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

近日,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所魏星研究員團(tuán)隊(duì)在300 mm soi晶圓制造技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展,制備出了國內(nèi)第一片300 mm射頻(rf)soi晶圓。團(tuán)隊(duì)基于集成電路材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室300 mm soi研發(fā)平臺(tái),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(shí)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(tuán)隊(duì)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(duì)硅熔體內(nèi)對(duì)流和傳熱傳質(zhì)的影響機(jī)制以及結(jié)晶界面附近氧雜質(zhì)的輸運(yùn)機(jī)制,相關(guān)成果分別發(fā)表在晶體學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《crystal growth&design》(23,4480–4490,2023)、《crystengcomm》(25,3493–3500,2023,封面文章)上?;诖四M結(jié)果指導(dǎo)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(fù)合結(jié)構(gòu),使得硅晶圓應(yīng)力極難控制。團(tuán)隊(duì)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(shí)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?zé)崽幚淼姆墙佑|式平坦化工藝,實(shí)現(xiàn)了soi晶圓原子級(jí)表面平坦化。圖2(a)展示了團(tuán)隊(duì)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(dòng)終端對(duì)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(jī)會(huì),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(dòng)國內(nèi)rf-soi芯片設(shè)計(jì)、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(jiān)實(shí)的保障。

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