Thermische oxidatie: hoe een dun laagje glas de chipindustrie draaiende houdt
Elke chip in je telefoon, laptop of auto begint als een schijf zuiver silicium, bekend als een wafer. Om daar bruikbare transistors van te maken, moet op cruciale plekken een uiterst dun, extreem zuiver laagje glas ontstaan: siliciumdioxide. Thermische oxidatie is het proces waarmee fabrikanten dat laagje op een gecontroleerde manier laten groeien, door de wafer in een gloeiend hete oven bloot te stellen aan zuurstof of waterdamp.
Een simpele vergelijking: als je een spijker in de regen legt, roest hij willekeurig en oncontroleerd. Thermische oxidatie is vergelijkbaar met dat 'roesten', maar dan strak geregisseerd: bij precies gecontroleerde temperatuur, gasdruk en tijd groeit er een laagje siliciumdioxide van soms maar een paar atomen dik, foutloos gelijkmatig over een oppervlak zo groot als een dinerbord. Dat laagje is niet een storend bijproduct, zoals roest, maar juist het onderdeel dat een transistor laat schakelen.
Wat is het precies?
Silicium heeft een bijzondere eigenschap: het vormt van nature een stabiele, elektrisch isolerende oxidelaag als het in contact komt met zuurstof. Bij kamertemperatuur gebeurt dat vanzelf, maar dan ontstaat slechts een grillig laagje van een paar nanometer (een nanometer is een miljardste meter) dat niet geschikt is voor precisiewerk. Door de wafer te verhitten tot doorgaans 800 tot 1200 graden Celsius, versnelt de reactie enorm en kan de dikte en kwaliteit van de laag nauwkeurig worden gestuurd.
Er zijn twee hoofdvarianten. Bij droge oxidatie stroomt zuivere zuurstof (O2) langs de hete wafer. Dit proces verloopt langzaam, maar levert een dichte, zeer zuivere oxidelaag op die geschikt is voor de meest kritieke onderdelen van een transistor. Bij natte oxidatie wordt waterdamp (H2O) gebruikt in plaats van droge zuurstof. De reactie verloopt dan veel sneller, wat handig is voor dikkere, minder kritieke isolatielagen, maar de resulterende laag is iets minder dicht en van iets lagere kwaliteit.
Het proces vindt meestal plaats in een lange kwartsbuis, een oxidatie-oven, waarin tientallen wafers tegelijk rechtop in een soort rek staan. Modernere fabrieken gebruiken ook snelle thermische oxidatie (rapid thermal oxidation), waarbij een enkele wafer binnen enkele seconden tot minuten wordt verhit met felle lampen. Dat geeft nog fijnere controle, wat nodig is nu oxidelagen soms nog maar enkele atomen dik zijn.
De kwaliteit van de oxide-siliciumovergang, het grensvlak tussen het nieuwe oxide en het onderliggende silicium, is minstens zo belangrijk als de dikte van de laag zelf. Onvolkomenheden op dat grensvlak, zoals loshangende chemische bindingen, kunnen elektronen vangen en de werking van een transistor verstoren. Decennia van procesontwikkeling zijn erin gaan zitten om dat grensvlak zo perfect mogelijk te maken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het maken van de gate-oxide: de isolerende laag onder de metalen of polysilicium 'poort' (gate) van een transistor, die bepaalt of de transistor stroom doorlaat of niet. Hoe dunner en gelijkmatiger deze laag, hoe kleiner en sneller de transistor kan zijn, en hoe minder energie hij verbruikt om te schakelen. Decennialang was het steeds dunner maken van deze oxidelaag een van de belangrijkste manieren om chips krachtiger en zuiniger te maken, in lijn met de wet van Moore, de vuistregel dat het aantal transistors op een chip ruwweg elke twee jaar verdubbelt.
Daarnaast wordt thermische oxidatie gebruikt voor veldoxide: dikkere isolatielagen die transistors op een chip elektrisch van elkaar scheiden, zodat ze elkaar niet storen. Ook dient oxide als een tijdelijk maskeermateriaal tijdens de fabricage, bijvoorbeeld om te bepalen waar dopering (het inbrengen van vreemde atomen om de elektrische eigenschappen van silicium te veranderen) wel of niet mag plaatsvinden. Tot slot beschermt een afsluitende oxidelaag de afgewerkte chip tegen vocht en verontreiniging.
Een minder bekend maar groeiend toepassingsgebied is vermogenselektronica op basis van siliciumcarbide (SiC), een halfgeleidermateriaal dat beter bestand is tegen hoge spanningen en temperaturen dan silicium en steeds vaker wordt gebruikt in elektrische auto's en laadinfrastructuur. Ook daar is een oxidelaag nodig, maar het oxideren van siliciumcarbide verloopt trager en lastiger te beheersen dan bij gewoon silicium, wat dit tot een actief onderzoeksterrein maakt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het wiskundige fundament voor het voorspellen van oxidegroei werd in 1965 gelegd door onderzoekers Bruce Deal en Andrew Grove bij Fairchild Semiconductor in de Verenigde Staten. Hun zogeheten Deal-Grove-model beschrijft hoe snel een oxidelaag groeit als functie van temperatuur, tijd en gassoort, en wordt nog steeds als basis gebruikt bij het ontwerpen van oxidatieprocessen. Andrew Grove werd later een van de oprichters en de langjarige topman van Intel.
Een andere mijlpaal kwam in 1970 van Philips Research in Nederland, waar onderzoekers waaronder J.A. Appels en E. Kooi de LOCOS-techniek (Local Oxidation of Silicon) ontwikkelden. Door delen van de wafer af te dekken met een laagje siliciumnitride tijdens de oxidatie, kon selectief alleen op bepaalde plekken een dikke isolerende oxidelaag groeien. Deze Nederlandse vinding werd wereldwijd de standaardmanier om transistors op een chip van elkaar te isoleren, en bleef dat decennialang.
In 2007 introduceerde Intel bij zijn 45-nanometer chipgeneratie (codenaam Penryn) een fundamentele wijziging: het traditionele siliciumdioxide gate-oxide werd, voor het eerst in de geschiedenis van de transistor, deels vervangen door een op hafnium gebaseerd 'high-k' materiaal. De reden was dat de gate-oxide inmiddels nog maar een paar atoomlagen dik was, ongeveer een nanometer, waardoor elektronen er dwars doorheen konden 'tunnelen': een kwantummechanisch lekstroomeffect dat energie verspilt. Een dikkere laag van een high-k materiaal geeft dezelfde elektrische werking met minder lekstroom.
In de vermogenselektronica werken bedrijven als Wolfspeed, STMicroelectronics, onsemi en Infineon aan het verbeteren van oxidatieprocessen voor siliciumcarbide-chips, die onder meer worden toegepast in elektrische voertuigen om energieverlies bij het omzetten van stroom te verminderen.
Hoe ver is de techniek?
Voor gewone siliciumchips is thermische oxidatie een volwassen, decennia beproefde technologie die dagelijks in miljoenen wafers wordt toegepast. Toch loopt de techniek tegen fysieke grenzen aan: zodra een siliciumdioxide gate-oxide dunner wordt dan ongeveer een nanometer, enkele atoomlagen, wordt lekstroom door tunneling zo groot dat verdere verdunning weinig zin meer heeft. Dit is de belangrijkste reden waarom de industrie sinds het midden van de jaren 2000 bij de meest geavanceerde chips is overgestapt op high-k diëlektrica in combinatie met metalen gates, in plaats van nog dunnere klassieke oxide.
Bij nieuwere transistorarchitecturen, zoals FinFET's en gate-all-around-transistors die tegenwoordig in de modernste chips worden gebruikt, blijft een dunne, zorgvuldig gegroeide oxidelaag nog altijd een essentieel onderdeel, vaak in combinatie met andere afzettingstechnieken zoals atomic layer deposition (ALD), waarbij materiaal atoomlaag voor atoomlaag wordt neergelegd. Onderzoekers werken voortdurend aan het verder verbeteren van de kwaliteit van het grensvlak tussen oxide en silicium, omdat elke onvolkomenheid op deze schaal een merkbaar effect heeft op de betrouwbaarheid en levensduur van chips.
Voor siliciumcarbide-vermogenschips is de techniek minder volwassen. Oxidatie van SiC verloopt van nature trager en levert doorgaans een grensvlak van lagere kwaliteit op dan bij silicium, wat de prestaties van deze chips beperkt. Dit is een actief onderzoeksgebied, en het is nog niet volledig opgelost hoe de kwaliteit van SiC-oxidatie dicht bij het niveau van klassieke siliciumtechnologie kan worden gebracht.
Wie werken eraan?
Grote chipfabrikanten zoals Intel, TSMC (Taiwan), Samsung en GlobalFoundries passen thermische oxidatie dagelijks toe in hun fabrieken en investeren in eigen procesontwikkeling. De apparatuur waarmee oxidatie en verwante processen zoals ALD worden uitgevoerd, komt van een beperkt aantal gespecialiseerde toeleveranciers, waaronder het Nederlandse ASM International (hoofdkantoor in Almere), het Japanse Tokyo Electron en het Amerikaanse Applied Materials.
Op onderzoeksgebied speelt imec in Leuven, België, een vooraanstaande rol bij het verkennen van toekomstige transistorstructuren en de bijbehorende oxide- en diëlektricumtechnologie, in nauwe samenwerking met chipfabrikanten en universiteiten wereldwijd. Ook Amerikaanse instituten als Sematech (nu onderdeel van andere samenwerkingsverbanden) en talloze universitaire onderzoeksgroepen hebben decennialang bijgedragen aan het begrijpen en verbeteren van oxidatieprocessen.
Voor siliciumcarbide-oxidatie is de onderzoeksgemeenschap kleiner en meer verspreid, met bijdragen van vermogenshalfgeleiderfabrikanten als Wolfspeed, Infineon, STMicroelectronics en onsemi, evenals universitaire laboratoria die zich specifiek richten op materiaaleigenschappen van siliciumcarbide.