JP3586435B2 - 高周波半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波信号の導波路を用いたMMIC全般に関するものである。
高周波信号は、金属でできた線路内ではなく、信号線路とグランド間を伝播するため、常に信号線路とグランドが一体となるように配置しなければならない。
【0002】
【従来の技術】
HEMTやHBT に代表される高速半導体デバイスを利用したMMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)では、高周波信号を取り扱うため、通常のシリコン集積回路などとは違い、配線には信号線とグランドが一体となった高周波導波路が必要となる。このような高周波導波路として、線路特性が安定で分散特性(伝播定数の周波数依存性)が少ないマイクロストリップ線路が使用される。
【0003】
図9は従来例断面図であり,従来のマイクロストリップ線路を使用したMMICのなかでも、特に線路導体を多層化したいわゆる3次元MMICを示す図である。図9に示すように、従来の多層構造のMMICは半導体基板1上に設けられた表面絶縁膜2上に接地プレート3が設けられ、この接地プレート3は各層間絶縁膜4上に設けられた線路導体5との間でマイクロストリップ線路を構成している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図9で説明した多層構造の高周波線路を有するMMIC(以下、「3次元MMIC」という。)は、各層を平面に展開した一般のMMICに比べて高集積化が可能であるという優れた効果を持っている。
【0005】
しかしながら、各層の線路導体5は接地プレート3との間でマイクロストリップ線路を構成するため、線路導体5と接地プレート3の間に他の導体をオーバーラップして配置することができないという条件があり、レイアウト上の制約条件が通常のシリコン集積回路などと比較して厳しい。
【0006】
本発明は、3次元MMICにおいて、レイアウト条件の緩和を図ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、MMICのレイアウト条件について検討した結果、レイアウト上の制約条件のうちでも、電源導体との兼ね合いが無視できないことに着目した。つまり、前述したようにMMICでは線路導体は他の導体とオーバーラップして配置することはできないため、電源導体についても線路導体の間を縫って配置する必要がある。しかし、電源導体は所定の電流容量を確保するため、その配線幅の下限が決まっており、その占有面積が線路導体の配置の自由度を大きく阻害しているのである。
【0008】
図1は本発明の原理説明図であり、3次元MMICの断面を表している。本発明では前記知見に鑑みて、線路導体の配置に影響すること無く、電源導体を配置するものであり、具体的には、図1のように、接地プレート3に対して絶縁膜(接地間絶縁膜6)を介し容量結合する電源導体7を設けるものである。なお、線路導体5は、接地プレート又は電源導体7と層間絶縁膜4を介して容量結合している。また、接地プレート3と電源導体7間の容量は、接地プレート3又は電源導体7と線路導体5間の容量より大きい。
【0009】
本発明の電源導体7は、接地間絶縁膜6を介して接地プレート3と容量結合しているため、高周波的には接地電位と見なすことができ、線路導体5は電源導体7を接地プレートとして高周波伝送路を構成することができる。したがって、本発明によれば線路導体5と電源導体7とをオーバーラップさせてレイアウトすることが可能となる。このように、本発明による電源導体7は線路導体5とのオーバーラップを考慮する必要がないため、大きな面積でレイアウトすることができ、したがって、所望の電流容量を容易に確保することができる。
【0010】
なお、電源導体7を高周波的に接地プレートと見なすことができるためには、ある程度の容量をもって接地プレート3と容量結合する必要がある。具体的には、電源導体7と接地プレート3間の容量が、線路導体5と接地プレート3または電源導体7との間でなす容量よりも大きい必要がある。このため、接地間絶縁膜6の静電容量を材料的または構造的に大きくする必要がありそのためには、例えば、接地間絶縁膜6の材料を層間絶縁膜4より誘電率の大きな材料とする、又は、層間絶縁膜4と同じ材料とした場合には、接地間絶縁膜の厚さを薄くすることが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態例を用いて説明する。
【0012】
図2は本発明の第1実施形態例断面図であり、本発明を適用した3次元MMICの断面を表している。図3は本発明の第1実施形態例平面図であり、本実施形態例の電源導体のレイアウトを表す平面図である。
【0013】
本実施形態例は、GaAsからなる半導体基板1に設けられた活性領域1a(たとえばFETのドレイン)に対して電源を供給する態様を示すものである。表面絶縁膜2は、半導体基板1の表面を保護するためのものであり、窒化シリコンなどのように安定な材料が採用される。本発明の電源導体7は、接地プレート3上に設けられた接地間絶縁膜6を介して接地プレート3と容量結合している。ここで、接地間絶縁膜6の材料として、誘電率の大きな窒化シリコンを採用することができる。接地間絶縁膜6の材料としては、層間絶縁膜4を構成するポリイミドなどの材料を使用することもできるが、ポリイミドは比較的誘電率が低いため、これを使用する場合は薄く形成するなど、接地プレート3と電源導体7間の容量を大きくする配慮が必要である。
【0014】
なお、本実施例の電源導体7は、図3に示すように半導体基板1上の接地プレート3と同じパターンの平板形状をもって設けられている。電源導体7が平面的に設けられているため、任意の位置にスルーホールを設けることができるので、電源電位を接続する活性領域1aが複数ある場合、電源導体の引き回し設計を行うことなしに活性領域1aとの接続が可能になる。また、半導体基板1上の各デバイスのレイアウトと、線路導体5など接地プレート3よりも上に位置するパッシブデバイスのレイアウトとを別々に設計する、いわゆるマスタースライスの技法を採用する場合においては、半導体基板1上のいかなる位置に活性領域1aがレイアウトされようとも、電源導体7の再設計は不要になる。
【0015】
本実施形態例では電源導体7上には所望の線路導体5がレイアウトされるが、本発明により電源導体7の存在を考慮することなく線路導体5のレイアウト設計が出来るので、レイアウト作業の自由度が増す。
【0016】
以下、本発明の他の実施形態例を説明する。図4、図5及び図6はそれぞれ本発明の第2、第3及び第4実施形態例平面図であり、電源導体7の平面的なレイアウトを表している。
【0017】
第2実施形態例では、図4を参照して、電源導体7を配線形状とし、電源パッド位置9aから活性領域位置9bまで引き回した態様としている。
【0018】
第3実施形態例では、図5を参照して、平板形状の電源導体7を半導体基板1上の一部領域に選択的に設けたものである。この場合電源導体7は、電源が供給される活性領域(図示せず)を被覆するように配置する。
【0019】
第4実施形態例では、図6を参照して、電源導体7を格子状に配置したものである。格子間の隙間には接地プレート3が露出しているため、全面が接地電位と見なせる。また、この実施形態例では、接地プレート3および電源導体7を貫通するスルーホールを通して半導体基板1上の活性領域に接続する配線を設ける場合、接地プレート3におけるスルーホールのレイアウトおよび半導体基板1上の活性領域のレイアウトを格子間の隙間の位置に整合させれば、電源導体7にはスルーホールのレイアウトを考慮する必要がなくなる。
【0020】
半導体デバイスが必要とする電源電位が複数ある場合、それにともなって本発明の電源導体を複数設けることも出来る。
【0021】
図7は本発明の第5実施形態例断面図であり、複数電位が供給されるMMICの断面を表している。この実施形態例は、図7を参照して、電源パッド8a,8bおよび活性領域1a,1bに対してスルーホールを介してそれぞれ電源導体7a、7bを接続したものである。電源導体7a,7bは、接地間絶縁膜6を介して積層されている。この構成では、接地間絶縁膜6を介して電源導体7aおよび7bが接地プレート3と容量結合されるため、電源導体7a,7bは高周波的に接地プレートとして機能する。
【0022】
図8は本発明の第6実施形態例平面図であり、複数電位が供給されるMMICの電源導体のレイアウトを表している。本実施形態例は、図7の例とは異なり、平面的に複数の電源導体7a,7b を配置したものである。
【0023】
以上説明した実施例では、接地プレート3が表面絶縁膜2上にだけ設けられたものであるが、線路導体5が設けられる層間絶縁膜4の各層毎に接地プレートを設けるタイプの3次元MMICも考えられる。この場合、本発明の電源導体は最下層の接地プレートではなく、その上層の接地プレートと接地間絶縁膜を介して容量結合させても良い。
なお、以上の実施例では3次元MMICとして、線路導体を多層に配置したものを説明したが、本発明による線路導体と電源導体とのオーバーラップを可能とする効果は、線路導体が多層に配置されない構成のMMICでも発揮されることは言うまでもない。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば電源導体と線路導体とをオーバーラップして配置することができ、しかも電源導体を大きな面積で配置することができるから、MMICの設計に関するレイアウトの自由度が向上する。また、線路導体とのオーバーラップが可能なので、チップ全体の面積も縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図
【図2】本発明の第1実施形態例断面図
【図3】本発明の第1実施形態例平面図
【図4】本発明の第2実施形態例平面図
【図5】本発明の第3実施形態例平面図
【図6】本発明の第4実施形態例平面図
【図7】本発明の第5実施形態例断面図
【図8】本発明の第6実施形態例平面図
【図9】従来例断面図
【符号の説明】
1.半導体基板
1a,1b.活性領域
2.表面絶縁膜
3.接地プレート
4.層間絶縁膜
5.線路導体
6.接地間絶縁膜
7,7a,7b.電源導体
8,8a,8b.電源パッド
9a.電源パッド位置
9b.活性領域位置
Claims (13)
- 半導体基板の上面に形成された活性領域と、
前記半導体基板上面に設けられた表面絶縁膜と、
前記半導体基板の上面全面を覆うように前記表面絶縁膜を介して設けられ、接地電位に接続される接地プレートと、
前記接地プレート上に接地間絶縁膜を介して配置され、電源電位に接続される電源導体と、
前記電源導体上に層間絶縁膜を介し前記電源導体とオーバーラップするようにして設けられ、前記接地プレートとの間および前記電源導体との間で高周波伝送路を構成すると共に前記接地プレートとの間および前記電源導体との間で構成される静電容量が、前記接地プレートと前記電源導体との間の静電容量よりも小さい線路導体と、
前記活性領域と前記電源導体とを電気的に接続するために前記活性領域上に形成された、前記接地間絶縁膜、前記接地プレート及び前記表面絶縁膜を貫通するスルーホールと、
を備えることを特徴とする高周波半導体装置。 - 前記接地間絶縁膜は、前記層間絶縁膜よりも誘電率の高い材料によって構成されることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記接地間絶縁膜は、前記層間絶縁膜と同じ材料によって構成され、前記層間絶縁膜よりも薄いことを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記線路導体は、複数の前記層間絶縁膜を介して多層に設けられてなることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記線路導体は、前記層間絶縁膜を介して単層で設けられてなることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記電源導体は、前記接地プレートと同じパターンの平板形状をもってなることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記電源導体は、配線形状をもってなることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記電源導体は、前記半導体基板上に選択的に設けられた平板形状をもってなることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記電源導体は、格子状に形成された平板形状をもってなることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記電源導体が電気的に分離されて複数設けられてなり、当該電源導体同士は前記接地間絶縁膜を介して互いに積層されてなるとともに、その一つは、前記接地間絶縁膜を介して前記接地プレートと積層されてなることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記電源導体が電気的に分離されて前記半導体基板上に平面的に配置されてなることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 前記接地プレートが厚さ方向に複数設けられ、前記電源導体は、当該接地プレートの少なくとも1つに前記接地間絶縁膜を介して積層されてなることを特徴とする請求項1記載の高周波半導体装置。
- 半導体基板の上面に形成された活性領域と、
前記半導体基板上面に設けられた表面絶縁膜と、
前記半導体基板の上面全面を覆うように前記表面絶縁膜を介して設けられ、接地電位に接続された接地プレートと、
前記接地プレートの一部領域上に接地間絶縁膜を介して配置され、電源電位に接続された電源導体と、
前記電源導体及び前記電源導体の外側に延在する前記接地プレートの上面に層間絶縁膜を介し前記電源導体とオーバーラップするようにして設けられ、前記接地プレートとの間および前記電源導体との間で高周波伝送路を構成すると共に前記接地プレートとの間および前記電源導体との間で構成される静電容量が、前記接地プレートと前記電源導体との間の静電容量よりも小さい線路導体と、
前記活性領域と前記電源導体とを電気的に接続するために前記活性領域上に形成された、前記接地間絶縁膜、前記接地プレート及び前記表面絶縁膜を貫通するスルーホールと、
を備えることを特徴とする高周波半導体装置。
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