半導體製程系列 3/ 8 | 氧化：晶圓表面生成二氧化矽絕緣層

想像你在廚房為 AI 晶片大餐調理底醬：一層二氧化矽（SiO₂）薄膜，讓電流穩定流動。這是《邊喝邊想》半導體製程系列的第三篇，上篇談晶圓如何成為食材，這篇聚焦氧化如何為晶片披上絕緣層。本系列共八篇，涵蓋晶圓、氧化、晶體管、摻雜、沉積、光刻、蝕刻/CMP。核心問題：如何精準生成氧化層，確保 AI 晶片的穩定性？

氧化原理

圖中紅色標示的區域（Gate oxide），就是熱氧化所生成的 SiO₂ 薄膜。這層膜雖然看不見，卻直接影響了 FinFET 是否能展現其低功耗、高驅動力的設計優勢。

熱氧化在石英爐中進行，晶圓置於碳化矽舟，氣體（如氧氣、水蒸氣）精準輸入，添加 1–3% HCl 中和雜質。乾氧氧化生成薄而緻密的閘極氧化層（<30 奈米）；濕氧氧化速率快，適合厚隔離層。Deal-Grove 模型預測厚度：初期快速生長如蛋糕結皮，後期緩慢增厚如內部熟成。台積電 3 奈米製程的氧化層提升 iPhone 續航 10%。

Deal-Grove 如何預測厚度？

t_ox² + At_ox= B（t + τ）

• t_ox：氧化層厚度（單位：微米或奈米），決定晶片的絕緣性能。厚度增加，漏電率降低，但過厚可能影響電晶體速度
• A：反映氧化劑擴散與表面反應的阻力。A 越小，意味著擴散或反應更快，氧化層生長初期速率更高，類似蛋糕初期快速膨脹
• B：控制長期生長速率，與氧化劑濃度和擴散係數成正比。B 越大，氧化層越快變厚，如同火力強的烤箱加速烘焙
• τ：考慮初始氧化層厚度（t_ox​）的時間偏移。初始氧化層越厚，τ 越大，生長速率變慢，就像在已烤好的蛋糕上加層霜需要更多時間。

這公式像烘焙食譜，告訴我們氧化層厚度如何隨時間、溫度與氣體濃度變化。初期快速生長像蛋糕表面迅速結皮，後期緩慢增厚（拋物線階段）像內部慢慢熟成。

這不僅幫助工程師設計流程，更能預測時間：例如要生成 100 奈米厚度，只要代入 A、B、τ 即可預估所需時間。

General Relationship for the Thermal Oxidation of Silicon

氧化如何影響你的科技？

氧化層像防水塗層，確保晶片穩定，影響 iPhone 續航、Tesla 自駕運算與雲端 AI 訓練。投資者可關注氧化設備商如東京威力；消費者則享受更省電的 AI 工具。氧化如底醬，奠定晶片美味基礎。

氧化為 AI 晶片大餐調理底醬，支撐高效運算。未來，超薄氧化層將挑戰原子極限。氧化如何讓你的手機更省電？訂閱《邊喝邊想》，探索下篇晶體管如何成為晶片心跳！