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
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 กระบวนการและขั้นตอน

ในทางปฏิบัติ กระบวนการผลิตเริ่มจากการเตรียมพื้นผิว (Cleaning) โดยวิธี RCA Clean เพื่อกำจัดสารปนเปื้อนโลหะและอนุภาค หลังจากนั้นเวเฟอร์จะถูกนำเข้าสู่เตาเผาอุณหภูมิสูง (Furnace) ที่ระดับ 800°C ถึง 1200°C กระบวนการ Dry Oxidation มักใช้สำหรับความหนาที่ต้องการความแม่นยำสูง (Thin Gate Oxide) โดยมีสมการเคมีพื้นฐานคือ $ Si(s) + O_2(g) \rightarrow SiO_2(s) $

สำหรับกระบวนการที่ต้องการความหนามาก จะใช้ Wet Oxidation โดยใช้ปฏิกิริยา $ Si(s) + 2H_2O(g) \rightarrow SiO_2(s) + 2H_2(g) $ ซึ่งกลุ่มไฮดรอกซิล (-OH) จะช่วยเร่งอัตราการแพร่ผ่านชั้นออกไซด์ได้ดีขึ้น หลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการวิศวกรจะทำการตรวจสอบความหนาและความสม่ำเสมอ (Uniformity) ด้วยเครื่อง Ellipsometer เพื่อควบคุม Parameters ให้ตรงตามค่าเป้าหมายที่ออกแบบไว้ใน PDK

04 เทคนิคขั้นสูง

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