Imec ermöglicht die Integration von III-V-Chiplets auf Si-CMOS. ermöglicht durch die Weiterentwicklung seiner 300-mm-RF-Silizium-Interposer-Plattform mit hochdichten MIMCAPs, passiver Modellierung und laserunterstütztem Bonden

MIMCAP mit hoher Dichte in einem 300-mm-Silizium-Interposer

MIMCAP mit hoher Dichte in einem 300-mm-Silizium-Interposer

– Imec entwickelt seinen 300-mm-RF-Silizium-Interposer zu einer einzigartigen Plattform auf Systemebene für die heterogene Integration von III-V-Chiplets auf Si-CMOS weiter – mit dem Ziel, Anwendungen im Bereich der mmWave-/Sub-THz-Funktechnik sowie Hochgeschwindigkeitsanwendungen in Rechenzentren abzudecken.
– Eine neue MIMCAP-Architektur bietet eine 10- bis 100-fache Steigerung der Kapazitätsdichte im Vergleich zu typischen On-Chip-Kondensatoren in III-V-Technologien und ermöglicht so kompaktere und kostengünstigere Designs.
– Ein skalierbares Modellierungsframework für passive RF-Interposer, das bis in den Sub-THz-Bereich validiert wurde, verkürzt die Entwicklungszeit erheblich.
– Das laserunterstützte Bonden ermöglicht die Montage von III-V-Chiplets auf Interposer-Stacks mit hohem Anteil an passiven Komponenten, ohne die thermischen Budgets zu beeinträchtigen oder temperaturempfindliche Schichten zu beschädigen.

Imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für fortschrittliche Halbleitertechnologien, entwickelt seinen 300-mm-HF-Silizium-Interposer zu einer Plattform auf Systemebene für die heterogene Integration von III-V-Chiplets auf Si-CMOS weiter. Durch die einzigartige Kombination von hochdichten eingebetteten Kondensatoren, einem skalierbaren Modellierungsframework für passive Komponenten und laserunterstütztem Bonden für die III-V-Chiplet-Montage legt die Plattform den Grundstein für drahtlose Systeme der nächsten Generation (mmWave und Sub-THz) sowie für die Signalverarbeitung in HF-Qualität für ultraschnelle Rechenzentrumsanwendungen.

Da drahtlose Systeme zunehmend in den mmWave- und Sub-THz-Frequenzbereich vorstoßen und elektronische sowie photonische Schnittstellen in Rechenzentren immer mehr an ihre Grenzen stoßen, wird es zunehmend schwieriger, eine leistungsstarke Signalverarbeitung zu gewährleisten, ohne dabei die Komplexität der Systemintegration, die Kosten, den Stromverbrauch und den Platzbedarf in die Höhe zu treiben.

Eine vielversprechende Lösung besteht darin, die überlegene Verstärkung, Leistung und Effizienz von III-V-Materialien – wie InP, GaAs und GaN – mit der Skalierbarkeit und Kosteneffizienz der Si-CMOS-Technologie zu kombinieren. Eine chipletbasierte heterogene Integration auf einem leistungsstarken RF-Silizium-Interposer macht dies möglich: Dabei werden leistungskritische Funktionen in kompakten III-V-Chiplets ausgeführt, während der Interposer verlustarme Verbindungen bereitstellt und die übrigen passiven Komponenten beherbergt.

Imec hat eine solche Plattform kontinuierlich weiterentwickelt. Im Jahr 2024 demonstrierte das Unternehmen die nahtlose Integration von InP-Chiplets auf einem 300-mm-HF-Silizium-Interposer mit vernachlässigbarem Einfügungsverlust bei 140 GHz. Im Jahr 2025 erweiterte es den rekordtiefen Einfügungsverlust der Plattform auf bis zu 325 GHz. Nun erweitert imec diese Plattform um drei neue, sich ergänzende Komponenten: hochdichte eingebettete Kondensatoren, ein skalierbares Modellierungsframework für passive Bauelemente und laserunterstütztes Bonden für die III-V-Chiplet-Montage.

Eine 10- bis 100-fache Steigerung der MIMCAP-Kapazitätsdichte für erhöhte Kompaktheit und Kosteneffizienz

„Ein entscheidender Hebel zur Verringerung der Größe und der Kosten von III-V-Chiplets ist die Auslagerung passiver Komponenten – wie beispielsweise Entkopplungskondensatoren – auf den HF-Silizium-Interposer“, erklärt Xiao Sun, Principal Member of Technical Staff bei imec. „In einem auf der diesjährigen IMS/RFIC-Konferenz vorgestellten Beitrag zeigen wir, wie die Kombination dieses Auslagerungsansatzes mit einer neuen MIMCAP-Architektur eine 10- bis 100-fache Steigerung der Kapazitätsdichte im Vergleich zu typischen On-Chip-Kondensatoren in III-V-Technologien ermöglicht. Dies ermöglicht kompaktere und kosteneffizientere Systemdesigns und verbessert die Stromversorgung für mmWave- und Sub-THz-Funksysteme sowie für Hochgeschwindigkeitsanwendungen in Rechenzentren.“

Die neue MIM-Kondensatorarchitektur (MIMCAP) von imec kombiniert ein High-k-Dielektrikum aus Aluminium-Hafnium-Oxid mit dreidimensionalen (3D) Oxid-Stud-Strukturen im Back-End-of-Line (BEOL).

Ein Modellierungsrahmen für die berechenbare Konstruktion passiver Bauelemente bis hin zu Frequenzen im Sub-THz-Bereich

Ergänzend zu diesen Bemühungen hat imec kürzlich ein Modellierungsframework für passive RF-Interposer vorgestellt, das bis in den Sub-THz-Bereich (~300 GHz) validiert wurde. Das Modell von imec ermöglicht es Entwicklern, die Schaltungsleistung bei Geometrieänderungen genau vorherzusagen, ohne jede Variation neu simulieren oder messen zu müssen, was die Entwicklungszeit erheblich verkürzt.

Bislang konzentriert sich das Framework von imec auf die Leistung von Übertragungsleitungen – es bildet jedoch die Grundlage für eine umfassende Designbibliothek, die derzeit auf andere passive Komponenten, darunter Induktivitäten und MIMCAPs, ausgeweitet wird.

Laserunterstütztes Bonden ermöglicht die Montage von passivkomponentenreichen III-V-Chiplet-Systemen

Schließlich demonstrierte imec den Einsatz von laserunterstütztem Bonden zur Integration von III-V-Chiplets auf seinem RF-Silizium-Interposer, was die Montage von Chiplets auf einem komplexen, passivkomponentenreichen Stapel ermöglicht, ohne das thermische Budget zu beeinträchtigen oder temperaturempfindliche Interposer-Schichten zu beschädigen.

Der Ansatz von imec erreicht eine Ausrichtungsgenauigkeit von unter 600 nm und eine Rotationsabweichung von unter 0,05° über 43 Bauelemente hinweg. HF-Messungen bestätigen die erhaltene Leistung nach der Montage mit einer Reflexion von unter −15 dB im Bereich von 110–170 GHz, was einen gangbaren Weg hin zu vollständig montierten, auf Chiplets basierenden Hochfrequenzsystemen aufzeigt.

Xiao Sun: „Mit dieser Arbeit präsentieren wir eine einzigartig integrierte Plattform, die Leistungsfähigkeit, Skalierbarkeit und Produzierbarkeit vereint. Unser nächstes vorrangiges Ziel ist es, die technologische Reife der Plattform weiter voranzutreiben und die Unterstützung für die Kleinserienfertigung zu ermöglichen – damit können unsere Partner RF-Systeme der nächsten Generation einfacher entwickeln und skalieren.“

Weitere technische Details finden Interessierte in den aktuellen Konferenzbeiträgen von imec, die auf der IMS und der ECTC 2026 vorgestellt wurden.