Oxidation der zweiten -Ebene der Chipherstellung: schnelle thermische RTO-Oxidation

In der Nanowelt der Chipherstellung ist jeder Oxidfilm der Eckpfeiler der Transistorleistung. Wenn der Prozess den Sub-7-nm-Knoten erreicht, ist der herkömmliche Ofenrohroxidationsprozess aufgrund des übermäßigen Wärmebudgets und der ungleichmäßigen Dicke veraltet, während sich die RTO-Technologie (Rapid Thermal Oxidation) aufgrund ihrer Reaktionsfähigkeit auf der zweiten-Ebene und der Genauigkeit auf atomarer Ebene zu einem Schlüsselprozess in der High-End-Chipherstellung entwickelt hat.

I. Was ist RTO?

Die Hochtemperatur-Oxidationstechnik RTO (Rapid Thermal Oxidation) auf Millisekunden--Niveau ist eine Technologie, die das Wachstum einer ultradünnen Oxidschicht in sehr kurzer Zeit (1–10 Sekunden) ermöglicht. Ihre Kernmerkmale sind: Heizrate: 50–150 Grad/s (herkömmliche Ofenrohre haben nur 5–10 Grad/min); Temperaturbereich: 800–1100 Grad; Dickenkontrolle: 1–10 nm, Genauigkeit bis zu ±0,01 nm.

Vergleich mit herkömmlicher Ofenrohroxidation:

Parameter Konventionelle Ofenrohroxidation RTO schnelle thermische Oxidation

Aufheizzeit 30-60 Minuten 5-10 Sekunden

Hitzebudget Hoch (führt leicht zu Doping und Verbreitung) Sehr

Dickengleichmäßigkeit ±2 % ±0,5 %

Grenzflächendefektdichte 10¹¹ cm⁻² 10¹⁰ cm⁻².

II.Die Kernaufgabe von RTO: Schnittstellenoptimierung

1. Perfekter Partner für High-k-Medien: Im HKMG-Prozess unter 28 nm wachsen RTOs SiO₂-Schichten an der Grenzfläche von 0,5–1,2 nm, um die Grenzflächeneigenschaften von HfO₂ und Silizium zu optimieren; Die äquivalente Oxidschichtdicke (EOT) wurde auf 0,8 nm reduziert und der Leckstrom wurde um das Hundertfache reduziert.

Die dreidimensionale Anpassungsfähigkeit von FinFET erreicht eine gleichmäßige Oxidation auf der dreidimensionalen Oberfläche der Finne (Fin), um die „Kantenperoxidation“ herkömmlicher Prozesse zu vermeiden; Beim 14-nm-FinFET von Intel steuert der RTO die Abweichung der Oberseite der Finne von der Oxidschicht der Seitenwand<0.1 nm.

Das thermische Budget des ultraflachen Übergangs wurde kontrolliert. Nach der Injektion in die Source-{0}}Drain-Erweiterungszone aktivierte RTO die dotierten Atome bei 1050 Grad/2 Sek. und unterdrückte gleichzeitig die Bordiffusionsstrecke innerhalb von 2 nm.

4. Defektreparatur der Nanostruktur Atomsauerstoff (O*) füllt die Suspensionsbindungen auf der Oberfläche von Silizium, reduziert die Grenzflächenzustandsdichte auf weniger als 10¹⁰ cm⁻² und erhöht die Trägermobilität um 20 %.

0010-20129 6" Pufferklingenbaugruppe

III.Reaktionsmechanismus von RTO

Reaktionsgleichung

Si(s) + O₂(g) → SiO₂(s) (Trockene Sauerstoffoxidation)
Si(s) + 2H₂O(g) → SiO₂(s) + 2H₂(g) (Nasse Sauerstoffoxidation)

Drei-stufiger Reaktionsprozess
1. Anfängliches lineares Wachstum (0-2 nm):
Sauerstoffmoleküle reagieren direkt mit Silizium und die Geschwindigkeit wird durch die Kinetik der Oberflächenreaktion gesteuert.

Bei jedem Temperaturanstieg um 100 Grad erhöht sich die Wachstumsrate um das Dreifache.

Parabolische Diffusionskontrolle (2–10 nm): Sauerstoffatome müssen die gebildete SiO₂-Schicht durchdringen, und der Diffusionskoeffizient bestimmt die Geschwindigkeit;

Nach dem Deal-Grove-Modell: Dicke² ∝ Zeit × Diffusionskoeffizient.

3. Grenzflächenrekonstruktion (nach der Oxidation): Bei 1070 Grad werden Siliziumatome innerhalb von 0,1 Sekunden neu angeordnet, um eine spannungsfreie Grenzfläche zu bilden; Die freigesetzten Wasserstoffatome passivieren die verbleibenden Suspensionsbindungen.

IV.Der gesamte Prozess des RTO-Prozesses

Nehmen Sie als Beispiel die Grenzflächenoxidation am 5-nm-Knoten:

1. Wafer-Vorbehandlung mit HF3H2O-Dampfreinigung zur Entfernung der primären Oxidschicht (Dicke < 0,2 nm); Argonspülung mit Hohlraumsauerstoffgehalt < 1 ppm.

2. Das schnell aufheizende Wolframhalogenid-Array erhitzt den Wafer in 3 Sekunden von 400 Grad auf 900 Grad. Echtzeit-Feedback zur Infrarot-Temperaturmessung auf der Rückseite, Genauigkeit der Temperaturregelung ± 1 Grad.

3. Oxidationsreaktionen (Schlüsselschritte)

Parameter-Set-Wert-Funktion
Bei einer Temperatur von 900 Grad wird die Wachstumsrate mit dem Wärmehaushalt in Einklang gebracht

Präzise Kontrolle der Dicke von 0,8–1,2 nm
Der Sauerstofffluss sorgt für ausreichend Reaktanten
Kontrollieren Sie den Druck, um die Gasadsorption zu verbessern
4. Schnelle Abkühlung
Nach dem Abschalten der Stromversorgung innerhalb von 0,5 Sekunden auf 600 Grad abkühlen;
Die Helium-Rückkühlung verhindert Waferverwerfungen.
5. Qualitätsprüfung
Ellipsometer-Dickenmessung (Genauigkeit ± 0,01 nm);