JP3072288B2

JP3072288B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3072288B2
Application number: JP11023396A
Authority: JP
Inventors: 真人宮宇地; 浩哉佐藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2000-07-31
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JPH11265895A

Description

【発明の詳細な説明】

【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）のような縦
型トランジスタを同一基板内に複数個含む半導体装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】III−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャ
ル技術の進歩によりヘテロ接合が高精度制御のもとで形
成できるようになり、高速・高周波デバイスとして期待
されていたヘテロジャンクション・バイポーラ・トラン
ジスタ（ＨＢＴ）やホットエレクトロントランジスタな
どのヘテロ接合を含む縦型トランジスタの研究が盛んに
行われるようになってきた。また、最近では素子自体の
特性向上に伴って集積回路（ＩＣ）での研究も盛んに行
われるようになってきている。

【０００３】一般に、同一基板内に複数のトランジスタ
を含む半導体装置や集積回路においては、それらのトラ
ンジスタどうしを接続配線する必要があるが、トランジ
スタの構成部位は３つ（エミッタ，ベースおよびコレク
タ）であるため、それらの部位を接続しようと配線を行
うと、図１１に示すように配線が交差する部位Ｐが生じ
ることが避けられない構造となってしまう。図１１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はエミッタ配線、１２はベース配線、１３
はコレクタ配線である。この図の場合、エミッタ配線１
１に対してコレクタ配線１３が交差している。

【０００４】互いに交差する両配線１１，１３は電気的
に接触してはならない。この交差部位Ｐでは、図１２の
（ａ），（ｂ）に示すように、エミッタ配線１１に対し
絶縁層２０を介してコレクタ配線１３を立体交差させる
ことで、両配線１１，１３の接触を回避する橋渡し配線
の構造を採用している。図中、２５は半導体基板であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
橋渡し配線による交差部位Ｐでは、絶縁物が導体に挟ま
れた構造となっているために、両配線１１，１３と絶縁
層２０との間に寄生容量が生じてしまい、トランジスタ
の特性劣化を引き起こすという問題があった。また、橋
渡し配線での寄生容量を小さくするために交差部位Ｐの
配線の面積を小さくすると、寄生抵抗が発生してしまい
同様にトランジスタの特性劣化を引き起こすという問題
があった。特に、高速・高周波デバイスとしての縦型ト
ランジスタにおいては、トランジスタの性能，特性の向
上のためには、寄生容量および寄生抵抗をできるだけ低
減することが重要な課題となっている。

【０００６】ところで、交差部位Ｐにおいては、図１３
に示すように、絶縁層を介さないで上下両配線１１ａ，
１３ｂを非接触に交差させるエアーブリッジ構造が採用
されていることもある。すなわち、下側の配線１１ａに
対して上側の配線１３ａを宙に浮かした構造とするので
ある。

【０００７】このエアーブリッジ構造は、絶縁層を介さ
ないので寄生容量の増加は生じないが、上側の配線１３
ａを宙に浮かせた構造となっていることから、その上側
の配線１３ａの強度として所要の強度を確保するために
はエアーブリッジ長さをあまり大きくとることができ
ず、したがって、下側の配線１１ａをできるだけ細くか
つ薄くしなければならない。しかし、そうすると、寄生
抵抗が不可避的に増大してしまうという問題があった。
さらに、エアーブリッジ構造は、配線製造工程が複雑か
つ困難であり、また、基板表面からの小さな荷重でも配
線どうしが接触してショート（短絡）してしまうという
問題があった。つまり、エアーブリッジ構造は、コスト
面と信頼性面で問題を有している。

【０００８】縦型トランジスタにおける半導体基板に使
用されているＧａＡｓのバンドギャップはＳｉよりも約
０．３ｅＶ大きいので、それに応じて電源電圧を高くす
る必要があり、消費電力の増大につながる。さらに、Ｇ
ａＡｓの熱伝導率は０．４６Ｗ／ｃｍ℃でＳｉの３分の
１程度であるため、縦型トランジスタにおいては消費電
力の増大に伴う発熱が問題となっている。すなわち、ト
ランジスタが発生する熱によりトランジスタが誤動作を
起こしたり、場合によっては故障するおそれもある。そ
のため、発生した熱を速やかに放散しなければならな
い。

【０００９】そこで、従来では、半導体基板の厚さを２
０μｍ程度まで薄くし、基板裏面に金などの熱伝導性の
良い金属を形成し、トランジスタより発生した熱を裏面
より放散させるプレーティッドヒートシンク（ＰＨＳ）
という方法が採用されていた。

【００１０】しかしながら、このプレーティッドヒート
シンク法では、基板裏面に対する製造工程を必要とし、
基板表面の回路パターンの裏面に対するアライメント
（位置合わせ）を行う等の工程数が増えるため製造方法
が複雑化している。さらに、放熱効果を得るために半導
体基板を２０μｍ程度にまで薄くしなければならないの
で半導体基板の強度が低下し、製造中における半導体基
板の破損の原因となって歩留まりが低下し、コストの増
加を招いていた。

【００１１】また、半導体基板の強度低下を抑えるべ
く、放熱効果のために裏面に形成する金を２０μｍ程度
の厚さにまで厚くすることも行われているが、残留応力
のために充分な強度の改善が望めないだけでなく、金を
大量に使用するためにコストの大幅な増大を招いている
という問題があった。

【００１２】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、同一の半導体基板内に複数個の縦型
トランジスタを含む半導体装置において、縦型トランジ
スタがもつ発熱の問題を軽減し、さらに配線交差による
寄生容量および寄生抵抗の増大という問題を解消するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の半導
体装置は、半絶縁性基板内に複数個の縦型トランジスタ
が間隔を有して配列された半導体装置において、前記各
縦型トランジスタは、前記半導体基板の上方からみてコ
レクタ電極とベース層が重ならない構造であって、前記
配列が端部に位置する隣合う前記縦型トランジスタの間
隔よりも、中央部に位置する隣合う前記縦型トランジス
タの間隔の方が広くなることを特徴とするものである。

【００１４】本発明に係る第２の半導体装置は、前記複
数個の縦型トランジスタのベース配線、コレクタ配線、
及びエミッタ配線が、空間的に非交差状態で配置されて
いることを特徴とするものである。

【００１５】本発明に係る第３の半導体装置は、前記ベ
ース配線と前記コレクタ配線が互いに入り込むようにパ
ターニングされ、前記エミッタ配線が前記ベース配線と
前記コレクタ配線の間を縫うように配置されていること
を特徴とするものである。

【００１６】共通の半導体基板中において複数個の縦型
トランジスタの配置を一部分に密集したり均等分布状態
に配置したりしていたのでは、上記の熱放散の効果を最
大限に引き上げることはできない。すなわち、熱放散の
場合の熱の拡散の状況は、近似的に熱源に対して４５°
の角度で放熱対象物内を拡がっていくと考えられるた
め、放熱路は放熱対象物における熱源とは反対側の面で
は放熱対象物の厚さｄと同じ寸法だけ半径方向に拡がっ
たものとみなせる（図９参照）。したがって、熱源どう
しの間隔が２ｄ以上であれば、各々の放熱路が互いに干
渉することなく最大限の放熱効果を発揮するものと期待
できる。そのため、半導体基板中において縦型トランジ
スタの間隔を自由にとることができるのであれば、放熱
対象物である配線基板の厚さの２倍の距離以上に縦型ト
ランジスタの間隔を確保すれば、熱抵抗の削減効果が期
待できる。

【００１７】しかしながら、配線基板は、どのような材
質のものを使用するにしても、半導体チップの保持とい
う強度上等の関係から０．４ｍｍ以上の厚さが必要であ
る。

【００１８】したがって、上記の条件に従った場合に
は、トランジスタ間隔が最低でも０．８ｍｍ以上ある必
要がある。しかし、一方で、半導体装置自体の大きさも
動作周波数の波長の半分以下にしなければならないこと
や、集積化する有利性やコストなどを常識的に考えると
数ｃｍ角以下であることが望ましい。したがって、トラ
ンジスタ間隔を０．８ｍｍもとることは事実上不可能で
あり、隣り合った縦型トランジスタの放熱路はどうして
も互いに重なり合ってしまうことになる。

【００１９】そこで、すべてのトランジスタ間隔を同一
にして放熱路の重なりをすべての部分で同様にすると考
えると、半導体基板の周辺に配置されているトランジス
タの放熱路については重なり部分の分布密度が低いため
に、周辺では放熱効果が高くなる。これに対して半導体
基板の中央に配置されているトランジスタの放熱路につ
いては重なり部分の分布密度が高いために、中央では放
熱効果が低くなる。中央から周辺方向に向かって温度勾
配が生じるが、結局は中央部分に熱がこもることにな
り、単に間隔が一定になるようにトランジスタを配置し
たのでは放熱効果は不充分なものとなる。

【００２０】さて、本発明の半導体装置によれば、同一
の半導体基板内の複数個の縦型トランジスタを、基板中
心に向かうにつれて相互のトランジスタ間隔が広くなる
ように配置してあるので、隣り合うトランジスタの放熱
路の重なり部分を中央側ほど少なくすることになり、半
導体基板の中央部分に熱がこもることを軽減緩和するこ
とができて高い放熱効果をもたらすことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体装置の
実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は第１実
施例の半導体装置の基本的な構成を示す平面図である。
図において、３０は半導体基板（半絶縁性ＧａＡｓ基
板）、破線で示す４０は縦型トランジスタ（ＨＢＴ：ヘ
テロジャンクション・バイポーラ・トランジスタ）、丸
形で示す６１はエミッタ突起電極、右下がりハッチング
で示す６２はベース配線、左下がりハッチングで示す６
３はコレクタ配線、６２ａはベースコンタクトホール、
６３ａはコレクタコンタクトホールである。半導体基板
３０上に複数個の縦型トランジスタ４０が所定の間隔を
隔てて形成されている。

【００２２】図２の（ａ）は電極片側タイプの縦型トラ
ンジスタ（ＨＢＴ）４０を拡大して示す平面図、（ｂ）
はその断面図である。また、図３の（ａ）は電極両側タ
イプの縦型トランジスタ（ＨＢＴ）４０を拡大して示す
平面図、（ｂ）はその断面図である。

【００２３】これらの縦型トランジスタ４０は、半導体
基板（半絶縁性ＧａＡｓ基板）３０上に、ＭＢＥ（分子
線エピタキシャル）法もしくはＣＶＤ（化学気相成長）
法などにより、次の３層の半導体層を形成したものであ
る。すなわち、エミッタ層４１とベース層４２とコレク
タ層４３とである。

【００２４】エミッタ層４１は、ｎ型のＡｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ層（０＜ｘ≦１）であって、例えば、Ａｌの組成比ｘ
＝０．３で、Ｓｉをドープして不純物濃度を１×１０¹⁸
ｃｍ^-3、厚さを０．１４μｍ程度としたものである。ベ
ース層４２は、ｐ型のＧａＡｓ層であって、例えば、炭
素Ｃをドープして不純物濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ
を０．０８μｍ程度としたものである。コレクタ層４３
は、ｎ型のＧａＡｓ層であって、例えば不純物濃度を１
×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さを０．７μｍ程度としたものであ
る。

【００２５】なお、コレクタ層（ｎ−ＧａＡｓ層）４３
と半導体基板（半絶縁性ＧａＡｓ基板）３０との間にバ
ッファ層としてｎ型のＧａＡｓ層を介在させ、また、エ
ミッタ層（ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層）４１の上部にｎ型
のＧａＡｓ層もしくはｎ型のＩｎＧａＡｓ層を介在させ
てもよい。これらエミッタ層４１，ベース層４２および
コレクタ層４３は、化学エッチング法によりそれぞれメ
サ型にエッチングされて形成される。

【００２６】オーミックコンタクトをとるために、エミ
ッタ層４１上にエミッタ電極５１が接合形成され、ベー
ス層４２上にベース電極５２が接合形成され、コレクタ
層４３上にコレクタ電極５３が接合形成されている。ｎ
型半導体上のエミッタ電極５１とコレクタ電極５３には
ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕが使用され、ｐ型半導体上のベー
ス電極５２にはＴｉ／ＡｕもしくはＰｔ／Ａｕが使用さ
れる。

【００２７】このような構成の縦型トランジスタ４０が
共通の半導体基板３０上において縦横に所定の間隔を隔
てて複数個形成されている。各縦型トランジスタ４０の
ベース電極５２に対してこれらを並列に接続する状態で
ベース配線６２が半導体基板３０上にパターニングさ
れ、同様に、各縦型トランジスタ４０のコレクタ電極５
３に対してこれらを並列に接続する状態でコレクタ配線
６３が半導体基板３０上にパターニングされている。こ
れらベース配線６２とコレクタ配線６３とは、Ｔｉ，Ｐ
ｔ，Ａｕを連続蒸着して形成される。図１に明示されて
いるように、ベース配線６２とコレクタ配線６３とは、
非交差状態で互いに入り込むようにパターニングされて
いる。そして、各々の配線上に外部端子とのコンタクト
用のベースコンタクトホール６２ａとコレクタコンタク
トホール６３ａとが形成されている。一方、各縦型トラ
ンジスタ４０のエミッタ電極５１に対しては金メッキに
よりエミッタ突起電極６１が個別的に接合形成されてい
る。半導体基板３０上においてベース配線６２とコレク
タ配線６３とはパターニングするが、エミッタ配線はパ
ターニングせず、エミッタ突起電極６１を設けたので、
半導体基板３０上で配線の交差部位がなくなり、したが
って、寄生容量および寄生抵抗の増大の問題はなくな
る。

【００２８】以上のように構成された半導体装置本体だ
けでは信号の出力ができない。そこで、図４に示すよう
に、表面に所要のパターンで配線７１を施してある配線
基板７０を半導体装置本体に対向させ、フリップチップ
ボンダーを用いて互いに接近させて所要の圧力で押圧す
ることにより、配線基板７０の配線７１に対して各エミ
ッタ突起電極６１をフリップチップ接続する。配線基板
７０の構成素材として、放熱効果を良好なものとするた
め、絶縁性があって、かつ、熱伝導率の高い窒化アルミ
ニウム基板を用いることが非常に好ましい。対向配置さ
れた窒化アルミニウム配線基板７０上の配線７１に対し
てフリップチップボンダーにより所要の圧力がかけられ
てエミッタ突起電極６１を介してフリップチップ実装さ
れている。各縦型トランジスタ４０のエミッタ部で発生
した熱は、熱伝導率の低いＧａＡｓよりなる半導体基板
３０を通してよりも熱伝導率の高い金よりなるエミッタ
突起電極６１を介して放熱されるので、放熱効果が高
い。その上、熱伝導率の高い窒化アルミニウム配線基板
７０を通して効率良く拡散するので、放熱効果を一層高
めることができる。

【００２９】なお、エミッタ突起電極６１だけでなく、
ベースコンタクトホール６２ａおよびコレクタコンタク
トホール６３ａ上にそれぞれコンタクト用突起電極を金
メッキによって接合形成し、それらのコンタクト用突起
電極を配線基板７０上の配線７１にフリップチップ接続
するように構成してもよい。

【００３０】図５は第２実施例に係る半導体装置の構成
を示す平面図である。第１実施例（図１）と相違してい
る点は、非交差状態で互いに入り込むようにパターニン
グされたベース配線６２とコレクタ配線６３との間を縫
うようにして、各縦型トランジスタ４０のエミッタ突起
電極６１（エミッタ電極５１）を並列に接続するエミッ
タモニタ配線６４が半導体基板４０上にパターニング形
成されている構成である。エミッタモニタ配線６４のう
ち半導体基板３０の対角角部に位置する大きな面積部分
には、外部端子とのコンタクトをとるためのエミッタコ
ンタクトホール６４ａが形成されている。エミッタモニ
タ配線６４を形成したことにより、製造途中において、
このエミッタモニタ配線６４を利用してフリップチップ
接続の前段階で特性評価を実施することができる。

【００３１】エミッタモニタ配線６４は、これをそのま
ま残す場合には、実使用における動作時にほとんど電流
が流れないようにするため、抵抗値が１００Ω〜１００
ｋΩの高抵抗の材料で形成されるべきであり、そのよう
な材料として例えばタングステンなどを挙げることがで
きる。あるいは、エミッタモニタ配線６４は、実使用時
に電流が全く流れないように切断するのでもよい。加熱
溶融によって溶断する場合には、エミッタモニタ配線６
４の構成材料として、その融点が製造中のハンドリング
温度に耐えられるように１００℃以上で、かつ、半導体
装置の耐熱温度である４００℃以下のものを採用するの
がよい。そのような例として、ＮｉＣｒやＩｎハンダな
どの低融点材料を挙げることができる。あるいは、縦型
トランジスタ４０の特性評価の後であって、配線基板７
０に対するフリップチップ接続の前段階でレーザートリ
マやイオンビームなどにより積極的かつ物理的に切断す
るのでもよい。この場合には、エミッタモニタ配線６４
の構成材料として、ベース配線６２やコレクタ配線６３
と同様にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどで構成されたものであっ
てもよい。

【００３２】図６は第３実施例に係る半導体装置の構成
を示す平面図である。第２実施例（図５）と相違してい
る点は、半導体基板３０上に電気的接続を目的としない
複数個のダミー突起電極８０を設けた点である。各ダミ
ー突起電極８０は、エミッタモニタ配線６４上に形成さ
れているが、特にこれに限定する必要はない。各ダミー
突起電極８０は、エミッタ突起電極６１の形成工程と同
一工程において金メッキにより形成される。半導体基板
３０から突出し対向する配線基板７０にフリップチップ
接続される突起電極の数がエミッタ突起電極６１とダミ
ー突起電極８０との合計となるため、フリップチップ接
続時の荷重制御が容易になる。

【００３３】各ダミー突起電極８０は、エミッタ突起電
極６１と高さを合わせる必要がある。そのための構成と
して、図７にはダミー突起電極８０の下に構造物を配置
して縦型トランジスタ４０のエミッタ部に形成されるエ
ミッタ突起電極６１との高さの差ｈをなくす構成が示さ
れている。すなわち、図７（ａ）の場合は、縦型トラン
ジスタ４０の形成後にメッキや蒸着などにより金などの
金属構造物８１が形成され、その後において縦型トラン
ジスタ４０のエミッタ部上と金属構造物８１上とに金メ
ッキによりエミッタ突起電極６１とダミー突起電極８０
とを同時に形成したものである。また、図７（ｂ）の場
合は、縦型トランジスタ４０の形成時のメサ部の化学エ
ッチングの際に、ダミー突起電極形成箇所においてメサ
部構造物８２を残しておき、その後において縦型トラン
ジスタ４０のエミッタ部上とメサ部構造物８２上とに金
メッキによりエミッタ突起電極６１とダミー突起電極８
０とを同時に形成したものである。以上のようにして、
各ダミー突起電極８０の高さが各エミッタ突起電極６１
の高さと同一となるように調整されているのである。

【００３４】この第３実施例の場合、図８に示すよう
に、対向する窒化アルミニウム配線基板７０に対して複
数個のエミッタ突起電極６１と複数個のダミー突起電極
８０とを介してフリップチップ実装される。

【００３５】図９は、熱源９０と放熱対象物９１の厚さ
ｄと放熱路９２の関係を示す。熱源９０から放熱対象物
９１に対して４５°の角度で放熱路９２が形成される。
その放熱路９２は、熱源９０の大きさに比べて放熱対象
物９１の厚さｄと同じだけ半径方向に拡がったものとな
る。

【００３６】図１０は第４実施例の半導体装置の構成を
示す平面図である。四角形で示す４０は縦型トランジス
タ、破線で示す６２はベース配線、実線で示す６３はコ
レクタ配線、一点鎖線で示す６４はエミッタモニタ配線
である。同一の半導体基板３０内において複数個の縦型
トランジスタ４０が、基板３０の中心に向かうにつれて
相互のトランジスタ間隔が広くなるように配置されてい
る。これは、隣り合うトランジスタの放熱路の重なり部
分の分布密度が半導体基板３０の周辺に比べて中心側ほ
ど高くなる傾向を勘案したもので、縦型トランジスタ４
０の分布密度を中央ほど疎にすることにより、半導体基
板３０の中央分布に蓄熱する現象を軽減し、放熱効果を
できるだけ高めたものである。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係る半導体装置によれば、半導
体基板の中心に向かうにつれてトランジスタ間隔が広く
なるように複数の縦型トランジスタを配置することによ
り隣り合うトランジスタの放熱路の重なり部分を中央側
ほど少なくでき、基板中央部での蓄熱現象を軽減して高
い放熱効果をもたらすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る半導体装置の基本的
な構成を示す平面図である。

【図２】電極片側タイプの縦型トランジスタの構造を拡
大して示す平面図と断面図である。

【図３】電極両側タイプの縦型トランジスタの構造を拡
大して示す平面図と断面図である。

【図４】第１実施例の半導体装置のフリップチップ実装
の様子を示す側面図である。

【図５】本発明の第２実施例に係る半導体装置の構成を
示す平面図である。

【図６】本発明の第３実施例に係る半導体装置の構成を
示す平面図である。

【図７】第３実施例におけるダミー突起電極の構造を示
す断面図である。

【図８】第３実施例の半導体装置のフリップチップ実装
の様子を示す側面図である。

【図９】熱源と放熱対象物と放熱路の関係を示す断面図
である。

【図１０】本発明の第４実施例に係る半導体装置の構成
を示す概略的な平面図である。

【図１１】従来例に係る半導体装置の構成を示す平面図
である。

【図１２】従来例の半導体装置において配線交差の様子
を示す平面図と断面図である。

【図１３】従来例の半導体装置におけるエアーブリッジ
構造の配線交差の様子を示す平面図と断面図である。

【符号の説明】

３０半導体基板４０縦型トランジスタ４１エミッタ層４２ベース層４３コレクタ層５１エミッタ電極５２ベース電極５３コレクタ電極６１エミッタ突起電極６２ベース配線６３コレクタ配線６２ａベースコンタクトホール６３ａコレクタコンタクトホール６４ａエミッタコンタクトホール７０窒化アルミニウム配線基板７１配線８０ダミー突起電極８１金属構造物８２メサ部構造物９０熱源９１放熱対象物９２放熱路

フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−298173（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−168959（ＪＰ，Ａ) 特開平４−346437（ＪＰ，Ａ) 特開平２−257653（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/331 H01L 29/205 H01L 29/73

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半絶縁性基板内に複数個の縦型トランジ
スタが間隔を有して配列された半導体装置において、前記各縦型トランジスタは、前記半導体基板の上方から
みてコレクタ電極とベース層が重ならない構造であっ
て、前記配列が端部に位置する隣合う前記縦型トランジ
スタの間隔よりも、中央部に位置する隣合う前記縦型ト
ランジスタの間隔の方が広くなることを特徴とする半導
体装置。
【請求項２】前記複数個の縦型トランジスタのベース
配線、コレクタ配線、及びエミッタ配線が、空間的に非
交差状態で配置されていることを特徴とする請求項１に
記載の半導体装置。
【請求項３】前記ベース配線と前記コレクタ配線が互
いに入り込むようにパターニングされ、前記エミッタ配
線が前記ベース配線とエミッタ配線の間を縫うように配
置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体
装置。