische Zwischenverbindung wird mit mindestens zwei Layern aus Metall und einem dazwischen liegenden Isolationslayer gebildet. Zusätzliche metallische und isolierende Layer können diesem Grundaufbau hinzugefügt werden, um einen Stapel von Zwischenverbindungslayern, die voneinander durch dielektrische Layer isoliert sind. Zumindest einer der metallischen Layer wird zur Bildung eines Teils einer beweglichen Komponente einer MEMS-Vorrichtung benutzt, welche so in den Herstellungsfluss für die Zwischenverbindung integriert wird. Die MEMS-Vorrichtung ist seitlich benachbart an einem Zwischenverbindungsabschnitt der Vorrichtung angeordnet. Das Substrat, auf welchem diese Vorrichtungen gebildet sind, muss kein Halbleitersubstrat sein – es kann ein einfaches Substrat, wie zum Beispiel Glas oder Quarz, sein.
  • In den 7 bis 11 sind verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung gezeigt, welche alle durch Verfahrensschritte wie oben beschrieben hergestellt werden können. In diesen Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen Komponenten wie für die vorhergehenden Ausführungen beschrieben. Die in 7 bis 10 gezeigten Vorrichtungen sind nur Beispiele der Art von Vorrichtungen, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet werden können.
  • 7 zeigt eine Vorrichtung, in welcher zwei Metallisierungslayer und ein dielektrischer Layer 7 dazwischen auf einem Substrat 1 gebildet sind. Auf der Unterseite der Figuren ist der äquivalente elektrische Schaltplan dargestellt. Ein bewegliches Element 33, zum Beispiel ein Teil eines Schalters, ist als eine Brück oder Kragträger unter Verwendung des zweiten metallischen Layers gebildet, welcher auch zur Bildung von festen passiven Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Induktivität 45, verwendet wird. Ein Widerstand 40 ist von dem ersten metallischen Layer gebildet und über ein Via 8 kontaktiert, welches von einem Teil 44 der zweiten metallischen Zwischenverbindung durch den Isolationslayer 7 verläuft. Der Widerstand 40 ist auf seiner anderen Seite mit einer Elektrode 37 eines Kondensators 35, 36, 37 verbunden. Die andere Elektrode 35 des Kondensators ist mit einem Ende einer Induktivität 45 verbunden. Das andere Ende der Induktivität ist an einem Fuß 33b der Brücke 33 über ein Via 8 und den ersten metallischen Layer angeschlossen. Der Signalpfad durch den Widerstand, Kondensator, die Induktivität schließt die Brücke 33 mit ein, welche von dem Metall des zweiten Zwischenverbindungslayers konstruiert ist. Die untere Elektrode 33c des Schaltelementes ist in dem ersten metallischen Layer gebildet. Der dielektrische Layer des Schaltelementes ist der gleiche wie derjenige des Kondensators. Verbindungen, wo notwendig, sind durch Vias 8 von Bondingpads 44 oder ähnlich in dem zweiten Metallisierungslayer zu dem ersten Metallisierungslayer oder benachbarten Layern erstellt. Durch dieses Verfahren können individuelle passive Komponenten, wie beispielsweise der Widerstand 40, oder bewegliche Komponenten, wie zum Beispiel der Schalter 33, in separaten Bereichen des Substrats gebildet und dann elektrisch zusammen verbunden werden, indem die erste und/oder die zweite Metallisierung verwendet wird.
  • 8 zeigt eine Vorrichtung, die ähnlich zu der von 7 ist. Die Hauptunterschiede bestehen darin, dass drei Layer aus Metall und zwei Layer aus Zwischendielektrikum 7, 12 vorhanden sind. Die Brücke 33 ist noch aus dem zweiten metallischen Layer 10 hergestellt. Der dritte Metallisierungslayer (13, 14, 15) wird für Bondingpads 44 benutzt. Der dritte metallische Layer wird in diesem Beispiel zur Bildung von Bondpads 44 verwendet, um die passiven Vorrichtungen mit den anderen Chips oder anderen Substraten zu verbinden, auf welche diese Vorrichtung aufgebracht werden kann. Die ersten und zweiten Metallisierungslayer werden zur Verbindung der Schaltungskomponenten untereinander benutzt.
  • 9 zeigt eine Variante des Typs von Vorrichtung, die in 8 dargestellt ist. Hier sind wieder drei Metallisierungslayer und zwei dielektrische Layer vorgesehen. Die Brücke 33 ist in dem dritten Metallisierungslayer (14, 15), wie in 3 gezeigt war, hergestellt. Verbindungen zwischen den Komponenten können unter Verwendung des ersten metallischen Layers (2, 3, 4), wie zum Beispiel eine Verbindung (32) zwischen dem Fuß der Durchkontaktierung 8 von einem Ende der Induktivität 45 und dem Fuß 33b der Brücke 33b, unter Verwendung des zweiten metallischen Layers erstellt werden, wie zum Beispiel zwischen dem Widerstand 40 und der Induktivität 45, oder unter Verwendung des dritten metallischen Layers erstellt werden, wie zum Beispiel zwischen der Induktivität 45 und der Durchkontaktierung 8, welche zu der Brücke 33 führt. 10 zeigt eine Draufsicht auf diese Vorrichtung.
  • 11 stellt eine weitere Variante auf dem Basisdesign dar, welche als beste Ausführungsform der Erfindung angesehen wird. Die linke Seite, welche die passiven Komponenten aufweist, ist ähnlich zu dem korrespondierenden Abschnitt von 9. Der Signalpfad durch den Widerstand, Kondensator und die Induktivität setzt sich jedoch durch die Signalleitung 31 des Schalters fort, im Gegensatz dazu, dass das RF-Signal längs der Brücke verläuft. Das bewegliche Element, die Brücke, ist in dem dritten Metallisierungslayer in 90° zu der Brücke von 9 gebildet. Die untere Figur zeigt einen Schnitt durch die Mitte des Hohlraums (34) mit einer Darstellung, wie die Brückenfüße 33b an die CPW- Masseleitungen 32 angeschlossen sind, welche von dem zweiten Metallisationslayer (9, 10) gebildet sind. Wenn die Brücke (33) nach unten gezogen ist, ist die Signalleitung (31) mit den Masseleitungen verbunden, und der Signalpfad ist daher unterbrochen.
  • Die oben beschriebenen Vorrichtungen können in anderen Vorrichtungen in jeglicher geeigneten Art und Weise integriert sein. 12 und 13 zeigen zwei mögliche Wege von Integration.
  • In 12 zeigt, wie integrierte Schaltungen, wie zum Beispiel VLSIs, an ein MCM-D-Substrat in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebondet sein können. Das MCM-D-Substrat 1 weist eine variable Vorrichtung, beispielsweise einen Schalter 33, wie auf der linken Seite der Figur gezeigt auf. Das MCM-D-Substrat 1, Zwischenverbindungen und passive Vorrichtungen sind wie oben mit Bezug auf Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben konstruiert. Die während dieses Prozesses gestalteten Bondingpads können zur Anbringung weiterer Vorrichtungen, wie zum Beispiel ein Funk-ASIC 50 und ein gemischtes CMOS-Signal-ASIC 51, verwendet werden, zum Beispiel durch Flip-Chip-Bonding. In dieser Ausführung ist ein zusätzlicher dielektrischer Layer getrennt von den Layern 7, 12 gebildet.
  • 13 zeigt eine alternative Konstruktion, in welcher ein Modul in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit einem anderen Modul verbunden ist, zum Beispiel durch Flip-Chip-Bonding. Das Modul in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist auf der linken Seite mit dem Schalter 33 schematisch angegeben dargestellt. Es ist umgekehrt worden, und die Bondingpads 44, die während des oben beschriebenen Verfahrensablaufes erzeugt worden sind, wurden gebraucht, um die Vorrichtung an ein weiteres Modul, zum Beispiel ein weiteres MCM-D-Modul 1, durch Flip-Chip-Technik zu bonden.

Claims (18)

  1. Zwischenverbindungsmodul, aufweisend: – ein Substrat; – einen auf dem Substrat (1) gebildeten Zwischenverbindungsabschnitt, wobei der Zwischenverbindungsabschnitt zumindest einen ersten und einen zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6–9, 10–13, 14, 15), die durch einen dielektrischen Layer (7, 12) getrennt sind, aufweist; und – eine variable passive Vorrichtung mit zumindest einem beweglichen Element (33), und welche auf dem Substrat (1) gebildet ist und seitlich an dem Zwischenverbindungsabschnitt benachbart angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine bewegliche Element (33) von dem Metall von einem, nämlich von dem zumindest ersten oder zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer, gebildet ist.
  2. Zwischenverbindungsmodul nach Anspruch 1, wobei die variable passive Vorrichtung in einem Hohlraum (34) angeordnet ist, welcher in dem dielektrischen Layer (7, 12) gebildet ist, wobei der Hohlraum (34) an zumindest einer Seite durch den dielektrischen Layer (7, 12) begrenzt ist.
  3. Zwischenverbindungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zwischenverbindungsabschnitt einen ersten metallischen Zwischenverbindungslayer, einen auf dem ersten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6) gebildeten dielektrischen Zwischenlayer (7) und einen auf dem dielektrischen Zwischenlayer (7) gebildeten zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (9, 10) aufweist, wobei das bewegliche Element (33) von dem gleichen Material wie der zweite metallische Zwischenverbindungslayer (9, 10) gebildet ist.
  4. Zwischenverbindungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zwischenverbindungsabschnitt einen ersten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6), einen auf dem ersten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6) gebildeten ersten dielektrischen Zwischenlayer (7), einen auf dem ersten dielektrischen Zwischenlayer (7) gebildeten zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (9, 10), einen auf dem zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (9, 10) gebildeten zweiten dielektrischen Zwischenlayer (12), und einen auf dem zweiten dielektrischen Zwischenlayer (12) gebildeten dritten metallischen Zwischenverbindungslayer (13, 14, 15) aufweist, wobei das bewegliche Element (33) von dem gleichen Material wie der zweite metallische Zwischenverbindungslayer (9, 10) gebildet ist.
  5. Zwischenverbindungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zwischenverbindungsabschnitt einen ersten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6), einen auf dem ersten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6) gebildeten ersten dielektrischen Zwischenlayer (7), einen auf dem ersten dielektrischen Zwischenlayer (7) gebildeten zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (9, 10), einen auf dem zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (9, 10) gebildeten zweiten dielektrischen Zwischenlayer (12), und einen auf dem zweiten dielektrischen Zwischenlayer (12) gebildeten dritten metallischen Zwischenverbindungslayer (13, 14, 15) aufweist, wobei das bewegliche Element (33) von dem gleichen Material wie der dritte metallische Zwischenverbindungslayer (13, 14, 15) gebildet ist.
  6. Zwischenverbindungsmodul nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das zumindest eine bewegliche Element (33) Teil bzw. Abschnitt einer RF-MEMS-Vorrichtung ist.
  7. Zwischenverbindungsmodul nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Zwischenverbindungsabschnitt feste passive Vorrichtungen (35, 36, 37–40–43–45) aufweist.
  8. Zwischenverbindungsmodul nach Anspruch 7, wobei die festen passiven Vorrichtungen (35, 36, 37–40–43–45) untereinander durch zumindest einen, nämlich den zumindest einen oder zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6–9, 10–13, 14, 15) verbunden sind.
  9. Zwischenverbindungsmodul nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Substrat (1) aus einem isolierenden und nicht halbleitenden Material hergestellt ist.
  10. Zwischenverbindungsmodul nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die variable passive Vorrichtung zumindest eine der folgenden ist: ein Schalter; ein variabler/abstimmbarer Kondensator; ein mechanischer MEMS-Resonator; oder Teil bzw. Abschnitt ist von: einer abstimmbaren Verzögerungsleitung; einem abstimmbaren LC-Filter; einem abstimmbaren/schaltbaren Übertragungsleitungsresonator; einem abstimmbaren/schaltbaren Übertragungsleitungsfilter; einem mechanischen MEMS-Filter; einem LC-Anpassungsnetzwerk; einem auf MEMS basierenden Echtzeitverzögerungsphasenschieber; einer geschalteten Filterbank; einer abstimmbaren Induktivitäten
  11. Verfahren zum Herstellen eines Zwischenverbindungsmoduls, aufweisend die Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Substrats (1); – Bilden eines Zwischenverbindungsabschnitts auf dem Substrat, wobei der Zwischenverbindungsabschnitt zumindest einen ersten und einen zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6–9, 10–13, 14, 15) aufweist, welche durch einen dielektrischen Layer (7, 12) getrennt sind; – Bilden einer variablen passiven Vorrichtung mit zumindest einem beweglichen Element (33) auf dem Substrat (1), welches seitlich an dem Zwischenverbindungsabschnitt benachbart angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass Bilden des zumindest einen beweglichen Elementes (33) zur gleichen Zeit mit dem Bilden eines, nämlich des zumindest ersten oder zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6–9, 10–13, 14, 15) des Zwischenverbindungsabschnitts und von demselben Material durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das bewegliche Element (33) auf dem dielektrischen Layer (7, 12) gebildet wird, und das bewegliche Element (33) durch lokales Entfernen des dielektrischen Layers (7, 12) gelöst bzw. befreit wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Verfahrensschritt des Bilden des Zwischenverbindungsabschnitts Folgendes aufweist: Bilden eines ersten metallischen Zwischenverbindungslayers (2, 3, 4, 6) auf dem Substrat (1), Bilden eines dielektrischen Zwischenlayers (7) auf dem ersten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6) und Bilden eines zweiten metallischen Zwischenverbindungslayers (9, 10) auf dem dielektrischen Zwischenlayer (7), und Bilden des beweglichen Elementes (33) zur gleichen Zeit und von dem gleichen Material wie der zweite metallische Zwischenverbindungslayer (9, 10).
  14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Verfahrensschritt des Bilden des Zwischenverbindungsabschnitts Folgendes aufweist: Bilden eines ersten metallischen Zwischenverbindungslayers (2, 3, 4, 6) auf dem Substrat (1); Bilden eines ersten dielektrischen Zwischenlayers (7) auf dem ersten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6); Bilden eines zweiten metallischen Zwischenverbindungslayers (9, 10) auf dem ersten dielektrischen Zwischenlayer (7); Bilden eines zweiten dielektrischen Zwischenlayers (12) auf dem zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (9, 10); und Bilden eines dritten metallischen Zwischenverbindungslayers (13, 14, 15) auf dem zweiten dielektrischen Zwischenlayer (12); und Bilden des beweglichen Elementes (33) zur gleichen Zeit und von dem gleichen Material wie der zweite metallische Zwischenverbindungslayer (9, 10).
  15. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Verfahrensschritt des Bilden des Zwischenverbindungsabschnitts Folgendes aufweist: Bilden eines ersten metallischen Zwischenverbindungslayers (2, 3, 4, 6) auf dem Substrat (1); Bilden eines ersten dielektrischen Zwischenlayers (7) auf dem ersten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6); Bilden eines zweiten metallischen Zwischenverbindungslayers (9, 10) auf dem ersten dielektrischen Zwischenlayer (7); Bilden eines zweiten dielektrischen Zwischenlayers (12) auf dem zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (9, 10); und Bilden eines dritten metallischen Zwischenverbindungslayers (13, 14, 15) auf dem zweiten dielektrischen Zwischenlayer (12); und Bilden des beweglichen Elementes (33) zur gleichen Zeit und von dem gleichen Material wie der dritte metallische Zwischenverbindungslayer (13, 14, 15).
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Verfahrensschritt des Bilden des Zwischenverbindungsabschnitts ein Bilden von festen passiven Vorrichtungen (35, 36, 37–40–43–45) darin aufweist.
  17. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Verfahrensschritt des Bildens der festen passiven Vorrichtungen (35, 36, 37–40–43–45)) den Verfahrensschritt ihres Verbindens untereinander durch zumindest einen, nämlich den zumindest ersten oder zweiten metallischen Zwischenverbindungslayer (2, 3, 4, 6–9, 10–13, 14, 15) aufweist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Substrat (1) aus einem isolierenden und nicht halbleitenden Material hergestellt ist.
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