应用分享丨同轴TKD助力国产芯片技术研究

射频SOI（Radio-Frequency Silicon-On-Insulator）是一种增加埋置氧化层实现顶层硅和衬底的全介质隔离，获得硅/绝缘层/硅三层结构的半导体工艺，具有高速、低功耗、高集成度等优点，被广泛应用于5G通信、雷达、电子对抗等领域。

由于埋置氧化物层存在固定电荷，会吸引Si/SiO2界面附近的自由载流子，降低硅晶圆的体电阻。在Si/SiO2界面引入多晶硅层，依靠多晶硅层晶界自由载流子捕获能力可保证衬底高电阻率。但沉积多晶硅膜层会引入薄膜应力，导致300 mm SOI晶圆翘曲，增大晶圆失效风险。高温退火是有效的消除多晶膜层应力的有效方法，但是高温退火导致的多晶硅再结晶有可能改变多晶硅层的晶粒大小、取向与晶界分布，影响器件射频性能。

图1 共面波导在RF-SOI衬底上的结构图

为此，中国科学院上海微系统所魏星研究员团队进行了RF-SOI原位退火实验，系统研究了退火过程中多晶硅电荷捕获层的结构和射频性能演化。

多晶硅层存在几十nm尺寸甚至更小的晶粒，研究团队为获得多晶硅层更丰富的晶体学信息，使用了同轴TKD技术对该膜层进行表征。

图2 共面波导后(a)沉积态和(b)退火态多硅层的TKD取向分布结果

从TKD结果可以看出，沉积态多晶硅层存在大量的极微小颗粒，这些小颗粒的可能是由于沉积过程中晶粒长大的竞争性，没有优先聚集的晶核长大受限形成的。而退火后的多晶硅发生了显著的再结晶，三叉晶界处大尺寸晶粒与相邻细晶合并，晶粒再结晶降低了原子插入晶界的概率，导致晶界应力松弛。经晶粒尺寸统计发现，退火后的最大晶粒尺寸从475 nm增加到1175 nm，退火前后多晶硅层的平均晶粒尺寸分别为59.77 nm和131.78 nm（见图3）。

原位退火前后，多晶硅膜层小角度晶界（small angle grain boundary，SAGB）、重合位置点阵Σ27、Σ9和Σ3晶界的分布和密度都不一致。沉积态的多晶硅存在大量的SAGB，但退火后小角度晶界占比下降了约30%，而Σ3晶界增加了约13%。SAGB的出现保证了最佳的载流子捕获效应，因而未退火的多晶硅层具有的更高的电阻率。而退火后多晶硅层晶粒发生再结晶后，小角度晶界变少，晶界密度变低，其电荷捕获能力下降。

最终的射频分析表明，退火后多晶硅电阻率的降低只会显著增加微波损耗，但对RF-SOI的线性度没有显著影响，认为高温原位退火可以有效地应用于低损耗射频衬底晶片在制造过程中的应力改善。

相关内容请参考文献：

[1] Dai R , Liu Y , Ding J ,et al.Structure and RF performance evolution of polycrystalline silicon charge capture layer for advanced RF-SOI in in-situ annealing process[J].Materials science in semiconductor processing, 2024:177.

作为e-Flash EBSD检测器的附加选件，它使得在 SEM中的同轴透射菊池衍射(TKD)技术以及电子透明样品的类STEM成像技术成为可能。OPTIMUS 2为原位实验带来了新的分析功能，进一步提高了空间分辨率、数据质量和数据的完整性。

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