JP4121263B2 - Compound semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体装置に関し、特に2.4GHz帯以上の高周波帯に用いる化合物半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話等の移動体用通信機器では、GHz帯のマイクロ波を使用している場合が多く、アンテナの切換回路や送受信の切換回路などに、これらの高周波信号を切り替えるためのスイッチ素子が用いられることが多い(例えば、特開平9−181642号)。その素子としては、高周波を扱うことからガリウム・砒素(GaAs)を用いた電界効果トランジスタ(以下FETという)を使用する事が多く、これに伴って前記スイッチ回路自体を集積化したモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)の開発が進められている。
【0003】
以下にGaAsFETを用いた化合物半導体装置について、スイッチ回路装置を例に説明する。
【0004】
図9(A)は、GaAs FETの断面図を示している。ノンドープのGaAs基板1の表面部分にN型不純物をドープしてN型のチャネル領域2を形成し、チャネル領域2表面にショットキー接触するゲート電極3を配置し、ゲート電極3の両脇にはGaAs表面にオーミック接触するソース・ドレイン電極4、5を配置したものである。このトランジスタは、ゲート電極3の電位によって直下のチャネル領域2内に空乏層を形成し、もってソース電極4とドレイン電極5との間のチャネル電流を制御するものである。
【0005】
図9(B)は、GaAs FETを用いたSPDT(Single Pole Double Throw)と呼ばれる化合物半導体装置の原理的な回路図の一例を示す。
【0006】
第1と第2のFET1、FET2のソース(又はドレイン)が共通入力端子INに接続され、各FET1、FET2のゲートが抵抗R1、R2を介して第1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2に接続され、そして各FETのドレイン(又はソース)が第1と第2の出力端子OUT1、OUT2に接続されたものである。第1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2に印加される信号は相補信号であり、Hレベルの信号が印加されたFETがONして、入力端子INに印加された信号をどちらか一方の出力端子に伝達するようになっている。抵抗R1、R2は、交流接地となる制御端子Ctl-1、Ctl-2の直流電位に対してゲート電極を介して高周波信号が漏出することを防止する目的で配置されている。
【0007】
かかる化合物半導体装置の等価回路図を図10に示す。マイクロ波では特性インピーダンス50Ωを基準としており、各端子のインピーダンスはR1=R2=R3=50Ω抵抗で表される。また、各端子の電位をV1、V2、V3とすると挿入損失(Insertion Loss)およびアイソレーション(Isolation)は以下の式で表される。
【0008】
Insertion Loss=20log(V2/V1)[dB]
これは共通入力端子INから出力端子OUT1へ信号を伝送したときの挿入損失であり、
Isolation=20log(V3/V1)[dB]
これは共通入力端子INから出力端子OUT2との間のアイソレーションである。化合物半導体装置では上記した挿入損失(Insertion Loss)をできるだけ少なくし、アイソレーション(Isolation)を向上することが要求され、信号経路に直列に挿入されるFETの設計が大切である。このFETとしてGaAs FETを用いる理由はGaAsの方がSiより電子移動度が高いことから抵抗が小さく低損失化が図れ、GaAsは半絶縁性基板であることから信号経路間の高アイソレーション化に適しているためである。その反面、GaAs基板はSiに比べて高価であり、PINダイオードのように等価なものがSiで出来ればコスト競争で負けてしまう。
【0009】
図11は今まで実用化されてきた化合物半導体装置の回路図である。この回路では、スイッチを行うFET1とFET2の出力端子OUT1とOUT2と接地間にシャントFET3、FET4を接続し、このシャントFET3、FET4のゲートにはFET2とFET1への制御端子Ctl-2、Ctl-1の相補信号を印可している。この結果、FET1がONのときはシャントFET4がONし、FET2およびシャントFET3がOFFしている。
【0010】
この回路で、共通入力端子IN−出力端子OUT1の信号経路がオンし、共通入力端子IN−出力端子OUT2の信号経路がオフした場合は,シャントFET4がオンしているので出力端子OUT2への入力信号の漏れは接地されたコンデンサCを介して接地に逃げ、アイソレーションが向上できる。
【0011】
図12は、かかる化合物半導体装置を集積化した化合物半導体チップの1例を示している。
【0012】
GaAs基板にスイッチを行うFET1およびFET2を左右の中央部に配置し、シャントFET3およびシャントFET4を左右の下コーナー付近に配置し、各FETのゲート電極に抵抗R1、R2、R3、R4が接続されている。また共通入力端子IN、出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-1、Ctl-2、接地端子GNDに対応するパッドが基板の周辺に設けられている。更にシャントFET3およびシャントFET4のソース電極は接続されて接地のためのコンデンサCを介して接地端子GNDに接続されている。なお、点線で示した第2層目の配線は各FETのゲート電極形成時に同時に形成されるゲート金属層(Ti/Pt/Au)であり、実線で示した第3層目の配線は各素子の接続およびパッドの形成を行うパッド金属層(Ti/Pt/Au)である。第1層目の基板にオーミックに接触するオーミック金属層(AuGe/Ni/Au)は各FETのソース電極、ゲート電極および各抵抗両端の取り出し電極を形成するものであり、図10では、パッド金属層と重なるために図示されていない。
【0013】
図13(A)に図12に示したFET1の部分を拡大した平面図を示す。この図で、一点鎖線で囲まれる長方形状の領域が基板11に形成されるチャネル領域12である。左側から伸びる櫛歯状の4本の第3層目のパッド金属層30が出力端子OUT1に接続されるソース電極13(あるいはドレイン電極)であり、この下に第1層目オーミック金属層10で形成されるソース電極14(あるいはドレイン電極)がある。また右側から伸びる櫛歯状の4本の第3層目のパッド金属層30が共通入力端子INに接続されるドレイン電極15(あるいはソース電極)であり、この下に第1層目のオーミック金属層10で形成されるドレイン電極16(あるいはソース電極)がある。この両電極は櫛歯をかみ合わせた形状に配置され、その間に第2層目のゲート金属層20で形成されるゲート電極17がチャネル領域12上に櫛歯形状に配置されている。
【0014】
図13(B)にこのFETの一部の断面図を示す。基板11にはn型のチャネル領域12とその両側にソース領域18およびドレイン領域19を形成するn+型の高濃度領域が設けられ、チャネル領域12にはゲート電極17が設けられ、高濃度領域には第1層目のオーミック金属層10で形成されるドレイン電極14およびソース電極16が設けられる。更にこの上に前述したように3層目のパッド金属層30で形成されるドレイン電極13およびソース電極15が設けられ、各素子の配線等を行っている。
【0015】
上記した化合物半導体装置では、FET1およびFET2の挿入損失(Insertion Loss)をできるだけ小さくするためにゲート幅Wgを大きく取り、FETのオン抵抗を引き下げる設計手法が採用されていた。このためにゲート幅Wgが大きくなることに起因して、FET1およびFET2のサイズが大きくなり、チップサイズが大きくなる方向に開発が進んでいた。
【0016】
また、このような化合物半導体装置では半絶縁基板であるGaAs基板を用い、その上に直接導電路となる配線やボンディング ワイヤーを熱圧着するパッドを設けていた。しかし、扱う信号がGHz帯の高周波数であるので、隣接する配線間のアイソレーションを確保するために20μm以上の離間距離を設ける必要がある。化合物半導体装置に要求されるアイソレーションが20dB以上であり、実験的にアイソレーションを20dB以上確保するには、20μm以上の離間距離が必要である。
【0017】
この理論的な裏付けは乏しいが、今まで半絶縁性GaAs基板は絶縁基板という考え方から、耐圧は無限大であると考えられていた。しかし実測をすると、耐圧が有限であることが分かった。このために半絶縁性GaAs基板の中で空乏層が伸びて、高周波信号に応じた空乏層距離の変化により、空乏層が隣接する電極まで到達するとそこで高周波信号の漏れを発生することが考えられる。従って、アイソレーションを20dB以上確保するには、20μm以上の離間距離が必要であると割り出された。
【0018】
図12から明白なように、従来の化合物半導体装置では、共通入力端子IN、出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-1、Ctl-2、接地端子GNDに対応するパッドが基板の周辺に設けられている。このパッドから少なくとも20μm離間させて、配線層を形成することは更にチップサイズを大きくする方向になる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
上記した化合物半導体装置では、FET1およびFET2の挿入損失(In sertion Loss)をできるだけ小さくするためにゲート幅Wgを大きく取り、FETのオン抵抗を引き下げる設計手法のために各FETのサイズが大きくなり、またパッドと配線層とのアイソレーションを確保する設計のために20μmの離間距離が必要であった。
【0020】
このために、従来の化合物半導体装置ではますますチップサイズが大きくなる方向に進み、シリコン基板よりコストの高いGaAs基板を用いる限りは化合物半導体装置はシリコンの安価なチップに置き換えが進み、市場を失う結果を招いていた。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述した諸々の事情に鑑み成されたものであり、ゲート幅を短くすることによりFETのサイズを小さくするとともに、パッドと配線層又は他のパターンとの離間距離も縮めてチップサイズを小さくした化合物半導体装置を実現することに特徴がある。
【0022】
すなわち、化合物半導体基板と、化合物半導体基板上に設けられたパッドと、パッドに固着されるボンディングワイヤーとを備え、パッドは直接基板上に配置され、パッドの下の基板表面に活性化された不純物領域を設け、その不純物領域でパッド下の空乏層の拡がりを規制することに特徴を有する。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の化合物半導体装置の実施の形態について、GaAsFETを用いた化合物半導体スイッチ回路装置を例に、図1から図8を参照して説明する。
【0024】
図1は、本発明の化合物半導体装置を示す回路図である。第1のFET1と第2のFET2のソース電極(あるいはドレイン電極)が共通入力端子INに接続され、FET1およびFET2のゲート電極がそれぞれ抵抗R1、R2を介して第1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2に接続され、そしてFET1およびFET2のドレイン電極(あるいはソース電極)が第1と第2の出力端子OUT1、OUT2に接続されたものである。第1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2に印加される制御信号は相補信号であり、Hレベルの信号が印加された側のFETがONして、共通入力端子INに印加された入力信号をどちらか一方の出力端子に伝達するようになっている。抵抗R1、R2は、交流接地となる制御端子Ctl-1、Ctl-2の直流電位に対してゲート電極を介して高周波信号が漏出することを防止する目的で配置されている。
【0025】
図1に示す回路は、図9(B)に示すGaAs FETを用いたSPDT(Single Pole Double Throw)と呼ばれる化合物半導体装置の原理的な回路とほぼ同じ回路構成であるが、大きく異なる点はFET1およびFET2のゲート電極のゲート幅Wgを700μm以下に設計することと、パッドと配線層との離間距離を大幅に縮めたことである。
【0026】
ゲート幅Wgを従来のものに比べて小さくすることはFETのオン抵抗を大きくすることを意味し、且つゲート電極の面積(Lg×Wg)が小さくなることによりゲート電極とチャネル領域とのショットキー接合による寄生容量が小さくなることを意味し、回路動作の上では大きな差が出る。
【0027】
また、パッドと配線層との離間距離を大幅に縮めることは、化合物半導体チップのサイズを縮小するのに大きな寄与をする。
【0028】
図2および図3は、本発明の化合物半導体装置を集積化した化合物半導体チップの1例を示している。いずれも各パッド電極の下には活性化された不純物領域40(二点鎖線で示す)が設けられ、この領域によりパッド電極下での空乏層の広がりを抑制することができる。ここで、活性化された不純物領域40とは、結晶構造が良好で且つ導電性を有する領域のことであり、具体的には導電性を有するエピタキシャル層およびイオン注入による不純物拡散領域である。また、空乏層の広がりを抑制するためにはその不純物濃度は1×1016cm-3以上が必要である。尚、この活性化された不純物領域40を以下の説明においては、単に不純物領域40と称する。
【0029】
図2および図3は共にGaAsFETを用いた化合物半導体装置であり、構成要素は同一であるが、不純物領域40の形状及び配置のみが異なっている。図2では各パッド電極の下全面に不純物領域40が設けられ、図3では、パッド電極および配線層が隣接する部分において、各パッド電極の周端部のみに設けられている。また、図2および図3のいずれの場合でもパッド電極の基板当接部よりはみ出して設けられる。
【0030】
更に、配線層42の下にも不純物領域40が設けられる。この場合詳細な図示は省略するが、配線層42下の全面でも良いし、配線層42の周端部のみに設けてもよい。
【0031】
図2および図3に示す如く、GaAs基板にスイッチを行うFET1およびFET2を中央部に配置し、各FETのゲート電極に抵抗R1、R2が接続されている。また共通入力端子IN、出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-1、Ctl-2に対応するパッドが基板の周辺に設けられている。なお、点線で示した第2層目の配線は各FETのゲート電極形成時に同時に形成されるゲート金属層(Ti/Pt/Au)20であり、実線で示した第3層目の配線は各素子の接続およびパッドの形成を行うパッド金属層(Ti/Pt/Au)30である。第1層目の基板にオーミックに接触するオーミック金属層(AuGe/Ni/Au)10は各FETのソース電極、ドレイン電極および各抵抗両端の取り出し電極を形成するものであり、図2および図3では、パッド金属層と重なるために図示されていない。
【0032】
図2および図3から明白なように、構成部品はFET1、FET2、抵抗R1、R2、共通入力端子IN、出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-1、Ctl-2に対応するパッドのみであり、図12に示す従来の化合物半導体装置に比べると、最小構成部品で構成されている。
【0033】
また本発明では、FET1(FET2も同じ)をゲート幅が700μm以下と従来の半分以下で形成されるので、FET1も従来の半分の大きさで済ませることができる。すなわち、図2および図3に示したFET1は一点鎖線で囲まれる長方形状のチャネル領域12に形成される。下側から伸びる櫛歯状の3本の第3層目のパッド金属層30が出力端子OUT1に接続されるソース電極13(あるいはドレイン電極)であり、この下に第1層目オーミック金属層10で形成されるソース電極14(あるいはドレイン電極)がある。また上側から伸びる櫛歯状の3本の第3層目のパッド金属層30が共通入力端子INに接続されるドレイン電極15(あるいはソース電極)であり、この下に第1層目のオーミック金属層10で形成されるドレイン電極14(あるいはソース電極)がある。この両電極は櫛歯をかみ合わせた形状に配置され、その間に第2層目のゲート金属層20で形成されるゲート電極17がチャネル領域上に4本の櫛歯形状に配置されている。なお、上側から伸びる真中の櫛歯のドレイン電極13(あるいはソース電極)はFET1とFET2とで共用しており、更に小型化に寄与している。ここで、ゲート幅が700μm以下という意味は各FETの櫛歯状のゲート電極17のゲート幅の総和がそれぞれ700μm以下であることを言っている。
【0034】
FET1とFET2断面構造を図4に示す。基板11にはn型のチャネル領域12とその両側にソース領域18およびドレイン領域19を形成するn+型の高濃度領域が設けられ、チャネル領域12には、第2層目のゲート金属層20で形成されるゲート電極17が設けられ、高濃度領域には第1層目のオーミック金属層10で形成されるドレイン電極14およびソース電極16が設けられる。更にこの上に前述したように3層目のパッド金属層30で形成されるドレイン電極13およびソース電極15が設けられ、各素子の配線等を行っている。図に示すFETは、その製造方法においてI線ステッパーを使用することにより、微細なパターンが可能となり、例えばゲート電極においては、ゲート長Lgの細線化が容易に実現する。
【0035】
次に、2.4GHz以上の高周波数帯でシャントFETを省いてアイソレーション(Isolation)を確保する設計が可能となるかについて説明する。
【0036】
図5に、FETのゲート長Lgが0.5μmのときのゲート幅Wg−挿入損失(Insertion Loss)の関係を示す。
【0037】
1GHzの入力信号のとき、ゲート幅Wgが1000μmから600μmまで小さくすると0.35dBから0.55dBと0.2dBの挿入損失(Insertion Loss)が悪化する。しかし、2.4GHzの入力信号のとき、ゲート幅Wgが1000μmから600μmまで小さくすると0.60dBから0.65dBと僅か0.05dBの挿入損失(Insertion Loss)で済む。これは1GHzの入力信号のときは挿入損失(Insertion Loss)はFETのオン抵抗による影響を大きく受けるが、2.4GHzの入力信号のときは挿入損失(Insertion Loss)はFETのオン抵抗による影響をあまり受けないことが分かった。
【0038】
この理由としては、2.4GHzの入力信号では1GHzに比べて更に高周波となるので、FETのオン抵抗よりはむしろFETのゲート電極に起因する容量成分の影響が大きいと考えられるからである。このため2.4GHz以上の高周波ではFETのオン抵抗より容量成分が挿入損失(Insertion Loss)に大きく影響するのであれば、むしろオン抵抗より容量成分を減らすことに着目して設計することが良い。すなわち、従来の設計とは全く逆転の発想が必要となった。
【0039】
一方、図6に、FETのゲート長Lgが0.5μmのときのゲート幅Wg−アイソレーション(Isolation)の関係を示す。
【0040】
1GHzの入力信号のとき、ゲート幅Wgが1000μmから600μmまで小さくすると19.5dBから23.5dBと4.0dBのアイソレーション(Isolation)が改善される。同様に、2.4GHzの入力信号のとき、ゲート幅Wgが1000μmから600μmまで小さくすると14dBから18dBと4.0dBのアイソレーション(Isolation)が改善される。すなわち、アイソレーション(Isolation)はゲート電極に起因するOFF側FETの寄生容量に依存して改善されることが分かる。
【0041】
従って、2.4GHz以上の高周波数帯では図5から明らかなように、挿入損失(Insertion Loss)の僅かな悪化しかないことを考慮するば、むしろ図6に示したアイソレーション(Isolation)を優先して設計する方が化合物半導体チップサイズを縮小できる。すなわち、2.4GHzの入力信号のとき700μm以下ののゲート幅Wgであれば16.5dB以上のアイソレーション(Isolation)を確保することができ、更に600μm以下のゲート幅Wgであれば18dB以上のアイソレーション(Isolation)を確保することができる。
【0042】
具体的には、図2および図3に実際のパターンを示した本発明の化合物半導体装置では、ゲート長Lgを0.5μm、ゲート幅Wgを600μmのFET1およびFET2に設計し、挿入損失(Insertion Loss)を0.65dB、アイソレーション(Isolation)を18dBを確保している。この特性はBluetooth(携帯電話、ノートPC、携帯情報端末、デジタルカメラ、その他周辺機器をワイヤレスで相互接続し、モバイル環境、ビジネス環境を向上させる通信仕様)を含む2.4GHz帯ISM Band(Industrial Scientific and Medical frequency band)を使用したスペクトラム拡散通信の応用分野での通信スイッチとして活用されるものである。
【0043】
続いて、図2、図3および図7を用いて、パッドと配線層との離間距離を大幅に縮めることについて説明をする。
【0044】
図7に本発明の化合物半導体装置のパッドおよび配線の構造を示す。図7(A)はボンディングパッド部、図7(B)には配線層部の断面図をそれぞれ示す。図2の如く、共通入力端子IN、出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl−1、Ctl−2の5個のパッドが基板の周辺に配置されている。また、図7に示すように、各パッドは、基板11上にその下全面に沿って設けられたn+型の不純物領域40(図2では二点鎖線で示す)と、大部分を基板11上に設けられたゲート金属層20と、ゲート金属層20上に重畳されたパッド金属層30とで形成されることに特徴がある。又、配線層42の下も基板上にその下全面(図7(B))に不純物領域40が設けられている。この場合、不純物領域40はソース領域およびドレイン領域を形成するイオン注入工程で同時に形成された拡散領域である。従って、金のボンディングワイヤー41はパッドのパッド金属層30上にボール ボンディングされる。ここで、不純物領域40は前述の如く、空乏層を抑制できる不純物濃度を有するエピタキシャル層でもよく、GaAs基板の最上層がn型エピタキシャル層である場合は、イオン注入による拡散領域を設けなくても実施できる。
【0045】
これにより、パッドおよび配線層の下の基板11表面に不純物領域40が設けられる。従って、不純物をドープされていない基板11(半絶縁性であるが、基板抵抗値は1×107Ω・cm)表面と異なり、不純物濃度が高い(イオン種 29Si+で濃度は1〜5×1018cm-3)のでパッド下または配線層下での空乏層が伸びないので、互いに隣接するパッドおよび配線層又は他のパターンとは離間距離を20μmから20dBのアイソレーションが確保できる限界まで狭まることができる。具体的には、離間距離を4μmにすれば、20dB以上のアイソレーションを確保するには十分であると割り出された。また、電磁界シミュレーションにおいても4μm程度の離間距離を設ければ2.4GHzにおいて40dB程度もアイソレーションを得られることがわかっている。
【0046】
ここで、図3の如く、不純物領域40はパッドおよび配線層の周端部のみに設けられてもよい。すなわち、共通入力端子INのパッドは上辺を除き、3辺に沿って不純物領域40を設け、出力端子OUT1、OUT2のパッドはGaAs基板のコーナー部分を残して、4辺に沿ってC字状に不純物領域40を設け、制御端子Ctl-1、Ctl-2のパッドはGaAs基板のコーナー部分および抵抗R1、R2と接続する部分を除き、変則的な五角形の4辺に沿ってC字状に不純物領域40を設けられている。不純物領域40を設けない部分はいずれもGaAs基板の周端に面した部分であり、空乏層が広がっても隣接するパッドや配線と十分な離間距離があり、リークが問題とならない部分である。
【0047】
従って、5個のパッドが半導体チップの半分近くを占めているので、本発明のパッドの構造を採用すればパッド近傍まで配線層を配置できる。具体的には、配線層の下にも不純物領域40が設けられているので、互いに隣接するパッド電極間、パッド電極と配線層間、配線層間、更には抵抗、容量などの他のパターンとの離間距離を4μmまで近接して配置することが可能となり、半導体チップの縮小に大きく寄与できる。
【0048】
この結果、本発明の化合物半導体チップのサイズは0.37×0.30mm2に納めることができた。これは従来の化合物半導体チップサイズを実に20%に縮小できることを意味する。
【0049】
また、本発明を化合物半導体スイッチ回路装置に適用すると数々の回路特性の改善が図れた。第1に、高周波入力電力に対するスイッチでの反射を表す電圧定在波比 VSWR(Voltage Standing-Wave Ratio)は1.1〜1.2を実現した。VSWRは高周波伝送線路中の不連続部分で発生する反射波と入力波の間で発生する電圧定在波の最大値と最小値の比を表し、理想状態ではVSWR=1で反射0を意味する。シャントFETを有する従来の化合物半導体スイッチ回路装置では、VSWR=1.4程度であり、本発明では電圧定在波比の大幅な改善ができた。この理由は、本発明の化合物半導体スイッチ回路装置では高周波伝送線路中にスイッチ用のFET1およびFET2しか無く、回路的にシンプルでデバイス的に極めて小さいサイズのFETしか無いことにことに依るものである。
【0050】
第2に、高周波入力信号に対する出力信号の歪みレベルを表すリニアリティ特性は、PIN1dBとして30dBmを実現している。図8に入出力電力のリニアリティ特性を示す。入出力電力比は理想的には1となるが、挿入損失(Insertion Loss)があるのでその分出力電力が減る。入力電力が大きくなると出力電力が歪んでくるので、入力電力に対して出力電力が1dB下がる点がPIN1dBとして表される。シャントFET有りの化合物半導体スイッチ回路装置ではPIN1dBは26dBmであるが、シャントFETなしの本発明の化合物半導体スイッチ回路装置では30dBmであり、約4dB以上の改善が図れる。この理由は、シャントFET有りの場合はオフしたスイッチ用とシャント用のFETのピンチオフ電圧の影響を相乗的に受けるのに対してシャントFETなしの本発明の場合はオフしたスイッチ用のFETのみの影響だけであるからである。
【0051】
ここで、本発明の実施の形態では化合物半導体スイッチ回路装置を例に説明したが、スイッチ回路装置以外のMMIC(例えばアンプ、ミキサ)や、ダイオード、FET等の化合物半導体装置に関しても同様に実施ができる。
【0052】
【発明の効果】
以上に詳述した如く、本発明に依れば以下の数々の効果が得られる。
【0053】
第1に、半導体チップサイズの半分近くを占めるパッドおよび配線層の下または周端部の下に不純物領域を設けることで、互いに隣接するパッド、配線層又は他のパターンとの離間距離を4μmまで接近して配置できるので、高周波信号の結合と耐圧10Vの確保が小さいスペースででき、大幅なシュリンクが可能となる利点を有する。
【0054】
第2に、2.4GHz以上の高周波数帯でシャントFETを省いてアイソレーション(Isolation)を確保する設計に着目し、今までのFETのオン抵抗の低減を二義的に考える逆転的な発想手段を用い、スイッチに用いるFET1およびFET2のゲート電極のゲート幅Wgを700μm以下に設計することである。この結果、スイッチに用いるFET1およびFET2のサイズ小さくでき、且つ挿入損失(Insertion Loss)を小さく抑え、アイソレーション(Isolation)を確保できる利点を得られる。
【0055】
第3に、本発明の化合物半導体装置ではシャントFETを省く設計が可能となったために、構成部品はFET1、FET2、抵抗R1、R2、共通入力端子IN、出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-1、Ctl-2に対応するパッドのみであり、従来の化合物半導体装置に比べると、最小構成部品で構成できる利点を有する。
【0056】
第4に、上述したように最小構成部品とパッドと配線層の離間距離の縮小とで、半導体チップサイズを従来の化合物半導体装置に比べて20%まで縮小が可能となり、シリコン半導体チップとの価格競争力も大幅に向上できる。またチップサイズが小さくできるので、従来の小型パッケージ(MCP6 大きさ2.1mm×2.0mm×0.9mm)よりさらに小型パッケージ(SMCP6 大きさ1.6mm×1.6mm×0.75mm)に実装ができるようになった。
【0057】
第5に、挿入損失(Insertion Loss)が2.4GHz以上の高周波になってもあまり増加しないので、シャントFETを省いてもアイソレーション(Isolation)を取れる設計が可能となった。たとえば、3GHzの入力信号でゲート幅300μmでも、シャントFETなしで十分にアイソレーション(Isolation)を確保できる。
【0058】
第6に、本発明の化合物半導体装置では、高周波入力電力に対するスイッチでの反射を表す電圧定在波比 VSWR(Voltage Standing-Wave Ratio)を1.1〜1.2に実現でき、反射の少ないスイッチを提供できる。
【0059】
第7に、本発明の化合物半導体装置では、高周波入力信号に対する出力信号の歪みレベルを表すリニアリティ特性PIN1dBを30dBmと向上でき、スイッチのリニアリティ特性の大幅な改善ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を説明するための回路図である。
【図2】本発明を説明するための平面図である。
【図3】本発明を説明するための平面図である。
【図4】本発明を説明するための断面図である。
【図5】本発明を説明するための特性図である。
【図6】本発明を説明するための特性図である。
【図7】本発明を説明するための断面図である。
【図8】本発明を説明するための特性図である。
【図9】従来例を説明するための(A)断面図、(B)回路図である。
【図10】従来例を説明するための等価回路図である。
【図11】従来例を説明するための回路図である。
【図12】従来例を説明するための平面図である。
【図13】従来例を説明するための(A)平面図、(B)断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound semiconductor device, and more particularly to a compound semiconductor device used in a high frequency band of 2.4 GHz band or higher.
[0002]
[Prior art]
In mobile communication devices such as cellular phones, microwaves in the GHz band are often used, and switching elements for switching these high-frequency signals are used in antenna switching circuits and transmission / reception switching circuits. In many cases (for example, JP-A-9-181642). As the element, a field effect transistor (hereinafter referred to as FET) using gallium arsenide (GaAs) is often used because it handles high frequency, and accordingly, the monolithic microwave integration in which the switch circuit itself is integrated. A circuit (MMIC) is being developed.
[0003]
A compound semiconductor device using GaAsFET will be described below by taking a switch circuit device as an example.
[0004]
FIG. 9A shows a cross-sectional view of a GaAs FET. An N-
[0005]
FIG. 9B shows an example of a principle circuit diagram of a compound semiconductor device called SPDT (Single Pole Double Throw) using GaAs FETs.
[0006]
The sources (or drains) of the first and second FET1 and FET2 are connected to the common input terminal IN, and the gates of the FET1 and FET2 are connected to the first and second control terminals Ctl-1, R1 and R2, respectively. This is connected to Ctl-2, and the drain (or source) of each FET is connected to the first and second output terminals OUT1 and OUT2. The signals applied to the first and second control terminals Ctl-1 and Ctl-2 are complementary signals, and the FET to which the H level signal is applied is turned ON, and the signal applied to the input terminal IN is selected. The signal is transmitted to one of the output terminals. The resistors R1 and R2 are arranged for the purpose of preventing leakage of a high-frequency signal through the gate electrode with respect to the DC potential of the control terminals Ctl-1 and Ctl-2 that are AC grounded.
[0007]
An equivalent circuit diagram of such a compound semiconductor device is shown in FIG. In the microwave, the characteristic impedance is 50Ω, and the impedance of each terminal is represented by R1 = R2 = R3 = 50Ω resistance. Further, assuming that the potential of each terminal is V1, V2, and V3, insertion loss and isolation are expressed by the following equations.
[0008]
Insertion Loss = 20log (V2 / V1) [dB]
This is an insertion loss when a signal is transmitted from the common input terminal IN to the output terminal OUT1,
Isolation = 20 log (V3 / V1) [dB]
This is an isolation between the common input terminal IN and the output terminal OUT2. In a compound semiconductor device, it is required to reduce the above insertion loss (Insertion Loss) as much as possible to improve isolation, and it is important to design an FET inserted in series in a signal path. The reason for using a GaAs FET as this FET is that GaAs has a higher electron mobility than Si, so that the resistance is low and the loss can be reduced. Since GaAs is a semi-insulating substrate, high isolation between signal paths is achieved. It is because it is suitable. On the other hand, the GaAs substrate is more expensive than Si, and if an equivalent such as a PIN diode can be made of Si, it will be lost in cost competition.
[0009]
FIG. 11 is a circuit diagram of a compound semiconductor device that has been put into practical use. In this circuit, shunt FET3 and FET4 are connected between the output terminals OUT1 and OUT2 of FET1 and FET2 to be switched and the ground, and control terminals Ctl-2 and Ctl- to FET2 and FET1 are connected to the gates of the shunt FET3 and FET4. 1 complementary signal is applied. As a result, when FET1 is ON, shunt FET4 is ON, and FET2 and shunt FET3 are OFF.
[0010]
In this circuit, when the signal path from the common input terminal IN to the output terminal OUT1 is turned on and the signal path from the common input terminal IN to the output terminal OUT2 is turned off, the shunt FET 4 is turned on, so that the input to the output terminal OUT2 Signal leakage escapes to ground through the grounded capacitor C, and isolation can be improved.
[0011]
FIG. 12 shows an example of a compound semiconductor chip in which such compound semiconductor devices are integrated.
[0012]
[0013]
FIG. 13A shows an enlarged plan view of the portion of the
[0014]
FIG. 13B shows a cross-sectional view of a part of this FET. The
[0015]
In the compound semiconductor device described above, a design technique has been adopted in which the gate width Wg is increased to reduce the on-resistance of the FET in order to minimize the insertion loss of the FET1 and FET2. For this reason, due to the increase in the gate width Wg, the size of the FET1 and FET2 has increased, and development has progressed in the direction of increasing the chip size.
[0016]
Further, in such a compound semiconductor device, a GaAs substrate which is a semi-insulating substrate is used, and a pad for thermocompression bonding of a wiring or a bonding wire directly serving as a conductive path is provided thereon. However, since a signal to be handled is a high frequency in the GHz band, it is necessary to provide a separation distance of 20 μm or more in order to ensure isolation between adjacent wirings. The isolation required for the compound semiconductor device is 20 dB or more, and a separation distance of 20 μm or more is necessary to experimentally secure isolation of 20 dB or more.
[0017]
Although this theoretical support is scarce, until now, the semi-insulating GaAs substrate has been considered to be infinite in voltage because of the idea that it is an insulating substrate. However, when actually measured, it was found that the withstand voltage was finite. For this reason, the depletion layer extends in the semi-insulating GaAs substrate, and when the depletion layer reaches the adjacent electrode due to the change of the depletion layer distance according to the high frequency signal, it is considered that the leakage of the high frequency signal occurs there. . Therefore, it was determined that a separation distance of 20 μm or more is necessary to ensure isolation of 20 dB or more.
[0018]
As is apparent from FIG. 12, in the conventional compound semiconductor device, pads corresponding to the common input terminal IN, the output terminals OUT1, OUT2, the control terminals Ctl-1, Ctl-2, and the ground terminal GND are provided around the substrate. ing. Forming a wiring layer at a distance of at least 20 μm from the pad further increases the chip size.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
In the above compound semiconductor device, the gate width Wg is increased in order to reduce the insertion loss (Insertion Loss) of the
[0020]
For this reason, in the conventional compound semiconductor device, the chip size is increasingly increased, and as long as a GaAs substrate, which is more expensive than the silicon substrate, is used, the compound semiconductor device is replaced with an inexpensive silicon chip and loses the market. Invited the result.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the various circumstances described above, and by reducing the gate size by reducing the FET size, the distance between the pad and the wiring layer or other pattern is also reduced to reduce the chip size. It is characterized by realizing a reduced compound semiconductor device.
[0022]
That is, the semiconductor device includes a compound semiconductor substrate, a pad provided on the compound semiconductor substrate, and a bonding wire fixed to the pad, and the pad is directly disposed on the substrate and activated on the substrate surface under the pad. A region is provided, and the impurity region is characterized in that the expansion of the depletion layer under the pad is regulated.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a compound semiconductor device of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 8 by taking a compound semiconductor switch circuit device using GaAsFET as an example.
[0024]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a compound semiconductor device of the present invention. The source electrodes (or drain electrodes) of the
[0025]
The circuit shown in FIG. 1 has substantially the same circuit configuration as the principle circuit of a compound semiconductor device called SPDT (Single Pole Double Throw) using GaAs FETs shown in FIG. In addition, the gate width Wg of the gate electrode of the
[0026]
Decreasing the gate width Wg compared to the conventional one means increasing the on-resistance of the FET, and the gate electrode area (Lg × Wg) is reduced to reduce the Schottky between the gate electrode and the channel region. This means that the parasitic capacitance due to the junction is reduced, and there is a large difference in circuit operation.
[0027]
Further, greatly reducing the separation distance between the pad and the wiring layer greatly contributes to reducing the size of the compound semiconductor chip.
[0028]
2 and 3 show an example of a compound semiconductor chip in which the compound semiconductor device of the present invention is integrated. In any case, an activated impurity region 40 (indicated by a two-dot chain line) is provided under each pad electrode, and the spread of a depletion layer under the pad electrode can be suppressed by this region. Here, the activated
[0029]
FIGS. 2 and 3 are both compound semiconductor devices using GaAsFETs. The components are the same, but only the shape and arrangement of the
[0030]
Further, an
[0031]
As shown in FIGS. 2 and 3,
[0032]
As is apparent from FIGS. 2 and 3, the components are only pads corresponding to FET1, FET2, resistors R1, R2, common input terminal IN, output terminals OUT1, OUT2, and control terminals Ctl-1, Ctl-2. Compared with the conventional compound semiconductor device shown in FIG.
[0033]
Further, in the present invention, FET1 (FET2 is the same) is formed with a gate width of 700 μm or less and less than half that of the conventional one, so that FET1 can also be half the size of the conventional one. That is, the
[0034]
The cross-sectional structure of FET1 and FET2 is shown in FIG. The
[0035]
Next, a description will be given of whether it is possible to design a design that ensures isolation by omitting the shunt FET in a high frequency band of 2.4 GHz or higher.
[0036]
FIG. 5 shows the relationship of gate width Wg−insertion loss when the gate length Lg of the FET is 0.5 μm.
[0037]
When the input signal is 1 GHz, if the gate width Wg is reduced from 1000 μm to 600 μm, the insertion loss (Insertion Loss) of 0.35 dB to 0.55 dB and 0.2 dB is deteriorated. However, when the input signal is 2.4 GHz, if the gate width Wg is reduced from 1000 μm to 600 μm, an insertion loss of only 0.6 dB from 0.60 dB to 0.65 dB is sufficient. This is because insertion loss (Insertion Loss) is greatly affected by the on-resistance of the FET when the input signal is 1 GHz, but insertion loss (Insertion Loss) is affected by the on-resistance of the FET when the input signal is 2.4 GHz. I knew that I would n’t receive much
[0038]
This is because a 2.4 GHz input signal has a higher frequency than 1 GHz, so that it is considered that the influence of the capacitance component due to the gate electrode of the FET is greater than the on-resistance of the FET. For this reason, when the high frequency of 2.4 GHz or more, if the capacitance component has a greater influence on the insertion loss than the on-resistance of the FET, it is better to design by focusing on reducing the capacitance component rather than the on-resistance. In other words, the idea of completely reversing the conventional design was necessary.
[0039]
On the other hand, FIG. 6 shows the relationship of gate width Wg-isolation when the gate length Lg of the FET is 0.5 μm.
[0040]
When the input signal is 1 GHz, if the gate width Wg is reduced from 1000 μm to 600 μm, the isolation of 19.5 dB to 23.5 dB and 4.0 dB is improved. Similarly, in the case of a 2.4 GHz input signal, if the gate width Wg is reduced from 1000 μm to 600 μm, the isolation of 14 dB to 18 dB and 4.0 dB is improved. That is, it can be seen that the isolation is improved depending on the parasitic capacitance of the OFF-side FET caused by the gate electrode.
[0041]
Therefore, in view of the fact that insertion loss (Insertion Loss) is only slightly worsened in the high frequency band of 2.4 GHz or higher, as shown in FIG. 5, the isolation shown in FIG. 6 is given priority. Thus, the size of the compound semiconductor chip can be reduced by designing. That is, when the input signal is 2.4 GHz, if the gate width Wg is 700 μm or less, 16.5 dB or more of isolation can be secured, and if the gate width Wg is 600 μm or less, 18 dB or more can be secured. Isolation can be ensured.
[0042]
Specifically, in the compound semiconductor device of the present invention whose actual pattern is shown in FIG. 2 and FIG. 3,
[0043]
Next, using FIG. 2, FIG. 3, and FIG. 7, it will be described how to significantly reduce the distance between the pad and the wiring layer.
[0044]
FIG. 7 shows a structure of pads and wirings of the compound semiconductor device of the present invention. 7A shows a bonding pad portion, and FIG. 7B shows a cross-sectional view of the wiring layer portion. As shown in FIG. 2, five pads of a common input terminal IN, output terminals OUT1 and OUT2, and control terminals Ctl-1 and Ctl-2 are arranged around the substrate. Further, as shown in FIG. 7, each pad has an n + -type impurity region 40 (indicated by a two-dot chain line in FIG. 2) provided on the
[0045]
Thereby, the
[0046]
Here, as shown in FIG. 3, the
[0047]
Therefore, since five pads occupy nearly half of the semiconductor chip, the wiring layer can be arranged to the vicinity of the pads if the pad structure of the present invention is employed. Specifically, since the
[0048]
As a result, the size of the compound semiconductor chip of the present invention is 0.37 × 0.30 mm.2I was able to pay. This means that the conventional compound semiconductor chip size can actually be reduced to 20%.
[0049]
Further, when the present invention is applied to a compound semiconductor switch circuit device, a number of circuit characteristics can be improved. First, a voltage standing-wave ratio VSWR (Voltage Standing-Wave Ratio) representing reflection at a switch with respect to high-frequency input power is 1.1 to 1.2. VSWR represents the ratio of the maximum value and the minimum value of the voltage standing wave generated between the reflected wave generated at the discontinuous portion in the high-frequency transmission line and the input wave. In an ideal state, VSWR = 1 means
[0050]
Second, the linearity characteristic indicating the distortion level of the output signal with respect to the high-frequency input signal is
[0051]
Here, in the embodiment of the present invention, the compound semiconductor switch circuit device has been described as an example. However, the present invention is similarly applied to a compound semiconductor device such as an MMIC (for example, an amplifier and a mixer), a diode, and an FET other than the switch circuit device. it can.
[0052]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0053]
First, by providing an impurity region under the pad and the wiring layer that occupies almost half of the semiconductor chip size or under the peripheral edge portion, the distance from the adjacent pad, wiring layer, or other pattern can be reduced to 4 μm. Since they can be arranged close to each other, coupling of high-frequency signals and securing of a withstand voltage of 10 V can be achieved in a small space, and there is an advantage that significant shrinking is possible.
[0054]
Second, focusing on the design that ensures isolation by omitting shunt FETs in the high frequency band of 2.4 GHz or higher, the reciprocal idea that considers the reduction of on-resistance of FETs so far. The gate width Wg of the gate electrodes of FET1 and FET2 used for the switch is designed to be 700 μm or less. As a result, it is possible to reduce the size of the
[0055]
Third, since the compound semiconductor device of the present invention can be designed without the shunt FET, the components are FET1, FET2, resistors R1, R2, common input terminal IN, output terminals OUT1, OUT2, and control terminal Ctl−. Only the pads corresponding to 1 and Ctl-2 have an advantage that they can be configured with the minimum components compared to the conventional compound semiconductor device.
[0056]
Fourth, as described above, the reduction in the separation distance between the minimum component parts, the pad, and the wiring layer enables the semiconductor chip size to be reduced to 20% as compared with a conventional compound semiconductor device. Competitiveness can be greatly improved. Since the chip size can be reduced, it is mounted on a smaller package (SMCP6 size 1.6 mm x 1.6 mm x 0.75 mm) than the conventional small package (MCP6 size 2.1 mm x 2.0 mm x 0.9 mm). Can now.
[0057]
Fifth, since the insertion loss does not increase so much even when the frequency becomes 2.4 GHz or higher, it is possible to design an isolation that can eliminate the shunt FET. For example, even with a 3 GHz input signal and a gate width of 300 μm, sufficient isolation can be secured without a shunt FET.
[0058]
Sixth, in the compound semiconductor device of the present invention, the voltage standing wave ratio VSWR (Voltage Standing-Wave Ratio) representing the reflection at the switch with respect to the high frequency input power can be realized to 1.1 to 1.2, and the reflection is small. Can provide a switch.
[0059]
Seventh, in the compound semiconductor device of the present invention, the linearity characteristic P representing the distortion level of the output signal with respect to the high frequency input signal.IN1 dB can be improved to 30 dBm, and the linearity characteristics of the switch can be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram for explaining the present invention.
FIG. 2 is a plan view for explaining the present invention.
FIG. 3 is a plan view for explaining the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the present invention.
FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram for explaining the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram for explaining the present invention.
9A is a cross-sectional view for explaining a conventional example, and FIG. 9B is a circuit diagram.
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram for explaining a conventional example.
FIG. 11 is a circuit diagram for explaining a conventional example.
FIG. 12 is a plan view for explaining a conventional example.
13A is a plan view and FIG. 13B is a cross-sectional view for explaining a conventional example.
Claims (17)
前記化合物半導体基板上に設けられたパッドと、
前記パッドに固着されるボンディングワイヤーとを備え、
前記パッドは直接前記基板上に配置され、前記パッドの下の前記基板表面に活性化されたn型の不純物領域を設け、前記不純物領域で前記パッド下の空乏層の拡がりを規制することを特徴とする化合物半導体装置。A non-doped compound semiconductor substrate;
A pad provided on the compound semiconductor substrate;
A bonding wire fixed to the pad,
The pad is directly disposed on the substrate, an activated n-type impurity region is provided on the surface of the substrate under the pad, and the expansion of a depletion layer under the pad is regulated by the impurity region. A compound semiconductor device.
前記化合物半導体基板上に設けられたパッドと、
前記パッドに固着されるボンディングワイヤーと、
前記化合物半導体基板上に設けたn型のチャネル層を有するFETとを備え、
前記パッドは直接前記基板上に配置され、前記パッドの下の前記基板表面に活性化されたn型の不純物領域を設け、前記不純物領域で前記パッド下の空乏層の拡がりを規制することを特徴とする化合物半導体装置。A non-doped compound semiconductor substrate;
A pad provided on the compound semiconductor substrate;
A bonding wire fixed to the pad;
An FET having an n-type channel layer provided on the compound semiconductor substrate;
The pad is directly disposed on the substrate, an activated n-type impurity region is provided on the surface of the substrate under the pad, and the expansion of a depletion layer under the pad is regulated by the impurity region. A compound semiconductor device.
前記共通入力端子、前記第1および第2の出力端子、前記制御端子となるパッドは直接前記基板上に配置され、前記パッドの下に活性化されたn型の不純物領域を設け、半絶縁性基板上に直接設けた化合物半導体装置の他のパターンとの離間距離を20μm以下にすることを特徴とする化合物半導体装置。An n-type channel layer is provided on a non-doped compound semiconductor substrate, and first and second FETs having a source electrode, a gate electrode and a drain electrode provided on the surface of the channel layer are formed. A common input terminal is used as first and second output terminals connected to the drain electrode or source electrode of both FETs, and a control signal is applied to a control terminal connected to the gate electrodes of both FETs to either one of the FETs. In a compound semiconductor device in which a signal path is formed with the common input terminal and one of the first and second output terminals by conducting an electric current,
The common input terminal, the first and second output terminals, and the pad serving as the control terminal are directly disposed on the substrate, and an activated n-type impurity region is provided under the pad to provide semi-insulating properties. A compound semiconductor device characterized in that a distance from another pattern of the compound semiconductor device directly provided on the substrate is 20 μm or less.
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