サファイア上シリコン（SOS）ウェーハ | GINECHIP

100nm–1000nm Si Si膜厚

R面サファイア R面サファイア

耐放射線耐放射線

低損失RF 低損失RF

製品概要

GINECHIP の Silicon on Sapphire（SOS）ウェーハは、R面サファイアの絶縁体に、CVDヘテロエピタキシー＋SPEで成長した高品質な単結晶（100）Si層を組み合わせ、安定したデバイス作製を支えます。

過酷な環境を想定し、SOSは ラッチアップなし と 高い耐放射線性 を備えた、真の誘電体分離を提供します。さらにRFやアナログIC向けに、低欠陥・低粗さの要求を満たします。

主な特長：誘電体分離、ラッチアップなし、耐放射線性能。

なぜSOSを選ぶのか

SOSはサファイア絶縁体により 全てを誘電体分離として提供し、ラッチアップのリスクなく電源制限用途や高信頼性エレクトロニクスの堅牢な動作を可能にします。

低欠陥密度、制御された表面/界面品質、そして 耐放射線性能（100 krad(Si)超、ラッチアップなし）により、SOSは宇宙・防衛・高温プラットフォームに適しています。

シリコン膜の品質

R面サファイア上の単結晶（100）Siで、XRD FWHM < 0.5°、RMS粗さ < 0.5 nm。高度なデバイスプロセスで安定した膜品質を支えます。

ウェーハの信頼性と寸法制御

リソグラフィ適合のTTV／ボウ制御。 SOS（サファイア上Si）ウェハは TTV<5 μm、ボウ<15 μm（150 mm） を実現し、安定したウェハ搬送、均一なパターニング、信頼性の高いプロセスアライメントに貢献します。厚み：330–650 μm（厚み均一性を含む）。

熱・機械特性

低温〜高温まで安定動作を想定。 SOS サファイア/Si は -55°C〜+300°C での動作に対応し、熱伝導率 40 W/m·K を備えます。温度変動下でも電気特性とプロセス安定性を維持しやすくします。

成膜・加工プロセス

CVDヘテロエピタキシャル成長に固相エピタキシー（SPE）を組み合わせ、R-plane（1-102）サファイア上に単結晶（100）Si膜を形成します。膜厚は100nm-1000nm。マイクロツイン密度は<10^6/cm²で、Si/サファイア界面は急峻です。

SOS と SOI の比較

SOS は単結晶サファイア絶縁体を使用し、SOI は埋め込み酸化膜（BOX）として SiO₂ に依存します。以下の表では、耐放射線（rad-hard）性能、熱安定性、RF 挙動に関する主要なトレードオフを示します。

項目	SOS	SOI
埋め込み絶縁膜	Sapphire (Al₂O₃, single crystal)	SiO₂ (amorphous)
絶縁膜 εᵣ	9.4–11.5	3.9
熱伝導率	40 W/m·K (sapphire)	1.4 W/m·K (SiO₂)
放射線硬化性	> 100 krad(Si), no latchup	Up to 100 krad(Si), BOX trapping
最高動作温度	300°C	250°C
基板損失（RF）	Extremely low (insulating sapphire)	Low, but HR-Si handle needed
Si膜品質	Heteroepitaxial (defects at interface)	Single-crystal (smart-cut or BESOI)
ウェーハ径	2″–8″	100mm–300mm
コスト	$$$	$$

品質保証・信頼性

品質保証は、XRD FWHM <0.5° と欠陥密度 <10⁶/cm²により確認します。放射線耐性は、Co-60 〜 100 krad(Si) によるロット受入で評価します。各ウェハは100%検査を実施し、Class 100 のパッケージで真空シールして出荷します。

仕様

項目	値 / 規格
ベース基板	R-plane (1-102) sapphire, 2″–8″ diameters, 330–650μm thick
シリコン膜厚	100nm, 150nm, 200nm, 300nm, 500nm, 1000nm, ±10% tolerance
成膜方法	CVD heteroepitaxial growth, solid-phase epitaxy
シリコン結晶品質	Single-crystal (100) Si on R-plane sapphire, FWHM < 0.5° XRD
抵抗率	Intrinsic: > 100 Ω·cm; N-type or P-type doped per specification
移動度	Electron μₑ: 400–700 cm²/V·s; Hole μₕ: 150–250 cm²/V·s
欠陥密度	Microtwin density reduced via SPE, < 10⁶/cm²
表面粗さ	RMS < 0.5nm
TTV/ボウ	TTV < 5μm, Bow < 15μm for 150mm
埋め込み界面品質	Si/Sapphire interface: abrupt, contamination < 5×10¹¹/cm²
誘電体分離	Sapphire insulator: εᵣ = 9.4–11.5
熱伝導率	Sapphire: 40 W/m·K
動作温度	-55°C to +300°C with appropriate metallization
耐放射線性	> 100 krad(Si) total dose, no latchup
パッケージング	Vacuum-sealed single-wafer cassette, Class 100

用途

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耐放射線CMOS

SOSは、宇宙、防衛、原子力用途における耐放射線集積回路向けの最高級基板です。絶縁性のサファイア基板は、重イオンや陽子線照射下でバルクCMOS ICを破壊する寄生サイリスタ効果であるラッチアップを完全に排除します。SOS CMOS回路は、100 krad(Si)を超える全電離線量（TID）に耐え、LET > 120 MeV·cm²/mgに対する単一イベントラッチアップ（SEL）耐性を備えています。

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RFスイッチとフロントエンド

絶縁性サファイア基板は、従来のSOIに存在する導電性シリコンハンドルウェーハを排除し、RF基板損失を大幅に低減します。SOS RFスイッチは2 GHzで挿入損失 < 0.3 dB、アイソレーション > 30 dBを達成し、高調波歪み（HD2/HD3）はバルクCMOSやGaAs pHEMTの代替案より大幅に低くなります。マルチモード4G/5Gスマートフォンのアンテナチューニングとバンド選択に不可欠です。

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高温エレクトロニクス

完全な誘電体分離が接合リーク — 高温におけるバルクシリコンの主要な故障メカニズム — を排除するため、SOS CMOS回路は-55°C～+300°Cで信頼性高く動作します。用途には、ダウンホール石油・ガス計測機器、自動車エンジンルーム電子機器、200°C超で従来のシリコンが故障するジェットエンジンセンサーインターフェースなどがあります。

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集積フォトニクス

SOS基板は、高屈折率のシリコンデバイス層（n = 3.47）と中程度の屈折率のサファイア基板（n = 1.77）を組み合わせ、サブミクロン光導波路に十分な屈折率差を提供するとともに、中赤外センシングのためのサファイアへのエバネッセント結合を可能にします。1.55μmおよび中赤外（3–5μm）で動作するSOSフォトニックプラットフォームは、オンチップ分光法や化学センシングに使用されています。

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X線・粒子検出器

高エネルギー物理実験やシンクロトロンX線イメージング向けのSOSピクセル検出器は、絶縁基板上の完全空乏化・低容量シリコン膜の利点を活かしています。導電性バルクが存在しないため隣接ピクセル間のクロストークが排除され、耐放射線性によりCERNなどの施設やシンクロトロンビームラインでの多年にわたる高フラックス曝露下でも安定動作が保証されます。

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航空宇宙・衛星システム

SOS技術は、GPS Block III、Iridium NEXT、火星ローバーミッションを含む200以上の衛星プログラムに採用されています。耐放射線性、広い温度範囲、実証済みの飛行実績（軌道上で>5億デバイス時間）の組み合わせにより、SOSはミッションクリティカルな宇宙機アビオニクス、スタートラッカー、通信ペイロードにとって信頼される基板となっています。

メトロロジーと品質管理

すべてのウェハは、以下のメトロロジーで検査されます。すべての出荷に CoA を同梱します。ロット受入のための100% のパラメトリックデータをご提供します。

XRDロッキングカーブ・極点図 高分解能XRDロッキングカーブ（FWHM < 0.5°）と極点図解析により、R面サファイア上の単結晶(100) Siエピタキシーを確認します。結晶双晶を識別し、エピタキシャル関係の精度を測定します。

分光エリプソメトリー 多角度エリプソメトリーにより、49点ウェーハマップにわたってシリコン膜厚をマッピングします。膜厚精度 ±1nm、単一ウェーハ仕様での膜厚均一性は公称値の±10%です。

ホール効果測定 室温でのファン・デル・パウホール測定。キャリアタイプ、シートキャリア濃度、移動度（μₑ：400–700 cm²/V·s、μₕ：150–250 cm²/V·s）を確認し、デバイス認定に用います。

AFM表面粗さ 1×1μmおよび10×10μmの走査領域での原子間力顕微鏡測定。デバイスグレードのSOS基板でRMS粗さ < 0.5nmを達成し、サブミクロンゲート酸化膜およびリソグラフィプロセスとの適合性を確保します。

TEM断面 モニター試料のSi／サファイア界面の透過型電子顕微鏡観察。界面の急峻性を検証し、シリコン膜中の微小双晶や転位を識別し、欠陥密度（SPE後 < 10⁶/cm²）を測定します。

四探針法抵抗率 DC四探針法による抵抗率マッピング。真性抵抗率 > 100 Ω·cm、またはドープ抵抗率が顧客仕様内であることを検証します。25点ウェーハマップをCoAに含みます。

TTV / ボウ干渉測定 斜入射干渉計による全ウェーハトポグラフィ測定。150mmウェーハでTTV < 5μm、ボウ < 15μm — サブミクロン設計ルールにおけるフォトリソグラフィの焦点深度にとって極めて重要です。

耐放射線性ロット受入 サンプルデバイスへのガンマ線照射（Co-60線源）を100 krad(Si)までオプションで実施し、全線量硬度を検証します。出荷前の照射前後パラメータ比較により、ロットの耐放射線性を確認します。

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耐放射線向け Silicon on Sapphire（SOS）ウェーハ