JP2010182741A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III−V族窒化物半導体からなる半導体装置に関し、特に高周波半導体チップの実装技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device made of a group III-V nitride semiconductor, and more particularly to a technique for mounting a high-frequency semiconductor chip.
III−V族窒化物半導体は、その物理的特徴である広いバンドギャップと直接遷移型バンド構造という物理的特徴を有する。具体的には、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)及び窒化インジウム(InN)等の、一般式がAlxGa1-x-yInyN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で表わされる混晶物がそれに当たる。この材料系は、上記特徴により、短波長光学素子へ応用の他、高い破壊電界と飽和電子速度という特長から電子デバイスへの応用も検討されている。 The III-V nitride semiconductor has physical characteristics of a wide band gap and a direct transition type band structure, which are its physical characteristics. Specifically, a general formula such as gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), and indium nitride (InN) is Al x Ga 1 -xy In y N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ This is the mixed crystal represented by 1). Due to the above characteristics, this material system is being studied for application to electronic devices because of its high breakdown electric field and saturation electron velocity, as well as to short wavelength optical elements.
特に、半絶縁性基板の上に順次エピタキシャル成長したAlxGa1-xN層(但し、0<x≦1)とGaN層との界面に現われる二次元電子ガス(2 Dimensional Electron Gas:以下、2DEGと呼ぶ)を利用するヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero−junction Field Effect Transistor:以下、HFETと呼ぶ)は、高出力デバイスや高周波デバイスとして開発が進められている。このHFETでは、キャリア供給層(n型AlGaNショットキー層)からの電子の供給に加え、自発分極及びピエゾ分極からなる分極効果による電荷の供給があるため、その電子密度は1013cm-2を超える。これは、AlGaAs/GaAs系HFETと比べて1桁程度も大きい。このように、III−V族窒化物半導体を用いたHFETでは、GaAs系HFETと比べて高いドレイン電流密度が期待でき、最大ドレイン電流が1A/mmを超える素子が報告されている(非特許文献1参照)。さらに、III−V族窒化物半導体は広いバンドギャップ(例えばGaNのバンドギャップは3.4eV)に起因した高い耐圧特性を示す。よって、III−V族窒化物半導体を用いたHFETでは、ゲート−ドレイン間の耐圧を100V以上とすることが可能である(非特許文献1参照)。このように、高耐圧かつ高電流密度を示すIII−V族窒化物半導体を用いたHFETは、高周波素子として、また従来よりも小さい設計寸法で大電力を扱える素子として応用が検討されている。 In particular, a two-dimensional electron gas (hereinafter referred to as 2 Dimensional Electron Gas: 2DEG) appearing at the interface between an Al x Ga 1-x N layer (where 0 <x ≦ 1) and a GaN layer epitaxially grown sequentially on a semi-insulating substrate. Hetero-junction field effect transistors (hereinafter referred to as HFETs) that use a heterojunction field effect transistor (hereinafter referred to as HFET) are being developed as high-power devices and high-frequency devices. In this HFET, in addition to the supply of electrons from the carrier supply layer (n-type AlGaN Schottky layer), there is charge supply due to the polarization effect consisting of spontaneous polarization and piezo polarization, so the electron density is 10 13 cm −2 . Exceed. This is about one digit larger than that of the AlGaAs / GaAs HFET. As described above, an HFET using a III-V nitride semiconductor can be expected to have a higher drain current density than a GaAs HFET, and an element having a maximum drain current exceeding 1 A / mm has been reported (Non-Patent Document). 1). Further, the group III-V nitride semiconductor exhibits high breakdown voltage characteristics due to a wide band gap (for example, the band gap of GaN is 3.4 eV). Therefore, in the HFET using the III-V nitride semiconductor, the breakdown voltage between the gate and the drain can be set to 100 V or more (see Non-Patent Document 1). As described above, application of HFETs using III-V nitride semiconductors with high breakdown voltage and high current density is being studied as high-frequency elements and as elements capable of handling high power with smaller design dimensions than conventional ones.
さらに、近年、エピタキシャル成長させる成膜技術の進展により、格子整合がとり易いシリコンカーバイド(SiC)やサファイアのみならず、安価なシリコン(Si)基板上にエピタキシャル成長させる技術開発が精力的に行われている。ここで、Si基板上の高出力素子である従来のFETについて説明する。 Furthermore, in recent years, with the progress of film formation technology for epitaxial growth, not only silicon carbide (SiC) and sapphire, which are easily lattice-matched, but also technology development for epitaxial growth on inexpensive silicon (Si) substrates has been vigorously conducted. . Here, a conventional FET which is a high-power element on a Si substrate will be described.
図11は、従来のバイアホール(基板貫通孔)構造を有する半導体装置の構造断面図である。同図に記載された半導体装置500は、HFETであり、Siからなる導電性基板501と、導電性基板501の上に形成されたバッファ層502と、バッファ層502の上に形成されたIII−V族窒化物半導体からなるチャネル層503と、チャネル層503の上に形成されたIII−V族窒化物半導体からなるショットキー層504とを備える。ショットキー層504の上には、ゲート電極508と、その両側方に位置するオーミック性のソース電極507及びドレイン電極506と、絶縁層505とが形成されている。ソース電極507の下に位置する導電性基板501及び半導体層の一部にはバイアホール509が選択的に形成されている。また、導電性基板501の裏面には裏面電極510が形成されている。裏面電極510は、バイアホール509にも導体が充填されることにより、接地電源と接続されている。
FIG. 11 is a structural cross-sectional view of a semiconductor device having a conventional via hole (substrate through hole) structure. A
このように、ソース電極507が裏面電極510とバイアホール509を介して接地されるHFETは、ソース電極がワイヤにより接地される構成のHFETと比べ、ソースインダクタンスを低減できるため、線形利得で約2dBの改善が見られることが報告されている(非特許文献2参照)。
As described above, the HFET in which the
また、他の従来例として、ソース電極又はエミッタ電極が、バイアホールを介して接地された導電性のp+型基板と接続された構造が知られている(特許文献1参照)。この構造を得るために、例えば、特許文献2では、基板を薄く研磨し、研磨された基板の裏面からバイアホールをエッチングにより形成する技術が報告されている。
As another conventional example, a structure in which a source electrode or an emitter electrode is connected to a conductive p + type substrate grounded via a via hole is known (see Patent Document 1). In order to obtain this structure, for example,
しかしながら、従来のSi基板を用いた半導体装置では、以下の観点で、高周波印加時の基板の高周波損失が大きく、SiC基板を用いた半導体素子に比べて高周波出力が低下してしまうという問題がある。 However, the conventional semiconductor device using the Si substrate has a problem that the high-frequency loss of the substrate at the time of applying a high frequency is large and the high-frequency output is lower than that of the semiconductor element using the SiC substrate from the following viewpoints. .
(1)Si基板の絶縁性がSiC基板に比べて劣る(基板の比抵抗が低い)。
(2)Si基板とSi基板上にエピタキシャル成長する半導体層との界面の結晶性が、SiC基板とSiC基板上にエピタキシャル成長する半導体層との界面の結晶性より劣り、界面に低抵抗層が生じてしまう。
(1) The insulating property of the Si substrate is inferior to that of the SiC substrate (the specific resistance of the substrate is low).
(2) The crystallinity at the interface between the Si substrate and the semiconductor layer epitaxially grown on the Si substrate is inferior to the crystallinity at the interface between the SiC substrate and the semiconductor layer epitaxially grown on the SiC substrate, resulting in a low resistance layer at the interface. End up.
上記低抵抗層は、チャネル層503を流れるドレイン電流に影響し、高周波出力を減衰させてしまう。この高周波出力の減衰を抑制するため、基板に直流バイアス電圧を印加して界面における電荷分布を制御することにより、低抵抗層を絶縁層に変化させる方法がとられている。
The low resistance layer affects the drain current flowing through the
図12は、従来の半導体装置の飽和出力電力等の基板バイアス電圧依存性を示すグラフである。同図において、縦軸は、高周波出力が飽和する電力(Psat)及び利得が3dB圧縮された時の電力(P3dB)を示している。また、横軸は、基板に印加される直流基板バイアス電圧を示している。基板バイアス電圧を正の方向に印加していくにつれ、Psat及びP3dBが増加していくことが解る。これは、上述した低抵抗層が、基板バイアス電圧の増加に伴い絶縁化していくことによるものである。このように、従来の半導体装置では、基板バイアス電圧を印加することにより、高周波出力電力の向上及び線形性改善を図っている。
しかしながら、従来の半導体装置では、前述した基板バイアス電圧を印加するための引き出し配線が必要となる。この引き出し配線には、寄生インダクタンスが発生する。この寄生インダクタンスは、ゲート電極に印加される高周波入力信号やドレイン−ソース間に発生する高周波出力信号に影響し、トランジスタ動作を不安定にする。また、この結果、トランジスタ動作が発振してしまうなどの不具合が生じてしまう場合がある。 However, the conventional semiconductor device requires the lead-out wiring for applying the substrate bias voltage described above. Parasitic inductance occurs in the lead-out wiring. This parasitic inductance affects the high-frequency input signal applied to the gate electrode and the high-frequency output signal generated between the drain and the source, and makes the transistor operation unstable. In addition, as a result, a problem such as the oscillation of the transistor may occur.
これにより、基板バイアス電圧を印加しても、所望の高周波出力、及び出力電力の線形性が得られないといった事態が発生する。 As a result, even if a substrate bias voltage is applied, a desired high-frequency output and output power linearity cannot be obtained.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、高周波信号の基板での損失を低減し、高周波出力、及び出力電力の線形性を向上させることが可能な低コストの半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a low-cost semiconductor device capable of reducing the loss of a high-frequency signal on a substrate and improving the linearity of high-frequency output and output power. For the purpose.
上記の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、高周波動作するトランジスタ素子を有する半導体装置であって、基板と、前記基板の表面上に形成された前記トランジスタ素子と、前記基板の裏面上に形成された接地用の第1導体層と、前記第1導体層上に形成された誘電体層と、前記誘電体層上に形成され、前記第1導体層とは絶縁された第2導体層とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a transistor element that operates at a high frequency, the substrate, the transistor element formed on the surface of the substrate, and the back surface of the substrate. A first conductor layer for grounding formed thereon, a dielectric layer formed on the first conductor layer, and a second conductor layer formed on the dielectric layer and insulated from the first conductor layer. And a conductor layer.
この構成によれば、基板裏面に形成された誘電体層と導体層が基板直下にて形成されているので、基板バイアス電圧を印加するための引き出し配線による寄生インダクタンスが存在しても、当該インダクタンス成分により発生する不要な高周波成分が、基板の直下にて排除される。よって、基板バイアス電圧を印加しても、高周波入力信号及び高周波出力信号が、不要な高周波成分に影響されず、トランジスタ動作が不安定になることがないので、高周波出力、及び出力電力の線形性を向上させることが可能となる。 According to this configuration, since the dielectric layer and the conductor layer formed on the back surface of the substrate are formed directly under the substrate, even if there is a parasitic inductance due to the lead-out wiring for applying the substrate bias voltage, the inductance Unnecessary high frequency components generated by the components are eliminated directly under the substrate. Therefore, even if a substrate bias voltage is applied, the high frequency input signal and the high frequency output signal are not affected by unnecessary high frequency components, and the transistor operation does not become unstable. Can be improved.
また、前記基板は、シリコン基板であり、前記トランジスタ素子は、III−V族窒化物半導体からなることが好ましい。 The substrate is preferably a silicon substrate, and the transistor element is preferably made of a group III-V nitride semiconductor.
III−V族半導体をエピタキシャル成長させる観点では、基板としてはIII−V族半導体と格子整合度の高いシリコンカーバイドが用いられるが、シリコン基板を用いることにより材料コストを低減することが可能となる。また、広いバンドギャップと直接遷移型バンド構造という物理的特徴を有するIII−V族窒化物半導体は、高周波デバイスに有用であり、高耐圧かつ高電流密度を有するので高出力デバイスにも有用である。 From the viewpoint of epitaxially growing a group III-V semiconductor, silicon carbide having a high degree of lattice matching with the group III-V semiconductor is used as the substrate. However, the use of a silicon substrate can reduce the material cost. In addition, a III-V nitride semiconductor having physical characteristics such as a wide band gap and a direct transition band structure is useful for a high-frequency device, and is also useful for a high-power device because it has a high breakdown voltage and a high current density. .
また、さらに、前記トランジスタ素子をパッケージングするための蓋体を備え、前記第2導体層上には、前記蓋体の内面が接合されていてもよい。 Further, a lid for packaging the transistor element may be provided, and an inner surface of the lid may be bonded onto the second conductor layer.
これにより、基板が誘電体層を介して蓋体と接続されるので、上述した寄生インダクタンス成分により発生する不要な高周波成分が、基板裏面から蓋体を介して排除される。また、蓋体内部にバイパスキャパシタが形成されるので、小型化及び高出力化が図られる。 Thereby, since the substrate is connected to the lid through the dielectric layer, unnecessary high-frequency components generated by the parasitic inductance component described above are eliminated from the back of the substrate through the lid. In addition, since the bypass capacitor is formed inside the lid, it is possible to reduce the size and increase the output.
また、前記蓋体は、前記内面上に形成され前記第2導体層と絶縁された第3導体層を備え、前記第1導体層は、前記第3導体層と電気導通するよう接続されていることが好ましい。 The lid includes a third conductor layer formed on the inner surface and insulated from the second conductor layer, and the first conductor layer is connected to be electrically connected to the third conductor layer. It is preferable.
これにより、第3導体層を、基板バイアス電圧を印加するための配線として用いることが可能となる。この第3導体層は第2導体層とは蓋体内面上にて電気導通しないように形成されているので、上述した不要な高周波成分の除去及び寄生インダクタンス成分の少ない基板バイアス電圧印加が、蓋体内部にて実現される。 As a result, the third conductor layer can be used as a wiring for applying a substrate bias voltage. Since the third conductor layer is formed so as not to be electrically connected to the second conductor layer on the inner surface of the lid body, the above-described removal of unnecessary high-frequency components and application of the substrate bias voltage with a small parasitic inductance component are applied to the lid. Realized inside the body.
また、前記第2導体層は、少なくとも、前記蓋体の前記内面上に形成された凹部に配置され、前記第3導体層は、前記凹部以外の前記内面上の一部に配置され、前記第1導体層は、少なくとも、面方向における一の外周辺が当該外周辺と同方向の前記凹部の外周辺より長く、前記誘電体層は、面方向における全ての外周辺が、当該外周辺と同方向の前記凹部の外周辺より短いことが好ましい。 Further, the second conductor layer is disposed at least in a recess formed on the inner surface of the lid, and the third conductor layer is disposed on a part of the inner surface other than the recess, One conductor layer has at least one outer periphery in the plane direction longer than the outer periphery of the recess in the same direction as the outer periphery, and the dielectric layer has all the outer periphery in the plane direction the same as the outer periphery. The direction is preferably shorter than the outer periphery of the recess.
これにより、第2導体層及び誘電体層は蓋体の凹部内で蓋体と接続される。また、第1導体層は蓋体の凹部内に挿入されないので、第1導体層と第3導体層とは当該凹部の外で接続される。よって、不要な高周波成分を除去するパスの一部として機能する第2導体層と、直流の基板バイアス電圧を印加する配線として機能する第3導体層とが絶縁され、小型化及び高出力化が図られる。 As a result, the second conductor layer and the dielectric layer are connected to the lid in the recess of the lid. Further, since the first conductor layer is not inserted into the recess of the lid, the first conductor layer and the third conductor layer are connected outside the recess. Therefore, the second conductor layer functioning as a part of the path for removing unnecessary high-frequency components and the third conductor layer functioning as wiring for applying the DC substrate bias voltage are insulated, thereby reducing the size and increasing the output. Figured.
また、前記蓋体は、前記基板及び前記トランジスタ素子からなる半導体ダイを囲む側壁を有し、前記第2導体層及び第3導体層は、それぞれ、前記側壁の内面及び縁の一部まで形成され、前記半導体装置は、さらに、前記蓋体の前記縁と接することにより、前記蓋体とともに前記半導体ダイを覆うパッケージング用基板を備え、前記パッケージング用基板には、前記蓋体の前記縁上に形成された前記第2導体層及び前記第3導体層のパターン位置に合わせた導体層用電極が形成され、かつ、前記トランジスタ素子の有する複数の電極のパターン位置に合わせた半導体層用電極が形成され、前記半導体層用電極は、前記複数の電極とバンプにより接続されていてもよい。 The lid has a side wall surrounding the substrate and the semiconductor die composed of the transistor element, and the second conductor layer and the third conductor layer are formed to the inner surface of the side wall and a part of the edge, respectively. The semiconductor device further includes a packaging substrate that covers the semiconductor die together with the lid by contacting the edge of the lid, and the packaging substrate includes an upper surface of the lid. Conductor layer electrodes are formed in accordance with the pattern positions of the second conductor layer and the third conductor layer formed on the semiconductor element, and semiconductor layer electrodes are aligned with the pattern positions of the plurality of electrodes of the transistor element. The formed semiconductor layer electrode may be connected to the plurality of electrodes by bumps.
これにより、蓋体及びパッケージング用基板で覆われた内部に不要な高周波成分を除去する構成及び基板バイアス電圧を印加する構成が実現される。また、パッケージング用基板と複数の電極とはバンプにて接続されているので、ワイヤボンディングにより接続される場合に比べ、パッケージング用基板と当該複数の電極との距離を小さくすることが可能となる。よって、半導体ダイが実装されたパッケージ品として小型化、低コスト化、高性能化及び、高出力化を図ることが可能となる。 Thereby, the structure which removes an unnecessary high frequency component and the structure which applies a substrate bias voltage to the inside covered with the lid and the packaging substrate are realized. In addition, since the packaging substrate and the plurality of electrodes are connected by bumps, it is possible to reduce the distance between the packaging substrate and the plurality of electrodes as compared to the case where they are connected by wire bonding. Become. Therefore, it is possible to achieve downsizing, cost reduction, high performance, and high output as a packaged product on which a semiconductor die is mounted.
また、前記蓋体は、半導体を基材として形成されていてもよい。
これにより、半導体ダイとその蓋体を実装した半導体装置を作製する方法として、以下のような方法が挙げられる。まず、ウェハ基板の両面上に、それぞれ、トランジスタ素子及びバイパスキャパシタが作製された半導体素子ウェハと、半導体からなり蓋体加工された蓋体ウェハとを、ウェハレベルで貼り合せる。その後、ダイシングレーンに応じて個々のパッケージにダイシングカットする。本方法によれば、ウェハレベルでの工程が多く、個片レベルでの工程が少ないので、簡素化され低コスト化された量産工程を実現することが可能となる。
The lid may be formed using a semiconductor as a base material.
Thereby, the following methods are mentioned as a method of manufacturing the semiconductor device which mounted the semiconductor die and its cover. First, on both surfaces of a wafer substrate, a semiconductor element wafer on which a transistor element and a bypass capacitor are manufactured and a lid wafer made of a semiconductor and processed on a lid are bonded at a wafer level. Thereafter, dicing is cut into individual packages according to the dicing lane. According to this method, since there are many processes at the wafer level and few processes at the individual piece level, it is possible to realize a mass production process that is simplified and reduced in cost.
また、前記第2導体層には、接地電位が与えられ、前記第3導体層には、基板バイアス電位が与えられ、前記半導体装置は、さらに、前記基板バイアス電位を印加するバイアス電位印加回路と、前記トランジスタ素子から出力される高周波電力を検波する検波回路と、前記検波回路からの出力信号に基づき、前記基板バイアス電位を調整するバイアス電位調整回路とを備えてもよい。 Further, a ground potential is applied to the second conductor layer, a substrate bias potential is applied to the third conductor layer, and the semiconductor device further includes a bias potential application circuit that applies the substrate bias potential. A detection circuit for detecting high-frequency power output from the transistor element, and a bias potential adjustment circuit for adjusting the substrate bias potential based on an output signal from the detection circuit may be provided.
これにより、半導体ダイが実装されたパッケージ品から出力される高周波信号を最適化することができるので、高機能化が図られる。 As a result, the high frequency signal output from the packaged product on which the semiconductor die is mounted can be optimized, so that high functionality can be achieved.
本発明の半導体装置によれば、基板バイアス電圧を印加する配線のインダクタンス成分によりトランジスタ動作が不安定になることがないので、高周波出力、及び出力電力の線形性を向上させることが可能となる。また、上記効果を奏するための構成として、シリコン基板と蓋体底面との間に形成された導体層及び誘電体層が用いられているので、小型化及び低コスト化が図られる。 According to the semiconductor device of the present invention, since the transistor operation does not become unstable due to the inductance component of the wiring to which the substrate bias voltage is applied, the high frequency output and the linearity of the output power can be improved. In addition, since the conductor layer and the dielectric layer formed between the silicon substrate and the bottom surface of the lid are used as a configuration for achieving the above-described effect, the size and cost can be reduced.
(実施の形態1)
本実施の形態における半導体装置は、シリコン基板の表面上に形成されたトランジスタ素子と、シリコン基板の裏面上に形成された第1導体層と、当該第1導体層上に形成された誘電体層と、当該誘電体層の上に形成された第2導体層と、当該第2導体層の上に接合されトランジスタ素子をパッケージングする蓋体と、当該蓋体の内面上に形成され第2導体層と絶縁された第3導体層とを備え、第1導体層と第3導体層とは電気導通するよう接続されている。これにより、第3導体層は、基板バイアス電圧を印加するための配線として用いられ、これに寄生インダクタンスが存在しても、第1導体層、誘電体層及び第2導体層により不要な高周波成分が、基板裏面から蓋体を介して排除される。よって、高周波出力、及び出力電力の線形性を向上させることが可能となる。
(Embodiment 1)
The semiconductor device in the present embodiment includes a transistor element formed on the surface of a silicon substrate, a first conductor layer formed on the back surface of the silicon substrate, and a dielectric layer formed on the first conductor layer. A second conductor layer formed on the dielectric layer, a lid bonded to the second conductor layer for packaging the transistor element, and a second conductor formed on the inner surface of the lid The first conductor layer and the third conductor layer are electrically connected to each other. As a result, the third conductor layer is used as a wiring for applying a substrate bias voltage, and even if there is a parasitic inductance, an unnecessary high-frequency component is generated by the first conductor layer, the dielectric layer, and the second conductor layer. Is removed from the back surface of the substrate through the lid. Therefore, it becomes possible to improve the linearity of the high frequency output and the output power.
以下、本発明の実施の形態1について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1(a)は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の構造を示す上面透視図である。また、図1(b)は、図1(a)のA−A’線に沿って切断した構造断面図である。また、図2は、図1(a)のB−B’線に沿って切断した構造断面図である。また、図3は、図1(a)のC−C’線に沿って切断した構造断面図である。図1(b)、図2及び図3に記載された半導体装置10は、基板101と、バッファ層102と、チャネル層103と、ショットキー層104と、絶縁層106及び111と、ソース電極107と、ドレイン電極108と、ゲート電極109と、バンプ110と、裏面電極113と、高誘電率膜114と、接地導体層115及び118と、パッケージング用蓋116と、バイアス電極119と、パッケージング用基板120とを備える。
Hereinafter,
FIG. 1A is a top perspective view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a structural cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 2 is a structural cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. FIG. 3 is a structural cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. A
図1〜図3に記載された半導体チップは、本発明の実装構造を説明するため、ヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero−junction Field Effect Transistor:以下、HFETと記す。)機能を有する構成を簡素化して記載している。図4(a)は、本発明の半導体装置の有するマルチフィンガ型トランジスタチップの構成を示す上面図であり、図4(b)は、本発明の半導体装置の有するT字ゲート引出し型トランジスタチップの構成を示す上面図である。両図に記載されたトランジスタは、ともにゲート電極及びゲートパッド127、ソース電極及びソースパッド128、ドレイン電極及びドレインパッド129を備えたHFETである。図4(a)に記載されたマルチフィンガ型トランジスタチップでは、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極で表わされたユニット構造が、並列に接続されている。この場合、トランジスタサイズを現す総ゲート幅(Wg)は、ユニット数(Nf)×単位フィンガー長(Lf)で定義される。また、図4(b)に記載されたT字ゲート引出し型トランジスタチップでは、ゲート電極がT字の形状であり、Wgは単位フィンガーが2本分となる。両トランジスタチップとも、トランジスタが形成された主面上で、ゲートパッド127、ソースパッド128が同一方向に引出され、ドレインパッド129はこれらとは反対方向に引出される。 The semiconductor chip described in FIGS. 1 to 3 has a simplified structure having a hetero-junction field effect transistor (hereinafter referred to as HFET) function in order to explain the mounting structure of the present invention. It is described. 4A is a top view showing a configuration of a multi-finger type transistor chip included in the semiconductor device of the present invention, and FIG. 4B is a diagram of a T-shaped gate lead-out type transistor chip included in the semiconductor device of the present invention. It is a top view which shows a structure. The transistors shown in both figures are HFETs each including a gate electrode and gate pad 127, a source electrode and source pad 128, and a drain electrode and drain pad 129. In the multi-finger type transistor chip shown in FIG. 4A, unit structures represented by a gate electrode, a source electrode and a drain electrode are connected in parallel. In this case, the total gate width (Wg) representing the transistor size is defined by the number of units (Nf) × unit finger length (Lf). Further, in the T-shaped gate lead-out type transistor chip shown in FIG. 4B, the gate electrode has a T-shape, and Wg is equivalent to two unit fingers. In both transistor chips, the gate pad 127 and the source pad 128 are drawn out in the same direction on the main surface on which the transistor is formed, and the drain pad 129 is drawn out in the opposite direction.
図1、図2及び図3に記載された半導体チップは、全て、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極のユニット部のみが示されている。 The semiconductor chips shown in FIGS. 1, 2 and 3 are all shown only in the unit parts of the gate electrode, the source electrode and the drain electrode.
なお、本発明の半導体装置が、図4(a)に記載されたマルチフィンガ型トランジスタチップのように、ユニット部が並列配置された半導体チップを構成要素として備えていても、図1〜図3に記載された半導体装置と同様の効果を奏する。 Even if the semiconductor device of the present invention includes a semiconductor chip in which unit portions are arranged in parallel, such as the multi-finger type transistor chip shown in FIG. The same effects as those of the semiconductor device described in (1) can be obtained.
以下、図1〜図3に記載された半導体装置の構成及び機能について説明する。
半導体装置10は、HFETを構成する。まず、HFETの主要構成要素について、その構造及び機能を説明する。なお、図1(b)、図2及び図3に記載された半導体チップの断面図では、基板101の表面が下側に、また、基板101の裏面が上側に配置されている。基板101の表面への各層の積層関係については、図1の下側方向の積層を、下層の上に積層されると表現する。また、基板101の裏面への各層の積層関係については、図1の上側方向の積層を、下層の上に積層されると表現する。
Hereinafter, the configuration and function of the semiconductor device described in FIGS. 1 to 3 will be described.
The
基板101は、例えば、シリコン(Si)からなる厚さ500μmの高抵抗基板である。ここで、上記「高抵抗」とは、HFETの通常動作時に電流が流れないという意味で用いられ、いわゆる半絶縁性層も高抵抗層と呼ぶ。
The
バッファ層102は、基板101の上に積層され、例えば、高抵抗の窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN(0<x≦1))からなる厚さ500nmの層である。バッファ層102は、基板101とチャネル層103及びショットキー層104との格子不整合を緩和するために形成されている。
The
チャネル層103は、バッファ層102の上に積層され、例えば、アンドープの窒化ガリウム(GaN)からなる厚さ1000nmの半導体層である。GaNは、バンドギャップの大きいIII−V族窒化物半導体である。
The
ショットキー層104は、チャネル層103の上に積層され、例えば、n型の窒化アルミニウムガリウム(AlyGa1-yN(0<y≦1))からなる厚さ25nmの半導体層である。AlyGa1-yNは、下層の構成要素であるGaNよりさらにバンドギャップの大きいIII−V族窒化物半導体である。
チャネル層103は、ショットキー層104との界面に、1013(cm-2)オーダーの高いシートキャリア濃度の二次元電子ガス(2 Dimensional Electron Gas:以下、2DEGと呼ぶ)を誘起させる。また、ショットキー層104は、上記界面に電子を供給する電子供給層としての機能を有する。
The
絶縁層106は、ショットキー層104の上に積層され、例えば、窒化珪素(SiN)からなる厚さ100nmの層である。また、絶縁層106には、複数の開口部が互いに離間して設けられている。
The insulating
上記複数の開口部には電極部として、それぞれ、ソース電極107、ドレイン電極108及びゲート電極109が設けられている。ゲート電極109は、n型のAlyGa1-yNからなるショットキー層104に対してショットキー性を示すように、例えば、ニッケル(Ni)と金(Au)との積層体からなる。また、ソース電極107及びドレイン電極108は、ショットキー層104に対してオーミック性を示すように、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)との積層体で形成される。
A
絶縁層111は、絶縁層106の上及び各電極の周囲に形成されている。なお、ソース電極107、ドレイン電極108及びゲート電極109の電極パッドは、絶縁層111の上に設けられており、それぞれ、金メッキなどの手法を用いてバンプ110が形成されている。バンプ110の高さは、例えば、15μm以上である。なお、バンプ110は、上記各電極パッド上に形成されている代わりに、後述するパッケージング用基板120上に予め形成されていてもよい。
The insulating
チャネル層103、ショットキー層104、ソース電極107、ドレイン電極108及びゲート電極109は、トランジスタ素子を構成する。
The
上記構成により、半導体装置10は、ハイパワー用の電界効果型トランジスタとしての機能を有する。例えば、閾値電圧以上でゲート電極109に印加する電圧を正方向に増加させていくと、チャネル層103を流れるドレイン電流が増加する。
With the above configuration, the
なお、バッファ層102は、基板101との界面に導電層105を有する。これは、Siからなる基板101とAlyGa1-yNからなるバッファ層102との格子不整合により界面に発生する低抵抗層である。上記低抵抗層は、チャネル層103を流れるドレイン電流に影響を及ぼし、高周波出力であるドレイン電流を減衰させてしまう。この高周波出力の減衰を抑制するため、基板に直流バイアス電圧を印加して界面における電荷分布を制御することにより、低抵抗層を絶縁層に変化させる方法がとられる。
Note that the
以下では、上述したHFETの主要構成要素による高周波出力性能を向上させるための構成及び機能について説明する。 Below, the structure and function for improving the high frequency output performance by the main component of HFET mentioned above are demonstrated.
上述したHFETの主要構成要素である基板101、バッファ層102、チャネル層103、ショットキー層104、絶縁層106及び111、及び各電極は、半導体ダイを構成している。
The
裏面電極113は、この半導体ダイの裏面、つまり、基板101の裏面上に、例えば、チタン(Ti)と金(Au)との積層体や、クロム(Cr)と金(Au)との積層体として形成されている第1導体層である。上記半導体ダイ及び裏面電極113は、少なくとも、積層面方向における一の外周辺が、当該外周辺と同方向にあるパッケージング用蓋116の凹部117の外周辺より長い。これにより、上記半導体ダイ及び裏面電極113は、パッケージング用蓋116の凹部117領域には挿入されない。
The
高誘電率膜114は、裏面電極113の上であって、基板101と反対側に形成された誘電体層であり、後述するパッケージング用蓋116の凹部117内に納まるように形成される。高誘電率膜114は、例えば、バリウム・ストロンチウム・チタン化合物(BST)、ストロンチウム・チタン・酸化物(STO)などの材料が適用される。これらはスピンコート法などにより形成する。上述した、パッケージング用蓋116の凹部117と裏面電極113及び高誘電率膜114との配置関係を実現するために、裏面電極113上に高誘電率膜114を全面に形成した後、高誘電率膜114をパターニングしてもよい。また、所望の形状となるように高誘電率膜114をリフトオフ法により形成してもよい。
The high dielectric
接地導体層115は、高誘電率膜114の上であって、裏面電極113と反対側に形成された導体層である。ここで、接地導体層115と裏面電極113とは接しておらず絶縁されている。接地導体層115は、例えば、チタン(Ti)と金(Au)などからなる。
The
裏面電極113、高誘電率膜114及び接地導体層115のサンドイッチ構造により、金属−絶縁体−金属(MIM)型のキャパシタ構造が構成される。このキャパシタ構造は、基板101の裏面に直接形成されており、基板バイアス電圧印加用のバイパスキャパシタとして機能する。
The sandwich structure of the
次に、上記半導体ダイ及び上記バイパスキャパシタのパッケージング構造及び機能について説明する。半導体装置10は、パッケージング構造の構成要素として、パッケージング用蓋116と、パッケージング用基板120とを有する。
Next, the packaging structure and function of the semiconductor die and the bypass capacitor will be described. The
パッケージング用蓋116は、例えば、セラミック、絶縁性の樹脂などを材料とし、底板および側壁を備えた蓋体であり、底板の一部に凹部117が形成されている。凹部117は、上記バイパスキャパシタを構成する高誘電率膜114及び接地導体層115のパターンに合わせて形成されている。
The
接地導体層118は、パッケージング用蓋116の内面上であって、凹部117の内部領域および凹部117の一部外部領域に、形成された第2導体層である。ここで、接地導体層118は、接地導体層115と凹部117内で接合されており、裏面電極113とは接しておらず絶縁されている。接地導体層118は、例えば、チタン(Ti)と金(Au)などからなる。また、接地導体層118は、パッケージング用基板120と電気的に接続させるための所望のパターニングがなされている。
The
なお、接地導体層115は形成されなくてもよく、接地導体層118が高誘電率膜114と直接接合している構造であってもよい。この場合、基板101の直下に形成されるMIM型のキャパシタは、裏面電極113、高誘電率膜114及び接地導体層118のサンドイッチ構造により形成される。
The
バイアス電極119は、パッケージング用蓋116の内面上であって、凹部117の一部外部領域に形成された第3導体層であり、基板101の裏面に直流のバイアス電圧を印加するための配線として機能する。さらに、バイアス電極119は、接地導体層118と絶縁され、裏面電極113と凹部117の領域外で接合されることにより電気導通されている。例えば、図1(a)に記載されたレイアウトでは、バイアス電極119と接地導体層118とは、パッケージング用蓋116の内面上で交差しないように形成されている。
The
また、バイアス電極119は、パッケージング用基板120と電気的に接続させるための所望のパターニングがなされている。よって、バイアス電極119は、パッケージング用蓋116の底面上だけでなく、パッケージング用蓋116の側壁内面にも形成されていてもよい。
The
なお、図1(a)に記載されたバイアス電極119は、半導体ダイの左右両側、つまり、複数箇所に形成されているが、片方のみ形成されていてもよい。
In addition, although the
パッケージング用基板120は、例えば、セラミック、絶縁性の樹脂などを材料とする。パッケージング用基板120の表面には、バンプ110、接地導体層118及びバイアス電極119のパターンに合わせてパッケージング用基板上電極121が形成されている。パッケージング用蓋116とパッケージング用基板120との接着は、例えば、バンプ110、接地導体層118及びバイアス電極119が溶融する温度に加熱して行う。また、パッケージング用蓋116とパッケージング用基板120とが接着される際に、バイアス電極119と裏面電極113とを同時に接合してもよい。
The
パッケージとしての外部端子は、パッケージング用基板120にスルーホール122を形成して、パッケージング用基板120の裏面にパッケージング用基板裏面電極123を形成することにより実現される。
An external terminal as a package is realized by forming a through
上記構造では、半導体ダイをフリップチップ実装し、基板101の裏面とパッケージング用蓋116の凹部117との間にバイパスキャパシタを備えたバイアス印加構造を有する。この構造によれば、バイパスキャパシタをパッケージの外付けで実装して使用する場合に比べて、実装面積の低減と、部品点数の削減による低コスト化が実現できる。
The above structure has a bias application structure in which a semiconductor die is flip-chip mounted and a bypass capacitor is provided between the back surface of the
また、フリップチップ実装を用いたパッケージングによる小型化と、パッケージ端子を介した基板バイアス電圧の印加による高周波動作の安定化とを図ることができ、高性能化(信頼性向上)が可能となる。 In addition, downsizing by packaging using flip-chip mounting and stabilization of high-frequency operation by applying a substrate bias voltage through the package terminal can be achieved, and high performance (reliability improvement) can be achieved. .
なお、パッケージング用蓋116は、半導体を基材として形成されていてもよい。これにより、半導体ダイとパッケージング用蓋116を実装した半導体装置を製造する方法として、以下のような方法が挙げられる。
The
まず、ウェハ基板表面上に上記トランジスタ素子が、また、裏面上に上記バイパスキャパシタが形成された半導体素子ウェハと、半導体からなり蓋体加工された蓋体ウェハとを、ウェハレベルで貼り合せる。その後、ダイシングレーンに応じて個々のパッケージにダイシングカットする。本方法によれば、ウェハレベルでの工程が多く、個片レベルでの工程が少ないので、簡素化され低コスト化された量産工程を実現することが可能となる。 First, a semiconductor element wafer in which the transistor element is formed on the front surface of the wafer substrate and the bypass capacitor is formed on the back surface is bonded to a lid wafer made of a semiconductor and processed into a lid body at a wafer level. Thereafter, dicing is cut into individual packages according to the dicing lane. According to this method, since there are many processes at the wafer level and few processes at the individual piece level, it is possible to realize a mass production process that is simplified and reduced in cost.
以上の構成において、本発明の実施の形態に係る半導体装置の主要な構成要素は、裏面にキャパシタ構造を有する半導体ダイと、これを実装してパッケージングするためのパッケージング用蓋(もしくはキャップ、Lid)と、パッケージング用基板である。つまり、半導体ダイの基板裏面へのバイアス電圧印加のために必要なバイパスキャパシタをパッケージ内に内蔵する構成を適用している。この構成により得られる効果について図5を用いて説明する。 In the above configuration, the main components of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention include a semiconductor die having a capacitor structure on the back surface, and a packaging lid (or cap) for mounting and packaging the semiconductor die. Lid) and a packaging substrate. That is, a configuration in which a bypass capacitor necessary for applying a bias voltage to the back surface of the substrate of the semiconductor die is incorporated in the package is applied. The effect obtained by this configuration will be described with reference to FIG.
図5(a)は、本発明の半導体装置の等価回路図であり、図5(b)は、従来の半導体装置の等価回路図である。図5(b)に記載された従来の半導体装置の等価回路図のように、基板上のバイアス印加点Pから離れた距離にバイパスキャパシタが装荷された場合、バイアス印加点Pとバイパスキャパシタとの間にインダクタンス成分が発生する。この場合には、上記インダクタンス成分によりトランジスタの高周波動作時の安定性が損なわれるとともに、不要な雑音をトランジスタに誘起させる要因となる。 FIG. 5A is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device of the present invention, and FIG. 5B is an equivalent circuit diagram of the conventional semiconductor device. As shown in the equivalent circuit diagram of the conventional semiconductor device shown in FIG. 5B, when the bypass capacitor is loaded at a distance away from the bias application point P on the substrate, the bias application point P and the bypass capacitor An inductance component is generated between them. In this case, the inductance component impairs the stability of the transistor during high-frequency operation and causes unnecessary noise in the transistor.
これに対し、図5(a)に記載された本発明の半導体装置の等価回路図のように、トランジスタの基板上のバイアス印加点Pの近傍にバイパスキャパシタが配置されることにより、トランジスタの高周波動作時の安定性を確保できるともに、不要な雑音の除去も可能となる。 On the other hand, as shown in the equivalent circuit diagram of the semiconductor device of the present invention described in FIG. 5A, a bypass capacitor is disposed in the vicinity of the bias application point P on the transistor substrate, so that the high frequency of the transistor can be obtained. In addition to ensuring stability during operation, unnecessary noise can be removed.
以上、本実施の形態の半導体装置は、(1)半導体ダイを搭載収納するパッケージング用蓋116の底面に凹部117を有しており、その凹部117の内部に形成された接地導体層118と半導体ダイの裏面電極113との間に形成された高誘電率膜114が、半導体ダイの裏面バイアス印加用のバイパスキャパシタとして機能する。ここで凹部117の内部に形成された接地導体層118は接地電位に保たれる。
As described above, the semiconductor device of this embodiment has (1) the
(2)また、パッケージング用蓋116の底面の凹部117以外の領域、すなわち接地導体層118と高誘電率膜114が形成されていない領域には、半導体ダイの裏面電極113が露出しており、この裏面電極113がパッケージング用蓋116の底面の凹部117以外の領域に形成されたバイアス電極119と電気的に接続される。ここでバイアス電極119は基板バイアス電位に保たれる。
(2) Further, the
上記構造により、基板バイアス電圧印加用の配線に寄生インダクタンスが存在しても基板直下に形成されたバイパスキャパシタにより不要な高周波成分が、基板の直下にて排除される。よって、高周波出力、及び出力電力の線形性を向上させることが可能となる。 With the above structure, even if parasitic inductance exists in the wiring for applying the substrate bias voltage, an unnecessary high frequency component is eliminated immediately under the substrate by the bypass capacitor formed immediately below the substrate. Therefore, it becomes possible to improve the linearity of the high frequency output and the output power.
上述した半導体装置10に印加すべき基板バイアス電圧を変化させることにより、高周波増幅器としての出力電力(利得)の制御を行うことが可能となる。これを実現するには、パッケージ化された半導体装置10と、半導体装置10から出力される電力を検波する回路と、検波する回路からの信号に基づき基板バイアス電位を制御する回路とが必要となる。これにより、携帯電話などの通信機器のセットに搭載した際に付加価値を与え、高機能化に寄与することができる。以下、この構成および機能について図6を用いて説明する。
By changing the substrate bias voltage to be applied to the
図6(a)は、本発明の実施の形態1に係る第1の変形例を示す半導体装置の機能ブロック図である。また、図6(b)は、電力モニタ部の回路構成図である。図6(a)に記載された半導体装置は、RF部134と、IF信号処理部135と、アンテナ137と、フィードバック制御部143と、ベースバンド部149と、CPUメモリ部150と、電源部151とを備える。
FIG. 6A is a functional block diagram of a semiconductor device showing a first modification according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6B is a circuit configuration diagram of the power monitor unit. The semiconductor device illustrated in FIG. 6A includes an
高周波信号の送受信と信号処理に関わる部分は、 RF部134、 IF信号処理部135、ベースバンド部149である。
The parts related to the transmission / reception of high-frequency signals and signal processing are an
RF部134は、高周波信号の送受信に用いられるアンテナ137、アンテナ共用器(デュプレクサ)あるいはスイッチ124、そしてフロントエンド部139を有しており、フロントエンド部139は、さらに送信部140、受信部141を有する。
The
送信部140は、変調器から送られてくる中間周波数(IF)信号を高周波信号に変換する送信ミキサ(アップコンバータ)とその電圧制御発振器(VCO)、そして高周波信号を増幅する電力増幅器(ここでは小信号の高周波増幅器を含める)で主に構成される。ここで、送信部140の前段高周波増幅器144及び最終段電力増幅器145は、本発明の半導体装置10を含んでいる。
The transmission unit 140 includes a transmission mixer (up-converter) that converts an intermediate frequency (IF) signal transmitted from the modulator into a high-frequency signal, a voltage-controlled oscillator (VCO) thereof, and a power amplifier (here, amplifying the high-frequency signal). Mainly composed of small-signal high-frequency amplifiers). Here, the front-stage high-frequency amplifier 144 and the final-stage power amplifier 145 of the transmission unit 140 include the
受信部141は、アンテナ137から送られてくる高周波信号の増幅を行う低雑音増幅器(LNA)とICでの信号処理が行えるように、高周波信号を低周波数のIF信号に変換する受信ミキサ(ダウンコンバータ)で主に構成される。ここで、受信部141の低雑音増幅器148は、本発明の半導体装置10を含んでいる。
The receiving unit 141 is a low noise amplifier (LNA) that amplifies the high frequency signal sent from the
IF信号処理部135は、送信部のベースバンド信号の変調部、受信部のフロントエンド部からIF信号をさらに変換、増幅する部分(ミキサ、IF増幅器)で主に構成される。
The IF
このようなブロックからなる通信機器において、使用する通信方式、変調方式により出力電力が異なる場合や、高周波信号の送受信状況が変化している場合には、出力電力を変化させる、あるいは、一定に保つ必要がある。このため、送信用の電力増幅器の機能として、一定の出力電力を保持し、安定化させるための利得制御機能は必須である。また、受信用として、アンテナからの受信信号を低雑音増幅器で増幅する際に、その受信信号の強弱に応じて受信検波可能な適正な信号レベルを得るための利得制御機能を兼ね備えることは有用である。 In communication equipment consisting of such blocks, when the output power differs depending on the communication method and modulation method used, or when the transmission / reception status of high-frequency signals is changing, the output power is changed or kept constant. There is a need. For this reason, as a function of the power amplifier for transmission, a gain control function for maintaining and stabilizing a constant output power is essential. For reception, it is useful to have a gain control function to obtain an appropriate signal level that can be received and detected according to the strength of the received signal when the received signal from the antenna is amplified by a low noise amplifier. is there.
ベースバンド部149は、デジタル方式では音声、データ、映像信号の符号・復号処理を行うコーデック、伝送の多重化方式に対するチャネルの選局などを行うためのコーデック、ベースバンド信号の変調部とIF信号の復調部で主に構成される。アナログ方式では復調部、変調器、音声、データ、信号処理部により主に構成される。ベースバンド部では通信方式によりアナログ信号、デジタル信号のいずれかを扱うことになり、それぞれに応じてアナログ専用処理ICとデジタル信号専用処理ICを別々に用いるか、アナログ/デジタル信号処理を行う一体型ICを用いる。
The
この他に、上記各部を制御するためのCPUメモリ部150と、電源部151がある。CPUメモリ部150は所望の通信方式に応じて上記のRF部134、IF信号処理部135及びベースバンド部149の制御などを行う。電源部151は、電池、商用電源などからDC−DCコンバータ、レギュレータなどを用いて、各部の回路の動作電圧に応じて正電源あるいは負電源を発生させる。
In addition, there is a
次に、図6(a)に記載された半導体装置の制御方法について説明する。
送信側では電力増幅器の出力電力を電力モニタ部142でモニタし、その電圧信号をフィードバック制御部143を介して、前段高周波増幅器144、あるいは最終段電力増幅器145の有する半導体装置10の基板バイアス印加用端子にフィードバックして出力電力を制御することができる。出力電力のモニタ回路は、例えば、図6(b)に記載された回路が用いられる。方向性結合器146のアイソレーションポートで得られた電力レベルを容量結合し、検波ダイオード147にて直流電圧へ変換され、フィードバック制御部143へ送られる。
Next, a method for controlling the semiconductor device illustrated in FIG.
On the transmitting side, the output power of the power amplifier is monitored by the power monitor unit 142, and the voltage signal is applied to the substrate bias of the
一方、受信側では、IF信号処理部135で受信検波可能な適正な信号レベル、ベースバンド部149での適正な信号レベルを得るために、受信側のフィードバック制御部143を介し、多段で構成される低雑音増幅器148の後段に位置する半導体装置10の基板バイアス印加用端子にフィードバックして出力レベル、つまり利得を調整する。
On the other hand, in order to obtain an appropriate signal level that can be received and detected by the IF
上記構成及び機能により、半導体装置10を含む各増幅器から出力される高周波信号を最適化することができるので、半導体装置の高機能化を図ることが可能となる。
With the above configuration and function, the high-frequency signal output from each amplifier including the
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2に係る半導体装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図7は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の構造断面図である。同図に記載された半導体装置20は、基板101と、バッファ層102と、チャネル層103と、ショットキー層104と、絶縁層106、111及び131と、ソース電極107と、図示されていないドレイン電極108と、ゲート電極109と、バンプ110と、裏面電極113と、高誘電率膜114と、接地導体層115、118及び132と、パッケージング用蓋116と、バイアス電極119と、パッケージング用基板120と、貫通孔130とを備える。同図に記載された半導体装置20は、図2に記載された半導体装置10と比較して、ソース電極107が、貫通孔130を介して基板裏面の接地導体層と接続されている点のみが構造として異なる。以下、半導体装置10と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
FIG. 7 is a structural cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The
以下、上述したHFETの主要構成要素による高周波出力性能を向上させるための構成及び機能について説明する。 Hereinafter, the configuration and function for improving the high-frequency output performance by the main components of the HFET described above will be described.
接地導体層132は、半導体ダイの裏面、つまり、基板101の裏面に、例えば、チタン(Ti)と金(Au)との積層体や、クロム(Cr)と金(Au)との積層体として形成される。
The
貫通孔130は、基板101、バッファ層102、チャネル層103及びショットキー層104との絶縁性を保つため、内壁には絶縁層131が形成されている。また、貫通孔130は、絶縁層131が形成された内壁の内側に導体が充填されている。
In the through
ソース電極107は、この貫通孔130を介して、接地導体層132と電気導通される。
The
接地導体層132は、ソース電極107の直下領域を含む領域に形成され、基板バイアス電圧印加用の裏面電極113及びバイアス電極119とは、電気的に絶縁される間隔を保って形成されている。
The
上記構造は、図8に示された半導体チップの構成に対しても適用できる。図8(a)は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の有するマルチフィンガ型トランジスタチップの構成を示す上面図であり、図8(b)は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の有するT字ゲート引出し型トランジスタチップの構成を示す上面図である。両図に記載されたトランジスタは、ともに受動素子回路133、ゲート電極及びゲートパッド127、ソース電極及びソースパッド128、ドレイン電極及びドレインパッド129を備えたHFETである。 The above structure can also be applied to the configuration of the semiconductor chip shown in FIG. FIG. 8A is a top view showing a configuration of a multi-finger type transistor chip included in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a diagram according to the second embodiment of the present invention. It is a top view which shows the structure of the T-shaped gate lead-out type transistor chip which a semiconductor device has. The transistors shown in both figures are HFETs each including a passive element circuit 133, a gate electrode and gate pad 127, a source electrode and source pad 128, a drain electrode and drain pad 129.
ゲートパッド127と電気的接続されるように、入力インピーダンス整合用の受動素子回路133が形成され、受動素子回路133が接地導体層132を接地電極としたマイクロストリップ線路構造として機能する場合である。ここで、接地導体層132は、ゲートパッド127、受動素子回路133の直下領域を含む領域に形成される。ドレイン側についてもドレインパッド129側にソースパッドを引出すことにより、同様の受動素子回路構成が可能である。
This is a case where a passive element circuit 133 for input impedance matching is formed so as to be electrically connected to the gate pad 127, and the passive element circuit 133 functions as a microstrip line structure using the
これにより、同一半導体チップ内に高周波複合機能を有することが可能となるので、半導体装置の高機能化を図ることが可能となる。 As a result, it is possible to have a high-frequency composite function in the same semiconductor chip, so that it is possible to improve the functionality of the semiconductor device.
また、実施の形態1では、半導体ダイの各電極と基板裏面とを電気導通させる貫通孔が形成されていない構造が示されているが、本実施の形態のように、半導体ダイ内に貫通孔が形成される構造においても、実施の形態1に係る半導体装置10と同様の効果を奏する。
Further, in the first embodiment, a structure is shown in which a through hole that electrically connects each electrode of the semiconductor die and the back surface of the substrate is not formed. However, as in the present embodiment, the through hole is formed in the semiconductor die. Also in the structure in which is formed, the same effect as the
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3に係る半導体装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図9は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の構造断面図である。同図に記載された半導体装置30は、基板101と、バッファ層102と、チャネル層103と、ショットキー層104と、絶縁層106、及び111と、ソース電極107と、図示されていないドレイン電極108と、ゲート電極109と、バンプ110と、裏面電極113と、高誘電率膜114と、接地導体層115及び118と、パッケージング用蓋116と、バイアス電極119と、パッケージング用基板120とを備える。同図に記載された半導体装置30は、図2に記載された半導体装置10と比較して、パッケージング用蓋116の底面に凹部が形成されていない点のみが構造として異なる。以下、半導体装置10と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
FIG. 9 is a structural sectional view of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The
パッケージング用蓋116は、例えば、セラミック、絶縁性の樹脂などを材料とし、底板および側壁を備えた蓋体である。また、パッケージング用蓋116の底面には凹部が形成されていない。
The
図9に記載されたように、パッケージング用蓋116の底面に形成されたバイアス電極119の膜厚と、高誘電率膜114、接地導体層115及び118の合計膜厚とを同程度に調整することにより、実施の形態1に係る半導体装置10と同様の機能を有することが可能となる。ここで、裏面電極113とバイアス電極119とは電気接続され、バイアス電極119と接地導体層115及び118とは電気絶縁されている。
As shown in FIG. 9, the film thickness of the
本実施の形態に係る半導体装置30においても、実施の形態1に係る半導体装置10と同様の効果を奏する。
The
(実施の形態4)
以下、本発明の実施の形態4に係る半導体装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(Embodiment 4)
Hereinafter, a semiconductor device according to Embodiment 4 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図10(b)は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置の構造を示す上面透視図である。また、図10(a)は、図10(b)のB−B’線に沿って切断した構造断面図である。同図に記載された半導体装置40は、基板101と、バッファ層102と、チャネル層103と、ショットキー層104と、絶縁層106、及び111と、ソース電極107と、図示されていないドレイン電極108と、ゲート電極109と、ボンディングワイヤ155、156及び157と、裏面電極113と、高誘電率膜114と、接地導体層115及び162と、パッケージング用蓋116と、バイアス電極161と、パッケージング用基板160とを備える。同図に記載された半導体装置40は、図2に記載された半導体装置10と比較して、パッケージング用蓋116の底面に凹部が形成されておらず、半導体ダイの基板裏面に形成されたバイパスキャパシタがパッケージング用基板160に形成された凹部167に接続されている点が構造として異なる。さらに、実施の形態1〜3ではバンプ110を形成してフリップチップ実装を用いたパッケージングであるのに対して、本実施の形態では、トランジスタのゲート、ソース、ドレイン電極パッドに、バンプの代わりにボンディングワイヤが接続されている点が異なる。以下、半導体装置10と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。
FIG. 10B is a top perspective view showing the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 10A is a structural cross-sectional view taken along line B-B ′ of FIG. The
なお、図10(b)に記載された半導体チップの断面図では、基板101の表面が上側に、また、基板101の裏面が下側に配置されている。基板101の表面への各層の積層関係については、図1の上側方向の積層を、下層の上に積層されると表現する。また、基板101の裏面への各層の積層関係については、図1の下側方向の積層を、下層の上に積層されると表現する。
In the cross-sectional view of the semiconductor chip shown in FIG. 10B, the surface of the
ソース電極107と接続されたソース電極用パッド152、ドレイン電極108と接続されたドレイン電極用パッド154及びゲート電極109と接続されたゲート電極用パッド153は、それぞれ、絶縁層111の上に設けられている。各パッドには、例えば、金線のボンディングワイヤ155、157及び156がボンディングされている。
A
ソース電極107にボンディングされたボンディングワイヤ155は、パッケージング用基板160の内面の接地導体層162上にボンディングされ、スルーホール122を介して、接地として機能するパッケージング用基板裏面電極123と電気的に接続される。
The
ゲート電極109にボンディングされたボンディングワイヤ156は、パッケージング用基板上電極158上にボンディングされ、スルーホール122を介して、ゲート端子として機能するパッケージング用基板裏面電極123と電気的に接続される。
The
ドレイン電極108にボンディングされたボンディングワイヤ157は、パッケージング用基板上電極159上にボンディングされ、スルーホール122を介して、ドレイン端子として機能するパッケージング用基板裏面電極123と電気的に接続される。
The
上記構成により、半導体装置40は、ハイパワー用の電界効果型トランジスタとしての機能を有する。例えば、閾値電圧以上でゲート電極109に印加する電圧を正方向に増加させていくと、チャネル層103を流れるドレイン電流が増加する。
With the above configuration, the
なお、バッファ層102は、基板101との界面に導電層105を有する。これは、Siからなる基板101とAlyGa1-yNからなるバッファ層102との格子不整合により界面に発生する低抵抗層である。上記低抵抗層は、チャネル層103を流れるドレイン電流に影響を及ぼし、高周波出力であるドレイン電流を減衰させてしまう。この高周波出力の減衰を抑制するため、基板に直流バイアス電圧を印加して界面における電荷分布を制御することにより、低抵抗層を絶縁層に変化させる方法がとられる。
Note that the
以下、上述したHFETの主要構成要素による高周波出力性能を向上させるための構成及び機能について説明する。 Hereinafter, the configuration and function for improving the high-frequency output performance by the main components of the HFET described above will be described.
上述したHFETの主要構成要素である基板101、バッファ層102、チャネル層103、ショットキー層104、絶縁層106及び111、及び各電極は、半導体ダイを構成している。
The
裏面電極113は、この半導体ダイの裏面、つまり、基板101の裏面上に、例えば、チタン(Ti)と金(Au)との積層体や、クロム(Cr)と金(Au)との積層体として形成されている第1導体層である。上記半導体ダイ及び裏面電極113は、少なくとも、積層面方向における一の外周辺が、当該外周辺と同方向にあるパッケージング用基板160の凹部167の外周辺より長い。これにより、上記半導体ダイ及び裏面電極113は、パッケージング用基板160の凹部167領域には挿入されない。
The
高誘電率膜114は、裏面電極113の上であって、基板101と反対側に形成された誘電体層であり、パッケージング用基板160の凹部167内に納まるように形成される。高誘電率膜114は、例えば、バリウム・ストロンチウム・チタン化合物(BST)、ストロンチウム・チタン・酸化物(STO)などの材料が適用される。これらはスピンコート法などにより形成する。上述した、パッケージング用基板160の凹部167と裏面電極113及び高誘電率膜114との配置関係を実現するために、裏面電極113上に高誘電率膜114を全面に形成した後、高誘電率膜114をパターニングしてもよい。また、所望の形状となるように高誘電率膜114をリフトオフ法により形成してもよい。
The high dielectric
接地導体層115は、高誘電率膜114の上であって、裏面電極113と反対側に形成された導体層である。ここで、接地導体層115と裏面電極113とは接しておらず絶縁されている。接地導体層115は、例えば、チタン(Ti)と金(Au)などからなる。
The
裏面電極113、高誘電率膜114及び接地導体層115のサンドイッチ構造により、金属−絶縁体−金属(MIM)型のキャパシタ構造が構成される。このキャパシタ構造は、基板101の裏面に直接形成されており、基板バイアス電圧印加用のバイパスキャパシタとして機能する。
The sandwich structure of the
次に、上記半導体ダイ及び上記バイパスキャパシタのパッケージング構造及び機能について説明する。半導体装置40は、パッケージング構造の構成要素として、パッケージング用蓋116と、パッケージング用基板160とを有する。
Next, the packaging structure and function of the semiconductor die and the bypass capacitor will be described. The
パッケージング用蓋116は、例えば、セラミック、絶縁性の樹脂などを材料とし、底板および側壁を備えている。
The
パッケージング用基板160は、例えば、セラミック、絶縁性の樹脂、金属材料のリードフレームなどを材料とする蓋体である。パッケージング用基板160の内表面の一部には、凹部167が形成されている。凹部167は、上記バイパスキャパシタを構成する高誘電率膜114及び接地導体層115のパターンに合わせて形成されている。
The
接地導体層162は、パッケージング用基板160の内面上であって、凹部167の内部領域および凹部167の一部外部領域に、形成された第2導体層である。ここで、接地導体層162は、接地導体層115と凹部167内で接合されており、裏面電極113とは接しておらず絶縁されている。接地導体層162は、例えば、チタン(Ti)と金(Au)などからなる。また、接地導体層162は、パッケージング用基板160と電気的に接続させるための所望のパターニングがなされている。
The
なお、接地導体層115は形成されなくてもよく、接地導体層162が高誘電率膜114と直接接合している構造であってもよい。この場合、基板101の直下に形成されるMIM型のキャパシタは、裏面電極113、高誘電率膜114及び接地導体層162のサンドイッチ構造により形成される。
The
バイアス電極161は、パッケージング用基板160の内面上であって、凹部167の一部外部領域に形成された第3導体層であり、基板101の裏面に直流のバイアス電圧を印加するための配線として機能する。さらに、バイアス電極161は、接地導体層162と絶縁され、裏面電極113と凹部167の領域外で接合されることにより電気導通されている。例えば、図10(b)に記載されたレイアウトでは、バイアス電極161と接地導体層162とは、パッケージング用基板160の内面上で交差しないように形成されている。
The
また、バイアス電極161は、パッケージング用基板160と電気的に接続させるための所望のパターニングがなされている。
The
なお、図10(b)に記載されたバイアス電極161は、半導体ダイの左右両側、つまり、複数箇所に形成されているが、片方のみ形成されていてもよい。
Note that the
パッケージとしての外部端子は、パッケージング用基板160にスルーホール122を形成して、パッケージング用基板160の外表面にパッケージング用基板裏面電極123を形成することにより実現される。
An external terminal as a package is realized by forming a through
なお、パッケージング用蓋116とパッケージング用基板160が加熱接着される際に、バイアス電極161と半導体ダイの裏面電極113とを接合してもよい。
Note that when the
上記構造では、半導体ダイをワイヤボンディング実装し、基板101の裏面とパッケージング用基板160の凹部との間にバイパスキャパシタを備えたバイアス印加構造を有する。この構造によれば、バイパスキャパシタをパッケージの外付けで実装して使用する場合に比べて、実装面積の低減と、部品点数の削減による低コスト化が実現できる。
The above structure has a bias application structure in which a semiconductor die is mounted by wire bonding and a bypass capacitor is provided between the back surface of the
なお、パッケージング用蓋116は、半導体を基材として形成されていてもよい。これにより、バイパスキャパシタを有する上記半導体ダイが実装されたウェハ状のパッケージング用基板160と、半導体からなりパッケージ加工されたウェハとを、ウェハレベルで貼り合せる。その後、ダイシングレーンに応じて個々のパッケージにダイシングカットする。本方法によれば、ウェハレベルでの工程が多く、個片レベルでの工程が少ないので、簡素化され低コスト化された量産工程を実現することが可能となる。
The
上記構造により、基板バイアス電圧印加用の配線に寄生インダクタンスが存在しても基板直下に形成されたバイパスキャパシタにより不要な高周波成分が、基板の直下にて排除される。よって、高周波出力、及び出力電力の線形性を向上させることが可能となる。 With the above structure, even if parasitic inductance exists in the wiring for applying the substrate bias voltage, an unnecessary high frequency component is eliminated immediately under the substrate by the bypass capacitor formed immediately below the substrate. Therefore, it becomes possible to improve the linearity of the high frequency output and the output power.
以上、本発明の半導体装置について、実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る半導体装置は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態1〜4及びその変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態1〜4及びその変形例に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る半導体装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。 As described above, the semiconductor device of the present invention has been described based on the embodiment, but the semiconductor device according to the present invention is not limited to the above embodiment. In the range which does not deviate from the main point of this invention with respect to another embodiment implement | achieved combining the arbitrary components in Embodiment 1-4 and its modification, Embodiment 1-4, and its modification. Modifications obtained by making various modifications conceivable by those skilled in the art and various apparatuses incorporating the semiconductor device according to the present invention are also included in the present invention.
例えば、実施の形態2〜4に係る半導体装置20、30及び40を、実施の形態1に係る第1の変形例を示す半導体装置に適用してもよい。つまり、図6(a)に記載された前段高周波増幅器144、最終段電力増幅器145及び低雑音増幅器148が、半導体装置20〜40のいずれかを含む形態においても、実施の形態1に係る第1の変形例を示す半導体装置と同様の効果を奏する。
For example, the
また、実施の形態4に係る半導体装置40において、パッケージング用基板160の内面上に凹部167が形成されていなくてもよい。この場合、パッケージング用基板160の底面に形成されたバイアス電極161の膜厚と、高誘電率膜114、接地導体層115及び162の合計膜厚とを同程度に調整することにより、本発明の半導体装置と同様の機能を有することが可能となる。ここで、裏面電極113とバイアス電極161とは電気接続され、バイアス電極161と接地導体層115及び162とは電気絶縁されている。
In the
本発明は、III−V族窒化物半導体を実装する場合に有用であり、特に、小型、低コスト、高性能が要求されるGaN系パワーデバイスに用いるのに最適である。 The present invention is useful when mounting a group III-V nitride semiconductor, and is particularly suitable for use in a GaN-based power device that requires small size, low cost, and high performance.
10、20、30、40 半導体装置
101 基板
102 バッファ層
103 チャネル層
104 ショットキー層
105 導電層
106、111、131 絶縁層
107 ソース電極
108 ドレイン電極
109 ゲート電極
110 バンプ
113 裏面電極
114 高誘電率膜
115、118、132、162 接地導体層
116 パッケージング用蓋
117、167 凹部
119、161 バイアス電極
120 パッケージング用基板
121 パッケージング用基板上電極
122 スルーホール
123 パッケージング用基板裏面電極
124 スイッチ
127 ゲートパッド
128 ソースパッド
129 ドレインパッド
130 貫通孔
133 受動素子回路
134 RF部
135 IF信号処理部
137 アンテナ
139 フロントエンド部
140 送信部
141 受信部
142 電力モニタ部
143 フィードバック制御部
144 前段高周波増幅器
145 最終段電力増幅器
146 方向性結合器
147 検波ダイオード
148 低雑音増幅器
149 ベースバンド部
150 CPUメモリ部
151 電源部
152 ソース電極用パッド
153 ゲート電極用パッド
154 ドレイン電極用パッド
155、156、157 ボンディングワイヤ
158、159 パッケージング用基板上電極
160 パッケージング用基板
10, 20, 30, 40
Claims (8)
基板と、
前記基板の表面上に形成された前記トランジスタ素子と、
前記基板の裏面上に形成された接地用の第1導体層と、
前記第1導体層上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層上に形成され、前記第1導体層とは絶縁された第2導体層とを備える
半導体装置。 A semiconductor device having a transistor element that operates at a high frequency,
A substrate,
The transistor element formed on the surface of the substrate;
A first conductor layer for grounding formed on the back surface of the substrate;
A dielectric layer formed on the first conductor layer;
A semiconductor device comprising: a second conductor layer formed on the dielectric layer and insulated from the first conductor layer.
前記トランジスタ素子は、III−V族窒化物半導体からなる
請求項1記載の半導体装置。 The substrate is a silicon substrate;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the transistor element is made of a group III-V nitride semiconductor.
前記トランジスタ素子をパッケージングするための蓋体を備え、
前記第2導体層上には、前記蓋体の内面が接合されている
請求項1または2に記載の半導体装置。 further,
A lid for packaging the transistor element;
The semiconductor device according to claim 1, wherein an inner surface of the lid is bonded on the second conductor layer.
前記内面上に形成され前記第2導体層と絶縁された第3導体層を備え、
前記第1導体層は、前記第3導体層と電気導通するよう接続されている
請求項3記載の半導体装置。 The lid is
A third conductor layer formed on the inner surface and insulated from the second conductor layer;
The semiconductor device according to claim 3, wherein the first conductor layer is connected to be electrically connected to the third conductor layer.
前記第3導体層は、前記凹部以外の前記内面上の一部に配置され、
前記第1導体層は、少なくとも、面方向における一の外周辺が当該外周辺と同方向の前記凹部の外周辺より長く、
前記誘電体層は、面方向における全ての外周辺が、当該外周辺と同方向の前記凹部の外周辺より短い
請求項4記載の半導体装置。 The second conductor layer is disposed at least in a recess formed on the inner surface of the lid,
The third conductor layer is disposed on a part of the inner surface other than the recess;
The first conductor layer has at least one outer periphery in the plane direction longer than the outer periphery of the recess in the same direction as the outer periphery,
The semiconductor device according to claim 4, wherein the dielectric layer has an outer periphery in the plane direction that is shorter than an outer periphery of the recess in the same direction as the outer periphery.
前記第2導体層及び第3導体層は、それぞれ、前記側壁の内面及び縁の一部まで形成され、
前記半導体装置は、さらに、
前記蓋体の前記縁と接することにより、前記蓋体とともに前記半導体ダイを覆うパッケージング用基板を備え、
前記パッケージング用基板には、前記蓋体の前記縁上に形成された前記第2導体層及び前記第3導体層のパターン位置に合わせた導体層用電極が形成され、かつ、前記トランジスタ素子の有する複数の電極のパターン位置に合わせた半導体層用電極が形成され、
前記半導体層用電極は、前記複数の電極とバンプにより接続されている
請求項4または5に記載の半導体装置。 The lid has a side wall surrounding a semiconductor die composed of the substrate and the transistor element,
The second conductor layer and the third conductor layer are formed up to the inner surface of the side wall and a part of the edge, respectively.
The semiconductor device further includes:
A packaging substrate that covers the semiconductor die together with the lid by contacting the edge of the lid,
The packaging substrate is provided with conductor layer electrodes that match the pattern positions of the second conductor layer and the third conductor layer formed on the edge of the lid, and the transistor element. A semiconductor layer electrode is formed in accordance with the pattern position of a plurality of electrodes having,
The semiconductor device according to claim 4, wherein the semiconductor layer electrode is connected to the plurality of electrodes by bumps.
請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the lid is formed using a semiconductor as a base material.
前記第3導体層には、基板バイアス電位が与えられ、
前記半導体装置は、さらに、
前記基板バイアス電位を印加するバイアス電位印加回路と、
前記トランジスタ素子から出力される高周波電力を検波する検波回路と、
前記検波回路からの出力信号に基づき、前記基板バイアス電位を調整するバイアス電位調整回路とを備える
請求項4〜7のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 A ground potential is applied to the second conductor layer,
A substrate bias potential is applied to the third conductor layer,
The semiconductor device further includes:
A bias potential application circuit for applying the substrate bias potential;
A detection circuit for detecting high-frequency power output from the transistor element;
The semiconductor device according to claim 4, further comprising: a bias potential adjustment circuit that adjusts the substrate bias potential based on an output signal from the detection circuit.
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