JP2012084915A - Field-effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、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)に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor device, and more particularly, to a field effect transistor (FET) having 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 areas in parallel in a horizontal line as shown in FIG. 8 or 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, and heat dissipation is ensured by reducing the thickness of the GaAs layer to about 30 μm. 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), which are semiconductor materials that replace GaAs, the power density is several times that of conventional devices, and the heat generation density increases accordingly. ing. SiC has excellent physical properties that its dielectric breakdown voltage and thermal conductivity are 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。 All SiC and GaN instead of GaAs use SiC as a supporting substrate. As described above, SiC has a higher thermal conductivity than GaAs and has a value close to that of a metal material. Therefore, the heat dissipation of a semiconductor substrate, which is a problem with GaAs or the like, is not regulated by its substrate thickness, and has a high power density. In order to efficiently dissipate heat on the SiC support substrate, it is important to arrange the FET cell that is a heat generating region. Therefore, as shown in FIG. 8 or FIG. 9, it is difficult to effectively dissipate heat generated due to high power density because heat diffusion cannot be performed in the longitudinal direction of the chip in the configuration arranged in a horizontal line. As a method of improving heat dissipation in the method of arranging in a horizontal line, the back surface of the heat generating area is processed thinly, and the drain or source electrode of the upper layer of the heat generating part is wide at the central part and narrow at the peripheral part, and further striped for heat dissipation There is something that forms. However, it does not fundamentally solve the heat generation due to the complicated design and high power density.
したがって本実施形態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電界効果トランジスタを提供する。 Therefore, the present embodiment has been made in view of the above, and an object of the present embodiment is to prevent the heat resistance from increasing due to the concentrated arrangement of the heat generating regions, and to generate heat without increasing the chip area. Provided is a field effect transistor in which regions are dispersed and high frequency characteristics are not sacrificed.
前記課題を解決するために、本実施形態の一態様によれば、複数のゲートフィンガー電極、複数のソースフィンガー電極および複数のドレインフィンガー電極が基板上に形成された電界効果トランジスタであって、前記複数のゲートフィンガー電極、前記複数のソースフィンガー電極および前記複数のドレインフィンガー電極を所定の本数毎にまとめ、それぞれの前記ゲートフィンガー電極、前記ソースフィンガー電極および前記ドレインフィンガー電極がチップ長手方向に対して平行になるように配置されるとともに、互いに隙間を設けて配置された複数のセルと、これらのセル間の複数の前記隙間に交互に配置された、前記複数のソースフィンガー電極が接続される複数のソース電極配線および前記複数のゲートフィンガー電極が接続される複数のゲート電極配線と、複数の前記ソース電極配線内にそれぞれ設けられたバイアホールと、前記基板上に設けられ、前記複数のゲート電極配線を接続するゲートバスラインと、を具備し、それぞれの前記ソース電極配線は、この両側の前記セル内の前記複数のソースフィンガー電極を接続し、それぞれの前記ゲート電極配線は、この両側の前記セル内の前記複数のゲートフィンガー電極を接続することを特徴とする電界効果トランジスタが提供される。 In order to solve the above problems, according to one aspect of the present embodiment, a field effect transistor in which a plurality of gate finger electrodes, a plurality of source finger electrodes, and a plurality of drain finger electrodes are formed on a substrate, A plurality of gate finger electrodes, the plurality of source finger electrodes, and the plurality of drain finger electrodes are grouped in a predetermined number, and each of the gate finger electrodes, the source finger electrodes, and the drain finger electrodes are arranged in the chip longitudinal direction. A plurality of cells arranged parallel to each other and provided with gaps between each other, and a plurality of the plurality of source finger electrodes arranged alternately in the plurality of gaps between these cells. Source electrode wiring and the plurality of gate finger electrodes are connected to each other. A plurality of gate electrode wirings, via holes provided in the plurality of source electrode wirings, and gate bus lines provided on the substrate and connecting the plurality of gate electrode wirings, The source electrode wiring connects the plurality of source finger electrodes in the cells on both sides, and each gate electrode wiring connects the plurality of gate finger electrodes in the cells on both sides. A field effect transistor is provided.
以下、実施形態につき詳細に説明する。図1は第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 will be described in detail. FIG. 1 is a conceptual diagram of a high-power FET semiconductor chip according to the first embodiment. First, six cells of unit FETs having a gate finger electrode having a length of 100 μm are combined into one
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。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
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
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
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
図4は第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。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 is 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. It is known that the heat dissipation effect is enhanced by forming the
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
図5は、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. The basic cell arrangement is the same as in FIG. 4, but the connection of the
図6は、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. The basic cell arrangement is the same as in FIG. 4 except that the gate bus line 46 is eliminated, the
図7は、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. 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
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実施形態に係る電界効果トランジスタによれば、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 field effect transistor according to the embodiment configured as described above, the cell finger direction is arranged parallel to the chip longitudinal direction, and a gap of about the substrate thickness is opened between the cell arrangements. By disposing, the heat generating region 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
Claims (3)
前記複数のゲートフィンガー電極、前記複数のソースフィンガー電極および前記複数のドレインフィンガー電極を所定の本数毎にまとめ、それぞれの前記ゲートフィンガー電極、前記ソースフィンガー電極および前記ドレインフィンガー電極がチップ長手方向に対して平行になるように配置されるとともに、互いに前記基板の基板厚程度の隙間を設けて配置された複数のセルと、
これらのセル間の複数の前記隙間に交互に配置された、前記複数のソースフィンガー電極が接続される複数のソース電極配線および前記複数のゲートフィンガー電極が接続される複数のゲート電極配線と、
複数の前記ソース電極配線内にそれぞれ設けられたバイアホールと、
前記基板上に設けられ、前記複数のゲート電極配線を接続するゲートバスラインと、
を具備し、
それぞれの前記ソース電極配線は、この両側の前記セル内の前記複数のソースフィンガー電極を接続し、
それぞれの前記ゲート電極配線は、この両側の前記セル内の前記複数のゲートフィンガー電極を接続することを特徴とする電界効果トランジスタ。 A field effect transistor in which a plurality of gate finger electrodes, a plurality of source finger electrodes, and a plurality of drain finger electrodes are formed on a substrate,
The plurality of gate finger electrodes, the plurality of source finger electrodes, and the plurality of drain finger electrodes are grouped in a predetermined number, and each of the gate finger electrodes, the source finger electrodes, and the drain finger electrodes are arranged in the chip longitudinal direction. A plurality of cells arranged in parallel with each other and provided with a gap about the substrate thickness of the substrate,
A plurality of source electrode wirings connected to the plurality of source finger electrodes and a plurality of gate electrode wirings connected to the plurality of gate finger electrodes, which are alternately arranged in the plurality of gaps between these cells,
Via holes respectively provided in the plurality of source electrode wirings;
A gate bus line provided on the substrate and connecting the plurality of gate electrode wirings;
Comprising
Each of the source electrode wirings connects the plurality of source finger electrodes in the cell on both sides,
Each of the gate electrode wirings connects the plurality of gate finger electrodes in the cell on both sides thereof.
前記基板上に設けられ、複数の前記ドレイン電極配線を接続するドレインバスラインと、
をさらに具備し、
それぞれの前記ドレイン電極配線は、この両側の前記セル内の前記複数のドレインフィンガー電極を接続することを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 A drain electrode wiring disposed in each of the gaps where the plurality of gate electrode wirings are disposed, to which the plurality of drain finger electrodes are connected;
A drain bus line provided on the substrate and connecting the plurality of drain electrode wirings;
Further comprising
The field effect transistor according to claim 1, wherein each of the drain electrode wirings connects the plurality of drain finger electrodes in the cell on both sides thereof.
それぞれの前記ドレイン電極配線をワイヤボンディングパッドとすることを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 A drain electrode wiring disposed in each of the gaps where the plurality of gate electrode wirings are disposed, to which the plurality of drain finger electrodes are connected;
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein each of the drain electrode wirings is a wire bonding pad.
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