文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文主要講述SOI晶圓片結(jié)構(gòu)及表征。

SOI晶圓片結(jié)構(gòu)特性由硅層厚度、BOX層厚度、Si-SiO?界面狀態(tài)及薄膜缺陷與應(yīng)力分布共同決定，其厚度調(diào)控范圍覆蓋MEMS應(yīng)用的微米級至先進(jìn)CMOS的納米級。

除SIMOX工藝外，BOX層厚度可獨(dú)立調(diào)節(jié)至納米至微米量級，制造工藝通過表面制備步驟確保頂層硅平滑性——傳統(tǒng)CMP工藝雖能實(shí)現(xiàn)減薄，但材料去除量達(dá)數(shù)十納米易引發(fā)厚度非均勻性；而Eltran工藝采用的氫退火技術(shù)則可將SOI層厚度減少量控制在1nm以內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)原子級平坦表面，厚度均勻性顯著優(yōu)于CMP工藝。

隨著晶圓尺寸向大直徑演進(jìn)，20世紀(jì)90年代主流的100mm、150mm、200mm晶圓已逐步被300mm量產(chǎn)取代，450mm晶圓亦完成試產(chǎn)驗(yàn)證。以Smart CutTM工藝制備的300mm SOI晶圓片為例，其硅層厚度控制精度達(dá)±0.5nm，BOX層厚度150nm時(shí)，晶圓片內(nèi)及片間厚度波動(dòng)小于1nm，滿足全耗盡SOI技術(shù)的大批量生產(chǎn)需求，這對測量技術(shù)提出更高要求——需實(shí)現(xiàn)亞納米級重復(fù)性與精度以支撐工藝監(jiān)控。

結(jié)構(gòu)表征技術(shù)

結(jié)構(gòu)表征方面，常規(guī)物理化學(xué)技術(shù)如橢偏儀、X射線衍射/反射、RBS、SIMS、FTIR、TEM及AFM廣泛應(yīng)用于在線/離線檢測，其中AFM在1μm2面積測得的表面粗糙度有效值通常低于0.15nm。針對CMOS應(yīng)用對膜層完整性的嚴(yán)苛要求，行業(yè)開發(fā)了專用表征技術(shù)：稀釋Secco腐蝕通過缺陷周圍應(yīng)力優(yōu)先腐蝕形成腐蝕坑，結(jié)合HF腐蝕暴露埋氧化層缺陷，實(shí)現(xiàn)缺陷密度光學(xué)測量；KLA-Tencor SP-DLS系統(tǒng)可掃描整個(gè)晶圓片表面，結(jié)合SEM驗(yàn)證缺陷穿透性，使智能剝離工藝制備的300mm SOI晶圓片HF缺陷密度降至0.05個(gè)/cm2以下。界面質(zhì)量表征顯示，低劑量SIMOX晶圓片經(jīng)1320℃退火6小時(shí)后，頂硅-BOX界面呈現(xiàn)粗糙方形鑲嵌圖案，源于氧注入損傷與結(jié)晶硅層混合；延長退火時(shí)間可促使界面平滑化，形成螺旋/階梯型圖案，階梯高度為硅晶格常數(shù)倍數(shù)。鍵合SOI晶圓片通過1100℃退火可獲高質(zhì)量頂硅-BOX界面，透射電鏡觀察證實(shí)其結(jié)構(gòu)完整性。

電學(xué)性能表征

電學(xué)性能表征是SOI應(yīng)用的核心，偽MOS晶體管技術(shù)通過測量頂層硅摻雜類型、載流子遷移率、界面陷阱密度及載流子復(fù)合壽命，補(bǔ)充霍爾效應(yīng)、擴(kuò)展電阻、光電導(dǎo)等標(biāo)準(zhǔn)方法。研究表明，智能剝離工藝制備的SOI晶圓片經(jīng)高溫退火后，氫完全擴(kuò)散，單晶性質(zhì)得以保留，載流子遷移率達(dá)電子650cm2/Vs、空穴240cm2/Vs，界面陷阱密度低于3×1011 eV?1·cm?2，載流子壽命超100μs，優(yōu)于SIMOX工藝。300mm SIMOX與智能剝離SOI晶圓片已證實(shí)具備可靠性與可重復(fù)性，可滿足高性能晶體管及試驗(yàn)器件制造需求，其頂層硅為高質(zhì)量單晶，電學(xué)性能優(yōu)異，埋氧化層與界面質(zhì)量達(dá)應(yīng)用要求。

當(dāng)前，SOI晶圓片表征技術(shù)正朝著更高精度、非破壞性及智能化方向發(fā)展。例如，納米束電子衍射（NBD）可實(shí)現(xiàn)亞納米級缺陷定位，機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于缺陷分類與良率預(yù)測，顯著提升檢測效率。在綠色制造方面，Soitec通過供體晶圓重復(fù)利用與低能耗沉積工藝，將碳化硅基板生產(chǎn)碳排放降低四倍，契合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)低碳化趨勢。

新興應(yīng)用領(lǐng)域如量子計(jì)算中，SOI基硅鍺異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)陣列實(shí)現(xiàn)單量子比特操控保真度99.9%；5G/6G通信中，SOI基射頻器件插入損耗較傳統(tǒng)硅基器件降低30%，成為毫米波前端模塊首選方案。這些進(jìn)展共同推動(dòng)SOI技術(shù)在射頻、功率、光電子及量子計(jì)算等前沿領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新與價(jià)值重構(gòu)。