JP2019220669A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
携帯端末等のパワーアンプモジュールに、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)が用いられている。下記の特許文献1に、HBTの直上にバンプが配置された半導体装置が開示されている。バンプは、HBTとバンプとの間に配置された絶縁膜に設けられた開口部を通ってHBTに電気的に接続されている。バンプの下の絶縁膜に設けられた開口部の内側に、HBTの全体が配置される。このような構成とすることにより、HBTからバンプまでの距離が短くなり、その結果、HBTからバンプまでの熱流路の熱抵抗を低くすることができる。
2. Description of the Related Art A heterojunction bipolar transistor (HBT) is used in a power amplifier module of a portable terminal or the like.
この構成では、HBTのエミッタ層等の熱膨張率と、バンプの熱膨張率との差に起因する熱応力がエミッタ層等に発生し易い。この熱応力により、HBTの信頼性が低下する。 With this configuration, thermal stress due to the difference between the coefficient of thermal expansion of the emitter layer of the HBT and the like and the coefficient of thermal expansion of the bump is likely to be generated in the emitter layer and the like. This thermal stress reduces the reliability of the HBT.
下記の特許文献2に、熱応力を緩和することができる半導体装置が開示されている。この半導体装置においては、HBTのエミッタ層がほぼ長方形の平面形状を持ち、バンプの下の絶縁膜に設けられた開口部が、HBTのエミッタ層から、その長手方向にずれた位置に配置されている。この構成を採用することにより、エミッタ層の全域が開口部の内側に配置される場合と比べて、エミッタ層等に発生する熱応力を小さくしている。 Patent Literature 2 below discloses a semiconductor device capable of relaxing thermal stress. In this semiconductor device, the emitter layer of the HBT has a substantially rectangular planar shape, and an opening provided in the insulating film below the bump is arranged at a position shifted from the emitter layer of the HBT in the longitudinal direction. I have. By employing this configuration, the thermal stress generated in the emitter layer and the like is reduced as compared with the case where the entire area of the emitter layer is arranged inside the opening.
特許文献2に開示された半導体装置においては、エミッタ層に対して開口部がエミッタ層の長手方向にずれており、エミッタ層の一部分がバンプの外側まで延びている。熱応力緩和のためにエミッタ層と開口部とのずれ量を大きくすると放熱性が低下する。また、エミッタ層の長手方向に関して素子の寸法が大きくなるため、製造コストの増大につながる。 In the semiconductor device disclosed in Patent Document 2, the opening is shifted from the emitter layer in the longitudinal direction of the emitter layer, and a part of the emitter layer extends to the outside of the bump. If the amount of displacement between the emitter layer and the opening is increased to reduce thermal stress, the heat dissipation will be reduced. In addition, the size of the element increases in the longitudinal direction of the emitter layer, which leads to an increase in manufacturing cost.
本発明の目的は、半導体装置のトランジスタ部分に発生する熱応力を緩和し、素子の寸法の増大を抑制し、かつ放熱性の低下を抑制することが可能な半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of relaxing thermal stress generated in a transistor portion of a semiconductor device, suppressing an increase in element size, and suppressing a decrease in heat dissipation.
本発明の一観点によると、
基板の上に形成され、動作電流が流れる動作領域を含む複数の単位トランジスタと、
前記動作領域の上方に配置され、前記単位トランジスタに流れる電流の経路となる第1配線と、
前記基板の上方に配置された第2配線と、
前記第1配線及び前記第2配線の上に配置された絶縁膜であって、平面視において全域が前記第1配線と重なる少なくとも1つの第1開口、及び前記第2配線と重なる第2開口が設けられている前記絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に配置され、前記第1開口を通って前記第1配線に電気的に接続された第1バンプと、
前記絶縁膜の上に配置され、前記第2開口を通って前記第2配線に電気的に接続された第2バンプと
を有し、
平面視において、複数の前記動作領域のうち少なくとも1つの前記動作領域は前記第1バンプの内側に配置されており、前記第1バンプの内側に配置された前記動作領域のうち少なくとも1つの前記動作領域の少なくとも一部の領域は前記第1開口の外側に配置されており、
前記第1開口の平面形状と前記第2開口の平面形状とが等しい半導体装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
A plurality of unit transistors formed on the substrate and including an operation region through which an operation current flows;
A first wiring disposed above the operation region and serving as a path of a current flowing through the unit transistor;
A second wiring disposed above the substrate;
An insulating film disposed on the first wiring and the second wiring, wherein at least one first opening that overlaps the first wiring and a second opening that overlaps the second wiring in an entire area in plan view. Said insulating film provided;
A first bump disposed on the insulating film and electrically connected to the first wiring through the first opening;
A second bump disposed on the insulating film and electrically connected to the second wiring through the second opening;
In a plan view, at least one of the plurality of operation regions is arranged inside the first bump, and at least one of the operation regions arranged inside the first bump is operated. At least a part of the region is disposed outside the first opening,
A semiconductor device is provided in which the planar shape of the first opening is equal to the planar shape of the second opening.
絶縁膜を配置することにより、動作領域に発生する熱応力を緩和することができる。さらに、平面視において動作領域を第1バンプの内側に配置することにより、素子の寸法の増大を抑制することができる。第1開口を通して動作領域から第1バンプへ熱伝導させ、放熱性を確保することができる。さらに、第1開口及び第2開口の平面形状が等しいため、第1バンプ及び第2バンプをメッキ法で形成する場合に、第1開口及び第2開口内の埋め込みが均一化される。その結果、製造歩留まりが向上するため、製造コストの削減を図ることができる。 By arranging the insulating film, thermal stress generated in the operation region can be reduced. Furthermore, by arranging the operation area inside the first bump in plan view, it is possible to suppress an increase in the size of the element. Heat can be conducted from the operation region to the first bump through the first opening, and heat radiation can be ensured. Further, since the planar shapes of the first opening and the second opening are equal, when the first bump and the second bump are formed by the plating method, the filling in the first opening and the second opening is made uniform. As a result, the manufacturing yield is improved, and the manufacturing cost can be reduced.
[第1実施例]
図1A及び図1Bを参照して、第1実施例による半導体装置について説明する。
図1Aは、第1実施例による半導体装置の構成要素の平面レイアウトを示す図であり、図1Bは、図1Aの一点鎖線1B−1Bにおける断面図である。
[First embodiment]
A semiconductor device according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1A and 1B.
FIG. 1A is a diagram illustrating a planar layout of components of the semiconductor device according to the first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a dashed
基板30(図1B)の上に複数、例えば6個の単位トランジスタ60が形成されている。単位トランジスタ60の各々は、動作電流が流れる動作領域61を含む。例えば、単位トランジスタ60は、順番に積層されたコレクタ層、ベース層、及びエミッタ層を含み、実質的にエミッタ電流及びコレクタ電流が流れる領域を動作領域61ということができる。
A plurality, for example, six
単位トランジスタ60を覆うように基板30の上に絶縁膜54が配置されている。動作領域61の上方に絶縁膜54を介して配線87(第1配線)が配置されている。ここで、「上方」は、動作領域61に直接接してはおらず、動作領域61より上に位置する空間を指す。配線87は、絶縁膜54に設けられた開口を通って単位トランジスタ60に接続されており、単位トランジスタ60を流れる電流の経路となる。絶縁膜54の上に、配線87以外に、他の配線88(第2配線)が配置されている。配線88は、基板30の上に形成された単位トランジスタ60以外の他のトランジスタ等に接続されている。
An insulating
絶縁膜54、配線87、88の上に、他の絶縁膜52が配置されている。絶縁膜52に少なくとも1つの開口45(第1開口)及び少なくとも1つの他の開口46(第2開口)が設けられている。平面視において少なくとも1つの開口45の全域が配線87と重なる。さらに、少なくとも1つの開口46の全域が配線88と重なる。平面視において、一方の開口45は配線88と重ならず、他方の開口46は配線87と重ならない。
Another insulating
絶縁膜52の上にほぼ長方形の平面形状を持つピラーバンプ82(第1バンプ)及びほぼ円形の平面形状を持つピラーバンプ84(第2バンプ)が配置されている。一方のピラーバンプ82は開口45を通って配線87に電気的に接続されており、他方のピラーバンプ84は開口46を通って配線88に電気的に接続されている。平面視において、開口45は長方形のピラーバンプ82の内側に配置されており、開口46は円形のピラーバンプ84の内側に配置されている。
On the insulating
平面視において、複数の動作領域61のうち少なくとも1つの動作領域61はピラーバンプ82の内側に配置されている。図1Aに示した第1実施例では、平面視において全ての動作領域61がピラーバンプ82の内側に配置されている。ピラーバンプ82の内側に配置された動作領域61のうち少なくとも1つの動作領域61の少なくとも一部の領域は、開口45の外側に配置されている。図1Aに示した第1実施例では、左から3番目及び4番目の動作領域61の各々の一部の領域が開口45の外側に配置されている。左から2番目及び5番目の動作領域61は、その全域が開口45の内側に配置されている。両端の動作領域61は、その全域が開口45の外側に配置されている。
In plan view, at least one of the plurality of
次に、第1実施例による半導体装置の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。 Next, excellent effects obtained by adopting the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
第1実施例では、絶縁膜52を配置することにより、ピラーバンプ82の熱膨張率と基板30や単位トランジスタ60の熱膨張率との差に起因して動作領域61に発生する熱応力を緩和することができる。さらに、平面視において動作領域61をピラーバンプ82の内側に配置することにより、動作領域61をピラーバンプ82からはみ出させて配置する構成と比べて、素子の寸法の増大を抑制することができる。
In the first embodiment, by disposing the insulating
開口45を通して動作領域61からピラーバンプ82へ熱伝導させ、放熱性を確保することができる。さらに、開口45及び開口46の平面形状が等しいため、ピラーバンプ82及びピラーバンプ84をメッキ法で形成する場合に、開口45及び開口46内の埋め込みが均一化される。その結果、製造歩留まりが向上するため、製造コストの削減を図ることができる。
Heat can be conducted from the
[第2実施例]
図2から図6Bまでの図面を参照して、第2実施例による半導体装置について説明する。
図2は、第2実施例による半導体装置の構成要素の平面レイアウトを示す図である。図3は、図2の一点鎖線3−3における断面図であり、図4は、図2の一点鎖線4−4における断面図である。半導体装置は複数の構成要素が積層されて構成されており、図2において、半導体装置の構成要素を区別しやすくするために、上側の構成要素に隠れた下側の構成要素を破線で示している場合がある。さらに、構成要素の外周を破線で示したり、構成要素に密度の異なるハッチングを付したりしている場合がある。
[Second embodiment]
A semiconductor device according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 6B.
FIG. 2 is a diagram showing a planar layout of components of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along a dashed line 3-3 in FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a dashed line 4-4 in FIG. The semiconductor device is configured by stacking a plurality of components. In FIG. 2, in order to easily distinguish the components of the semiconductor device, lower components hidden by upper components are indicated by broken lines. May be. Further, the outer periphery of the component may be indicated by a broken line, or the component may be hatched with a different density.
図2に示した平面図の横方向をx軸方向、縦方向をy軸方向、図2の紙面に垂直な方向をz軸方向とするxyz直交座標系を定義する。複数の単位トランジスタ60が、x軸方向に並んで配置されている。図2の第2実施例では、4個の単位トランジスタ60が並んで配置されている。これらの複数の単位トランジスタ60が、上層の配線により相互に並列に接続される。
An xyz orthogonal coordinate system is defined in which the horizontal direction in the plan view shown in FIG. 2 is the x-axis direction, the vertical direction is the y-axis direction, and the direction perpendicular to the plane of FIG. 2 is the z-axis direction. A plurality of
単位トランジスタ60の各々は、コレクタ層32、ベース層33、エミッタ層34、コレクタ電極C0、ベース電極B0、及び2本のエミッタ電極E0を含む。エミッタ層34のうちHBTの動作に寄与する領域(実質的にエミッタ電流が流れる領域)をエミッタ領域34Aということとする。2本のエミッタ電極E0は、それぞれエミッタ領域34Aの内側に配置されている。2つのエミッタ領域34Aの各々は、y軸方向に長い長方形の平面形状を有し、2つのエミッタ領域34Aがx軸方向に間隔を隔てて配置されている。2つのエミッタ領域34Aの間にベース電極B0の主部が配置されている。後に図3を参照して説明するように、エミッタ領域34Aを厚さ方向(z軸方向)に動作電流が流れる。平面視においてエミッタ領域34Aの内側の領域が、単位トランジスタ60の動作領域61となり、主として動作領域61が発熱源となる。図2において、動作領域61に右下がりの濃いハッチングを付している。
Each of the
エミッタ領域34A及びベース電極B0は、ベース層33の内側に配置されている。ベース電極B0は、主部の一端(図2においてy軸の正側の端)からx軸方向に平行に、両側に向かって延びる部分(接続部分)を有する。この接続部分に、1層目のベース配線B1が接続されている。1層目のベース配線B1は、2層目の配線M2と交差し、交差する領域にキャパシタ55が形成される。さらに、1層目のベース配線B1はバラスト抵抗56に接続されている。
The
x軸方向に関してベース層33の両側にそれぞれコレクタ電極C0が配置されている。相互に隣り合う2つの単位トランジスタ60で、その単位トランジスタ60のベース層33の間に配置されたコレクタ電極C0が共用される。
Collector electrodes C0 are arranged on both sides of the
エミッタ層34の上方に、2層目のエミッタ配線E2が配置されている。2層目のエミッタ配線E2は、平面視において4個の単位トランジスタ60を内側に含み、単位トランジスタ60に動作電流を流す配線として機能する。2層目のエミッタ配線E2は、1層目のエミッタ配線E1(図3、図4)を介してエミッタ電極E0に電気的に接続されている。
Above the
平面視において2層目のエミッタ配線E2に重なるように、ピラーバンプ(金属部材)40が配置されている。ピラーバンプ40は、その直下の絶縁膜に設けられた複数の開口45内を経由して2層目のエミッタ配線E2に電気的に接続されている。図2において、開口45に右上がりの薄いハッチングを付している。
A pillar bump (metal member) 40 is arranged so as to overlap the emitter wiring E2 of the second layer in plan view. The pillar bump 40 is electrically connected to the second-layer emitter wiring E2 via a plurality of
例えば、エミッタ領域34Aの各々のx軸方向の寸法(幅)は2μm以上8μm以下であり、y軸方向の寸法(長さ)は10μm以上40μm以下である。ピラーバンプ40のx軸方向の寸法は70μm以上500μm以下であり、y軸方向の寸法は60μm以上100μm以下である。開口45のx軸方向の寸法は10μm以上60μm以下である。
For example, the dimension (width) in the x-axis direction of each of the
図3に示すように、半絶縁性のGaAsからなる基板30の上に、高濃度のn型GaAsからなるサブコレクタ層31が形成されている。サブコレクタ層31の厚さは、例えば0.5μmである。
As shown in FIG. 3, a
サブコレクタ層31の上に、コレクタ層32、ベース層33、及びエミッタ層34が積層された複数のメサが配置されている。1つのメサが1つの単位トランジスタ60(図2)に対応する。エミッタ層34の上に、x軸方向に離れて2つのエミッタメサ層35が配置されている。エミッタメサ層35の直下のエミッタ層34が、厚さ方向に動作電流を流すエミッタ領域34Aとして動作する。エミッタ層34のうち、エミッタメサ層35が配置されていない領域は空乏化しており、レッジ層34Bと呼ばれる。レッジ層34Bは、ベース層33の表面でのキャリアの再結合を抑制する保護層として機能する。
A plurality of mesas in which a
コレクタ層32は、例えばn型GaAsで形成され、その厚さは1μmである。ベース層33は、例えばp型GaAsで形成され、その厚さは100nmである。エミッタ層34は、例えばn型InGaPで形成され、その厚さは30nm以上40nm以下である。エミッタ層34とベース層33との界面がヘテロ接合を構成する。エミッタメサ層35は、例えば高濃度のn型GaAsからなる厚さ100nmの層と、高濃度のn型InGaAsからなる厚さ100nmの層との2層構造を有する。
The
エミッタメサ層35の上にエミッタ電極E0が配置されている。エミッタ電極E0には、例えば厚さ50nmのTi膜が用いられる。エミッタ電極E0は、エミッタメサ層35にオーミックに接続される。
An emitter electrode E0 is arranged on the
2つのエミッタメサ層35に挟まれた領域のレッジ層34Bに開口が設けられており、この開口内にベース電極B0が配置されている。ベース電極B0は、ベース層33にオーミックに接続される。ベース電極B0は、例えばTi膜、Pt膜、Au膜をこの順番に積層することにより形成される。
An opening is provided in the
コレクタ層32、ベース層33、エミッタ層34の3層からなる2つのメサの間のサブコレクタ層31の上に、コレクタ電極C0が配置されている。コレクタ電極C0は、例えばAuGe膜、Ni膜、及びAu膜をこの順番に積層することにより形成される。コレクタ電極C0はサブコレクタ層31にオーミックに接続される。コレクタ電極C0は、その両側の2つの単位トランジスタ60で共用される。サブコレクタ層31は、コレクタ電極C0とコレクタ層32とを接続する電流経路として機能する。
A collector electrode C0 is disposed on the
コレクタ層32からエミッタ層34までを含むメサ、エミッタメサ層35、エミッタ電極E0、ベース電極B0、及びコレクタ電極C0を覆うように、絶縁膜50が形成されている。絶縁膜50には、例えばSiN単層膜、またはSiN膜と樹脂膜との積層膜が用いられる。
An insulating
絶縁膜50の上に、1層目のエミッタ配線E1及び1層目のコレクタ配線C1が配置されている。1層目のエミッタ配線E1は、絶縁膜50に設けられた開口を通ってエミッタ電極E0に電気的に接続されている。1層目のコレクタ配線C1は、絶縁膜50に設けられた開口を通ってコレクタ電極C0に電気的に接続されている。1層目のエミッタ配線E1及び1層目のコレクタ配線C1は、例えば厚さ50nmのTi膜と、厚さ1μmのAu膜とがこの順番に積層された積層構造を有する。
On the insulating
1層目のエミッタ配線E1及びコレクタ配線C1を覆うように、絶縁膜50の上に2層目の絶縁膜51が形成されている。2層目の絶縁膜51には、例えばSiN単層膜、またはSiN膜と樹脂膜との積層膜が用いられる。2層目の絶縁膜51の上に、2層目のエミッタ配線E2が配置されている。2層目のエミッタ配線E2は、例えば厚さ50nmのTi膜と、その上に配置された厚さ4μmのAu膜とを含む。2層目のエミッタ配線E2は、絶縁膜51に設けられた開口を通って1層目のエミッタ配線E1に接続されている。単位トランジスタ60ごとに配置された1層目のエミッタ配線E1が、2層目のエミッタ配線E2を介して相互に接続される。
A second insulating
2層目のエミッタ配線E2を覆うように、3層目の絶縁膜52が配置されている。3層目の絶縁膜52には、例えばSiN単層膜、またはSiN膜と樹脂膜との積層膜が用いられる。3層目の絶縁膜52に複数の開口45(図3には1つの開口45のみが現れている。)が形成されている。複数の開口45は、図2に示したように、平面視において2層目のエミッタ配線E2の内側に配置されており、その底面に2層目のエミッタ配線E2が露出する。
A third-
3層目の絶縁膜52の上に、ピラーバンプ(金属部材)40が配置されている。ピラーバンプ40は、最下層のアンダーバンプメタル層41、その上のメタルポスト42、及び最上層のハンダ層43を含む。ピラーバンプ40は、開口45を通って2層目のエミッタ配線E2に電気的に接続されている。
The pillar bump (metal member) 40 is arranged on the third insulating
アンダーバンプメタル層41には、例えば厚さ100nmのTi膜を用いることができる。アンダーバンプメタル層41は、下地の絶縁膜52に対する接着性を向上させる機能を有する。メタルポスト42には、例えば銅を主成分として含む金属材料を用いることができる。例えば、メタルポスト42として、厚さ20μm以上50μm以下程度のCu膜を用いることができる。ハンダ層43には、例えば厚さ30μmのSn膜を用いることができる。なお、メタルポスト42とハンダ層43との間に、相互拡散防止用のバリアメタル層を配置してもよい。バリアメタル層には、例えばNiを用いることができる。
As the under
単位トランジスタ60の各々において、エミッタ領域34Aからベース層33に大量の電子が注入される。ベース層33に注入された電子の大部分は、主としてコレクタ層32を厚さ方向に輸送されてサブコレクタ層31に達する。このとき、ベース層33及びコレクタ層32での電圧降下によりジュール熱が発生する。このため、エミッタメサ層35の真下のエミッタ層34、ベース層33、及びコレクタ層32が動作領域61となり、動作領域61で発熱が生じる。平面視において、動作領域61の外周線はエミッタメサ層35の外周線に一致する。
In each of the
次に、図4を参照して、図3の断面図に表れていない構成について説明する。サブコレクタ層31の一部の領域が高抵抗化されることにより、アイソレーション領域31Aが形成されている。本明細書において、サブコレクタ層31は、アイソレーション領域31A以外の領域を指す。コレクタ層32、ベース層33、及びエミッタ層34からなるメサは、アイソレーション領域31Aで囲まれたサブコレクタ層31の上に配置されている。
Next, a configuration not shown in the cross-sectional view of FIG. 3 will be described with reference to FIG. The
1層目の絶縁膜50の上に、1層目のベース配線B1が配置されている。1層目のベース配線B1は、絶縁膜50に設けられた開口を通ってベース電極B0に電気的に接続されている。
The first-layer base wiring B1 is arranged on the first-
次に、ピラーバンプ40、開口45、及び動作領域61の位置関係について説明する。単位トランジスタ60ごとに、動作領域61の幾何中心PA(図2)を定義する。幾何中心PAは、単位トランジスタ60に含まれる2つの動作領域61の重心位置に相当する。すなわち、1つの単位トランジスタ60に着目したとき、幾何中心PAよりx軸の正の側の動作領域61の面積と、負の側の動作領域61の面積とが同一である。さらに、幾何中心PAよりy軸の正の側の動作領域61の面積と、負の側の動作領域61の面積とが同一である。本明細書において、1つの単位トランジスタ60に含まれる2つの動作領域61の全体としての幾何中心を、単に動作領域61の幾何中心PAということとする。
Next, the positional relationship between the
さらに、開口45の各々の幾何中心POを定義する。幾何中心POは、開口45の各々の重心位置に相当する。例えば、開口45の平面形状が長方形である場合、幾何中心POは、長方形の2本の対角線の交点に一致する。
Furthermore, the geometric center PO of each of the
複数の単位トランジスタ60がx軸方向(動作領域61の長手方向と直交する方向)に並んで配置されており、複数の開口45もx軸方向に並んで配置されている。2つの開口45の各々の幾何中心POは、動作領域61の幾何中心PAに対してx軸方向にずれている。
A plurality of
x軸方向に関して左端及び右端に位置する単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAと、それに最も近い開口45の幾何中心POとのずれ量を、それぞれDx1、Dx4で表す。左から2番目及び3番目の単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心POと、それに最も近い開口45の幾何中心POとのずれ量を、それぞれDx2、Dx3で表す。このとき、ずれ量Dx1、Dx4は、ずれ量Dx2、Dx3よりも大きい。
The shift amounts between the geometric center PA of the
さらに、開口45の幾何中心POは、動作領域61の幾何中心PAに対してy軸方向にもずれている。
Further, the geometric center PO of the
次に、第2実施例による半導体装置の構成により得られる優れた効果について説明する。
第2実施例では、図2に示すように、平面視においてピラーバンプ40の内側に単位トランジスタ60の動作領域61が配置されている。図3及び図4に示すように、断面図においては、ピラーバンプ40が単位トランジスタ60の動作領域61の真上に配置されている。このため、動作領域61の真上からずれた位置にピラーバンプ40が配置されている構造と比べて、動作領域61からピラーバンプ40までの距離が短くなる。
Next, the excellent effects obtained by the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment will be described.
In the second embodiment, as shown in FIG. 2, the
ピラーバンプ40は、動作領域61で発生した熱を外部に放熱するための熱経路として機能する。動作領域61からピラーバンプ40までの距離が短くなることにより、放熱性を高めることができる。
The pillar bump 40 functions as a heat path for radiating heat generated in the
さらに、平面視において、動作領域61の全域がピラーバンプ40に重なるように配置されているため、ピラーバンプ40から動作領域61がはみ出た構成と比べて、半導体装置のチップ面積を小さくすることができる。これにより、コスト削減を図ることが可能になる。
Furthermore, since the entire region of the
さらに、第2実施例による半導体装置の構成を採用することにより、単位トランジスタ60に発生する熱応力を低減させることができるという効果が得られる。以下、この効果について説明する。
Further, by employing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment, an effect is obtained that thermal stress generated in the
熱応力は、エミッタ層34(図3)等の半導体層の熱膨張率と、ピラーバンプ40の熱膨張率との差に起因して発生する。GaAsの熱膨張率(約6ppm/℃)に比べて、ピラーバンプ40を構成する金属の熱膨張率が大きい。例えば、Cuの熱膨張率は17ppm/℃、Snハンダの熱膨張率は22ppm/℃である。また、半導体装置を実装するプリント基板の熱膨張率(15ppm/℃以上20ppm/℃以下)も、GaAsの熱膨張率より大きい。
The thermal stress is generated due to a difference between a coefficient of thermal expansion of a semiconductor layer such as the emitter layer 34 (FIG. 3) and a coefficient of thermal expansion of the
開口45の幾何中心POを動作領域61の幾何中心PAから遠ざけると、エミッタ層34とピラーバンプ40との間に絶縁膜52が存在することになる。例えば、図3に示した左側の単位トランジスタ60とピラーバンプ40との間に絶縁膜52が配置されている。この絶縁膜52が応力緩和材として機能することにより、この単位トランジスタ60の半導体層に発生する熱応力が低減される。熱応力により結晶欠陥が発生すると、短時間で電流増幅率が低下してしまう。第2実施例においては熱応力が低減されるため、高温での動作による信頼性低下を抑制することができる。なお、複数の単位トランジスタ60を配置した場合、ピラーバンプ40と単位トランジスタ60との相対的な位置関係によって、単位トランジスタ60に発生する熱応力の大きさにばらつきが生じる。熱応力が発生しにくい場所の単位トランジスタ60に関しては、平面視においてエミッタ層34を開口45の内側に配置してもよい。
When the geometric center PO of the
絶縁膜52に用いる材料の熱膨張率は、ピラーバンプ40の材料やGaAs等の半導体材料の熱膨張率より小さい場合が多い。例えば、絶縁膜52に用いられるSiNの熱膨張率は2ppm/℃以上3ppm/℃以下である。このように、単位トランジスタ60の動作領域61を構成する半導体材料の熱膨張率より小さな熱膨張率を持つ材料を、絶縁膜52に用いることにより、熱応力を緩和させる顕著な効果が得られる。
The coefficient of thermal expansion of the material used for the insulating
特に、x軸方向の両端に配置された2つの単位トランジスタ60のエミッタ層34等の半導体層に発生する熱応力が、他の単位トランジスタ60の半導体層に発生する熱応力より大きくなる傾向がある。第2実施例では、両端の単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAと開口45の幾何中心POとのずれ量Dx1、Dx4が、他の動作領域61におけるずれ量Dx2、Dx3より大きい。このため、特に、両端の単位トランジスタ60の半導体層に発生する熱応力を低減させる効果が高くなる。その結果、複数の単位トランジスタ60の半導体層に発生する熱応力を平準化することができる。これにより、半導体装置全体として、信頼性の低下を抑制することができる。
In particular, the thermal stress generated in the semiconductor layers such as the emitter layers 34 of the two
さらに、第2実施例による半導体装置の構成を適用することにより、複数の単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱特性を単位トランジスタ60ごとに制御することができるという効果が得られる。以下、この効果について説明する。
Further, by applying the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment, it is possible to obtain an effect that the heat radiation characteristics of the plurality of
動作領域61(図3)で発生した熱は、主としてエミッタ電極E0、1層目のエミッタ配線E1、2層目のエミッタ配線E2、及びピラーバンプ40を経由して外部に放熱される。開口45の幾何中心POを単位トランジスタ60の各々の動作領域61の幾何中心PAから遠ざけると、1層目のエミッタ配線E1とピラーバンプ40との間に絶縁膜52が存在することになる。例えば、図3の右側の単位トランジスタ60に接続された1層目のエミッタ配線E1の大部分とピラーバンプ40との間には、絶縁膜52が配置されていない。これに対し、図3の左側の単位トランジスタ60に接続された1層目のエミッタ配線E1の全体とピラーバンプ40との間には絶縁膜52が配置されている。
The heat generated in the operation region 61 (FIG. 3) is mainly radiated to the outside via the emitter electrode E0, the first-layer emitter wiring E1, the second-layer emitter wiring E2, and the
絶縁膜52に用いられるSiNや樹脂の熱伝導率は、配線やピラーバンプに用いられている金属の熱伝導率に比べて低い。このため、左側の単位トランジスタ60の動作領域61からピラーバンプ40までの熱抵抗が、右側の単位トランジスタ60の動作領域61からピラーバンプ40までの熱抵抗より高くなる。その結果、左側の単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱特性が、右側の単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱特性より悪くなる。一般的には、単位トランジスタ60の各々の動作領域61の幾何中心PAから、最も近い開口45の幾何中心POまでのずれ量が大きいほど、その動作領域61からの放熱特性が悪くなるということができる。
The thermal conductivity of SiN or resin used for the insulating
図2に示した両端の単位トランジスタ60以外の単位トランジスタ60においては、x軸方向の両側に他の単位トランジスタ60が隣接している。このため、内側の単位トランジスタ60の動作領域61が、両端の単位トランジスタ60の動作領域61より高温になり易い。
In the
第2実施例では、図2に示したずれ量Dx2、Dx3が、ずれ量Dx1、Dx4より小さい。このため、内側の2つの単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱特性が、両端の2つの単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱特性よりも高い。相対的に高温になり易い動作領域61からの放熱特性が相対的に高いため、複数の単位トランジスタ60の動作領域61の温度のばらつきを抑制することが可能になる。種々のずれ量Dx1、Dx2、Dx3、Dx4の組み合わせでシミュレーションまたは評価実験を行うことにより、複数の動作領域61の温度を平準化するために適切なずれ量を決定することができる。複数の動作領域61の温度を平準化することにより、高周波特性の低下を抑制することができる。
In the second embodiment, the shift amounts Dx2 and Dx3 shown in FIG. 2 are smaller than the shift amounts Dx1 and Dx4. Therefore, the heat radiation characteristics of the two
さらに、複数の単位トランジスタ60が並列に接続されて動作している場合、温度が高くなる単位トランジスタ60の寿命が相対的に短くなる。このため、複数の単位トランジスタ60を含む半導体装置としての寿命も短くなる。複数の単位トランジスタ60の動作領域61の温度を平準化することにより、半導体装置全体としての寿命の低下を抑制することができる。
Further, when a plurality of
第2実施例では、x軸方向に関して両端に配置された2つの単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心より外側には開口45が配置されていない。開口45をこのように配置することにより、内側に配置された単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱特性を、両端の単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱特性より高めることができる。
In the second embodiment, the
単位トランジスタ60の各々の動作領域61の幾何中心PAに対して開口45の幾何中心POをx軸方向にずらして配置する構成を採用することの効果を、シミュレーションによって確認した。以下、図5Aから図6Bまでの図面を参照して、このシミュレーションについて説明する。シミュレーション対象は、1つの単位トランジスタ60が1つの動作領域61を含む構成とした。
The effect of employing a configuration in which the geometric center PO of the
図5Aは、シミュレーション対象となる比較例による半導体装置の動作領域61、開口45、及びピラーバンプ40の位置関係を示す平面図である。ピラーバンプ40の平面形状は、x軸方向の長さ240μm、y軸方向の幅75μmの長方形の長さ方向の両端に直径75μmの半円を接続したレーストラック形状である。動作領域61のx軸方向の寸法を4μm、y軸方向の寸法を30μmとした。開口45のx軸方向の寸法を240μmとし、y軸方向の寸法を51μmとした。動作領域61の幾何中心PAと開口45の幾何中心POとのx軸方向の位置を一致させ、y軸方向の位置をずらせた。y軸方向へのずらし量の絶対値をDyで表す。
FIG. 5A is a plan view illustrating a positional relationship among an
図5Bは、実施例による半導体装置の動作領域61、開口45、及びピラーバンプ40の位置関係を示す平面図である。ピラーバンプ40及び動作領域61の形状及び寸法は、図5Aに示した半導体装置のこれらの形状及び寸法と同一である。開口45のx軸方向の寸法を20μmとし、y軸方向の寸法を50μmとした。動作領域61の幾何中心PAと開口45の幾何中心POとのy軸方向の位置を一致させ、x軸方向の位置をずらせた。x軸方向へのずれ量の絶対値をDxで表す。
FIG. 5B is a plan view illustrating a positional relationship between the
シミュレーションでは、半導体装置の温度が150℃のときにエミッタ領域34A(図3、図4)に発生する熱応力を求めた。さらに、エミッタ領域34Aからピラーバンプ40までの熱抵抗を求めた。
In the simulation, the thermal stress generated in the
図6Aは、ずれ量Dx、Dyとエミッタ領域34Aに発生する熱応力の低減量との関係を示すグラフである。図6Aのグラフの横軸は、ずれ量Dx、Dyを単位「μm」で表し、縦軸は、熱応力の低減量を単位「%」で表す。図6Aのグラフ中の丸記号及び三角記号は、それぞれ比較例による半導体装置(図5A)及び実施例による半導体装置(図5B)における熱応力の低減量の計算結果を示す。熱応力の低減量は、比較例による半導体装置(図5A)のずれ量Dy=0のときの熱応力の値を基準とし、基準値からの低減量を基準値に対する比率で表したものである。
FIG. 6A is a graph showing the relationship between the shift amounts Dx and Dy and the reduction amount of the thermal stress generated in the
比較例の半導体装置(図5A)において、ずれ量Dyを大きくするに従って、熱応力が低下することがわかる。実施例の半導体装置(図5B)においては、比較例と比べて熱応力の低下傾向が緩やかであるが、ずれ量Dxが大きくなるに従って、熱応力が低下することが確認された。 It can be seen that in the semiconductor device of the comparative example (FIG. 5A), the thermal stress decreases as the shift amount Dy increases. In the semiconductor device of the example (FIG. 5B), it was confirmed that the thermal stress tended to decrease more gradually than the comparative example, but the thermal stress decreased as the shift amount Dx increased.
図6Bは、ずれ量Dx、Dyと熱抵抗の増加量との関係を示すグラフである。図6Bのグラフの横軸は、ずれ量Dx、Dyを単位「μm」で表し、縦軸は、熱抵抗の増加量を単位「%」で表す。図6Bのグラフ中の丸記号及び三角記号は、それぞれ比較例による半導体装置(図5A)及び実施例による半導体装置(図5B)における熱抵抗の増加量の計算結果を示す。熱抵抗の増加量は、比較例による半導体装置(図5A)のずれ量Dy=0のときの熱抵抗の値を基準とし、基準値からの増加量を基準値に対する比率で表したものである。ずれ量Dx、Dyが大きくなるに従って熱抵抗が大きくなっていることがわかる。このシミュレーション結果から、動作領域61に対する開口45のx軸方向またはy軸方向へのずれ量を変化させることにより、熱抵抗を制御できることが確認された。
FIG. 6B is a graph illustrating a relationship between the shift amounts Dx and Dy and the increase amount of the thermal resistance. The horizontal axis of the graph in FIG. 6B represents the shift amounts Dx and Dy in units of “μm”, and the vertical axis represents the increase in the thermal resistance in units of “%”. The circle symbol and the triangle symbol in the graph of FIG. 6B indicate calculation results of the increase in thermal resistance in the semiconductor device according to the comparative example (FIG. 5A) and the semiconductor device according to the example (FIG. 5B). The amount of increase in the thermal resistance is based on the value of the thermal resistance of the semiconductor device according to the comparative example (FIG. 5A) when the deviation amount Dy = 0, and represents the amount of increase from the reference value as a ratio to the reference value. . It can be seen that the thermal resistance increases as the shift amounts Dx and Dy increase. From this simulation result, it was confirmed that the thermal resistance can be controlled by changing the shift amount of the
次に、第2実施例の変形例について説明する。第2実施例では、エミッタメサ層35(図3)と1層目のエミッタ配線E1(図3)との間に、エミッタ電極E0を配置した。その他の構成として、1層目のエミッタ配線E1がエミッタメサ層35に直接接触した構成を採用してもよい。この場合、エミッタ電極E0が省略され、1層目のエミッタ配線E1がエミッタ電極を兼ねることになる。
Next, a modification of the second embodiment will be described. In the second embodiment, the emitter electrode E0 is arranged between the emitter mesa layer 35 (FIG. 3) and the first-layer emitter wiring E1 (FIG. 3). As another configuration, a configuration in which the first-layer emitter wiring E1 is in direct contact with the
第2実施例では、図2において、すべての開口45の幾何中心POが、単位トランジスタ60の各々の動作領域61の幾何中心PAに対してx軸方向にずれていたが、少なくとも1つの開口45の幾何中心POを単位トランジスタ60の各々の動作領域61の幾何中心PAに対してx軸方向にずらせばよい。ここで、幾何中心PAに対して幾何中心POをx軸方向にずらすとは、幾何中心PAを始点とし幾何中心POを終点とするベクトルがx成分を有することを意味する。
In the second embodiment, in FIG. 2, the geometric centers PO of all the
第2実施例では、ピラーバンプ40と2層目のエミッタ配線E2に接続するために2個の開口45を配置したが、開口45は少なくとも1個配置すればよい。
In the second embodiment, two
第2実施例では、外部接続用のバンプとしてピラーバンプ40を採用したが、その他のバンプ、例えばハンダバンプ、スタッドバンプ等を採用してもよい。また、上記第2実施例では、エミッタ層34、エミッタメサ層35(図2、図3、図4)の平面形状を長方形にしたが、その他の形状にしてもよい。例えば、平面形状を円形、楕円形、六角形、八角形等にしてもよい。
In the second embodiment, the pillar bumps 40 are used as bumps for external connection, but other bumps, such as solder bumps and stud bumps, may be used. Further, in the second embodiment, the planar shape of the
また、第2実施例では、エミッタ層34にInGaPを用い、ベース層33にGaAsを用いたが、その他の化合物半導体を用いてもよい。例えば、エミッタ層34の材料とベース層33の材料との組み合わせとして、AlGaAs/GaAs、InP/InGaAs、InGaP/GaAsSb、InGaP/InGaAsN、Si/SiGe、AlGaN/GaN等を適用してもよい。いずれの組み合わせにおいても、エミッタベース界面がヘテロ接合になる。
In the second embodiment, InGaP is used for the
第2実施例による半導体装置は、図2に示したように4個の単位トランジスタ60を含んでいるが、単位トランジスタ60の個数は4個に限定されない。半導体装置が複数の単位トランジスタ60を含むようにするとよい。
Although the semiconductor device according to the second embodiment includes four
[第3実施例]
次に、図7を参照して、第3実施例による半導体装置について説明する。以下、第2実施例による半導体装置と共通の構成については説明を省略する。
[Third embodiment]
Next, a semiconductor device according to a third embodiment will be described with reference to FIG. Hereinafter, description of the configuration common to the semiconductor device according to the second embodiment will be omitted.
図7は、第3実施例による半導体装置の平面レイアウトを示す図である。図7の第3実施例では、3つの単位トランジスタ60がx軸方向に並んでいる例を示しているが、単位トランジスタ60の個数は3個に限らず、第1の実施例と同様に4個にしてもよいし、2個、または5個以上にしてもよい。第2実施例では、1つの単位トランジスタ60が2つのエミッタ領域34A(図2、図3)を含んでいた。第3実施例では、1つの単位トランジスタ60が、1つのエミッタ領域34Aを含んでいる。単位トランジスタ60の各々が動作領域61を含む。動作領域61は、単位トランジスタ60ごとに、エミッタ領域34Aの外周線によって画定される。図7において、動作領域61に右下がりの濃いハッチングを付している
FIG. 7 is a diagram showing a planar layout of the semiconductor device according to the third embodiment. In the third embodiment of FIG. 7, an example is shown in which three
エミッタ領域34Aの平面形状は、第2実施例の場合と同様に、y軸方向に長い長方形である。ベース電極B0の主部は、x軸方向に関してエミッタ領域34Aの脇に配置されている。第2実施例では、ベース電極B0の平面形状がT字形であったが、第3実施例では、ベース電極B0の平面形状がL字形である。
The planar shape of the
第2実施例では、単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAが、2つの動作領域61の中間に位置していた。第3実施例では、1つの単位トランジスタ60が1つの動作領域61を含むため、動作領域61の幾何中心PAは、当該1つの動作領域61の重心に位置することになる。すなわち、動作領域61の幾何中心PAは、長方形の動作領域61の2本の対角線の交点に位置する。ピラーバンプ40の内側に1つの開口45が配置されている。図7において、開口45に右上がりの薄いハッチングを付している。第3実施例においても、開口45の幾何中心POが、動作領域61の幾何中心PAに対してx軸方向に関してずれた位置に配置されている。
In the second embodiment, the geometric center PA of the
第3実施例においても、動作領域61と開口45との位置関係が第2実施例による半導体装置の場合と同様であるため、第2実施例と同様の効果が得られる。
Also in the third embodiment, since the positional relationship between the
[第4実施例]
次に、図8から図12までの図面を参照して、第4実施例による半導体装置について説明する。以下、第2実施例による半導体装置と共通の構成については説明を省略する。第4実施例による半導体装置は、第2実施例による複数の単位トランジスタ60(図2)を増幅回路として利用したパワーアンプモジュールである。
[Fourth embodiment]
Next, a semiconductor device according to a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. Hereinafter, description of the configuration common to the semiconductor device according to the second embodiment will be omitted. The semiconductor device according to the fourth embodiment is a power amplifier module using a plurality of unit transistors 60 (FIG. 2) according to the second embodiment as an amplifier circuit.
図8は、第4実施例による半導体装置で実現される電力増幅回路の等価回路図である。第4実施例による電力増幅回路は、無線周波数帯の入力信号を増幅して出力する。入力信号の周波数は、例えば数百MHz(一例として600MHz)以上数十GHz(一例として60GHz)以下の範囲である。 FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a power amplifier circuit realized by the semiconductor device according to the fourth embodiment. The power amplification circuit according to the fourth embodiment amplifies and outputs an input signal in a radio frequency band. The frequency of the input signal is, for example, in the range of several hundred MHz (for example, 600 MHz) or more and several tens of GHz (for example, 60 GHz).
第4実施例による半導体装置で実現される電力増幅回路は、トランジスタQ1、Q2、整合回路MN1、MN2、MN3、フィルタ回路71、72、バイアス回路75、76、及びインダクタL1、L2を含む。トランジスタQ1は、初段(ドライブ段)の電力増幅回路を構成し、トランジスタQ2は、後段(パワー段)の電力増幅回路を構成する。トランジスタQ1、Q2は、例えば、第2実施例または第3実施例による半導体装置のように、複数の単位トランジスタ60を並列に接続した構成を有する。
The power amplifier circuit realized by the semiconductor device according to the fourth embodiment includes transistors Q1, Q2, matching circuits MN1, MN2, MN3,
トランジスタQ1、Q2のコレクタに、それぞれインダクタL1、L2を経由して電源電圧Vccが供給される。トランジスタQ1、Q2のエミッタは接地されている。トランジスタQ1、Q2のベースに、それぞれバイアス回路75、76からバイアス電流またはバイアス電圧が供給される。
The power supply voltage Vcc is supplied to the collectors of the transistors Q1 and Q2 via the inductors L1 and L2, respectively. The emitters of the transistors Q1 and Q2 are grounded. A bias current or a bias voltage is supplied to the bases of the transistors Q1 and Q2 from the
トランジスタQ1のベースに、整合回路MN1を経由して入力信号RFinが供給される。トランジスタQ1は、入力信号RFinを増幅して、コレクタから増幅信号RFout1を出力する。増幅信号RFout1は、整合回路MN2を経由してトランジスタQ2のベースに供給される。トランジスタQ2は、増幅信号RFout1をさらに増幅して、コレクタから増幅信号RFout2を出力する。増幅信号RFout2は、整合回路MN3を経由して外部の回路に供給される。 The input signal RFin is supplied to the base of the transistor Q1 via the matching circuit MN1. The transistor Q1 amplifies the input signal RFin and outputs an amplified signal RFout1 from the collector. The amplified signal RFout1 is supplied to the base of the transistor Q2 via the matching circuit MN2. The transistor Q2 further amplifies the amplified signal RFout1, and outputs an amplified signal RFout2 from the collector. The amplified signal RFout2 is supplied to an external circuit via the matching circuit MN3.
トランジスタQ2のコレクタと整合回路MN3とを接続する伝送線路とグランドとの間に、フィルタ回路71及び72が接続されている。フィルタ回路71は、キャパシタC1aとインダクタL3aとが直列接続された直列共振回路であり、フィルタ回路72は、キャパシタC1bとインダクタL3bとが直列接続された直列共振回路である。フィルタ回路71、72は、増幅信号RFout2に含まれる高調波の帯域の周波数成分を減衰させる高調波終端回路として機能する。例えば、高調波終端回路は、所望の高調波インピーダンス(例えば、2次高調波や3次高調波に対するインピーダンス)が、基本波インピーダンスと比較してショートまたはオープンになるようにインピーダンス調整する。このように、基本波インピーダンスとは独立に各高調波インピーダンスを設定する(インピーダンス調整する)ことにより、高調波成分を減衰させる。フィルタ回路71、72のキャパシタC1a、C1bとインダクタL3a、L3bとの回路定数は、共振周波数が増幅信号RFout2の高調波の周波数、例えば2次または3次の高調波の周波数にほぼ一致するように選択される。
例えば、トランジスタQ1、Q2、整合回路MN1、MN2、バイアス回路75、76、フィルタ回路71、72のキャパシタC1a、C1b、整合回路MN3の一部が、1つの半導体チップ70内に形成される。インダクタL1、L2、フィルタ回路71、72のインダクタL3a、L3b、及び整合回路MN3の残りの部分は、半導体チップ70を実装する実装基板に形成または搭載される。フィルタ回路71、72のインダクタL3a、L3bは、例えば、実装基板に形成されたインダクタンス成分を有する配線により実現される。
For example, the transistors Q1 and Q2, the matching circuits MN1 and MN2, the
図9は、トランジスタQ2、及びその周辺の回路の等価回路図である。トランジスタQ2は、第2実施例または第3実施例による半導体装置と同様に、並列接続された複数の単位トランジスタ60により構成される。複数の単位トランジスタ60のベースに、それぞれキャパシタ55及びバラスト抵抗56が接続されている。このキャパシタ55及びバラスト抵抗56は、それぞれ図2に示したキャパシタ55及びバラスト抵抗56に相当する。
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the transistor Q2 and its peripheral circuits. The transistor Q2 is composed of a plurality of
整合回路MN2を通過した高周波信号が、キャパシタ55を経由して単位トランジスタ60の各々のベースに供給される。バイアス回路76から、バラスト抵抗56を経由して単位トランジスタ60の各々のベースに、バイアス電流またはバイアス電圧が供給される。単位トランジスタ60の各々のコレクタは、直流的に電源電圧Vccに接続されている。単位トランジスタ60の各々のエミッタは接地されている。
The high-frequency signal that has passed through the matching circuit MN2 is supplied to each base of the
図10は、第4実施例による半導体装置を構成する半導体チップ70の各素子のレイアウトを示す図である。半導体チップ70の平面形状は、x軸方向及びy軸方向に平行な辺を持つ長方形である。半導体チップ70に、x軸方向に長いピラーバンプ81、82、83が設けられている。
FIG. 10 is a diagram showing a layout of each element of a
ピラーバンプ81は、トランジスタQ1(図8)を構成する4個の単位トランジスタ60のエミッタに接続される。トランジスタQ2は、10個の単位トランジスタ60が並列接続された二組の単位トランジスタ群により構成される。一方の単位トランジスタ群に含まれる10個の単位トランジスタ60のエミッタが、ピラーバンプ82に接続され、他方の単位トランジスタ群に含まれる10個の単位トランジスタ60のエミッタが、ピラーバンプ83に接続されている。
The pillar bump 81 is connected to the emitters of the four
ピラーバンプ82と83とは同一の平面形状及び同一の寸法を有し、y軸方向に間隔を隔てて配置されている。ピラーバンプ81は、他の2つのピラーバンプ82、83より短い。これは、ピラーバンプ81に接続された単位トランジスタ60の個数が、ピラーバンプ82、83の各々に接続された単位トランジスタ60の個数より少ないためである。
The pillar bumps 82 and 83 have the same planar shape and the same dimensions, and are arranged at intervals in the y-axis direction. The pillar bump 81 is shorter than the other two pillar bumps 82 and 83. This is because the number of
半導体チップ70に、フィルタ回路71、72(図8)を構成するキャパシタC1a、C1bが配置されている。キャパシタC1a、C1bには、半導体チップ70に形成されたオンチップキャパシタが用いられる。一方のキャパシタC1aは、一方の端(右端)の単位トランジスタ60より他方の端(左端)の単位トランジスタ60に近い位置に配置されている。他方のキャパシタC1bは、キャパシタC1aに近い端とは反対側の端の単位トランジスタ60に近い位置に配置されている。
On the
このため、キャパシタC1a、C1bは、それぞれピラーバンプ82、83に接続されてx軸方向に並ぶ複数の単位トランジスタ60のうち相互に反対側の端部に位置する単位トランジスタ60の近傍に配置されることになる。例えば、キャパシタC1a、C1bは、半導体チップ70のx軸方向に関する中心線に関して線対称の位置に配置されている。
For this reason, the capacitors C1a and C1b are connected to the pillar bumps 82 and 83, respectively, and are arranged in the vicinity of the
キャパシタC1aは、半導体チップ70に形成された配線を経由して円形のピラーバンプ84に接続されている。半導体チップ70を実装基板に実装すると、キャパシタC1aは、ピラーバンプ84を介して、実装基板上のインダクタL3aに電気的に接続される。同様に、キャパシタC1bは、ピラーバンプ85を介して、実装基板上のインダクタL3bに電気的に接続される。
The capacitor C1a is connected to a
他の円形の複数のピラーバンプ86が、トランジスタQ1、Q2(図8)のコレクタ、整合回路MN1、MN3(図8)等に接続される。 Other circular pillar bumps 86 are connected to the collectors of the transistors Q1 and Q2 (FIG. 8), the matching circuits MN1 and MN3 (FIG. 8), and the like.
図11Aは、ピラーバンプ82、及びそれに接続されている複数(10個)の単位トランジスタ60の動作領域61、及び複数の開口45の位置関係を示す図である。x軸方向に10個の動作領域61が並んでおり、8個の開口45が並んでいる。図11Aでは、単位トランジスタ60の各々が、1つの動作領域61を含む例(図7)を示したが、単位トランジスタ60の各々が2つの動作領域61を含む構成(図2)としてもよい。
FIG. 11A is a diagram illustrating a positional relationship between the pillar bumps 82, the
動作領域61の各々の幾何中心PAと、それに最も近い開口45の幾何中心POとのx軸方向のずれ量(以下、「最近接開口のずれ量」という。)をDxで表す。最近接開口のずれ量Dxは、単位トランジスタ60ごとに定義される。いずれの開口45の幾何中心POも、動作領域61の幾何中心PAに対してx軸方向に関してずれた位置に配置されている。すなわち、最近接開口のずれ量Dxは0ではない。また、すべての開口45は、両端に位置する単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAよりも内側に配置されており、外側には開口45が配置されていない。
The displacement amount in the x-axis direction between each geometric center PA of the
両端の単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxは、内側の8個の単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxより大きい。さらに、最近接開口のずれ量Dxは、複数の単位トランジスタ60の並びの中心から端に向かって大きくなっている。
The shift amount Dx of the closest openings corresponding to the
他のピラーバンプ81、83(図10)についても、ピラーバンプ81、83、及びそれに接続されている複数の単位トランジスタ60の動作領域61、及び複数の開口45の位置関係は、ピラーバンプ81の場合と同様である。ピラーバンプ81、82、83の内側に配置される開口45の形状及び大きさは、すべて同一である。
Regarding the other pillar bumps 81 and 83 (FIG. 10), the positional relationship between the pillar bumps 81 and 83, the operating
図11Bは、円形のピラーバンプ84、及びその下に配置された開口46の平面図である。ピラーバンプ84は、開口46内を経由して、その下の配線に電気的に接続される。1つのピラーバンプ84に対応して、1つの開口46が設けられている。他の円形のピラーバンプ85、86(図10)についても、同様の開口が設けられている。
FIG. 11B is a plan view of the
円形のピラーバンプ84、85、86(図10)に対応して設けられている開口46等の形状及び大きさは、x軸方向に長いピラーバンプ81、82、83(図10)に対応して設けられている開口45の各々の形状及び大きさと同一である。
The shape and size of the
図12は、第4実施例による半導体装置の断面図である。半導体チップ70が、ピラーバンプ81、82、83、86等を介して実装基板90にハンダ付けされている。実装基板90には、例えばアルミナ、セラミック、エポキシ等のプリント基板が用いられる。実装基板90には、半導体チップ70以外に、インダクタL3a、L3b(図10)、その他の表面実装型素子91が実装されている。半導体チップ70、インダクタL3a、L3b、表面実装型素子91は、封止樹脂93で封止されている。
FIG. 12 is a sectional view of a semiconductor device according to the fourth embodiment. The
次に、第4実施例による半導体装置の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。
第4実施例では、図11A示したように、ピラーバンプ82、及びそれに接続されている複数の単位トランジスタ60の動作領域61、及び複数の開口45が、第2実施例または第3実施例の場合と同様の位置関係を有する。このため、第2実施例または第3実施例による半導体装置と同様の効果が得られる。
Next, excellent effects obtained by employing the configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described.
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 11A, the
また、第4実施例では、x軸方向に並ぶ複数の単位トランジスタ60の両端の単位トランジスタ60の近傍に、それぞれフィルタ回路71、72のキャパシタC1a、C1bが接続されている。これにより、フィルタ回路71、72の高周波終端回路としての特性が良好になり、その結果、パワーアンプの性能向上が図られる。
In the fourth embodiment, the capacitors C1a and C1b of the
さらに、第4実施例では、ピラーバンプ81、82、83(図10)に対応する複数の開口45(図11A)等、及び円形のピラーバンプ84、85、86(図10)に対応する開口46(図11B)等の形状及び大きさを同一にした。これにより、ピラーバンプ81等をメッキ法で形成する場合に、開口内の埋め込みが均一化されるため、製造歩留まりの向上を図ることができる。 Further, in the fourth embodiment, the plurality of openings 45 (FIG. 11A) corresponding to the pillar bumps 81, 82, 83 (FIG. 10) and the openings 46 (FIG. 10) corresponding to the circular pillar bumps 84, 85, 86 (FIG. 10). The shape and size of FIG. 11B) were the same. Thereby, when the pillar bumps 81 and the like are formed by the plating method, the filling in the openings is made uniform, so that the production yield can be improved.
埋め込みの均一化を図るために、ピラーバンプ81、82、83(図10)の各々に対応する複数の開口45(図11A)等を等間隔で並べることが好ましい。さらに、ピラーバンプ81、82、83(図10)の各々に対応して設けられた複数の開口45等の間隔を同一にすることが好ましい。
In order to make the embedding uniform, a plurality of openings 45 (FIG. 11A) corresponding to the pillar bumps 81, 82, 83 (FIG. 10) are preferably arranged at equal intervals. Further, it is preferable to make the intervals of the plurality of
次に、第4実施例の変形例について説明する。第4実施例では、電力増幅回路を2段構成としたが、1段構成としてもよく、3段以上の構成としてもよい。 Next, a modification of the fourth embodiment will be described. In the fourth embodiment, the power amplifier circuit has a two-stage configuration, but may have a single-stage configuration or a configuration having three or more stages.
[第5実施例]
次に、図13、図14、及び図15を参照して、第5実施例による半導体装置について説明する。以下、第4実施例による半導体装置(図8から図12までの図面)と共通の構成については説明を省略する。
[Fifth embodiment]
Next, a semiconductor device according to a fifth embodiment will be described with reference to FIG. 13, FIG. 14, and FIG. Hereinafter, the description of the same configuration as the semiconductor device according to the fourth embodiment (the drawings from FIG. 8 to FIG. 12) will be omitted.
図13は、第5実施例による半導体装置で実現される電力増幅回路の等価回路図である。第4実施例では、トランジスタQ2のコレクタから整合回路MN3までの伝送線路とグランドとの間に2つのフィルタ回路71、72が並列に接続されていた。第5実施例では、1つのフィルタ回路71が接続されている。フィルタ回路71は、第4実施例の場合と同様に、キャパシタC1aとインダクタL3aとが直列接続された直列共振回路で構成される。
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a power amplifier circuit realized by the semiconductor device according to the fifth embodiment. In the fourth embodiment, two
トランジスタQ1の構成は、第4実施例による半導体装置のトランジスタQ1(図8)の構成と同一である。トランジスタQ2は、第4実施例による半導体装置のトランジスタQ2(図8)と同様に、2つの単位トランジスタ群で構成されている。第4実施例では、トランジスタQ2を構成する2つの単位トランジスタ群の各々が、10個の単位トランジスタ60(図2、図11A等)を含んでいた。これに対し、第5実施例では、単位トランジスタ群の各々が、8個の単位トランジスタ60を含む。
The configuration of the transistor Q1 is the same as the configuration of the transistor Q1 (FIG. 8) of the semiconductor device according to the fourth embodiment. The transistor Q2 is composed of two unit transistor groups, similarly to the transistor Q2 (FIG. 8) of the semiconductor device according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, each of the two unit transistor groups forming the transistor Q2 includes ten unit transistors 60 (FIG. 2, FIG. 11A, etc.). On the other hand, in the fifth embodiment, each of the unit transistor groups includes eight
図14は、第5実施例による半導体装置を構成する半導体チップ70の各素子のレイアウトを示す図である。ピラーバンプ82、83の各々に8個の単位トランジスタ60が接続されている。第4実施例に比べて第5実施例の方が、ピラーバンプ82、83の各々に接続される単位トランジスタ60の個数が少ないため、第5実施例による半導体装置のピラーバンプ82、83が、第4実施例による半導体装置のピラーバンプ82、83(図10)より短い。一方のピラーバンプ83は、他方のピラーバンプ82をx軸方向に延長した延長線上に配置されている。
FIG. 14 is a diagram showing a layout of each element of the
第5実施例においては、第4実施例による半導体装置のキャパシタC1b(図10)が設けられておらず、キャパシタC1aのみが設けられている。これに対応して、第5実施例では、円形のピラーバンプ85(図10)も設けられていない。キャパシタC1aは、ピラーバンプ82の一端の単位トランジスタ60の近傍に配置されている。
In the fifth embodiment, the capacitor C1b (FIG. 10) of the semiconductor device according to the fourth embodiment is not provided, and only the capacitor C1a is provided. Correspondingly, in the fifth embodiment, the circular pillar bump 85 (FIG. 10) is not provided. The capacitor C1a is disposed near one end of the
図15は、ピラーバンプ82、単位トランジスタ60の動作領域61、及び開口45の位置関係を示す図である。x軸方向に長い平面形状を有するピラーバンプ82の内側に、8個の単位トランジスタ60の動作領域61がx軸方向に並んで配置されている。さらに、8個の開口45も、ピラーバンプ82の内側に、x軸方向に並んで配置されている。
FIG. 15 is a diagram illustrating a positional relationship between the
一方の端部(右端)に配置された単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxが、他方の端部(左端)に配置された単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxより大きい。また、単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxは、一方の端部(左端)から他方の端部(右端)に向かって大きくなっている。フィルタ回路71のキャパシタC1a(図14)は、ピラーバンプ82の左端の近傍に配置されている。
The shift amount Dx of the closest opening corresponding to the
次に、第5実施例による半導体装置の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。 Next, excellent effects obtained by adopting the configuration of the semiconductor device according to the fifth embodiment will be described.
本願の発明者らは、高調波終端回路として動作するフィルタ回路71(図14)がトランジスタQ2(図13)のコレクタに接続されている場合、高周波動作時に、複数の単位トランジスタ60での発熱が均一にならない現象が生じることを見出した。例えば、図15に示した例では、左端の単位トランジスタ60から右端の単位トランジスタ60に向かって発熱量が徐々に低下する傾向があることを見出した。
When the filter circuit 71 (FIG. 14) operating as a harmonic termination circuit is connected to the collector of the transistor Q2 (FIG. 13), the inventors of the present application generate heat at the plurality of
第5実施例では、単位トランジスタ60ごとの発熱量のばらつきを相殺するように、単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱特性を調整している。具体的には、単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxを、左端から右端に向かって大きくすることにより、単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱特性を、左端から右端に向かって徐々に低下させている。このような構成により、複数の単位トランジスタ60の動作時の温度を平準化することができる。
In the fifth embodiment, the heat radiation characteristic of the
さらに、一方のピラーバンプ82(図14)に接続された複数の単位トランジスタ60の発熱量の平均値と、他方のピラーバンプ83(図14)に接続された複数の単位トランジスタ60の発熱量の平均値とが等しくならない場合がある。図14に示した例では、フィルタ回路71のキャパシタC1aに近い方のピラーバンプ82に接続された単位トランジスタ60の発熱量の平均値の方が大きい。このような場合には、相対的に発熱量の平均値が大きい方の単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxの平均値を、相対的に発熱量の平均値が小さい方の単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxの平均値より小さくするとよい。これにより、一方のピラーバンプ82に接続された複数の単位トランジスタ60の動作時の温度と、他方のピラーバンプ83に接続された複数の単位トランジスタ60の動作時の温度との差を小さくすることができる。
Further, the average value of the heat value of the plurality of
半導体装置の高周波動作条件の選び方により、発熱量の分布が上述の分布と異なる場合も生じ得る。このような場合には、単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxの分布を、発熱量のばらつきを相殺するように設定するとよい。
Depending on how to select the high frequency operation conditions of the semiconductor device, the distribution of the heat generation amount may be different from the above distribution. In such a case, the distribution of the shift amount Dx of the closest opening corresponding to the
なお、第4実施例による半導体装置(図8)のように、高調波終端回路として動作する2個のフィルタ回路71、72が接続されている場合でも、複数の単位トランジスタ60の間で発熱量が不均一になる場合がある。このような場合には、発熱量のばらつきを相殺するように、最近接開口のずれ量Dxの分布を決定するとよい。
As in the semiconductor device according to the fourth embodiment (FIG. 8), even when two
次に、単位トランジスタ60ごとに発熱量のばらつきが生じる理由について説明する。複数の単位トランジスタ60のコレクタは、共通のコレクタ配線に接続される。複数の単位トランジスタ60を高周波動作させる場合には、コレクタ配線のインダクタンス成分が無視できなくなる。複数の単位トランジスタ60において電源端子からのコレクタ配線の長さにばらつきがあると、コレクタ配線のインダクタンス成分もばらつく。その結果、複数の単位トランジスタ60の間で、出力パワーや消費電流にばらつきが生じる。
Next, the reason why the heat generation amount varies for each
次に、第5実施例の変形例による半導体装置について説明する。
トランジスタQ2(図13)のコレクタに高調波終端回路を接続すると、複数の単位トランジスタ60の間で発熱量にばらつきが生じやすい。発熱量のばらつきが著しく大きくなるような場合には、高調波終端回路として機能するフィルタ回路71(図13)を接続しないようにしてもよい。
Next, a semiconductor device according to a modification of the fifth embodiment will be described.
When a harmonic termination circuit is connected to the collector of the transistor Q2 (FIG. 13), the heat generation amount tends to vary among the
第5実施例では、整合回路MN3(図13)の一部を半導体チップ70に形成し、残りの部分を実装基板90(図12)に実装した。変形例として、整合回路MN3をすべて実装基板90に実装してもよい。
In the fifth embodiment, a part of the matching circuit MN3 (FIG. 13) is formed on the
高周波特性の最適条件と、製造上の容易さ等を考慮して、上記変形例の構成を採用するか否かを決定するとよい。 It is preferable to determine whether to adopt the configuration of the above-described modification in consideration of the optimum condition of the high-frequency characteristics and the ease of manufacturing.
[第6実施例]
次に、図16Aから図17Dまでの図面を参照して、第6実施例及びその変形例による半導体装置について説明する。以下、第2実施例による半導体装置と共通の構成については説明を省略する。第6実施例による半導体装置の単位トランジスタ60の構成は、第2実施例による半導体装置の単位トランジスタ60(図2)または第3実施例による半導体装置の単位トランジスタ60(図7)の構成と同一である。第6実施例では、単位トランジスタ60の動作領域61と、ピラーバンプ40の直下の開口45との位置関係が、第2実施例または第3実施例の場合と異なる。図16Aから図17Dまでの図面においては、1つの単位トランジスタ60が1つの動作領域61を含む例を示しているが、第2実施例による半導体装置(図2)のように2つの動作領域61を含むようにしてもよい。
[Sixth embodiment]
Next, a semiconductor device according to a sixth embodiment and its modification will be described with reference to FIGS. 16A to 17D. Hereinafter, description of the configuration common to the semiconductor device according to the second embodiment will be omitted. The configuration of the
図16Aは、第6実施例による半導体装置の単位トランジスタ60の動作領域61と開口45との位置関係を示す図である。x軸方向に関して両端に位置する単位トランジスタ60の動作領域61の外側の縁より内側に複数の開口45が配置されている。両端の単位トランジスタ60の動作領域61より外側には開口45が配置されていない。
FIG. 16A is a diagram showing a positional relationship between the
また、一方の端部(左端)の単位トランジスタ60の動作領域61は、開口45と部分的に重なっているが、他方の端部(右端)の単位トランジスタ60の動作領域61は、開口45と重なっていない。
The
左端に位置する単位トランジスタ60の動作領域61からの放熱を優先したい場合に、図16Aのような配置にするとよい。
When priority is given to heat radiation from the
図16Bに示した例では、単位トランジスタ60の個数が奇数、例えば5個であり、開口45の個数も奇数、例えば3個である。中央の単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAと、中央の開口45の幾何中心POとが、x軸方向に関して同一の位置に配置されている。単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxが、中央の単位トランジスタ60から両端の単位トランジスタ60に向かって大きくなっている。このため、両端に近い単位トランジスタ60ほど、放熱特性が悪くなる。
In the example shown in FIG. 16B, the number of
この例では、中央の単位トランジスタ60の発熱量が相対的に大きく、両端に向かって発熱量が小さくなる傾向を持つ半導体装置において、単位トランジスタ60の動作時の温度を平準化することができる。
In this example, in a semiconductor device in which the calorific value of the
図16Cに示した例では、2個の単位トランジスタ60と、1個の開口45が配置されている。開口45の幾何中心POを通りy軸に平行な仮想直線に関して、2つの単位トランジスタ60が対称の位置に配置されている。このため、一方の単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxと、他方の単位トランジスタ60に対応する最近接開口のずれ量Dxとが等しい。このため、2つの単位トランジスタ60からの放熱特性をほぼ等しくすることができる。さらに、2つの単位トランジスタ60のエミッタ層34等に発生する熱応力をほぼ均一に低減させることができる。
In the example shown in FIG. 16C, two
図16Dに示した例では、6個の単位トランジスタ60と、2個の開口45とが配置されている。開口45は、両端の単位トランジスタ60の動作領域61よりも内側にのみ配置されている。両端の単位トランジスタ60の動作領域61は、開口45と重なっていない。すなわち、温度が相対的に低くなりやすい両端の単位トランジスタ60の真上に開口45が配置されない。
In the example shown in FIG. 16D, six
両端の単位トランジスタ60の発熱量が、内側の単位トランジスタ60の発熱量より少ない場合、この配置を採用することで、複数の単位トランジスタ60の接合部の温度を平準化することができる。
When the heat generation amount of the
図17Aに示した例では、複数の開口45がx軸方向及びy軸方向に行列状に配置されている。この配置は、第2実施例による半導体装置の複数の開口45の各々を、y軸方向に2つに分割したものと考えることができる。
In the example shown in FIG. 17A, the plurality of
開口45をy軸方向に分割することにより、開口45の各々の面積が小さくなる。開口45内の熱経路の流路断面積が小さくなることにより、熱抵抗が高くなる。このため、単位トランジスタ60からの放熱特性を制御し易くなる。さらに、絶縁膜52(図3、図4)のうち開口45が形成されていない部分が占める割合が大きくなるため、熱応力を緩和させる効果が高まる。
By dividing the
高周波の信号は、表皮効果により導体の表面しか通過しない傾向が強い。開口45を分割すると、開口45内の導体の表面積が大きくなるため、高周波信号に対する抵抗が下がるという効果が得られる。さらに、開口45の各々の面積が小さくなるため、メッキ等によるピラーバンプ40(図3、図4)を形成するときに、開口45が導体で埋まり易くなり、ピラーバンプ40の上面の平坦性が高まるという効果が得られる。
High-frequency signals tend to pass only through the surface of the conductor due to the skin effect. When the
図17Aでは、開口45をy軸方向に2個並べたが、3個以上並べてもよい。y軸方向に並べる開口45の個数を増やすと、上述の効果が大きくなる。
In FIG. 17A, two
図17Bに示した例では、単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAに対して、開口45の幾何中心POがx軸方向にずれるとともに、y軸方向にもずれている。また、動作領域61の幾何中心PAは、ピラーバンプ40の幾何中心PPに対してもy軸方向にずれている。開口45の幾何中心POを動作領域61の幾何中心に対してy軸方向にもずらすことにより、動作領域61からピラーバンプ40までの熱抵抗が高くなり易い構造が得られる。その結果、単位トランジスタ60の放熱特性を調整し易くなるという効果が得られる。さらに、熱応力を緩和する効果が高まる。
In the example shown in FIG. 17B, the geometric center PO of the
図17Cに示した例では、複数の単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAの配置が、千鳥配列になっている。具体的には、x軸方向に並ぶ複数の単位トランジスタ60のうち、奇数番目の単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAは、x軸方向に平行な直線上に配置されている。同様に、偶数番目の単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAも、x軸方向に平行な直線上に配置されている。また、奇数番目の単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAは、偶数番目の単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAに対してy軸方向に関して異なる位置に配置されているずれている。
In the example shown in FIG. 17C, the geometric centers PA of the
開口45の幾何中心POは、いずれの動作領域61の幾何中心PAに対してもx軸方向及びy軸方向にずれている。このため、図17Bに示した例と同様の効果が得られる。
The geometric center PO of the
図17Dに示した例では、図17Cに示した例と比較して、動作領域61の幾何中心PAの千鳥配列の振幅が大きくなっており、平面視において動作領域61の一部分がピラーバンプ40の外側に飛び出している。熱抵抗の著しい増加を回避するために、動作領域61の各々の一部分は、ピラーバンプ40と重なるように配置されている。開口45は、y軸方向に分割されている。開口45の幾何中心POは、いずれの動作領域61の幾何中心PAに対してもx軸方向及びy軸方向にずれている。このため、図17Bに示した例と同様の効果が得られる。
In the example shown in FIG. 17D, the amplitude of the staggered arrangement of the geometric center PA of the
[第7実施例]
次に、図18を参照して第7実施例による半導体装置について説明する。以下、第2実施例による半導体装置(図2、図3、図4)と共通の構成については説明を省略する。
[Seventh embodiment]
Next, a semiconductor device according to a seventh embodiment will be described with reference to FIG. Hereinafter, description of the configuration common to the semiconductor device according to the second embodiment (FIGS. 2, 3, and 4) will be omitted.
図18は、第7実施例による半導体装置の断面図である。第2実施例では、単位トランジスタ60が形成された半導体チップの上面にピラーバンプ40(図3、図4)が形成されていた。第7実施例による半導体装置は、半導体チップを含むウエハレベルパッケージにより実現される。
FIG. 18 is a sectional view of the semiconductor device according to the seventh embodiment. In the second embodiment, the pillar bumps 40 (FIGS. 3 and 4) are formed on the upper surface of the semiconductor chip on which the
パッケージ基板100の上に、半導体チップ110が接着して固定されている。半導体チップ110は、例えば第2実施例による半導体装置(図2、図3、図4)の基板30から2層目のエミッタ配線E2までの素子構造、及び2層目のエミッタ配線E2を覆う絶縁膜52を含む。半導体チップ110は複数の単位トランジスタ60を含む。パッケージ基板100には、半導体チップ110の他に、他の表面実装型のデバイスが接着されて固定されている。
On a
半導体チップ110及び表面実装型のデバイスが、樹脂からなる絶縁膜105に埋め込まれている。半導体チップ110の上面は、絶縁膜105の上面と同じ高さに位置する。半導体チップ110及び絶縁膜105の上に、1層目の複数の再配線101が配置されている。1層目の再配線101の一部は、絶縁膜52に形成された開口103を通って下層のエミッタ配線E2に電気的に接続されている。1層目の再配線101の上に、2層目の複数の再配線102が配置されている。2層目の再配線102は、その上に配置されたバンプ等の端子106に電気的に接続されている。1層目の再配線101及び2層目の再配線102には、例えばメッキ法で形成されたCuが用いられる。
A
1層目の再配線101、開口103、及び単位トランジスタ60の動作領域61の平面的な位置関係が、第2実施例による半導体装置のピラーバンプ40、開口45、及び単位トランジスタ60の動作領域61の平面的な位置関係と同等である。
The planar positional relationship between the first-
次に、第7実施例による半導体装置の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。 Next, excellent effects obtained by adopting the configuration of the semiconductor device according to the seventh embodiment will be described.
第7実施例では、1層目の再配線101が、第2実施例のピラーバンプ40(図2、図3、図4)と同様の機能を持つ。すなわち、1層目の再配線101は、単位トランジスタ60の動作領域61で発生した熱を外部に放熱するための熱経路として機能する。1層目の再配線101と2層目のエミッタ配線E2とを接続する開口103は、第2実施例による半導体装置の開口45(図2、図3、図4)と同様の機能を持つ。このため、1層目の再配線101、開口103、及び単位トランジスタ60の動作領域61を上述の位置関係にすることにより、第2実施例の効果と同様の効果が得られる。
In the seventh embodiment, the first-
なお、1層目の再配線101、開口103、及び単位トランジスタ60の動作領域61を、第3実施例から第6実施例までのいずれかの実施例によるこれらの位置関係と同等にしてもよい。この場合、第3実施例から第6実施例までのいずれかの効果と同様の効果が得られる。
The rewiring 101 of the first layer, the
[第8実施例]
次に、図19を参照して第8実施例による半導体装置について説明する。以下、第7実施例による半導体装置(図18)と共通の構成については説明を省略する。
[Eighth embodiment]
Next, a semiconductor device according to an eighth embodiment will be described with reference to FIG. Hereinafter, the description of the same configuration as the semiconductor device according to the seventh embodiment (FIG. 18) will be omitted.
図19は、第8実施例による半導体装置の断面図である。第7実施例では、図18に示したように、半導体チップ110をパッケージ基板100に接着し、パッケージ基板100の上に再配線101、102を形成した。第8実施例では、半導体チップ110の最上層の絶縁膜52の上に、1層目の再配線101及び2層目の再配線102が形成されている。2層目の再配線102に、外部接続用の端子106が配置されている。1層目の再配線101は、絶縁膜52に設けられた開口103内を経由して2層目のエミッタ配線E2に電気的に接続されている。
FIG. 19 is a sectional view of a semiconductor device according to the eighth embodiment. In the seventh embodiment, as shown in FIG. 18, the
第8実施例においても、1層目の再配線101、開口103、及び単位トランジスタ60の動作領域61の位置関係を、第7実施例による半導体装置におけるこれらの位置関係と同一にすることにより、第7実施例と同様の効果が得られる。
Also in the eighth embodiment, the positional relationship between the rewiring 101 of the first layer, the
[第9実施例]
次に、図20から図22までの図面を参照して、第9実施例による半導体装置について説明する。以下、第2実施例による半導体装置と共通の構成については説明を省略する。第9実施例による半導体装置は、ベース層にSiGeが用いられたHBTを含む。
[Ninth embodiment]
Next, a semiconductor device according to a ninth embodiment will be described with reference to FIGS. Hereinafter, description of the configuration common to the semiconductor device according to the second embodiment will be omitted. The semiconductor device according to the ninth embodiment includes an HBT in which SiGe is used for a base layer.
図20は、第9実施例による半導体装置の断面図である。第2実施例では、ベース層33にGaAsを用い、エミッタ層34にInGaPを用いた。これに対し、第9実施例では、ベース層33にSiGeを用いる。
FIG. 20 is a sectional view of the semiconductor device according to the ninth embodiment. In the second embodiment, GaAs is used for the
p型Siからなる基板130の表層に、高濃度のn型Siからなるサブコレクタ層131が配置され、その上にn型Siからなるコレクタ層132が配置されている。コレクタ層132の上に、エピタキシャル成長されたSiGeからなるベース層133が配置されている。
A
ベース層133の上面からサブコレクタ層131の上面よりやや深い位置まで達するシャロートレンチアイソレーション構造により複数の活性領域が画定され、活性領域の各々に単位トランジスタ60が配置されている。サブコレクタ層131の底面まで達するシャロートレンチアイソレーション構造により、複数の単位トランジスタ60が周囲の回路から電気的に分離されている。図20には、2つの単位トランジスタ60の断面が示されている。
A plurality of active regions are defined by a shallow trench isolation structure extending from the upper surface of the
活性領域の一部分の表層部にp型の外部ベース層134が形成されている。外部ベース層134は、平面視においてp型SiGeからなるベース層133を取り囲む。1つの活性領域内に、2つのベース層133が配置される。
A p-type
ベース層133の各々の上に酸化シリコン等からなる絶縁膜140が配置され、その上にn型のポリシリコン等からなるエミッタ層135が配置されている。エミッタ層135は、絶縁膜140に設けられた開口を通ってベース層133に接触する。エミッタ層135とベース層133とのヘテロ接合界面を厚さ方向に動作電流が流れる。平面視において、この接合界面の外周線が動作領域61を画定する。単位トランジスタ60の各々は、2つの動作領域61を含む。
An insulating
外部ベース層134の表面にベース電極B0が配置されている。ベース電極B0は、例えばTiシリサイド、Niシリサイド等で形成される。ベース電極B0はベース抵抗を下げるために配置される。ベース電極B0を配置しなくてもベース抵抗が十分低くなる場合には、ベース電極B0を配置しなくてもよい。
A base electrode B0 is arranged on the surface of the
エミッタ層135、外部ベース層134、及びベース電極B0を覆うように、酸化シリコン等からなる絶縁膜141が配置されている。絶縁膜141の上に、Al等からなる1層目のエミッタ配線E1及びコレクタ配線C1が配置されている。1層目のエミッタ配線E1は、絶縁膜141に設けられた開口を通ってエミッタ層135に電気的に接続されている。1層目のコレクタ配線C1は、絶縁膜141に設けられた開口を通り、基板の表装部に設けられた高濃度のn型領域136を介してサブコレクタ層131に電気的に接続されている。コレクタ抵抗を下げる目的で、1層目のコレクタ配線C1とn型領域136との界面に、金属シリサイドからなるコレクタ電極を配置してもよい。
An insulating
ベース電極B0は、図20の断面に表れていない箇所において、1層目のベース配線に接続されている。 The base electrode B0 is connected to the first-layer base wiring at a location not shown in the cross section of FIG.
1層目のエミッタ配線E1及びコレクタ配線C1を覆うように、絶縁膜141の上に酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる2層目の絶縁膜142が配置されている。絶縁膜142の上に2層目のエミッタ配線E2が配置されている。2層目のエミッタ配線E2は、絶縁膜142に設けられた開口を通って1層目のエミッタ配線E1に電気的に接続されており、複数の単位トランジスタ60のエミッタ層135を相互に接続する。
A second-
2層目のエミッタ配線E2の上に、3層目の絶縁膜143、3層目の配線150、4層目の絶縁膜144、4層目の配線151、5層目の絶縁膜145がこの順番に配置されている。3層目の配線150は、3層目の絶縁膜143に設けられた開口155を通って2層目のエミッタ配線E2に電気的に接続されている。4層目の配線151は、4層目の絶縁膜144に設けられた開口156を通って3層目の配線150に電気的に接続されている。5層目の絶縁膜145の上にバンプ152が配置されている。バンプ152は、5層目の絶縁膜145に設けられた開口157を通って4層目の配線151に電気的に接続されている。2層目のエミッタ配線E2、3層目の配線150、4層目の配線151は、例えば、AlまたはCuで形成される。3層目の絶縁膜143、4層目の絶縁膜144、5層目の絶縁膜145は、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコンで形成される。
The third-
2層目の絶縁膜142から5層目の絶縁膜145までの各絶縁膜の上面は平坦化されている。なお、1層目の絶縁膜141の上面も、必要に応じて平坦化してもよい。
The upper surfaces of the insulating films from the second
図21は、第9実施例による半導体装置の構成要素の平面レイアウトを示す図である。図21の一点鎖線20−20における断面図が図20に相当する。x軸方向を行方向、y軸方向を列方向としたとき、8個の単位トランジスタ60が2行4列の行列状に配置されている。単位トランジスタ60の各々は、2つの動作領域61を含む。動作領域61の各々はy軸方向に長い平面形状を有し、1つの単位トランジスタ60内において2つの動作領域61がx軸方向に並んで配置されている。
FIG. 21 is a diagram showing a planar layout of components of the semiconductor device according to the ninth embodiment. A cross-sectional view taken along a dashed-dotted line 20-20 in FIG. 21 corresponds to FIG. Assuming that the x-axis direction is a row direction and the y-axis direction is a column direction, eight
行列状に配置された8個の単位トランジスタ60の行ごとに、2層目のエミッタ配線E2が配置されている。2層目のエミッタ配線E2は、平面視において、対応する行の単位トランジスタ60の動作領域61を内側に含む。
A second-layer emitter wiring E2 is arranged for each row of the eight
8個の単位トランジスタ60の動作領域61のすべてと重なるように、3層目の配線150、4層目の配線151、及びバンプ152が配置されている。3層目の絶縁膜143(図20)に設けられた4個の開口155が、2行2列の行列状に配置されている。開口155の1つの行が、単位トランジスタ60の1つの行に対応している。
The third-
バンプ152の中心を通りx軸に平行な仮想直線に関して、1行目の単位トランジスタ60の動作領域61と、2行目の単位トランジスタ60の動作領域61とが線対称の位置に配置されている。同様に、この仮想直線に関して、1行目の開口155と2行目の開口155とが線対称の位置に配置されている。
With respect to a virtual straight line passing through the center of the
1つの単位トランジスタ60の動作領域61の幾何中心PAに対して、開口155の幾何中心POがx軸方向に関してずれた位置に配置されている。単位トランジスタ60の各行に着目すると、第2実施例の場合(図2)と同様に、両端の単位トランジスタ60に対する最近接開口のずれ量Dxが、内側の単位トランジスタ60に対する最近接開口のずれ量Dxより大きい。
The geometric center PO of the
4層目の絶縁膜144(図20)に設けられた開口156と、5層目の絶縁膜145(図20)に設けられた開口157とは、同一の形状及び同一の寸法を有し、平面視においてほぼ重なる。開口156、157は、x軸方向に関して両端の動作領域61よりも内側に配置されている。y軸方向に関しては、開口156、157は、1行目の単位トランジスタ60の動作領域61と部分的に重なり、2行目の単位トランジスタ60の動作領域61とも部分的に重なる。
The
図22は、第9実施例による半導体装置の1つの行に配置された4個の単位トランジスタ60の平面レイアウトを示す図である。単位トランジスタ60の各々は、x軸方向に間隔を隔てて配置された2つの動作領域61を含む。ベース電極B0が、3本の櫛歯部分を持つ櫛歯型の平面形状を有する。ベース電極B0の3本の櫛歯部分は、2つの動作領域61の間、及び外側に配置されている。ベース層133(図20)と外部ベース層134(図20)とを合体した領域の外周線137の内側に、動作領域61及びベース電極B0が配置されている。
FIG. 22 is a diagram showing a planar layout of four
x軸方向に並ぶ単位トランジスタ60の間、及び両端の単位トランジスタ60の外側に、n型領域136が配置されている。平面視において単位トランジスタ60及びn型領域136を内側に含むように2層目のエミッタ配線E2が配置されている。
The n-
次に、第9実施例による半導体装置の構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。 Next, excellent effects obtained by employing the configuration of the semiconductor device according to the ninth embodiment will be described.
2層目のエミッタ配線E2と3層目の配線150とを接続する開口155が、動作領域61で発生した熱を外部に伝達させる熱経路として機能する。動作領域61で発生した熱を放熱させるという観点で、開口155が、第2実施例による半導体装置(図2)の開口45に対応する。
The
第9実施例においては、動作領域61の幾何中心PAに対して開口155の幾何中心POがx軸方向にずれているため、第2実施例と同様の効果が得られる。
In the ninth embodiment, since the geometric center PO of the
[第10実施例]
次に、図23及び図24を参照して、第10実施例による半導体装置について説明する。以下、第2実施例による半導体装置と共通の構成については説明を省略する。第2実施例では、単位トランジスタ60(図2、図3、図4)がヘテロ接合バイポーラトランジスタであったが、第10実施例では、単位トランジスタ60がMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)である。
[Tenth embodiment]
Next, a semiconductor device according to a tenth embodiment will be described with reference to FIGS. Hereinafter, description of the configuration common to the semiconductor device according to the second embodiment will be omitted. In the second embodiment, the unit transistor 60 (FIGS. 2, 3, and 4) is a heterojunction bipolar transistor. In the tenth embodiment, the
図23は、第10実施例による半導体装置の断面図である。シリコンからなる基板170の表層部に、シャロートレンチアイソレーション構造によって囲まれた活性領域171が形成されている。活性領域171内に、複数の単位トランジスタ60がx軸方向に並んで配置されている。図23の第10実施例では、5個の単位トランジスタ60が配置されている。単位トランジスタ60の各々はMOSFETであり、x軸方向に間隔を隔てて配置されたソース領域175及びドレイン領域176を含む。ソース領域175とドレイン領域176との間のチャネル領域の上にゲート電極G0が配置されている。ソース領域175及びドレイン領域176に、それぞれソース電極S0及びドレイン電極D0が電気的に接続されている。両端以外のソース領域175及びドレイン領域176は、両側の単位トランジスタ60で共用される。活性領域171のうち、ゲート電極G0の真下の動作領域61に、面内方向の動作電流が流れる。
FIG. 23 is a sectional view of the semiconductor device according to the tenth embodiment. An
単位トランジスタ60を覆うように、1層目の絶縁膜190が配置されている。1層目の絶縁膜190の上に、Al等からなる1層目のソース配線S1及びドレイン配線D1が配置されている。ソース配線S1及びドレイン配線D1は、それぞれ1層目の絶縁膜190に設けられた開口を通りソース電極S0を介してソース領域175に電気的に接続され、ドレイン電極D0を介してドレイン領域176に電気的に接続されている。
A first-
1層目のソース配線S1及びドレイン配線D1を覆うように、2層目の絶縁膜191が配置されている。2層目の絶縁膜191の上に、2層目のソース配線S2が配置されている。ソース配線S2は、2層目の絶縁膜191に設けられた開口を通って、複数の1層目のソース配線S1に電気的に接続されている。
A second-
2層目のソース配線S2を覆うように、3層目の絶縁膜192が配置されている。3層目の絶縁膜192の上に、3層目の配線180が配置されている。3層目の配線180は、3層目の絶縁膜192に設けられた複数の開口185を通って2層目のソース配線S2に電気的に接続されている。3層目の配線180を覆うように、4層目の絶縁膜193が配置されている。
A third-
2層目のソース配線S2、3層目の配線180は、例えばAlまたはCuで形成される。1層目の絶縁膜190から4層目の絶縁膜193までの各絶縁膜は、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコンで形成される。
The source wiring S2 of the second layer and the
図24は、第10実施例による半導体装置の構成要素の平面レイアウトを示す図である。x軸方向に並んだ5本のゲート電極G0の各々が、x軸方向に長い長方形の活性領域171と交差している。ゲート電極G0の各々はy軸方向に長い平面形状を有し、活性領域171のx軸方向に長い一方の縁から他方の縁まで達する。活性領域171とゲート電極G0とが重なる領域(図24においてハッチングが付された領域)が、動作領域61として機能する。
FIG. 24 is a diagram showing a planar layout of components of the semiconductor device according to the tenth embodiment. Each of the five gate electrodes G0 arranged in the x-axis direction crosses a rectangular
3層目の配線180は、すべての動作領域61と重なるように配置されている。平面視において3層目の配線180の内側に、3個の開口185がx軸方向に並んで配置されている。動作領域61の幾何中心PAに対して開口185の幾何中心POがx軸方向に関して異なる位置に配置されている。x軸方向に関して中央の動作領域61から両端の動作領域61に向かって、最近接開口のずれ量Dxが大きくなっている。
The third-
動作領域61と開口185との位置関係を上述のようにすることにより、第2実施例の効果と同様の効果が得られる。すなわち、単位トランジスタ60の半導体部分に発生する熱応力が緩和されるとともに、複数の単位トランジスタ60の動作時の温度を平準化することが可能になる。その結果、単位トランジスタ60が並列接続されたトランジスタ回路全体として、高周波特性が向上するという効果が得られる。
By setting the positional relationship between the
第10実施例では、基板170としてシリコン基板を用いたが、化合物半導体からなる基板を用いてもよい。例えば、基板170としてGaAs基板を用い、InGaAsからなるチャネルを持つ高電子移動度トランジスタ(HEMT)で単位トランジスタ60を構成してもよい。その他に、GaN基板上のHEMTで単位トランジスタ60を構成してもよい。
In the tenth embodiment, a silicon substrate is used as the
[第11実施例]
次に、図25A及び図25Bを参照して、第11実施例による半導体装置について説明する。以下、第2実施例による半導体装置と共通の構成については説明を省略する。第11実施例では、半導体装置の構造を単純化し、絶縁膜52(図3)の材料及び厚さを変えて、動作領域61に発生する応力の低減量をシミュレーションによって求めた。
[Eleventh embodiment]
Next, a semiconductor device according to an eleventh embodiment will be described with reference to FIGS. 25A and 25B. Hereinafter, description of the configuration common to the semiconductor device according to the second embodiment will be omitted. In the eleventh embodiment, the amount of reduction in the stress generated in the
第11実施例によるシミュレーション対象の半導体装置の動作領域61、ピラーバンプ40、及び開口45の平面形状及び位置関係は、図5Bに示した半導体装置のこれらの平面形状及び位置関係と同一である。本シミュレーションでは、ずれ量Dxを20μmに固定した。
The planar shape and positional relationship of the
図25Aは、シミュレーション対象の半導体装置の断面図である。GaAsからなる基板30の一部の領域の上にGaAsからなる動作領域61が形成されており、その上に1層目のエミッタ配線E1が配置されている。エミッタ配線E1の上に2層目のエミッタ配線E2が配置されている。2層目のエミッタ配線E2は、面内方向に広がっている。
FIG. 25A is a sectional view of a semiconductor device to be simulated. An
2層目のエミッタ配線E2の上に絶縁膜52が配置されている。絶縁膜52に開口45が設けられている。開口45は、動作領域61から横方向にずれた位置に配置されている。開口45の内部、及び絶縁膜52の上にピラーバンプ40が配置されている。エミッタ配線E1、E2の材料はAuであり、ピラーバンプ40の材料はCuである。
An insulating
絶縁膜52の構成が異なる4つの試料A、B、C、Dについてシミュレーションを行った。試料Aの絶縁膜52は、厚さ0.5μmのSiN膜である。試料Bの絶縁膜52は、厚さ0.5μmのSiN膜と、その上の厚さ5μmのベンゾシクロブテン(BCB)膜との2層構造を有する。試料Cの絶縁膜52は、厚さ0.5μmのBCB膜である。試料Dの絶縁膜52は、厚さ5.5μmのBCB膜である。
Simulation was performed on four samples A, B, C, and D having different configurations of the insulating
図25Bは、試料A、B、C、Dの動作領域61に発生する熱応力の最大値との関係を示すグラフである。図25Bのグラフの縦軸は、熱応力の低減量を単位「%」で表す。熱応力の低減量は、ずれ量Dx(図5B)が0のときの熱応力の値を基準とし、基準値からの低減量を基準値に対する比率で表したものである。
FIG. 25B is a graph showing a relationship between the maximum values of the thermal stresses generated in the
試料Aのシミュレーション結果から、絶縁膜52にSiN膜を用いることにより、動作領域61に発生する応力を緩和させる効果が得られることがわかる。以下、応力緩和効果が得られる理由について説明する。
From the simulation result of the sample A, it is understood that the effect of relaxing the stress generated in the
ピラーバンプ40、及び再配線101(図18、図19)に用いられるCuやAl等の金属の熱膨張係数は20ppm/℃程度である。一方、半導体からなる基板30や動作領域61の熱膨張係数は、GaAsの場合で約6ppm/℃であり、Siの場合で約2.6ppm/℃である。このように、ピラーバンプ40や再配線101の熱膨張係数は、基板30や動作領域61の熱膨張係数より大きい。この熱膨張係数の差により、熱応力が発生する。
The metal such as Cu or Al used for the pillar bumps 40 and the rewiring 101 (FIGS. 18 and 19) has a thermal expansion coefficient of about 20 ppm / ° C. On the other hand, the thermal expansion coefficients of the
ピラーバンプ40や再配線101と動作領域61との間に、動作領域61の熱膨張係数以下の熱膨張係数を持つ絶縁膜52を配置することにより、動作領域61に発生する熱応力を緩和させることができる。半導体からなる基板30や動作領域の熱膨張係数以下の熱膨張係数を持つ材料の例として、SiNの他にSiOや、その他の無機系の絶縁材料が挙げられる。
By disposing an insulating
試料C及び試料Dのシミュレーション結果から、絶縁膜52にBCB膜を用いることにより、動作領域61に発生する応力を緩和させる効果が得られることがわかる。以下、応力緩和効果が得られる理由について説明する。
From the simulation results of Sample C and Sample D, it is understood that the effect of relaxing the stress generated in the
ピラーバンプ40及び基板30が熱膨張したとき、両者の熱膨張係数の差に起因して発生する歪が、ヤング率の小さな絶縁膜52に集中する。例えば、GaAsからなる基板30のヤング率は約83GPaであり、BCBのヤング率は約2.9GPaである。このため、絶縁膜52に歪が集中し、動作領域61に発生する歪や応力を緩和させることができる。応力緩和効果を得るために、絶縁膜52に、基板30のヤング率より小さなヤング率を持つ材料を用いるとよい。特に、十分な応力緩和効果を得るために、絶縁膜52の材料として、ヤング率が3GPa以下のものを用いることが好ましい。このような材料の例として、BCBの他にポリイミド、その他の樹脂系の絶縁材料が挙げられる。特に、BCB膜を厚くすると、応力緩和効果が高まることがわかる。
When the pillar bumps 40 and the
試料Bのシミュレーション結果から、絶縁膜52を、半導体からなる基板30の熱膨張係数以下の熱膨張係数を持つ膜と、基板30のヤング率より小さいヤング率を持つ膜との2層を含む多層膜とすることにより、応力緩和効果が高められることがわかる。
From the simulation result of the sample B, it is found that the insulating
[第12実施例]
次に、図26Aから図27Bまでの図面を参照して、第12実施例及びその変形例による半導体装置について説明する。以下、第2実施例による半導体装置と共通の構成については説明を省略する。
[Twelfth embodiment]
Next, a semiconductor device according to a twelfth embodiment and a modification thereof will be described with reference to FIGS. 26A to 27B. Hereinafter, description of the configuration common to the semiconductor device according to the second embodiment will be omitted.
図26Aは、第12実施例による半導体装置のピラーバンプ40、開口45、及び動作領域61の位置関係を示す図である。複数の動作領域61の全域がピラーバンプ40の内側に配置されている。また、動作領域61の各々の一部分は開口45の内側に配置され、他の部分は開口45の外側に配置されている。動作領域61のうち開口45の外側に配置されている部分の面積の比率は、x軸方向の両端の動作領域61の方が、両端以外の動作領域61よりも高い。開口45の外側に配置された部分では、動作領域61とピラーバンプ40との間に絶縁膜52(図3)が配置されている。従って、開口45の外側に配置されている部分の比率が高いほど、高い応力緩和効果が得られる。
FIG. 26A is a diagram illustrating a positional relationship between the
熱膨張係数の差に起因して、x軸方向の両端の動作領域61に発生する熱応力は、内側の動作領域61に発生する熱応力よりも大きくなる傾向を持つ。図26Aに示した第12実施例では、開口45の外側に配置されている動作領域61の部分の比率が、両端の動作領域61で相対的に高くなっている。このため、応力が発生しやすい両端の動作領域61において、高い応力緩和効果を得ることができる。
Due to the difference between the thermal expansion coefficients, the thermal stress generated in the
また、両端以外の内側の動作領域61が、両端の動作領域61に比べて、動作時に高温になり易い。第12実施例では、内側の動作領域61において、開口45の内側に配置された部分の比率を相対的に高くすることにより、高温になり易い領域で十分な放熱特性を確保している。
In addition, the
図26Bは、第12実施例の変形例による半導体装置のピラーバンプ40、開口45、及び動作領域61の位置関係を示す図である。本変形例においては、x軸方向に関して両端以外の動作領域61の全域が開口45の内側に配置されている。両端の動作領域61においては、一部分が開口45の内側に配置され、他の部分が開口45の外側に配置されている。
FIG. 26B is a diagram illustrating a positional relationship among pillar bumps 40,
本変形例においては、両端の動作領域61において、応力緩和効果を得るとともに、内側の動作領域61において、より高い放熱特性を確保することができる。
In the present modification, a stress relaxation effect can be obtained in the
図26Cは、第12実施例の他の変形例による半導体装置のピラーバンプ40、開口45、及び動作領域61の位置関係を示す図である。本変形例においては、複数の動作領域61のうち一部の動作領域61は、その全域がピラーバンプ40の内側に配置されているが、残りの動作領域61は、ピラーバンプ40の外側に配置されるか、またはピラーバンプ40と部分的に重なるように配置されている。この場合、全域がピラーバンプ40の内側に配置されている動作領域61のうち両端に位置する動作領域61を、図26Aまたは図26Bに示した両端の動作領域61と考えればよい。
FIG. 26C is a diagram illustrating a positional relationship among pillar bumps 40,
全域がピラーバンプ40の内側に配置された複数の動作領域61に着目すると、動作領域61と開口45との位置関係は、図26Aまたは図26Bに示した位置関係と同一である。なお、全域がピラーバンプ40の内側で、かつ開口45の外側に配置された動作領域61があってもよい。
When attention is paid to a plurality of
図27Aは、第12実施例のさらに他の変形例による半導体装置のピラーバンプ40、開口45、及び動作領域61の位置関係を示す図である。本変形例においては、開口45の外周線の内側に、絶縁膜52(図3)が残された領域47が島状に配置されている。絶縁膜52が残された領域47は、動作領域61に対応して配置され、対応する動作領域61の両端以外の領域に重なっている。本変形例では、動作領域61のy軸方向の両端以外の中央部分に絶縁膜が残された領域47が重なっているため、特に動作領域61の中央部分の応力を低減することができる。
FIG. 27A is a diagram illustrating a positional relationship among pillar bumps 40,
図27Bは、第12実施例のさらに他の変形例による半導体装置のピラーバンプ40、開口45、及び動作領域61の位置関係を示す図である。本変形例においては、複数、例えば2つの開口45が設けられており、開口45の各々が、x軸方向の一端の動作領域61から他端の動作領域61まで及んでいる。本変形例においても、動作領域61に発生する応力を低減することができる。
FIG. 27B is a diagram showing a positional relationship among pillar bumps 40,
第12実施例、及びその変形例のように、平面視において、複数の動作領域61のうち少なくとも一部の動作領域61の全域を、ピラーバンプ40の内側に配置すればよい。さらに、全域がピラーバンプ40の内側に配置された動作領域61のうち少なくとも1つの動作領域61の少なくとも一部分を、開口45の外側に配置すればよい。
As in the twelfth embodiment and its modification, the whole of at least a part of the plurality of
上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Each of the above-described embodiments is an exemplification, and it goes without saying that the configurations shown in the different embodiments can be partially replaced or combined. The same operation and effect of the same configuration of the plurality of embodiments will not be sequentially described for each embodiment. Furthermore, the invention is not limited to the embodiments described above. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
30 基板
31 サブコレクタ層
31A アイソレーション領域
32 コレクタ層
33 ベース層
34 エミッタ層
34A エミッタ領域
34B レッジ層
35 エミッタメサ層
40 ピラーバンプ(金属部材)
41 アンダーバンプメタル層
42 メタルポスト
43 ハンダ層
45、46 開口
47 絶縁膜が残された領域
50、51、52 絶縁膜
55 コンデンサ
56 バラスト抵抗
60 単位トランジスタ
61 動作領域
70 半導体チップ
71、72 フィルタ回路
75、76 バイアス回路
81、82、83 ピラーバンプ
84、85、86 円形のピラーバンプ
87、88 配線
90 実装基板
91 表面実装型素子
93 封止樹脂
100 パッケージ基板
101 1層目の再配線
102 2層目の再配線
103 開口
105 絶縁膜
106 端子
110 半導体チップ
130 基板
131 サブコレクタ層
132 コレクタ層
133 ベース層
134 外部ベース層
135 エミッタ層
136 n型領域
137 ベース層と外部ベース層とを合体させた領域の外周線
140、141、142、143、144、145 絶縁膜
150 3層目の配線
151 4層目の配線
152 バンプ
155、156、157 開口
170 基板
171 活性領域
175 ソース領域
176 ドレイン領域
180 配線
185 開口
190、191、192、193 絶縁膜
B0 ベース電極
B1 1層目のベース配線
C0 コレクタ電極
C1 1層目のコレクタ配線
C1a、C1b キャパシタ
D0 ドレイン電極
D1 1層目のドレイン配線
E0 エミッタ電極
E1 1層目のエミッタ配線
E2 2層目のエミッタ配線
G0 ゲート電極
L1、L2、L3a、L3b インダクタ
M2 2層目の配線
MN1、MN2、MN3 整合回路
Q1、Q2 トランジスタ
S0 ソース電極
S1 1層目のソース配線
S2 2層目のソース配線
30
41 Under bump metal layer 42 Metal post 43 Solder layer 45, 46 Opening 47 Regions 50, 51, 52 where insulating film is left Insulating film 55 Capacitor 56 Ballast resistor 60 Unit transistor 61 Operating region 70 Semiconductor chip 71, 72 Filter circuit 75 , 76 Bias circuits 81, 82, 83 Pillar bumps 84, 85, 86 Circular pillar bumps 87, 88 Wiring 90 Mounting substrate 91 Surface mount type device 93 Sealing resin 100 Package substrate 101 First layer rewiring 102 Second layer rewiring Wiring 103 Opening 105 Insulating film 106 Terminal 110 Semiconductor chip 130 Substrate 131 Sub-collector layer 132 Collector layer 133 Base layer 134 External base layer 135 Emitter layer 136 N-type region 137 Peripheral line of region where base layer and external base layer are combined 140, 141, 1 42, 143, 144, 145 Insulating film 150 Third layer wiring 151 Fourth layer wiring 152 Bump 155, 156, 157 Opening 170 Substrate 171 Active region 175 Source region 176 Drain region 180 Wiring 185 Openings 190, 191, 192, 193 insulating film B0 base electrode B1 first-layer base wiring C0 collector electrode C1 first-layer collector wiring C1a, C1b capacitor D0 drain electrode D1 first-layer drain wiring E0 emitter electrode E1 first-layer emitter wiring E2 two-layer Second emitter wiring G0 Gate electrodes L1, L2, L3a, L3b Inductor M2 Second wiring MN1, MN2, MN3 Matching circuit Q1, Q2 Transistor S0 Source electrode S1 First source wiring S2 Second wiring
また、第4実施例では、x軸方向に並ぶ複数の単位トランジスタ60の両端の単位トランジスタ60の近傍に、それぞれフィルタ回路71、72のキャパシタC1a、C1bが接続されている。これにより、フィルタ回路71、72の高調波終端回路としての特性が良好になり、その結果、パワーアンプの性能向上が図られる。
In the fourth embodiment, the capacitors C1a and C1b of the
Claims (12)
前記動作領域の上方に配置され、前記単位トランジスタに流れる電流の経路となる第1配線と、
前記基板の上方に配置された第2配線と、
前記第1配線及び前記第2配線の上に配置された絶縁膜であって、平面視において全域が前記第1配線と重なる少なくとも1つの第1開口、及び前記第2配線と重なる第2開口が設けられている前記絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に配置され、前記第1開口を通って前記第1配線に電気的に接続された第1バンプと、
前記絶縁膜の上に配置され、前記第2開口を通って前記第2配線に電気的に接続された第2バンプと
を有し、
平面視において、複数の前記動作領域のうち少なくとも1つの前記動作領域は前記第1バンプの内側に配置されており、前記第1バンプの内側に配置された前記動作領域のうち少なくとも1つの前記動作領域の少なくとも一部の領域は前記第1開口の外側に配置されており、
前記第1開口の平面形状と前記第2開口の平面形状とが等しい半導体装置。 A plurality of unit transistors formed on the substrate and including an operation region through which an operation current flows;
A first wiring disposed above the operation region and serving as a path of a current flowing through the unit transistor;
A second wiring disposed above the substrate;
An insulating film disposed on the first wiring and the second wiring, wherein at least one first opening that overlaps with the first wiring in an entire area in plan view and a second opening that overlaps with the second wiring are formed. Said insulating film provided;
A first bump disposed on the insulating film and electrically connected to the first wiring through the first opening;
A second bump disposed on the insulating film and electrically connected to the second wiring through the second opening;
In a plan view, at least one of the plurality of operation regions is arranged inside the first bump, and at least one of the operation regions arranged inside the first bump is operated. At least a part of the region is disposed outside the first opening,
A semiconductor device in which the planar shape of the first opening is equal to the planar shape of the second opening.
前記第2開口が等間隔で複数個配置されており、
複数の前記第1開口の間隔と複数の前記第2開口の間隔とが等しい請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 A plurality of the first openings are arranged at equal intervals;
A plurality of the second openings are arranged at equal intervals,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a distance between the plurality of first openings is equal to a distance between the plurality of second openings. 5.
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-
2018
- 2018-09-10 JP JP2018168441A patent/JP2019220669A/en active Pending
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