JP2005039320A - Semiconductor element and high frequency power amplifying apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子及びその半導体素子を組み込んだ高周波電力増幅装置に係わり、例えば、セルラー携帯電話機に組み込まれる高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話機として、波長域(バンド)や通信モードが異なる複数の通信システムに対応できる製品が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
また、セルラー通信等の無線通信システムにおいては、通話者の携帯電話機(携帯端末)の操作によって電話網の近接した基地局と繋がり、その後単一または複数の基地局に順次繋がり、最終的に通話対象者の携帯端末を呼び出し、次いで通話対象者との通話が可能な状態になるシステムとなっている。この際、基地局では受信した信号を増幅して転送している。このような増幅は携帯電話基地局送信アンプ(基地局用高周波電力増幅装置)によって行われている。送信アンプは、MIS(Metal Insulator Semiconductor) 型トランジスタの一つであるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field−Effect−Transistor) を多段に接続した構造になっている。
【0004】
基地局用高周波電力増幅装置に組み込まれるシリコン高周波MOSFETは、携帯電話機に組み込まれる高周波電力増幅装置に比較して、使用電圧が高くかつドレイン耐圧が大きい。また、1GHzを超える周波数での動作も要求される。このような基地局用シリコン高周波電力増幅装置(高周波パワートランジスタ)として、バイアス回路の簡素化、高電力利得などの利点があるLDMOS(Laterally Diffused MOS)が使用されている(例えば、非特許文献1)。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−7657号公報(第6、図1)
【非特許文献1】
マイクロウエーブ ワークショップ ダイジエスト(MWE ′99 Microwave Workshop Digest(第283−288頁、図2、図3)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
高度情報通信により携帯電話もより一層多機能化が図られている。このため、携帯電話に組み込まれる高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)もそれに追従して多機能になっている。特に、複数の通信モード(含む通信バンド)を有する高周波電力増幅装置においては、シングル通信モード製品に比較して組み立て部品数が多くなり、装置が大型化し製品コストが高騰する。
【0007】
そこで、本発明者等は高周波電力増幅装置の小型化を図るべく、電界効果トランジスタを組み込んだ半導体素子(半導体チップ)の小型化を検討した。
【0008】
図15乃至図17は本発明に先立って検討した高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)に係わる図である。図15は高周波電力増幅装置の回路構成を示す模式的なブロック図、図16は高周波電力増幅装置において、モジュール基板上に搭載した電子部品を示す模式的なレイアウト図、図17は高周波電力増幅装置に組み込む半導体素子の模式的平面図である。
【0009】
本発明に先立って検討した高周波電力増幅器(以下検討高周波電力増幅装置と呼称)80は、デュアルバンド型の高周波電力増幅モジュールであり、図15の回路図に示すように、第1の増幅系としてGSM(Global System for Mobile Communications)方式、第2の増幅系としてDCS(Digital Communication System) 方式を備えた高周波電力増幅装置である。
【0010】
高周波電力増幅装置80において、GSM用の増幅系においては、入力端子PinG と出力端子PoutGとの間に3段(初段,次段,最終段)の増幅器(増幅段)81,82,83を縦列接続し、DCS用の増幅系においては、入力端子PinDと出力端子PoutDとの間に3段(初段,次段,最終段)の増幅器(増幅段)84,85,86を縦列接続した構成になっている。
【0011】
GSM及びDCSの初段及び次段の増幅器は単一の半導体素子90に組み込まれている。また、GSMの最終段の増幅器83は半導体素子91に組み込まれ、DCSの最終段の増幅器86は半導体素子92に組み込まれている(図15及び図16参照)。
【0012】
各増幅器は、例えば、電界効果トランジスタの一つであるLDMOSによって構成されている。図17は増幅器81,82,84,85が組み込まれた半導体素子90を示す模式的平面図である。四角形状からなる半導体素子90の各隅(各頂点近傍)にはLDMOS領域93〜96が配置されている。例えば、左下隅のLDMOS領域93にはGSM用初段増幅器81を形成する図示しないLDMOSが位置し、左上隅のLDMOS領域94にはGSM用次段増幅器82を形成する図示しないLDMOSが位置し、右下隅のLDMOS領域95にはDCS用初段増幅器84を形成する図示しないLDMOSが位置し、右上隅のLDMOS領域96にはDCS用次段増幅器85を形成する図示しないLDMOSが位置している。また、半導体素子90の中央部分には制御IC97が形成され、この制御IC97とLDMOS領域93,94との間には整合回路98,99が形成されている。
【0013】
GSM及びDCSの増幅系においては、各増幅器(増幅段)に種々の回路が接続されている。例えば、トランジスタの入力側には入力整合回路が形成され,出力側には出力整合回路が形成され、ゲート電極にはバイアス回路が接続されている。図16に示すように、検討高周波電力増幅装置において、モジュール基板100の主面上には、符号は付さないが、多数の長方形で示される電子部品が搭載されている。電子部品は、チップ抵抗,チップコンデンサ,チップインダクタ等の受動部品である。これら各電子部品を含んで前記各整合回路やバイアス回路等が構成されている。
【0014】
一方、電界効果トランジスタでは、例えば、ゲート長Lg 、ゲート幅Wgを選択することによって効率、出力や閾値等の特性及び電流容量等を決定している。この場合、検討高周波電力増幅装置では、一例を挙げるならば、ゲート幅Wg は、GSMにおいては初段増幅器81は6mm、次段増幅器82は16mm、最終段(出力段)増幅器83は56mmである。また、DCSにおいては初段増幅器84は2mm、次段増幅器85は6mm、最終段(出力段)増幅器86は24mmである。
【0015】
DCSの初段増幅器84のゲート幅は2mmと最も幅が狭い。DCSの次段増幅器85のゲート幅はDCSの初段増幅器84のゲート幅の3倍の6mmである。また、GSMにおいては、初段増幅器81のゲート幅はDCSの初段増幅器84のゲート幅の3倍の6mmであり、次段増幅器82のゲート幅はDCSの初段増幅器84のゲート幅の8倍の16mmである。そして、DCSの次段増幅器85のゲート幅と、GSMの初段増幅器81のゲート幅は同一寸法の6mmである。
【0016】
そこで、本発明者は、一つには、ゲート幅が同一になるトランジスタを、GSM及びDCSで共用することによって、トランジスタ数の減少による半導体素子の小型化が可能になることに気が付き本発明をなした。
【0017】
また、本発明者は、一つには、ソース・ドレイン・ゲート電極が3本平行に延在する単体FETパターンを複数本配置し、これら複数本の単体FETパターンの一部または全部をスイッチ素子で選択することによって、それぞれ所望のゲート幅を有するトランジスタを形成できることから、能動素子であるトランジスタの形成面積の低減による半導体素子の小型化を図ることができることに気が付き本発明をなした。
【0018】
また、本発明者は、一つには、ソース・ドレイン・ゲート電極が3本平行に延在する単体FETパターンを複数本配置し、これら複数本の単体FETパターンの一部または全部をスイッチ素子で選択することによって、それぞれ所望のゲート幅を有するGSMまたはDCSのトランジスタを形成できることに気が付き本発明をなした。
【0019】
本発明の目的は、半導体素子(高周波電力増幅素子)の小型化及び低コスト化を図ることにある。
【0020】
本発明の他の目的は、高周波電力増幅装置の小型化及び低コスト化を図ることにある。
【0021】
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0023】
(1)本発明の半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、第1の増幅系及び第2の増幅系の初段増幅器及び次段増幅器を構成するトランジスタを有する半導体素子であって、
前記半導体基板の一部領域には、
前記第1の増幅系の初段増幅器及び前記第2の増幅系の次段増幅器を構成する第1,第2及び第3のトランジスタと、
入力される切り換え信号によって前記3個のトランジスタから所定の2個のトランジスタを選択するスイッチ素子とを有し、
前記スイッチ素子の切り換えによって、前記第2のトランジスタと前記第3のトランジスタで前記第1の増幅系の初段増幅器を構成、または前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタで前記第2の増幅系の次段増幅器を構成することを特徴とする。
【0024】
(2)本発明の高周波電力増幅装置は、
モジュール基板に第1及び第2の増幅系を形成し、かつ各増幅系は初段,次段及び最終段を構成するトランジスタを有する高周波電力増幅装置であって、
前記モジュール基板に搭載される半導体素子のうちの一つには前記第1の増幅系及び前記第2の増幅系の初段増幅器及び次段増幅器を構成するトランジスタを有し、
前記第1の増幅系及び前記第2の増幅系の初段増幅器及び次段増幅器を構成するトランジスタを有する前記半導体素子の半導体基板の一部領域には、
前記第1の増幅系の初段増幅器及び前記第2の増幅系の次段増幅器を構成する第1,第2及び第3のトランジスタと、
入力される切り換え信号によって前記3個のトランジスタから所定の2個のトランジスタを選択するスイッチ素子とを有し、
前記スイッチ素子の切り換えによって、前記第2のトランジスタと前記第3のトランジスタで前記第1の増幅系の初段増幅器を構成、または前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタで前記第2の増幅系の次段増幅器を構成することを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0026】
(実施形態1)
本実施形態1では、複数の増幅系を組み込んだ半導体素子(半導体チップ)と、この半導体素子を組み込んだ高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)に本発明を適用した例について説明する。例えば、GSM用の増幅系とDCS用の増幅系を組み込んだデュアルタイプの半導体素子と、この半導体素子を組み込んだ高周波電力増幅装置について説明する。
【0027】
図1乃至図10は本発明の一実施形態(実施形態1)である高周波電力増幅装置に係わる図である。図1は高周波電力増幅装置の回路構成を示す模式的なブロック図、図2は高周波電力増幅装置の一部を切り欠いた模式的平面図である。
【0028】
高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)1は、図2に示すように外観的には偏平な矩形体構造になっている。高周波電力増幅装置1は、板状のモジュール基板(配線基板)2と、このモジュール基板2の一面側(主面側)に重ねて取り付けられたキャップ3によって偏平矩形体構造のパッケージ4が構成された構造になっている。前記キャップ3は電磁シールド効果の役割を果たす金属製とレジンモールド製になっている。
【0029】
モジュール基板2の主面(上面)には、図2に示すように、能動部品や受動部品からなる電子部品が搭載されて高周波電力増幅装置1が形成されている。そして、この高周波電力増幅装置1は、図1に示すように、GSM及びDCSの増幅系が組み込まれている。各増幅系は初段増幅器,次段増幅器,最終段(出力段)増幅器の3段増幅構成になっている。
【0030】
即ち、高周波電力増幅装置1は、図1に示すように、GSMでは、入力端子PinG と出力端子PoutGとの間に、初段増幅器及び次段増幅器並びに最終段増幅器として第2の増幅器(AMP2),第3の増幅器(AMP3)及び第4の増幅器(AMP4)を縦列接続した構成になっている。また、DCSでは、入力端子PinD と出力端子PoutDの間に、初段増幅器及び次段増幅器並びに最終段増幅器として、第1の増幅器(AMP1),第2の増幅器(AMP2)及び第5の増幅器(AMP5)を縦列接続した構成になっている。各増幅器(AMP)は電界効果トランジスタによって構成されている。本実施形態1では、トランジスタとしてLDMOSが使用されている。
【0031】
AMP4及びAMP5を構成するトランジスタは、別々の半導体素子(半導体チップ)に組み込まれている。図2において、AMP4を構成するトランジスタは半導体素子(半導体チップ)6に組み込まれ、AMP5を構成するトランジスタは半導体素子(半導体チップ)7に組み込まれている。また、AMP1,AMP2及びAMP3を構成するトランジスタは半導体素子(半導体チップ)5に組み込まれている。
【0032】
図1に示すように、AMP1〜AMP3は、高周波電力増幅装置1とは別体となる切換制御部8によって制御される4個のスイッチ素子(SW1〜SW4)によって、GSM増幅系の場合はAMP2,AMP3が選択され、DCS増幅系の場合はAMP1,AMP2が選択される。AMP1〜AMP5のゲート幅Wg はそれぞれ異なり、初段よりは次段が、次段よりは最終段がゲート幅が大きくなる。例えば、1例を挙げるならば、AMP1を構成するトランジスタのゲート幅Wg は2mm、AMP2を構成するトランジスタのゲート幅Wg は6mm、AMP3を構成するトランジスタのゲート幅Wg は16mm、AMP4を構成するトランジスタのゲート幅Wg は56mm、AMP5を構成するトランジスタのゲート幅Wg は24mmである。スイッチ素子もトランジスタ、即ち、LDMOSで形成されている。そして、各スイッチ素子を構成するトランジスタのゲート幅Wgも、各AMPを構成するトランジスタに適応したゲート幅Wg となっている。即ち、SW1,SW3を構成するトランジスタのゲート幅Wg は、AMP1を構成するトランジスタのゲート幅Wg に対応して2mmとなっている。また、SW2,SW4を構成するトランジスタのゲート幅Wg は、AMP2を構成するトランジスタのゲート幅Wg に対応して6mmとなっている。
【0033】
図2において、モジュール基板2の主面に半導体素子5,6,7が搭載されている。そして、これら半導体素子5,6,7の周囲には所定の電子部品が搭載されている。半導体素子5,6,7は電子部品であり、かつ能動素子であるが、この能動素子の周囲には、符号は付さないが、多数の長方形で示す受動部品が搭載されている。受動部品は、チップ抵抗,チップコンデンサ,チップインダクタ等の表面実装型の受動部品である。そして、これら受動部品によって、各トランジスタにおける入力整合回路、出力整合回路、ゲートバイアス回路等が構成され、3段増幅系が形成されている。なお、図2において、半導体素子5,6,7の周辺の図示しない電極とモジュール基板2の図示しない配線のワイヤ接続部は導電性のワイヤ9で電気的に接続されている。また、半導体素子の平面図において、ワイヤを接続する電極パッドは省略してある。
【0034】
また、図示はしないが、モジュール基板2の周面から底面に掛けてそれぞれ外部電極端子が設けられている。高周波電力増幅装置1は表面実装構造になり、実装基板に搭載するときは、実装基板の主面に設けられたランド(フット)に外部電極端子を重ね、予め供給しておいた半田等の接合材をリフローすることによって高周波電力増幅装置1を実装基板に接続(搭載)することができる。
【0035】
図3は四角形状の半導体素子の模式的平面図である。図3に示すように、ハッチングを施して示す中央部分には制御IC15が設けられている。四角形状からなる半導体素子5の左上隅と右上下隅(各頂点近傍)はLDMOS領域16〜18になっている。このLDMOS領域16〜18は、図3では点々を付した領域である。これらLDMOS領域の3個のLDMOSによって、GSM及びDCS用の初段増幅器及び次段増幅器が形成されている。例えば、右下隅のLDMOS領域16にはDCS用の初段増幅器(DCS1st)が形成され、左上隅のLDMOS領域17にはGSM用の次段増幅器(GSM2nd)が形成され、右上隅のLDMOS領域18にはGSM初段増幅器(GSM1st)とDCS次段増幅器(DCS2nd)が形成されている。
【0036】
図4は、図3のLDMOS領域16〜18形成されるLDMOSの能動領域A、ゲート電極パッド(G)、ドレイン電極パッド(D)のレイアウトを示す模式図である。右下隅のLDMOS領域16には、DCS1stの能動領域Aと、この領域の一端側に位置するゲート電極パッド(G)及び他端側に位置するドレイン電極パッド(D)が位置している。
【0037】
左上隅のLDMOS領域17には、GSM2ndの能動領域Aと、この領域の一端側に位置するゲート電極パッド(G)と、他端側に位置する2個のドレイン電極パッド(D)が位置している。GSM2ndは、出力を高めるため、能動領域AはDCS1stに比較して幅広となるとともに2本になっている。
【0038】
右上隅のLDMOS領域18には、GSM1stとDCS2ndの能動領域Aと、この領域の一端側に位置する2個のゲート電極パッド(G)と、他端側に位置する2個のドレイン電極パッド(D)が位置している。LDMOS領域18のLDMOSはスイッチ回路(SW)によってモードを切り換えるようになっている。即ち、このスイッチ回路(SW)によって、GSM用の増幅を行うときは所定のゲート電極パッド(G)及びドレイン電極パッド(D)が選択されてGSM1stを構成し、またDCS用の増幅を行うときは所定のゲート電極パッド(G)及びドレイン電極パッド(D)が選択されてDCS2ndを構成するようになっている。また、制御IC15とLDMOS領域17、及びLDMOS領域18との間には整合回路20が配置されている。
【0039】
本実施形態1では、LDMOS領域を四角形状の半導体素子5の3隅に配置し、その1隅ではスイッチ回路による選択によって2種類の増幅器(増幅段)を選択できる構造になっていることから、図17に示すように、4隅に配置する構造に比較して半導体素子を小型化することができる。例えば、図17に示す半導体素子が、縦2.5mm、横2.25mmである場合、本実施形態1の半導体素子5は縦2.25mm、横2.25mm程度と小型となる。また、小型化しなくとも、空いた空間に更なる制御IC素子を追加して高機能にすることを可能にする。
【0040】
図5は、半導体素子5に形成される能動素子や受動素子を示す模式的断面図である。説明の便宜上、この図では、左から右に向かって、LDMOS,抵抗(R),保護ダイオード,PMOS,PNダイオード,NMOSを示してある。これらの素子を組み合わせて、図3及び図4に示す半導体素子5が形成されている。5において、矢印a領域が電界効果トランジスタ(FET)部分であり、矢印b領域が制御IC部分である。
【0041】
半導体素子5は、P型(p+型)のシリコン(Si)からなる半導体基板30の主面(上面)に形成したP型のエピタキシャル層31の表層部分に所望の導電型(n型,p型)の半導体領域(含むウエル領域:PW,NW)をそれぞれ設け、前記所定の素子を形成している。エピタキシャル層31は、各素子形成等のため、必要箇所にアイソレーション領域33が設けられ、所定領域が電気的に分離独立した領域になっている。さらにFETのソースはGNDであるため、裏面のGNDと接続するために打ち抜き層32が設けられ、電気的にGND領域にしている。また、前記容量や抵抗は、半導体基板上に設ける誘電体(絶縁体)や導電層を利用して形成されている。半導体素子5の表面は複数層に形成される絶縁膜35で被われ、裏面には図示しない裏面電極が形成されている。図示しないが、絶縁膜35の最表層となるファイナルパッシベーション膜の一部は除去され、この除去による開口部には導体層の表面が露出する。この導体層の露出部分が前述の電極パッドとなる。半導体素子5の半導体基板30の厚さは、例えば280μmと薄くなっている。
【0042】
半導体素子5における各素子の構造についての説明は省略するが、LDMOSについては、図6及び図7を参照しながら説明する。図6はLDMOS37の一部の電極パターン部分を示す模式的平面図であり、図7は図6のA−A線に沿う部分の模式的断面図である。
【0043】
図6に示すように、四角形のドレイン電極パッド40から細長くドレイン電極41が1本延在している。ドレイン電極41の先端側には四角形のゲート電極パッド42が位置している。このゲート電極パッド42からは1本のゲート電極43がドレイン電極41に向かって延在するとともに、このゲート電極43は二股に分岐している。この分岐した2本の電極部分はドレイン電極41を挟み、ドレイン電極41に沿って平行に延在している。また、ゲート電極43の外側にはゲート電極43に平行にソース電極44が延在している。ソース電極44,ドレイン電極41,ゲート電極43は、長さcの部分で相互に平行に延在している。図6は、LDMOSの基本的な部分を概略的に示す単位FETパターンである。このパターンにおいて、一方のソース電極44の外端から他方のソース電極44の外端までの距離(幅)dは、例えば、12.8μmとなる。また、長さcは41μmである。この単位FETパターンにおけるゲート幅Wg は前記長さcの2倍、即ち、82μmとなる。この場合、ソース電極,ドレイン電極及びゲート電極部分の面積、これを狭義のFET面積と呼称する。狭義のFET面積は約524.8μm2となる。
【0044】
LDMOSは図7に示すような断面になっている。図7に示すように、低抵抗のP型シリコン基板(P−sub)からなる半導体基板50の主面には、P型からなるエピタキシャル層51が設けられている。このエピタキシャル層51の表層部分には所定間隔離してP型のPウエル領域(PW)52,53が設けられている。この層はパンチスルーストッパ層として作用する。
【0045】
一対のPウエル領域52,53の間のエピタキシャル層51の表層部分はN型ドレインオフセット領域54となっている。また、一対のPウエル領域52,53の中間のN型ドレインオフセット領域54部分にはN型のドレイン領域55が設けられている。このドレイン領域55の底はN型ドレインオフセット領域54を貫通し、エピタキシャル層51の途中深さにまで延在している。
【0046】
一方、一対のPウエル領域52,53の外側にはPウエル領域52,53等を囲むように半導体基板50の途中深さにまで到達するP+型領域56が設けられるとともに、このP+型領域56上には表面が露出するP+型のP型コンタクト領域57が設けられている。また、一対のPウエル領域52,53の表層部分にはN型ドレインオフセット領域54の端から所定間隔離れてN型のソース領域58がそれぞれ設けられている。
【0047】
N型ドレインオフセット領域54とソース領域58との間のウエル領域部分はチャンネル層となる。そして、このチャンネル層上にはゲート絶縁膜(酸化膜)59を介してゲート電極43が形成されている。
【0048】
また、半導体基板50の主面側には絶縁膜60が所定数層形成される。また、所定の絶縁膜にはコンタクト孔が設けられるとともに、所定絶縁膜上には導体が所定パターンに形成される。また、この導体は所定コンタクト孔内に充填される。これによって、図7に示すように、ゲート電極43,ドレイン電極41,ソース電極44,及びソース配線61が形成される。ソース電極44及びソース配線61によって、P型コンタクト領域57とソース領域58は電気的に接続される。従って、ソース領域58は半導体基板50に電気的に接続され、半導体基板50の裏面に形成される図示しない裏面電極に電気的に接続される。ソース領域はエピタキシャル層51を上下に貫通するように延在するP+型領域56によって半導体基板50の裏面の裏面電極に電気的に導かれることから、寄生抵抗成分(オン抵抗)が小さくなり、高周波域での使用において、発振し難くなる。ドレイン領域55はドレイン電極41に電気的に接続されている。このようにLDMOSは横拡散型電界効果トランジスタになっている。
【0049】
つぎに、所定のゲート幅Wg を有するトランジスタや、スイッチ素子(トランジスタ)の面積等について説明する。図8は図6に示す単位FETパターンを複数並列に配置し、かつ単位FETパターンのゲート幅をも長くして、トランジスタのゲート幅Wg を6mmとした例(以下Wg 6mmトランジスタと呼称)である。図8の単位FETパターンの長さeは、図6の単位FETパターンの長さcの6倍、即ち、246μmとなっている。そして、Wg 6mmトランジスタは、前記長い単位FETパターンを12本並列配置した構成になっている。このWg6mmトランジスタのゲート幅Wg は約6mm(正確には5.904mm)となる。この場合の狭義のFET面積は、約37785.6μm2になる。
【0050】
図9は、図1に示すSW1,SW2のFETパターンを示すものであり、図6に示す単位FETパターンを4本並列に配置したパターン構成になっている。これは、ゲート幅Wg が2mmになるAMP1の電流経路を切り換えるスイッチ素子(以下Wg 2mm用スイッチ素子と呼称)である。Wg 2mm用スイッチ素子の狭義のFET面積は、図6に示す単位FETパターンの4倍の面積、即ち、約2099.2μm2になる。
【0051】
図10は、図1に示すSW3,SW4のFETパターンを示すものであり、図6に示す単位FETパターンを12本並列に配置したパターン構成になっている。これは、ゲート幅Wg が6mmになるAMP2の電流経路を切り換えるスイッチ素子(以下Wg 6mm用スイッチ素子と呼称)である。Wg 6mm用スイッチ素子の狭義のFET面積は、図6に示す単位FETパターンの12倍の面積、即ち、約6297.6μm2になる。
【0052】
GSM及びDCSの初段及び次段のトランジスタを別々に形成した場合、即ち、ゲート幅Wg が6mmになるGSMの初段トランジスタとDCSの次段トランジスタを、単一の半導体素子(半導体チップ)に設けた場合、二つのトランジスタの狭義のFET面積は、Wg 6mmトランジスタの一つの面積が37785.6μm2であることから、75571.2μm2となる。
【0053】
これに対して、本実施形態1の場合は、1個のWg 6mmトランジスタ(面積37785.6μm2)と、2個のWg 2mm用スイッチ素子(面積2099.2μm2)と、2個のWg 6mm用スイッチ素子(面積6297.6μm2)を使用することから、その総和の面積は、54579.2μm2となり、本実施形態1の構造の場合、約21000μm2の面積の縮小が可能になる。これによって半導体チップの面積縮小、またはその分素子形成面積の増大を図ることができることになる。
【0054】
本実施形態1によれば以下の効果を有する。
(1)第1の増幅系及び第2の増幅系の初段増幅器及び次段増幅器を構成するトランジスタを有する半導体素子において、該半導体素子を形成する半導体基板の一部領域に設けた第1,第2及び第3のトランジスタからスイッチ素子の切り換えによって、第2のトランジスタと第3のトランジスタで第1の増幅系の初段増幅器を構成、または第1のトランジスタと第2のトランジスタで第2の増幅系の次段増幅器を構成するようになっていることから、トランジスタを1個省略することができ、半導体素子の小型化が達成できる。
【0055】
具体的には、本発明の半導体素子は、ゲート幅Wg が2mmの第1の増幅器(AMP1),ゲート幅Wg が6mmの第2の増幅器(AMP2),ゲート幅Wgが16mmの第3の増幅器(AMP3)と、これら3個の増幅器から2個の増幅器を選択するための第1乃至第4のスイッチ素子(SW1〜SW4)を有する構成になり、前記スイッチ素子の選択動作によって、AMP2とAMP3を選択して第1の増幅系(GSM)の初段及び次段増幅器を形成させ、また前記スイッチ素子の切換動作によって、AMP1とAMP2を選択して第2の増幅系(DCS)の初段及び次段増幅器を形成させるようになっている。即ち、AMP2を構成するトランジスタはいずれの増幅系でも使用される構成になっている。本実施形態1のようにAMP2を構成するトランジスタを1個と、4個のスイッチ素子を半導体素子に組み込んだ構造は、AMP2を構成するトランジスタを2個を半導体素子に形成する場合に比較して面積を小さくすることができる。
【0056】
(2)従って、上記(1)から、半導体素子の小型化が可能になる。この場合、この半導体素子を組み込んだ高周波電力増幅装置の小型化も可能になる。
【0057】
(3)従って、上記(1)から、トランジスタの形成面積を縮小できるため、その空いた領域にさらに素子を形成することができ、出力増大あるいは他の機能を追加することもできる。
【0058】
(4)半導体素子は1枚の半導体基板(ウエハ)を縦横に切断して形成するため、半導体素子の小型化は1枚の半導体基板から取得する半導体素子の数が増大することになり、半導体素子の低コスト化が可能になる。従って、このような小型化の半導体素子を組み込む高周波電力増幅装置もまた小型化が達成できるとともに、低コスト化も可能になる。
【0059】
(実施形態2)
図11乃至図14は本発明の他の実施形態(実施形態2)である高周波電力増幅装置に係わる図である。
【0060】
図11は高周波電力増幅装置に組み込む半導体素子における各増幅段の配置状況を示す模式図、図12は高周波電力増幅装置の回路構成を示す模式的なブロック図、図13は本実施形態2の半導体素子に組み込まれたNMOSスイッチ素子の電極パターンを示す模式的平面図、図14は図13のB−B線に沿う模式的断面図である。
【0061】
本実施形態2は、実施形態1の半導体素子5において、半導体素子5の左上隅にDCS1stとGSM2ndをスイッチ素子のオン・オフ動作で得ることができるトランジスタを配置したものである。これにより、さらに半導体素子の縮小化(シュリンク)が可能になる。
【0062】
図12はDCS1stとGSM2ndを選択形成するトランジスタ(LDMOS)の回路構成を示す。即ち、実施形態1の場合は、DCS1stとGSM2ndを別々に形成していたが、本実施形態12では、図12のパターンのトランジスタを選択使用することによって、DCS1stまたはGSM2ndを構成するトランジスタを形成するものである。従って、図12のパターンのトランジスタはスイッチ素子が含まれることから、少なくともスイッチ素子を形成する部分の面積が増大するが、DCS1stを構成するWg 2mmトランジスタの面積が不要になる。
【0063】
本実施形態では、図12に示すように、ゲート幅Wg が1mmとなるFETパターン65をn本配置し、スイッチ素子群のオン・オフ動作によってWg 2mmとなるDCS1st用のトランジスタ、またはWg 16mmとなるGSM2nd用のトランジスタを構成する。即ち、FETパターン65を16本並列に配置し、2本と14本の二つのグループを形成する。そして、2本によるグループはWg 2mmトランジスタを構成し、14本によるグループはWg 14mmトランジスタを構成している。従って、二つのグループを共に選択すればWg 16mmトランジスタを得ることができ、2本のグループのみを選択すればWg 2mmトランジスタを得ることができる。
【0064】
本実施形態2では、二つのグループはそれぞれドレイン電極パッド40及びゲート電極パッド42に接続されている。図12において、ドレイン電極パッド40はDCSでは1個、GSMでは2個示し、ゲート電極パッド42はDCS及びGSM共に1個示してあるが、電流量等によって実際はさらに多くなっている。これらドレイン電極パッド40及びゲート電極パッド42には、前述のワイヤ9が接続される。
【0065】
また、二つのグループと各電極パッドを接続する配線部分は所定の配線パターンとなるとともに、スイッチ素子(SW11〜SW16)が接続され、これらスイッチ素子のオン・オフ動作による切換動作によって前述のGSMまたはDCSの増幅系の切換が可能になっている。SW11,SW12,SW13はドレイン電極パッド側に配置され、SW14,SW15,SW16はゲート電極パッド側に配置されている。これらSW11〜SW16は、図12に示すように、高周波電力増幅装置とは別体となる切換制御部66によって制御されるようになっている。
【0066】
ドレイン電極パッド側に配置されるSW11〜SW13は電流量が大きいことから、実施形態1の場合と同様にWg 2mm用スイッチ素子が使用されている。これに対して、ゲート電極パッド側に配置されるSW14〜SW16は、電流量が小さいことから、ゲート幅Wg が82μmとなるWg 82μmスイッチ素子(LDMOS)、またはゲート幅Wg が10μmとなるNMOSスイッチ素子が使用される。
【0067】
NMOSスイッチ素子は、図13及び図14に示す構造になっている。図13はNMOSスイッチ素子の電極パターンを示す模式的平面図、図14は図13のB−B線に沿う模式的断面図である。
【0068】
NMOSスイッチ素子68は、主面にP型のエピタキシャル層70を形成したP+型のシリコン半導体基板69を基に形成されている。エピタキシャル層70の表層部分にはP型のウエル領域(PW)71が設けられている。P型ウエル領域71の中央にはゲート絶縁膜72が形成され、このゲート絶縁膜72上にはゲート電極73が形成されている。また、前記ゲート絶縁膜73を挟んでその領域にはn+型領域が形成されている。これらn+型領域はP型ウエル領域71内に位置している。これらn+型領域の一方はソース領域74となり、他方はドレイン領域75となっている。それぞれのn+型領域上にはソース電極76,ドレイン電極77が形成されている。NMOSスイッチ素子68の表面は、図12に示すように、厚い絶縁膜(LOCOS)78や図示しない絶縁膜が複数層形成され、ゲート電極73,ソース電極76,ドレイン電極77を被っている。これらゲート電極73,ソース電極76,ドレイン電極77は絶縁膜間に形成された導体層(配線)によって、図12に示すような回路構成になるように接続されている。
【0069】
図13はNMOSスイッチ素子68の寸法関係を示す模式図である。ゲート長方向の長さをkとし、ゲート幅方向の長さをjとした場合、ゲート幅Wg が10μmの場合、k=10.6μm、j=14.6μmとなり、NMOSスイッチ素子68の面積は、約154.8μm2となる。
【0070】
つぎに、図12に示す構成において、ドレイン電極パッド側のSW11〜SW13を実施形態1と同様にWg 2mm用スイッチ素子を使用し、かつゲート電極パッド側のSW14〜SW16を、▲1▼Wg 82μmスイッチ素子を使用した場合と、▲2▼NMOSスイッチ素子を使用した場合とに分けて、その面積縮小化(シュリンク)について説明する。即ち、本実施形態12の場合は、DCS1st(Wg 2mmトランジスタ)と、GSM2nd(Wg 16mmトランジスタ)を、図12に示す構成のトランジスタで形成するため、単独で形成するWg 2mmトランジスタが不要になるが、6個のスイッチ素子(SW11〜SW16)が増えるため面積が増大する。
【0071】
Wg 2mmトランジスタの面積は、12595.2μm2となる。従って、(1)上記▲1▼の場合、スイッチ素子の面積は、Wg 2mm用スイッチ素子の3個分の面積、6297.6μm2(2099.2×3)と、Wg 82μmスイッチ素子の3個分の面積、1574.4μm2(524.8×3)の合計である7872μm2になる。従って、シュリンクは、12595.2μm2から7872μm2を差し引いた4723.2μm2となる。
【0072】
また、上記▲2▼の場合、スイッチ素子の面積は、Wg 2mm用スイッチ素子の3個分の面積、6297.6μm2(2099.2×3)と、NMOSスイッチ素子の3個分の面積、464.4μm2(154.8×3)の合計である6762μm2になる。従って、シュリンクは、12595.2μm2から6762μm2を差し引いた5833.2μm2となる。
【0073】
このように、スイッチ素子を選択しても、いずれの場合も4723.2μm2または5833.2μm2と面積の縮小化が可能になる。なお、各数値は概略的数字を使用しての計算ではあるが、確実にチップ面積の縮小が可能になる。また、縮小しない場合には、その面積部分は素子形成可能領域になることから、さらに素子部分または新たな素子の追加が可能になる。
【0074】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。即ち、本実施形態では、トランジスタとしてMOSFETを用いた例について説明したが、GaAs−MES(Metal−Semiconductor )FET,HEMT(High Electron Mobility Transistor ),Si−GeFET等においても同様に適用でき前記実施形態同様な効果を得ることができる。
【0075】
また、実施形態ではデュアルバンド方式について説明したが、多モード通信方式や多バンド多モード通信方式にも同様に適用でき同様な効果を得ることができる。
【0076】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0077】
(1)半導体素子(高周波電力増幅素子)の小型化及び低コスト化を図ることができる。
【0078】
(2)高周波電力増幅装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態(実施形態1)である高周波電力増幅装置の回路構成を示す模式的なブロック図である。
【図2】前記高周波電力増幅装置の一部を切り欠いた模式的平面図である。
【図3】前記高周波電力増幅装置に組み込む本実施形態1の半導体素子の模式的平面図である。
【図4】前記高周波電力増幅装置に組み込む半導体素子における各増幅段の配置状況を示す模式図である。
【図5】前記半導体素子に組み込まれる能動素子及び受動素子を模式的に配列した断面図である。
【図6】本実施形態1の半導体素子に組み込むLDMOSの単一の電極パターンを示す模式的平面図である。
【図7】図6のA−A線に沿う模式的断面図である。
【図8】前記LDMOSにおける櫛歯状電極パターンを示す模式的平面図である。
【図9】本実施形態1の半導体素子における第1のゲート幅を有するスイッチ素子の電極パターンを示す模式的平面図である。
【図10】本実施形態1の半導体素子における第2のゲート幅を有するスイッチ素子の電極パターンを示す模式的平面図である。
【図11】本発明の他の実施形態(実施形態2)である半導体素子における各増幅段の配置状況を示す模式図である。
【図12】本発明の他の実施形態(実施形態2)である高周波電力増幅装置の回路構成を示す模式的なブロック図である。
【図13】本実施形態2の半導体素子に組み込まれたNMOSスイッチ素子の電極パターンを示す模式的平面図である。
【図14】図13のB−B線に沿う模式的断面図である。
【図15】本発明に先立って検討した高周波電力増幅装置の回路構成を示す模式的なブロック図である。
【図16】本発明に先立って検討した高周波電力増幅装置におけるモジュール基板上に搭載した電子部品を示す模式的なレイアウト図である。
【図17】本発明に先立って検討した高周波電力増幅装置に組み込む半導体素子の模式的平面図である。
【符号の説明】
1…高周波電力増幅装置(高周波電力増幅モジュール)、2…モジュール基板、3…キャップ、4…パッケージ、5〜7…半導体素子(半導体チップ)、8…切換制御部、9…ワイヤ、15…制御IC、16〜18…LDMOS領域、20…整合回路、30…半導体基板、31…エピタキシャル層、32…打ち抜き層、33・・・アイソレーション領域、35…絶縁膜、40…ドレイン電極パッド、41…ドレイン電極、42…ゲート電極パッド、43…ゲート電極、44…ソース電極、50…半導体基板、51…エピタキシャル層、52,53…Pウエル領域(PW)、54…N型ドレインオフセット領域、55…ドレイン領域、56…P+型領域、57…P型コンタクト領域、58…ソース領域、59…ゲート絶縁膜(酸化膜)、60…絶縁膜、61…ソース配線、65…FETパターン、66…切換制御部、68…NMOSスイッチ素子、69…シリコン半導体基板、70…エピタキシャル層、71…ウエル領域(PW)、72…ゲート絶縁膜、73…ゲート電極、74…ソース領域、75…ドレイン領域、76…ソース電極、77…ドレイン電極、78…厚い絶縁膜(LOCOS)、80…高周波電力増幅器、81〜86…増幅器(増幅段)、90〜92…半導体素子、93〜96…LDMOS領域、97…制御IC、98,99…整合回路、100…モジュール基板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element and a high-frequency power amplifying apparatus incorporating the semiconductor element, and relates to a technique that is effective when applied to, for example, a high-frequency power amplifying apparatus (high-frequency power amplifying module) incorporated in a cellular mobile phone.
[0002]
[Prior art]
As a cellular phone, a product capable of supporting a plurality of communication systems having different wavelength ranges (bands) and communication modes is known (for example, see Patent Document 1).
[0003]
Also, in a wireless communication system such as cellular communication, a caller's mobile phone (mobile terminal) is connected to a base station in the vicinity of the telephone network, and then sequentially connected to a single base station or a plurality of base stations. This is a system in which the mobile terminal of the target person is called and then a call with the target person can be made. At this time, the base station amplifies and transfers the received signal. Such amplification is performed by a mobile phone base station transmission amplifier (high frequency power amplifier for base station). The transmission amplifier has a structure in which MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistors) which are one of MIS (Metal Insulator Semiconductor) type transistors are connected in multiple stages.
[0004]
The silicon high-frequency MOSFET incorporated in the base station high-frequency power amplifying device has a higher operating voltage and a higher drain breakdown voltage than the high-frequency power amplifying device incorporated in the mobile phone. Also, operation at a frequency exceeding 1 GHz is required. As such a base station silicon high frequency power amplifier (high frequency power transistor), LDMOS (Laterally Diffused MOS) having advantages such as simplification of a bias circuit and high power gain is used (for example, Non-Patent Document 1). ).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laying-Open No. 2001-7657 (sixth, FIG. 1)
[Non-Patent Document 1]
Microwave Workshop Digest (MWE '99 Microwave Workshop Digest (pages 283-288, Fig. 2 and Fig. 3))
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
With advanced information communication, mobile phones are becoming more multifunctional. For this reason, the high-frequency power amplifying device (high-frequency power amplifying module) incorporated in the mobile phone is also multifunctional following the above. In particular, in a high-frequency power amplifying apparatus having a plurality of communication modes (including communication bands), the number of assembly parts is increased as compared with a single communication mode product, the apparatus is increased in size, and the product cost is increased.
[0007]
In view of this, the present inventors have studied the miniaturization of a semiconductor element (semiconductor chip) incorporating a field effect transistor in order to miniaturize the high-frequency power amplifier.
[0008]
15 to 17 are diagrams relating to a high-frequency power amplifier (high-frequency power amplifier module) studied prior to the present invention. 15 is a schematic block diagram showing a circuit configuration of the high-frequency power amplifier, FIG. 16 is a schematic layout diagram showing electronic components mounted on the module substrate in the high-frequency power amplifier, and FIG. 17 is a high-frequency power amplifier. It is a typical top view of the semiconductor element built in.
[0009]
A high-frequency power amplifier (hereinafter referred to as “reviewed high-frequency power amplifier”) 80 studied prior to the present invention is a dual-band type high-frequency power amplifier module. As shown in the circuit diagram of FIG. This is a high-frequency power amplifying apparatus equipped with a GSM (Global System for Mobile Communications) system and a DCS (Digital Communication System) system as a second amplification system.
[0010]
In the high frequency
[0011]
The first-stage and next-stage amplifiers of GSM and DCS are incorporated in a
[0012]
Each amplifier is composed of, for example, an LDMOS which is one of field effect transistors. FIG. 17 is a schematic plan view showing a
[0013]
In the GSM and DCS amplification systems, various circuits are connected to each amplifier (amplification stage). For example, an input matching circuit is formed on the input side of the transistor, an output matching circuit is formed on the output side, and a bias circuit is connected to the gate electrode. As shown in FIG. 16, in the examination high-frequency power amplifying apparatus, on the main surface of the
[0014]
On the other hand, in the field effect transistor, for example, efficiency, characteristics such as output and threshold, current capacity, and the like are determined by selecting a gate length Lg and a gate width Wg. In this case, in the high frequency power amplifying apparatus under consideration, for example, the gate width Wg is 6 mm for the
[0015]
The gate width of the DCS first-
[0016]
Therefore, the present inventor has noticed that, by sharing a transistor having the same gate width in GSM and DCS, the semiconductor device can be miniaturized by reducing the number of transistors. I did it.
[0017]
In addition, the present inventor, for example, arranges a plurality of single FET patterns in which three source / drain / gate electrodes extend in parallel, and a part or all of the plurality of single FET patterns are switched elements. Since the transistors having desired gate widths can be formed by selecting each of the above, it has been realized that the semiconductor element can be miniaturized by reducing the formation area of the transistor which is an active element.
[0018]
In addition, the present inventor, for example, arranges a plurality of single FET patterns in which three source / drain / gate electrodes extend in parallel, and a part or all of the plurality of single FET patterns are switched elements. The present invention made it possible to form GSM or DCS transistors each having a desired gate width.
[0019]
An object of the present invention is to reduce the size and cost of a semiconductor element (high frequency power amplifying element).
[0020]
Another object of the present invention is to reduce the size and cost of a high-frequency power amplifier.
[0021]
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0023]
(1) The semiconductor element of the present invention is
A semiconductor substrate;
A semiconductor element having transistors formed on the semiconductor substrate and constituting a first amplifier and a second amplifier of a first amplification system and a second amplification system,
In a partial region of the semiconductor substrate,
First, second and third transistors constituting the first amplifier of the first amplification system and the next amplifier of the second amplification system;
A switching element that selects two predetermined transistors from the three transistors according to an input switching signal;
By switching the switch element, the first transistor of the first amplification system is configured by the second transistor and the third transistor, or the second amplification system is configured by the first transistor and the second transistor. The next-stage amplifier is configured.
[0024]
(2) The high frequency power amplifier of the present invention is
A first and second amplification systems are formed on a module substrate, and each amplification system is a high-frequency power amplification device having transistors constituting the first stage, the next stage, and the last stage,
One of the semiconductor elements mounted on the module substrate has a transistor constituting the first stage amplifier and the second stage amplifier of the first amplification system and the second amplification system,
In a partial region of the semiconductor substrate of the semiconductor element having transistors constituting the first stage amplifier and the second stage amplifier of the first amplification system and the second amplification system,
First, second and third transistors constituting the first amplifier of the first amplification system and the next amplifier of the second amplification system;
A switching element that selects two predetermined transistors from the three transistors according to an input switching signal;
By switching the switch element, the first transistor of the first amplification system is configured by the second transistor and the third transistor, or the second amplification system is configured by the first transistor and the second transistor. The next-stage amplifier is configured.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment of the invention, and the repetitive description thereof is omitted.
[0026]
(Embodiment 1)
In the first embodiment, an example in which the present invention is applied to a semiconductor element (semiconductor chip) incorporating a plurality of amplification systems and a high-frequency power amplification apparatus (high-frequency power amplification module) incorporating this semiconductor element will be described. For example, a dual-type semiconductor element incorporating a GSM amplification system and a DCS amplification system and a high-frequency power amplification apparatus incorporating this semiconductor element will be described.
[0027]
1 to 10 are diagrams relating to a high-frequency power amplifying apparatus according to an embodiment (Embodiment 1) of the present invention. FIG. 1 is a schematic block diagram showing a circuit configuration of a high-frequency power amplifier, and FIG. 2 is a schematic plan view in which a part of the high-frequency power amplifier is cut out.
[0028]
The high-frequency power amplifier (high-frequency power amplifier module) 1 has a flat rectangular structure in appearance as shown in FIG. In the high-frequency
[0029]
On the main surface (upper surface) of the
[0030]
That is, as shown in FIG. 1, in the GSM, the high-frequency
[0031]
The transistors constituting AMP4 and AMP5 are incorporated in separate semiconductor elements (semiconductor chips). In FIG. 2, the transistor constituting the
[0032]
As shown in FIG. 1, AMP1 to AMP3 are AMP2 in the case of a GSM amplification system by four switch elements (SW1 to SW4) controlled by a switching
[0033]
In FIG. 2,
[0034]
Although not shown, external electrode terminals are provided from the peripheral surface to the bottom surface of the
[0035]
FIG. 3 is a schematic plan view of a rectangular semiconductor element. As shown in FIG. 3, a control IC 15 is provided in the center portion shown by hatching. The upper left corner and right upper and lower corners (near each vertex) of the
[0036]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a layout of the active region A, gate electrode pad (G), and drain electrode pad (D) of the LDMOS formed in the
[0037]
In the
[0038]
The
[0039]
In the first embodiment, the LDMOS region is arranged at three corners of the
[0040]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing active elements and passive elements formed in the
[0041]
The
[0042]
The description of the structure of each element in the
[0043]
As shown in FIG. 6, one
[0044]
The LDMOS has a cross section as shown in FIG. As shown in FIG. 7, a P-
[0045]
A surface layer portion of the
[0046]
On the other hand, outside the pair of P well
[0047]
A well region portion between the N-type drain offset
[0048]
A predetermined number of insulating
[0049]
Next, an area of a transistor having a predetermined gate width Wg, a switch element (transistor), and the like will be described. FIG. 8 shows an example in which a plurality of unit FET patterns shown in FIG. 6 are arranged in parallel, the gate width of the unit FET pattern is also increased, and the gate width Wg of the transistor is 6 mm (hereinafter referred to as a
[0050]
FIG. 9 shows the FET patterns of SW1 and SW2 shown in FIG. 1, and has a pattern configuration in which four unit FET patterns shown in FIG. 6 are arranged in parallel. This is a switch element (hereinafter referred to as a switch element for
[0051]
FIG. 10 shows the FET patterns of SW3 and SW4 shown in FIG. 1, and has a pattern configuration in which 12 unit FET patterns shown in FIG. 6 are arranged in parallel. This is a switch element (hereinafter referred to as a switch element for
[0052]
When the first and second stage transistors of GSM and DCS are formed separately, that is, the first stage transistor of GSM and the next stage transistor of DCS having a gate width Wg of 6 mm are provided in a single semiconductor element (semiconductor chip). In this case, the FET area in the narrow sense of the two transistors is one area of the
[0053]
On the other hand, in the case of the first embodiment, one
[0054]
The first embodiment has the following effects.
(1) In a semiconductor element having transistors constituting first-stage amplifier and second-stage amplifier of first amplification system and second amplification system, first and first transistors provided in partial regions of a semiconductor substrate forming the semiconductor element By switching the switching element from the second and third transistors, the first transistor of the first amplification system is configured by the second transistor and the third transistor, or the second amplification system is configured by the first transistor and the second transistor. Therefore, one transistor can be omitted, and a reduction in the size of the semiconductor element can be achieved.
[0055]
Specifically, the semiconductor device of the present invention includes a first amplifier (AMP1) having a gate width Wg of 2 mm, a second amplifier (AMP2) having a gate width Wg of 6 mm, and a third amplifier having a gate width Wg of 16 mm. (AMP3) and first to fourth switch elements (SW1 to SW4) for selecting two amplifiers from these three amplifiers, and AMP2 and AMP3 are selected by the selection operation of the switch elements. Are selected to form the first and second stage amplifiers of the first amplification system (GSM), and the first and second stages of the second amplification system (DCS) are selected by selecting AMP1 and AMP2 by the switching operation of the switch elements. A stage amplifier is formed. That is, the transistor constituting the AMP2 is configured to be used in any amplification system. The structure in which one transistor constituting the AMP2 and four switch elements are incorporated in the semiconductor element as in the first embodiment is compared with the case where two transistors constituting the AMP2 are formed in the semiconductor element. The area can be reduced.
[0056]
(2) Therefore, from the above (1), the semiconductor element can be miniaturized. In this case, it is possible to reduce the size of the high-frequency power amplifying apparatus incorporating this semiconductor element.
[0057]
(3) Therefore, from the above (1), the transistor formation area can be reduced, so that more elements can be formed in the vacant region, and the output can be increased or other functions can be added.
[0058]
(4) Since the semiconductor element is formed by cutting a single semiconductor substrate (wafer) vertically and horizontally, downsizing of the semiconductor element increases the number of semiconductor elements obtained from one semiconductor substrate. The cost of the element can be reduced. Therefore, the high-frequency power amplifying apparatus incorporating such a miniaturized semiconductor element can also be miniaturized and can be reduced in cost.
[0059]
(Embodiment 2)
11 to 14 are diagrams related to a high-frequency power amplifying apparatus according to another embodiment (Embodiment 2) of the present invention.
[0060]
FIG. 11 is a schematic diagram showing an arrangement state of each amplification stage in a semiconductor element incorporated in the high-frequency power amplifier, FIG. 12 is a schematic block diagram showing a circuit configuration of the high-frequency power amplifier, and FIG. 13 is a semiconductor according to the second embodiment. FIG. 14 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 13. FIG. 14 is a schematic plan view showing an electrode pattern of an NMOS switch element incorporated in the element.
[0061]
In the second embodiment, in the
[0062]
FIG. 12 shows a circuit configuration of a transistor (LDMOS) that selectively forms DCS1st and GSM2nd. That is, in the case of the first embodiment, DCS1st and GSM2nd are formed separately, but in the present embodiment 12, the transistors constituting DCS1st or GSM2nd are formed by selectively using the transistors of the pattern of FIG. Is. Accordingly, since the transistor having the pattern shown in FIG. 12 includes the switch element, at least the area of the portion where the switch element is formed is increased, but the area of the
[0063]
In the present embodiment, as shown in FIG. 12,
[0064]
In the second embodiment, the two groups are connected to the
[0065]
In addition, the wiring portion connecting the two groups and each electrode pad has a predetermined wiring pattern and is connected to the switch elements (SW11 to SW16). Switching of the DCS amplification system is possible. SW11, SW12, SW13 are arranged on the drain electrode pad side, and SW14, SW15, SW16 are arranged on the gate electrode pad side. As shown in FIG. 12, these SW11 to SW16 are controlled by a switching
[0066]
Since SW11 to SW13 arranged on the drain electrode pad side have a large amount of current, a switch element for
[0067]
The NMOS switch element has a structure shown in FIGS. FIG. 13 is a schematic plan view showing an electrode pattern of the NMOS switch element, and FIG. 14 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
[0068]
The
[0069]
FIG. 13 is a schematic diagram showing the dimensional relationship of the
[0070]
Next, in the configuration shown in FIG. 12, SW11 to SW13 on the drain electrode pad
[0071]
The area of the
[0072]
In the case of (2) above, the area of the switch element is the area of three switch elements for
[0073]
Thus, even if the switch element is selected, in any case, 4723.2 μm 2 Or 5833.2 μm 2 And the area can be reduced. Although each numerical value is a calculation using rough numbers, the chip area can be surely reduced. Further, when the area is not reduced, the area portion becomes an element formable region, so that an element portion or a new element can be further added.
[0074]
Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment, the present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Nor. That is, in the present embodiment, an example in which a MOSFET is used as a transistor has been described. However, the present embodiment can be similarly applied to a GaAs-MES (Metal-Semiconductor) FET, a HEMT (High Electron Mobility Transistor), a Si-GeFET, and the like. Similar effects can be obtained.
[0075]
Further, although the dual band system has been described in the embodiment, it can be similarly applied to a multi-mode communication system and a multi-band multi-mode communication system, and similar effects can be obtained.
[0076]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0077]
(1) The semiconductor element (high frequency power amplifying element) can be reduced in size and cost.
[0078]
(2) The high frequency power amplifier can be reduced in size and cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a circuit configuration of a high-frequency power amplifier device according to an embodiment (Embodiment 1) of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view in which a part of the high-frequency power amplifier is cut away.
FIG. 3 is a schematic plan view of the semiconductor element according to the first embodiment incorporated in the high-frequency power amplifier.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an arrangement state of each amplification stage in a semiconductor element incorporated in the high-frequency power amplifier.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing active elements and passive elements incorporated in the semiconductor element.
6 is a schematic plan view showing a single electrode pattern of an LDMOS incorporated in the semiconductor element of
7 is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 8 is a schematic plan view showing a comb-like electrode pattern in the LDMOS.
FIG. 9 is a schematic plan view showing an electrode pattern of a switch element having a first gate width in the semiconductor element of the first embodiment.
10 is a schematic plan view showing an electrode pattern of a switch element having a second gate width in the semiconductor element of
FIG. 11 is a schematic diagram showing an arrangement state of each amplification stage in a semiconductor device according to another embodiment (Embodiment 2) of the present invention.
FIG. 12 is a schematic block diagram showing a circuit configuration of a high-frequency power amplifier device according to another embodiment (Embodiment 2) of the present invention.
FIG. 13 is a schematic plan view showing an electrode pattern of an NMOS switch element incorporated in a semiconductor element according to the second embodiment.
14 is a schematic cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 15 is a schematic block diagram showing a circuit configuration of a high-frequency power amplification device studied prior to the present invention.
FIG. 16 is a schematic layout diagram showing electronic components mounted on a module substrate in the high-frequency power amplifying apparatus examined prior to the present invention.
FIG. 17 is a schematic plan view of a semiconductor element incorporated in a high-frequency power amplifying apparatus examined prior to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記半導体基板に形成され、第1の増幅系及び第2の増幅系の初段増幅器及び次段増幅器を構成するトランジスタを有する半導体素子であって、
前記半導体基板の一部領域には、
前記第1の増幅系の初段増幅器及び前記第2の増幅系の次段増幅器を構成する第1,第2及び第3のトランジスタと、
入力される切り換え信号によって前記3個のトランジスタから所定の2個のトランジスタを選択するスイッチ素子とを有し、
前記スイッチ素子の切り換えによって、前記第2のトランジスタと前記第3のトランジスタで前記第1の増幅系の初段増幅器を構成、または前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタで前記第2の増幅系の次段増幅器を構成することを特徴とする半導体素子。A semiconductor substrate;
A semiconductor element having transistors formed on the semiconductor substrate and constituting a first amplifier and a second amplifier of a first amplification system and a second amplification system,
In a partial region of the semiconductor substrate,
First, second and third transistors constituting the first amplifier of the first amplification system and the next amplifier of the second amplification system;
A switching element that selects two predetermined transistors from the three transistors according to an input switching signal;
By switching the switch element, the first transistor of the first amplification system is configured by the second transistor and the third transistor, or the second amplification system is configured by the first transistor and the second transistor. A semiconductor device comprising a next-stage amplifier.
前記第2のトランジスタと前記第1の増幅系の最終段増幅器に接続される前記第3のトランジスタとの間に接続される第2のスイッチ素子と、
前記第2の増幅系の入力端子に接続される前記第1のトランジスタと、前記第2のトランジスタとの間に接続される第3のスイッチ素子と、
前記第2のトランジスタと前記第2の増幅系の最終段増幅器との間に接続される第4のスイッチ素子を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。A first switch element connected between an input terminal of the first amplification system and the second transistor;
A second switch element connected between the second transistor and the third transistor connected to the final amplifier of the first amplification system;
A first switch connected to the input terminal of the second amplification system and a third switch element connected between the second transistor;
2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a fourth switch element connected between the second transistor and a final-stage amplifier of the second amplification system.
前記第1のトランジスタ及び前記第1及び第3のスイッチ素子のゲート幅は第1のゲート幅となり、
前記第2のトランジスタ及び前記第2及び第4のスイッチ素子のゲート幅は前記第1のゲート幅よりも幅が広い第2のゲート幅となり、
前記第3のトランジスタは前記第2のゲート幅よりも幅が広い第3のゲート幅となり、
前記第3のトランジスタのゲート幅は前記第2のゲート幅よりも幅が広い第3のゲート幅となっていることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子。Each of the transistors and the switch elements is a field effect transistor,
The gate widths of the first transistor and the first and third switch elements are the first gate width,
The gate width of the second transistor and the second and fourth switch elements is a second gate width wider than the first gate width,
The third transistor has a third gate width that is wider than the second gate width,
The semiconductor element according to claim 2, wherein a gate width of the third transistor is a third gate width wider than the second gate width.
前記半導体基板に形成され、第1の増幅系及び第2の増幅系の初段増幅器及び次段増幅器を構成するトランジスタを有する半導体素子であって、
前記半導体基板の一部領域に形成された複数本の単体FETと、
前記半導体基板の一部領域に形成された前記複数本の単体FETの一部または全部を選択するスイッチ素子とを有し、
前記スイッチ素子の切り換えによって、前記複数本の単体FETの一部によって前記一方の増幅系の初段増幅器を構成、または前記複数本の単体FETの全部によって前記他方の増幅系の次段増幅器を構成することを特徴とする半導体素子。A semiconductor substrate;
A semiconductor element having transistors formed on the semiconductor substrate and constituting a first amplifier and a second amplifier of a first amplification system and a second amplification system,
A plurality of single FETs formed in a partial region of the semiconductor substrate;
A switch element for selecting a part or all of the plurality of single FETs formed in a partial region of the semiconductor substrate;
By switching the switch element, a part of the plurality of single FETs constitutes the first stage amplifier of the one amplification system, or all of the plurality of single FETs forms the second stage amplifier of the other amplification system. The semiconductor element characterized by the above-mentioned.
前記モジュール基板に搭載される半導体素子のうちの一つには前記第1の増幅系及び前記第2の増幅系の初段増幅器及び次段増幅器を構成するトランジスタを有し、
前記第1の増幅系及び前記第2の増幅系の初段増幅器及び次段増幅器を構成するトランジスタを有する前記半導体素子の半導体基板の一部領域には、
前記第1の増幅系の初段増幅器及び前記第2の増幅系の次段増幅器を構成する第1,第2及び第3のトランジスタと、
入力される切り換え信号によって前記3個のトランジスタから所定の2個のトランジスタを選択するスイッチ素子とを有し、
前記スイッチ素子の切り換えによって、前記第2のトランジスタと前記第3のトランジスタで前記第1の増幅系の初段増幅器を構成、または前記第1のトランジスタと前記第2のトランジスタで前記第2の増幅系の次段増幅器を構成することを特徴とする高周波電力増幅装置。A first and second amplification systems are formed on a module substrate, and each amplification system is a high-frequency power amplification device having transistors constituting the first stage, the next stage, and the last stage,
One of the semiconductor elements mounted on the module substrate has a transistor constituting the first stage amplifier and the second stage amplifier of the first amplification system and the second amplification system,
In a partial region of the semiconductor substrate of the semiconductor element having transistors constituting the first stage amplifier and the second stage amplifier of the first amplification system and the second amplification system,
First, second and third transistors constituting the first amplifier of the first amplification system and the next amplifier of the second amplification system;
A switching element that selects two predetermined transistors from the three transistors according to an input switching signal;
By switching the switch element, the first transistor of the first amplification system is configured by the second transistor and the third transistor, or the second amplification system is configured by the first transistor and the second transistor. A high-frequency power amplifying apparatus comprising:
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