JP2007243018A - Cell arrangement method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に関し、特に高出力・低熱抵抗の電界効果トランジスタ(FET)を有する半導体装置のセル配置方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a cell arrangement method for a semiconductor device having a field effect transistor (FET) with high output and low thermal resistance.
従来のFETを高出力化するためにセル配置は図8または図9に示すようにその動作領域を並列に横一線に並べて構成することが多い。GaAs(ガリウム砒素)基板上に作製されたGaAsFETにおいてはGaAs材料自体の熱伝導率の低さが熱設計の最大の障害であり、GaAs層厚を30μm程度まで薄くすることで放熱性を確保しているのが現状である。 In order to increase the output of a conventional FET, the cell arrangement is often configured by arranging the operation regions in parallel in a horizontal line as shown in FIG. In a GaAsFET fabricated on a GaAs (gallium arsenide) substrate, the low thermal conductivity of the GaAs material itself is the biggest obstacle to thermal design. By reducing the thickness of the GaAs layer to about 30 μm, heat dissipation is ensured. This is the current situation.
GaAsに代わる半導体材料であるSiC(シリコンカーバイド)やGaN(ガリウムナイトライド)の出現により、その電力密度は従来装置の数倍という高密度な電力消費となっており、それに伴い発熱密度も大きくなっている。SiCは、GaAsに比べて絶縁破壊電圧と熱伝導率が10倍高いという優れた物性を有している。そのため同サイズのFETと比較すると、単純に動作電圧を10倍することにより理論的には10倍の電力密度を得ることができる。 With the advent of SiC (silicon carbide) and GaN (gallium nitride), semiconductor materials that can replace GaAs, the power density is several times higher than that of conventional devices, and the heat generation density increases accordingly. ing. SiC has excellent physical properties such as a dielectric breakdown voltage and a thermal conductivity 10 times higher than GaAs. Therefore, compared with FETs of the same size, a power density of 10 times can be theoretically obtained by simply multiplying the operating voltage by 10 times.
GaAsに代わるSiCやGaNは何れもSiCを支持基板としている。上述したようにSiCはGaAsに比べて熱伝導が高く金属材料に近い値をもつため、GaAs等で問題となる半導体基板の放熱性がその基板厚で律則されておらず、高い電力密度をSiCの支持基板にて効率良く放熱するためには発熱領域であるFETセルの配置が重要である。したがって図8または図9に示すように横一線に並べた構成では、チップ長手方向に熱拡散ができず高い電力密度に起因する発熱を有効に放熱をすることが難しくなっている。横一線に並べた方法において放熱性を高める方法として、発熱領域の裏面を薄く加工、かつ発熱部上層のドレインまたはソース電極を中央部分では幅を広く周辺部では狭くしてさらに放熱のためストライプ電極を形成するものがある。(特許文献1参照) しかし、設計が複雑で高い電力密度に起因する発熱を根本的に解決するものではない。
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、発熱領域が集中して配置されていることによって熱抵抗が増大することを防止し、チップ面積を大きくすることなく発熱領域を分散させ、かつ高周波特性を犠牲にすることのない半導体装置のセル配置を提供する。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to prevent the heat resistance from increasing due to the concentrated arrangement of the heat generation regions, and to increase the heat generation region without increasing the chip area. And a cell arrangement of a semiconductor device without sacrificing high-frequency characteristics.
前記課題を解決するために、本願発明の一態様によれば、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が複数のフィンガーを有する電界効果トランジスタにおいて、前記複数のフィンガーを所定の本数毎にまとめたセルを複数配置し、前記セル間配置に基板厚程度の隙間を設けて配置することを特徴とする半導体装置のセル配置方法が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to one aspect of the present invention, in a field effect transistor in which a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode have a plurality of fingers, a cell in which the plurality of fingers are collected for each predetermined number is provided. There is provided a cell arrangement method for a semiconductor device, wherein a plurality of arrangements are provided, and a gap of about the substrate thickness is provided in the inter-cell arrangement.
また、本願発明の一態様によれば、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が複数のフィンガーを有し、ソースフィンガー内にバイアホールを具備する電界効果トランジスタにおいて、前記複数のフィンガーを所定の本数毎にまとめたセルを複数配置し、前記セル間配置に基板厚程度の隙間を設けて配置することを特徴とする半導体装置のセル配置方法が提供できる Further, according to one aspect of the present invention, in the field effect transistor in which the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode have a plurality of fingers, and a via hole is provided in the source finger, the plurality of fingers are provided for each predetermined number. A cell arrangement method for a semiconductor device can be provided, wherein a plurality of cells arranged in (1) are arranged, and the inter-cell arrangement is arranged with a gap of about the substrate thickness.
本発明によれば、FETセルのフィンガー方向をチップ長手方向に平行に配置し、前述セル配置間に基板厚程度の隙間を開けて配置することで発熱領域を分散させることができ、熱抵抗を20%以上低減することができる。またこの発熱領域を分散させるために生じた隙間に電極配線またはパッド電極を配置することができるのでチップ面積の増大を回避することができる。またこのようなセルを分散させて配置することは信号伝搬の位相差を生じる可能性があるが、該セルへの配線長を等しくするか、ボンディングパッドに対して中心対称にワイヤボンディング等で配線することで位相差が生じることを回避できるので高周波特性を犠牲にすることもない。 According to the present invention, the heat generation region can be dispersed by arranging the finger direction of the FET cell parallel to the chip longitudinal direction, and arranging the gap between the cell arrangement with a thickness of about the substrate thickness. It can be reduced by 20% or more. In addition, since the electrode wiring or the pad electrode can be disposed in the gap generated to disperse the heat generation region, an increase in the chip area can be avoided. Dispersing and arranging such cells may cause a phase difference in signal propagation. However, the wiring length to the cells should be equal, or the wiring should be wired symmetrically with respect to the bonding pad by wire bonding or the like. By doing so, it is possible to avoid the occurrence of a phase difference, so that high frequency characteristics are not sacrificed.
以下本発明の実施形態につき詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施形態における高出力FET半導体チップの概念図を表したものである。まず、100μm長のゲートフィンガー電極を持つ単位FETのゲートを6本をまとめて一個のセル11とする。このセル11の大きさは、100μm×120μmとなる。セル11はバイアホール12付のソース電極配線13にソースフィンガー電極13aが4本櫛状に接続され、ゲート電極配線14はゲートフィンガー電極14aが6本櫛状に接続される。さらにドレイン電極配線15にドレインフィンガー電極15aが3本櫛状に接続される構成になっている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a conceptual diagram of a high-power FET semiconductor chip according to the first embodiment of the present invention. First, six cells of unit FETs having a gate finger electrode having a length of 100 μm are combined into one cell 11. The size of the cell 11 is 100 μm × 120 μm. In the cell 11, four source finger electrodes 13 a are connected in a comb shape to a source electrode wiring 13 with a via hole 12, and in the cell electrode 14, six gate finger electrodes 14 a are connected in a comb shape. Furthermore, the drain electrode electrode 15a is connected to the drain electrode wiring 15 in a comb shape.
従来構造では、図8に示したように、このセル11が12個並列に接続されていて、120μm×12=1440μmの動作領域長を形成している。本発明における第1の実施形態においてはこのセル11を半導体チップの長手方向にフィンガー電極を平行に配置する。従来例と同じチップサイズを考えた場合、縦に2つのセル、横に6つセルを配置でき、その結果長手方向には各セル11の間に隙間がとることが可能となる。その隙間に、ソースフィンガー電極13aを接続したバイアホール12付ソース電極配線13と、ゲートフィンガー電極14aを接続したゲート電極配線14と、ドレインフィンガー電極15aを接続したドレイン電極配線15を対称性を鑑みて配置した構造となっている。また、各ドレイン電極配線15はドレインバスライン16に接続され、同様に各ゲート電極配線14はゲートバスライン17に接続されている。 In the conventional structure, as shown in FIG. 8, twelve cells 11 are connected in parallel to form an operation region length of 120 μm × 12 = 1440 μm. In the first embodiment of the present invention, finger electrodes are arranged in parallel to the longitudinal direction of the semiconductor chip in the cell 11. When considering the same chip size as the conventional example, two cells can be arranged vertically and six cells can be arranged horizontally, and as a result, a gap can be formed between the cells 11 in the longitudinal direction. In view of symmetry, the source electrode wiring 13 with via holes 12 connected to the source finger electrode 13a, the gate electrode wiring 14 connected to the gate finger electrode 14a, and the drain electrode wiring 15 connected to the drain finger electrode 15a are formed in the gap. It has a structure arranged. Each drain electrode wiring 15 is connected to a drain bus line 16, and similarly each gate electrode wiring 14 is connected to a gate bus line 17.
この各セル11を長手方向に配置したことによりセル間の隙間は144μmであり、基板厚約100μmより少し大きいが同程度である。従来十分できなかった長手方向の放熱は、そのセル間隔をヒートシンク材料に接続された基板厚程度とることができれば、熱は長手横方向にも拡散しながら下部のヒートシンクへと有効に放熱される。図8で示すチップと、このチップサイズと活性領域面積を等しく配置した本発明の第1の実施形態におけるチップについて、両者とも1.2mm厚の銅ベースを持つパッケージにAuSn(金すず)でマウントし、このパッケージを5mm以上の厚さのアルミニウム放熱板に実装するという同条件にて熱抵抗を計算したところ、従来例に対して第1の実施形態においては約20%の熱抵抗の低減が図られた。 By arranging each cell 11 in the longitudinal direction, the gap between the cells is 144 μm, which is slightly larger than the substrate thickness of about 100 μm. As long as the heat radiation in the longitudinal direction, which has not been sufficiently achieved in the past, can be made about the thickness of the substrate connected to the heat sink material, the heat is effectively radiated to the lower heat sink while diffusing in the longitudinal and lateral directions. The chip shown in FIG. 8 and the chip according to the first embodiment of the present invention in which the chip size and the active region area are equally arranged are both mounted with AuSn (gold tin) on a package having a copper base of 1.2 mm thickness. When the thermal resistance was calculated under the same condition that this package was mounted on an aluminum heat sink having a thickness of 5 mm or more, the thermal resistance was reduced by about 20% in the first embodiment compared to the conventional example. It was planned.
第2の実施形態の効果について、図3を用いて説明する。図3(a)(b)はそれぞれ第1および第2の実施形態におけるパッドへのボンディング方法について示した図である。ボンディングワイヤ32はドレインバスライン33に接続され、ドレインバスライン33はドレイン電極配線34に接続されている。このため配線長は、ドレインバスライン33から離れたフィンガー電極ほど長くなる。ここで生じた配線長の差が、使用する周波数によっては無視できなくなる。 The effect of 2nd Embodiment is demonstrated using FIG. FIGS. 3A and 3B are diagrams showing bonding methods to pads in the first and second embodiments, respectively. The bonding wire 32 is connected to the drain bus line 33, and the drain bus line 33 is connected to the drain electrode wiring 34. For this reason, the wiring length becomes longer as the finger electrode is further away from the drain bus line 33. The difference in wiring length generated here cannot be ignored depending on the frequency used.
第2の実施形態では、ボンディングワイヤ32をドレイン電極配線34の中央に直接接続することで、配線長の差を低減している。このような配線にすることで各セル内のフィンガー電極のドレイン出力位相を一致させて取り出すことができる。 In the second embodiment, the bonding wire 32 is directly connected to the center of the drain electrode wiring 34 to reduce the wiring length difference. By using such wiring, the drain output phases of the finger electrodes in each cell can be made to coincide with each other.
図4は本発明の第3の実施形態におけるソースフィンガー電極内にバイアホールが形成されている高出力FET半導体チップの概念図を表したものである。ソースフィンガー電極13aにバイアホール41を形成することで放熱効果が高まることが知られている。まず、第1と第2の実施形態と同様、100μm長のフィンガー電極を持つ単位FETをゲートフィンガー電極6本をまとめて一個のセル42とする。このセル42の大きさは、ソースフィンガーにバイアホール41があるため、そのセルの寸法は大きくなり100μm×170μmとなる。従来構造では、図9に示したように、このセル42が12個並列に接続されていて、170μm×12=2040μmの動作領域長を形成している。本発明における第3の実施形態においてはこのセル42を半導体チップの長手方向にフィンガー電極を平行に配置する。従来例と同じチップサイズを考えた場合、縦に1つのセル、横に12個のセルを配置すると長手方向にはセル42の間に隙間をとることが可能となり、その隙間にドレイン電極配線43とゲート配線電極44とを交互に配置した構成になっている。各ドレイン電極配線43はドレインバスライン45に接続され、各ゲート電極配線44はゲートバスライン46に接続されている。 FIG. 4 shows a conceptual diagram of a high-power FET semiconductor chip in which a via hole is formed in the source finger electrode in the third embodiment of the present invention. It is known that the heat dissipation effect is enhanced by forming the via hole 41 in the source finger electrode 13a. First, as in the first and second embodiments, unit FETs each having a finger electrode having a length of 100 μm are grouped into six cells to form one cell. The size of the cell 42 is 100 μm × 170 μm because the via hole 41 is provided in the source finger and the size of the cell is increased. In the conventional structure, as shown in FIG. 9, twelve cells 42 are connected in parallel to form an operation region length of 170 μm × 12 = 2040 μm. In the third embodiment of the present invention, finger electrodes are arranged in parallel with the longitudinal direction of the semiconductor chip in the cell 42. Considering the same chip size as in the conventional example, if one cell is arranged vertically and twelve cells are arranged horizontally, a gap can be formed between the cells 42 in the longitudinal direction, and the drain electrode wiring 43 is formed in the gap. And the gate wiring electrodes 44 are alternately arranged. Each drain electrode wiring 43 is connected to a drain bus line 45, and each gate electrode wiring 44 is connected to a gate bus line 46.
この各セル42を長手方向に配置したことによりセル間の隙間は70μmであり、基板厚約100μmよりは小さいが同程度である。図9で示すチップサイズと活性領域面積を等しく配置したチップについて、従来および本第3の実施形態の両方について1.2mm厚の銅ダイマウントを持つパッケージにAuSn(金すず)でボンディングし、このパッケージを5mm以上厚さのアルミニウム放熱板に実装するという同条件にて熱抵抗を計算したところ、従来例に比較して、第3の実施形態においては約20%の熱抵抗の低減が図られた。 By arranging each cell 42 in the longitudinal direction, the gap between the cells is 70 μm, which is about the same although it is smaller than the substrate thickness of about 100 μm. A chip having the same chip size and active region area as shown in FIG. 9 was bonded to a package having a copper die mount of 1.2 mm thickness for both the conventional and third embodiments with AuSn (gold tin). When the thermal resistance was calculated under the same condition that the package was mounted on an aluminum heat sink having a thickness of 5 mm or more, the thermal resistance was reduced by about 20% in the third embodiment compared to the conventional example. It was.
図5は、本発明の第4の実施形態における高出力FET半導体チップの概念図を表したものである。基本的なセル配置に関しては図4と同じであるが、ドレイン電極配線43をドレインバスライン45に接続することを廃し、ドレイン電極配線51をボンディングパッドとし、ここに直接ボンディングワイヤを接続している。このため、ボンディングワイヤ長を等しく配線すれば信号出力の位相差の発生を低減できる。 FIG. 5 is a conceptual diagram of a high-power FET semiconductor chip according to the fourth embodiment of the present invention. The basic cell arrangement is the same as in FIG. 4, but the connection of the drain electrode wiring 43 to the drain bus line 45 is eliminated, the drain electrode wiring 51 is used as a bonding pad, and a bonding wire is directly connected thereto. . For this reason, if the bonding wire lengths are equal, the occurrence of a signal output phase difference can be reduced.
図6は、本発明の第5の実施形態における高出力FET半導体チップの概念図を表したものである。基本的なセル配置に関しては図4と同じであるが、ゲートバスライン46を廃し、ゲート電極配線44をゲート電極パッド61とし、ここに直接ボンディングワイヤを接続するために面積を拡大して配置している。これにより、信号入力の位相差の発生を低減できる。 FIG. 6 is a conceptual diagram of a high-power FET semiconductor chip according to the fifth embodiment of the present invention. The basic cell arrangement is the same as in FIG. 4 except that the gate bus line 46 is eliminated, the gate electrode wiring 44 is used as a gate electrode pad 61, and the area is enlarged to connect a bonding wire directly thereto. ing. Thereby, generation | occurrence | production of the phase difference of a signal input can be reduced.
図7は、本発明の第6の実施形態における高出力FET半導体チップの概念図を表したものである。基本的なセル配置に関しては図4と同じであるが、ゲートバスライン46を廃し、ゲート電極配線71をゲート電極パッドとするため面積を拡大して配置している。またドレインバスライン43も廃し、ドレイン電極配線72をドレインパッドとしている。 FIG. 7 is a conceptual diagram of a high-power FET semiconductor chip according to the sixth embodiment of the present invention. The basic cell arrangement is the same as that in FIG. 4, but the gate bus line 46 is eliminated and the area is enlarged in order to use the gate electrode wiring 71 as a gate electrode pad. The drain bus line 43 is also eliminated, and the drain electrode wiring 72 is used as a drain pad.
ゲート電極配線71、ドレイン電極配線72の中央にボンディングワイヤを接続することで、信号入出力の位相差並びに出力信号の位相差の発生を低減できる。 By connecting a bonding wire to the center of the gate electrode wiring 71 and the drain electrode wiring 72, the occurrence of signal input / output phase differences and output signal phase differences can be reduced.
以上のべたように、このように構成された本発明の実施形態に係る半導体装置のセル配置方法によれば、セルのフィンガー方向をチップ長手方向に平行に配置し、前述セル配置間に基板厚程度の隙間を開けて配置することで発熱領域を分散させることができ、熱抵抗を20%以上低減することができる。またこの発熱領域を分散させるために生じた隙間に電極配線またはパッド電極を配置することができるのでチップ面積の増大を回避することができる。またこのようなセルを分散させて配置することは信号伝搬の位相差を生じるが、該セルへの配線長を等しくするか、ボンディングパッドの中心にワイヤボンディングで配線とすることで位相差が生じることを回避できるので高周波特性を犠牲にすることもない。 As described above, according to the cell arrangement method of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention configured as described above, the cell finger direction is arranged parallel to the chip longitudinal direction, and the substrate thickness is between the cell arrangements. By disposing the gaps at a certain degree, the heat generating area can be dispersed, and the thermal resistance can be reduced by 20% or more. In addition, since the electrode wiring or the pad electrode can be disposed in the gap generated to disperse the heat generation region, an increase in the chip area can be avoided. Dispersing and arranging such cells causes a phase difference in signal propagation. However, a phase difference is caused by equalizing the wiring length to the cells or by wiring by wire bonding at the center of the bonding pad. Since this can be avoided, the high frequency characteristics are not sacrificed.
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。 SiC基板を例に実施例を試算したが、セル配置による熱分散、およびワイヤボンディングによる位相差低減はGaAsなどのFETにも適用できる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied without departing from the spirit of the invention at the stage of implementation. Although an example was calculated using an SiC substrate as an example, heat dispersion by cell arrangement and phase difference reduction by wire bonding can also be applied to FETs such as GaAs.
11、42…セル
12、41…バイアホール
13…ソース電極配線
13a…ソースフィンガー電極
14、44…ゲート電極配線
14a…ゲートフィンガー電極
15、22、34、43、51、72…ドレイン電極配線
15a…ドレインフィンガー電極
16、33、45…ドレインバスライン
17、31、46…ゲートバスライン
32…ボンディングワイヤ
61、71…ゲートパッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 42 ... Cell 12, 41 ... Via hole 13 ... Source electrode wiring 13a ... Source finger electrode 14, 44 ... Gate electrode wiring 14a ... Gate finger electrode 15, 22, 34, 43, 51, 72 ... Drain electrode wiring 15a ... Drain finger electrode
16, 33, 45 ... Drain bus lines 17, 31, 46 ... Gate bus lines 32 ... Bonding wires 61, 71 ... Gate pads
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