JP2005509286A - 高周波測定用集積半導体素子およびその使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、高周波測定用の集積半導体素子およびその使用に関する。
本発明によれば半導体素子は、第１のシリコン層（１２）とそれに続く二酸化シリコン層（絶縁層（１４））とそれに続く第２のシリコン層（パターン層（１６））から成る半導体回路（ＳＯＩウェハ（１０））の構成部分である。半導体素子は、共振器（２４）を備えたインパット発振器（３０）と、共振器（２４）を備えた低周波の基準発振器（４６）と、ショットキーダイオードの集積された受信ミキサと、送受信アンテナによって構成されている。この場合、前記のインパット発振器（３０）は、パターン層（１８）内に配置されシリコンから成り金属化されたシリンダ体（１８）と、このシリンダ体（１８）を第１のシリコン層（１２）の領域で覆う結合ディスク（２８）と、この結合ディスク（２８）の切り欠き（３８）を介して共振器（２４）のシリンダ体（１８）と接続されているインパットダイオード（３２）とを有している。さらに前記の基準発振器（４６）は、パターン層（１６）内に配置されシリコンから成り金属化されたシリンダ体（１８）と、このシリンダ体（１８）を第１のシリコン層（１２）の領域で覆う結合ディスク（２８）と、この結合ディスク（２８）の切り欠き（３８）を介して共振器（２４）のシリンダ体（１８）と接続されているマイクロ波導体とを有しており、ここで基準発振器は能動的な発振器回路（５８）を介して、インパット発振器（３０）の周波数安定化のために用いられる。

Description

本発明は、高周波測定用集積半導体素子およびその使用に関する。

従来の技術
半導体テクノロジーはますます自動車技術に取り込まれるようになってきている。微小化によって、エンジン特有の機能に関する制御技術や調整技術の改善を実現するのみならず、新たな安全システムや走行快適性向上システムたとえばパーキング支援、プリクラッシュ機能やサイドクラッシュシステム、死角識別、充填レベル測定、間隔測定などに対する新たな道をも開くものである。すべての制御技術的および調整技術的なプロセスのために、できるかぎり微小化されたセンサ機構が自動車内に設けられていなければならない。

通常、一例として挙げた上述の適用分野のためには無接触型センサが用いられ、これは特定の周波数の測定ビームを放出し、このビームは被測定物体のところで反射し、受信ユニットによって再び捕捉され評価される。

充填レベル測定に関して約２〜２４ＧＨｚのマイクロ波レンジの測定機器が知られており、それらの測定機器はＦＭＣＷ方式またはパルスレーダ方式で動作する。この種の充填レベルセンサは、たとえば可燃性物質を有する容器内あるいは高い周囲温度など問題の多い周囲条件のもとで定置されたロバストな使用のためテフロンまたはＲＴ−デュリオド（RT-Duriod）のような支持体基板上で実現される。さらに自動車用の短距離レーダシステムも知られており、これはパーキング支援のために用いられたり、あるいはプリクラッシュセンサとして用いられ、約２０ＧＨｚの範囲の測定周波数をもっている。

１５０ｍの到達距離までの距離測定のために、様々な解決手法をもつセンサが開発されてきた。コスト的に非常に有利であるがそのためビーム集束が僅かであることから比較的不精確であるのが超音波装置である。それよりもずっと精確であるのがレーザ距離測定器であるが、これは思い通りに微小化させることはできず、したがって著しく高価である。さらにマイクロ波領域で測定を実施可能な距離センサが知られている。そのために必要とされるセンサはたしかに半導体回路に基づいてはいるけれども、必要とされる励起源（発振器）はあとになってはじめて通常のハイブリッド技術により半導体回路上に取り付けられる。ここで欠点となるのは、半導体回路への送信ユニットの結合の再現性が困難であることから微小化に制約が加えられてしまうことである。しかもあとから半導体回路に取り付けらた発振器を手間をかけて補償調整しなければならない。測定精度は送信周波数の安定性にも依存する。この場合、周波数安定化に必要とされる基準発振器も取り付けて調整しなければならない。

発明の利点
本発明による高周波測定用集積半導体素子によれば、非常に短い寸法でも高精度に測定できる距離測定機器が実現される。本発明による半導体素子は以下の特徴を有している。すなわちこの半導体素子は、第１のシリコン層とそれに続く二酸化シリコン層（絶縁層）とそれに続く第２のシリコン層（パターン層）から成る半導体回路（ＳＯＩウェハ）の構成部分である。そして半導体素子は以下の要素によって構成されている。すなわち、
ａ）共振器を備えたインパット発振器、これはパターン層内に配置されシリコンから成り金属化されたシリンダ体と、このシリンダ体を第１のシリコン層の領域で覆う結合ディスクと、この結合ディスクの切り欠きを介して共振器のシリンダ体と接続されているインパットダイオードとを有している。
ｂ）共振器を備えた低周波の基準発振器、これはパターン層内に配置されシリコンから成り金属化されたシリンダ体と、このシリンダ体を第１のシリコン層の領域で覆う結合ディスクと、この結合ディスクの切り欠きを介して共振器のシリンダ体と接続されているマイクロ波導体とを有しており、ここで基準発振器は能動的な発振器回路を介して、インパット発振器の周波数安定化のために用いられる。
ｃ）ショットキーダイオードの集積された受信ミキサ。
ｄ）送受信アンテナ。

このようにして、ミリメータ波領域の著しく高い駆動周波数（１２０〜１３０ＧＨｚ）における測定が保証される。マイクロ波領域におけるこのような測定によって高いビーム化状態（±５゜の半値幅よりも小さい）が実現され、その結果、受信ユニットとしても用いられる準最適化されたアンテナが３０ｍｍよりも小さいレンズ直径をもつことができるようになる。また、ここで使用される半導体材料によれば、必要とされるプレーナコンポーネントをマイクロストリップ線路技術でシリンダ状共振器の周囲にエッチングで露出させたシリコン膜上に集積させることができるし、あるいはコプレーナ技術でも周囲のシリコンベース基板上に集積させることができる。マイクロメカニカル技術によりパターニングされる共振器、ショットキーダイオード、バラクタダイオードのようなすべての受動的なコンポーネントと、インパットダイオードのようなすべての能動的なコンポーネントは、半絶縁性のＳＯＩウェハ上に集積される。

殊に有利に達成されることは、高周波信号を伴う接続端子がシステムから導出されていないことである。これにより１つのチップ上に完全なレーダシステムを集積させることができる。

インパット発振器は有利には８０〜５００ＧＨｚの範囲の一定の周波数を発生し、殊に１００〜１５０ＧＨｚの範囲の一定の周波数を発生する。基準発振器は有利には１〜７０ＧＨｚの領域の一定の周波数を発生するよう構成されており、殊に２０〜５０ＧＨｚの範囲の一定の周波数を発生するよう構成されている。共振器のシリンダ体は、金属層として設けられるそれぞれ約１μｍの厚さのアルミニウム層によって覆われる。共振器を覆う結合ディスクの仕様は、マイクロ波領域にあり妨害を及ぼす送信エネルギーがその周縁部から流れ出ることがないよう選定されている。

本発明の１つの有利な実施形態によればインパット発振器は電圧制御型であり、制御のため結合ディスクの周縁部にバラクタダイオードが埋め込まれている。インパットダイオードの電圧供給は有利には２つのローパスフィルタを介して行われる。

半導体回路の導体層は、その上に配置されるマイクロストリップ導体回路用の支持体基板として用いられる。この場合、半導体回路にパッチアンテナを集積させることができる。有利なモノスタティック形態の場合、パッチアンテナは円偏波型の共通の送受信アンテナとして用いられる。当然ながらバイスタティック形態も考えられ、その場合には直線偏波型または円偏波型の別個の送信アンテナと受信アンテナが設けられる。

インパット発振器が発した送信エネルギーは周囲を取り囲むマイクロストリップ導体回路へ、結合素子を介して供給される。この場合、送信エネルギーの一部分をパッチアンテナへ出力結合するため、および基準発振器による周波数安定化のために、たとえば分岐路結合器を設けることができる。さらに能動的な発振器回路を、有利には付加的な半導体回路として通常のハイブリッド技術により半導体回路に取り付けることができ、あるいはこれを別個の個別トランジスタとして実現することができる。個別トランジスタとした場合に有利であるのは、必要とされる整合回路をコプレーナ技術またはマイクロストリップ線路技術で半導体回路に集積させることである。さらに有利であるのは、送信信号を同相成分と直交成分とに分離するために別の分岐線路結合器を設けることである。モノスタティック形態の事例ではこの結合器は付加的に、送信信号と受信信号の分離のためにも用いられる。

本発明による半導体素子を距離測定センサの構成部分として使用すると有利である。その際にこのセンサはたとえば自動車において死角識別、プリクラッシュ識別、サイドクラッシュ識別、間隔測定のために利用されることになり、あるいはパーキング支援として利用されることになる。

従属請求項には本発明のその他の有利な実施形態が示されている。

図面
次に、添付の図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。

図１〜図３は、種々の製造段階における高周波用途の半導体素子を示す断面図である。

図４は、発振器のための共振器を側方から見た俯瞰図である。
図５は、インパット発振器を示す平面図である。
図６は、インパットダイオードの領域における半導体素子の断面図である。
図７は、モノスタティック型の実施形態を示すブロック図である。
図８は、バイスタティック型の実施形態を示すブロック図である。
図９は、図７によるモノスタティック型の実施形態の別の様子を示す図である。
図１０は、付加的に取り付けられた半導体回路における基準発振器を伴う実施形態を示す図である。
図１１は、距離測定用センサの構造を示す図である。

実施例の説明
図１には市販のＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハからなる一部分の断面図が示されており、これは本発明による半導体素子を備えた半導体回路１０を製造するために用いられる。共通の製造ステップにおいて半導体回路１０のすべてのコンポーネントをコプレーナ技術またはプレーナ技術で製造することは一般に知られているため、それについてはここでは詳しくは説明しない。ウェハは、シリコンから成り６７５μｍの厚さをもちｐ⁻型にドーピングされた半絶縁性のパターン層１６によって構成される。この層は５００〜１０００Ωｃｍの範囲の比抵抗たとえば７５０Ωｃｍの比抵抗を有している。パターン層１６は、二酸化シリコンから成り約３００ｎｍの厚さの絶縁層１４によって覆われ、さらにその上に、５０μｍの厚さをもちｐ⁻型にドーピングされシリコンから成る層１２が被着されている。

二酸化シリコンから成る層１４は、パターン層１６に対しマイクロメカニカル技術によるパターニングをトレンチエッチングする際にエッチストップとして用いられる。トレンチエッチングプロセスにより、精確に５０μｍの厚さの層１２と３００ｎｍの厚さの層１４から成る膜が露出させられ、それによって層１６に空隙１９が形成されることになる。この空隙１９にシリコンから成るシリンダ体１８が突出し（図２）、これはほぼ空隙１９によって取り囲まれている。このようなパターンは、トレンチエッチング中に適切なマスク処理を施すことにより実現可能である。

できあがったシリンダ状の構造体１８は、蒸着またはスパッタリングにより約１μｍの厚さのアルミニウム層２０によって覆われる（図３）。これにより金属化されたシリンダ体１８は半絶縁性のシリコンにより覆われた高いＱ（Ｑ≒２００）の共振器として用いられ、この共振器は所期のように要求条件に従いＴＭ_０１０モードまたはＴＥ_１１１モードで励起させることができる。この場合、従来技術では放熱のため共振器２４の領域で必要とされた付加的な銅層を省くことができる。

シリンダ体１８上方の層１２の領域に結合ディスク２８が蒸着され、これはその下に位置するシリンダ体１８を越えて延在している（図４）。この結合ディスク２８には切り欠き３８が（たとえばスリットとして）パターニングされる。結合ディスク２８のサイズは、その周縁部からマイクロ波エネルギーが出ていかないように選定されている。共振器２４は（それぞれサイズと電圧供給を異ならせることで）送信器としても基準源としても適している。あとで詳しく説明するインパット（Impatt）発振器３０のための共振器２４は、約７２５μｍの高さと、望ましい共振周波数１２２．３ＧＨｚに合わせられた２４２μｍの半径を有している。４０ＧＨｚの基準周波数であれば、高さが７２５μｍのとき半径は８００μｍとなる。

図５にはインパット発振器３０の平面図が示されており、これはたとえばマイクロ波領域の送信信号を発生させるために必要とされる。共振器２４のほかインパット発振器３０はインパット（Impatt）ダイオード３２を有しており、これには２つのローパスフィルタ３４，３６を介して電圧が供給される。インパットダイオード３２は結合ディスク２８の切り欠き３８内に置かれており、これによって層１２に集積されたマイクロストリップ導体回路との接続が可能となる。インパット発振器３０の発した送信エネルギーは結合素子４０を介して、周囲を取り囲むマイクロストリップ導体回路へ供給される。インパット発振器３０は、殊に好適なＴＥ_１１１モードで作動させることができる。電圧制御形発振器の場合であれば、インパットダイオード３２に加えてバラクタダイオード４２が結合ディスク２８の周縁部に埋め込まれる（図９参照）。

図６には、インパットダイオード３２の領域における半導体回路１０の断面図が示されている。この種のダイオードは周知であるので、個々の層もしくは機能要素の詳しい説明はここでは個所では省略する。この場合、インパットダイオード３２は上下に続くかたちでアルミニウム層３３、ｐ^＋型にドーピングされたシリコン層３５、エピシリコン層３７、ならびにｎ^＋型にドーピングされた層３９を有している。

基準発振器４６（図９）の構造は基本的にインパット発振器３０の構造と等しい。ただしＴＭ_０１０モードで作動させるためには、インパットダイオード３２を介して接続を行うことはできず、他の適切な媒介導体を組み込む必要がある。ＴＭ_０１０モードによって、殊に安定した基準信号の生成が可能となる。

図７には、円偏波型の共通の送受信アンテナを備えたモノスタティック型の実施形態に関するブロック図が示されている。この装置には、１２２ＧＨｚの領域で高周波送信信号を発生するインパット発振器３０と、周波数の安定化と線形化に用いられる基準発振器４６が含まれている。安定化と線形化のため４０ＧＨｚの領域の一定の基準信号が生成される。送信信号は結合部４０を介してパッチアンテナ４８に給電される。半導体回路１０全体は、ケーシングとして用いられるスーパーストレート５０により周囲の影響から保護されている。３０ｍｍよりも小さい直径をもたせることのできるレンズ５２により、放射される測定ビームがフォーカシングされる。図示されているモノスタティック型の実施形態のほか、送信アンテナおよび受信アンテナを直線偏波型または円偏波型のユニットとして実現することもできる。したがって図８には、別個のパッチアンテナ５４およびそれとは独立した受信アンテナ５６が示されている。

図７には主要部として、インパット発振器（送信器）３０、基準源（基準発振器４６）を備えた周波数準備処理部３１、アンテナシステム４９、およびショットキーダイオードの集積された受信ミキサ５１が示されている。これらは１つのコンパクトなチップに集積されている。（マイクロ波レンジの）高周波接続部は外部には導かれていない。

図７に示したモノスタティック型の別の形態が図９に示されており、これは距離測定用レーダシステムに適している。周波数安定化のため能動的な発振器回路５８が設けられており、これは付加的なＧａＡｓ半導体回路としてフリップチップ技術で取り付けられる。これに対する代案としてこの能動的な発振器回路５８を、導通状態で接着された別個の個別トランジスタによって実現することもできる。この事例で必要とされる整合回路を、コプレーナストリップ線路技術またはマイクロストリップ線路技術でやはり半導体回路１０の層１２へ集積させることができる。

インパット発振器３０から発せられた送信エネルギーは分岐線路結合器６０，６２を介して、基準発振器４６を備えた周波数安定化部分において利用される。別の分岐線路結合器６４によって、円偏波型のパッチアンテナ４８への給電のため送信信号は同相成分と直交成分とに分離され、これと同時にモノスタティック型システムにおける送信信号と受信信号の分離も行われる。ラットレースミキサに対し第１の入力側において受信信号が分岐線路結合器４６から供給され、第２の入力側において発振器エネルギーが基準発振器４６から供給される。

図１０に示されている別の実施形態によれば、基準として用いられる発振器４６がＳｉＧｅ半導体回路としてフリップチップボンディングにより半導体回路１０に取り付けられている。

図１１には再度、スーパーストレート５０とアンテナレンズ５２を備えたレーダシステムの構造が縮尺どおりではなく略示されている。

種々の製造段階における高周波用途の半導体素子を示す断面図である。 種々の製造段階における高周波用途の半導体素子を示す断面図である。 種々の製造段階における高周波用途の半導体素子を示す断面図である。 発振器のための共振器を側方から見た俯瞰図である。 インパット発振器を示す平面図である。 インパットダイオードの領域における半導体素子の断面図である。 モノスタティック型の実施形態を示すブロック図である。 バイスタティック型の実施形態を示すブロック図である。 図７によるモノスタティック型の実施形態の別の様子を示す図である 付加的に取り付けられた半導体回路における基準発振器を伴う実施形態を示す図である。 距離測定用センサの構造を示す図である。

Claims (20)

1. 高周波測定用集積半導体素子において、
   該半導体素子は、第１のシリコン層（１２）と該シリコン層（１２）に続く二酸化シリコン層（絶縁層（１４））と該二酸化シリコン層（１４）に続く第２のシリコン層（パターン層（１６））から成る半導体回路（ＳＯＩウェハ（１０））の構成部分であり、
   該半導体素子は、
   ａ）共振器（２４）を備えたインパット発振器（３０）と、
   ｂ）共振器（２４）を備えた低周波の基準発振器（４６）と、
   ｃ）ショットキーダイオードの集積された受信ミキサ（５１）と、
   ｄ）送受信アンテナ（４９）とから成り、
   前記インパット発振器（３０）は、前記パターン層（１６）内に配置されシリコンから成り金属化されたシリンダ体（１８）と、該シリンダ体（１８）を前記第１のシリコン層（１２）の領域で覆う結合ディスク（２８）と、該結合ディスク（２８）の切り欠き（３８）を介して前記共振器（２４）のシリンダ体（１８）と接続されているインパットダイオード（３２）を有しており、
   前記基準発振器（４６）は、前記パターン層（１６）内に配置されシリコンから成り金属化されたシリンダ体（１８）と、該シリンダ体（１８）を前記第１のシリコン層（１２）の領域で覆う結合ディスク（２８）と、該結合ディスク（２８）の切り欠き（３８）を介して前記共振器（２４）のシリンダ体（１８）と接続されているマイクロ波導体を有しており、該基準発振器（４６）は能動的な発振器回路（５８）を介して、インパット発振器（３０）の周波数安定化のために用いられることを特徴とする、
   高周波測定用集積半導体素子。
2. 前記インパット発振器（３０）は、８０〜５００ＧＨｚの範囲たとえば１００〜１５０ＧＨｚの範囲の一定の周波数を発生する、請求項１記載の集積半導体素子。
3. 前記基準発振器（４６）は、１〜７０ＧＨｚたとえば３０〜５０ＧＨｚの範囲の一定の周波数を発生する、請求項１記載の集積半導体素子。
4. 前記共振器（２４）のシリンダ体（１８）は金属層（２０）たとえばアルミニウムから成る金属層（２０）により覆われている、請求項１から３のいずれか１項記載の集積半導体素子。
5. 前記共振器（２４）の結合ディスク（２８）の仕様は、その周縁部から送信エネルギーを流出させることがないよう選定されている、請求項４記載の集積半導体素子。
6. 前記インパット発振器（３０）は電圧制御型であり、前記結合ディスク（２８）の周縁部にバラクタダイオード（４２）が埋め込まれている、請求項４記載の集積半導体素子。
7. 前記インパットダイオード（３２）の電圧供給は２つのローパスフィルタ（３４，３６）を介して行われる、請求項１から６のいずれか１項記載の集積半導体素子。
8. 前記第１のシリコン層（１２）はマイクロ波導体回路用の支持体基板として用いられる、請求項１から７のいずれか１項記載の集積半導体素子。
9. 前記半導体回路（１０）は集積された受信器としてパッチアンテナ（４８）を有している、請求項１から８のいずれか１項記載の集積半導体素子。
10. 前記パッチアンテナ（４８）は円偏波型の共通の送受信アンテナ（モノスタティック形態）として用いられる、請求項９記載の集積半導体素子。
11. 前記基準発振器（４６）はハイブリッド技術で半導体回路（１０）に取り付けられた固有の回路の構成部分である、請求項１から１０のいずれか１項記載の集積半導体素子。
12. 前記インパット発振器（３０）の発した送信エネルギーは、周囲を取り囲むマイクロストリップ導体回路へ結合素子（４０）を介して供給される、請求項１から１１のいずれか１項記載の集積半導体素子。
13. パッチアンテナ（４８）へ送信エネルギーの一部分を出力結合させるため、および基準発振器（４６）による周波数安定化のために、分岐線路結合器（６０，６２）が設けられている、請求項１２記載の集積半導体素子。
14. 前記能動的な発振器回路（５８）は付加的な半導体回路である、請求項１から１３のいずれか１項記載の集積半導体素子。
15. 前記能動的な発振器（５８）は別個の個別トランジスタである、請求項１から１３のいずれか１項記載の集積半導体素子。
16. 必要とされる整合回路がコプレーナ線路技術またはマイクロストリップ線路技術で前記半導体回路（１０）に集積されている、請求項１５記載の集積半導体素子。
17. 送信信号を同相成分と直交成分とに分離するために別の分岐線路結合器（６４）が設けられている、請求項１から１６のいずれか１項記載の集積半導体素子。
18. 前記別の分岐線路結合器（６４）はモノスタティック形態において送受信信号分離に用いられる、請求項１７記載の集積半導体回路。
19. 前記半導体素子は距離測定センサの構成部分である、請求項１から１８のいずれか１項記載の半導体素子の使用。
20. 前記センサは自動車において死角識別、プリクラッシュ識別、サイドクラッシュ識別、パーキング支援および間隔測定のために用いられる、請求項１９記載の使用。

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