JP2018074034A - 高周波装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】パッドにおける高周波信号の反射を抑制すること。
【解決手段】半導体素子が形成された半導体基板と、半導体基板上に設けられた絶縁層上に設けられ、基準電位が供給される第１基準層と、絶縁層内に第１基準層に対向して設けられ、半導体素子と電気的に接続し、第１基準層とともに伝送線路を構成する信号配線と、絶縁層上であって第１基準層に設けられた開口内に第１基準層から離間して設けられ、信号配線と電気的に接続されたパッドと、絶縁層内に第１基準層に対向して設けられ、一端がパッドと電気的に接続し、他端が前記第１基準層に電気的に接続し、伝送線路で伝送される信号の波長をλとしたときλ／４未満の長さを有する付加線路と、絶縁層内に設けられ、基準電位が供給され、信号配線のうち開口に重なる部分およびパッドのうち前記パッドの中心より信号配線側の部分の少なくとも一部と重なる第２基準層と、を具備する高周波装置。
【選択図】図１８

Description

本発明は高周波装置に関し、例えば伝送線路を有する高周波装置に関する。
高周波装置における高周波信号の伝送には、マイクロストリップライン等の伝送線路を用いる。伝送線路と外部回路との電気的な接続には、パッドを用いる。パッドはボンディングワイヤやバンプにより外部回路と電気的に接続される。高周波装置として、回路基板にパワーアンプ素子を搭載したパワーアンプモジュールが知られている（特許文献１）。
特開２００４−３２７６１１号公報
伝送線路は、高周波信号に対し、インピーダンスで整合されているが、パッドは、インピーダンスで整合されていない。このため、伝送線路とパッドとの間でインピーダンスの不整合が生じ、高周波信号の反射が生じる。特にマイクロ波やミリ波等の周波数の高い信号においてはパッドにおける反射が大きくなる。
本高周波装置は、パッドにおける高周波信号の反射を抑制することを目的とする。
本発明の一実施形態は、半導体素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた絶縁層上に設けられ、基準電位が供給される第１基準層と、前記絶縁層内に前記第１基準層に対向して設けられ、前記半導体素子と電気的に接続し、前記第１基準層とともに伝送線路を構成する信号配線と、前記半導体基板上に設けられた前記絶縁層上であって前記第１基準層に設けられた開口内に前記第１基準層から離間して設けられ、前記信号配線と電気的に接続されたパッドと、前記絶縁層内に前記第１基準層に対向して設けられ、一端が前記パッドと電気的に接続し、他端が前記第１基準層に電気的に接続し、前記伝送線路で伝送される信号の波長をλとしたときλ／４未満の長さを有する付加線路と、前記絶縁層内に設けられ、前記基準電位が供給され、前記信号配線のうち前記開口に重なる部分および前記パッドのうち前記パッドの中心より前記信号配線側の部分の少なくとも一部と重なる第２基準層と、を具備する高周波装置である。
本高周波装置によれば、パッドにおける高周波信号の反射を抑制することができる。
図１は、比較例１に係る高周波装置の断面図である。 図２は、比較例１における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。 図３は、比較例１における実装基板をバンプ側からみた平面図である。 図４は、比較例２における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、比較例１および２におけるシミュレーションに用いた等価回路を示す図である。 図６は、比較例１および２における周波数に対するＳ１１を示す図である。 図７は、比較例１および２におけるＳ１１のスミスチャートである。 図８は、Ｌ３８を変えた比較例１および比較例２における周波数に対するＳ１１を示す図である。 図９は、Ｌ３８を変えた比較例１および比較例２におけるＳ１１のスミスチャートである。 図１０は、比較例３における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。 図１１は、比較例３におけるシミュレーションに用いた等価回路を示す図である。 図１２は、比較例１から３における周波数に対するＳ１１を示す図である。 図１３は、比較例１から３におけるＳ１１のスミスチャートである。 図１４は、比較例４における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。 図１５は、比較例２から４における周波数に対するＳ１１を示す図である。 図１６は、比較例２から４におけるＳ１１のスミスチャートである。 図１７は、実施例１に係る高周波装置の断面図である。 図１８は、実施例１における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。 図１９は、図１８のＡ−Ａ断面図である。 図２０は、図１８のＢ−Ｂ断面図である 図２１は、実施例１、比較例２および３における周波数に対するＳ１１を示す図である。 図２２は、実施例１、比較例２および３におけるＳ１１のスミスチャートである。 図２３は、実施例１の変形例１に係る高周波装置の断面図である。 図２４は、実施例１の変形例１における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。 図２５（ａ）および図２５（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例２および３における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。 図２６（ａ）および図２６（ｂ）は、それぞれ実施例２およびその変形例１における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。 図２７は実施例３に係る高周波装置の断面図である。 図２８は、実施例３における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。 図２９は、実施例４における半導体チップの平面図である。 図３０は、実施例４に係る高周波装置の断面図である。
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本願発明の一実施形態は、半導体素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた絶縁層上に設けられ、基準電位が供給される第１基準層と、前記絶縁層内に前記第１基準層に対向して設けられ、前記半導体素子と電気的に接続し、前記第１基準層とともに伝送線路を構成する信号配線と、前記半導体基板上に設けられた前記絶縁層上であって前記第１基準層に設けられた開口内に前記第１基準層から離間して設けられ、前記信号配線と電気的に接続されたパッドと、前記絶縁層内に前記第１基準層に対向して設けられ、一端が前記パッドと電気的に接続し、他端が前記第１基準層に電気的に接続し、前記伝送線路で伝送される信号の波長をλとしたときλ／４未満の長さを有する付加線路と、前記絶縁層内に設けられ、前記基準電位が供給され、前記信号配線のうち前記開口に重なる部分および前記パッドのうち前記パッドの中心より前記信号配線側の部分の少なくとも一部と重なる第２基準層と、を具備する高周波装置である。付加線路と第２基準層を設けることで、伝送線路とパッドとのインピーダンス整合が改善し、反射特性が改善する。
（２）前記第２基準層は、前記信号配線を挟む両側において前記第１基準層と接続されることが好ましい。これにより、伝送線路による損失を抑制できる。
（３）前記信号配線のうち前記第２基準層に重なる部分の少なくとも一部の幅は、前記信号配線のうち前記第１基準層に重ねる部分の幅より大きいことが好ましい。これにより、反射特性をより改善できる。
（４）前記伝送線路側の前記開口の端部と前記パッドの端部との距離は、前記付加線路側の前記開口の端部と前記パッドの端部との距離より小さいことが好ましい。これにより、反射特性をより改善できる。
本発明の実施形態にかかる半導体装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
［比較例１］
図１は、比較例１に係る高周波装置の断面図である。図１に示すように、実装基板２０に半導体チップ１０がバンプ３０を用い搭載されている。半導体チップ１０においては、半導体基板１２上（図１では下、以下同様）に絶縁層１４が形成されている。絶縁層１４内に配線層１６が形成されている。半導体基板１２上に絶縁層１４を介し金属層１８が形成されている。絶縁層１４の少なくとも一部を貫通するビアホール１５が形成されている。ビアホール１５には金属が埋め込まれている。ビアホール１５は配線層１６間を電気的に接続する、または配線層１６と金属層１８とを電気的に接続する。配線層１６は信号配線３４を含む。信号配線３４は、半導体基板１２に形成された半導体素子に電気的に接続される。金属層１８は基準層３２およびパッド３６を含む。基準層３２には、グランド電位等の基準電位（例えば直流電位）が供給される。基準層３２と信号配線３４とは対向して設けられ、伝送線路３３を形成する。伝送線路３３はマイクロストリップラインである。
配線層１６は付加配線３８を含む。付加配線３８の一端は配線１５ｇを介しパッド３６に電気的に接続されている。付加配線３８の他端は配線１５ｈを介し基準層３２に電気的に接続されている。基準層３２と付加配線３８とは絶縁層１４を介し対向して設けられている。
絶縁性の基板２２上に金属層２８が形成されている。基板２２の下面に基準層２６が形成されている。金属層２８は、基準層４２、パッド４６および信号配線４４を含む。基板２２を貫通するビアホール２５が設けられている。ビアホール２５には金属が埋め込まれている。ビアホール２５は基準層４２と基準層２６とを電気的に接続する。金属層２８上に保護膜としてレジスト２４が形成されている。信号配線４４と基準層２６とは伝送線路４３を形成する。
図２は、比較例１における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。絶縁層１４内の信号配線３４を破線で示す。半導体チップ１０の上面（図２では下面、以下同様）に基準層３２が形成されている。基準層３２に開口３５が形成されている。開口３５内にパッド３６が形成されている。基準層３２に対向するように信号配線３４および付加配線３８が形成されている。
図３は、比較例１における実装基板をバンプ側からみた平面図である。ビアホール２５および半導体チップ１０を破線で示す。図３に示すように、半導体チップ１０の基準層３２に対向するように基準層４２が形成されている。基準層４２には切り込み４５が形成されている。パッド４６は切り込み４５内に形成されている。パッド４６に信号配線４４が電気的に接続されている。パッド４６上におよび基準層４２上にバンプ３０が接続される。基準層４２にビアホール２５が接続されている。
膜厚Ｈ１２、Ｈ１４、Ｈ１８、Ｈ２２、Ｈ２４およびＨ２８は、それぞれ半導体基板１２、絶縁層１４、金属層１８、基板２２、レジスト２４および金属層２８の膜厚である。幅Ｗ２５、Ｗ３０、Ｗ３４、Ｗ３５、Ｗ３６、Ｗ３８、Ｗ４４、Ｗ４５およびＷ４６は、それぞれビアホール２５、バンプ３０、信号配線３４、開口３５、パッド３６、付加配線３８、信号配線４４、切り込み４５およびパッド４６の幅である。Ｗ３１およびＬ３８は、それぞれバンプ３０のピッチおよび付加配線３８の長さである。
［比較例２］
図４は、比較例２における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。図４に示すように、比較例２においては、付加配線３８および配線１５ｈが設けられていない。その他の構成は比較例１と同じであり説明を省略する。
信号配線３４と基準層３２から形成される伝送線路３３の特性インピーダンスが例えば５０Ωとなるように信号配線３４の幅が設定されている。伝送線路３３を伝送する信号の周波数が高い場合、信号配線３４の幅は小さくなる。例えば、ミリ波では、この幅は１０μｍ程度である。一方、パッド３６の幅は基板２２と接続するため１００μｍ程度である。このため、高周波信号には、パッド３６はパッド３６と基準層３２との間およびバンプ３０と基準層３２との間のキャパシタＣｐａｄとしてみえる。このため、伝送線路３３とパッド３６との間でインピーダンス不整合が生じ、高周波信号が反射されてしまう。
［比較例１の効果］
比較例１では、 付加配線３８は基準層３２に対向して設けられている。付加配線３８の一端が配線１５ｇを介してパッド３６と電気的に接続され、他端が配線１５ｈを介して基準層３２に電気的に接続されている。これにより、付加配線３８、配線１５ｇおよび１５ｈを含むパッド３６から基準層３２までのラインが、ショートスタブとして機能する。ただし、配線１５ｇおよび１５ｈは付加配線３８に比べ非常に短いため、付加配線３８の長さが実質的にショートスタブの長さとなる。付加配線３８は、伝送線路３３を伝送する高周波信号の波長をλとしたとき、λ／４未満の長さとする。これにより、付加配線３８は高周波信号にインダクタとしてみえる。パッド３６の基準層３２に対するキャパシタンスをＣｐａｄとし、付加配線３８によるインダクタンスをＬｓｔｕｂとする。このとき、ＣｐａｄとＬｓｔｕｂによる基準層３２に対するキャパシタンスＣｔｏｔａｌは次式となる。
Ｃｔｏｔａｌ＝Ｃｐａｄ−１／（ω２Ｌｓｔｕｂ）
主に付加配線３８の長さを調整することにより、Ｃｔｏｔａｌを調整することができる。これにより、パッド３６と伝送線路３３との間のインピーダンス不整合を抑制できる。よって、パッド３６およびバンプ３０による高周波信号の反射を抑制できる。
ショートスタブは、例えば金属層１８または２８で形成することも考えられる。しかしながら、パッド３６と基準層３２との距離およびパッド４６と基準層４２との距離は大きく変更することができない。このため、ショートスタブの電気長を任意に設定することができない。実施例１では、ショートスタブを基準層３２と対向する付加配線３８を含んで形成する。このため、付加配線３８の長さを調整することで、ショートスタブの電気長を任意に設定できる。よって、高周波信号の周波数に応じ、ショートスタブの電気長を設計できる。また、比較例１のように、ショートスタブを半導体基板１２に形成された配線層１６を用い形成する。これにより、ショートスタブをサイズの精度よく形成できる。よって、ショートスタブを基板２２に形成した場合に比べ、高周波特性のばらつきの影響を抑制できる。
以下、高周波信号を４０ＧＨｚから６０ＧＨｚとしたときの比較例１における各部材の材料および寸法の一例について以下に示す。以下の各部材の材料および寸法は一例であり、適宜設定できることは言うまでもない。
半導体基板１２：ＧａＡｓ基板、膜厚Ｈ１２＝２５０μｍ
絶縁層１４：ポリイミド、比誘電率３．５、膜厚Ｈ１４＝８μｍ
金属層１８：金、膜厚Ｈ１８＝２μｍ
バンプ３０：はんだ：膜厚Ｈ３０＝１００μｍ、幅Ｗ３０＝１５０μｍ、ピッチＷ３１＝４００μｍ
信号配線３４：特性インピーダンス５０Ω、幅Ｗ３４＝１０μｍ
開口３５：幅Ｗ３５＝２５０μｍ
パッド３６：幅Ｗ３６＝１５０μｍ
付加配線３８：特性インピーダンス５０Ω、幅Ｗ３８＝１０μｍ、長さＬ３８＝２５０μｍ
基板２２：テフロン（登録商標）、膜厚Ｈ２２＝１０１μｍ
レジスト２４：膜厚Ｈ２４＝３０μｍ
ビアホール２５：銅、幅Ｗ２５＝１００μｍ
金属層２８：銅、膜厚Ｈ２４＝３０μｍ
信号配線４４：特性インピーダンス５０Ω、幅Ｗ４４=１９０μｍ
切り込み４５：幅Ｗ４５＝１００μｍ
パッド４６：幅Ｗ４６＝２５０μｍ
［比較例１および２のシミュレーション］
次に、比較例１および比較例２について信号配線４４からみた反射特性Ｓ１１についてシミュレーションした。シミュレーションには、例示した材料および寸法を用いた。図５（ａ）および図５（ｂ）は、比較例１および２におけるシミュレーションに用いた等価回路を示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、バンプ３０はインダクタ１、インダクタ２およびキャパシタＣ１により等価的に表した。インダクタ１およびインダクタ２はパッド３６と４６との間に直列に接続されている。キャパシタＣ１は、インダクタ１とインダクタ２との間のノードと基準電位との間に接続されている。インダクタ１およびインダクタ２のインダクタンスを各々５ｐＨ、キャパシタＣ１のキャパシタンスを１５ｐＦとした。
パッド３６および４６は、それぞれ伝送線路３および伝送線路４を用い等価的に表した。伝送線路３および伝送線路４の長さ等は、例示したパッド３６および４６を等価的に表すように設定した。伝送線路３３は抵抗Ｒ１で終端されているとした。抵抗Ｒ１の抵抗値は５０Ωとした。付加配線３８は、伝送線路５を用い等価的に表した。実装基板２０に形成された伝送線路４３を端子Ｔ１とし、端子Ｔ１からバンプ３０をみたＳ１１をシミュレーションした。
図６は、比較例１および２における周波数に対するＳ１１を示す図である。実線は比較例１を示し、破線は比較例２を示す。図６に示すように、比較例２では、周波数が４０ＧＨｚ以上においてＳ１１が大きくなる。比較例１では、周波数が４０ＧＨｚから６０ＧＨｚにおいて、Ｓ１１を比較例２より小さくできている。
図７は、比較例１および２におけるＳ１１のスミスチャートである。シミュレーションした周波数は０．２ＧＨｚから１００ＧＨｚである。図７に示すように、高い周波数範囲において、比較例１は比較例２よりＳ１１が小さくなっている。図６および図７のように、比較例１は実施例１に比べ高周波数信号の反射を抑制することができる。反射特性を改善する周波数は付加配線３８の長さ等により適宜設定できる。
図６のように、比較例では、周波数が４０ＧＨｚから６０ＧＨｚの反射特性は比較例２に比べ改善している。しかし、周波数が８０ＧＨｚ以上の反射特性は比較例１と同程度である。そこで、比較例１における付加配線３８の長さＬ３８を５０μｍから５００μｍまで変えて、反射特性をシミュレーションした。付加配線３８の長さＬ３８を変えた以外の条件は比較例１のシミュレーションと同じである。
図８は、Ｌ３８を変えた比較例１および比較例２における周波数に対するＳ１１を示す図である。図９は、Ｌ３８を変えた比較例１および比較例２におけるＳ１１のスミスチャートである。シミュレーションした周波数は５０ＧＨｚから１００ＧＨｚである。図８および図９に示すように、８０ＧＨｚ付近では、付加配線３８の長さＬ３８を変えても反射特性はほとんど変わらない。８５ＧＨｚのＳ１１は、以下である。
比較例１ Ｓ１１＝−７．４ｄＢ
Ｌ３８＝５０μｍ Ｓ１１＝−６．９ｄＢ
Ｌ３８＝１００μｍ Ｓ１１＝−７．３ｄＢ
Ｌ３８＝２５０μｍ Ｓ１１＝−７．９ｄＢ
Ｌ３８＝４００μｍ Ｓ１１＝−７．９ｄＢ
Ｌ３８＝５００μｍ Ｓ１１＝−７．０ｄＢ
付加配線３８の長さＬ３８を２５０μｍおよび４００μｍとしてもＳ１１は比較例１から０．５ｄＢの改善にとどまる。
一方、９０ＧＨｚから１００ＧＨｚ付近では、長さＬ３８＝２５０μｍ以外では、比較例１に比べ反射特性が劣化している。特に、長さＬ３８＝５００μｍでは、反射特性が大きく劣化する。
［比較例３］
そこで、信号配線の幅を広くすることが考えられる。図１０は、比較例３における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。図１０に示すように、パッド３６から信号配線３４が引き出される引き出し部において、幅広配線３４ｃが設けられている。幅広配線３４ｃの長さＬ３４ｃおよび幅Ｗ３４ｃである。幅広配線３４ｃの幅Ｗ３４ｃと信号配線の幅Ｗ３４との間では、幅がテーパ状に小さくなる。
図１１は、比較例３におけるシミュレーションに用いた等価回路を示す図である。図１１に示すように、幅広配線３４ｃを等価的にキャパシタとして機能する伝送線路４ｃとする。パッド３６と伝送線路３３との間にグランドに繋がるシャントキャパシタとして機能する伝送線路４ｃが接続されている。その他の構成は比較例１と同じであり、説明を省略する。
シミュレーションに用いた条件は以下である。
幅広配線３４ｃ：幅Ｗ３４ｃ＝１００μｍ、長さＬ３４ｃ＝３０μｍ
付加配線３８：特性インピーダンス５０Ω、幅Ｗ３８＝１０μｍ、長さＬ３８＝６０μｍ
その他のシミュレーション条件は比較例１と同じであり説明を省略する。
図１２は、比較例１から３における周波数に対するＳ１１を示す図である。図１３は、比較例１から３におけるＳ１１のスミスチャートである。シミュレーションした周波数は５０ＧＨｚから１００ＧＨｚである。図１２および図１３に示すように、比較例３は５０ＧＨｚから１００ＧＨｚにおいて比較例２よりＳ１１が小さい。８０ＧＨｚ以上において比較例１および２よりＳ１１が小さい。
８５ＧＨｚのＳ１１は、以下である。
比較例１ Ｓ１１＝−７．９２ｄＢ
比較例２ Ｓ１１＝−７．３６ｄＢ
比較例３ Ｓ１１＝−１１．５９ｄＢ
このように、比較例３により、Ｓ１１を４ｄＢ改善できた。
付加配線３８はショートスタブとして機能し、パッド３６と基準層３２との間のキャパシタンスを低減する。一方、幅広配線３４ｃは、集中定数回路としては基準層３２との間のシャントのキャパシタンスにみえる。比較例３では、ショートスタブで低減させた容量成分を幅広配線３４ｃで増加させることになる。よって、幅広配線３４ｃを設けても反射特性は改善しないように考えられる。
幅広配線３４ｃにより、反射特性が改善する理由は、例えば以下のように考えている。上記考察は、幅広配線３４ｃを集中定数回路としてみている。しかし、８０ＧＨｚから１００ＧＨｚのように高い周波数では、集中定数回路としてではなく分布定数回路として機能する。そこで、パッド３６を、付加配線３８側と幅広配線３４ｃ側に分けて考える。パッド３６の付加配線３８側は、高周波信号に対しオープンスタブにみえ、かつ周囲の基準層３２との間のキャパシタとして機能する。付加配線３８を含むショートスタブは、シャントのインダクタとして機能し、パッド３６の付加配線３８側のキャパシタンスを打ち消す。一方、パッド３６の伝送線路３３側は、伝送線路３３とパッド３６とのインピーダンス整合のためのキャパシタとして機能している。しかし、実施例１では、パッド３６の伝送線路３３側のキャパシタンスが十分でない。そこで、幅広配線３４ｃを設ける。これにより、パッド３６の幅広配線３４ｃ側のキャパシタンスに幅広配線３４ｃのキャパシタンスが付加される。よって、伝送線路３３とパッド３６とのインピーダンス整合が改善し、反射特性が改善する。
［比較例４］
比較例３の代わりに、信号配線側の開口の幅を狭くすることが考えられる。図１４は、比較例４における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。図１４に示すように、パッド３６から付加配線３８が引き出される箇所における開口３５の端部とパッド３６の端部との距離をＷ３５ａとする。パッド３６から伝送線路３３が引き出される箇所における開口３５の端部とパッド３６の端部の距離Ｗ３５ｂとする。距離Ｗ３５ｂはＷ３５ａより小さい。開口３５の端部とパッド３６の端部との距離は伝送線路３３の引き出し箇所近傍でのみ小さく、他の箇所ではほぼ一定である。その他の構成は比較例１と同じであり説明を省略する。
比較例４において、Ｓ１１をシミュレーションした。シミュレーションに用いた条件は以下である。
距離Ｗ３５ａ：５０μｍ
距離Ｗ３５ｂ：１０μｍ
その他のシミュレーション条件は比較例１と同じであり説明を省略する。
図１５は、比較例２から４における周波数に対するＳ１１を示す図である。図１６は、比較例２から４におけるＳ１１のスミスチャートである。シミュレーションした周波数は５０ＧＨｚから１１０ＧＨｚである。図１５および図１６に示すように、実施例７では、５０ＧＨｚから１１０ＧＨｚにおいてＳ１１は比較例３と同程度である。
比較例４では、距離Ｗ３５ｂを小さくすることで、パッド３６の信号配線３４側の対地キャパシタンスが大きくなる。これにより、比較例３において幅広配線３４ｃを設けることと同様にパッド３６の伝送線路３３側にキャパシタンス成分を付加することができる。これにより、比較例３と同様に、伝送線路３３とパッド３６とのインピーダンス整合が改善し、反射特性が改善する。
しかしながら、比較例３では、幅広配線３４ｃを設けるため小型化の妨げとなる。
比較例４では、信号配線３４側の開口３５とパッド３６との距離Ｗ３５ｂが小さくなる。このため、パッド３６と基準層３２との接触の可能性がある。
図１７は、実施例１に係る高周波装置の断面図である。図１８は、実施例１における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。基準層３７をクロスで示している。図１７および図１８に示すように、開口３５内の信号配線３４の一部とパッド３６の一部に重なるように、基準層３７が設けられている。基準層３７は基準層３２とビアホール内の配線１５ａを介し電気的に接続されている。基準層３７の幅をＷ３７とする。その他の構成は比較例１と同じであり説明を省略する。
図１９は、図１８のＡ−Ａ断面図である。図２０は、図１８のＢ−Ｂ断面図である。図１９および図２０に示すように、絶縁層１４は複数の絶縁層１４ａから１４ｄが積層されている。絶縁層１４ｂから１４ｄ上に配線層１６ａから１６ｃが形成されている。絶縁層１４ｄ上（図１９および図２０では下）に金属層１８が形成されている。絶縁層１４ｂから１４ｄを貫通するビアホール１５ｂから１５ｄが形成されている。
図１９に示すように、配線層１６ａは信号配線３４および付加配線３８を含む。配線層１６ｂは基準層３７を含む。配線層１６ｃはパッド３６にビアホール１５ｄを介し接続される信号配線３４ｄおよび付加配線３８ｄを含む。信号配線３４は、配線１５ｆを介し信号配線３４ｄに電気的に接続されている。付加配線３８の一端は、配線１５ｇを介し付加配線３８ｄに電気的に接続されている。付加配線３８の他端は、配線１５ｈを介し基準層３７に電気的に接続されている。配線１５ｆおよび１５ｇは、各々ビアホール１５ｂおよび１５ｃ並びに配線層１６ｂから形成されている。配線１５ｈは、ビアホール１５ｂから１５ｄ並びに配線層１６ｂおよび１５ｃから形成されている。基準層３７は信号配線３４ｄおよびパッド３６に絶縁層１４ｂを介し対向している。
図２０に示すように、配線層１６ｂは基準層３７を含む。配線層１６ｃは信号配線３４ｄを含む。基準層３７は、開口３５の両側において配線１５ａを介し基準層３２に電気的に接続されている。配線１５ａは、ビアホール１５ｂおよび１５ｃ並びに配線層１６ｃから形成されている。基準層３７は信号配線３４ｄに絶縁層１４ｂを介し対向している。
実施例１において、Ｓ１１をシミュレーションした。シミュレーションに用いた条件は以下である。
基準層３７の幅Ｗ３７：３５μｍ
その他のシミュレーション条件は比較例１と同じであり説明を省略する。
図２１は、実施例１、比較例２および３における周波数に対するＳ１１を示す図である。図２２は、実施例１、比較例２および３におけるＳ１１のスミスチャートである。シミュレーションした周波数は５０ＧＨｚから１１０ＧＨｚである。図２１および図２２に示すように、実施例１では、５０ＧＨｚから１１０ＧＨｚにおいてＳ１１は比較例３と同程度である。特に、５７ＧＨｚから７０ＧＨｚにおいて実施例１は比較例３に比べＳ１１が改善している。
実施例１によれば、基準層３７（第２基準層）は、絶縁層１４内に設けられ、基準電位が供給され、信号配線３４および３４ｄのうち開口３５に重なる部分の一部およびパッド３６のうちパッド３６の中心より信号配線３４側の部分と重なる。これにより、パッド３６の信号配線３４側に、パッド３６および／または信号配線３４と基準層３７との間のキャパシタンスが付加される。よって、伝送線路３３とパッド３６とのインピーダンス整合が改善し、反射特性が改善する。よって、比較例３および４と同様に高周波における反射特性を改善できる。
また、比較例３のように幅広配線３４ｃを設けないため、小型化が可能となる。比較例４のように、基準層３２とパッド３６との距離Ｗ３５ｂを小さくしなくてよいため、基準層３２とパッド３６との接触を抑制できる。
また、基準層３７は、信号配線３４ｄを挟む両側において基準層３２と接続される。これにより、図２０のように、信号配線３４ｄと基準層３７および配線１５ａとで開口３５付近がグランド付きコプレナ線路に近い構造となる。よって、信号配線３４ｄにおける高周波信号の通過特性の劣化を抑制できる。
さらに、絶縁層１４内の基準層３２と半導体基板１２との間に設けられた配線層１６ｃと、配線層１６ｂより半導体基板１２側に設けられた配線層１６ｂと、配線層１６ｂより半導体基板１２側に設けられた配線層１６ｃと、を備えている。基準層３７に重なる信号配線３４ｄは配線層１６ａにより形成され、基準層３７は配線層１６ｂにより形成され、基準層３２に重なる信号配線３４は配線層１６ａにより形成される。これにより、基準層３７はより信号配線３４ｄおよびパッド３６に近づけることができる。よって、パッド３６の信号配線３４側に付加されるキャパシタンスを大きくできる。
パッド３６およびバンプ３０による高周波信号の反射を抑制するため、付加配線３８の長さはλ／１２以上かつ３λ／１２以下が好ましい。例えば付加配線３８の長さはλ／６が好ましい。また、付加配線３８は、信号配線３４に対しパッド３６の反対側に設けることが好ましい。例えば、パッド３６から信号配線３４が延伸する方向と、パッド３６から付加配線３８が延伸する方向とのなす角度は９０°以上であることが好ましい。
図２３は、実施例１の変形例１に係る高周波装置の断面図である。図２４は、実施例１の変形例１における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。図２３および図２４のように、基準層３７は信号配線３４ｄには重なっておらず、パッド３６のうち中心より信号配線３４ｄ側の部分に重なっている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図２５（ａ）および図２５（ｂ）は、それぞれ実施例１の変形例２および３における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。図２５（ａ）のように、基準層３７は、パッド３６には重なっておらず、信号配線３４ｄの開口３５に重なる一部の領域と重なっている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図２５（ｂ）に示すように、基準層３７は、パッド３６には重なっておらず、信号配線３４ｄの開口３５に重なる一部の領域と重なっている。さらに、基準層３７は、信号配線３４ｄと基準層３２とが重なる領域にも重なっている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例１およびその変形例のように、基準層３７は、信号配線３４ｄのうち開口３５に重なる部分およびパッド３６のうちパッド３６の中心より信号配線３４側の部分の少なくとも一部と重なっていればよい。これにより、パッド３６の信号配線３４側にキャパシタンスを付加することができ、反射特性を改善できる。
実施例１およびその変形例２および３のように、基準層３７は、信号配線３４ｄのうち開口３５に重なる部分に重なってもよい。実施例１およびその変形例２のように、基準層３７は、パッド３６のうちパッド３６の中心より信号配線３４側の部分に重なってもよい。実施例１の変形例２および３のように、基準層３７は、信号配線３４ｄのうち基準層３２と重なる部分に重なってもよい。
図２６（ａ）および図２６（ｂ）は、それぞれ実施例２およびその変形例１における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。図２６（ａ）に示すように、パッド３６と信号配線３４との間に、比較例３のような幅広配線３４ｃが設けられている。幅広配線３４ｃは配線層１６ｃにより形成される信号配線３４ｄである。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図２６（ｂ）に示すように、幅広配線３４ｃのうち、基準層３７と重なる領域は配線層１６ｃにより形成される信号配線３４ｄであり、その他の領域は配線層１６ａにより形成される信号配線３４である。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。
実施例２およびその変形例によれば、信号配線３４および３４ｄのうち基準層３７に重なる部分の少なくとも一部の幅は、信号配線３４および３４ｄのうち基準層３２に重ねる部分の幅より大きい。これにより、パッド３６の信号配線３４側に付加されるキャパシタンスをより大きくできる。比較例３のように、基準層３７を設けず幅広配線３４ｃのみでキャパシタンスを形成する場合に比べ、幅広配線３４ｃの長さを小さくできる。よって、比較例３より小型化が可能となる。幅広配線３４ｃは開口３５に重なることが好ましい。
図２７は実施例３に係る高周波装置の断面図である。図２８は、実施例３における半導体チップをバンプ側からみた平面図である。図２７および図２８のように、伝送線路３３側の開口３５の端部とパッド３６の端部との距離は、付加配線３８側の開口３５の端部とパッド３６の端部との距離より小さい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例３によれば、パッド３６の信号配線３４側に付加されるキャパシタンスをより大きくできる。比較例４のように、基準層３７を設けず信号配線３４側の開口３５の端部とパッド３６の端部との距離を短くする場合に比べ、この距離を長くできる。よって、比較例４より基準層３２とパッド３６との接触を抑制できる。
実施例４は、実施例１をＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に用いた例である。図２９は、実施例４における半導体チップの平面図である。信号配線３４ａ、３４ｂ、付加配線３８ａおよび３８ｂは破線で示す。半導体素子５０を簡略化して破線で示す。図３０は、実施例４に係る高周波装置の断面図である。
図２９および図３０に示すように、半導体基板１２内に半導体素子５０が形成されている。半導体素子５０には、信号配線３４ａおよび３４ｂが接続されている。半導体素子５０は、例えば、チャネル層としてＩｎＧａＡｓ層、電子供給層としてＡｌＧａＡｓを用いたＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いたアンプである。半導体素子５０としては、例えばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタでもよい。また、アンプ以外の電子回路でもよい。半導体基板１２は、半導体基板に半導体層が形成されているもののほか、絶縁基板（例えばサファイア基板）上に半導体層（例えばＧａＮ層）が形成されていてもよい。
絶縁層１４の上面（図では下面）に基準層３２が形成されている。基準層３２には開口３５ａおよび３５ｂが形成されている。開口３５ａおよび３５ｂ内にそれぞれパッド３６ａおよび３６ｂが形成されている。パッド３６ａには、信号配線３４ａおよび付加配線３８ａが接続されている。付加配線３８ａの他端は配線１５ｈを介し基準層３２に接続されている。パッド３６ｂには、信号配線３４ｂおよび付加配線３８ｂが接続されている。付加配線３８ｂの他端は配線１５ｈを介し基準層３２に接続されている。付加配線３８ａおよび３８ｂは電気長がλ／４未満のショートスタブである。パッド３６ａおよび１６ｂ並びに開口３５ａおよび３５ｂに重なる信号配線３４ａおよび３４ｂにそれぞれ重なるように基準層３７ａおよび３７ｂが設けられている。パッド３６ａは、半導体素子５０に高周波信号を入力する入力端子である。パッド３６ｂは半導体素子５０からの高周波信号を出力する出力端子である。
パッド３６ａはバンプ３０ａを介し、実装基板２０のパッド４６ａに接合されている。パッド３６ｂはバンプ３０ｂを介しパッド４６ｂに接合されている。半導体チップ１０の下面のバンプ３０はＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）を構成する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例４のように、基準層３７ａおよび３７ｂが設けられ、付加配線３８ａおよび３８ｂを接続するパッド３６ａおよび３６ｂを、入力端子または出力端子の少なくとも一方とすることができる。これにより、半導体素子に入力または出力される高周波信号のパッド３６ａまたは３６ｂでの反射を抑制できる。特に基準層３７ａおよび３７ｂを設けることで、８０ＧＨｚ以上における反射を抑制できる。
パッド３６ａおよび３６ｂ上にバンプ３０ａおよび３０ｂが設けられていると、バンプ３０ａおよび３０ｂと基準層３２とのキャパシタンスが大きくなる。このため、高周波信号の反射が大きくなる。そこで、基準層３７ａおよび３７ｂを設け、ショートスタブをパッド３６ａおよび３６ｂに接続することにより、高周波信号の反射を抑制することができる。パッド３６ａおよび３６ｂはボンディングワイヤ用のパッドでもよい。
実施例１の変形例、実施例２および３およびその変形例を実施例４に適用してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０ 半導体チップ
１２ 半導体基板
１４、１４ａ−１４ｄ 絶縁層
１５、１５ｂ−１５ｆ、１５ｉ−１５ｊ ビアホール
１５ａ、１５ｈ、１５ｇ 配線
１６、１６ａ−１６ｄ 配線層
１８ 金属層
２０ 実装基板
２２ 基板
２４ レジスト
２５ ビアホール
２６ 基準層
２８ 金属層
３０、３０ａ−３０ｃ バンプ
３２ 基準層
３３ 伝送線路
３４、３４ａ、３４ｂ、３４ｄ 信号配線
３４ｃ 幅広配線
３５、３５ａ−３５ｃ 開口
３６，３６ａ−３６ｃ パッド
３７、３７ａ、３７ｂ 基準層
３８、３８ａ−３８ｃ 付加線路
４２ 基準層
４３、４３ｃ 伝送線路
４４、４４ｃ 信号配線
４５ 切り込み
４６、４６ａ、４６ｂ パッド
５０ 半導体素子

Claims (4)

  1. 半導体素子が形成された半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられた絶縁層上に設けられ、基準電位が供給される第１基準層と、
    前記絶縁層内に前記第１基準層に対向して設けられ、前記半導体素子と電気的に接続し、前記第１基準層とともに伝送線路を構成する信号配線と、
    前記半導体基板上に設けられた前記絶縁層上であって前記第１基準層に設けられた開口内に前記第１基準層から離間して設けられ、前記信号配線と電気的に接続されたパッドと、
    前記絶縁層内に前記第１基準層に対向して設けられ、一端が前記パッドと電気的に接続し、他端が前記第１基準層に電気的に接続し、前記伝送線路で伝送される信号の波長をλとしたときλ／４未満の長さを有する付加線路と、
    前記絶縁層内に設けられ、前記基準電位が供給され、前記信号配線のうち前記開口に重なる部分および前記パッドのうち前記パッドの中心より前記信号配線側の部分の少なくとも一部と重なる第２基準層と、
    を具備する高周波装置。
  2. 前記第２基準層は、前記信号配線を挟む両側において前記第１基準層と接続される請求項１記載の高周波装置。
  3. 前記信号配線のうち前記第２基準層に重なる部分の少なくとも一部の幅は、前記信号配線のうち前記第１基準層に重ねる部分の幅より大きい請求項１または２に記載の高周波装置。
  4. 前記伝送線路側の前記開口の端部と前記パッドの端部との距離は、前記付加線路側の前記開口の端部と前記パッドの端部との距離より小さい請求項１から３のいずれか一項に記載の高周波装置。
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