Thermal Oxidation – Quá trình hình thành lớp oxide nền tảng trong chế tạo bán dẫn
Từ wafer sạch đến lớp oxide được kiểm soát
Trong 2 bài viết đầu tiên của series, chúng ta đã đi từ tổng quan chuỗi công nghệ semiconductor đến vai trò nền tảng của silicon wafer trong toàn bộ quá trình chế tạo thiết bị bán dẫn. Tiếp đó, bài viết về wafer surface cleaning đã cho thấy rằng một bề mặt wafer sạch và được điều kiện hóa đúng cách là điều kiện tiên quyết cho mọi bước xử lý phía sau.
Khi bề mặt silicon đã được làm sạch, loại bỏ native oxide và đạt trạng thái hydrogen-terminated ổn định, thermal oxidation trở thành bước tiếp theo mang tính bản lề: quá trình chuyển trực tiếp silicon nền thành silicon dioxide (SiO₂) với chất lượng điện và vật liệu vượt trội. Đây không chỉ là một bước tạo màng mỏng, mà còn là nền tảng hình thành giao diện Si/SiO₂, yếu tố quyết định đặc tính của nhiều linh kiện bán dẫn quan trọng.
Thermal oxidation là gì?
Thermal oxidation là quá trình tạo lớp silicon dioxide (SiO₂) thông qua phản ứng oxy hóa trực tiếp silicon nền ở nhiệt độ cao, thường trên 900 °C và có thể vượt 1000 °C. Không giống các phương pháp lắng đọng màng mỏng khác, lớp oxide được hình thành bằng thermal oxidation mọc từ chính silicon nền, tạo ra giao diện Si/SiO₂ có chất lượng điện và độ bền vật liệu rất cao.
Chính khả năng tạo ra một lớp oxide ổn định, bám dính tốt và có mật độ khuyết tật thấp là lý do khiến thermal oxidation trở thành một trong những quy trình quan trọng nhất trong lịch sử phát triển của công nghệ silicon.
Hai cơ chế thermal oxidation: Dry và Wet
Dry oxidation
Dry oxidation sử dụng oxy tinh khiết (O₂) làm tác nhân oxy hóa, với phản ứng cơ bản:
Si + O₂ → SiO₂
Quá trình này thường diễn ra trong khoảng 900–1200 °C, có tốc độ tăng trưởng oxide chậm (khoảng 14–25 nm/giờ) nhưng tạo ra lớp SiO₂ có chất lượng điện cao nhất. Vì vậy, dry oxidation thường được sử dụng cho các lớp oxide mỏng, đặc biệt là gate oxide trong thiết bị CMOS.
Wet oxidation
Wet oxidation sử dụng hơi nước (steam) làm tác nhân oxy hóa, với phản ứng tổng quát:
Si + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂
So với dry oxidation, wet oxidation có tốc độ tăng trưởng nhanh hơn đáng kể, phù hợp để tạo các lớp oxide dày như field oxide hoặc lớp cách điện. Trong các công nghệ cũ hơn, wet oxidation là nền tảng của quy trình LOCOS, dù hiện nay nhiều ứng dụng đã được thay thế bằng các màng CVD và vật liệu cách điện mới.
Tầm quan trọng của giao diện Si/SiO₂
Silicon dioxide không chỉ là lớp cách điện thông thường. Trong các thiết bị bán dẫn silicon, giao diện Si/SiO₂ đóng vai trò quyết định đến:
Điện áp ngưỡng của transistor
Dòng rò và độ ổn định điện
Tuổi thọ và độ tin cậy dài hạn của linh kiện
Để đạt được giao diện gần như “hoàn hảo”, bề mặt wafer trước khi oxidation phải được chuẩn bị kỹ lưỡng. Như đã đề cập trong bài Wafer Surface Cleaning, các bước HF-last hoặc plasma-based surface preparation thường được sử dụng ngay trước thermal oxidation nhằm loại bỏ hoàn toàn native oxide và giảm thiểu các khuyết tật ở cấp độ nguyên tử
Thiết bị thermal oxidation trong fab bán dẫn
Batch thermal oxidation
Trong các fab truyền thống và nhiều ứng dụng hiện nay, thermal oxidation được thực hiện bằng lò ống gia nhiệt điện trở (tube furnace), thường ở cấu hình vertical hot-wall furnace. Các hệ thống này cho phép xử lý 50–100 wafer mỗi mẻ, với khả năng kiểm soát nhiệt độ rất chặt chẽ (sai lệch thường < ±0,5 °C) để đảm bảo độ đồng đều của lớp oxide trên toàn bộ wafer.
Hình 3.1. Hệ thống batch thermal oxidation dạng lò ống dùng để xử lý nhiều wafer đồng thời trong fab bán dẫn.
Hình 3.2: Cấu trúc chi tiết lò thermal oxidation (gas flow, MFC, wafer handling, vùng gia nhiệt)
Rapid Thermal Oxidation (RTO)
Với các thiết bị tiên tiến và yêu cầu thermal budget thấp, Rapid Thermal Oxidation (RTO) được sử dụng thay thế cho batch oxidation. Trong RTO, wafer đơn được gia nhiệt rất nhanh bằng hệ đèn công suất cao, cho phép giảm đáng kể thời gian wafer tiếp xúc với nhiệt độ cao.
RTO giúp:
Hạn chế khuếch tán không mong muốn của dopant
Giảm biến dạng hồ sơ nhiệt
Phù hợp với các node công nghệ tiên tiến
Hình 3.3: Rapid Thermal Oxidation (RTO) sử dụng hệ đèn công suất cao và đo nhiệt bằng pyrometer
Hình 3.4: So sánh thermal profile giữa batch oxidation và rapid thermal oxidation (RTO)
So với batch oxidation, RTO cho phép kiểm soát tốt hơn các quá trình gate stack formation trong các cụm cluster tool hiện đại.
Vai trò của giải pháp MKS trong thermal oxidation
MKS không trực tiếp sản xuất lò thermal oxidation, nhưng đóng vai trò là nhà cung cấp OEM các subsystem then chốt cho các hệ thống thermal processing. Trong chuỗi thermal oxidation, các giải pháp của MKS hỗ trợ:
Mass Flow Controllers cho oxy, hydrogen và các khí quy trình
Đo và kiểm soát áp suất chân không với độ chính xác cao
Microwave và remote plasma subsystems cho các bước xử lý bề mặt và nitridation
Cảm biến và hệ thống đo lường đảm bảo tính ổn định và khả năng lặp lại của quy trình
Hình 3.5: Cluster tool tích hợp oxidation, nitridation và deposition trong fab bán dẫn hiện đại
Những subsystem này là một phần của triết lý “Surround the Wafer®”, trong đó mọi yếu tố xung quanh wafer đều được kiểm soát nhằm đảm bảo chất lượng lớp oxide và yield của thiết bị bán dẫn.
Thermal oxidation là bước chuyển quan trọng từ bề mặt silicon sạch sang lớp vật liệu chức năng đầu tiên trong chế tạo bán dẫn. Chất lượng của lớp SiO₂ và giao diện Si/SiO₂ không chỉ ảnh hưởng đến một công đoạn riêng lẻ, mà còn tác động sâu rộng đến toàn bộ chuỗi xử lý phía sau.
Tuy nhiên, trong các công nghệ hiện đại, Thermal oxidation chỉ là khởi đầu cho việc xây dựng hệ nhiều lớp màng mỏng trên wafer. Từ đây, trọng tâm của quy trình sẽ chuyển sang Thin Film Deposition, nơi các kỹ thuật như CVD, ALD và PVD được sử dụng để tạo nên các lớp vật liệu phức tạp hơn phục vụ cấu trúc thiết bị bán dẫn tiên tiến.
One thought on “Thermal Oxidation – Quá trình hình thành lớp oxide nền tảng trong chế tạo bán dẫn”
Pingback: Lithography – Công nghệ tạo hình vi cấu trúc trong chế tạo bán dẫn - Thiết bị đo lường | Trang chủ