JP3715549B2

JP3715549B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3715549B2
Application number: JP2001173376A
Authority: JP
Inventors: 浩哉佐藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: JP2002064147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロジャンクション・バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）のようなエミッタトップ型またはコレクタトップ型の縦型構造トランジスタを用いる半導体装置に係り、詳しくは、マイクロ波帯での電力増幅用のトランジスタ（ＭＭＩＣ（モノリシック・マイクロ波ＩＣ））を用いる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の縦型構造トランジスタ（エミッタトップ型）の構成を示す平面図である。図において、１はエミッタ電極、２はベース電極、３はコレクタ電極、１１はエミッタ引き出し電極、１２はベース引き出し電極、１３はコレクタ引き出し電極である。エミッタ電極１の先端側はフィンガー状に形成され、そのエミッタフィンガー部１ａがトランジスタのエミッタ層に接合されている。ベース電極２の先端側もフィンガー状に形成され、そのベースフィンガー部２ａがトランジスタのベース層に接合されている。エミッタフィンガー部１ａとベースフィンガー部２ａとは互いに平行であり、かつ、互いに反対側から延出され、相互に入り込み状態となっている。エミッタフィンガー部１ａの基部はまとめられてエミッタ電極１となり、エミッタフィンガー部１ａに対して半導体基板２０上で直交する方向のエミッタ引き出し電極１１へと連絡されている。コレクタ電極３から連絡されたコレクタ引き出し電極１３に対してエミッタ引き出し電極１１が立体的に交差している。エミッタ引き出し電極１１、ベース引き出し電極１２およびコレクタ引き出し電極１３は半導体基板２０上に形成されるが、エミッタ引き出し電極１１は、トランジスタの並び列の一側においてその並び方向に沿う状態で半導体基板２０上にパターニングされている。これは、そのようにパターニングすることが比較的容易であるからである。
【０００３】
図５は別の従来例の縦型構造トランジスタの構成を示す側面図である。エミッタフィンガー部１ａおよびベースフィンガー部２ａにそれぞれ接続されるエミッタ引き出し電極およびベース引き出し電極は半導体基板２０上にパターニングされているが、コレクタ電極３に接続されるべきコレクタ引き出し電極１３はエアーブリッジ技術により、エミッタフィンガー部１ａとベースフィンガー部２ａの上方に空間を隔てて宙に浮かす状態で配線されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
縦型構造トランジスタのエミッタ引き出し電極１１は、共通にグランドＧＮＤに接続されるが、エミッタ引き出し電極が細長いため高周波に対してエミッタインダクタンスが無視できないほど大きなものとなり、高周波でに対してゲインの低下が著しくなるために、高周波領域での縦型構造トランジスタとして実用化することが困難であった。
【０００５】
縦型構造トランジスタ、特に高速・高周波デバイスとして期待されているＨＢＴは、高電流密度で動作するために発熱密度が高いものとなる。発熱は特にトップ層接合部の直下において著しい。図４に示す従来例の場合、エミッタ部で発生した熱を半導体基板２０の裏面側へ放散するようにしている。すなわち、半導体基板２０を薄く削るとともに、各接合部から周辺へ引き出した電極の直下にバイアホール（貫通孔）を設け、そのバイアホールに熱伝導性の良好な金属材料を埋め込んでいる。しかしながら、このような構造では、エミッタ部で発生した熱を効率良く放散することがむずかしく、トランジスタにおける熱抵抗を高いものにしている。また、共通にグランドＧＮＤに接続されるべきエミッタ引き出し電極１１が細長いために、高周波に対してエミッタインダクタンスが無視できないほど大きなものとなり、高周波での動作特性においてゲインの低下が著しくなるために、高周波領域での縦型構造トランジスタとして実用化することが困難であった。
【０００６】
また、図５に示す従来例の場合、エミッタフィンガー部１ａおよびベースフィンガー部２ａ上にコレクタ引き出し電極１３がエアーブリッジ構造でアーチ状に配線されているため、ベース−コレクタ間の寄生容量Ｃ_BCが無視できないレベルにまで増大し、特にトランジスタの高周波特性に劣化をもたらすという問題がある。さらに、エアーブリッジ構造を構築することが技術的にむずかしいものであり、歩留まりの低下やコストアップを招く原因となりやすい。特に、トップ層であるエミッタメサ部の上方でブリッジしなければならないので、エミッタフィンガー上の配線厚を所要値だけ確保することがむずかしく、これも歩留まり低下の大きな原因となっている。そして、共通にグランドＧＮＤに接続されるべきエミッタ引き出し電極がトランジスタの並び列に対して一側においてしかパターニングできないので、マイクロ波帯での電力増幅用のトランジスタであるＭＭＩＣ（モノリシック・マイクロ波ＩＣ）には適用しにくいという問題がある。さらに、エミッタ部の上方にコレクタ引き出し電極１３のブリッジがあるので、エミッタ部からの放熱箇所を上方に求めることがむずかしく、図４の従来例の場合と同様に熱放散の面でも問題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて創案されたものであって、縦型構造トランジスタにおいて接合部で発生した熱を効率良く放散することができるとともに、引き出し配線がもつインダクタンスを充分に低減できてマイクロ波帯での電力増幅用として実用化できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半絶縁性の半導体基板上に形成された、エミッタトップ型またはコレクタトップ型の複数個の縦型構造トランジスタからなる半導体装置において、トップ層引き出し電極が、トップ層電極の上面からそのトップ層の長さ方向に対する直交方向の両側に向かう状態で、トップ層以外の電極をカバーするアーチ状の層間絶縁膜の上面に接触してアーチ状に引き出され、前記トップ層引き出し電極の延在部分が前記半導体基板の上面に設けられ、さらに、前記トップ層引き出し電極を複数のトップ層に接続し、入力側引き出し電極と出力側引き出し電極とを分離する状態で中央ラインにパターニングしたことを特徴とする。
【０００９】
また、一実施形態の半導体装置では、前記入力側引き出し電極に連絡された入力側の電極と前記出力側引き出し電極に連絡された出力側の電極はフィンガー状に形成され、互いに平行で、かつ、互いに反対側から延出され、相互に入り込み状態になっていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る縦型構造トランジスタの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１は実施例に係るマイクロ波電力増幅用のｎｐｎエミッタトップ型のヘテロジャンクション・バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）の平面パターンの一部分を示し、図２はそのＨＢＴの断面の一部分を示している。
【００１２】
半導体基板（半絶縁性ＧａＡｓ基板）３０の表面において順次的にサブコレクタ層４１ａ、コレクタ層４１、ベース層４２、エミッタ層４３が形成されて縦型トランジスタ４０が構築されている。この場合、エミッタ層４３がトップ層となっている。接合部として、コレクタ層４１とベース層４２との界面にベース／コレクタ接合が形成され、ベース層４２とエミッタ層４３との界面にベース／エミッタ接合が形成されている。コレクタ層４１の上面にフィンガー状のコレクタ電極５１が形成され、ベース層４２の上面にもフィンガー状のベース電極５２が形成され、エミッタ層４３の上面にエミッタ電極５３が形成されている。エミッタ電極５３がトップ層電極である。
【００１３】
フィンガー状のコレクタ電極５１とベース電極５２とは互いに平行であり、かつ、互いに反対側から延出され、相互に入り込み状態となっている。フィンガー状のコレクタ電極５１は基部でまとめられてコレクタ引き出し電極６１へと連絡され、また、フィンガー状のベース電極５２は基部でまとめられてベース引き出し電極６２へと連絡されている（図３参照）。コレクタ引き出し電極６１とベース引き出し電極６２とは、半導体基板３０上にパターニングされている。エミッタ層４３とベース層４２とコレクタ層４１とサブコレクタ層４１ａとの間にわたって層間絶縁膜７０が介在され、エミッタ電極５３とフィンガー状のベース電極５２およびコレクタ電極５１とが電気的に絶縁されている。
【００１４】
トップ層電極であるエミッタ電極５３は、フィンガー状のベース電極５２およびコレクタ電極５１と平行になっているが、エミッタ電極５３の上面よりこれらの電極５１、５３の長さ方向に対する直交方向の両側に向けてエミッタ引き出し電極６３がアーチ状に引き出されている。このトップ層引き出し電極であるエミッタ引き出し電極６３は、縦型トランジスタ４０の上方をアーチ状に湾曲して両サイドの層間絶縁膜７０の上面に接触して支持されているとともに、その引き出し延在部分６３ａは半導体基板３０の上面にパターニングされている。エミッタ引き出し電極６３の幅はエミッタ電極５３の長さとほぼ同程度であり、また、その厚みは充分に大きなものとなっている。
【００１５】
半導体基板３０上には上記のように構成された縦型トランジスタ４０が複数個並列に形成されており、各縦型トランジスタ４０のエミッタ引き出し電極６３が一連に連なった状態で連絡されている。そして、エミッタ引き出し電極６３のうち半導体基板３０上に位置する引き出し延在部分６３ａ上にＴｉ層８０が形成され、Ｔｉ層８０の上部に金（Ａｕ）からなる円柱状のバンプ電極９０がメッキ法により形成されている。
【００１６】
上記した構造の縦型構造トランジスタ（ＨＢＴ）は、次のようにして作製される。まず、公知の手順により（例えば電子通信学会技術研究報告ＥＤ９０−１３５に記載されている）、半導体基板（半絶縁性ＧａＡｓ基板）３０の表面にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなるサブコレクタ層４１ａ、コレクタ層４１、ベース層４２およびエミッタ層（トップ層）４３を積層形成し、さらにフィンガー状のコレクタ電極５１、ベース電極５２を接合形成する。次に、層間絶縁膜（感光性ポリイミド）７０によってベース電極５２、コレクタ電極５１上をカバーする一方、トップ層電極であるエミッタ電極５３の真上にフォトリソグラフィ法を用いて開口部を形成する。また、ベース電極５２およびコレクタ電極５１を素子外部に接続するための開口部を形成する。次いで、エミッタ電極５３の上面より一旦真上に引き出しかつこのエミッタ電極５３の長さ方向に対する直交方向の両側に向けて、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるエミッタ引き出し電極６３を層間絶縁膜７０に接触する状態のアーチ状に引き出すとともに、その引き出し延在部分６３ａを半導体基板３０上にパターニングする。エミッタ引き出し電極６３の厚みは３μｍとした。
【００１７】
さらに、図示しないＳｉＮ_x膜をパッシベイション膜として全面に堆積し、エミッタ引き出し電極６３における引き出し延在部分６３ａ上でのバンプ電極９０を設けるべき領域においてＳｉＮ_x膜に円状の開口部を形成する。その開口位置はエミッタ電極５３の端から７μｍ離れた箇所とした。次に、Ｔｉ層８０を全面に蒸着する。そして、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてバンプ電極９０を設けるべき箇所に円状の開口部を形成する。そして、メッキ法により、金（Ａｕ）からなるバンプ電極９０を形成する。最後に、残っているレジストを除去し、バンプ電極９０以外の領域に存するＴｉ層８０をウェットエッチングにより除去し、作製を完了する。
【００１８】
縦型トランジスタ４０の発熱箇所である接合部とバンプ電極９０との間の距離は７μｍであり、それら両者間の熱伝導率がＧａＡｓに比べて６倍以上も高いＡｕを含む金属からなるエミッタ引き出し電極６３で接続されている。したがって、そのバンプ電極９０をヒートシンク（図示せず）に対してフリップチップボンディングすることにより、放熱効率を著しく高めることができ、熱抵抗を大幅に軽減することができる。
【００１９】
加えて、エミッタ電極５３からバンプ電極９０までの間のエミッタ引き出し電極６３は短く（７μｍ）、かつ、その厚みが３μｍと太いために、グランドＧＮＤに接続されるべきエミッタ引き出し電極６３のインダクタンスを充分に小さなものにすることができる。また、バンプ電極９０を金（Ａｕ）から構成してあるので、一般的な鉛−スズ合金（Ｐｂ／Ｓｎ）で構成する場合に比べて熱伝導率を高くでき、したがって、熱抵抗をさらに低減することができる。
【００２０】
トップ層電極であるエミッタ電極５３の上面からアーチ状にエミッタ引き出し電極６３を引き出しているので、ベース−エミッタ間の寄生容量Ｃ_BEおよびコレクタ−エミッタ間の寄生容量Ｃ_CEは若干増大するが、これらはトランジスタの高周波特性にほとんど影響を与えない。そして、ベース−コレクタ間の寄生容量Ｃ_BCを増大させないですむので、高周波特性の劣化を免れる。
【００２１】
そして、図３に示すように、エミッタ電極５３の長さ方向に対する直交方向の両側に向けてトップ層電極であるエミッタ電極５３より引き出したエミッタ引き出し電極６３は、複数の縦型トランジスタ４０を有する半導体装置において、それら複数の縦型トランジスタ４０の各エミッタ電極５３を並列に接続し、かつ、入力側のベース引き出し電極６２と出力側のコレクタ引き出し電極６１とを分離する状態で中央ラインを両側に向けて走る状態にパターニングすることができるから、この縦型トランジスタ（ＨＢＴ）をマイクロ波帯での電力増幅用（ＭＭＩＣ（モノリシック・マイクロ波ＩＣ））として実用に供することができる。
【００２２】
なお、エミッタ引き出し電極６３の形成方法として、メッキ法を用いるか、あるいはエミッタ引き出し電極６３の真上にメッキ法で厚い金属（例えばＡｕ）を形成することも可能であり、そのように構成することにより、放熱効率を一層高めることができる。
【００２３】
なお、上記実施例では半導体基板３０の裏面側からの放熱を特に図らなかったが、当然ながら、半導体基板３０の裏面を薄く削って、伝熱用ハンダ、ケースキャップなどを経由して放熱する手段と組み合わせてもよい。また、上記ＨＢＴ（ヘテロジャンクション・バイポーラ・トランジスタ）ではバンプ電極９０がエミッタ電極としての役割も果たしているが、これに限定する必要はない。バンプ電極９０をエミッタ引き出し電極６３ではなくベース引き出し電極６２またはコレクタ引き出し電極６１と接続してもよく、また、バンプ電極９０を電極としては使用せず、絶縁膜を介して熱放散のみを行うようにしてもよい。
【００２４】
また、上記実施例では半導体基板３０上でコレクタ層４１、ベース層４２、エミッタ層４３をこの順に形成したが、これとは反対に、エミッタ層、ベース層、コレクタ層の順に形成し、コレクタ層をトップ層としてもよい。この場合、上記実施例の「コレクタ」を『エミッタ』に、「エミッタ」を『コレクタ』にそれぞれ読み替えた状態で構成すればよい。また、コレクタ層、ベース層、エミッタ層の導電型をｎｐｎ型からｐｎｐ型に反転させた状態に構成してもよい。
【００２５】
さらに、トランジスタの構造としては、エミッタ層のみがバンドギャップの大きいいわゆるシングルヘテロ・バイポーラ・トランジスタ（ＳＨＢＴ）でもよいし、コレクタ層にもワイドバンドギャップ材料を用いたダブルヘテロ・バイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）でもよい。また、トランジスタは、縦型構造トランジスタであればよく、例えば、ホットエレクトロントランジスタ、共鳴トンネルトランジスタなどバイポーラ動作を基本原理としないトランジスタであってもよい。
【００２６】
また、上記各半導体層４１〜４３の組成は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓに限定されるものではなく、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系など他の格子整合系でもよく、また、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなど格子不整合系であってもよい。
【００２７】
また、素子特性を向上させるために、Ｏ⁺，Ｂ⁺，Ｈ⁺などのイオンを外部ベース直下に注入してベース−コレクタ間の寄生容量Ｃ_BCを低減する構成にしてもよく、イオン注入による素子間分離構造としてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、接合部で発生した熱をこのトップ層引き出し電極を介して効率良く放散することができるとともに、そのトップ層引き出し電極を太いものにしてインダクタンスを充分に低減できるため、マイクロ波帯での電力増幅用の縦型構造トランジスタとして実用化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る縦型構造トランジスタ（ＨＢＴ）の構成を示す平面図である。
【図２】実施例の縦型構造トランジスタの構成を示す断面図である。
【図３】実施例の縦型構造トランジスタを複数個備えた半導体装置の概略的なパターンを示す平面図である。
【図４】従来例に係るエミッタトップ型の縦型構造トランジスタの構成を示す平面図である。
【図５】別の従来例に係る縦型構造トランジスタの構成を示す側面図である。
【符号の説明】
３０半導体基板
４０縦型トランジスタ
４１コレクタ層
４１ａサブコレクタ層
４２ベース層
４３エミッタ層
５１コレクタ電極
５２ベース電極
５３エミッタ電極
６１コレクタ引き出し電極
６２ベース引き出し電極
６３エミッタ引き出し電極
７０層間絶縁膜
８０Ｔｉ層
９０バンプ電極

Claims

半絶縁性の半導体基板上に形成された、エミッタトップ型またはコレクタトップ型の複数個の縦型構造トランジスタからなる半導体装置において、トップ層引き出し電極が、トップ層電極の上面からそのトップ層の長さ方向に対する直交方向の両側に向かう状態で、トップ層以外の電極をカバーするアーチ状の層間絶縁膜の上面に接触してアーチ状に引き出され、前記トップ層引き出し電極の延在部分が前記半導体基板の上面に設けられ、さらに、前記トップ層引き出し電極を複数のトップ層に接続し、入力側引き出し電極と出力側引き出し電極とを分離する状態で中央ラインにパターニングした半導体装置。
前記入力側引き出し電極に連絡された入力側の電極と前記出力側引き出し電極に連絡された出力側の電極はフィンガー状に形成され、互いに平行で、かつ、互いに反対側から延出され、相互に入り込み状態になっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。