Второй-уровень окисления при производстве чипов: быстрое термическое окисление RTO.

В наномире производства микросхем каждая оксидная пленка является краеугольным камнем производительности транзистора. Когда процесс переходит на узел размером менее-7 нм, традиционный процесс окисления печных труб устаревает из-за чрезмерного теплового баланса и неравномерной толщины, в то время как технология быстрого термического окисления (RTO) становится ключевым процессом в производстве высококачественных чипов-из-за ее отклика на втором-уровне и точности на атомном уровне.

I. Что такое РТО?

Искусство окисления на миллисекундном-высоком-температурном уровне RTO (быстрое термическое окисление) – это технология, позволяющая наращивать ультра-тонкий оксидный слой за очень короткое время (1–10 секунд). Ее основные характеристики: скорость нагрева: 50–150 градусов в секунду (традиционные печные трубы составляют всего 5–10 градусов в минуту); Диапазон температур: 800-1100 градусов; Контроль толщины: 1-10 нм, точность до ±0,01 нм.

Сравнение с традиционным окислением печных труб:

Параметры Традиционное окисление печных труб RTO Быстрое термическое окисление

Время нагрева 30-60 минут 5-10 секунд

Тепловой бюджет Высокий (легко привести к допингу и распространению) Очень

Однородность толщины ±2% ±0,5%

Плотность дефектов интерфейса 10¹¹ см⁻² 10¹⁰ см⁻².

II.Основная роль RTO: оптимизация интерфейса.

1. Идеальный партнер для сред с высоким-k: в процессе HKMG размером менее 28 нм RTO выращивают слои SiO₂ на границе раздела 0,5–1,2 нм для оптимизации характеристик интерфейса HfO₂ и кремния; Эквивалентная толщина оксидного слоя (ЭОТ) была уменьшена до 0,8 нм, а ток утечки уменьшен в 100 раз.

Трех-адаптируемость FinFET обеспечивает равномерное окисление на трехмерной поверхности ребра (Fin), чтобы избежать "перекисного окисления краев" традиционных процессов; В 14-нм FinFET от Intel RTO контролирует отклонение верхней части ребра от оксидного слоя боковой стенки до<0.1 nm.

Термический баланс ультрамелкого перехода контролировался. После инжекции в зону расширения исток-сток RTO активировал легированные атомы при 1050 градусах/2 секунды, подавляя при этом расстояние диффузии бора в пределах 2 нм.

4. Ремонт дефектов наноструктуры. Атомарный кислород (О*) заполняет суспензионные связи на поверхности кремния, снижая плотность межфазного состояния до менее 10¹⁰ см⁻² и увеличивая подвижность носителей на 20%.

0010-20129 6" Буферный нож в сборе

III.Механизм реакции РТО

Уравнение реакции

Si(s) + O₂(г) → SiO₂(s) (сухое кислородное окисление)
Si(s) + 2H₂O(г) → SiO₂(s) + 2H₂(г) (мокрое кислородное окисление)

Трех-этапный процесс реакции
1. Начальный линейный рост (0-2 нм):
Молекулы кислорода напрямую реагируют с кремнием, и скорость контролируется кинетикой поверхностной реакции;

На каждые 100 градусов повышения температуры скорость роста увеличивается в 3 раза.

Параболический контроль диффузии (2-10 нм): атомам кислорода необходимо проникнуть в образовавшийся слой SiO₂, а скорость определяет коэффициент диффузии;

Следуя модели Дила-Гроува: толщина² ∝ время × коэффициент диффузии.

3. Реконструкция интерфейса (после окисления): при 1070 градусах атомы кремния перестраиваются в течение 0,1 секунды, образуя интерфейс без напряжений-; высвободившиеся атомы водорода пассивируют оставшиеся суспензионные связи.

IV.Весь процесс RTO

В качестве примера возьмем окисление интерфейса на узле 5 нм:

1. Очистка паром HF3H2O для предварительной обработки пластины для удаления первичного оксидного слоя (толщина <0,2 нм); Продувка аргоном при содержании кислорода в полости < 1 ppm.

2. Быстро нагревающаяся матрица из галогенидов вольфрама нагревает пластину от 400 до 900 градусов за 3 секунды; Обратная-обратная связь в режиме реального времени при измерении инфракрасной температуры на задней панели, точность контроля температуры ± 1 градус.

3. Реакции окисления (ключевые этапы)

Параметр Установленное значение Функция
Температура 900 градусов уравновешивает скорость роста и тепловой баланс.

Точный контроль толщины 0,8-1,2 нм
Поток кислорода обеспечивает достаточное количество реагентов
Контроль давления для улучшения адсорбции газа
4. Быстрое охлаждение
Охладите до 600 градусов в течение 0,5 секунды после отключения питания;
Обратное гелиевое охлаждение предотвращает коробление пластин.
5. Проверка качества
Измерение толщины эллипсометром (точность ± 0,01 нм);