面向射频芯片应用的TR-SOI材料制备及层转移技术中的氢吸附机制研究

With the rapid development of mobile communication technology, the operating frequency and integration density of RF chip need to be further improved. Compared to GaAs and SOS, SOI demonstrates great advantages in high density integration. SOI gradually replaces GaAs, SOS and become the mainstream in RF applications, which is considered as GaAs's terminator. However, due to the issues of thick transferred Si and rough surface morphology caused by film splitting, Smart cut technology meets severe difficulties and challenges in fabricating TR-SOI wafers. In response to these issues, a novel process is proposed to achieve controlled film splitting with definite Si layer thickness and smooth surface morphology by inserting a H trapping layer (interlayer) into Si substrate. In this project, the researchers will observe and analyze the movement and aggregation behaviors of implanted H Ions which take place between implantation range and interlayer. In addition, the researchers will investigate the dependence of H aggregation behaviors on the structure, thickness, chemical composition and doping concentration of interlayer, and reveal the physical mechanism underlying the H movement and aggregation phenomena. By combining the novel film splitting process with polySi deposition & polishing, bonding and oxidation, a novel layer transfer technique is developed to fabricate TR-SOI, which will meet the urgent requirement of RF applications and further provide technique reserves for developing SOI technology in China.

随着移动通信技术的迅猛发展，需要进一步提高射频芯片工作频率和集成度，SOI材料的优势得以体现，逐渐替代GaAs和SOS成为市场主流，被称为GaAs材料的终结者。然而，智能剥离技术由于剥离硅层厚，剥离薄膜表面粗糙等问题，在制备TR-SOI材料时面临巨大的困难和挑战。针对以上问题，本项目创新性提出利用超薄H吸附层实现薄膜可控剥离的方法，大幅度降低H注入剂量。并且，剥离硅层具有厚度可控、表面平滑的优点。此外，重点分析H离子在注入射程和插入层之间的运动、聚集过程，掌握H离子聚集与插入层结构、厚度、元素组分、掺杂等因素之间的依赖关系，揭示其物理机理。并以此为基础，结合硅上多晶硅沉积、多晶硅抛光、无空洞键合、高精度薄膜氧化等技术，开发出TR-SOI材料并解决其研制中的相关基础科学问题，最终满足我国射频芯片领域对TR-SOI材料的迫切需求，并为国内SOI技术的发展提供技术储备。

进入5G时代以后，射频开关、低噪放大器等射频前端器件需要进一步提升其工作频率和集成度，因此进一步对衬底材料提出了严峻的挑战。与HR-SOI衬底相比，TR-SOI衬底在绝缘埋层（BOX）和高阻硅支撑衬底间嵌入了多晶硅载流子陷阱层，能够有效地抑制寄生表面电导（PSC）效应，进一步提高了衬底的射频性能，现已成为5G通信的主流衬底材料解决方案。. 面向蓬勃发展的射频前端市场，本项目提出了以SiGe插入层H离子吸附机制为核心的可控层转移新工艺；另一方面，开发了多晶硅可控沉积与平坦化工艺，形成了具有表面多晶硅陷阱层的高阻硅衬底；并以此为基础，结合无空洞键合、高均匀性平坦化等一系列关键技术，首次在国内成功研制出TR-SOI衬底并实现了批量化生产，为国产高性能射频芯片的研制提供坚实的材料支撑，主要成果包括：.1. 基于B掺杂SiGe插入层对注入H+的强烈吸附作用，系统研究了B掺杂SiGe夹层中Ge组分、退火温度、不同注入能量、不同夹层厚度等因素对吸附剥离的影响，开发了简洁、高效实现可控层转移的新工艺；.2. 在多晶硅层生长过程中，通过晶圆表面预处理结合气流、温度等生长工艺参数的优化，实现柱状多晶的可控生长以及多晶层应力、晶粒尺寸的人工调控，谐波品质因子小于-80 dBm，满足TR-SOI衬底研发需求；.3..阐述了多晶硅陷阱层抑制PSC效应的机理，其原因在于多晶硅层有大量的晶界，这些晶界能够钉扎可移动的电荷，从而抑制了PSC效应，维持了衬底硅的高阻特性；提高硅衬底的电阻率能够进一步提升TR-SOI衬底的线性度，为后续开发更高射频性能的TR-SOI衬底提供了理论依据和工程学解决方案；.4..量化分析了硼掺杂水平对TR-SOI衬底射频性能的影响，当超过临界浓度5E15 cm-3时，多晶硅的电阻率迅速减小，TR-SOI的线性度将恶化，为TR-SOI生产线硼沾污控制提供了直接的理论依据和数据支撑。