上海微系统所在300 mm SOI晶圆制造技术方面实现突破

无聊小北

中国科学院上海微系统所

近日，上海微系统所魏星研究员团队在300 mm SOI晶圆制造技术方面取得突破性进展，制备出了国内第一片300 mm 射频（RF）SOI晶圆。团队基于集成电路材料全国重点实验室300 mm SOI研发平台，依次解决了300 mm RF-SOI晶圆所需的低氧高阻晶体制备、低应力高电阻率多晶硅薄膜沉积、非接触式平坦化等诸多核心技术难题，实现了国内300mm SOI制造技术从无到有的重大突破。

为制备适用于300 mm RF-SOI的低氧高阻衬底，团队自主开发了耦合横向磁场的三维晶体生长传热传质模型，并首次揭示了晶体感应电流对硅熔体内对流和传热传质的影响机制以及结晶界面附近氧杂质的输运机制，相关成果分别发表在晶体学领域的顶级期刊《Crystal growth & design》（23, 4480–4490, 2023）、《CrystEngComm》（25, 3493–3500, 2023, 封面文章）上。基于此模拟结果引导拉晶工艺，最终成功制备出了适用于300 mm RF-SOI的低氧高阻衬底，氧含量小于5 ppma，电阻率大于5000 ohm.cm，相关成果发表于《Applied Physics Letters》（122, 112102, 2023）、《Applied Physics Express》（16, 031003, 2023）。

多晶硅层用作电荷俘获层是RF-SOI中提高器件射频性能的关键技术，晶粒大小、取向、晶界分布、多晶硅电阻率等参数与电荷俘获性能有密切的关系；此外，由于多晶硅/硅的复合结构，使得硅晶圆应力极难控制。团队为制造适用于300 mm RF-SOI晶圆的多晶硅层找到了合适的工艺窗口，实现了多晶硅层厚度、晶粒尺寸、晶向和应力的人工调节，相关成果发表于《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。图1(a)展示了沉积的多晶硅薄膜表面SEM图像；图1(b)展示了多晶硅剖面TEM结构；图1(c)为多晶硅薄膜及衬底纵向电阻率分布。

图1. (a) 多晶硅薄膜表面SEM图片；(b) 多晶硅薄膜近表面电阻率分布；

图 (c) 多晶硅薄膜及衬底纵向电阻率分布

在300 mm RF-SOI晶圆制备过程中，自主开发了基于高温热处理的非接触式平坦化工艺，实现了SOI晶圆原子级表面平坦化。图2(a)展示了团队研制的国内第一片300 mm RF-SOI晶圆；图2(b)为RF-SOI晶圆剖面TEM照片，其拥有含多晶硅电荷俘获层在内的四层结构；图2(c)所示，最终RF-SOI晶圆顶层硅厚度中心值为75nm；图2(d)所示，RF-SOI晶圆表面粗糙度小于0.2 nm。

图2. (a) 国内第一片300 mm RF-SOI晶圆；(b) RF-SOI晶圆剖面TEM照片；(c) RF-SOI晶圆顶层硅厚度分布；(d) RF-SOI晶圆表面AFM图

目前，RF-SOI晶圆，已经成为射频应用的主流衬底材料，占据开关、低噪放和调谐器等射频前端芯片90%以上的市场份额。随着5G网络的全面铺开，移动终端对射频模块的需求持续增加，射频前端芯片制造工艺正在从200 mm到300mm RF-SOI过渡，借此机会，国内主流集成电路制造企业也在积极拓展300mm RF-SOI工艺代工能力。因此，300 mm RF-SOI晶圆的自主制备将有力推动国内RF-SOI芯片设计、代工以及封装等全产业链的协同快速发展，并为国内SOI晶圆的供应安全提供坚实的保障。