(57)【要約】本発明は集積半導体回路に対する高周波発振器およびその使用に関する。高周波発振器（３０）は半導体回路（１０）の構成部分であって、半導体回路は第１のケイ素層（１２）と、続く二酸化ケイ素層（絶縁層（１４））と、続く別のケイ素層（構造層（１６））を有しており（ＳＯＩウェハ）、高周波発振器（３０）は、（ａ）構造層（１６）内に配置された、ケイ素から成る金属化された円柱（１８）と、円柱（１８）を層（１２）の領域で覆っている結合ディスク（２８）とを有する共振器（２４）、並びに（ｂ）結合ディスク（２８）の切欠部（３８）を介して共振器（２４）の円柱と接続されているインパットダイオード（３２）を含む。
2005509296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積半導体回路に対する高周波発振器において、
高周波発振器（３０）は半導体回路（１０）の構成部分であって、
当該半導体回路は第１のケイ素層（１２）と、続く二酸化ケイ素層（絶縁層（１４））と、続く別のケイ素層（構造層（１６））を有しており（ＳＯＩウェハ）、
前記高周波発振器（３０）は、
（ａ）前記構造層（１６）内に配置された、ケイ素から成る金属化された円柱（１８）と、当該円柱（１８）を前記層（１２）の領域で覆っている結合ディスク（２８）とを有する共振器（２４）、並びに
（ｂ）前記結合ディスク（２８）の切欠部（３８）を介して前記共振器（２４）の円柱（１８）と接続されているインパットダイオード（３２）
を含む、
ことを特徴とする、集積半導体回路に対する高周波発振器。
【請求項２】
前記高周波発振器（３０）は８０〜５００ＧＨｚ、殊に１００〜１５０ＧＨｚの範囲内の固定した周波数を発生するように寸法が定められている、請求項１記載の高周波発振器。
【請求項３】
前記共振器（２４）の円柱（１８）は、アルミニウム層（２０）によって覆われている、請求項１または２記載の高周波発振器。
【請求項４】
前記共振器（２４）の結合ディスク（２８）は、自身の縁部で送出エネルギーが流出ないように寸法が定められている、請求項１から３までのいずれか１項記載の高周波発振器。
【請求項５】
前記高周波発振器（３０）は電圧制御されており、バラクタダイオードが前記結合ディスク（２８）の縁部に打ち込まれている、請求項１から４までのいずれか１項記載の高周波発振器。
【請求項６】
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５までのいずれか１項記載の高周波発振器。
【請求項７】
前記層（１２）は、自身の上に配置されているマイクロストリップ回路用の支持体基体として用いられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の高周波発振器。
【請求項８】
前記高周波発振器（３０）の発生された送出エネルギーの、周囲のマイクロストリップ回路への供給は、結合素子（４０）を介して行われる、請求項１から７までのいずれか１項記載の高周波発振器。
【請求項９】
高周波発振器（３０）は距離測定用センサの構成部分である、
ことを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の高周波発振器の使用。
【請求項１０】
前記センサは自動車内で死角識別、プレクラッシュ識別およびサイドクラッシュ識別、パーキング支援および間隔測定等のために使用される、請求項９記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、集積半導体回路に対する高周波発振器およびその使用に関する。
【０００２】
従来技術
半導体工学は自動車技術内でますます使用されてきている。小型化は、エンジン特有の機能の制御技術および調整技術の改良を可能にしただけでなく、新たな安全システムおよび車両快適性システム（例えばパーキング支援、プレクラッシュ機能およびサイドクラッシュ機能、死角識別、充填レベル測定および間隔測定）に対する道も開いている。全ての制御技術的な過程および調整技術的な過程のために、可能な限り小型化されたセンサ技術が自動車内に存在していなければならない。
【０００３】
通常は、例示した上述の使用領域に対して無接触センサが使用される。無接触センサは特定の周波数の測定ビームを放射する。この測定ビームは、測定されるべき対象において反射され、受信ユニットによって再び検出されかつ評価される。
【０００４】
充填レベル測定に対しては、約２〜２４ＧＨｚのマイクロ波領域における測定装置が公知である。この測定装置はＦＭＣＷ原理に従って、またはパルスレーダとして作動する。このような充填レベルセンサは、問題のある周辺条件（例えば可燃性の物質が入った容器内、または高い周辺温度）下での粗野な固定的な使用に対して、テフロンまたはＲＴ−デュリオド（RT-Duriod）のような支持体基体上に実現される。さらに自動車に対する短距離レーダシステムが公知である。この短距離レーダシステムは、パーキング支援用にまたはプレクラッシュセンサとして用いられ、約２０ＧＨｚの範囲における測定周波数を有する。
【０００５】
１５０ｍの到達距離までの間隔測定に対しては、種々異なる解決アプローチを有するセンサが開発された。非常に廉価であるが、ビーム集束が僅かなので比較的不正確なのは超音波装置である。格段に正確なのはレーザ距離測定器である。しかしこのレーザ距離測定器は任意に小型化することはできず、しかも非常に高価である。さらにマイクロ波領域における測定を実行することができる間隔センサが公知である。これに必要なセンサは半導体回路に基づいているが、必要な励振源（発振器）は後から通常のハイブリッド技術によって半導体回路上に取り付けられる。ここで欠点となるのは、送出ユニットの半導体回路への結合を再現することが困難であることによって、小型化が制限されてしまうことである。さらに半導体回路上に後から取り付けられた発振器を調整するのにはコストがかかる。測定の精度は、とりわけ送信周波数の安定性にも依存する。その後、周波数を安定させるために必要な基準発振器を同じように取り付け、整合させなければならない。
【０００６】
さらに発振器を後から取り付けるのには、銅ヒートシンクのような熱依存素子を含めて、半導体回路上にコストのかかる接続構造を準備する必要がある。４０ＧＨｚより高い周波数での不十分な周波数安定および強い位相ジッタは、この周波数領域における公知の発振器の使用をあまり適格でなくさせる。
【０００７】
発明の利点
本発明の高周波発振器の集積は従来技術の問題を克服する。この高周波発振器は、第１のケイ素層、それに続く二酸化ケイ素層（絶縁層）およびそれに続く別のケイ素層（構造層）からなる半導体回路の構成部分（ＳＯＩ−ウェハ）であるという特徴を有する。ここでこの高周波発振器は、
（ａ）構造層内に配置された、ケイ素から成る金属化された円柱と、層の領域においてこの円柱を覆っている結合ディスクとを有する共振器、並びに
（ｂ）結合ディスクの切欠部を介して共振器の円柱と接続されているインパットダイオード
を含む。
【０００８】
これによって公知の発振器に対して約１０倍（Faktor）改善されたＱを有する高周波発振器が得られる。この高周波発振器はミリ波領域（８０〜５００ＧＨｚ）におけるわずかな位相ジッタを有する安定した周波数を発生する。マイクロ波領域における測定によって、高いビーム集束（±５°の半値幅より小さい）が可能である。半絶縁性のケイ素材料を使用することによって、必要なプレーナ素子をマイクロストリップ技術で、円柱状共振器の周囲でエッチングされて露出されたケイ素メンブレン上に集積することができる。またはコプレーナ技術で周囲のケイ素ベース基板上に集積することができる。マイクロマシニング技術によって構造化された共振器、ショットキーダイオード、バラクターダイオードのような全ての受動素子、並びにインパットダイオードのような全ての能動素子は、半絶縁性のＳＯＩ−ウェハ上に集積される。
【０００９】
高周波発振器は有利には、８０〜５００ＧＨｚ、殊に１００〜１５０ＧＨｚの範囲における固定した周波数を発生する。共振器の円柱は有利には約１μｍの厚さのアルミニウム層で覆われている。このアルミニウム層は、ケイ素が充填されている共振器の形成につながる。場合によっては別の金属層、殊にニッケル層が被着される。このニッケル層によってチップのはんだ付けが可能である。共振器を覆っている結合ディスクは有利には自身の縁部でマイクロ波領域における妨害性の送出エネルギーが流出しないように寸法が定められている。
【００１０】
有利な構成では高周波発振器が電圧制御されて、バラクタタダイオードが結合ディスクの縁部で駆動制御を遂行するために打ち込まれる。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。高周波発振器の発生された送出エネルギーの、周囲のマイクロストリップ回路への供給は、結合素子を介して行われる。
【００１１】
本発明による高周波発振器は有利には、距離測定用センサの構成部分として使用される。ここでこのセンサはとりわけ自動車内で死角識別、プレクラッシュ識別およびサイドクラッシュ識別、間隔測定またはパーキング支援として使用される。
【００１２】
本発明の別の有利な構成は従属請求項に挙げられた特徴部分に示されている。
【００１３】
図面
本発明を以下で添付した図面に基づいた実施例でより詳細に説明する。
【００１４】
図１から３は、様々な製造段階における高周波測定用の半導体構成素子の領域における半導体回路の断面図である。
【００１５】
図４は高周波発振器に対する共振器の斜視側面図である。
【００１６】
図５は高周波発振器の平面図である。
【００１７】
図６はインパットダイオードの領域における半導体構成素子の横断面図である。
【００１８】
図７はＴＥ１１１−モードにおける電気的な力線（Feldlinien）および磁気的な力線の流れが示されており、
図８は高周波発振器が集積された半導体回路の２つの斜視図である。
【００１９】
実施例の説明
図１には市販されているＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハの一部が断面図で示されている。このＳＯＩウェハは、本発明の高周波発振器３０を支持する半導体回路１０を製造するのに用いられる。コプレーナ技術またはプレーナ技術で既知の、半導体回路１０の全素子を１つの共通の製造ステップで製造することは一般的に公知であるのでここでは詳細に説明しない。ウェハはケイ素からなる６７５μｍの厚さを有する半絶縁性のＰ−ドーピングされた構造層１６からなる。この構造層は５００〜１０００Ωｃｍ、殊に７５０Ωｃｍの領域の特有の抵抗を有する。構造層１６は、二酸化ケイ素からなる約３００ｎｍの厚さの絶縁層１４によって覆われている。この絶縁層上にはケイ素からなる厚さ５０μｍのＰ−型ドーピング層１２が被着されている。
【００２０】
二酸化ケイ素からなる絶縁層１４は、マイクロマシニング構造体を構造層１６内にトレンチエッチングするときにエッチング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は、正確に５０μｍの厚さの層１２および厚さ３００ｎｍの絶縁層１４から成るメンブレンを露出させる。これによってケイ素から成る円柱１８が残る（図２）。円柱１８は、自由空間１９によってほぼ包囲されている。
【００２１】
生じた円柱状の構造体１８には、蒸着またはスパッタリングによって厚さ約１μｍのアルミニウム層２０が被覆される（図３）。これによって金属化された円柱１８は、高いＱ（Ｑ≒２００）を有する、半絶縁性のケイ素が充填された共振器２４として用いられる。この共振器は意図的に要求条件に応じてＴＥ１１１−モードで励振される。場合によっては付加的にニッケル層２２をアルミニウム層２０上に析出することができる。このニッケル層は、高周波発振器を有するチップ（半導体集積回路１０）をケーシング等内へ場合によってははんだ接合するためのはんだ付けベースとして用いられる。
【００２２】
層１２の領域には円柱１８の上方で結合ディスク２８が蒸着される。この結合ディスクは、自身の下にある円柱１８上に延在する（図４）。結合ディスク２８内にはとりわけ、スリットとして構成された切欠部３８が構造化されている。結合ディスク２８は自身の縁部でマイクロ波エネルギーが流出しないように設計されている。これは結合ディスク２８の直径が円柱１８の直径よりも大きいことを意味する。共振器２４は、適切な電圧供給によって送信側として適する。より詳細に説明された高周波発振器３０に対する共振器２４は、約７２５μｍの高さを有し、所望の共振器周波数１２２. ３ＧＨｚに調整された２４２μｍの半径を有する。
【００２３】
図５には、マイクロ波領域の送信信号を生成するのに必要とされるような高周波発振器３０の平面図が示されている。共振器２４の他に高周波発振器３０は、インパットダイオード３２を含む。このインパットダイオードには、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の切欠部３８内に配置され、層１２内に集積されたマイクロストリップ回路（図示されていない）への接続を可能にする。切欠部３８は種々様々な輪郭を有することができる。しかしここではこの切欠部の寸法は、発振器３０の高周波特性に影響を与えないように小さくされている。高周波発振器３０の発生された送出エネルギーは、結合ディスクに整合する形を有している結合素子４０を介して、周囲のマイクロストリップ回路に供給される。電圧制御式発振器の場合、インパットダイオード３２と付加的に同じように図示されていない、バラクタダイオードが結合ディスク２８の縁部に打ち込まれる。
【００２４】
図６には、インパットダイオード３２の領域内の半導体回路１０の横断面が示されている。このようなダイオードは公知であるので、ここでは作用の詳細な説明は省く。インパットダイオード３２は順次連続してアルミニウム層４２、Ｐ＋にドーピングされたケイ素層４４、エピ−ケイ素層４６およびｎ＋にドーピングされた層４８を有する。
【００２５】
高周波発振器３０は、高周波励振に対してとりわけ有利なＴＥ１１１−モードで駆動される。図７には、ＴＥ１１１−モードの励振の場合における電気的な力線（左側−平面図）および磁気的な力線（右側−断面図）の流れが示されている。
【００２６】
図８には、集積された高周波発振器３０を有する半導体回路１０（チップ）の２つの斜視図が示されている。この半導体回路は自動車の周辺領域で間隔測定をするレーダシステムに適している。周波数安定性を改善するために、アクチブな発振器回路５８（ここでは例えばフリップチップ技術で取り付けられる付加的なＧａＡｓ半導体回路の形である）が存在する。択一的に、アクティブな発振器回路５８を導電性に接着し、別個の単独トランジスタを実現することができる。この場合に必要な整合回路コプレーナ技術およびマイクロストリップ技術で、同じように半導体回路１０の層１２に集積される。とりわけ下方の図では自由空間１９内に突き出ている円柱１８の構成が明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
各製造段階における高周波測定用の半導体構成素子の領域における半導体回路の断面図である。
【図２】
各製造段階における高周波測定用の半導体構成素子の領域における半導体回路の断面図である。
【図３】
各製造段階における高周波測定用の半導体構成素子の領域における半導体回路の断面図である。
【図４】
高周波発振器に対する共振器の斜視側面図である。
【図５】
高周波発振器の平面図である。
【図６】
インパットダイオードの領域における半導体構成素子の横断面図である。
【図７】
ＴＥ１１１−モードにおける電気的な力線および磁気的な力線の流れを示す図である。
【図８】
高周波発振器が集積された半導体回路の２つの斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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