JP2005020518A - 高周波電力増幅回路および高周波電力増幅用電子部品並びにその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高周波電力増幅回路の増幅用トランジスタ(Q2)のバイアス電圧が当該増幅用トランジスタとカレントミラー接続されたバイアス用トランジスタ(Q1)により与えられるように構成された高周波電力増幅回路(RFパワーモジュール)において、上記増幅用トランジスタの制御端子に接続されたパッド(外部端子P2)とは別個に、増幅用トランジスタとカレントミラー接続されるバイアス用トランジスタの制御端子に接続された第2のパッド(P2’)を設けるようにした。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電力増幅回路およびこの高周波電力増幅回路を組み込んだ高周波電力増幅用電子部品に適用して有効な技術に関し、特にカレントミラー方式で増幅用トランジスタにバイアスを与える高周波電力増幅回路におけるバイアス点のばらつきを低減させる技術および高周波電力増幅用電子部品の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話機等の無線通信装置(移動体通信装置)の送信側出力部には、MOSFET(電界効果トランジスタ)やGaAs−MESFET等の半導体増幅素子を用いた高周波電力増幅回路(一般には多段構成にされる)が組み込まれている。
この高周波電力増幅回路は、一般に、増幅用トランジスタとそのバイアス回路、電源電圧制御回路などを含んだ半導体チップが、表面や内部にプリント配線が施されたセラミック基板のような絶縁基板に他の半導体チップや容量などのディスクリート部品とともに実装されて、上記プリント配線やボンディングワイヤで各部品が結合されることで一つの電子部品として構成されることが多い。この電子部品はRFパワーモジュールと呼ばれる。
【0003】
ところで、携帯電話機用RFパワーモジュールに使用する半導体チップは、モジュールの高性能化と小型化を図るため高集積化が進められている。また、近年においては、高周波電力増幅特性の安定化の観点から、図14に示すように、増幅用トランジスタQ2とゲート共通接続されたバイアス用トランジスタQ1を設け、トランジスタQ3,Q4からなり定電流源CIからの電流を転写するカレントミラー回路によりバイアス電流Ibを生成し、このバイアス電流Ibをバイアス用トランジスタQ1に流してカレントミラー方式で増幅用トランジスタQ2にバイアスを与えるようにしたRFパワーモジュールに関する発明が提案されている(例えば特許文献1参照)。
【0004】
かかるカレントミラー方式で増幅用FETにバイアスを与えるRFパワーモジュールは、FETのしきい値電圧(Vth)がばらついても増幅用トランジスタQ2に流れるドレイン電流が変化しないため、補正が不要であり歩留まりも向上するという利点がある。
【0005】
【特許文献1】
特開2003−017954号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
RFパワーモジュールの高周波電力増幅特性を向上させ高集積化を図る上で、増幅用FETのチャネルの長さを短くすることが有効である。しかしながら、FETはそのチャネルの長さを短くすると、図15に示すように、チャネル長のばらつきによりしきい値電圧Vthとチャネル長変調係数λが大きくばらつくという現象があることが知られている。かかる現象は短チャネル効果と呼ばれている。
【0007】
カレントミラー方式で増幅用FETにバイアスを与えるRFパワーモジュールでは、FETのしきい値電圧Vthやチャネル長変調係数λがばらつくと、所望の電流ミラー比が得られなくなるため増幅用FETのアイドル電流が所望の値からずれてしまい、必要な出力電力が出ないなど所望の高周波電力増幅特性が得られなくなるとともに、消費電力が増大してしまうという問題が発生する。しかるに、上記先願発明を始め従来のカレントミラー方式のRFパワーモジュールにおいては、FETの短チャネル効果によるバイアス点のずれについては何ら考慮を払っていなかった。そのため、何らかの補正対策をとらないとモジュール間の高周波電力増幅特性のばらつきが無視でないほど大きくなってしまうという課題がある。
【0008】
また、FETの短チャネル効果によるバイアス点のずれを補正する場合、FETの特性を正確に測定する必要があるが、図14に示すような回路におけるFETの特性を通常のテスタで測定する場合、一般的な測定方法に従って図16に示すように、パッドP1からFET Q2のドレイン端子に所定の電圧Vdsを印加し、パッドP2からFET Q2のゲート端子に印加する電圧Vgsを変化させて、グランド端子としてのパッドP3より流れ出す電流の大きさを測定してQ2のしきい値電圧を算出する方法が考えられる。
【0009】
しかし、この測定方法に従うと、FET Q2とカレントミラーをなすFETQ1がゲートとドレインが結合されたいわゆるダイオード接続の素子であるため、パッドP2からQ1を通ってP3へ流れるリーク電流ILによってQ2に流れるドレイン電流Idd2のみを正確に測定することが困難であるという課題があることが明らかになった。
【0010】
なお、パッドP2からQ1を通ってP3へ流れるリーク電流ILをカットするため、図16の符号Aで示すような箇所にスイッチ素子(トランジスタ)を設けることも考えたが、そのようにすると新たに挿入したトランジスタのオン抵抗等の影響で増幅用FET Q2のバイアス点が変化してしまうという問題点が発生するため望ましくない。
【0011】
さらに、図14の回路においてFET Q1〜Q4の代わりにバイポーラ・トランジスタを使用した高周波増幅回路もある。バイポーラ・トランジスタでは短チャネル効果はないが、代わりにベース・エミッタ間電圧を一定に保ってもコレクタ・エミッタ間電圧が増加するに従って実効ベース幅が減少してコレクタ電流が増加するというアーリー効果がある。そのため、バイポーラ・トランジスタを使用した高周波増幅回路において高周波電力増幅特性を向上させるためにトランジスタのベースの厚みを薄くした素子を形成した場合、製造ばらつきで素子サイズ(ベースの厚み)がチップ毎にばらついてしまうと、アーリー効果の影響でベースのバイアス点がチップ毎にばらついて高周波電力増幅特性の安定性が図れなくなるおそれがある。なお、バイポーラ・トランジスタからなるカレントミラー回路では、エミッタサイズ比に応じたコレクタ電流が流れる。
【0012】
本発明の目的は、カレントミラー方式で増幅用FETにバイアスを与えるようにした高周波電力増幅用電子部品(RFパワーモジュール)において、FETの短チャネル効果によるバイアス点のずれを補正し高周波電力増幅特性のばらつきを減らすことができるようにすることにある。
【0013】
本発明の他の目的は、カレントミラー方式で増幅用トランジスタにバイアスを与えるようにした高周波電力増幅用電子部品(RFパワーモジュール)において、バイポーラ・トランジスタのアーリー効果によるバイアス点のずれを補正し高周波電力増幅特性のばらつきを減らすことができるようにすることにある。
【0014】
本発明のさらに他の目的は、カレントミラー方式で増幅用トランジスタにバイアスを与えるようにした高周波電力増幅用電子部品(RFパワーモジュール)において、増幅用トランジスタの特性を正確に測定してバイアス点のずれを補正し高周波電力増幅特性のばらつきを減らすことができるようにすることにある。
【0015】
本発明のさらに他の目的は、高周波電力増幅特性のばらつきが小さくかつ小型・高集積化が可能な高周波電力増幅回路およびこの高周波電力増幅回路を組み込んだ高周波電力増幅用電子部品(RFパワーモジュール)を提供することにある。
【0016】
本発明のさらに他の目的は、高周波電力増幅特性のばらつきが小さな高周波電力増幅用電子部品(RFパワーモジュール)の製造方法を提供することにある。
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。
【0017】
【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。
すなわち、本出願の第1の発明は、高周波電力増幅回路の増幅用トランジスタのバイアス電圧が当該増幅用トランジスタとカレントミラー接続されたバイアス用トランジスタにより与えられるように構成された高周波電力増幅回路(RFパワーモジュール)において、上記増幅用トランジスタの制御端子(ゲート端子またはベース端子)に高周波信号の入力端子以外のパスから電流が流入または流出するのを阻止する遮断手段を設けるようにしたものである。
【0018】
具体的には、例えば上記増幅用トランジスタの制御端子に接続されたパッド(外部端子)とは別個に、増幅用トランジスタとカレントミラー接続されるバイアス用トランジスタの制御端子に接続された第2のパッドを設け、通常使用時には上記2つのパッドをボンディング用のボールもしくはワイヤで電気的に接続された状態にする。ここで、望ましくは、上記2つのパッドは互いに近接して設けるようにする。
【0019】
上記した手段によれば、遮断手段ないしはパッドを別個に設けたことにより増幅用トランジスタの制御端子とバイアス用トランジスタの制御端子とを分離することができ、これによりリーク電流がなくなり増幅用トランジスタの特性を正確に測定することが可能になる。また、上記2つのパッドを近接して設けることにより、ボンディング用のボールの形成のみで2つのパッドを電気的に接続させることができるため、何ら製造工程を変更することなく、増幅用トランジスタの特性の測定が可能になる。また、増幅用トランジスタとして短チャネルのFETあるいはベース幅の薄いバイポーラ・トランジスタを使用することにより、高周波電力増幅特性を向上させるようにした場合に、製造ばらつきで増幅用トランジスタの特性が所望の値からずれたとしても正確にその特性を測定することができる。
【0020】
さらに、上記バイアス用トランジスタと直列に短チャネルでない標準のトランジスタを接続するとともに、該トランジスタと共にカレントミラー回路を構成するダイオード接続のトランジスタを設け、このダイオード接続のトランジスタの端子を他のパッドに接続する。これにより、当該他のパッドに接続される外付け抵抗の抵抗値を、前記増幅用トランジスタの特性の測定結果に応じて調整するだけで、増幅用トランジスタの特性のばらつきを補正することができる。
【0021】
本出願の第2の発明は、高周波電力増幅回路の増幅用トランジスタのバイアス電圧が当該増幅用トランジスタとカレントミラー接続されたバイアス用トランジスタにより与えられるように構成された高周波電力増幅回路の製造プロセスにおいて、前処理後のウェハのプローブ検査工程で各チップ毎に増幅用トランジスタの特性を測定して調整用抵抗の抵抗値を決定してテーブルデータとして記憶装置に記憶しておいて、モジュールとして組み立てる後工程において上記テーブルデータを用いて実装される高周波電力増幅回路に最適な調整用抵抗を選択して同一基板上に実装させるようにしたものである。
【0022】
かかる製造方法によれば、プローブ検査工程の測定結果に基づいて使用する調整用抵抗が決定され、決定した抵抗値を有する抵抗素子を高周波電力増幅回路と組み合わせて実装するだけで、特性のばらつきの小さな高周波電力増幅用電子部品(RFパワーモジュール)を得ることができる。これにより、高周波電力増幅回路の増幅用トランジスタとしてチャネル長の短いFETあるいはベース幅の薄いバイポーラ・トランジスタを使用して高周波電力増幅特性を向上させかつ小型化を図る場合にも、モジュール間の特性のばらつきを低減することができるとともに、そのようなモジュールを従来の製造プロセスを大幅に変更することなく製造することができるようになる。
【0023】
【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。
図1は、本発明に係る高周波電力増幅回路の第1の実施例の概略構成を示す。特に制限されるものでないが、図1の実施例の高周波電力増幅回路は、1つの半導体チップ上に半導体集積回路として構成される。RFパワーモジュールは、かかる高周波電力増幅回路が例えば3個従属接続され、外付けの抵抗素子や容量素子と共にセラミック等の絶縁基板上に実装されて構成される。各段の高周波電力増幅回路は、それぞれ構成としては図1のものと同じであるが、増幅用FETのサイズ(ゲート幅)は異なっており、1段目、2段目、3段目の順にサイズが大きいものが用いられる。
【0024】
この実施例の高周波電力増幅回路は、出力パッドP1とグランドラインGNDとの間に接続された増幅用FET Q2と、該増幅用FET Q2とゲート共通接続されたバイアス用FET Q1と、該バイアス用FET Q1のドレイン端子と電源電圧端子P4との間にQ1と直列に接続されたPチャネル型の標準MOSFET Q4と、該MOSFET Q4とゲート共通接続されたPチャネル型の標準MOSFET Q3とからなり、MOSFET Q1とQ3がそれぞれそのゲートとドレインが結合されたダイオード接続とされることにより、Q1とQ2とがカレントミラー回路を構成し、Q3とQ4とがカレントミラー回路を構成している。
【0025】
このようにバイアス用FET Q1に電流を供給するMOSFET Q3とQ4がカレントミラー接続され、増幅用FET Q2とバイアス用FET Q1とがカレントミラー接続されているため、電源電圧Vddの変動や温度の変動によりQ1,Q2のVthが変化しても、Q1のゲートバイアス点を安定化させ、Q1の高周波電力増幅特性の変動を小さくすることができる。
【0026】
MOSFET Q3のドレイン端子はパッドP5に接続され、該パッドP5には上記MOSFET Q3と直列をなすように外付けの抵抗R1が接続され、この抵抗R1の値を調整することによりMOSFET Q3,Q4,Q1に流れる電流を調整して増幅用FET Q2のゲートバイアス点を調整できるようにされている。チップ外部にてパッドP1,P2に接続された容量C1,C2は高周波信号の直流成分をカットする容量素子、L1はパッドP1と電源電圧Vddとの間に接続されたインピーダンス整合用のインダクタンスである。インダクタンスL1は、モジュールの基板上に形成されたマイクロストリップラインにより構成することができる。
【0027】
また、この実施例の高周波電力増幅回路は、増幅用FET Q2のゲート端子に高周波信号RFinを入力するためのパッドP2とは別個に、パッドP2’が設けられており、該パッドP2’には抵抗R2を介して前記バイアス用FET Q1のゲート端子が接続されている。抵抗R2は、バイアス用FET Q1側に高周波成分が漏れないようにする素子である。パッドP2とP2’は、モジュールを構成するとして実装された状態ではボンディングボール等により接続されて同一の信号が入力されるようにされる。そのため、この実施例では、パッドP2とP2’との間隔は、ボンディングボールの径として85μmを想定した場合、例えば10μmのような小さな間隔とされる。なお、パッドP2とP2’はそれぞれ一辺の長さが110μmのような大きさとされる。
【0028】
カレントミラーを構成する標準MOSFET Q3とQ4はゲート幅が例えば1:4のような比とされることにより、Q4にはQ3の4倍の電流が流れるようにされる。また、増幅用FET Q2とバイアス用FET Q1もカレントミラーを構成しており、Q1とQ2はゲート幅が例えば1:数100〜1000のような比とされることにより、Q2にはQ1の数100〜1000倍近い大きさの電流が流れるようにされる。この実施例においては、MOSFET Q3とQ4はそのチャネル長が2μmのような値とされているのに対し、増幅用FET Q2とバイアス用FET Q1のチャネル長は例えば0.3μmのような値とされ、標準MOSFET Q3とQ4よりもチャネル長が短い短チャネルのFETとされている。
【0029】
これにより、増幅用FET Q2の高周波増幅特性は、標準MOSFETを使用する場合よりも良好にされる。また、増幅用FET Q2のチャネル長が短いことにより、Q2の占有面積も小さくされ、標準のMOSFETを使用する場合よりもチップサイズが小さくなる。
【0030】
この実施例においては、バイアス用FET Q1に流すバイアス電流Ibを生成するカレントミラー回路を構成するMOSFET Q3,Q4は、チャネル長が2μmの標準MOSFETが用いられているため、製造ばらつきでチャネル長がずれても図15から分かるように素子の特性(Vth,λ)はほとんどずれない。そのため、MOSFET Q3からバイアス用FET Q1に流されるバイアス電流Ibは製造ばらつきにかかわらずほぼ一定にすることができる。
【0031】
一方、増幅用FET Q2およびこれとカレントミラー接続されたバイアス用FET Q1は、そのチャネル長が短いことにより、プロセスのばらつきでFET Q1,Q2のチャネル長がばらつくと、これに応じてFETの特性(しきい値電圧Vthやチャネル長変調係数λ)が図15に示すようにばらついてしまう。その結果、バイアス用FET Q1と増幅用FET Q2に流れる電流比が変化し、Q2のゲートバイアス点がずれて高周波増幅特性がばらつくことになる。
【0032】
具体的には、バイアス用FET Q1と増幅用FET Q2として標準MOSFETを使用した場合には、MOSFET Q4から供給される電流Ibが、FET Q1がVds>(Vgs−Vth)>0なる飽和領域で動作するような値に設定されていると、Q1のゲート端子にはQ2のゲート電圧と同一の電圧が印加されているため、Q1,Q2には飽和領域におけるドレイン電流特性を示す次式(1)で表わされるような電流Iddが流れる。
Idd1=K0・Wg1/Lg1・(Vgs1−Vth1)2
Idd2=K0・Wg2/Lg2・(Vgs2−Vth2)2 ……(1)
【0033】
ここで、K0はFETの単位トランスコンダクタンス係数、Wg1,Wg2はFET Q1,Q2のゲート幅、Lg1,Lg2はFET Q1,Q2のゲート長である。FET Q1とQ2が同一半導体チップ上に形成されている場合、チップ内での素子サイズのばらつきは極めて小さいので、Lg1=Lg2である。また、しきい値電圧Vth1とVth2の差もほとんどない。ゲート幅Wg1,Wg2は前述したように、1:数100〜1000の比とされる。そのため、式(1)より、Q1,Q2に流れるドレイン電流Idd1とIdd2とは、次式(2)のように、ゲート幅Wg1,Wg2の比に比例した関係になる。
Idd2=Wg2/Wg1・Idd1 ……(2)
【0034】
これより、FET Q2のゲートバイアス点は、Q1に流れるドレイン電流Idd1によって一義的に決まることが分かる。これに対し、本実施例のように、バイアス用FET Q1と増幅用FET Q2として短チャネルFETを使用した場合には、Q1,Q2に流れるドレイン電流Idd1とIdd2とは、次式(3)のような関係になる。
Idd2=Wg2/Wg1・(1+λ2・Vds2)/(1+λ1・Vds1)Idd1 ……(3)
【0035】
ここで、バイアス用FET Q1はゲート端子とドレイン端子が結合されたダイオード接続のFETであるため、Vds1=Vgs1より、式(3)は次式(4)のように変形させることができる。
Idd2=Wg2/Wg1(1+λ2・Vds2)/(1+λ1・Vgs1)Idd1 ……(4)
【0036】
式(4)において、Q2のドレインは電源Vddに直列に接続されているため、ドレイン−ソース間電圧Vds2は一定であるが、Q2のゲート−ソース間電圧Vgs1は、式(1)を変形した次式(5)より、短チャネル効果でしきい値電圧Vth1がばらつくとVgs1もばらつくことが分かる。
Vgs1=√(Idd1・Lg1/K0・Wg1)+Vth1 ……(5)
【0037】
また、短チャネルFETを使用した場合には、図15よりチャネル長変調係数λも製造ばらつきでチップ毎にばらつく。ただし、同一チップ内でのλのばらつきは小さいので、λ1≒λ2である。式(4)より、Q1,Q2のドレイン電流Idd1とIdd2の電流比はしきい値電圧とλがばらつくと変化することが分かる。よって、FET Q1のドレイン電流Idd1が一定であっても、Q2のドレイン電流Idd2を一定にすることができない。
【0038】
そこで、この実施例の高周波増幅回路においては、FET Q1の特性(Vth1とλ1)ばらつきに応じて外付けの抵抗R1の抵抗値を調整することにより、Q4からQ1へ流されるバイアス電流Ibを変化させて所望の大きさのドレイン電流(アイドル電流)を増幅用FET Q2に流すように設定することとした。しかし、外付けの抵抗R1の抵抗値を決定するには、バイアス用FET Q1の特性を知る必要がある。ここで、Q1とQ2は同一チップ上に形成されているため、Q2の特性がばらつくとQ1の特性が同じようにばらつくようになる。そのため、Q2の特性を測定すればQ1の特性も分かる。
【0039】
以下、FET Q2の特性の測定方法について説明する。なお、チャネル長変調係数λを直接測定することはできないので、本実施例においては、チャネル長変調係数λと相関のあるドレイン電圧の変化に応じたしきい値電圧Vthの変化量DIBL(Drain−Induced Barrier Lowerring)を測定することとした。
【0040】
図2には、FET Q2のしきい値電圧VthとDIBLを測定する場合のテスタの接続方法が示されている。同図に示すように、測定に際しては、テスタによりパッドP1すなわちFET Q2のドレイン端子に所定の電圧Vdsを印加した状態で、パッドP2からFET Q2のゲートに印加する電圧Vgsを変化させて、グランド端子としてのパッドP3より流れ出す電流を測定してQ2のしきい値電圧を検出する。また、パッドP1すなわちFET Q2のドレイン端子に印加する電圧Vdsを変化させてしきい値電圧Vthの変化量DIBLを測定する。
【0041】
このとき、パッドP2とこれに隣接するパッドP2’とは電気的に遮断されている。従来のしきい値電圧測定方法を示す図16と比較すると明らかなように、本実施例では、FET Q2とQ1のゲート端子間が切断されているので、Q2のゲートからQ1に向って流れる電流がなくなり、パッドP3より流れ出す電流は純粋にQ2のドレイン電流Idd2のみとなる。従って、FET Q2のしきい値電圧VthとDIBLを正確に測定することができる。
【0042】
ところで、図1の実施例の高周波電力増幅回路は、これを無線通信システムを構成するパワーモジュールに実装して高周波信号を増幅させる場合には、増幅用FET Q2とバイアス用FET Q1のゲート端子すなわちパッドP2とP2’とが接続された状態にする必要がある。図3にはパッドP2とP2’との接続の仕方のバリエーションが示されている。
【0043】
このうち図3(A)はパッドP2とP2’の境界にボンディング用のボールBBを形成しかつモジュールの外部端子MPと高周波電力増幅回路のパッドP2’とをボンディングワイヤBWで接続したものである。モジュールの外部端子MPとパッドP2’とを接続する代わりに、端子MPとパッドP2とをボンディングワイヤBWで接続するようにしてもよい。図3(B)はパッドP2とP2’の境界にボンディングワイヤBWの一方の端部のボールBBを形成して、モジュールの外部端子MPと高周波電力増幅回路のパッドP2との接続と、パッドP2とP2’との間の接続とを同時に行なうようにしたものである。
【0044】
また、図3(C)はモジュールの外部端子MPと高周波電力増幅回路のパッドP2およびP2’との間をそれぞれボンディングワイヤBW1,BW2で接続したものである。さらに、図3(D)はモジュールの外部端子MPと高周波電力増幅回路のパッドP2’との間をボンディングワイヤBW1で接続し、パッドP2とP2’との間をボンディングワイヤBW2で接続するようにしたものである。
【0045】
図3(A),(B)の場合には、パッドP2とP2’との間隔は少なくともボンディング用のボールBBの径よりも小さい必要がある。例えばボンディングボールの径が80μmであれば、電気的接触を得る観点からすればその半分の40μm程度あればよい。一方、ボンディング用のボールBBの形成の際に基板にダメージを与えないという観点からは、パッドP2とP2’との間隔は10μm以下とするのが望ましい。図3(C),(D)の場合には、パッドP2とP2’とは通常のパッドの間隔と同様に比較的離れていても良い。なお、本実施例の高周波電力増幅回路では意味がないが、本発明を適用する回路によっては、パッドP2,P2’に接続されるボンディングワイヤBWを形成せずにパッドP2とP2’との境界にボンディングボールBBのみを形成するという態様も考えられる。
【0046】
図4には、本発明に係る高周波電力増幅回路の第2の実施例の概略構成を示す。図4において、図1の回路と同一の素子および部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。第2の実施例と第1の実施例との差異は、第1の実施例において増幅用FET Q2とバイアス用FET Q1のゲート端子間に設けられている抵抗R2の代わりに、バッファ用のアンプAMPを設けている点のみである。このアンプAMPはボルテージフォロワとして機能し、増幅用FET Q2のゲート端子にバイアス用FET Q1のゲート電圧と同一の電圧を与える。
【0047】
アンプAMPを設けることにより、出力応答特性を向上させることができる。また、アンプAMPにより、抵抗R2と同様に入力高周波信号RFinがバイアス用FET Q1側へ漏れないようにすることができる。バッファアンプAMPはCMOS差動増幅回路などからなり、回路を構成するMOSFETには、カレントミラー回路を構成するMOSFET Q3,Q4と同じく短チャネル効果のない標準MOSFETが用いられる。この実施例においても、高周波信号RFinが入力されるパッドP2とは別個にパッドP2に隣接して、バッファアンプAMPの出力端子が接続されたパッドP2’が設けられている。
【0048】
この実施例においてもパッドを分割しているのは、一般にバッファアンプAMPの出力段には出力ノードと接地点との間に接続された抵抗もしくはプルダウン用のトランジスタが設けられており、パッドを分割しないとこの抵抗もしくはプルダウン用のトランジスタを通してグランドラインGNDへ電流が流れ、通常のテスタでは増幅用FET Q2に流れるドレイン電流Idd2を正確に測定することができないためである。
【0049】
次に、上記実施例の高周波電力増幅回路とそれを搭載したRFパワーモジュールの製造方法の一例を、図5〜図8を用いて説明する。図5は製造方法を工程順に示すフローチャートである。本実施例の製造方法は、ウェハ上に高周波電力増幅回路を形成する前工程は従来と同じであるので、図5には製造工程のうち前工程より後に行なわれる検査工程および組立て工程のみを示す。
【0050】
半導体ウェハ上に高周波電力増幅回路を構成する素子や配線、パッドなどを形成する前工程(ステップS10)と並行して、図6(A)に示すようなウェハWF上の各チップCPとその位置(X,Y座標)を示すチップ座標データ(図6(B))を、ウェハ毎に予め作成しておく(ステップS20)。そして、前工程が終了すると、テスタを用いたプローブ検査によってウェハ上の各チップのFETのしきい値電圧VthおよびDIBL等の特性を測定し、予め作成しておいたチップ座標データを用いて、チップ毎に測定値をメモリに記憶する(ステップS21)。
【0051】
次に、ステップS21で得られたチップ毎の測定結果に基づいて各チップの良否判定および測定されたVthとDIBLに基づいてQ2のバイアス点のずれを補正するのに最適な抵抗R1の抵抗値算出を行なう(ステップS22)。この良否判定では、チップ全体の電流が所定の範囲内に入っているか否かなど通常の良否判定の他に、算出された抵抗R1の抵抗値が予め用意されている調整用抵抗の範囲に入っているか否かつまり抵抗R1の調整でQ2のバイアス点のずれを補正できるか否かの判定も行なう。
【0052】
次のステップS23では、上記ステップS22で算出された抵抗値に従って測定対象のチップを抵抗値の大きさに応じて予め区分けされている表1に示すような抵抗区分表をデータ変換テーブルとして、当該チップが属するべきカテゴリ番号CAT.Noを決定し、チップを区分けする。
【0053】
【表1】
【0054】
その後、ウェハ上の全チップについて、前記チップ座標データを用いて各チップが良品か不良品かを示す情報と調整に使用する抵抗の区分に応じたカテゴリ番号CAT.Noとが1対1で対応された図7に示すような測定データリストを作成し、記憶装置に記憶する(ステップS24)。作成された測定データリストは、後工程におけるチップ選別に利用することができる。
【0055】
また、この測定データリストに基づいて調整用抵抗R1として使用する抵抗の数を各ウェハ毎に集計した表2のようなサーマリデータを作成し、記憶装置に記憶する(ステップS25)。このサーマリデータから、モジュールを組み立てる後工程において準備すべき抵抗値毎の部品の数を知ることができる。そして、ウェハ上の全チップについての測定データリストの作成が終了したか否か判定(ステップS26)し、終了していないときはステップS21へ戻って上記手順を次座標のチップについて行ない、全チップについて終了したと判定したときはステップS27へ移行して完成したウェハを上記測定データリストおよびサーマリデータを記憶した記憶媒体と共に出荷し、後工程へ移る。
【0056】
【表2】
【0057】
後工程では、先ずウェハをダイシング装置によりチップ毎に切断する(ステップS31)。続いて、ステップS24で作成された測定データリストを用いてカテゴリ別にチップを選別する(ステップS32)。選別されたチップはモジュールの基板上に搭載(ステップS33)され、このとき当該チップのカテゴリに対応した抵抗R1が選択されて実装される(ステップS34)。その後、ボンディングワイヤを形成(ステップS35)して次工程ヘ移る。
【0058】
図8は、上記実施例の高周波電力増幅回路の好適なデバイス構造の例を示す。なお、図8には、実施例の高周波電力増幅回路を構成する素子のうち、短チャネルのFET Q1,Q2と、抵抗R2と、標準PチャネルMOSFETQ3,Q4と、標準NチャネルMOSFET Q5の構造が代表として1つずつ示されている。
【0059】
このうち、標準NチャネルMOSFET Q5は、図4の第2実施例におけるバッファアンプAMPを構成するのに用いられる素子であり、図1の実施例の高周波電力増幅回路では不用とされる。抵抗R2は、特に制限されるものでないが、この実施例においては、FET Q1,Q2やMOSFETQ3,Q4,Q5のゲート電極を形成するポリシリコン層と同一工程で形成されたポリシリコン層からなる。FET Q1,Q2は、1つのドレイン領域DAを挟んで2つのゲート電極GT1,GT2が配置され、さらにその両側にソース領域SA1,SA2が配置されて、一見すると2つのFETが存在するかのように見えるが、ゲート電極GT1とGT2は図示されていない部位で結合されて1つのFETとして動作するように構成されている。
【0060】
この実施例の高周波電力増幅回路は、NチャネルのFET Q1,Q2およびMOSFET Q5として横型MOSを使用し、それらのソース端子を基板の裏面全体に形成されたグランドラインとしての導電層M−GNDに接続するようにしている。このような構造のデバイスとすることにより、放熱をし易くして熱抵抗を下げるとともに発振を防止することができる。
【0061】
かかるデバイス構造を有する高周波電力増幅回路においては、図8の左側に示されているFET Q1,Q2の構造を参照すると分かるように、N+型ソース領域SA1,SA2はエピタキシャル成長層EPIを貫通するように形成された高濃度のP++コンタクト層CNT1,CNT2を介して、シリコン基板Si−SUBに接続されている。
【0062】
従って、図1もしくは図4の回路において、FET Q1のソース端子とパッドP3との間の符号Aで示すような箇所にスイッチ素子を設けたくても、図8に示すようなデバイス構造では困難であることが分かる。つまり、FET Q1のソース端子とパッドP3との間にスイッチ素子を設けて、このスイッチ素子をオフ状態にし、図16に示されているようなパッドP2からFET Q1のゲート端子−ドレイン端子−ソース端子−パッドP3へ至るリーク電流ILのパスを遮断して、FET Q2に流れるドレイン電流を正確に測定するようなことができない。よって、図1や図4の実施例のように、高周波信号RFinの入力パッドP2を分割することは、図8のようなデバイス構造を有する高周波電力増幅回路にとっては、Q2に流れるドレイン電流を正確に測定する上で極めて有効な対策である。
【0063】
さらに、図8に示されているように、増幅用FET Q1,Q2はゲート電極直下のチャネル領域とドレイン領域DAとの間のN領域(ドレイン領域DAよりも低濃度)NA1,NA2の長さが、標準のMOSFET Q5のチャネル−ドレイン間N領域やPチャネルのQ3,Q4のチャネル−ドレイン間P領域よりも長くなるように形成されており、これによりQ1,Q2はQ3〜Q5よりも高い耐圧を有するようにされている。
【0064】
図9は、本発明を適用した高周波電力増幅回路を用いたRFパワーモジュールの実施例を示す。この実施例のRFパワーモジュールRPMは、図1あるいは図4のような構成を有する3個の高周波電力増幅回路PA1,PA2,PA3が、調整用抵抗R11,R12,R13とインダクタンス素子L1,L2,L3および増幅する高周波信号の直流成分をカットする容量素子C0,C1,C2,C3と共にセラミック基板のような1つの絶縁基板上に実装されてなる。
【0065】
高周波電力増幅回路PA1,PA2,PA3は従属接続すなわち前段の高周波電力増幅回路の出力端子(パッドP1)が次段の高周波電力増幅回路の入力端子(パッドP2)に順次接続された多段構成にされている。抵抗R11,R12,R13は図1の実施例における抵抗R1に相当する素子である。1段目と2段目の高周波電力増幅回路PA1,PA2を1つの半導体チップ上に形成し、3段目の高周波電力増幅回路PA3のみ別の半導体チップ上に形成するようにしてもよい。さらに、上記のような3段接続の高周波電力増幅回路PA1,PA2,PA3を1つのモジュール基板上に2組実装して、例えばGSM(Global System for Mobile Communication)の送信信号とDCS(Digital Cellular System)の送信信号をそれぞれ増幅できるように構成しても良い。
【0066】
インダクタンス素子L1〜L3は、セラミックなどの絶縁基板上に形成されたマイクロストリップ線路などから構成することができる。直流カットの容量素子C0〜C3はディスクリートの部品でも良いが、絶縁基板として複数の誘電体層を積層したものを用いる場合には、いずれかの誘電体層の表裏にそれぞれ対向するように形成された導電体層を電極とする容量を用いるようにしても良い。
【0067】
1段目と2段目の高周波電力増幅回路PA1,PA2は、カレントミラー回路を構成する転写元のMOSFET Q3とそのドレイン端子に接続される調整用抵抗R1を共用させ、バイアス電流Ib1,Ib2を供給するそれぞれのMOSFET Q4のゲート端子を、共通の転写元MOSFET Q3のゲート端子に接続して、Q4のサイズを変えることでそれぞれの増幅用FET Q2に応じたバイアス電流Ib1,Ib2を流すように構成しても良い。また、図9のRFパワーモジュールでは、高周波電力増幅回路が3段接続されているが、2段あるいは4段以上であっても良い。
【0068】
図9のRFパワーモジュールはパワー制御端子を持たないので、パワー制御はRFパワーモジュールよりも前段の回路において高周波信号の振幅を制御することで行なうようにしたEDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)方式やWCDMA(Wide−band Code Division Multiple Access)方式の通信が可能な携帯電話機を構成する場合に利用することができる。
【0069】
ここで、EDGE方式とは、データ通信を3π/8rotating8−PSK(Phase Shift Keying)変調で行なう方式である。この8−PSK変調は、PSK変調における搬送波の位相シフトにさらに振幅シフトを加えたようなAPSK変調であるので、EDGE方式の携帯電話機では、RFパワーモジュールよりも前段の回路において、送信データに基づく高周波信号の振幅変調と出力レベル指示信号に基づく高周波信号の振幅制御を行なうようなシステム構成を採用するのが有効である。
【0070】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例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。
例えば、前記実施例では、バイアス用FET Q1に供給するバイアス電流Ibを、カレントミラー回路を構成するMOSFET Q3と直列に接続される外付けの抵抗R1の抵抗値を調整することで調整するようにしているが、図10に示すように、バイアス用FET Q1のドレイン端子をパッドP5に接続し、チップの外部において該パッドP5に接続される定電流源CIの電流を調整することでバイアス電流Ibを調整するように構成しても良い。その場合にも、定電流源CIを構成する抵抗を、前記実施例のようにして測定した増幅用FET Q2の特性に基づいて選択もしくは調整するようにすることができる。
【0071】
あるいは、図10において定電流源CIの代わりに、所望の値に設定された定電圧が印加される端子とパッドP5との間に接続された調整用抵抗を設け、この抵抗の値を前記実施例のようにして測定した増幅用FET Q2の特性に基づいて決定するようにしても良い。さらに、バイアス用FET Q1を並列形態の複数のFETで構成し、前記実施例のようにして測定した増幅用FET Q2の特性に基づいて使用するFETの数を決定し、それに応じて不要な数のFETを切断もしくは必要な数のFETを接続するようにしても良い。
【0072】
また、前記実施例では、高周波信号RFinが入力されるパッドP2を分割してパッドP2からバイアス用FET Q1側へのリーク電流のパスを遮断した状態で増幅用FET Q2のドレイン電流を測定するように構成しているが、図4のようなバッファアンプAMP1を設けた実施例では、バッファアンプAMP1をオフすなわち出力をハイインピーダンスに制御した状態で増幅用FET Q2のドレイン電流を測定するように構成してもよい。バッファアンプAMP1の吸込み電流をカットするスイッチを設けて測定時にそのスイッチやアンプAMP1の動作電流をオフさせるようにしても良い。
【0073】
さらに、前記実施例では、バイアス用トランジスタQ1と増幅用トランジスタQ2がMOSFETで構成されている場合を説明したが、Q1,Q2がSiGeMOSFETやGaAsMESFET、GaAsHBT(ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ)、SiGeHBT、HEMT(High Electron Mobility Transistor)等他のトランジスタである場合にも、本実施例を適用することにより同様な効果を得ることができる。
【0074】
図11にはSiGeMOSFETの構造を、図12にはSiGeHBTの構造をそれぞれ示す。GaAsMESFET、GaAsHBT、HEMTの素子の構造は、公知のものと同様であるので、図示を省略する。図11において、Si−SUBはシリコン基板、GTはポリシリコン・ゲート電極、DTはドレイン電極、DAはドレイン領域、SAはソース領域、STは基板の裏面に全面的に形成されたソース電極、BPはP型ソース打抜き層、SGIは絶縁膜である。
【0075】
図12において、Si−SUBはシリコン基板、BTはポリシリコン・ベース電極、ETはエミッタ電極、CTはコレクタ電極、CAは基板Si−SUB上に形成された低濃度N型エピタキシャル層からなるコレクタ領域、BAはエピタキシャル層上に形成されたP型SiGe層からなるベース領域、EAはSiGe層の表面に形成されたN型拡散層からなるエミッタ領域である。
【0076】
かかる構造のHBTや一般的な縦型のバイポーラ・トランジスタにおいては、FETにおけるような短チャネル効果はないが、代わりにアーリー効果がある。そのため、図1や図4のバイアス用トランジスタQ1と増幅用トランジスタQ2としてバイポーラ・トランジスタを使用した図13のような高周波電力増幅回路で、高周波電力増幅特性を向上させるためトランジスタのベースの厚みを薄くした素子を形成した場合、製造ばらつきで素子サイズ(ベースの厚み)がチップ毎にばらついてしまうと、アーリー効果の影響でベースのバイアス点がチップ毎にばらついて高周波電力増幅特性の安定性が図れなくなるおそれがあるが、前記実施例の手法でトランジスタの特性を測定し、調整用抵抗R1を調整することでバイアス点を補正することができ、これによって高周波電力増幅特性の安定化を図ることができる。
【0077】
特に、図12のような構造のHBTを図1や図4のバイアス用トランジスタQ1と増幅用トランジスタQ2として使用する場合、トランジスタQ1のエミッタと外部端子P3との間にオン・オフ用のスイッチ素子を設けて、特性測定時にトランジスタQ2からのリーク電流が流れるパスを遮断するのは困難であるので、前記実施例のようにパッドP2を2つに分割するのが極めて有効である。
【0078】
また、前記実施例では、外付けの抵抗R1の値を調整することによりMOSFET Q3,Q4のカレントミラー回路からバイアス用トランジスタQ1に供給されるバイアス電流Ibを調整して増幅用FET Q2のゲートバイアス点を調整するとしたが、増幅用トランジスタQ2がバイポーラ・トランジスタからなる場合には、通常動作状態においてQ1,Q2のゲート端子間に設けられている抵抗R2に電流が流れるので、抵抗R2をトリミング可能に構成しておいて、増幅用トランジスタQ2の測定値に応じて抵抗R2の抵抗値を調整して増幅用トランジスタQ2のバイアス点を調整するようにしても良い。
【0079】
抵抗R2をトリミング可能にする方法としては、予め複数の抵抗素子を設けておいて設定したい抵抗値に応じて抵抗素子を切断したり、抵抗をポリシリコン層等により形成しておいてレーザーアニール等で抵抗値を変化させる方法などがある。
【0080】
さらに、前記実施例においては、トランジスタQ1,Q2のゲートもしくはベース端子に接続され高周波信号が入力されるパッドP2を2つに分割して並べて配置したものを説明したが、分割したパッドを異なる導電層でそれぞれ形成し、絶縁膜を介して上下に重ねて配置しておいて、Q2の特性測定後に高電圧を印加する等によって絶縁膜を破壊して上下の導電層(パッド)を電気的に接続させるようにしてもよい。
【0081】
【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、以下のとおりである。
すなわち、本発明に従うと、増幅用トランジスタの特性を正確に測定することが可能になり、これにより調整用抵抗の抵抗値を増幅用トランジスタの特性の測定結果に応じて決定し調整するだけで、FETの短チャネル効果等に起因するバイアス点のずれを補正し、高周波電力増幅回路チップ間の高周波電力増幅特性のばらつきを減少させることができる。
【0082】
また、本発明に従うと、高周波電力増幅回路の増幅用トランジスタとしてチャネル長の短いFETあるいはベース幅の薄いバイポーラ・トランジスタを使用して高周波電力増幅特性を向上させかつ小型化を図る場合にも、モジュール間の特性のばらつきを低減することができるとともに、そのようなモジュールを従来の製造プロセスを大幅に変更することなく製造することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る高周波電力増幅回路の第1の実施例の概略構成を示す回路構成図である。
【図2】実施例の高周波電力増幅回路のFET Q2のしきい値電圧VthとDIBLを測定する場合のテスタの接続方法を示す回路構成図である。
【図3】実施例の高周波電力増幅回路におけるパッドP2とP2’との接続の仕方のバリエーションを示す説明図である。
【図4】本発明に係る高周波電力増幅回路の第2の実施例の概略構成を示す回路構成図である。
【図5】実施例の高周波電力増幅回路とそれを搭載したRFパワーモジュールの製造方法の一例を工程順に示すフローチャートである。
【図6】ウェハ上の各チップとその位置(X,Y座標)との対応を示すチップ座標データ図である。
【図7】実施例のRFパワーモジュールの製造工程の途中で作成される測定データリストの一例を示す説明図である。
【図8】実施例の高周波電力増幅回路の好適なデバイス構造の一例を示す断面図である。
【図9】本発明を適用した高周波電力増幅回路を用いたRFパワーモジュールの実施例を示す回路構成図である。
【図10】本発明に係る高周波電力増幅回路の変形例を示す回路構成図である。
【図11】本発明に係る高周波電力増幅回路の増幅用トランジスタとしてSiGeMOSFETを用いる場合の素子構造の一例を示す断面図である。
【図12】本発明に係る高周波電力増幅回路の増幅用トランジスタとしてSiGeHBTを用いる場合の素子構造の一例を示す断面図である。
【図13】FETの代わりにバイポーラ・トランジスタを用いた高周波電力増幅回路の概略構成を示す回路構成図である。
【図14】従来の高周波電力増幅回路の一例を示す回路構成図である。
【図15】FETのチャネルの長さを短くしたときのチャネル長と、しきい値電圧Vthおよびチャネル長変調係数λとの関係を示すグラフである。
【図16】従来の高周波電力増幅回路を構成するFETの特性を測定する場合のテスタの接続方法を示す回路構成図である。
【符号の説明】
Q1 バイアス用トランジスタ(短チャネルトランジスタ)
Q2 増幅用トランジスタ(短チャネルトランジスタ)
Q3,Q4 カレントミラー回路を構成するトランジスタ(標準トランジスタ)
R1 調整用抵抗(外付け抵抗)
P1〜P5 パッド(外部端子)
Claims (11)
- 高周波信号を増幅する増幅用トランジスタのバイアス電圧が当該増幅用トランジスタとカレントミラー接続されたバイアス用トランジスタにより与えられるように構成された高周波電力増幅回路において、前記増幅用トランジスタの制御端子に高周波信号の入力端子以外のパスからの電流流入または電流流出を阻止する遮断手段を設けたことを特徴とする高周波電力増幅回路。
- 高周波信号を増幅する増幅用トランジスタのバイアス電圧が当該増幅用トランジスタとカレントミラー接続されたバイアス用トランジスタにより与えられるように構成された高周波電力増幅回路において、前記増幅用トランジスタの制御端子に接続された第1パッドとは別個に、増幅用トランジスタとカレントミラー接続されるバイアス用トランジスタの制御端子に接続された第2パッドを設けたことを特徴とする高周波電力増幅回路。
- 前記第1パッドと前記第2パッドとは、ボンディングボールの径の2分の1よりも小さい距離をおいて配置されていることを特徴とする請求項2に記載の高周波電力増幅回路。
- 前記バイアス用トランジスタの制御端子と前記第2パッドとの間には抵抗素子が設けられていることを特徴とする請求項2または3に記載の高周波電力増幅回路。
- 前記抵抗素子はその抵抗値が調整可能に構成されていることを特徴とする請求項4に記載の高周波電力増幅回路。
- 前記バイアス用トランジスタの制御端子と前記増幅用トランジスタの制御端子との間には、前記バイアス用トランジスタの制御電圧と同一の電圧を前記増幅用トランジスタの制御端子に印加するバッファアンプが接続され、該バッファアンプの出力状態が外部から制御可能に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の高周波電力増幅回路。
- 前記バッファアンプは、チャネル長の製造ばらつきではしきい値電圧およびチャネル長変調係数がほとんどばらつかない電界効果トランジスタにより構成され、前記バイアス用トランジスタと前記増幅用トランジスタは前記バッファアンプを構成する電界効果トランジスタよりもチャネル長が短い電界効果トランジスタにより構成されていることを特徴とする請求項6に記載の高周波電力増幅回路。
- 前記バイアス用トランジスタは電界効果トランジスタからなり、そのソース端子は該トランジスタが形成されている半導体基板を貫通するように形成された半導体領域を介して前記トランジスタが形成されている半導体基板の主面と反対側の面に形成されている導電層に接続されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の高周波電力増幅回路。
- 請求項2〜5のいずれかに記載の高周波電力増幅回路が一つの絶縁基板上に複数個搭載され、いずれか一の高周波電力増幅回路の出力端子は他の高周波電力増幅回路の入力端子に接続され、各高周波電力増幅回路は、前記第1パッドと第2パッドとの間がこれらのパッドにまたがるように形成された導電材料により電気的に接続されていることを特徴とする高周波電力増幅用電子部品。
- 第1の外部端子と、該第1の外部端子より入力された高周波信号を増幅する増幅用トランジスタと、該増幅用トランジスタにより増幅された高周波信号を出力する第2の外部端子と、前記増幅用トランジスタとカレントミラー接続されたバイアス用トランジスタと、互いに制御端子同士が結合された第1のトランジスタと第2のトランジスタとを備え前記バイアス用トランジスタに供給するバイアス電流を生成するカレントミラー回路と、前記カレントミラー回路を構成する電流転写元のトランジスタが接続された第3の外部端子とを有する高周波電力増幅回路と、
前記第3の外部端子に接続された外付け抵抗素子と、
が絶縁基板上に実装されてなる高周波電力増幅用電子部品であって、
前記抵抗素子の抵抗値に応じて前記増幅用トランジスタに流されるアイドル電流が調整可能に構成されていることを特徴とする高周波電力増幅用電子部品。 - 高周波信号を増幅する増幅用トランジスタのバイアス電圧が当該増幅用トランジスタとカレントミラー接続されたバイアス用トランジスタにより与えられるように構成された高周波電力増幅回路を半導体ウェハ上に形成する前処理工程と、該前処理工程後のウェハ上の各チップについて前記増幅用トランジスタの特性を測定する検査工程と、該検査工程で測定された前記増幅用トランジスタの特性に基づいて調整用抵抗の抵抗値を決定してチップの位置情報と共に記憶装置もしくは記憶媒体に記憶するデータ保存工程と、前記記憶装置もしくは記憶媒体より読み出されたデータを用いて実装される高周波電力増幅回路に最適な調整用抵抗を選択する抵抗選択工程と、前記高周波電力増幅回路と選択された抵抗とを1つの絶縁基板に実装する実装工程とを含むことを特徴とする高周波電力増幅用電子部品の製造方法。
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