LOCOS工艺中鸟喙效应的形成原因和解决措施

文章来源：老虎说芯

原文作者：老虎说芯

本文介绍了LOCOS工艺中“鸟喙效应”的形成原因和解决措施。

集成电路采用LOCOS（Local Oxidation of Silicon）工艺时会出现“鸟喙效应”（bird beak），这是一种在氧化硅生长过程中，由于氧化物侧向扩展引起的现象。

1. LOCOS工艺的基本步骤

图形化工艺：在硅片上使用光刻技术定义需要氧化的区域。

硝化硅层沉积：在硅片表面沉积一层氮化硅（Si3N4），作为氧化掩膜。

氧化过程：在高温下通入氧气或水蒸气，使暴露的硅区域氧化，形成二氧化硅（SiO2）。

去除掩膜：去除氮化硅层，留下氧化区域。

2. “鸟喙效应”的形成原因

“鸟喙效应”主要在氧化过程中形成，其原因可以分解为以下几个方面：

a. 氧化物的侧向扩展：在LOCOS工艺中，氧化不仅向垂直方向（向下）生长，还会向水平方向（侧向）扩展。由于氮化硅层在氧化过程中起到掩膜的作用，但其边缘部分仍然会受到氧化介质的影响，这导致了氧化物在氮化硅边缘下方的生长，从而形成“鸟喙”。

b. 氧化应力：在氧化过程中，硅和二氧化硅之间的体积膨胀差异会产生应力。硅氧化生成二氧化硅时，体积会增加约2.2倍，这种体积膨胀导致了氧化物在边缘区域的应力集中，从而促使氧化物向侧向扩展。

c. 氮化硅边缘效应：氮化硅在LOCOS工艺中的作用是阻止氧气或水蒸气渗透，但在氮化硅边缘附近，氮化硅的覆盖效果会有所减弱，部分氧气或水蒸气可以通过氮化硅的边缘渗透到硅表面，引发边缘硅的氧化。这种边缘效应导致了氧化物的侧向生长，从而形成鸟喙状的结构。

3. “鸟喙效应”的影响：“鸟喙效应”会导致LOCOS工艺中氧化层的精度降低，影响器件的特性，尤其在小尺寸器件中更为显著。为了减小“鸟喙效应”，通常会采取以下措施：

改进掩膜材料：使用更有效的掩膜材料以减少边缘渗透。

优化工艺参数：通过控制氧化温度、时间和气氛等参数来减少侧向扩展。

使用替代技术：例如采用浅沟槽隔离（Shallow Trench Isolation, STI）技术，避免鸟喙效应的影响。

从技术角度看，“鸟喙效应”是由于LOCOS工艺中氧化物的侧向扩展和氮化硅掩膜的边缘效应所导致。通过对工艺参数和材料的优化，可以减小这种效应，但在现代微电子制造中，替代技术（如STI）已经逐渐取代了LOCOS工艺，以提高器件的集成度和性能。