JP3744828B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、SAWデバイスを搭載した高出力高周波回路用の半導体装置、とくに携帯無線通信用の送受信回路に用いられる半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯無線通信端末では、受信信号の分離あるいは送信時の不要信号抑制等のためにSAWフィルタ及びSAWデュプレクサ等のSAWデバイス(弾性表面波素子)が用いられる。このSAWデバイスが形成されたチップを高周波回路が形成された回路基板上に搭載することで、送受信用半導体装置の小型化を図る試みが特開平8−274575号公報に開示されている。以下、この公報に開示された半導体装置に用いられている回路基板について説明する。
【0003】
図4は従来例断面図であり、高周波回路が形成されたSi基板上にSAWデバイスチップを搭載した回路基板を表している。この回路基板は、図4を参照して、Si基板30表面に絶縁膜31を形成し、その絶縁膜31上に受動素子パターン33及びコンデンサ35が設けられる。この受動素子パターン33は、薄膜抵抗、薄膜コンデンサ又は薄膜インダクタンス等の受動素子からなり、絶縁膜31上に形成されたパッド32に電気的に接続されている。
【0004】
SAWデバイスチップ3は、表面弾性波素子パターンを構成する櫛形電極を下向きにして、バンプ34によりパッド32上に接合されて、受動素子パターン33上方に搭載される。
この回路基板は、SAWデバイスが形成されたSAWデバイスチップ3をSi基板30上に直接搭載するから、SAWデバイスチップ3を専用ケースに収容する必要がなく、送受信用半導体装置を小型にすることができる。また、SAWデバイスチップ3を発熱の少ない受動素子パターン33上に形成するため、温度依存性が大きなSAWデバイスチップ3の特性変動を抑制することができる。
【0005】
上述した回路基板は、Siに代えてセラミック、ガラス又はサファイヤ等とすることができる。しかし、これらの絶縁性基板は、物理的及び化学的性質、例えば比熱及び表面荒さ等が半導体とは大差があるため、受動素子を形成するためのCVD(化学的気相堆積)条件が半導体上へのCVD条件とは大きく異なる。また、基板のエッチング等の加工条件も半導体とは異なる。このため、これらの基板を用いては、半導体プロセスにより受動素子を形成することが難しい。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
携帯無線装置、例えば携帯電話の如き移動体通信端末として用いられる装置では、800MHz〜1.9GHz程度の高周波を大電力で取り扱う必要があり、かかる大出力高周波回路を電力効率を損なうことなく高密度に集積することが要求されている。
【0007】
本発明は、SAWデバイスが形成されたチップを直接回路基板上に搭載して小型化を図ると同時に、優れたインピーダンス整合特性と低い抵抗損失とを有する高周波回路を実現することで、小型でかつ高出力の高周波信号を効率よく取り扱うことができる半導体装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の実施形態例平面図であり、受動素子チップ上にSAWデバイスが搭載された半導体装置を表している。図2は図1のAB断面図である。
本発明では、図1及び図2を参照して、受動素子チップ2上面側にSAWデバイスチップ3が搭載される。この受動素子チップ2は、半絶縁性の化合物半導体を基板2aとし、その基板2a上面側に設けられた伝送線路4cを少なくとも含む受動素子回路4を有する。この基板2aの下面(裏面)側は、例えば接地電極が設けられて導電性にされ接地電位2bに保持される。伝送線路4cは、基板2a下面側の接地電位2bを一方の電極とする分布定数回路からなる線路、例えばマイクロストリップラインを構成する。このように、伝送線路4cを用いることにより、800MHz〜1.9GHzでの高周波帯域において優れたインピーダンス整合特性を実現することができる。
【0009】
本発明の構成では、受動素子回路4を搭載する基板2aが半絶縁性の化合物半導体、例えば半絶縁性のInP又はGaAsからなる。このため、基板2aを挟んで基板2aの上下面側にそれぞれ設けられた伝送線路4c及び接地電位2bを用いて分布定数回路が構成される。かかる伝送線路4cの特性インピーダンスは、伝送線路4cと接地電位2b間の距離に比例し、伝送線路4cの幅に反比例する。化合物半導体基板2aは必要に応じて容易に厚く加工することができる。このため、伝送線路4c幅を広く設計しても基板2aを厚くすることで、伝送線路4cの特性インピーダンスを上昇させ容易に所望の値に調整することができる。即ち、特性インピーダンスの低下を回避しつつ、伝送線路4cの幅を広くすることができる。このように、幅広の伝送線路4cであってもその特性インピーダンスを所望の値に精密に調整することができるので、大電力を扱える広い線幅を有しかつインピーダンス整合特性に優れた高周波回路を実現することができる。
【0010】
また、受動素子回路4を搭載する基板2aを化合物半導体基板としたので、受動素子回路4を通常の半導体装置の製造工程(半導体プロセス)と同様の条件で形成することができる。例えば、受動素子回路4の薄膜を、GaAs基板上にトランジスタ回路を形成すると同一条件のCVD又はエッチング工程により形成することができる。さらに、セラミック等の絶縁性基板とは異なり、半導体基板はエッチング等の加工が容易であるから、基板2aを貫通するビアを形成しやすい。このため、ビアの配置が容易になり回路設計の自由度が増加する。加えて、化合物半導体は誘電率が高いので、その上に形成された伝送線路の単位長当たりのインダクタンスが大きい。従って、伝送線路を短くすることができる。
【0011】
なお、Si基板は半導体プロセスを利用できるが、本発明の受動素子回路4の基板2aとして用いることはできない。これは、Si基板の絶縁性が低く、基板の上下面間で分布定数回路を有する伝送線路を構成することができないからである。従って、上述した従来例のようにSi基板上に絶縁膜を介して受動素子を設ける必要がある。これでは、受動素子として伝送線路を適用しようとすると、接地電位にあるSi基板と伝送線路との間隔は極めて薄い絶縁膜の厚さに限定される結果、伝送線路の特性インピーダンスが小さくなり、十分なインピーダンス整合をとることが困難になる。この問題を回避するため、伝送線路を細くして特性インピーダンスを大きくすると抵抗損失が増大し、大電力の信号を取り扱うことができない。本発明によれば、上述したようにインピーダンス不整合による損失および伝送線路の抵抗損失が少ないので、高効率で大出力高周波信号を扱える受動素子回路が実現される。
【0012】
本発明の受動素子回路4は、抵抗素子、容量素子及びインダクタ素子等の受動素子を含む回路であり、トランジスタ及びダイオード等の能動素子を含まない。抵抗素子として薄膜抵抗、容量素子としてMIMキャパシタ、あるいはインダクタ素子としてスパイラル若しくはメアンダインダクタを用いることができる。なお、受動素子回路4は、伝送線路4cのみから構成されてもよい。さらに、基板2aを貫通して基板2a上下面に形成されたパターンを接続するビアを含むことができる。例えば、接地電位に接続される基板2a上面の配線又は伝送線路と基板2a下面の接地電位とを接続するビアである。SAWデバイスには、例えばフィルタ又はデュプレクサが用いられる。
【0013】
本発明の上述した構成に加えて、図1及び図2を参照して、さらに能動素子チップ10を受動素子チップ2へ接続することができる。この接続は、両チップ10、2間を断熱するために、例えばワイヤボンデングによりなされる。能動素子チップ10は、半導体基板12a、例えばGaAs基板、InP基板、GaN基板又はSi基板、上に発熱の大きな能動素子、例えばFET、HEMT、Siバイポーラトランジスタ及びHBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)等が形成されたチップであり、整合回路11b等の受動素子からなる回路が含まれても差し支えない。このように、発熱の大きな能動素子を搭載する能動素子チップ10を、SAWデバイスチップ3を搭載する受動素子チップから分離することで、温度変動に鋭敏なSAWデバイスへの熱的影響を少なくすることができる。なお、この能動素子チップ10を受動素子チップ2とともに同一パッケージ内に収容することもできる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明を、800MHz〜1.9GHz帯の携帯無線端末の高周波電力増幅用半導体装置に適用した実施形態例を用いて説明する。図3は、本発明の実施形態例回路図であり、電力増幅回路を表している。本実施形態例の電力増幅回路は、図3を参照して、入力端子5aに入力された高周波入力信号を、SAWフィルタ3a及び整合回路4aを通して半導体増幅回路11に出力する。増幅回路11の出力は、負荷とのインピーダンス整合回路4bを通して出力端子5dに出力される。ここで整合回路4a、4bは、ともに伝送線路を回路素子として含む受動素子回路4である。
【0015】
本実施形態例の半導体装置は、図1及び図2を参照して、一つのモジュールパッケージ内に受動素子チップ2と能動素子チップ10とをモジュール基体20上に搭載して収容する。
受動素子チップ2は、半絶縁性のGaAsを基板2aとする。その基板2a下面には接地電極が形成され接地電位2bに保持される。また基板2a上面には、インピーダンス整合回路4a、4bと、端子5a〜5dパターンが設けられる。端子5aは半導体装置の外部からの入力信号端子であり、整合回路4a内に設けられたパッド4dに接続されている。整合回路4a内には他のパッド4dが設けられ、SAWデバイスチップ3上に形成されたSAWデバイスは、これらのパッド4d上に接合されたバンプ7を介して整合回路4aと接続される。端子5b、5cは能動素子チップ10との接続用端子であり、能動素子チップ10上に設けられた端子15a、15bとワイヤ6により接続される。端子5dは負荷への接続用端子である。
【0016】
整合回路4a、4bは、いずれも接地電位2bとの間で構成される伝送線路4cを用いた分布定数回路を有する。整合回路4aは、SAWデバイスチップ3の出力インピーダンスを増幅回路11のより低い入力インピーダンスに変換するために設けられる。この整合回路4a中に含まれる伝送線路4cは、伝送線路4cの抵抗損失が十分小さくなるように、例えば100μm幅のパターンで設計される。同時に、特性インピーダンスがSAWデバイスの出力インピーダンスに整合するように、GaAs基板2aの厚さを100μmとする。他方、整合回路4bは、増幅回路11の出力インピーダンスをこれより高い、例えば50Ω程度の負荷インピーダンスに整合する。このため、伝送線路4cを例えば100μm程度の広い幅のパターンで形成し、特性インピーダンスを低くするとともに伝送線路4cの抵抗を小さくして大電力信号取り扱い時の損失を少なくする。
【0017】
このように、伝送線路4cの幅を広くしても特性インピーダンスを高くすることができるので、整合特性を損なうことなく抵抗損失の少ない整合回路を実現することができる。
能動素子チップ10は、各種トランジスタが形成される半導体、例えばSi、GaAs、InP、GaN等を基板12aとし、基板12a上に形成された増幅回路11を有する。この増幅回路11は、2つのトランジスタ増幅段11a、11cと1つの整合回路11bからなる。トランジスタ増幅段11aは、前置増幅回路であり、端子15aに入力された受動素子チップ2上の整合回路4aの出力を増幅し、整合回路11bを通してトランジスタ増幅段11cへ出力する。
【0018】
トランジスタ増幅段11cは、電力増幅回路であり、端子15bから受動素子チップ2上の整合回路4bに出力される。さらに、上述したように整合回路4bから端子5dを通してアンテナ等の負荷に出力される。このように、整合回路4bを受動素子チップ4上に設けることにより、伝送線路4cの特性インピーダンスを低下することなく幅広の伝送線路4cを使用することができるので、比較的インピーダンスの高い負荷に対しても高出力の高周波信号を高効率で出力することができる。
【0019】
【発明の効果】
本発明によれば、高い特性インピーダンスを有する幅広の伝送線路を形成し、この伝送線路を用いてSAWデバイスと良好にインピーダンス整合する受動素子回路を半導体プロセスを用いて製造することができる。このため、高出力高周波信号を高効率で送信又は受信する半導体装置が実現でき、無線通信装置の性能向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態例平面図
【図2】 本発明の実施形態例断面図
【図3】 本発明の実施形態例回路図
【図4】 従来例断面図
【符号の説明】
2 受動素子チップ
2a,12a 基板
2b,12b 接地電位
3 SAWデバイスチップ
4 受動素子回路
4a,4b,11b 整合回路
4c 電送線路
4d パッド
5a〜5d、15a、15b 入出力端子
6 ワイヤ
7 バンプ
10 能動素子チップ
11 増幅回路
11a,11c トランジスタ増幅段
20 モジュール基体
Claims (8)
- 下面側が接地電位とされ上面側にトランジスタ又はダイオードが搭載されることのない半絶縁性の化合物半導体基板上に受動素子を回路素子とする受動素子回路を搭載した受動素子チップと、
表面にSAWデバイスが形成されたSAWデバイスチップとを有し、
前記SAWデバイスチップは、前記SAWデバイスが前記受動素子回路へ電気的に接続されるように前記受動素子チップ上に搭載され、
前記受動素子回路は、前記接地電位との間で構成される前記化合物半導体基板上に形成された伝送線路を備え、
前記SAWデバイスチップに面する前記伝送線路は、前記SAWデバイスの出力インピーダンスが、前記SAWデバイスに接続されるとともに前記化合物半導体基板とは別の半導体基板上に形成された増幅回路の入力インピーダンスに整合するようにパターニングされ、
前記化合物半導体基板の厚さは前記伝送線路の特性インピーダンスが前記SAWデバイスの出力インピーダンスに整合するように調整されており、
前記受動素子回路は、前記接地電位との間で構成される前記化合物半導体基板上に形成された別の伝送線路を備え、
該別の伝送線路は、前記SAWデバイスチップが搭載されている領域以外の前記化合物半導体基板上に形成され、前記増幅回路の出力と外部の負荷との間の整合回路を構成することを特徴とする半導体装置。 - 前記基板は、GaAs基板又はInP基板であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記受動素子は、抵抗素子、容量素子及びインダクタンス素子のうちのいずれか1つを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記SAWデバイスは、フィルタ又はデュプレクサであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記受動素子チップは、能動素子を搭載した前記別の半導体基板を含む能動素子チップと電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記受動素子チップ及び前記能動素子チップは、同一パッケージ内に収容されることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
- 前記能動素子チップの基板は、GaAs基板、InP基板又はSi基板であることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
- 前記能動素子は、FET(電界効果トランジスタ)、HEMT(高電子移動度トランジスタ)、Siバイポーラトランジスタ及びHBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)のうちのいずれか1つを含むことを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
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