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上海微系統(tǒng)所在300 mm SOI晶圓制造技術(shù)方面實現(xiàn)突破
近日，上海微系統(tǒng)所魏星研究員團隊在300 mm SOI晶圓制造技術(shù)方面取得突破性進展，制備出了國內(nèi)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(fā)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(yīng)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(shù)難題，實現(xiàn)了國內(nèi)300mm SOI制造技術(shù)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(fā)了耦合橫向磁場的三維晶體生長傳熱傳質(zhì)模型，并首次揭示了晶體感應(yīng)電流對硅熔體內(nèi)對流和傳熱傳質(zhì)的影響機制以及結(jié)晶界面附近氧雜質(zhì)的輸運機制，相關(guān)成果分別發(fā)表在晶體學領(lǐng)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(jié)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(guān)成果發(fā)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(guān)鍵技術(shù)，晶粒大小、取向、晶界分布、多晶硅電阻率等參數(shù)與電荷俘獲性能有密切的關(guān)系；此外，由于多晶硅/硅的復合結(jié)構(gòu)，使得硅晶圓應(yīng)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(xiàn)了多晶硅層厚度、晶粒尺寸、晶向和應(yīng)力的人工調(diào)節(jié)，相關(guān)成果發(fā)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(jié)構(gòu)；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(fā)了基于高溫熱處理的非接觸式平坦化工藝，實現(xiàn)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(nèi)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(nèi)的四層結(jié)構(gòu)；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(nèi)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(jīng)成為射頻應(yīng)用的主流襯底材料，占據(jù)開關(guān)、低噪放和調(diào)諧器等射頻前端芯片90%以上的市場份額。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的全面鋪開，移動終端對射頻模塊的需求持續(xù)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(nèi)主流集成電路制造企業(yè)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(nèi)RF-SOI芯片設(shè)計、代工以及封裝等全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同快速發(fā)展，并為國內(nèi)SOI晶圓的供應(yīng)安全提供堅實的保障。
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