SemiMatrix / FAB SERIES / THERMAL OXIDATION (DEAL-GROVE)
FAB PROCESS — DEEP DIVE

Thermal Oxidation (Deal-Grove):
Thermal Oxidation (Deal-Grove)

FABRICATION

01 บทนำ: Oxidation คืออะไร

ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ Thermal Oxidation ถือเป็นขั้นตอนรากฐานที่สำคัญที่สุดในกลุ่ม Thin Film Deposition/Growth โดยเป็นการสร้างชั้นฟิล์มซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO₂) คุณภาพสูงบนผิวเวเฟอร์ซิลิคอน กระบวนการนี้ไม่ได้เป็นเพียงแค่การสะสมสาร แต่เป็นการทำปฏิกิริยาเคมีโดยตรงระหว่างซิลิคอนและออกซิเจนที่อุณหภูมิสูง เพื่อเปลี่ยนสภาพผิวหน้าของซับสเตรตให้กลายเป็นฉนวนไฟฟ้าที่มีเสถียรภาพทางเคมีดีเยี่ยม

ความสำคัญของ Oxidation ในยุคปัจจุบันครอบคลุมตั้งแต่การสร้าง Gate Dielectric, Field Oxide (LOCOS/STI) เพื่อแยกอุปกรณ์ออกจากกัน (Isolation), ไปจนถึงชั้น Sacrificial Oxide สำหรับทำความสะอาดพื้นผิว ชั้น SiO₂ ที่โตขึ้นด้วยกระบวนการ Thermal Oxidation มีความหนาแน่นสูงกว่าการทำ CVD มาก จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมขั้นตอนนี้จึงยังคงถูกเลือกใช้ในโครงสร้างอุปกรณ์ที่ต้องการประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูงสุด (Reliability)

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT
STAGE 03 — THIN FILM DEPOSITION: Oxidation, CVD, ALD & Epitaxy
Thermal oxidation (Deal-Grove), LPCVD, PECVD (SiO₂/SiN/poly-Si), ALD (Al₂O₃/HfO₂ สำหรับ high-k gate dielectric), PVD sputtering, selective epitaxy (SiGe/Si:C)
Equipment: Furnace, PECVD reactor, ALD chcyan, MBE system
Related: CVD / PECVD / LPCVD · ALD (HfO₂, Al₂O₃, TiN) · Selective Epitaxy (SiGe/Si:C) Path: Process / Fab Engineer

02 หลักการพื้นฐาน

หัวใจสำคัญของกลไกการเติบโตของฟิล์มออกไซด์อธิบายผ่าน Deal-Grove Model ซึ่งแบ่งการเติบโตออกเป็น 3 ขั้นตอนหลัก: (1) การแพร่ของโมเลกุลออกซิเจนจากก๊าซผ่าน Boundary Layer, (2) การแพร่ผ่านชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นแล้วไปยังผิว Si/SiO₂, และ (3) ปฏิกิริยาเคมีที่ผิวรอยต่อ (Interface reaction)

สมการ Deal-Grove แสดงอยู่ในรูป:

$ x_0^2 + Ax_0 = B(t + \tau) $

โดยที่ $x_0$ คือความหนาของออกไซด์, $t$ คือเวลา, $B$ คือค่า Parabolic Rate Constant (คุมโดยการแพร่) และ $B/A$ คือค่า Linear Rate Constant (คุมโดยปฏิกิริยาเคมี) สำหรับการเติบโตแบบ Dry Oxidation (ใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์) จะให้ฟิล์มที่หนาแน่นและมี Interface Trap Density ($D_{it}$) ต่ำเหมาะสำหรับ Gate Dielectric ในขณะที่ Wet Oxidation (ใช้ไอน้ำ) จะให้การเติบโตที่เร็วกว่ามาก เหมาะสำหรับ Field Oxide ที่มีความหนา

03 กระบวนการและอัตราการเติบโตทางความร้อน (Dry vs Wet Oxidation)

ในทางปฏิบัติ กระบวนการผลิตเริ่มจากการเตรียมพื้นผิว (Cleaning) โดยวิธี RCA Clean เพื่อกำจัดสารปนเปื้อนโลหะและอนุภาค หลังจากนั้นเวเฟอร์จะถูกนำเข้าสู่เตาเผาอุณหภูมิสูง (Furnace) ที่ระดับ 750°C ถึง 1200°C

เปรียบเทียบกลไกการเติบโตระหว่างแห้งและเปียก:

  • Dry Oxidation: มีสมการเคมีพื้นฐานคือ $ Si(s) + O_2(g) \rightarrow SiO_2(s) $ ให้ชั้นออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์และความหนาแน่นสูงมาก ควบคุมความหนาได้ดีเยี่ยม (Well thickness control) แต่มีอัตราการเติบโตต่ำ (Low growth rate) จึงนิยมนำมาทำเป็นชั้น Gate Oxide ของอุปกรณ์
  • Wet Oxidation: มีปฏิกิริยาหลักคือ $ Si(s) + 2H_2O(g) \rightarrow SiO_2(s) + 2H_2(g) $ ซึ่งไอน้ำมีสัมประสิทธิ์การแพร่ผ่านออกไซด์สูงมาก ทำให้อัตราการเติบโตสูงมาก (High growth rate) แต่เนื้อออกไซด์จะมีความหนาแน่นและความบริสุทธิ์ต่ำกว่าแห้ง นิยมใช้ในการทำชั้นบล็อคหนา เช่น Field Oxide
⚖️
กฎการกินเนื้อซิลิคอน (Silicon Consumption Ratio)
ปฏิกิริยาการปลูกออกไซด์จะดึงอะตอมซิลิคอนจากแผ่นเวเฟอร์โดยตรงขึ้นมารวมตัว โดยตามสัดส่วนทางฟิสิกส์ การปลูกออกไซด์ขึ้นมาหนา $x$ นาโนเมตร จะต้องใช้และกินเนื้อซิลิคอนจากซับสเตรตลงไปลึกเป็นสัดส่วนคงที่คือ $0.44x$

หลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการวิศวกรจะทำการตรวจสอบความหนาและความสม่ำเสมอ (Uniformity) ด้วยเครื่อง Ellipsometer เพื่อควบคุม Parameters ให้ตรงตามค่าเป้าหมายที่ออกแบบไว้ใน PDK

04 การประยุกต์ใช้ซิลิคอนไดออกไซด์ในกระบวนการผลิตชิป

ชั้นฟิล์มซิลิคอนไดออกไซด์ ($SiO_2$) ถูกใช้ประโยชน์ในหลายตำแหน่งของทรานซิสเตอร์ โดยมีความหนาและหน้าที่ต่างกันออกไปตามตารางการจัดสรรนี้ (Silicon Oxide Applications):

ชนิดของออกไซด์ (Oxide Name) ความหนาที่ต้องการ (Thickness) หน้าที่และการประยุกต์ใช้งาน (Applications)
ออกไซด์ธรรมชาติ (Native Oxide) 15 - 20 Å ไม่พึงประสงค์ (Undesirable) ต้องขจัดออกก่อนปลูกชั้นฟิล์มฉนวนอื่น
Screening Oxide ~ 200 Å ปกป้องผิวผลึกซิลิคอนระหว่างกระบวนการยิงไอออน (Ion Implantation) เพื่อลดปัญหาความเสียดทานและการวิ่งทะลุร่องผลึก (Prevent Channeling Effects)
Gate Insulator 30 - 120 Å ฉนวนใต้เกตทรานซิสเตอร์ (Gate Dielectric) ในโหนด Mature เทียบเคียงโหนดสูง
Pad Oxide 100 - 200 Å ชั้นลดแรงเค้นเชิงกล (Nitride Stress Buffer) ระหว่างซิลิคอนและซิลิคอนไนไตรด์
Barrier Oxide 100 - 200 Å ใช้ในระบบแยกส่วนอุปกรณ์แบบขุดร่องตื้น (Shallow Trench Isolation - STI)
Sacrificial Oxide < 1000 Å ชั้นกึ่งกำจัดสำหรับขจัดสิ่งสกปรกและลดความเสียหายเชิงผิวสัมผัส (Defect Removal)
Oxide Hard Mask ~ 5000 Å ใช้เป็นหน้ากากหนาป้องกันการแพร่กระจายสารเจือปน (Diffusion Mask)
Field Oxide (FOX/LOCOS) ~ 5000 Å ใช้เป็นฉนวนหนาเพื่อแยกทรานซิสเตอร์แต่ละตัวออกจากกันบนเวเฟอร์ (Device Isolation)
Spacer Oxide ตามความเหมาะสม ใช้ปกป้องผนังข้างเกตสำหรับโครงสร้างสัมผัสแบบ Lightly-Doped Drain (LDD)

ในโหนดเทคโนโลยี sub-5nm การทำ Thermal Oxidation ประสบปัญหาขีดจำกัดทางกายภาพ โดยเฉพาะ Quantum Tunneling เมื่อชั้น Oxide บางเกินไปจนกระแสรั่วไหลสูงเกินยอมรับได้ ทำให้ต้องเปลี่ยนไปใช้ High-k Dielectrics เช่น HfO₂ ร่วมกับ ALD (Atomic Layer Deposition) แทนที่จะใช้ SiO₂ บริสุทธิ์เพียงอย่างเดียว

นอกจากนี้ ผลกระทบจาก Boron Penetration และการเกิด Interface States ยังคงเป็นความท้าทายหลัก วิศวกรจึงต้องประยุกต์ใช้เทคนิคอย่าง Nitridation (การเติมไนโตรเจนลงในชั้น Oxide หรือ SiON) เพื่อเพิ่มค่า Dielectric constant และป้องกันการแพร่ของสารเจือปน (Dopant diffusion) ในขณะที่เทคนิคทางความร้อนแบบรวดเร็ว หรือ Rapid Thermal Oxidation (RTO) ถูกนำมาใช้แทน Furnace แบบเก่าเพื่อจำกัด Thermal Budget ไม่ให้เกิดการแพร่ของ Junction ที่ลึกเกินไป

05 เครื่องมือและอุปกรณ์

เครื่องมือที่ใช้ในระดับอุตสาหกรรมสำหรับ Oxidation แบ่งออกเป็นกลุ่มหลักๆ ได้แก่:

  • Furnace System: อาทิ Tokyo Electron (TEL) และ ASM International ซึ่งเป็นผู้นำด้าน Vertical Furnace สำหรับการทำ Batch Processing
  • Rapid Thermal Processing (RTP/RTO): เครื่องมือจาก Applied Materials (AMAT) รุ่น Centura หรือบริษัทอย่าง Mattson Technology ที่ใช้หลอดไฟความร้อนสูงในการเพิ่มอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว
  • Metrology: เครื่องมือวัดความหนาและการหักเหของแสง เช่น KLA Tencor (Spectroscopic Ellipsometry) เพื่อวัดความหนาระดับ Angstrom
  • EDA/Simulation: การใช้ Synopsys Sentaurus Process ในการทำ TCAD Simulation เพื่อจำลองโปรไฟล์ของความหนาออกไซด์และการแพร่ของสารเจือปนก่อนการผลิตจริง

06 การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ในโรงงาน Foundries ระดับโลกอย่าง TSMC, Samsung และ Intel กระบวนการ Thermal Oxidation ยังคงถูกใช้ควบคู่ไปกับเทคนิค CVD และ ALD ขั้นสูงเพื่อผลิตโครงสร้าง FinFET และ GAA (Gate-All-Around) แม้การเติบโตของชั้น Gate Dielectric จะเปลี่ยนไปใช้ ALD แต่ Thermal Oxidation ยังคงเป็นหัวใจของการทำ Sacrificial Oxidation เพื่อกำจัดความเสียหายที่เกิดจากขั้นตอน Etching

ความมั่นคงของห่วงโซ่อุปทานวัสดุประเภทก๊าซความบริสุทธิ์สูง (Ultra-high purity gases) เช่น O₂, H₂ และ N₂ เป็นปัจจัยชี้ขาดต้นทุนการผลิต การจัดการ Facility ภายใน Fab เพื่อความสะอาดระดับโมเลกุลในระบบท่อส่งก๊าซเป็นส่วนสำคัญที่วิศวกรหน้างานต้องดูแลอย่างใกล้ชิด เพื่อป้องกัน Defect ที่อาจส่งผลกระทบต่อ Yield โดยรวมของชิปประสิทธิภาพสูง