Qu'est-ce que STI (isolation par tranchées peu profondes) ?

Méthode d'isolation des composants consistant à creuser des tranchées peu profondes dans le silicium, à les remplir d'isolant puis à planariser par CMP. Sans bec d'oiseau du LOCOS, c'est le standard pour les LSI fins.

Nom japonais: STI(シャロートレンチ分離)

« STI (isolation par tranchées peu profondes) » apparaît dans 14 questions d'entraînement réparties sur 5 thèmes, dont Oxydation et diffusion, CMP et nettoyage, Dépôt (CVD et PVD).

Domaine: Oxydation et diffusion

Le flot de procédé STI

On dépose un mince oxyde de piédestal (pad oxide) et une couche de nitrure de silicium, puis la lithographie et la gravure ouvrent dans le silicium des tranchées d'environ 200 à 300 nm de profondeur. Un mince oxyde de revêtement (liner) est formé, souvent par oxydation thermique ou ISSG, pour réparer les dommages de gravure et arrondir les coins des tranchées. La tranchée est remplie d'oxyde CVD, puis recuite pour le densifier. Le polissage mécano-chimique (CMP) retire l'oxyde excédentaire et s'arrête sur le nitrure, souvent à l'aide de slurries à l'oxyde de cérium dont la sélectivité oxyde/nitrure va de quelques dizaines à plus de 100. Enfin, le nitrure est retiré dans de l'acide phosphorique chaud à environ 160 °C.

Pourquoi la STI a remplacé le LOCOS

Dans l'oxydation locale du silicium (LOCOS), le nitrure masque les zones actives tandis que le silicium exposé est oxydé thermiquement, mais l'oxydant diffuse latéralement sous le bord du nitrure et forme un bec d'oiseau qui peut empiéter d'environ la moitié de l'épaisseur d'oxyde de chaque côté. Cela grignote la zone active, limite la proximité possible entre composants et laisse des marches en surface. La STI isole par une tranchée gravée puis remplie : la surface reste plane et la largeur d'isolation est fixée par la lithographie. Elle a remplacé le LOCOS vers la génération 0,25 µm et sert aujourd'hui aussi à isoler les ailettes des FinFET.

Remplissage et ingénierie des coins

Le CVD ordinaire tend à refermer l'ouverture de la tranchée et à y piéger une cavité. De la génération 0,25 µm à environ 65 nm, le CVD par plasma haute densité (HDP-CVD) a rempli les STI en pulvérisant les coins pendant le dépôt ; les tranchées plus étroites, jusqu'à environ 10 nm, font appel au CVD fluable (flowable CVD) ou à des diélectriques déposés par centrifugation, qui remplissent par le fond puis sont convertis en oxyde. Les coins comptent aussi : un coin supérieur vif concentre le champ de grille et crée un transistor de bord parasite, et un creux d'oxyde (divot) dû aux nettoyages humides ultérieurs aggrave la situation ; l'arrondi des coins et le contrôle du retrait sont donc soigneusement ajustés.

Contraintes et effets de layout

L'oxyde des tranchées STI met sous contrainte le silicium voisin, et l'ampleur de cette contrainte dépend de la distance entre le transistor et le bord de la tranchée : le courant de conduction peut donc varier avec la taille de la zone active et le layout. Les modèles de circuit et les règles de conception en tiennent compte. La gravure des tranchées doit aussi éviter le microtrenching aux coins inférieurs, qui peut créer ensuite des problèmes de remplissage ou de concentration du champ. Dans les flots FinFET, l'oxyde STI est creusé après le CMP pour dégager la partie supérieure de chaque ailette, et la profondeur de ce retrait fixe la hauteur active de l'ailette.

S'entraîner : questions sur STI (isolation par tranchées peu profondes)

Pour le CMP de formation des STI, quelles particules abrasives sont souvent utilisées pour obtenir une sélectivité de polissage élevée de l'oxyde par rapport au nitrure de silicium ?

  1. AL'oxyde de cérium (cérine)
  2. BLa poudre de fer
  3. CLes gros grains de diamant
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Réponse : A. L'oxyde de cérium (cérine)

L'oxyde de cérium se lie chimiquement à l'oxyde et l'enlève efficacement, tandis que des additifs (tensioactifs comme les acides aminés) s'adsorbent sur la surface du nitrure et freinent son polissage ; la sélectivité oxyde/nitrure peut ainsi atteindre plusieurs dizaines à plus de 100. Il est utilisé dans le CMP des STI, où le nitrure sert de couche d'arrêt, pour concilier planéité et arrêt fiable du polissage. Il polit aussi rapidement avec peu de particules.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre la STI et le LOCOS ?

Le LOCOS fait croître un oxyde thermique épais dans les zones non masquées et souffre de l'empiètement du bec d'oiseau et de marches en surface. La STI grave des tranchées, les remplit d'oxyde et planarise par CMP, ce qui donne des surfaces planes et une isolation beaucoup plus étroite.

Pourquoi parle-t-on d'isolation par tranchées peu profondes ?

Ses tranchées ne mesurent que quelques centaines de nanomètres de profondeur, ce qui est peu comparé à l'isolation par tranchées profondes, de plusieurs micromètres, utilisée dans certaines technologies bipolaires, de puissance, de capteurs d'image et d'anciennes DRAM.

Pourquoi utilise-t-on une slurry à l'oxyde de cérium pour le CMP de la STI ?

L'oxyde de cérium enlève efficacement l'oxyde de silicium et, avec des additifs adaptés, ne polit presque pas le nitrure de silicium. La forte sélectivité oxyde/nitrure permet d'arrêter le polissage de manière fiable sur la couche de nitrure.

« STI (isolation par tranchées peu profondes) » dans les explications

Questions mentionnant « STI (isolation par tranchées peu profondes) » (14)

  1. Pour le CMP de formation des STI, quelles particules abrasives sont souvent utilisées pour obtenir une sélectivité de polissage élevée de l'oxyde par rapport au nitrure de silicium ?
  2. Quelle méthode est principalement utilisée pour l’isolation des composants dans les LSI fins ?
  3. Quelle méthode forme rapidement un oxyde mince de bonne qualité en faisant réagir hydrogène et oxygène près de la surface de la plaquette ?
  4. En LOCOS (oxydation localisée), comment s’appelle le phénomène par lequel l’oxyde pénètre en forme de bec d’oiseau sous le bord du masque de nitrure ?
  5. Quel est un usage typique de l’oxyde thermique du silicium ?
  6. Pour quelle raison principale la contrainte de compression de l’oxyde thermique diminue-t-elle lors d’une oxydation à haute température, au-delà d’environ 950 ℃ ?
  7. Pourquoi le CVD à plasma haute densité (HDP-CVD) a-t-il été utilisé pour remplir de diélectrique les tranchées étroites ?
  8. Quelle utilisation du nitrure de silicium (Si3N4) est correcte ?
  9. Quelle méthode de dépôt remplit depuis le fond des tranchées très étroites et profondes avec un film fluide, puis le solidifie ?
  10. Quelle solution est couramment utilisée pour la gravure humide du nitrure de silicium ?
  11. Comment appelle-t-on l'anomalie de profil en gravure sèche par laquelle le fond d'une tranchée est creusé plus profondément le long des flancs qu'au centre, formant une fine rainure ?
  12. Quelle combinaison d'étapes utilisant le CMP est correcte ?
  13. Quel type de CMP fixe les particules abrasives dans le tampon de polissage au lieu de les introduire dans la suspension ?
  14. Comment appelle-t-on la couche d'interconnexion formée à la surface d'une puce ou d'une plaquette pour acheminer les électrodes jusqu'à l'emplacement des bornes externes ?

Termes associés

CMP LOCOS Sélectivité CVD Cérine (oxyde de cérium) FinFET Orientation cristalline Oxydation thermique Implantation ionique Plasma

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