JP2012134251A - 高周波半導体スイッチ - Google Patents

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Abstract

【課題】ゲート配線に良好な電圧分布を形成し、挿入損失特性およびハーモニック特性を向上した高周波半導体スイッチを提供する。
【解決手段】無線通信を切り替えるための高周波半導体スイッチに含まれる電界効果型トランジスタ50であって、基板に形成されたソース領域100と電気的に接続され、一の方向に延びるソース配線60と、基板に形成されたドレイン領域110と電気的に接続され、ソース配線と略平行に延びるドレイン配線70と、ソース配線60およびドレイン配線70の間において、ソース配線60およびドレイン配線70と略平行に延びる平行部分122を有するゲート120と、ゲート120に電圧を印加するためゲート配線80と、ゲート120およびゲート配線80を電気的に接続するゲートビア82と、を有し、平行部分122は、2つの端部126を有し、ゲートビア82から2つの端部126にそれぞれ電圧の印加の経路が形成される電界効果型トランジスタ。
【選択図】図3

Description

本発明は、高周波半導体スイッチに関し、特に、無線通信機器に使用される高周波半導体スイッチに関する。
携帯電話やパソコンなどの無線通信機器のフロントエンドには、高周波半導体スイッチが用いられている。高周波半導体スイッチは、アンテナから受信した受信信号を伝達する経路や、アンテナから送信する送信信号を伝達する経路を切り替える。切り替えのために、高周波半導体スイッチは、複数のFET(電界効果型トランジスタ:Field Effect Transistor)を含む。
FETは、送信信号が入力される送信端子、または、受信信号が出力される受信端子に接続される。信号を送信する際には、送信端子に接続されたFETのゲートに電圧が印加されて、信号を受信する際には、受信端子に接続されたFETのゲートに電圧が印加されて、信号伝達経路が形成される。
FETとしては、櫛形のものが知られている(たとえば、特許文献1参照)。櫛形のトランジスタは、平面として見ると、ソース領域に接続されたソース配線と、ドレイン領域に接続されたドレイン配線とが、それぞれ櫛形に形成され、櫛形の歯が左右から交互にかみ合うように配置されている。ゲートも櫛形に形成されており、ソース配線またはドレイン配線と歯が平行になるように配置されている。
特開平11−103072号公報
しかし、上記のような、櫛形のゲートでは、櫛の歯部分がソース領域およびドレイン領域と同じかそれ以上の長さ延びる。これでは長く延びたゲートの抵抗成分によって電圧降下が発生し、良好な電圧分布が得られない。結果として、挿入損失特性とハーモニック特性が劣化してしまう。
本願発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ゲート配線に良好な電圧分布を形成し、挿入損失特性およびハーモニック特性を向上した高周波半導体スイッチを提供することを目的とする。
無線通信を切り替えるための高周波半導体スイッチに含まれる電界効果型トランジスタは、ソース配線と、ドレイン配線と、ゲートと、ゲート配線と、ゲートビアとを有する。ソース配線は、基板に形成されたソース領域と電気的に接続され、一の方向に延びる。ドレイン配線は、基板に形成されたドレイン領域と電気的に接続され、ソース配線と略平行に延びる。ゲートは、ソース配線およびドレイン配線の間において、ソース配線およびドレイン配線と略平行に延びる平行部分を有する。ゲート配線は、ゲートに電圧を印加する。ゲートビアは、ゲートおよびゲート配線を電気的に接続する。平行部分は、2つの端部を有し、ゲートビアから2つの端部にそれぞれ電圧の印加の経路が形成される。
上記構成によれば、平行部分に2つの端部が形成されゲートビアから電圧が印加される経路が分割される。したがって、経路が短い分、経路の長さによる電圧降下を低減でき、ゲートの電圧分布をより均一にできる。
挿入損失特性およびハーモニック特性を向上できる。
高周波半導体スイッチの概略回路構成の一例を示す図である。 スイッチに含まれるFETのゲートである。 配線の下部に位置するゲート、ソース領域およびドレイン領域を示す平面図である。 図2の4−4線に沿って切った断面図である。 図2の5−5線に沿って切った断面図である。 図2の6−6線に沿って切った断面図である。 図2の7−7線に沿って切った断面図である。 比較形態の配線を示す平面図である。 第2実施形態の高周波半導体スイッチに含まれるFETのゲートである。 配線の下部に位置するゲートである。 図9の11−11線に沿って切ったFETの概略断面図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。また、説明中の「〜上に形成する」という表現は、直接接触して設けられる場合だけでなく、他の物質を介して間接的に設けられる場合も含む。明細書中の「略」は、製造誤差、製造精度程度を含めることを意味する。たとえば、「略」平行とは、製造誤差、製造精度程度により完全には平行にならない場合も含む。
(第1実施形態)
図1は、高周波半導体スイッチの概略回路構成の一例を示す図である。
図1に示すように、高周波半導体スイッチ10は、4つのシリーズスイッチ20a〜dを含む。シリーズスイッチ20a〜dは、アンテナ端子30とRF端子40a〜dとの間に設けられる。シリーズスイッチ20a〜dは、それぞれ、少なくとも一つの電界効果型トランジスタ(以下、FETと呼ぶ)を含む。同じシリーズスイッチ20a〜dに含まれる複数のFETは、図示されるように、同時にゲートに電圧を印加できる。したがって、シリーズスイッチ20a〜d毎にゲートへの電圧の印加を切り替えることによって、アンテナ端子30およびRF端子40a〜d間の導通を制御できる。なお、FETには、ボディにも電圧が印加されている。
図1に示す例においては、RF端子40a〜dは、RF端子40a、bが送信端子(TX)であり、RF端子40c、dが受信端子(RX)である。送受信端子は、たとえば、周波数分割複信方式のための異なる周波数の端子や、時分割複信方式のために所定時間毎に切り替えられるための端子である。
たとえば、シリーズスイッチ20aがオンにされ、他のシリーズスイッチ20c〜dがオフにされることにより、900MHzの周波数の送信が実現され、シリーズスイッチ20cがオンにされ、他のシリーズスイッチ20a、b、dがオフにされることにより、900MHzの周波数の受信が実現される。シリーズスイッチ20およびRF端子40の数は、送受信の方式や必要な多様性によって適宜増減できる。
次に、シリーズスイッチ20a〜dに含まれる複数のFET50のうち、一つFETの構造に注目して説明する。
図2はスイッチに含まれるFETのゲート、ソースおよびドレイン配線を示す概略平面図、図3は配線の下部に位置するゲート、ソース領域およびドレイン領域を示す平面図である。図2は、たとえば、図1の点線で丸く囲まれたFET50aの配線を示す。図3は図2の配線の下部に形成されるゲート、ソース領域およびドレイン領域を示す。
図2に示すように、FET50aには、ソース配線60、ドレイン配線70、ゲート配線80およびボディ配線90が設けられる。
ソース配線60およびドレイン配線70は、それぞれ櫛形に形成されている。ソース配線60は、櫛形の柄部分62と、柄部分62と略直交する方向(一の方向)に延びた歯部分64とを有する。歯部分64にはビア66が形成されている。ビア66を介して、ソース配線60は、図3に示すソース領域100に接続されている。ソース領域100は、基板に形成されており、図3に示すように、ゲート120の両側で分割されている。ただし、ソース配線60の歯部分64が上部で連続しているので、ソース配線60から分割されたソース領域100の両側に電圧が印加される。
ドレイン配線70も、ソース配線60と類似に形成されている。櫛形の柄部分72と、柄部分72と略直交する方向(一の方向)に延びた歯部分74とを有する。歯部分74にはビア76が形成されている。ビア76を介して、ドレイン配線70は、図3に示すドレイン領域110に接続されている。ドレイン領域110は、基板に形成されており、図3に示すように、ゲート120の両側で分割されている。ただし、ドレイン配線70の歯74が上部で連続しているので、ドレイン配線70から分割されたドレイン領域110の両側に電圧が供給される。
ゲート配線80は、ソース配線60の柄部分62およびドレイン配線70の柄部分72の間であって、平面からみて歯部分64、74と略直交し、柄部分62、72と略平行である。好ましくは、ゲート配線80は、柄部分62、72の略中央に位置する。ゲート配線80にはビア(ゲートビア)82が形成されている。ビア82を介して、ゲート配線80は、図3に示すゲート120に接続されている。
ゲート120は、図3に示すように、ソース配線60の歯部分64およびドレイン配線70の歯部分74と略平行に延びる平行部分122と、平行部分122と同一層に形成され平行部分122と直交して延びる1本の直交部分124とを有する。平行部分122は、2つの端部126を有し、1本の直交部分124から両側に延びる。ビア82は、直交部分124上であって、平行部分122と直交部分124との交点から外れた位置に設けられている。
ボディ配線90は、ゲート120、ソース領域100およびドレイン領域110の両側に、ゲート120の直交部分124と略平行に2本に形成される。ボディ配線90にはビア(ボディビア)92が形成されている。ビア92を介して、ボディ配線90は、後述するSOI基板のボディ領域に電気的に接続される。ボディ領域は、ゲート120の下に形成されている。ビア92は、たとえば、図3に示すように、ゲート120の平行部分122の両側に設けられる。ビア92を介して、ボディ領域に電圧が印加される。
次に、上述の配線、領域、ビアの立体的な位置関係を断面図を参照して説明する。
図4は図2の4−4線に沿って切った断面図、図5は図2の5−5線に沿って切った断面図、図6は図2の6−6線に沿って切った断面図、図7は図2の7−7線に沿って切った断面図である。なお、図4〜7では、一部の層間絶縁膜については図示を省略している。
図4〜7に示すように、FET50は、SOI基板上に形成される。ある導電形(たとえばP形)のシリコン基板130上に酸化シリコンの絶縁膜140が形成されている。絶縁膜140上の半導体層150には、基板とは異なる導電形(たとえばN形)のソース領域100およびドレイン領域110が形成されている。ソース領域100およびドレイン領域110間のボディ領域150上には、酸化膜160を介して、ゲート120が形成されている。
ゲート120は、ポリシリコン層から形成される。ゲート配線80は、図4、7に示すように、ゲート120の上部に形成され、ビア82を介してゲート120に電気的に接続される。ビア82は、層間絶縁膜を開口してできたビアホールに金属材料を流し込むことによって形成できる。
ゲート120の上部には、ゲート120と接触しないように、ソース配線60およびドレイン配線70が形成されている。図5に示すように、ソース配線60およびドレイン配線70は、ビア66、76を介して、それぞれ、ソース領域100およびドレイン領域110に電気的に接続される。ビア66、76は、層間絶縁膜を開口してできたビアホールに金属材料を流し込むことによって形成できる。
図6に示すように、ボディ配線90は、ゲート120の両側上方に形成されている。ボディ配線90に接続されたビア92は、ボディ領域150と接続される。ボディ配線90は、図7に示すように、ゲート配線80と同じ高さに形成されている。
図7に示すように、ソース配線60は、ゲート配線80およびゲート120を跨ぐように形成される。ソース配線60は、ゲート120の下部のボディ領域150によって分割されたソース領域100に、ビア66を介して電圧を印加する。
次に、本願発明と比較するための比較形態と対比して説明する。
図8は、比較形態の配線を示す平面図である。
図8に示すように、比較形態では、ソース配線160、ドレイン配線170、ゲート配線180が、それぞれ櫛形に形成されている。したがって、ゲート配線180に設けられたゲートビア182から、ゲート220の先端222までの距離Lpの長さ分電圧降下が生じ、電圧分布が悪くなってしまう。結果として、挿入損失特性とハーモニック特性が劣化してしまう。
一方、図2に示すように、本実施形態では、ゲート配線80がソース配線60およびドレイン配線70の間に形成され、ビア82もゲート配線80に沿って設けられている。そして、ゲート120の平行部分122に2つの端部126がある。したがって、ビア82から、ゲート120の2つの先端126までの距離Lは、図8の距離Lpよりも短くなる。換言すると、ゲート120の平行部分122に先端126が2つ形成されているので、ビア82から先端126までの経路が1本ではなく2本に分割され、それぞれの距離も短くなる。距離が短くなった分、電圧降下が少なくなり、ゲート120における電圧分布が均等になる。ゲート120にかかる電圧が均等になるので、ボディ領域150に形成される反転層も均等になり、挿入損失特性が向上する。加えて、ゲート120における電圧分布が均等になると、信号の歪がなくなるので、ハーモニック特性も向上する。
特に、ゲート配線80がソース配線60およびドレイン配線70の中央に配置される場合、左右対象になり、しかもビア82からゲート120先端126までの距離が距離Lpの約半分になる。したがって、よりゲート120における電圧分布を均等にでき、挿入損失特性およびハーモニック特性を向上できる。
加えて、図8に示す比較形態では、ボディ配線190が一本で片側に形成されている。ボディ配線190から電圧が印加されるボディ領域は、ゲート220の下に形成される。したがって、ビア192からボディ領域の先端までの距離がおよそゲート120と同じ距離Lpとなってしまう。ボディ領域に印加される電圧もおよそ距離Lpの長さ分電圧降下が生じる。比較形態では、ボディ領域にかかる電圧分布も悪くなってしまうので、結果として、挿入損失特性とハーモニック特性が劣化してしまう。
一方、図2に示すように、本実施形態では、ボディ配線90が左右に形成されている。ゲート120の下部のボディ領域150は、両側(図中左右)のビア92から電圧が印加されるので、電圧降下が発生する距離が、距離Lpの約半分になる。結果として、比較形態に比べて挿入損失特性およびハーモニック特性を向上できる。
(第2実施形態)
図9は第2実施形態の高周波半導体スイッチに含まれるFETのゲート、ソースおよびドレイン配線を示す概略平面図、図10は配線の下部に位置するゲート、ソース領域およびドレイン領域を示す平面図、図11は、図9の11−11線に沿って切ったFETの概略断面図である。第1実施形態と同様の構成には、同じ参照番号を付し、その説明を省略している。
第2実施形態の高周波半導体スイッチに含まれるFET50では、ソース配線260およびドレイン配線270は、第1実施形態と同様に櫛形に形成される。ソース配線260およびドレイン配線270は、それぞれ、柄部分262、272、歯部分264、274およびビア266、276を有する。ゲート配線280は、図9に示すように、ソース配線260およびドレイン配線270の柄部分262、272と平行に、両側に2本形成される。
ゲート配線280は、ソース配線260およびドレイン配線270の歯部分264、274の延びる方向(一の方向)と直交する方向に2本延び、ゲート320(平行部分)を挟むように形成される。ゲート320は、上記一の方向で2本に分割され、各ゲート配線280から互いに近づくように延びる。ゲート320は、2つの端部322がボディ配線290の両側に位置する。
ゲート配線280は、ゲートビア282を有し、ビア282を介して、ゲート320に電気的に接続されている。ビア282は、ゲート配線280とゲート320の交点に設けられる。
ボディ配線290は、ゲート配線280と略平行に、平面から見て、分割されたゲート320の間に形成される。ボディ配線290は、平面から見て、分割されたソース領域300およびドレイン領域310の間も通るように、中央で伸延している。ボディ配線290はボディビア292を有し、図11に示すように、SOI基板に形成されたボディ領域350に接続されている。ボディビア292を介して、ボディ配線290からボディ領域に電圧が印加される。
以上のように構成された第2実施形態に係るFET50では、ゲート320は、一の方向で2つに分割され、それぞれが中央に向かって延びている。ゲート320が分割された分、ビア282から、ゲート320の先端322までの距離は、図8に示す形態と比べて約半分になる。電圧が印加される距離が短くなる分、電圧降下が少なくなり、ゲート320における電圧分布が均一である。
加えて、ボディ配線290が中央に形成されているので、ビア292からボディ領域350の端部までの距離が、図8に示す形態と比べて約半分になる。したがって、電圧が印加される距離が短くなる分、電圧降下が少なくなり、ボディ領域350における電圧分布が均一である。このように、第2実施形態においても、図8の比較形態に比べて、FET50の電圧分布が均一であり、結果として、挿入損失特性およびハーモニック特性を向上できる。
なお、本明細書では、平面からみて、第1実施形態として、ゲート配線を中央に配置し、ボディ配線を両側に配置する形態を説明し、第2実施形態として、ボディ配線を中央に配置し、ゲート配線を両側に配置する形態を説明した。本発明は、平面から見て、当該配置関係が満たされておればよい。ゲート配線、ソース配線、ドレイン配線、ボディ配線の高低の位置関係については、設計変更できる。たとえば、第1実施形態では、ボディ配線90を、ソース配線60およびドレイン配線70よりも高い位置に形成することもできる。
なお、ソース配線60、260およびドレイン配線70、270が櫛形の場合について説明したが、これに限定されない。櫛形でなくとも、少なくとも1本位置の方向に延びていればよい。たとえば、1本の歯部分64を一の方向に延びるソース配線60とし、1本の歯部分74をソース配線60と略平行に延びるドレイン配線70としてもよい。
10 高周波半導体スイッチ、
20a〜d シリーズスイッチ、
30 アンテナ端子、
40a〜d 端子、
50 FET、
60、260 ソース配線、
62、262 柄部分、
64、264 歯部分、
66、76、82、92、282、292、 ビア、
70、270 ドレイン配線、
72 柄部分、
74 歯部分、
80、280 ゲート配線、
90、290 ボディ配線、
100、300 ソース領域、
110、310 ドレイン領域、
120、220、320 ゲート、
122 平行部分、
124 直交部分、
126、322 端部、
130 シリコン基板、
140 絶縁膜、
150、350 ボディ領域、
160 酸化膜。

Claims (6)

  1. 無線通信を切り替えるための高周波半導体スイッチに含まれる電界効果型トランジスタであって、
    基板に形成されたソース領域と電気的に接続され、一の方向に延びるソース配線と、
    基板に形成されたドレイン領域と電気的に接続され、前記ソース配線と略平行に延びるドレイン配線と、
    前記ソース配線および前記ドレイン配線の間において、前記ソース配線および前記ドレイン配線と略平行に延びる平行部分を有するゲートと、
    前記ゲートに電圧を印加するためゲート配線と、
    前記ゲートおよび前記ゲート配線を電気的に接続するゲートビアと、
    を有し、
    前記平行部分は、2つの端部を有し、前記ゲートビアから前記2つの端部にそれぞれ電圧の印加の経路が形成される電界効果型トランジスタ。
  2. 前記ゲートは、前記平行部分と同一層に形成され、当該平行部分に直交して延びる直交部分も有し、
    前記ビアは、前記直交部分上に設けられる請求項1記載の電界効果型トランジスタ。
  3. 前記直交部分は、1本形成され、
    前記平行部分は、前記直交部分から両側に延びる請求項1または請求項2記載の電界効果型トランジスタ。
  4. 前記ゲートの下部であって、前記基板に形成されたボディ領域と、
    前記ボディ領域に電圧を印加するためのボディ配線と、
    前記ボディ領域と前記ボディ配線とを電気的に接続するボディビアとをさらに有し、
    前記ボディ配線は、前記直交部分と略平行に、前記ゲートの両側に形成される請求項3記載の電界効果型トランジスタ。
  5. 前記ゲート配線は、一の方向と直交する方向に2本延び、前記平行部分を挟むように形成され、
    前記平行部分は2本に分割され、各ゲート配線から互い近づくように延びる請求項1記載の電界効果型トランジスタ。
  6. 前記ゲートの下部であって、前記基板に形成されたボディ領域と、
    前記ボディ領域に電圧を印加するためのボディ配線と、
    前記ボディ領域と前記ボディ配線とを電気的に接続するボディビアとをさらに有し、
    前記ボディ配線は、前記ゲート配線と略平行に、分割された前記平行部分の間に形成される請求項5記載の電界効果型トランジスタ。
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