Recentemente, a equipe do pesquisador Wei Xing, do Instituto de Microsistemas de Xangai, fez progressos inovadores na tecnologia de fabricação de wafer SOI de 300 mm e preparou o primeiro wafer SOI de radiofrequência (RF) de 300 mm na China. Com base na plataforma de P&D 300mmSOI do National Key Laboratory of Integrated Circuit Materials, a equipe resolveu sucessivamente muitos problemas técnicos essenciais, como preparação de cristal de alta resistência com baixo oxigênio, deposição de filme de polissilício de baixa tensão e alta resistividade e planarização sem contato necessária para wafers RF-SOI de 300 mm, alcançando um grande avanço na tecnologia de fabricação doméstica de 300 mmSOI a partir do zero.
A fim de preparar um substrato de alta resistência com baixo teor de oxigênio adequado para RF-SOI de 300 mm, a equipe desenvolveu independentemente um modelo tridimensional de transferência de calor e massa de crescimento de cristal acoplado a um campo magnético transversal e, pela primeira vez, revelou a influência mecanismo da corrente induzida por cristal na convecção, transferência de calor e massa no derretimento de silício e o mecanismo de transporte de impurezas de oxigênio próximo à interface de cristalização. Os resultados relevantes foram publicados nas principais revistas da área de cristalografia, "Crystalgrowth & Design" (23, 4480-4490, 2023) e "Cryst Eng Comm" (25, 3493-3500, 2023, artigo de capa). Com base neste resultado de simulação para orientar o processo de extração de cristal, um substrato de alta resistência e baixo oxigênio adequado para RF-SOI de 300 mm foi finalmente preparado com sucesso, com um teor de oxigênio inferior a 5ppma e uma resistividade superior a 5000ohm.cm. Resultados relevantes foram publicados em "AppliedPhysicsLetters" (122, 112102, 2023) e "AppliedPhysicsExpress" (16,031003, 2023).
O uso da camada de polissilício como camada de retenção de carga é uma tecnologia chave para melhorar o desempenho de radiofrequência de dispositivos em RF-SOI. Parâmetros como tamanho de grão, orientação, distribuição de contorno de grão e resistividade do polissilício estão intimamente relacionados ao desempenho de captura de carga. Além disso, devido à estrutura composta de polissilício/silício, a tensão da pastilha de silício é extremamente difícil de controlar. A equipe encontrou uma janela de processo adequada para a fabricação de camadas de polissilício adequadas para wafers RF-SOI de 300 mm e obteve ajuste artificial da espessura da camada de polissilício, tamanho do grão, orientação do cristal e tensão. Resultados relevantes foram publicados em "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) e outras revistas. A Figura 1 (a) mostra a imagem SEM da superfície do filme de polissilício depositado; A Figura 1 (b) mostra a estrutura TEM em seção transversal do polissilício; A Figura 1 (c) mostra a distribuição longitudinal da resistividade do filme e substrato de polissilício.
Figura 1. (a) imagem SEM da superfície do filme de polissilício; (b) distribuição de resistividade próxima à superfície do filme de polissilício;
Figura (c) Distribuição longitudinal de resistividade do filme e substrato de polissilício
Durante o processo de preparação do wafer RF-SOI de 300 mm, desenvolvemos independentemente um processo de planarização sem contato baseado em tratamento térmico de alta temperatura para alcançar a planarização da superfície em nível atômico do wafer SOI. A Figura 2 (a) mostra o primeiro wafer RF-SOI doméstico de 300 mm desenvolvido pela equipe; A Figura 2 (b) é uma foto TEM em corte transversal do wafer RF-SOI, que possui uma estrutura de quatro camadas incluindo uma camada de retenção de carga de polissilício; A Figura 2 (c) mostra que o valor central final da espessura do silício da camada superior do wafer RF-SOI é 75 nm; A Figura 2 (d) mostra que a rugosidade da superfície do wafer RF-SOI é inferior a 0,2 nm.
Figura 2. (a) O primeiro wafer RF-SOI de 300 mm da China; (b) foto TEM da seção transversal do wafer RF-SOI; (c) distribuição de espessura de silício em cúpula de wafer RF-SOI; (d) Imagem AFM da superfície do wafer RF-SOI
Atualmente, os wafers RF-SOI tornaram-se o principal material de substrato para aplicações de radiofrequência, respondendo por mais de 90% da participação de mercado de chips front-end de radiofrequência, como interruptores, amplificadores e sintonizadores de baixo ruído. Com a implantação completa das redes 5G, a procura de módulos RF em terminais móveis continua a aumentar. O processo de fabricação de chips front-end de RF está em transição de RF-SOI de 200 mm para 300 mm. Aproveitando esta oportunidade, as principais empresas nacionais de fabricação de circuitos integrados também estão expandindo ativamente suas capacidades de fundição de processo RF-SOI de 300 mm. Portanto, a preparação independente de wafers RF-SOI de 300 mm promoverá efetivamente o desenvolvimento coordenado e rápido de toda a cadeia doméstica de design de chips RF-SOI, fundição e embalagem, e fornecerá uma garantia sólida para a segurança do fornecimento de wafers SOI domésticos.
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