SOI Wafer: Niższa pojemność pasożytnicza, silniejsza odporność na latch-up, poprawiona odporność na promieniowanie

Informacje o produkcie

     
      SOI (Silicon-on-Isulator) to płytka o strukturze typu „sandwich” składająca się z trzech warstw: górna warstwa krzemu, znana również jako warstwa górna Si / urządzenia, służy do wytwarzania tranzystorów; warstwa środkowa to pochowany tlenek (BOX), który zapewnia izolację elektryczną; a dolna warstwa to krzemowe podłoże nośne (uchwyt/wafel podłoża).

W porównaniu z konwencjonalnymi płytkami Bulk Si, płytki SOI charakteryzują się całkowitą izolacją dielektryczną, umożliwiając niższą pojemność pasożytniczą i prąd upływowy, większą odporność na zatrzaskiwanie, lepszą odporność na promieniowanie i mniejsze zużycie energii. W rezultacie SOI jest kluczowym materiałem podłoża dla urządzeń czołowych RF, urządzeń zasilających, procesów logicznych FD-SOI, fotoniki, MEMS i innych zaawansowanych zastosowań półprzewodników.
          

         
 

Cele procesu

     Podstawowym celemProdukcja płytek SOIpolega na uzyskaniu cienkiej warstwy monokrystalicznego krzemu na wierzchu warstwy izolacyjnej, o precyzyjnie kontrolowanej grubości, jakości kryształów porównywalnej z krzemem w masie i ultragładkiej powierzchni zbliżonej do płaskości na poziomie atomowym.

W szczególności proces ma na celu:

①Precyzyjnie kontroluj grubość warstwy urządzenia i warstwy BOX, z jednorodnością grubości na poziomie nanometrów. W przypadku FD-SOI górna warstwa krzemu zwykle wymaga jednorodności grubości rzędu±0,5 nm.

②Utrzymuj wysoką jakość monokryształu w górnej warstwie krzemu, z niską gęstością dyslokacji, długą żywotnością nośników mniejszościowych i brakiem szczątkowych uszkodzeń sieci, takich jak dysk twardy.

③Osiągnij wysoką wytrzymałość na przebicie, niski prąd upływowy i niską gęstość stanu interfejsu w warstwie BOX, o natężeniu pola elektrycznego rzędu>10 MV/cm.

④Zapewnić połączenie wolne od pustych przestrzeni, bez ryzyka lokalnego rozwarstwienia, zapewniając jednocześnie długoterminową niezawodność spełniającą wymagania urządzenia.

⑤Upewnij się, że cząstki powierzchniowe, zanieczyszczenia metaliczne i chropowatość powierzchnispełniają wymagania dotyczące czystości i jakościZastosowania półprzewodników klasy IC.

                                                             


Porównanie głównych szlaków produkcyjnych SOI

 

Szczegółowy przebieg procesu Smart Cut™

Przegląd procesu:
Kontrola przychodzących płytek krzemowych → Czyszczenie RCA → Utlenianie termiczne (BOX) → Implantacja jonów wodorowych → Czyszczenie / aktywacja powierzchni → Klejenie płytek → Wyżarzanie rozszczepiające → Wyżarzanie odwodorniające → Szlifowanie zgrubne / rozcieńczanie → Wykańczanie CMP → Utlenianie ofiarne + Polerowanie chemiczne → Kontrola i klasyfikacja → Końcowe czyszczenie i pakowanie



Krok 1 | Kontrola przychodzących płytek i czyszczenie RCA

Cel procesu: Usunięcie cząstek, zanieczyszczeń organicznych, jonów metali i warstwy natywnego tlenku z powierzchni płytki krzemowej w celu uzyskania czystej i hydrofilowej (zakończonej grupą hydroksylową) powierzchni do późniejszego utleniania i wiązania płytki.

Główny proces:
SC-1 (NH₄OH/H₂O₂/DI do usuwania cząstek i substancji organicznych)
→ DHF (rozcieńczony HF do usuwania tlenków natywnych)
→ SC-2 (HCl/H₂O₂/DI do usuwania zanieczyszczeń metalicznych)
→ Płukanie przelewowe + suszenie powolne (SRD)

ProdukcjaSprzęt:

W pełni zautomatyzowane systemy czyszczenia na mokro 8-calowe/12-calowe (Wet Bench), urządzenia czyszczące do pojedynczych płytek, takie jak systemy SDI i TEL, systemy czyszczenia wspomaganego megadźwiękami i suszarki SRD.

Materiały i chemikalia procesowe:
Elektroniczny NH₄OH, H₂O₂, HCl i HF; ultraczysta woda dejonizowana (DIW, rezystywność 18,2 MΩ·cm); i N₂ o wysokiej czystości.

                                             

Krok 2 | Utlenianie termiczne dla wzrostu BOX
Cel procesu:

Do wyhodowania wysokiej jakości termicznej warstwy tlenku na powierzchni płytki nasiennej/dawcy, która służy jako zakopana warstwa tlenku (BOX) końcowej płytki SOI. Typowa grubość waha się od25 nm do 3 µm, w zależności od zastosowania. Na przykład niektóre urządzenia RF powszechnie wykorzystują podłoże o niskiej rezystancji w połączeniu ze stosunkowo grubą warstwą BOX.

Gęstość tlenku, charakterystyka stanu międzyfazowego i jednorodność grubości bezpośrednio wpływają na izolację elektryczną i wydajność warstwy BOX.

Główny proces:
Można zastosować sekwencję utleniania termicznego na sucho, na mokro, na sucho, zazwyczaj w temp1000–1150°C. W przypadku produktów o wyższej specyfikacji można zastosować przedłużone utlenianie na sucho w celu uzyskania gęstszej warstwy tlenku i lepszej jakości granicy faz.

Sprzęt produkcyjny:
Piece do utleniania pionowego, piece z dyfuzją poziomą i systemy szybkiego utleniania termicznego RTP (RTO).

Materiały i gazy procesowe:
O₂ o wysokiej czystości (≥99,999%), H₂ do wytwarzania utleniania na mokro w komorze spalania, N₂/Ar o wysokiej czystości do atmosfer obojętnych, rur pieca kwarcowego i łódek z płytek SiC.

                                                  


Krok 3 | Implantacja jonów wodorowych — rdzeń Smart Cut™

Cel procesu:
     Jony wodoru, takie jak H⁺, lub połączone jony H₂⁺/He⁺, są implantowane przez warstwę tlenku do krzemu na kontrolowanej głębokości, tworząc mikrownękę lub warstwę osłabioną. Głębokość ta odpowiada ostatecznej grubości warstwy urządzenia SOI.
Typowe energie implantacji wahają się od10–200 keVz dawkami implantacyjnymi wynoszącymi około2×10¹⁶–8×10¹⁶ jony/cm². Energia i dawka implantacji wpływają na grubość przenoszonej warstwy i ostateczną jakość powierzchni.

Kluczowe elementy sterujące:

• Jednolitość implantacji w obrębie płytki: <1%
• Chłodzenie płytki w celu zapobiegania niepożądanym efektom termicznym podczas implantacji
• Stabilność wiązki jonów
• Skanowanie wiązką elektrostatyczną lub obrót płytki przy wyższych energiach w celu poprawy jednorodności implantacji

Sprzęt produkcyjny:
Wysokoenergetyczne/wysokoprądowe implantatory jonów.

Materiały i komponenty:
Gaz H₂ o wysokiej czystości do dysocjacji i jonizacji, elementów ekranujących SiC/grafit i zespołów misek Faradaya.



                                                 

Krok 4 | Czyszczenie powierzchni i aktywacja plazmy
Cel procesu:
Po implantacji jonów powierzchnia płytki jest czyszczona w celu usunięcia zanieczyszczeń. Powierzchnia implantacji i powierzchnia wafla uchwytu są następnie aktywowane plazmą, zwykle przy użyciu plazmy N₂/O₂/Ar, w celu zwiększenia powierzchniowej gęstości hydroksylowej i poprawy zdolności wiązania, umożliwiając wystarczającą początkową siłę wiązania w temperaturze pokojowej.

Sprzęt produkcyjny:
Systemy aktywacji plazmowej i łączenia płytek, obejmujące komorę plazmową RF i komorę łączenia, wraz z systemami czyszczenia pojedynczych płytek.

Materiały i gazy procesowe:
Gazy procesowe o wysokiej czystości N₂, O₂ i Ar, DIW i dedykowane chemikalia czyszczące.

Krok 5 | Klejenie wafli
Cel procesu:
Aktywowana płytka nasienna/dawcy, z powierzchnią tlenku/implantu skierowaną w dół, jest wyrównywana i stykana z płytką uchwytu w kontrolowanej atmosferze. Siły Van der Waalsa i wiązania wodorowe umożliwiają bezpośrednie wiązanie w temperaturze pokojowej (Direct Bonding / SDB). Należy unikać makroskopowych pustek na styku spoiny.

Kluczowe elementy sterujące:

• Dokładność wyrównania klejenia
• Poziom próżni w komorze
• Zapobieganie uwięzieniu gazu na krawędzi płytki
• Wiązanie propagacji czoła fali od środka w kierunku krawędzi
• Początkowa siła wiązania

Sprzęt produkcyjny:
W pełni zautomatyzowane systemy łączenia płytek typu klastrowego.

Materiały i gazy procesowe:
Wysoka czystość N₂ i DIW.
​
                   
 

Krok 6 | Wyżarzanie rozszczepiające i odwodornienie
 

Cel procesu:

① Wyżarzanie rozłupujące: zwykle wykonywane w godz400–600°C. Rosnące ciśnienie wodoru we wszczepionych mikrownękach powoduje propagację pęknięć, powodując rozszczepienie płytki nasiennej/dawcy wzdłuż wcześniej określonej osłabionej warstwy. Powstała rozszczepiona powierzchnia zazwyczaj wykazuje chropowatość w skali nanometrowej.

② Wyżarzanie odwodornienia: zwykle przeprowadzane w900–1100°Cw celu usunięcia resztkowego wodoru z górnej warstwy krzemu, przy dalszym wzmocnieniu granicy wiązania Si – O – Si i zwiększeniu ogólnej siły wiązania.

Sprzęt produkcyjny:

Piece do wyżarzania klastrowego, piece do wyżarzania pionowego i systemy RTP.

Materiały i gazy procesowe:

N₂/Ar o wysokiej czystości, w niektórych procesach z wykorzystaniem atmosfer zawierających śladowe ilości O₂; łodzie kwarcowe i rury piecowe.

Notatka:

Podzieloną płytkę donorową można ponownie wykorzystać po późniejszym polerowaniu, co stanowi jedną z ważnych zalet kosztowych procesu Smart Cut™ w porównaniu z konwencjonalnym BESOI.

                                                       

Krok 7 | Zgrubne rozcieńczanie (trasa BESOI) / Szlifowanie
Cel procesu:

W przypadku Smart Cut™ rozdzielona powierzchnia górnej warstwy krzemu zazwyczaj zachowuje różnice w powierzchni w skali nanometrowej, dlatego najpierw przeprowadza się lekki etap szlifowania przy użyciu tarczy diamentowej, aby usunąć większe nierówności powierzchni.

W przypadku metody BESOI związana górna warstwa krzemu jest zwykle szlifowana od ok725 µmdo docelowej grubości, która może wahać się od kilku mikrometrów do kilkudziesięciu mikrometrów, a następnie następuje trawienie na mokro przy użyciu odpowiedniej warstwy zatrzymującej trawienie w celu dokładniejszej kontroli grubości.
 

Sprzęt produkcyjny:

Młynki do wafli krzemowych; W procesie BESOI można również stosować mokre systemy rozcieńczania chemicznego.

Materiały i materiały eksploatacyjne:

Ściernice diamentowe, zawiesina szlifierska i środki trawiące do obróbki metodą etch-stop w procesie BESOI.
 

Krok 8 | CMP — polerowanie chemiczno-mechaniczne

Cel procesu:

CMP służy do dalszego zmniejszenia górnej warstwy krzemu do docelowej grubości, przy jednoczesnym zmniejszeniu chropowatości powierzchniWartość skuteczna < 0,15 nm, w oparciu o skan AFM 1 × 1 µm, w celu spełnienia globalnych i lokalnych wymagań dotyczących płaskości.

Ten krok jest jednym z kluczowych procesów pozwalających osiągnąć doskonałośćjednorodność grubości warstwy urządzenia.

Kluczowe elementy sterujące:

1. Szybkość i selektywność polerowania

2. Wykrywanie punktów końcowych w czasie rzeczywistym, np. monitorowanie prądów wirowych lub grubości optycznej

3. Zarządzanie stanem talerza polerskiego

4. Czyszczenie po CMP w celu zapobiegania pozostałościom cząstek i metali
   
                                                             
    

Krok 8 | CMP — polerowanie chemiczno-mechaniczne

Cel procesu:

CMP służy do dalszego zmniejszenia górnej warstwy krzemu do docelowej grubości, przy jednoczesnym zmniejszeniu chropowatości powierzchniWartość skuteczna < 0,15 nm, w oparciu o skan AFM 1 × 1 µm, w celu spełnienia globalnych i lokalnych wymagań dotyczących płaskości.

Ten krok jest jednym z kluczowych procesów pozwalających osiągnąć doskonałośćjednorodność grubości warstwy urządzenia.

Kluczowe elementy sterujące:

• Szybkość i selektywność polerowania

• Wykrywanie punktów końcowych w czasie rzeczywistym, np. monitorowanie prądów wirowych lub grubości optycznej

• Zarządzanie stanem talerza polerskiego

• Czyszczenie po CMP w celu zapobiegania pozostałościom cząstek i metali

Sprzęt produkcyjny:

Systemy polerskie CMP + płuczki post-CMP.

Materiały i materiały eksploatacyjne:

Alkaliczna zawiesina na bazie krzemionki do polerowania silikonu, zawierająca środki ścierne na bazie krzemionki koloidalnej i modyfikatory pH na bazie KOH/amin; poliuretanowe podkładki polerskie, DIW i odżywki do padów (obciągacze tarczowe).

​

Krok 9 | Ofiarne utlenianie i końcowe polerowanie chemiczne
Cel procesu:

Na wierzchnim krzemie wykończonym metodą CMP narasta cienka warstwa tlenku termicznego, zużywająca około10–20 nmsilikonowy. Powoduje to przeniesienie uszkodzeń podpowierzchniowych (SSD) i resztkowych mikrodefektów wprowadzonych podczas CMP na warstwę tlenku, która jest następnie usuwana za pomocą HF.

W przypadku wybranych produktów można zastosować dodatkowe lekkie polerowanie dotykowe/polerowanie końcowe w celu dalszej poprawy jakości powierzchni.

Ten etap pomaga zmniejszyć gęstość defektów powierzchniowych i jeszcze bardziej poprawić ostateczny stan powierzchni płytki.

Sprzęt produkcyjny:
Piece utleniające / systemy RTO, systemy wsadowego trawienia i czyszczenia HF oraz systemy CMP do końcowego polerowania pojedynczych płytek (opcjonalnie).

Materiały i chemikalia:
Wysokiej czystości buforowane środki trawiące O₂, BOE/HF, DIW i N₂.

Krok 10 | Kontrola, wyżarzanie i końcowe pakowanie

Cel procesu:

Kompleksowe kontrole wymiarowe, elektryczne, jakości powierzchni i wizualne przeprowadzane są zgodnie ze specyfikacjami produktu, a następnie następuje klasyfikacja produktu, np.Prime/Test/Kontrolana podstawie wyników kontroli.

Po końcowym czyszczeniu wafle są zamykane i pakowane w kontrolowanym środowisku. Aby zminimalizować ryzyko skażenia cząstkami stałymi i środowiska podczas transportu i przechowywania, można zastosować uszczelnienie próżniowe lub opakowanie wypełnione azotem.

Sprzęt produkcyjny:

Różne systemy kontroli i metrologii płytek, wraz z liniami czystego pakowania, w tym czystymi stacjami roboczymi i zautomatyzowanym sprzętem do ładowania skrzynek na płytki.

Materiały opakowaniowe:

Nośniki waflowe takie jak systemy FOSB, G1000 i typu otwartego Empak, czyste torby opakowaniowe, wysokiej czystości N₂ oraz materiały etykietowe.

Przedmioty i sprzęt metrologiczny
 

Główne surowce i materiały eksploatacyjne

Wymagania dotyczące środowiska produkcyjnego
 

① <br>Czystość:CMP, czyszczenie, kontrola i pakowanie powinny zostać przeprowadzone wKlasa ISO 3–4 (klasa 1–10)pomieszczenia czyste. Obszary utleniania, wyżarzania i implantacji jonów powinny być utrzymywane w poziomieKlasa ISO 5–6 lub lepsza.

② <br>Temperatura i wilgotność:Temperatura otoczenia:22±1°C; Polecamy pracownie metrologiczne przy ul20±0,5°Cdla lepszej dokładności pomiaru grubości warstwy. Wilgotność względna:40%–50%; zaleca się obszar wstępnego klejenia na45% ± 5%w celu utrzymania stabilnych warunków hydroksylowych powierzchni.

③ <br>Kontrola wibracji:W obszarach CMP, pomiarów grubości warstwy optycznej i AFM należy stosować izolowane fundamenty lub środki wibroizolacyjne i spełniać wymaganiaKryteria drgań ISO VCokreślonych przez producentów sprzętu, minimalizując szumy pomiarowe i wzory powierzchni związane z polerowaniem.

④ <br>UPW i chemikalia:Woda ultraczysta (UPW) powinna mieć rezystywność wynoszącą18,2 MΩ·cm przy 25°Ci spis treści<5 ppb. Substancje chemiczne do zastosowań elektronicznych powinny być kontrolowane zgodnie z obowiązującymi normami SEMI i mogą być dostarczane za pośrednictwem scentralizowanego systemu zarządzania i dostaw substancji chemicznych (CMS).

⑤ ESD 与交叉污染<br>ESD i kontrola zanieczyszczeń krzyżowych:Płytki o wysokiej rezystancji są bardziej podatne na efekty elektrostatyczne i przyciąganie cząstek; dlatego wymagane są jonizatory, uziemienie i inne środki kontroli ESD. Sprzęt, osprzęt i materiały eksploatacyjne należy segregować według różnych specyfikacji domieszkowania, aby zapobiec zanieczyszczeniu krzyżowemu i zmianom rezystywności.

                                               


Wniosek
 

     Klasycznym przykładem są wafle SOI„Materiał jako urządzenie”,gdzie cienka warstwa krzemu z kontrolą grubości na poziomie nanometrów bezpośrednio wpływa na ograniczenia wydajności dalszych urządzeń półprzewodnikowych.

ZCzyszczenie RCA, który zapewnia wysoce kontrolowaną i wolną od zanieczyszczeń powierzchnię startową, doimplantacja jonów wodorowych, który precyzyjnie definiuje warstwę podziału, i wreszcieCMP (polerowanie chemiczno-mechaniczne)Iutlenianie ofiarne, które tworzą wyjątkowo gładką powierzchnię o niskim poziomie wad, każdy etap stanowi precyzyjną integrację materiałów, sprzętu i technologii metrologicznych.

Jako aplikacje takie jakFD-SOI, urządzenia front-end RF, fotonika krzemowa i urządzenia zasilające wysokiego napięciastale się rozwija, produkcja płytek SOI stawia czoła coraz bardziej rygorystycznym wymaganiomkontrola grubości warstwy urządzenia, wydajność BOX, jakość powierzchni i zarządzanie defektami, kierując technologię SOI w kierunku coraz większej precyzji, niższego poziomu defektów i zwiększonej niezawodności.


Powiązane produkty

  
                                                                     


                                             IC Wafel krzemowy SSP / DSP Wykończenie powierzchni <30/Cm2 Cząsteczki 1~10ohm Rezystywność




                                                                         

                                           8-calowy wafel SiC z węglika krzemu Prime Dummy Research Grade 500um 350 Um