上海微系統所在300 mm SOI晶圓制造技術方面實現突破

近日，上海微系統所魏星研究員團隊在300 mm SOI晶圓制造技術方面取得突破性進展，制備出了國內第一片300 mm 射頻（RF）SOI晶圓。團隊基于集成電路材料全國重點實驗室300 mm SOI研發平臺，依次解決了300 mm RF-SOI晶圓所需的低氧高阻晶體制備、低應力高電阻率多晶硅薄膜沉積、非接觸式平坦化等諸多核心技術難題，實現了國內300mm SOI制造技術從無到有的重大突破。

為制備適用于300 mm RF-SOI的低氧高阻襯底，團隊自主開發了耦合橫向磁場的三維晶體生長傳熱傳質模型，并首次揭示了晶體感應電流對硅熔體內對流和傳熱傳質的影響機制以及結晶界面附近氧雜質的輸運機制，相關成果分別發表在晶體學領域的頂級期刊《Crystal growth & design》（23, 4480–4490, 2023）、《CrystEngComm》（25, 3493–3500, 2023, 封面文章）上。基于此模擬結果指導拉晶工藝，最終成功制備出了適用于300 mm RF-SOI的低氧高阻襯底，氧含量小于5 ppma，電阻率大于5000 ohm.cm，相關成果發表于《Applied Physics Letters》（122, 112102, 2023）、《Applied Physics Express》（16, 031003, 2023）。

多晶硅層用作電荷俘獲層是RF-SOI中提高器件射頻性能的關鍵技術，晶粒大小、取向、晶界分布、多晶硅電阻率等參數與電荷俘獲性能有密切的關系；此外，由于多晶硅/硅的復合結構，使得硅晶圓應力極難控制。團隊為制造適用于300 mm RF-SOI晶圓的多晶硅層找到了合適的工藝窗口，實現了多晶硅層厚度、晶粒尺寸、晶向和應力的人工調節，相關成果發表于《Semiconductor Science and Technology》（38, 095002, 2023）、《ECS Journal of Solid State Science and Technology》（7, P35-P37, 2018）、《Chinese Physics Letters》（34, 068101, 2017; 35, 047302, 2018）等期刊上。圖1(a)展示了沉積的多晶硅薄膜表面SEM圖像；圖1(b)展示了多晶硅剖面TEM結構；圖1(c)為多晶硅薄膜及襯底縱向電阻率分布。

圖1. (a) 多晶硅薄膜表面SEM圖片；

(b) 多晶硅薄膜近表面電阻率分布；

圖 (c) 多晶硅薄膜及襯底縱向電阻率分布

在300 mm RF-SOI晶圓制備過程中，自主開發了基于高溫熱處理的非接觸式平坦化工藝，實現了SOI晶圓原子級表面平坦化。圖2(a)展示了團隊研制的國內第一片300 mm RF-SOI晶圓；圖2(b)為RF-SOI晶圓剖面TEM照片，其擁有含多晶硅電荷俘獲層在內的四層結構；圖2(c)所示，最終RF-SOI晶圓頂層硅厚度中心值為75nm；圖2(d)所示，RF-SOI晶圓表面粗糙度小于0.2 nm。

圖2. (a) 國內第一片300 mm RF-SOI晶圓；

(b) RF-SOI晶圓剖面TEM照片；

(c) RF-SOI晶圓頂層硅厚度分布；

(d) RF-SOI晶圓表面AFM圖

目前，RF-SOI晶圓，已經成為射頻應用的主流襯底材料，占據開關、低噪放和調諧器等射頻前端芯片90%以上的市場份額。隨著5G網絡的全面鋪開，移動終端對射頻模塊的需求持續增加，射頻前端芯片制造工藝正在從200 mm到300mm RF-SOI過渡，借此機會，國內主流集成電路制造企業也在積極拓展300mm RF-SOI工藝代工能力。因此，300 mm RF-SOI晶圓的自主制備將有力推動國內RF-SOI芯片設計、代工以及封裝等全產業鏈的協同快速發展，并為國內SOI晶圓的供應安全提供堅實的保障。 

來源：中國科學院上海微系統所