(57)【要約】【課題】本発明は、優れた長期信頼性を有する窒化物半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本願の発明に係る窒化物半導体デバイスの製造方法は、入力端子、ドレイン端子、ゲート端子、及び出力端子を備えた窒化物半導体デバイスの該入力端子にＲＦ信号を入力し、該ドレイン端子にドレイン電圧を印加し、かつ該ゲート端子にゲート電圧を印加しつつ、該窒化物半導体デバイスを加熱するバーンイン工程を備える。そして、該バーンイン工程は、該窒化物半導体デバイスのゲート電流の減少が見られるまで継続することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子、ドレイン端子、ゲート端子、及び出力端子を備えた窒化物半導体デバイスの前記入力端子にＲＦ信号を入力し、前記ドレイン端子にドレイン電圧を印加し、かつ前記ゲート端子にゲート電圧を印加しつつ、前記窒化物半導体デバイスを加熱するバーンイン工程を備え、
前記バーンイン工程は、前記窒化物半導体デバイスのゲート電流の減少が見られるまで継続することを特徴とする窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記バーンイン工程では、出力信号のコンプレッションがＰ１ｄＢ〜Ｐ５ｄＢとなるように前記入力端子に入力する前記ＲＦ信号のレベルを設定することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記バーンイン工程では、ＶＳＷＲが３〜１０となるように、前記窒化物半導体デバイスの出力側のインピーダンスを設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記バーンイン工程では、前記窒化物半導体デバイスの出力インピーダンスと、負荷のインピーダンスをインピーダンス整合させつつ、加熱装置を用いて前記窒化物半導体デバイスを加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記バーンイン工程では、前記窒化物半導体デバイスのチャネル温度を１８０℃以上とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記バーンイン工程の前に、ドレイン電流を２００ｍＡ／ｍｍ以上流すＤＣバーンイン工程を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記窒化物半導体デバイスは、ＳｉＣ基板上に、窒化ガリウム系材料又は窒化アルミニウム・ガリウム系材料のエピタキシャル層を備えた増幅器であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
窒化物半導体デバイスにＲＦ信号を供給するＲＦ信号源と、
前記窒化物半導体デバイスの出力側に接続されるチューナーと、
前記チューナーに接続された負荷と、
前記窒化物半導体デバイスにドレイン電圧、ゲート電圧、及び前記ＲＦ信号が供給されているときに、前記窒化物半導体デバイスのゲート電流を測定し、前記ゲート電流の減少を検出した後に、前記ドレイン電圧、前記ゲート電圧、及び前記ＲＦ信号の前記窒化物半導体デバイスへの供給を停止させる制御部と、を備えたことを特徴とするバーンイン装置。
【請求項９】
前記ドレイン電圧及び前記ゲート電圧は、それぞれ定格電圧であることを特徴とする請求項８に記載のバーンイン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば高周波信号の増幅などに用いられる窒化物半導体デバイスの製造方法と、その製造方法で用いるバーンイン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、評価装置を用いて半導体素子のバーンイン処理を行うことが開示されている。非特許文献１には、バーンイン処理などでストレス印加された半導体素子の劣化メカニズムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−２６７６７６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Alessandro Chini等著「Analysis of GaN HEMT Failure Mechanisms During DC and Large-Signal RF Operation」IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 59, NO. 5, MAY 2012, p.1385.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窒化物半導体デバイスを長期間使用すると、出力ＲＦ信号のパワーが低下したり、ゲート電流が増加したりする問題があった。そのため、長期にわたる高い信頼性を確保した窒化物半導体デバイスを提供できない問題があった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、優れた長期信頼性を有する窒化物半導体デバイスの製造方法と、その窒化物半導体デバイスの製造に用いるバーンイン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の発明に係る窒化物半導体デバイスの製造方法は、入力端子、ドレイン端子、ゲート端子、及び出力端子を備えた窒化物半導体デバイスの該入力端子にＲＦ信号を入力し、該ドレイン端子にドレイン電圧を印加し、かつ該ゲート端子にゲート電圧を印加しつつ、該窒化物半導体デバイスを加熱するバーンイン工程を備え、該バーンイン工程は、該窒化物半導体デバイスのゲート電流の減少が見られるまで継続することを特徴とする。
【０００８】
本願の発明に係るバーンイン装置は、窒化物半導体デバイスにＲＦ信号を供給するＲＦ信号源と、該窒化物半導体デバイスの出力側に接続されるチューナーと、該チューナーに接続された負荷と、該窒化物半導体デバイスにドレイン電圧、ゲート電圧、及び該ＲＦ信号が供給されているときに、該窒化物半導体デバイスのゲート電流を測定し、該ゲート電流の減少を検出した後に、該ドレイン電圧、該ゲート電圧、及び該ＲＦ信号の該窒化物半導体デバイスへの供給を停止させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、優れた長期信頼性を有する窒化物半導体デバイスを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るバーンイン工程を説明する図である。
【図２】ＲＦ信号の入力レベルを漸増させたときのゲート電流の変化を示すグラフである。
【図３】長期信頼性試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体デバイスの製造方法では、まず、窒化物半導体デバイスの構造を完成させる。その後、窒化物半導体デバイスをパッケージに組み込みバーンイン工程を実施する。図１は、バーンイン工程を説明する図である。窒化物半導体デバイス１０はバーンイン装置に搭載されている。バーンインの対象となる窒化物半導体デバイス１０は、入力端子１０ａ、ドレイン端子１０ｂ、ゲート端子１０ｃ、及び出力端子１０ｄを備えている。
【００１２】
窒化物半導体デバイス１０は、例えば、ＳｉＣ基板上に窒化ガリウム系材料又は窒化アルミニウム・ガリウム系材料のエピタキシャル層を備えた増幅器である。窒化ガリウム系材料のエピタキシャル層としては、例えばＡｌＧａＮバリア層及びＧａＮバッファー層がある。なお、エピタキシャル層の上にはソース電極、ゲート電極、ドレイン電極、及びＳｉＮ保護膜が形成される。
【００１３】
窒化物半導体デバイス１０の出力側（出力端子１０ｄ）はチューナー１２に接続されている。チューナー１２は窒化物半導体デバイス１０の出力側のインピーダンスを調整するものである。チューナー１２は例えばＬとＣで形成する。チューナー１２にはＲＦ電力を消費する負荷１４が接続されている。負荷１４は例えば抵抗で形成する。
【００１４】
窒化物半導体デバイス１０の入力側（入力端子１０ａ）にはＲＦ信号源１６が接続されている。ＲＦ信号源１６は、窒化物半導体デバイス１０にＲＦ信号を供給する部分である。窒化物半導体デバイス１０、及びＲＦ信号源１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、窒化物半導体デバイス１０のゲート電流を測定する。
【００１５】
入力端子１０ａ、窒化物半導体デバイス１０、出力端子１０ｄ、チューナー１２、及び負荷１４は、ＲＦ信号が伝送するＲＦラインである。このＲＦラインは、通常は５０Ωに設定する。ドレイン端子１０ｂからゲート端子１０ｃはＤＣ電圧が印加されるＤＣラインである。
【００１６】
チューナーにより出力インピーダンス整合がとられていれば、ＲＦ信号は窒化物半導体デバイス１０にて例えば１０ｄＢ程度増幅され、チューナー１２を通り負荷１４で熱に変換されて消費される。しかし、本発明の実施の形態１では、チューナー１２により窒化物半導体デバイス１０の出力側のインピーダンスを調整し、ＶＳＷＲ（voltage standing wave ratio:電圧定在波比）が３〜１０とするようにした。つまり、チューナー１２により意図的にインピーダンス整合されていない状態をつくりだし反射を生じさせる。
【００１７】
バーンイン工程では、窒化物半導体デバイス１０の入力端子１０ａにＲＦ信号を入力する。同時に、ドレイン端子１０ｂにドレイン電圧を印加し、ゲート端子１０ｃにゲート電圧を印加する。ドレイン電圧とゲート電圧は定格電圧とすることが好ましい。
【００１８】
バーンイン工程では、入力端子１０ａに入力するＲＦ信号の入力レベルを少しずつ上げていく。図２は、ＲＦ信号の入力レベル（Ｐｉｎ）を漸増させたときの窒化物半導体デバイスのゲート電流（Ｉｇ）の変化を示すグラフである。Ｉｇは制御部１８にて測定している。Ｐｉｎを増加させていくと、２８ｄＢｍで出力信号のコンプレッションがＰ１ｄＢとなる。つまり、Ｐｉｎが２８ｄＢｍでの出力信号のレベルは、理想的な出力信号のレベルより１ｄＢ下がる。
【００１９】
また、Ｐｉｎを２０ｄＢｍから徐々に増加させていくと、ゲート電流（負のゲート電流）が増加する。ゲート電流が増加するのは、Ｐｉｎ増加に伴い負荷線（窒化物半導体デバイスのドレイン電圧とドレイン電流の関係を示す線）が閉曲線を描くようになり、ドレイン端子１０ｂに定格電圧より大きい瞬時電圧が印加されるからである。
【００２０】
さらに、Ｐｉｎを３５ｄＢｍ程度まで増加させるとＩｇが急減する。制御部１８は、Ｉｇの減少を検出した後に、定格電圧（ゲート電圧とドレイン電圧）とＲＦ信号の窒化物半導体デバイス１０への供給を停止させる。具体的には定格電圧を遮断し、ＲＦ信号源１６を停止させる。このように、Ｉｇが急減する現象を確認するとバーンイン工程は終了する。換言すれば、バーンイン工程は窒化物半導体デバイス１０のゲート電流Ｉｇの減少が見られるまで継続するのである。バーンイン工程においてＩｇが急減する現象を「Ｉｇ急減現象」と称する。
【００２１】
Ｐｉｎを３５ｄＢｍ程度まで増加させたときの状況を説明する。このとき、出力信号のコンプレッションはＰ２ｄＢとなる。つまり、Ｐｉｎが３５ｄＢｍでの出力信号のレベルは理想的な出力信号のレベルより２ｄＢ下がる。この状況下では、Ｐｉｎが２０ｄＢｍのときよりも大きい瞬時電圧がドレイン端子１０ｂに印加される。
【００２２】
これにより、窒化物半導体デバイス１０に大きな電気的ストレスが与えられるとともに、窒化物半導体デバイス１０のチャネル温度が上昇する。例えば、ドレイン電圧の定格電圧を３０Ｖとすると、Ｐｉｎが３５ｄＢｍの場合のドレイン電圧の瞬時電圧は６５Ｖである。
【００２３】
さらに、チューナー１２により意図的にインピーダンス整合されていない状態をつくりだしたことが主要因となり、Ｐｉｎが３５ｄＢｍ程度のときの窒化物半導体デバイスのチャネル温度は１８０℃程度にまで高まった。本発明の実施の形態１では、上記のようにして窒化物半導体デバイスに電気的ストレスと熱的ストレスを与えることで、Ｉｇ急減現象を生じさせた。
【００２４】
図３は、バーンイン工程の後に行った長期信頼性試験の結果を示すグラフである。長期信頼性試験は、窒化物半導体デバイス１０に出力信号のコンプレッションがＰ３ｄＢとなるＲＦ信号を入力し、かつ窒化物半導体デバイス１０のチャネル温度を３３０℃とした状態を維持して、窒化物半導体デバイスの出力パワーを測定するものである。図３のΔＰｏは出力パワーの時間変化量を表す。Ｉｇ急減現象が起こる前にバーンイン工程を終えたサンプルは数十時間で出力パワーの顕著な劣化が見られた。
【００２５】
他方、Ｉｇ急減現象後にバーンイン工程を終えたサンプルは、４８０時間経過後も出力パワーの顕著な劣化は見られなかった。従って、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体デバイスの製造方法で製造した窒化物半導体デバイスは優れた長期信頼性を有する。
【００２６】
また、Ｉｇ急減現象を伴うバーンイン工程の後に、再びバーンインを行ってもＩｇが増加することはなく安定していた。バーンイン工程において窒化物半導体デバイスに電気的ストレスと熱的ストレスを与えた結果、窒化物半導体デバイスのゲート周辺の結晶欠陥がアニールアウト（結晶欠陥が熱処理によって除去されること）したと考えている。
【００２７】
ところで、Ｉｇ急減現象を生じさせるためには、バーンイン工程における窒化物半導体デバイス１０のチャネル温度を１８０℃以上とすることが好ましい。しかし、窒化物半導体デバイスはＰＡＥ（Power Added Efficiency:電力付加効率）に応じた電力を消費するため、チューナーを利用しなければ、チャネル温度は周囲温度（２５〜６０℃）よりも約３０℃から１００℃上昇するに過ぎない。この場合、チャネル温度は５５℃から１６０℃程度となる。これでは、チャネル温度を１８０℃以上にすることができない。
【００２８】
そこで、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体デバイスの製造方法では、チューナー１２を調整しＶＳＷＲが３〜１０とするようにした。これにより、ドレイン電流が増加し電力付加効率が低下することで、チャネル温度を周囲温度（２５〜６０℃）よりも１５０℃から３００℃程度高くすることができる。この場合、チャネル温度を１７５℃から３６０℃程度までの範囲で調整できるので、当該チャネル温度を１８０℃以上とするのは容易である。
【００２９】
なお、バーンイン工程におけるゲート電流Ｉｇが大きくなると、ゲートに挿入しているゲート抵抗に電流が流れ、電圧降下によりゲート電圧が正方向にシフトする。これにより、ドレイン電流が増加し、チャネル温度が上昇し、ゲート電流が増加するという正帰還がかかりデバイス劣化の恐れがある。このようなデバイス劣化を避けるために、ＶＳＷＲは３〜１０とし、チャネル温度が高くなり過ぎないように注意する。図２のデータを得たバーンイン工程ではＶＳＷＲを４．９とした。
【００３０】
バーンイン工程では、出力信号のコンプレッションがＰ１ｄＢ〜Ｐ５ｄＢとなるように入力端子に入力するＲＦ信号のレベルを設定することが好ましい。これにより、ＲＦ信号の周期と同周期でドレイン電圧が増減するので、チャネル温度が過剰に高くなることを防止しつつ、高い電気的ストレスを与えることができる。
【００３１】
本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体デバイスでは、入力レベルを徐々に増加させた。しかしながら、Ｉｇ急減現象が起こる入力レベルが事前に分かっていれば、最初からそのような入力レベルに固定してバーンイン工程を行ってもよい。この場合、例えば数秒から数十秒という短時間でバーンイン工程を終えることができる。
【００３２】
制御部１８は、窒化物半導体デバイス１０へ定格電圧を供給する定格電圧供給部と接続され、Ｉｇ急減現象が起こると当該定格電圧供給部を停止させるようにしてもよい。なお、以下の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法についても、上記と同等の変形をなしうる。
【００３３】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体デバイスの製造方法は、実施の形態１と共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態２に係るバーンイン工程では、チューナー１２を調整して、窒化物半導体デバイスの出力インピーダンスと、負荷１４のインピーダンスをインピーダンス整合させる。窒化物半導体デバイスの出力インピーダンスと、負荷のインピーダンスは例えば５０Ωとする。
【００３４】
インピーダンス整合させると反射によるチャネル温度の上昇は期待できない。そこで、例えば加熱シートなどの加熱装置を用いて窒化物半導体デバイスを加熱する。そして、Ｉｇ急減現象を確認した後にバーンイン工程を終了する。つまり、制御部がＲＦ信号源１６を停止させ、定格電圧を遮断し、加熱装置を停止させる。
【００３５】
本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体デバイスの製造方法によれば、バーンイン工程においてインピーダンス整合をとってＲＦ信号の反射を抑制したので、窒化物半導体デバイスの劣化を抑制できる。なお、加熱装置は、窒化物半導体デバイスを加熱するものであればよいので、加熱シートに限定されない。
【００３６】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体デバイスの製造方法は、実施の形態１と共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体デバイスの製造方法では、バーンイン工程の前に、ドレイン電流を２００ｍＡ／ｍｍ以上流すＤＣバーンイン工程を行う。その後、実施の形態１又は２で説明したバーンイン工程を実施する。
【００３７】
ＤＣバーンイン工程により、ゲート周辺の結晶欠陥の幾つかはアニールアウトされる。これによりバーンイン工程で必要なチャネル温度を若干低下させることができる。つまり、１８０℃よりは若干低いチャネル温度でＩｇ急減減少を生じさせることができる。なお、ここまでに説明した各実施の形態の特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０  窒化物半導体デバイス、  １０ａ  入力端子、  １０ｂ  ドレイン端子、  １０ｃ  ゲート端子、  １０ｄ  出力端子、  １２  チューナー、  １４  負荷、  １６  ＲＦ信号源、  １８  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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