JP2010178026A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】TXシリーズトランジスタSE(TX),RXシリーズトランジスタSE(RX)およびRXシャントトランジスタSH(RX)を低耐圧MISFETQNから構成する一方、TXシャントトランジスタを高耐圧MISFETQHから構成する。これにより、TXシャントトランジスタSH(TX)を構成する高耐圧MISFETQHの直列接続数を少なくすることで、直列接続された各高耐圧MISFETQHに印加される電圧振幅の不均一性を抑制する。この結果、高次高調波の発生を抑制することができる。
【選択図】図11
Description
<携帯電話機の構成および動作>
図1は、携帯電話機の送受信部の構成を示すブロック図である。図1に示すように、携帯電話機1は、インターフェース部IFU、ベースバンド部BBU、RF集積回路部RFIC、電力増幅器HPA、低雑音増幅器LNA、アンテナスイッチASWおよびアンテナANTを有している。
次に、アンテナスイッチの回路構成について説明する。本明細書では、図1に示すシングルバンド方式の携帯電話機1で使用されるアンテナスイッチASWの回路構成について主に説明するが、図2に示すデュアルバンド方式の携帯電話機1で使用されるアンテナスイッチASWの回路構成もほぼ同様である。
比較例におけるアンテナスイッチASWは上記のように構成されているが、比較例におけるアンテナスイッチASWでは送信信号の非線形性(高調波歪み)が増大するという問題点が発生する。アンテナスイッチASWには、大電力の送信信号の高品質性を確保し、かつ、他の周波数帯の通信に悪影響を与える妨害波(高次高調波)の発生を低減する性能が要求されるが、比較例におけるアンテナスイッチASWでは、特に、高次高調波の発生が問題となる。以下に、この問題点が発生するメカニズムについて説明する。
本実施の形態1におけるアンテナスイッチの回路構成について説明する。本明細書では、図1に示すシングルバンド方式の携帯電話機1で使用されるアンテナスイッチASWの回路構成について主に説明するが、図2に示すデュアルバンド方式の携帯電話機1で使用されるアンテナスイッチASWの回路構成もほぼ同様である。
図11において、TXシャントトランジスタSH(TX)は、例えば、直列に接続された3つの高耐圧MISFETQH1〜QH3から構成されている。この場合、各高耐圧MISFETQH1〜QH3は、ソース領域とドレイン領域とゲート電極とを有している。本明細書では、高耐圧MISFETQH1〜QH3のソース領域とドレイン領域とは対称になっているが、TXシャントトランジスタSH(TX)を構成する高耐圧MISFETQH1〜QH3においては、送信端子TX側の領域をドレイン領域とし、GND端子側の領域をソース領域と定義することにする。さらに、高耐圧MISFETQH1〜QH3のゲート電極はゲート抵抗GRを介して制御端子VRXに接続されている。ゲート抵抗GRは、制御端子VRXに高周波信号が漏れ込まないようにするためのアイソレーション抵抗である。言い換えれば、ゲート抵抗GRは高周波信号を減衰させる機能を有している。
本実施の形態1の特徴は、TXシャントトランジスタSH(TX)を高耐圧MISFETから構成し、TXシャントトランジスタSH(TX)を構成するMISFETの直列接続数を少なくすることで、直列接続された各MISFETに印加される電圧振幅の不均一性を抑制することにある。ここで、TXシャントトランジスタSH(TX)以外のTXシリーズトランジスタSE(TX)、RXシリーズトランジスタSE(RX)およびRXシャントトランジスタSH(RX)を構成するMISFETについては、低耐圧MISFETを使用している。この理由について説明する。
次に、本実施の形態1におけるアンテナスイッチASWの実装構成について説明する。本実施の形態1におけるアンテナスイッチASWは、電力増幅器HPAとともに1つのRFモジュールRFMを構成している。図14は、本実施の形態におけるRFモジュールRFMの実装構成を示す斜視図である。図14に示すように、本実施の形態におけるRFモジュールRFMは、配線基板WB上に、半導体チップCHP1、半導体チップCHP2および受動部品PCが搭載されている。半導体チップCHP1は、例えば、電力増幅器HPAを構成するLDMOSFET(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、横方向拡散MOSFET)などが形成された半導体チップである。一方、半導体チップCHP2は、例えば、アンテナスイッチASWを構成するMOSFETなどが形成された半導体チップである。受動部品PCは、抵抗素子(例えばチップ抵抗)、容量素子(例えばチップコンデンサ)またはインダクタ素子(例えばチップインダクタ)などの受動素子からなり、例えばチップ部品からなる。受動部品5は、例えば、整合回路などを構成する受動部品である。
続いて、アンテナスイッチASWを形成した半導体チップCHP2のレイアウト構成について説明する。図15は、本実施の形態1におけるアンテナスイッチASWを形成した半導体チップCHP2を示す平面図である。図15に示すように、半導体チップCHP2は矩形形状の半導体基板1S上に複数の端子および複数の素子が形成されている。具体的には、図15において、半導体基板1Sの上部に受信端子RXとGND端子GND(RX)が形成されており、このGND端子GND(RX)の下側に1つの低耐圧MISFETからなるRXシャントトランジスタSH(RX)が形成されている。RXシャントトランジスタSH(RX)の下側には、5つの低耐圧MISFETからなるRXシリーズトランジスタSE(RX)が形成されている。そして、RXシャントトランジスタSH(RX)とRXシリーズトランジスタSE(RX)の右側にはゲート抵抗GRが形成されており、このゲート抵抗GRのさらに右側には制御端子VTXおよび制御端子VRXが形成されている。
アンテナスイッチには、大電力の送信信号の高品質性を確保し、かつ、他の周波数帯の通信に悪影響を与える妨害波(高次高調波)の発生を低減する性能が要求される。このため、アンテナスイッチを構成するスイッチング素子として電界効果トランジスタを使用する場合、この電界効果トランジスタには、高耐圧性だけでなく、高次高調波歪を低減できる性能が要求される。
本実施の形態2では、高耐圧MISFETQHの別態様のデバイス構造について説明する。図20は、高耐圧MISFETQHの断面を示す断面図である。図20において、半導体基板1S上には、埋め込み絶縁層BOXが形成されており、この埋め込み絶縁層BOX上にシリコン層が形成されている。この半導体基板1Sと埋め込み絶縁層BOXとシリコン層とによりSOI基板が形成されている。そして、このSOI基板上に高耐圧MISFETQHが形成されている。SOI基板のシリコン層には、ボディ領域BDが形成されている。このボディ領域BDは、例えば、p型不純物であるボロンなどを導入したp型半導体領域から形成されている。ボディ領域BD上にはゲート絶縁膜GOX2が形成されており、このゲート絶縁膜GOX2上にゲート電極Gが形成されている。ゲート絶縁膜GOX2は、例えば、酸化シリコン膜から形成されており、低耐圧MISFETQNのゲート絶縁膜GOX1よりも厚くなっている。一方、ゲート電極Gは、ポリシリコン膜PFとコバルトシリサイド膜SLとの積層膜から形成されている。ゲート電極Gの一部を構成するコバルトシリサイド膜SLは、ゲート電極Gの低抵抗化のために形成されている。
本実施の形態3では、低耐圧MISFETQNとして完全空乏型FETを使用し、高耐圧MISFETQHとして部分空乏型FETを使用する例について説明する。
本実施の形態4では、高耐圧MISFETQHの別態様のデバイス構造について説明する。図23は、本実施の形態4における高耐圧MISFETの平面構造を示す図である。図23において、高耐圧MISFETは、ソース領域SRとドレイン領域DRとを有し、ソース領域SRとドレイン領域DRが交互に位置するように配置されている。そして、ソース領域SRとドレイン領域DRの間にゲート電極Gが形成されている。ソース領域SRにはプラグPLG1が接続され、ドレイン領域DRにはプラグPLG2が接続されている。ここで、本実施の形態4における高耐圧MISFETの特徴は、ソース領域SRと電気的に接続するプラグPLG1にボディ領域BD3も電気的に接続されている点である。つまり、本実施の形態4における高耐圧MISFETQでは、ソース領域SRとボディ領域BD3が電気的にショートしている点にある。一方、本実施の形態4における低耐圧MISFETは、ソース領域とボディ領域は電気的に接続されておらず、ボディ領域はフローティング状態となっている。
1S 半導体基板
ANT アンテナ
ANT(OUT)アンテナ端子
ASW アンテナスイッチ
BBU ベースバンド部
BD ボディ領域
BD1〜BD3 ボディ領域
BOX 埋め込み絶縁層
Cgd 容量
Cgs 容量
CHP1 半導体チップ
CHP2 半導体チップ
CNT コンタクトホール
Coff1〜Coff5 オフ容量
Cpara 寄生容量
Cpara1〜Cpara5 寄生容量
CU 制御部
DR ドレイン領域
EX1d〜EX6d 低濃度不純物拡散領域
EX1s〜EX5s 低濃度不純物拡散領域
G ゲート電極
GND(RX) GND端子
GND(TX) GND端子
GOX1 ゲート絶縁膜
GOX2 ゲート絶縁膜
GR ゲート抵抗
HPA 電力増幅器
HPA1 電力増幅器
HPA2 電力増幅器
IFU インターフェース部
IL 層間絶縁膜
L1 配線
LNA 低雑音増幅器
LNA1 低雑音増幅器
LNA2 低雑音増幅器
NR1d〜NR6d 高濃度不純物拡散領域
NR1s〜NR6s 高濃度不純物拡散領域
PC 受動部品
PF ポリシリコン膜
PLG1 プラグ
PLG2 プラグ
Q 電荷量
Qa 電荷量
QN 低耐圧MISFET
QN1〜QN5 低耐圧MISFET
QH 高耐圧MISFET
QH1〜QH3 高耐圧MISFET
RFIC RF集積回路部
RFM RFモジュール
RX 受信端子
RX1 受信端子
RX2 受信端子
SE(RX) RXシリーズトランジスタ
SE(TX) TXシリーズトランジスタ
SH(RX) RXシャントトランジスタ
SH(TX) TXシャントトランジスタ
SL コバルトシリサイド膜
SR ソース領域
SW サイドウォール
TX 送信端子
TX1 送信端子
TX2 送信端子
VL(peak) 電圧振幅
VL1(peak)〜VL5(peak) 電圧振幅
VRX 制御端子
VTX 制御端子
WB 配線基板
Z0 負荷
ZL 負荷
Claims (20)
- 送信端子とアンテナ端子と受信端子とを有するアンテナスイッチを備え、
前記アンテナスイッチは、
(a)前記送信端子と前記アンテナ端子との間に直列に複数個接続された第1MISFETと、
(b)前記受信端子と前記アンテナ端子との間に直列に複数個接続された第2MISFETと、
(c)前記送信端子とGND端子との間に直列に複数個接続された第3MISFETと、
(d)前記受信端子とGND端子との間に接続された第4MISFETとを有する半導体装置であって、
前記第1MISFET、前記第2MISFETおよび前記第4MISFETは、低耐圧MISFETから構成される一方、前記第3MISFETは、前記低耐圧MISFETよりもソース領域とドレイン領域との間の耐圧が高い高耐圧MISFETから構成され、かつ、前記送信端子とGND端子との間に直列接続されている前記第3MISFETの個数は、前記受信端子と前記アンテナ端子との間に直列接続されている前記第2MISFETの個数よりも少ないことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置であって、
前記送信端子とGND端子との間に直列接続されている前記第3MISFETの個数は、前記送信端子と前記アンテナ端子との間に直列接続されている前記第1MISFETの個数よりも少ないことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置であって、
前記送信端子と前記アンテナ端子との間に直列接続されている前記第1MISFETの個数と、前記受信端子と前記アンテナ端子との間に直列接続されている前記第2MISFETの個数は、同じであることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置であって、
前記アンテナスイッチは、送信信号の送信時には、前記送信端子と前記アンテナ端子とを電気的に接続し、かつ、前記受信端子と前記アンテナ端子とを電気的に遮断することを特徴とする半導体装置。 - 請求項4記載の半導体装置であって、
前記送信信号の送信時には、前記第1MISFETをオンすることにより前記送信端子と前記アンテナ端子とを電気的に接続し、かつ、前記第2MISFETをオフすることにより前記受信端子と前記アンテナ端子とを電気的に遮断することを特徴とする半導体装置。 - 請求項5記載の半導体装置であって、
さらに、前記送信信号の送信時には、前記第3MISFETをオフすることにより前記送信端子とGND端子とを電気的に遮断し、かつ、前記第4MISFETをオンすることにより前記受信端子とGND端子とを電気的に接続することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置であって、
前記アンテナスイッチは、受信信号の受信時には、前記送信端子と前記アンテナ端子とを電気的に遮断し、かつ、前記受信端子と前記アンテナ端子とを電気的に接続することを特徴とする半導体装置。 - 請求項7記載の半導体装置であって、
前記受信信号の受信時には、前記第1MISFETをオフすることにより前記送信端子と前記アンテナ端子とを電気的に遮断し、かつ、前記第2MISFETをオンすることにより前記受信端子と前記アンテナ端子とを電気的に接続することを特徴とする半導体装置。 - 請求項8記載の半導体装置であって、
さらに、前記受信信号の受信時には、前記第3MISFETをオンすることにより前記送信端子とGND端子とを電気的に接続し、かつ、前記第4MISFETをオフすることにより前記受信端子とGND端子とを電気的に遮断することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置であって、
前記アンテナスイッチの前記送信端子は、送信信号を増幅する電力増幅器の出力と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項10記載の半導体装置であって、
前記アンテナスイッチの前記アンテナ端子は、アンテナと電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項11記載の半導体装置であって、
前記アンテナスイッチの前記受信端子は、受信信号を処理する受信回路の入力と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置であって、
前記アンテナスイッチは、1つの半導体チップから構成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項13記載の半導体装置であって、
前記半導体チップは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された埋め込み絶縁層と、前記埋め込み絶縁層上に形成されたシリコン層とからなるSOI基板から構成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項14記載の半導体装置であって、
前記SOI基板上に、前記低耐圧MISFETと前記高耐圧MISFETが形成されており、
前記低耐圧MISFETは、
(e1)前記SOI基板の前記シリコン層上に形成された第1ゲート絶縁膜と、
(e2)前記第1ゲート絶縁膜上に形成された第1ゲート電極と、
(e3)前記第1ゲート電極の側壁に形成された第1サイドウォールと、
(e4)前記シリコン層内で前記第1ゲート電極に整合して形成された第1ソース領域と、
(e5)前記シリコン層内で前記第1ゲート電極に整合して形成された第1ドレイン領域とを有し、
前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域は、それぞれ、前記シリコン層内に導電型不純物を導入して形成された半導体領域であって前記第1ゲート電極に整合して形成された第1低濃度不純物拡散領域と、前記シリコン層内に導電型不純物を導入して形成された半導体領域であって前記第1低濃度不純物拡散領域よりも不純物濃度が高く、かつ、前記第1低濃度不純物拡散領域よりも外側に形成された第1高濃度不純物拡散領域から形成され、
前記高耐圧MISFETは、
(f1)前記SOI基板のシリコン層上に形成された第2ゲート絶縁膜と、
(f2)前記第2ゲート絶縁膜上に形成された第2ゲート電極と、
(f3)前記第2ゲート電極の側壁に形成された第2サイドウォールと、
(f4)前記シリコン層内で前記第2ゲート電極に整合して形成された第2ソース領域と、
(f5)前記シリコン層内で前記第2ゲート電極に整合して形成された第2ドレイン領域とを有し、
前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域は、それぞれ、前記シリコン層内に導電型不純物を導入して形成された半導体領域であって前記第2ゲート電極に整合して形成された第2低濃度不純物拡散領域と、前記シリコン層内に導電型不純物を導入して形成された半導体領域であって前記第2低濃度不純物拡散領域よりも不純物濃度が高く、かつ、前記第2低濃度不純物拡散領域よりも外側に形成された第2高濃度不純物拡散領域から形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項15記載の半導体装置であって、
前記高耐圧MISFETの前記第2低濃度不純物拡散領域の不純物濃度は、前記低耐圧MISFETの前記第1低濃度不純物拡散領域の不純物濃度よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 - 請求項15記載の半導体装置であって、
前記高耐圧MISFETの前記第2ゲート電極のゲート長は、前記低耐圧MISFETの前記第1ゲート電極のゲート長よりも長いことを特徴とする半導体装置。 - 請求項15記載の半導体装置であって、
前記低耐圧MISFETは、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域の間の前記シリコン層内に形成されている第1ボディ領域が完全に空乏化している完全空乏型MISFETであり、
前記高耐圧MISFETは、前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域の間の前記シリコン層内に形成されている第2ボディ領域が部分的に空乏化している部分空乏型MISFETであることを特徴とする半導体装置。 - 請求項18記載の半導体装置であって、
前記第2ボディ領域の不純物濃度は、前記第1ボディ領域の不純物濃度よりも大きいことを特徴とする半導体装置。 - 請求項15記載の半導体装置であって、
前記低耐圧MISFETでは、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域の間の前記シリコン層内に形成されている第1ボディ領域がフローティング状態とされている一方、
前記高耐圧MISFETでは、前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域の間の前記シリコン層内に形成されている第2ボディ領域が前記第2ソース領域と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
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