STI vs. LOCOS: Unterschiede bei der Isolation

Beide sind Verfahren zur Bauelementisolation, die benachbarte Transistoren durch dickes Oxid elektrisch voneinander trennen. Bei LOCOS wird das Silizium an den nicht mit Nitrid abgedeckten Stellen thermisch oxidiert, sodass ein dickes Oxid wächst; der Prozess ist einfach, doch unter dem Rand der Nitridschicht schiebt sich das Oxid als Vogelschnabel (Bird's Beak) hinein, sodass sich die Isolationsbreite nicht verringern lässt. Bei STI werden flache Gräben ins Silizium geätzt, mit Oxid gefüllt und per CMP planarisiert; da es keinen Vogelschnabel gibt und die Oberfläche eben ist, wurde STI ab der Generation um 0,25 µm zum Standard für fein strukturierte LSIs.

MerkmalSTI (Shallow Trench Isolation)LOCOS (lokale Oxidation)
IsolationsverfahrenFlache Gräben werden ins Silizium geätzt und mit Oxid gefülltDas Silizium an den nicht mit Nitrid abgedeckten Stellen wird thermisch oxidiert, sodass ein dickes Feldoxid wächst
Wichtigste ProzessschrittePad-Oxid und Nitrid abscheiden → Lithografie → Trockenätzen des Siliziums → Liner-Oxidation → Oxidfüllung (z. B. HDP-CVD) → CMP → Nitrid entfernenPad-Oxid und Nitrid abscheiden → Lithografie → Nitrid ätzen → thermische Oxidation (z. B. Nassoxidation bei etwa 1.000 °C) → Nitrid entfernen
Isolationsabmessungen (Richtwert)Grabentiefe etwa einige hundert nm. Grabenbreite bis zur minimalen Strukturgröße verringerbarFeldoxiddicke etwa einige hundert nm bis 1 µm. Die Isolationsbreite lässt sich schwer verringern
VogelschnabelKeinerVorhanden. Das Oxid schiebt sich unter den Rand der Nitridschicht und verringert die effektive Breite des Bauelements
Planarität der OberflächeDurch CMP eben. Vorteilhaft hinsichtlich der Schärfentiefe der LithografieEin Teil des Oxids ragt über die Siliziumoberfläche hinaus, es bleibt eine Stufe
Eignung für SkalierungHoch. Die Isolationsbreite lässt sich verringern und die Bauelementdichte erhöhenGering. Je schmaler die Isolation, desto größer der Anteil des Vogelschnabels; Isolation im Sub-µm-Bereich ist schwierig
HauptproblemeFüllfehler im Graben (Voids), CMP-Dishing, Form der Grabenecken (Divots), Spannung im FülloxidVogelschnabel, Gate-Oxid-Defekte durch Nitrid unter der Nitridschicht (Kooi-Effekt), lange Hochtemperaturschritte
Anzahl der Prozessschritte und KostenViele. Anlagen für Ätzen, Füllen und CMP nötigWenige. Hauptsächlich thermische Oxidation, daher günstig
Eingesetzte Generationen (Richtwert)Von der Generation um 0,25 µm bis heute. Auch bei FinFETs zur Isolation zwischen den FinsBis zu den Generationen um 0,35 bis 0,5 µm in den 1990er-Jahren. Heute noch in einigen älteren Prozessen sowie für Leistungs- und Analoganwendungen

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

STI
Wenn Bauelemente dicht angeordnet werden sollen, etwa in fein strukturierter Logik oder Speichern. Wenn die Isolationsbreite bis zur minimalen Strukturgröße verringert und die nachfolgende Lithografie auf einer ebenen Oberfläche erfolgen soll.
LOCOS
Wenn in älteren Prozessen mit großzügigen Abmessungen der Prozess einfach und die Kosten niedrig gehalten werden sollen.
Entwicklung
Es gab auch Verbesserungen zur Verkleinerung des LOCOS-Vogelschnabels, doch sie stießen an Grenzen; mit der Skalierung und der Praxisreife von CMP wurde LOCOS durch STI ersetzt.

Häufige Fragen

Was ist der Vogelschnabel?

Bei der thermischen Oxidation im LOCOS-Prozess dringt Sauerstoff auch seitlich unter den Rand der Nitridschicht ein, und das Oxid schiebt sich in Form eines Vogelschnabels in den Bauelementbereich. Da die für Transistoren nutzbare Breite schmaler wird als entworfen, war dies ein großes Hindernis für die Skalierung.

Warum braucht STI CMP?

Beim Füllen der Gräben mit Oxid lagert sich das Oxid auch dick auf dem Nitrid außerhalb der Gräben ab. CMP trägt es ab, wobei das Nitrid als Polierstoppschicht dient, sodass nur das Oxid in den Gräben bleibt und die Oberfläche eben wird.

Wie tief sind STI-Gräben?

Das hängt von der Generation ab, typisch sind einige hundert nm. Es wird ausreichend tiefes Isoliermaterial eingebracht, damit zwischen benachbarten Bauelementen kein Leckstrom fließt und keine parasitären Transistoren wirksam werden.

Wird LOCOS nicht mehr verwendet?

In fein strukturierter Logik und Speichern wurde es durch STI ersetzt, in älteren Prozessen mit großzügigen Abmessungen wird es wegen weniger Prozessschritte und geringer Kosten aber teils noch eingesetzt.

Verständnis prüfen

Welches Verfahren wird für die Bauelementisolation feiner LSIs hauptsächlich verwendet?

  1. ADrahtbonden
  2. BLOCOS (selektive Oxidation)
  3. CSTI (Shallow Trench Isolation)
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Antwort: C. STI (Shallow Trench Isolation)

In heutigen feinen LSIs wird hauptsächlich STI verwendet, bei dem flache Gräben von etwa 200 bis 300 nm Tiefe in das Silizium geätzt, mit CVD-Oxid gefüllt und mit CMP planarisiert werden. LOCOS, das früher vorherrschte, lässt wegen des seitlichen Eindringens des Oxids (Vogelschnabel, Bird's Beak) die Isolationsbreite nicht verkleinern und hinterlässt auch Stufen auf der Oberfläche; es wurde etwa ab der 0,25-µm-Generation durch STI ersetzt. STI ist eben, erlaubt schmale Breiten und dient auch zur Isolation zwischen den Finnen von FinFETs.

Wie heißt bei LOCOS das Phänomen, dass Oxid wie ein Vogelschnabel unter den Rand der Nitridmaske eindringt?

  1. ADishing
  2. BNotching
  3. CBird's Beak (Vogelschnabel)
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. Bird's Beak (Vogelschnabel)

Bei LOCOS werden mit Nitrid bedeckte Bereiche nicht oxidiert, doch das Oxidationsmittel diffundiert seitlich durch das Pad-Oxid unter dem Nitrid, und die Oxidation schreitet voran, sodass das Oxid wie ein Vogelschnabel eindringt (Bird's Beak). Das Eindringen kann auf einer Seite etwa die Hälfte der Oxiddicke erreichen und verringert die effektive Fläche der Bauelemente; LOCOS wurde daher etwa ab der 0,25-µm-Generation durch STI mit Gräben ersetzt. Das Pad-Oxid ist nötig, um das Silizium vor der Spannung des Nitrids zu schützen.

Welcher Zusammenhang gilt im Allgemeinen zwischen der Dicke des Feldoxids, das z. B. bei LOCOS zur Bauelementisolation verwendet wird, und der des Gateoxids eines MOSFET?

  1. ADas Gateoxid ist viel dicker
  2. BBeide sind gleich dick
  3. CDas Feldoxid ist viel dicker
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Antwort: C. Das Feldoxid ist viel dicker

Das Feldoxid wird mit einigen hundert nm dick hergestellt, damit zwischen darüberlaufenden Leitungen und dem Silizium kein parasitärer Transistor einschaltet; je dicker, desto höher ist die Einsatzspannung des parasitären Transistors. Das Gateoxid dagegen ist mit einigen nm sehr dünn, damit das Feld des Gates stark auf den Kanal wirkt, der Unterschied beträgt das Hundertfache oder mehr. Auf demselben Chip werden auch dickere Gateoxide für Ein- und Ausgänge getrennt verwendet.

  1. Wie heißt bei LOCOS das Phänomen, dass auf der Siliziumoberfläche unter der Nitridmaske dünnes Nitrid entsteht und das spätere Gateoxid lokal dünn oder fehlerhaft wird?
  2. Welches Schleifpartikel wird beim CMP zur STI-Bildung häufig verwendet, um die Polierselektivität von Oxid gegenüber Siliziumnitrid zu erhöhen?
  3. Welche Kombination von Prozessen, in denen CMP eingesetzt wird, ist richtig?

Übungsfragen zu Oxidation und Diffusion

Wichtige Begriffe erklärt

STI (Shallow-Trench-Isolation)
Verfahren zur Bauelementeisolation: flache Gräben im Silizium werden mit Isolator gefüllt und per CMP planarisiert. Ohne den Vogelschnabel von LOCOS ist es Standard bei feinen LSIs.
LOCOS
Verfahren zur Isolation von Bauelementen, bei dem nur die nicht mit Nitrid bedeckten Bereiche dick oxidiert werden. An den Rändern entsteht der „Vogelschnabel“ (Bird's Beak); heute durch STI ersetzt.
Vogelschnabel (Bird's Beak)
Bei LOCOS dringt das Oxid unter den Rand der Nitridmaske schnabelförmig ein. Da es die effektive Bauelementfläche verringert, wurde LOCOS bei der Miniaturisierung durch STI ersetzt.
CMP (chemisch-mechanisches Polieren)
Chemisch-mechanisches Polieren. Die chemische Wirkung der Slurry und das mechanische Polieren durch das Pad werden kombiniert, um die Waferoberfläche zu planarisieren.
Thermische Oxidation
Verfahren, bei dem Silizium in Sauerstoff oder Wasserdampf erhitzt wird und an der Oberfläche eine SiO2-Schicht entsteht. Man unterscheidet trockene und nasse Oxidation.

Verwandte Vergleiche