近日，上海微系統所魏星研究員團隊在300 mm SOI晶圓製造技術方面取得突破性進展，製備了國內第一片300 mm 射頻（RF）SOI晶圓。團隊基於積體電路材料全國重點實驗室300 mm SOI研發平台，依序解決了300 mm RF-SOI晶圓所需的低氧高電阻晶體製備、低應力高電阻率多晶矽薄膜沉積、非接觸式平坦化等諸多核心技術難題，實現了國內300mm SOI製造技術從無到有的重大突破。

為製備適用於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，並首次揭示了晶體感應電流對矽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。基於此模擬結果指導拉晶工藝，最終成功製備出了適用於300 mm RF-SOI的低氧高阻襯底，氧含量小於5 ppma，電阻率大於5000 ohm.cm，相關成果發表於《Applied Physics Letters》（122, 112102, 2023）、《Applied Physics Express》（16, 031003, 2023）。

多晶矽層用作電荷俘獲層是RF-SOI中提高元件射頻性能的關鍵技術，晶粒大小、取向、晶界分佈、多晶矽電阻率等參數與電荷俘獲性能有密切的關係；此外，由於多晶矽/矽的複合結構，使得矽晶圓應力極難控制。團隊為製造適用於300 mm RF-SOI晶圓的多晶矽層找到了合適的製程窗口，實現了多晶矽層厚度、晶粒尺寸、晶向和應力的人工調節，相關成果發表於《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, 02012, 期刊上。圖1(a)展示了沉積的多晶矽薄膜表面SEM圖像；圖1(b)展示了多晶矽剖面TEM結構；圖1(c)為多晶矽薄膜及基板縱向電阻率分佈。

圖1. (a) 多晶矽薄膜表面SEM圖；(b) 多晶矽薄膜近表面電阻率分佈；

圖(c) 多晶矽薄膜及基板縱向電阻率分佈

在300 mm RF-SOI晶圓製備過程中，自主開發了基於高溫熱處理的非接觸式平坦化工藝，實現了SOI晶圓原子級表面平整化。圖2(a)展示了團隊研發的國內第一片300 mm RF-SOI晶圓；圖2(b)為RF-SOI晶圓剖面TEM照片，其擁有含多晶矽電荷俘獲層在內的四層結構；圖2(c)所示，最終RF-SOI晶圓頂矽厚度中心值為75nm；圖2(d)所示，RF-SOI晶圓表面粗糙度小於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晶圓頂矽厚度分佈；(d) RF-SOI晶圓表面AFM圖

目前，RF-SOI晶圓，已成為射頻應用的主流基板材料，佔據開關、低噪放和調諧器等射頻前端晶片90%以上的市場份額。隨著5G網路的全面鋪開，行動終端對射頻模組的需求持續增加，射頻前端晶片製造流程正從200 mm到300mm RF-SOI過渡，藉此機會，國內主流積體電路製造企業也積極拓展300mm RF-SOI製程代工能力。因此，300 mm RF-SOI晶圓的自主製備將有力推動國內RF-SOI晶片設計、代工以及封裝等全產業鏈的協同快速發展，並為國內SOI晶圓的供應安全提供堅實的保障。