简单认识硅局部氧化隔离工艺

半隐蔽和全隐蔽氧化硅LOCOS 生长工艺

LOCOS 工艺在集成电路制造技术由中小规模向超大规模集成演变中有重要影响，对提高集成密度和器件性能都有显著作用。LOCOS工艺是一种选择性局部氧化技术，利用氮化硅（Si3N4）薄膜作掩蔽，在所选择的区域形成设定厚度的 SiO2层，把相邻制作MOS 晶体管的有源区隔离开来。具有化学计量比的纯氮化硅是一种结构致密、化学性能稳定的介质，在氢氟酸（HF）溶液中腐蚀速率很低，在氧化气氛中的氧化速率也非常低。因此，氮化硅在集成电路各种制造工艺中有许多应用。在氧化速率较高的水气高温氧化工艺中，硅的氧化速率约为Si3N4的25~30倍。硅局部隔离氧化就是利用复化硅的这些特性研究成功从而广泛应用的器件隔离工艺。

由LOCOS 工艺形成的隔离氧化物有半隐蔽型（semi-recessed oxide）和全隐蔽型（fullyrecessed oxide）两种，如图5.6所示。在硅表面直接热氧化时，由于形成SiO2薄膜时的体积膨胀，有56%厚度的氧化物在原始硅平面以上，44%的氧化物在硅平面以下，即约一半氧化物埋藏在硅表面以下。因此，这样生长的SiO2被称为半隐蔽隔离氧化物，相应的工艺称作半隐蔽 LOCOS工艺，如图 5.6（a）所示。对于后续集成电路制造工艺和器件性能，常常要求在生长隔离氧化层后硅片具有平坦表面，即要求隔离氧化物全部隐蔽在硅表面层以下。为此需要在场区氧化以前，先刻蚀去除一层硅，其深度应56%的待生长场氧化层厚度。

全隐蔽氧化物隔离 LOCOS 工艺主要过程如图5.6（b）所示，工艺步骤如下：

（1）经清洗处理的清洁硅片，通过高温热氧化生长一薄层 SiO2，称为衬垫氧化层。

（2）用化学气相淀积技术（CVD）淀积氮化硅层，其厚度根据场氧化层的厚度决定。

（3）通过光刻工艺形成由有源区和隔离区构成的图形，应用等离子体刻蚀工艺除去隔离区上的Si3N4/SiO2，复合掩蔽氧化介质层。

（4）应用反应离子刻蚀工艺（RIE）刻蚀硅，所需刻蚀的硅层深度由隔离氧化层厚度决定。例如，如果需要生长1μm厚的场氧化层，应刻蚀除去0.56μm硅层。

（5）利用光刻胶/Si3N4/SiO2掩蔽，进行沟道阻止离子注入，把适当能量和剂量的杂质离子，如50 keV/1×1013cm-2的B+，注入到场区硅表面层，用以防止场氧化层下面产生反型沟道，这一硼离子注入工艺也常被称场注入。

（6） 用氧（O2）等离子体干法，或以硫酸（H2SO4）溶液湿法，去除光刻胶，也常用两者相结合的工艺去除光刻胶。

（7）通过高温热氧化工艺，在场区生长隔离氧化物。由于场氧化层较厚，通常应用水气氧化工艺，场氧化层厚度由器件电源电压和性能要求决定。例如，0.25μm器件制程中，可用1000°C的水气热氧化工艺，生长厚度为0.5μm的场氧化硅层。

（8）去除有源区域的氮化硅掩蔽薄膜，可用热磷酸（H3PO4）腐蚀，这种化学腐蚀具有选择性，H3PO4对SiO2和硅都不腐蚀。也可用等离子体刻蚀工艺去除氮化硅。

半隐蔽氧化物 LOCOS 隔离工艺步骤如图 5.6（a）所示，与全隐蔽氧化物隔离工艺的差别仅在于，场氧化前不需要刻蚀硅层，其他工艺步骤完全相同。在至1.5μm器件加工技术以前，MOS集成电路大都应用半隐蔽氧化物LOCOS隔离工艺，全隐蔽氧化物LOCOS 隔离工艺主要应用于氧化物隔离双极型集成电路制造。实际上，由于半隐蔽氧化物 LOCOS 工艺简单、成熟，直至亚 0.5μm的某些 CMOS 产品，有集成电路制造公司仍在应用。

氮化硅掩蔽层和氧化硅应力缓冲层

氮化硅掩蔽是应用LOCOS工艺实现选区局域氧化的关键。符合化学计量比的纯氮化硅薄膜，通常采用低压化学气相淀积（LPCVD）技术，通过硅烷（SiH4）和氨气（NH3）反应制备。氮化硅的掩蔽氧化作用，在于其抗氧化性。在金属和非金属化合物中，氮化物结构往往比较致密，机械强度及硬度较高。氮化硅也具有这种特点，氧化剂O2与H2O在其中的扩散系数很小，因此，氧化剂很难穿过氮化硅膜，到达硅衬底使其氧化。但是，在氧化气氛（O2与H2O），特别是高温水气氧化条件下，氮化硅仍然有一定氧化速率，逐渐转化力氧化硅。因此，根据所需生长的场氧化层厚度，需要淀积足够厚度的氮化硅掩蔽膜，以保证其所掩蔽的器件有源区在场氧化工艺过程中不被氧化。

为什么LOCOS工艺步骤中，在淀积氮化硅掩蔽膜之前，先要热氧化生长薄层氧化硅呢？这是由于 LPCVD技术淀积的氮化硅薄膜具有较大的张应力，如果氮化硅薄膜直接淀积在硅片上，则会在硅衬底内产生机械应力，从而导致氮化硅覆盖的有源区边缘产生位错等缺陷，影响随后形成的晶体管性能。因此，在氮化硅掩蔽膜之前，硅片需先经热氧化生长适当厚度的衬垫氧化层，其作用在于吸收氮化硅薄膜应力。所以，这种衬垫氧化层也常被称为缓冲氧化层。缓冲氧化层的厚度，需依据氮化硅掩蔽膜的厚度决定。SiO2薄膜高温下具有一定可塑性，适当比例厚度的衬垫氧化层，其塑性形变可以吸收其上氮化硅膜的张应力。通常衬垫SiO2薄膜厚度应大于氮化硅掩蔽膜的1/3。因此，在应用LOCOS 工艺，实现厚场氧化层器件隔离时，总是以Si3N4/SiO2复合薄膜掩蔽有源区。例如，为获得0.5μmLOCOS 场氧化层，需要先后生长和淀积厚度分别为40 nm 和80nm 的Si3N4/SiO2复合掩蔽膜。