高精度な製品寿命予測に向けたGaN-HEMTチャネル温度測定技術

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解析技術高精度な製品寿命予測に向けた GaN-HEMT チャネル温度測定技術 High-Accuracy Product Life Estimation of GaN-HEMT by µ-raman and Numerical Simulation 米村 * 卓巳古川将人水野慎也 Takumi Yonemura Masato Furukawa Shinya Mizuno

2 µm 程のチャネル層の温度 (T ch) を測定する必要があるこれまでは赤外顕微鏡による測定を行っていたが空間分解能が4 µmであり温度分布が平均化され正しく測定できなかったそこで空間分解能が0.

high-electron-mobility transistors) for satellites and mobile phone base stations need to assure long-term reliability.

1 解析技術高精度な製品寿命予測に向けた GaN-HEMT チャネル温度測定技術 High-Accuracy Product Life Estimation of GaN-HEMT by µ-raman and Numerical Simulation 米村 * 卓巳古川将人水野慎也 Takumi Yonemura Masato Furukawa Shinya Mizuno 松川真治塩崎学並川靖生 Shinji Matsukawa Manabu Shiozaki Yasuo Namikawa 携帯電話基地局や衛星通信に向けた高効率高周波動作 GaN-HEMT 1 では性能の長期信頼性保証が特に重要であり製品寿命を予測するにはデバイス動作下でゲート電極直下の長さ0.2 µm 程のチャネル層の温度 (T ch) を測定する必要があるこれまでは赤外顕微鏡による測定を行っていたが空間分解能が4 µmであり温度分布が平均化され正しく測定できなかったそこで空間分解能が0.8 µmのラマン分光を活用した T ch 測定法を開発した測定精度の把握と向上のための試料構造最適化とデータ補正法を検討し測定精度が5 の測定技術を確立した既存製品の製品寿命を試算したところ同じ T ch で比較すると予測値が1 桁長くなることを確認した High-efficiency and high-frequency GaN-HEMTs (gallium-nitride high-electron-mobility transistors) for satellites and mobile phone base stations need to assure long-term reliability. The life time of these products is estimated based on the temperature of the channel layer (T ch), with a channel length of approximately 0.2 µm, located under the gate electrode. However, the current measurement method using an infrared microscope with a spatial resolution of 4 µm is insufficient to obtain the T ch precisely. We have developed a high-accuracy estimation method that uses µ-raman spectroscopy with a spatial resolution of 0.8 µm, and achieved an accuracy of ± 5 degrees C by the optimization of sample structures for µ-raman spectroscopy and careful calibration. It was confirmed that the life time of our existing products estimated by this method is 20 times longer than that by the infrared microscope measurement. キーワード :GaN-HEMT チャネル温度製品寿命ラマン分光数値解析 1. 緒言ワイドギャップ半導体である窒化ガリウム ( 以下 GaN) を用いた半導体デバイスは高効率高周波動作の無線通信機器などの実現に繋がり高速化大容量化する情報化社会を支えるキーデバイスである当社も携帯電話基地局や通信衛星などに向けて数 GHz~80GHz の広い帯域で GaN 系高電子移動度トランジスタ ( 以下 GaN-HEMT 1 ) を開発 / 製造している本用途では最終製品に組み込まれた後での部品交換が容易ではないため性能の長期信頼性に対する要求が特に厳しくなっている従来は赤外顕微鏡で観察したデバイス動作中の表面温度をチャネル温度 T ch と定義して製品寿命を算出してきたしかし製品寿命を高精度に予測するには半導体内部の局所的な高温部の温度をT ch として計測する必要があり近年 T ch 測定方法として µmレベルの空間分解能を持つラマン分光 2 や数値解析による手法が検討されている (1)~(3) しかし得られた結果の計測精度に関して議論した報告はほとんど確認できないそこで今回ラマン分光と数値解析を併用した T ch 測定の精度把握および精度向上のための独自の試料構造やデータ補正方法を検討し空間分解能が0.8 µm 測定精度が5 以下のT ch 測定技術を確立したので報告する 2. GaN-HEMT の動作原理と製品寿命 2-1 動作原理一般的に GaN-HEMT は図 1に示すようにSiC 基板上に GaN AlGaN をエピタキシャル成長したHEMT 構造を有する GaN/AlGaN 界面近傍には高移動度の2 次元電子ガス層 ( 以下 2DEG(Two Dimensional Electron Gas)) が誘起されソース電極 ( 以下 ) とドレイン電極 ( 以下 ) の間に電圧を印加すると 2DEG を介して電流が流れる電流量はゲート電極 ( 以下 ) に電圧を印加しチャネル層を形成することで制御される 2-2 製品寿命の予測方法と課題デバイス動作中は直下のGaN 層における長さ0.2 µm 程の領域の温度が局所的に上昇すると考えられこの SiN 図 1 GaN SiC T ch AlGaN 電流パス GaN-HEMT の概略図 138 高精度な製品寿命予測に向けた GaN-HEMT チャネル温度測定技術

高温部の温度を精度よく計測する必要がある図1中印 5 が変化する 2 デバイス動作下での温度測定では D 電の Tch これまでの赤外顕微鏡を用いた方法では空間分解極間に電圧を印加し分極状態をデバイス動作中と能が4 µm であるため間の温度が平均される同じにして振動数と試料温度の関係式検量線を求めことに加え得られる温度は SiN や電極などの異種材料ることで

8 µm の空間分解能を有し GaN 層の温度を選択的に抽出できるラマン分光と電極に覆われた部分の温度分布予測ができる数値解析を併用した手法を検討したてデバイス動作中の温度を測定した 2 測定系と測定試料図3に測定系の概略図を示すラマン測定は JobinYvon 社製の HR-800を用いたラマン分光の測定条件は入射レーザー YAG 532 nm ピンホール径 100 µm 照射

8 ラマン分光での温度測定では試料にレーザーを照射し µm であることを確認したた際に分子振動と相互作用することで発生するラマン散乱 GaN-HEMT チップはパッケージ化されておりその両端光の振動数を利用するの強度分布はガウシアを図4に示すようにネジで固定したまた信頼性試験でンであるのでビーム径0.

8 µm の照射範囲の平均温度ではなく照射中心位置のステージと治具の間に挟んだペルチェ素子によって50 温度を測定することができるそこで図2に示すように G 100 の範囲で任意に Tb を調整した電極間の中央の位置 Rcen では SiN 膜を透過させて GaN の温度をラマン分光で測定した以下 TRa Rcen 一方電極端部や完全に電極に覆われている部分は入射レー

2 高温部の温度を精度よく計測する必要がある図1中印 5 が変化する 2 デバイス動作下での温度測定では D 電の Tch これまでの赤外顕微鏡を用いた方法では空間分解極間に電圧を印加し分極状態をデバイス動作中と能が4 µm であるため間の温度が平均される同じにして振動数と試料温度の関係式検量線を求めことに加え得られる温度は SiN や電極などの異種材料ることで電圧印加に伴う逆ピエゾ効果 3による振動数のの影響を含むまた電極に覆われた部分の測定も困難で変化を予め取り込んだ検量線を作成しこの検量線を用い 4 あるために直下の高温部を測定できていなかったそこで0.8 µm の空間分解能を有し GaN 層の温度を選択的に抽出できるラマン分光と電極に覆われた部分の温度分布予測ができる数値解析を併用した手法を検討したてデバイス動作中の温度を測定した 2 測定系と測定試料図3に測定系の概略図を示すラマン測定は JobinYvon 社製の HR-800を用いたラマン分光の測定条件は入射レーザー YAG 532 nm ピンホール径 100 µm 照射 3. 計測技術の確立と定量精度の向上 3 1 Tch 温度算出方法の概要強度 5mW 対物レンズ長焦点100倍開口数0.6 であるこの条件下における空間分解能は InP Indium Phosphide 劈開面を用いたナイフエッジ法 4により0.8 ラマン分光での温度測定では試料にレーザーを照射し µm であることを確認したた際に分子振動と相互作用することで発生するラマン散乱 GaN-HEMT チップはパッケージ化されておりその両端光の振動数を利用するの強度分布はガウシアを図4に示すようにネジで固定したまた信頼性試験でンであるのでビーム径0.8 µm のの全てが測定領はチップ外縁部より2 mm 外側の位置に固定した熱電対域に照射されている条件下では照射中心位置の温度に対応で測定される温度をチップ温度 Tb と定義しているした振動数をもつラマン散乱光の強度が最大となるつま本実験においても同一方法で測定した温度を Tb と定義しり 0.8 µm の照射範囲の平均温度ではなく照射中心位置のステージと治具の間に挟んだペルチェ素子によって50 温度を測定することができるそこで図2に示すように G 100 の範囲で任意に Tb を調整した電極間の中央の位置 Rcen では SiN 膜を透過させて GaN の温度をラマン分光で測定した以下 TRa Rcen 一方電極端部や完全に電極に覆われている部分は入射レーザー光が電極に遮られラマン測定が困難であるので数値解析によって温度分布を計算した具体的には位置 Rcen ラマン装置 (HR-800) GaN HEMTチップ熱電対の温度と直下端部の位置 RG の温度の差分を計算した以下 ΔTCAE 最後に TRa Rcen にΔTCAE 加えることで治具 Tch TRa (Rcen) ΔTCAE を求めたペルチェ素子電源ラマンステージ D電極図3 SiN 0.8μm G電極 S電極チャネル温度ネジ固定試料 S電極 G電極 ΔTCAE TCh 測定箇所 TCAE(R) TRa(Rcen) 図2 3 2 測定系の概略図 D電極 Rcen RG 計測位置(R) 図4 GaN-HEMT チップ固定方法とチップ拡大図 Tch 算出方法ラマン分光による温度測定精度の改善 1 ラマン分光による温度測定法の概要試料温度や分極状態が変化するとラマン散乱光の振動数本論文用にとの距離 Lgd が異なる2種類の試料 A Lgd 2 µm B Lgd 5 µm を作製したラマン測定を実施するためにとの配線が入射レーザー光を妨害しないように対物レンズの開口数を考慮して 2018 年 1 月 S E I テクニカルレビュー第 192 号 139

3 配線後退後退配線 1μm R cen1μm T Ra (R cen ) [ ] R 2 = μm (a) 試料 A 実測可能な領域 5 μm (b) 試料 B T b [ ] 図 5 測定試料の電極構造との関係図 6 チップ温度 (T b ) とラマン実測値 (T Ra ) の相関関係配線を図 5のように後退させた電極後退による温度測定への影響は後述の数値解析により1 以下である試料 AではL gd が狭いためラマンで実測可能なのはとの中央の1 点だが試料 BではL gd が広いためR cen ±1 µmの領域の温度分布を実測できる実測値と数値解析値を比較検証し数値解析モデルのパラメータを最適化することでL gd 可変の数値解析モデルを作成することにしたなおラマン実測時のバイアス条件はV ds =26 V I ds =150 ma とした (3) 定量精度の把握と改善測定値の精度把握のために変動要因を抽出し要因毎に精度を検証した変動要因は以下に示す4つに分類された 1. 熱電対の接触バラつきによる温度測定値の変動 2. 試料と治具の取り付けバラつきによる変動 3. 外部環境による測定値の変動 ( 日内 / 日間変動 ) 4. 装置が元々持っている測定バラつき ( 再現性 ) 上記の1~4に対して表 1に示す検証を実施した結果各要因由来の測定誤差の合計は約 25 であり表 1 中の4 項に該当する装置本来の測定誤差 (4 ) より明らかに大きいことを確認したこの測定誤差に対して我々はキャリブレーションによる低減を行った具体的には試料 Aを測定する直前に検量線作成時の条件でラマン測定を実施し検量線とのズレ量 Δを算出するその後デバイス動作条件下での測定を行い得られた測定値をΔで補正した図 6 はT b とT Ra (R cen ) の関係である線形近似の結果相関係数 R 2 は0.92と高く比例関係を示しているこのとき T Ra (R cen ) の測定誤差は5 に抑えられることを確認した 3-3 数値解析によるデバイス内温度分布の予測 (1) 温度分布への影響の大きいパラメータの抽出デバイスの温度分布の解析には市販のデバイスシミュレータ (SILVACO ALTAS) を用いた (6) 本ツールでは電界分布キャリア輸送自己発熱等を考慮した解析によりデバイス内部の詳細な温度分布を得ることができるデバイスシミュレーションは移動度バンドギャップ電子親和力など多くの物性値を必要とするしかしこれらの物性値はデバイスの電気特性には影響するがデバイス内部の発熱量がV ds とI ds の積で規定される本条件下では温度分布への影響は無視できることを確認した熱伝導率は温度分布に影響し文献等 (7)~(12) で報告されている熱伝導率の値には20% 程度の幅があるため主な構成材料である SiC(Silicon Carbide) GaN AlGaN SiN (Silicon Nitride) の熱伝導率をそれぞれ ±20% 変動させ ΔT CAE への影響を検証したその結果 SiC AlGaN SiN の熱伝導率の影響は0.5 以下であるのに対し GaNの熱伝導率の影響は3 と他に比べ大きいそこで我々は GaN の熱伝導率を合わせ込みパラメータとし文献値の中から実測と最もよく合う値を選定することとした (2) ラマン測定との比較とGaN 熱伝導率の決定試料 Bを用いてラマン分光と数値解析の温度勾配の比較から GaN の熱伝導率を1.3 W/m K と決定したこのとき測定治具からチップ裏面までは解析領域には含めず別途 3 次元有限要素法解析で求めた熱抵抗 7.9 K/Wを境界条件として与えた熱伝導率については使用した値を表 2にまとめた表 1 ラマン測定の変動要因と検証内容変動要因検証内容変動量 1 熱電対接触バラつき熱電対を繰り返し取り付け変動量を調査 1 2 試料取り付け変動試料を繰り返し取り付け変動量を調査 10 3 外部環境による変動試料を取り外すことなく複数タイミング ( 朝夕日毎 ) で測定し変動量を調査 10 4 繰り返し再現性同一場所の繰り返し測定で変動量を調査 4 表 2 計算に使用した熱伝導率材料熱伝導率 [W/m K] SiC 5.2 GaN 1.3 AlGaN 0.19 SiN 高精度な製品寿命予測に向けた GaN-HEMT チャネル温度測定技術

数値解析ラマン 6 5 4 3 2 1 中央からの距離 [μm] 0 MTTF [hour] T ch [ ] 図 9 1.E+10 1.E+09 1.E+08 1.E+07 1.E+06 1.E+05 200 190 170 150 130 110 ラマン - 数値解析赤外顕微鏡 35 L gd =2 μm ( 試料 A) 60 70 80 90 100 110 130 T b [ ] 1.

4 得られた温度分布を図 7 に示す側の直下端部に最高温度部がある図 8 では中央からの距離を横軸にとり縦軸に数値解析で求めた2DEGの温度をプロットし実測可能な領域 (1.8~3.8 µm) でのラマン測定結果と数値計算結果の温度勾配を比較した両者で温度勾配がほぼ一致していることが確認できる次節では本法を用いてラマン測定点 R cen から2DEG の最高温度部との温度差 ΔT CAE を見積もる ( ) 温度 [ ] μm 2DEG 図 7 SiC GaN AlGaN 試料 B の温度分布の数値解析結果数値解析ラマン中央からの距離 [μm] 0 MTTF [hour] T ch [ ] 図 9 1.E+10 1.E+09 1.E+08 1.E+07 1.E+06 1.E ラマン - 数値解析赤外顕微鏡 35 L gd =2 μm ( 試料 A) T b [ ] 1.E 図 10 ラマン - 数値解析と従来法の T ch 測定結果ラマン - 数値解析 35 赤外顕微鏡 T ch [ ] 誤差 hour ラマン - 数値解析による寿命算出結果 hour 図 8 ラマン測定と数値計算の温度勾配の比較顕微鏡の結果を用いると時間であるが本法での試算結果は時間となり本法を用いることで既存製品の寿命の予測値が1 桁長くなることを確認した 4. 結果と考察上記結果に基づき動作温度である200 での考察を以下に行う図 9は本法および赤外顕微鏡による方法で得られた試料 AのT ch 測定結果の比較である本法でT ch が200 のとき赤外顕微鏡では165 であり 35 低かった赤外顕微鏡ではT ch 近傍の温度分布が平均化されて低く見積もられたことが主要因と考えられる図 10 中の破線は既存製品のT ch と製品寿命の関係である製品寿命は平均故障時間 (MTTF) で表している図 9に示した本法と赤外顕微鏡で得られるT ch の差分を使って本法のT ch における製品寿命を試算した結果も掲載した ( 図 10 中の実線 ) T ch が200 における MTTF は赤外 5. 結言ラマン分光と数値解析を併用したT ch 測定法を当社製品に適用するために測定精度の把握および精度向上のための試料構造最適化やデータ補正方法を検討し空間分解能が0.8 µm 測定精度が5 のT ch 測定技術を確立した既存製品の寿命を試算したところ同じT ch で比較すると製品寿命の予測値が赤外顕微鏡による方法よりも1 桁長くなることを確認した 2018 年 1 月 S E I テクニカルレビュー第 192 号 141

6. 謝辞本研究の遂行にあたっては住友電工デバイスイノベーションの黒田滋技師長清水聡部長より多くのご助言を賜りました執筆者ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー米村卓巳 * : 解析技術研究センター古川将人 : 解析技術研究センター主席

イノベーション電子デバイス事業部 2 ラマン分光単色光レーザーを試料に照射すると分子振動と相互作用し非弾性散乱光 (=ラマン散乱光) を生じるこの散乱光を分光してスペクトルを得るこのスペクトルを解析することで化合物の同定歪温度などを非破壊で評価できる 3

解析技術研究センター部長工学博士ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー * 主執筆者参考文献 (1) Y. Ohno, M. Akita, S. Kishimoto, K. Maezawa, and T. Mizutani, Jpn, J.

Kuball, A. Sarua, H. Ji, M. J. Uren, R. S. Balmer, and T. Martin, 2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest., vol.

,, 155104 (2016) (6) Atlas User's Manual, Silvaco, Inc.(2016) (7) A. Darwish, A. J. Bayba, and H. A. Hung, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 62, no.

Bagnall, MIT Thesis, Massachusetts Institute of Technology (2013) (10) B. Raj and S. Bindra, International Journal of Computer Applications, vol. 75, no.

5 6. 謝辞本研究の遂行にあたっては住友電工デバイスイノベーションの黒田滋技師長清水聡部長より多くのご助言を賜りました執筆者ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー米村卓巳 * : 解析技術研究センター古川将人 : 解析技術研究センター主席用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 GaN-HEMT Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor の略高移動度な2 次元電子ガス (2DEG) をチャネルとした電界効果トランジスタ水野慎也 : 住友電工デバイスイノベーション電子デバイス事業部 2 ラマン分光単色光レーザーを試料に照射すると分子振動と相互作用し非弾性散乱光 (=ラマン散乱光) を生じるこの散乱光を分光してスペクトルを得るこのスペクトルを解析することで化合物の同定歪温度などを非破壊で評価できる 3 逆ピエゾ効果極性を持つ材料に対して電場を印加した際に生じる歪み現象 4 ナイフエッジ法の光軸に対して垂直方向に直線エッジを有する遮へい物を移動させたときのレーザ強度の変化からビーム径を求める手法松川真治 : 解析技術研究センターグループ長塩崎学 : 解析技術研究センター主幹並川靖生 : 解析技術研究センター部長工学博士ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー * 主執筆者参考文献 (1) Y. Ohno, M. Akita, S. Kishimoto, K. Maezawa, and T. Mizutani, Jpn, J. Appl. Phys., vol. 41, (2002) (2) T. Batten, J. W. Pomeroy, M. J. Uren, T. Martin, and M. Kuball, J. Appl. Phys., 106, (2009) (3) 小坂賢一藤嶌辰也井上薫檜木啓宏山田明幸土屋忠厳城川潤二郎神谷慎一鈴木彰荒木努名西憓之信学技報 LQE (2006) (4) M. Kuball, A. Sarua, H. Ji, M. J. Uren, R. S. Balmer, and T. Martin, 2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest., vol. 4 of 5, (2006) (5) K. R. Bagnall, C. E. Dreyer, D. Vanderbilt, and E. N. Wang, J. Appl. Phys.,, (2016) (6) Atlas User's Manual, Silvaco, Inc.(2016) (7) A. Darwish, A. J. Bayba, and H. A. Hung, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 62, no. 3, pp (Mar. 2015) (8) J. C. Freeman and W. Mueller, NASA/TM (9) K. R. Bagnall, MIT Thesis, Massachusetts Institute of Technology (2013) (10) B. Raj and S. Bindra, International Journal of Computer Applications, vol. 75, no. 18 (2013) (11) J. Piprek, Semiconductor Optoelectronic Devices: Introduction to Physics and Simulation, pp , Academic Press (2003) (12) W. Liu and A. A. Balandin, Appl. Phys. Lett., vol. 85, no. 22 (2004) 142 高精度な製品寿命予測に向けた GaN-HEMT チャネル温度測定技術

Microsoft PowerPoint - semi_ppt07.ppt

Microsoft PowerPoint - semi_ppt07.ppt 半導体工学第 9 回目 / OKM 1 MOSFET の動作原理しきい電圧 (V( TH) と制御 E 型と D 型 0 次近似によるドレイン電流解析半導体工学第 9 回目 / OKM 2 電子のエネルギーバンド図での考察金属 (M) 酸化膜 (O) シリコン (S) 熱平衡でフラットバンド伝導帯 E c 電子エネルギシリコンと金属の仕事関数が等しい界面を含む酸化膜中に余分な電荷がない