JP2007081124A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device with reduced source inductance, improved heat radiation characteristics, high output, good frequency characteristics and high performance. <P>SOLUTION: A gate electrode 16 formed of a metallic layer forming a Schottky barrier, a source electrode 18 and a drain electrode 11 made of ohmic metal are formed on an operating region 15 of a semiconductor substrate. A region outside the operation region 15 serves as an insulation region. The source electrode 18 is connected with a source electrode pad 10 via a wire 17. Via holes 13 and 14 are simultaneously formed immediately under the source electrode 18 and the source electrode pad 10, and the holes differ in dimensions. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電界効果トランジスタ(FET)に関し、特に高出力、高性能なFET構造に関する。   The present invention relates to a field effect transistor (FET), and more particularly to a high-power, high-performance FET structure.

従来FETは、実装する際にゲート、ソース、ドレインの3電極をボンディングワイヤで接続するのが一般的であったが、ボンディングワイヤでの接続では、特にソース電極パッドと接地間のインダクタンスがGHz帯になると無視できなくなるため、ソース電極パッドとグランドをボンディングワイヤで接続するのではなく、そのソース電極パッド直下にバイアホールを形成することによってソースインダクタンスを減少させることが行われている。そして高出力FETにおいては、ゲート、ソース、ドレイン電極をくし型に配列して接続するのが一般的である。   Conventionally, FETs have generally been connected with three wires, gate, source, and drain, using bonding wires when mounting. In connection with bonding wires, the inductance between the source electrode pad and ground is especially in the GHz band. Therefore, the source inductance is reduced by forming a via hole immediately below the source electrode pad instead of connecting the source electrode pad and the ground with a bonding wire. In a high output FET, the gate, source and drain electrodes are generally arranged in a comb shape and connected.

ソース電極と配線によって接続されたソース電極パッドは半導体基板を貫通したバイアホールにより半導体基板の裏面に設けられた金属層に接続されて接地される。ボンディング方式に比べ特性は改善されているとは言え、この構造ではソース電極からソース電極パッドに形成されたバイアホールまで配線を通して接地されることになるために、特にミリ波帯(40GHz以上の周波数帯)で発振をするのに十分大きなソースインダクタンスを有してしまう。バイアホールにもっとも近いソース電極に比較して、もっとも遠いソース電極ではその配線の長さの違いからソースインダクタンスが増加し発振しやすくなる。すなわち、1組のソース電極、ドレイン電極、ゲート電極でなる各単位FETからみたソースインダクタンス及び発振周波数も異なることになり、発振の可能性のあるいくつもの周波数が存在することになる。このため、ソースインダクタンスを低下させ、かつ各単位FETからみたソースインダクタンスを一様とすることが必要である。バイアホールはソースインダクタンスを低減するために採用されている構造であるがこの構造では上述の様に各ソース電極から見たソースインダクタンスがまちまちであるという問題点や十分にソースインダクタンスが低減できないという問題点がある。また、GaAsFETではSiと違い熱抵抗が高いため、放熱性が問題となる。バイアホールまでの距離が遠ければそれだけ放熱が悪くなり、FETの動作領域とソース電極パッドに形成したバイアホールまでに距離があるため、必ずしも放熱性がよいと言えなかった(特許文献1)。   The source electrode pad connected to the source electrode by wiring is connected to the metal layer provided on the back surface of the semiconductor substrate by a via hole penetrating the semiconductor substrate and grounded. Although the characteristics are improved compared to the bonding method, this structure is grounded through the wiring from the source electrode to the via hole formed in the source electrode pad, so that the millimeter wave band (a frequency of 40 GHz or more) is particularly required. The source inductance is large enough to oscillate in the band. Compared to the source electrode closest to the via hole, the source electrode farthest away tends to oscillate because the source inductance increases due to the difference in the length of the wiring. That is, the source inductance and the oscillation frequency seen from each unit FET composed of a set of source electrode, drain electrode, and gate electrode are also different, and there are several frequencies that can oscillate. For this reason, it is necessary to reduce the source inductance and make the source inductance as seen from each unit FET uniform. Via holes are structures used to reduce the source inductance, but with this structure, the source inductance seen from each source electrode varies as described above, and the source inductance cannot be sufficiently reduced. There is a point. Further, GaAsFET has a high thermal resistance unlike Si, and thus heat dissipation becomes a problem. If the distance to the via hole is long, the heat dissipation becomes worse, and the distance between the FET operation region and the via hole formed in the source electrode pad is not sufficient, so it cannot always be said that the heat dissipation is good (Patent Document 1).

ソースインダクタンスを均一に低減するためにソース電極パッドではなく各ソース電極直下に直接バイアホールを開けた構造を有するものもある。この構造では各単位FETからみたソースインダクタンスが低減でき、ばらつきが少ない構造となり、その限りでは理想的である。しかしながらソース電極の領域は特性を満足するために設計上限られており、自由な大きさのバイアホールを配置することはできないという問題がある。
特開平4−29330号公報
Some have a structure in which via holes are formed directly under each source electrode instead of the source electrode pad in order to reduce the source inductance uniformly. In this structure, the source inductance viewed from each unit FET can be reduced and the variation is small, and so long as it is ideal. However, the upper limit of the design of the source electrode region is satisfied in order to satisfy the characteristics, and there is a problem that a via hole having a free size cannot be arranged.
JP-A-4-29330

したがって本発明は前記に鑑みてなされたものでその目的とするところは、ソースインダクタンスを低減でき、しかも放熱特性を改善できる高出力で周波数特性のよい高性能な半導体装置を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a high-performance semiconductor device with high output and good frequency characteristics that can reduce source inductance and improve heat dissipation characteristics.

前記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、化合物半導体基板上の動作層上にショットキー接合するように形成されたゲート電極と、このゲート電極の両側の前記化合物半導体基板上の動作層上にオーミックコンタクトするように形成されたソース電極およびドレイン電極と、これらの各電極に前記化合物半導体基板上の表面に形成された配線を介して接続された電極パッドと、前記化合物半導体基板の裏面に形成された第1の導体層と、前記ソース電極の直下において前記化合物半導体基板に前記第1の導体層に達するように形成された第1のバイアホールと、この第1のバイアホールを介して前記ソース電極を前記第1の導体層に接続するように設けられた第2の導体層と、前記ソース電極に接続された電極パッドの直下において前記化合物半導体基板に前記第1の導体層に達するように形成された第2のバイアホールと、この第3のバイアホールを介して前記電極パッドを前記第1の導体層に接続するように設けられた第2の導体層とを備えることを特徴とするものである。   In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention includes a gate electrode formed on a working layer on a compound semiconductor substrate so as to form a Schottky junction, and an operation on the compound semiconductor substrate on both sides of the gate electrode. A source electrode and a drain electrode formed so as to be in ohmic contact with each other; an electrode pad connected to each of these electrodes via a wiring formed on the surface of the compound semiconductor substrate; and A first conductor layer formed on the back surface; a first via hole formed in the compound semiconductor substrate so as to reach the first conductor layer immediately below the source electrode; and the first via hole. A second conductor layer provided so as to connect the source electrode to the first conductor layer, and an electrode pad connected to the source electrode. A second via hole formed in the compound semiconductor substrate so as to reach the first conductor layer, and the electrode pad is provided to connect to the first conductor layer through the third via hole. The second conductor layer is provided.

本発明によれば、ソース電極とソース電極パッドの両方に同時にバイアホールを最適な大きさで形成している。ソース電極に形成したバイアホールによって各FET素子のトランジスタ動作領域の放熱とソースインダクタンスを一様に低減する効果をもち、ソース電極パッドに形成したバイアホールによってFET全体のソースインダクタの大幅な低減により安定化を行う。これにより高出力で周波数特性のよい高性能な半導体装置を提供することができる。   According to the present invention, the via hole is formed in the optimum size simultaneously in both the source electrode and the source electrode pad. The via hole formed in the source electrode has the effect of uniformly reducing the heat dissipation and source inductance in the transistor operating region of each FET element, and the via hole formed in the source electrode pad is stable due to a significant reduction in the source inductor of the entire FET To do. As a result, a high-performance semiconductor device with high output and good frequency characteristics can be provided.

以下本発明の実施形態につき詳細に説明する。図1は本発明の半導体装置を真上から見た図を表している。図2は図1で示したX−X‘での断面図を示している。図2で示すように本発明の半導体装置は、半絶縁性GaAs基板23上にn型GaAs動作層24がイオン注入によって形成されている。半導体基板23の裏面には第1の導体層21(接地導体層)が形成されている。n型GaAs結晶層24上にはソース電極18、ドレイン電極11、ゲート電極16が形成されソース電極18は接地導体層21と導体層22で接続されバイアホール14を形成している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 shows the semiconductor device of the present invention as viewed from directly above. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line X-X ′ shown in FIG. As shown in FIG. 2, in the semiconductor device of the present invention, an n-type GaAs operation layer 24 is formed on a semi-insulating GaAs substrate 23 by ion implantation. A first conductor layer 21 (ground conductor layer) is formed on the back surface of the semiconductor substrate 23. A source electrode 18, a drain electrode 11, and a gate electrode 16 are formed on the n-type GaAs crystal layer 24, and the source electrode 18 is connected by a ground conductor layer 21 and a conductor layer 22 to form a via hole 14.

これを図1で上部からみてみると、半導体基板の動作領域15上にショットキー障壁を成す金属層で形成されたゲート電極16、およびオーミック金属で形成されたソース電極18およびドレイン電極11が形成されている。この動作領域15の外部はイオン注入を施さない絶縁領域25である。   When viewed from the top in FIG. 1, the gate electrode 16 formed of a metal layer forming a Schottky barrier, and the source electrode 18 and the drain electrode 11 formed of ohmic metal are formed on the operation region 15 of the semiconductor substrate. Has been. The outside of the operating region 15 is an insulating region 25 where no ion implantation is performed.

2つのソース電極18は配線17を介して3つのソース電極パッド10に接続されている。ソース電極18直下およびソース電極パッド10直下には同時にバイアホール13、14が形成されている。図3は、高出力化のために各FET素子を多段にくし型に配列して形成した素子構造を上からみた図を示している。この場合、図1の素子を例として3段配列した図を表しているが一般的には必要な出力に応じて何段配列するかを決定する。   The two source electrodes 18 are connected to the three source electrode pads 10 via the wiring 17. Via holes 13 and 14 are formed immediately below the source electrode 18 and immediately below the source electrode pad 10. FIG. 3 shows a top view of an element structure formed by arranging each FET element in a multi-stage comb shape for high output. In this case, a diagram in which the elements of FIG. 1 are arranged in three stages is shown as an example, but generally, how many stages are arranged is determined according to a required output.

GaAsFETは、ソース電極18の接地インダクタンスの低減及び放熱効果の改善が高性能化には重要である。ソース電極18およびソース電極パッド10と半導体裏面の接地導体層21とを導体層22で接続するバイアホール13、14はこの両者の役割を持たすことができるが、その形成する場所の違い、すなわちソース電極18およびソース電極パッド10に形成するかによってその役割が若干異なる。ソース電極18直下にバイアホール14を形成しようとすると、そのソース電極18の電極面積はその電極幅によって制限され、その為、大きなバイアホールを形成することができない。径が小さければ、バイアホール14の持つインダクタンスのため、接地インダクタンスが完全には低減できない場合がある。しかしこのソース電極18の直下に形成するバイアホールは動作領域15で発生する熱源から近いために明らかに放熱性が改善できる。上述したようにバイアホール14ではソースインピーダンスも低減できるがFET全体にわたりソースインピーダンスを低くするには不十分である。ソース電極18に配線17を介して接続するソース電極パッド10をFETの電極配列の最外部の電極として配置する。そしてその直下に形成するバイアホール13は大径のバイアホールにし、接地インダクタンスの低減の役割を持たせる。ソース電極パッド10をFET電極配列の最外部の電極にして大きなバイアホールを形成すれば、発振する可能性のある一番遠い経路でソースインダクタンスを低減できるのと同時に最外部でショート端となるため不要な電波の放射がなく特性を安定させることができる。   In the GaAsFET, reduction of the ground inductance of the source electrode 18 and improvement of the heat dissipation effect are important for high performance. The via holes 13 and 14 that connect the source electrode 18 and the source electrode pad 10 to the ground conductor layer 21 on the back surface of the semiconductor by the conductor layer 22 can serve both of these roles. The roles are slightly different depending on whether the electrode 18 and the source electrode pad 10 are formed. If an attempt is made to form the via hole 14 directly under the source electrode 18, the electrode area of the source electrode 18 is limited by the electrode width, and therefore a large via hole cannot be formed. If the diameter is small, the ground inductance may not be completely reduced due to the inductance of the via hole 14. However, since the via hole formed immediately below the source electrode 18 is close to the heat source generated in the operation region 15, the heat dissipation can be clearly improved. As described above, the via hole 14 can reduce the source impedance, but it is insufficient to reduce the source impedance over the entire FET. The source electrode pad 10 connected to the source electrode 18 via the wiring 17 is disposed as the outermost electrode of the FET electrode array. The via hole 13 formed immediately below is a large-diameter via hole and has a role of reducing ground inductance. If a large via hole is formed using the source electrode pad 10 as the outermost electrode of the FET electrode array, the source inductance can be reduced along the farthest path that may oscillate, and at the same time, the outer end becomes a short end. Unnecessary radio waves are not emitted and the characteristics can be stabilized.

以上のべたように本発明の半導体装置は、ソース電極とソース電極パッドの両方に同時にバイアホールを最適な大きさで形成している。ソース電極に形成したバイアホールによって各FET素子のトランジスタ動作領域の放熱とソースインダクタンスを一様に低減する効果をもち、ソース電極パッドに形成したバイアホールによってFET全体のソースインダクタの大幅な低減により安定化を行う。これにより高出力で周波数特性のよい高性能な半導体装置を提供することができる。   As described above, in the semiconductor device according to the present invention, via holes are simultaneously formed in the optimum size in both the source electrode and the source electrode pad. The via hole formed in the source electrode has the effect of uniformly reducing the heat dissipation and source inductance in the transistor operating region of each FET element, and the via hole formed in the source electrode pad is stable due to a significant reduction in the source inductor of the entire FET To do. As a result, a high-performance semiconductor device with high output and good frequency characteristics can be provided.

なお本発明は前記実施形態をそのままに限定されるものではなく、実施段階でその要旨を逸脱しない範囲で具体化できる。例えばFETについて論じたが、通常のバイポーラトランジスタにおいてもこの考え方は有効である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied without departing from the scope of the invention at the stage of implementation. For example, although the FET has been discussed, this concept is effective even in a normal bipolar transistor.

本発明の一実施例における半導体装置を上から見た図である。It is the figure which looked at the semiconductor device in one Example of this invention from the top. 本発明の一実施例における半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device in one Example of this invention. 本発明の一実施例における高出力化した半導体装置を上から見た図である。It is the figure which looked at the high output semiconductor device in one Example of this invention from the top.

符号の説明Explanation of symbols

10…ソース電極パッド
11…ドレイン電極
12…ゲート電極パッド
13、14…バイアホール
15…動作領域
16…ゲート電極
17…ソース配線
18…ソース電極
21…第1の導体層
22…第2の導体層
23…半絶縁性GaAs基板
24…n型GaAs動作層
25…絶縁領域
30…ドレイン電極パッド
31…ドレイン配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Source electrode pad 11 ... Drain electrode 12 ... Gate electrode pad 13, 14 ... Via hole 15 ... Operation | movement area 16 ... Gate electrode 17 ... Source wiring 18 ... Source electrode 21 ... 1st conductor layer 22 ... 2nd conductor layer 23 ... Semi-insulating GaAs substrate 24 ... n-type GaAs operating layer 25 ... Insulating region 30 ... Drain electrode pad 31 ... Drain wiring

Claims (2)

化合物半導体基板上の動作層上にショットキー接合するように形成されたゲート電極と、このゲート電極の両側の前記化合物半導体基板上の動作層上にオーミックコンタクトするように形成されたソース電極およびドレイン電極と、これらの各電極に前記化合物半導体基板上の表面に形成された配線を介して接続された電極パッドと、前記化合物半導体基板の裏面に形成された第1の導体層と、前記ソース電極の直下において前記化合物半導体基板に前記第1の導体層に達するように形成された第1のバイアホールと、この第1のバイアホールを介して前記ソース電極を前記第1の導体層に接続するように設けられた第2の導体層と、前記ソース電極に接続された電極パッドの直下において前記化合物半導体基板に前記第1の導体層に達するように形成された第2のバイアホールと、この第3のバイアホールを介して前記電極パッドを前記第1の導体層に接続するように設けられた第2の導体層とを備えることを特徴とする半導体装置。   A gate electrode formed so as to form a Schottky junction on an operation layer on the compound semiconductor substrate, and a source electrode and a drain formed so as to be in ohmic contact with the operation layer on the compound semiconductor substrate on both sides of the gate electrode An electrode, an electrode pad connected to each of these electrodes via wiring formed on the surface of the compound semiconductor substrate, a first conductor layer formed on the back surface of the compound semiconductor substrate, and the source electrode A first via hole formed in the compound semiconductor substrate so as to reach the first conductor layer, and the source electrode is connected to the first conductor layer through the first via hole. The second conductor layer provided in this manner and the first semiconductor layer on the compound semiconductor substrate just below the electrode pad connected to the source electrode A second via hole formed in this manner, and a second conductor layer provided so as to connect the electrode pad to the first conductor layer via the third via hole. Semiconductor device. 前記ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極は前記化合物半導体基板上の動作層上に複数組配列され、前記ソース電極に接続された電極パッドは前記電極配列の外周部に配置され、かつこれら外周部の電極パッド下部には前記動作層を設けないことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   A plurality of sets of the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are arranged on the operation layer on the compound semiconductor substrate, and the electrode pads connected to the source electrode are arranged on the outer periphery of the electrode arrangement, and 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the operation layer is not provided below the electrode pad.
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