中國科學院上海微系統(tǒng)所在300 mm soi晶圓制造技術(shù)方面實現(xiàn)突破

近日，中國科學院上海微系統(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晶圓的供應安全提供堅實的保障。