STI versus LOCOS: isolatie, bird's beak, schaling en generaties

Beide zijn methoden om naburige transistors elektrisch te scheiden met een dik oxide. LOCOS laat een dik oxide groeien door het silicium dat niet door nitride is bedekt thermisch te oxideren; het proces is eenvoudig, maar onder de rand van het nitride dringt oxide binnen (de bird's beak), zodat de isolatiebreedte niet klein kan worden. STI etst ondiepe sleuven in het silicium, vult ze met oxide en vlakt het oppervlak met CMP; er is geen bird's beak en het oppervlak is vlak, zodat STI vanaf de generatie rond 0,25 µm de standaard werd voor fijne LSI's.

KenmerkSTI (shallow trench isolation)LOCOS (lokale oxidatie)
IsolatiemethodeOndiepe sleuven in het silicium etsen en met oxide vullenHet silicium dat niet door nitride is bedekt thermisch oxideren tot een dik veldoxide
Belangrijkste processtappenVorming van padoxide en nitride → lithografie → droog etsen van silicium → lineroxidatie → vullen met oxide (bijv. HDP-CVD) → CMP → verwijderen van het nitrideVorming van padoxide en nitride → lithografie → etsen van het nitride → thermische oxidatie (bijv. natte oxidatie bij ongeveer 1000 °C) → verwijderen van het nitride
Isolatieafmetingen (indicatief)Sleufdiepte in de orde van enkele honderden nm. De sleufbreedte kan tot de kleinste structuurgrootte worden verkleindVeldoxidedikte van enkele honderden nm tot ongeveer 1 µm. De isolatiebreedte is moeilijk te verkleinen
Bird's beakGeenAanwezig. Oxide dringt onder de rand van het nitride binnen en verkleint de effectieve breedte van de component
Vlakheid van het oppervlakVlak dankzij CMP. Gunstig voor de scherptediepte bij lithografieEen deel van het oxide steekt boven het siliciumoppervlak uit, zodat er een hoogteverschil blijft
Geschiktheid voor schalingHoog. De isolatiebreedte kan klein zijn, wat een hoge componentdichtheid mogelijk maaktLaag. Hoe smaller de isolatie, hoe groter het aandeel van de bird's beak; isolatie onder de µm is moeilijk
Belangrijkste problemenSlecht vullen van sleuven (holtes), dishing bij CMP, de vorm van de sleufhoeken (divots), spanning in het gevulde oxideBird's beak, defecten in het gate-oxide door nitride dat onder het nitridemasker ontstaat (Kooi-effect), lange stappen bij hoge temperatuur
Aantal processtappen en kostenVeel. Apparatuur voor etsen, vullen en CMP is nodigWeinig. Hoofdzakelijk thermische oxidatie, dus goedkoop
Gebruikte generaties (indicatief)Vanaf de generatie rond 0,25 µm tot nu. Ook bij FinFET's gebruikt voor isolatie tussen finsTot de generaties rond 0,35 tot 0,5 µm in de jaren 1990. Blijft nog in sommige oudere processen en voor vermogens- en analoge toepassingen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

STI
Wanneer componenten met een hoge dichtheid moeten worden geplaatst, zoals in fijne logica en geheugens. Wanneer de isolatiebreedte tot de kleinste structuurgrootte moet worden verkleind en de volgende lithografie op een vlak oppervlak moet gebeuren.
LOCOS
In oudere processen met ruime afmetingen, wanneer het proces eenvoudig en de kosten laag moeten blijven.
Overgang
Er zijn ook verbeteringen ontwikkeld om de bird's beak van LOCOS te verkleinen, maar die hadden hun grenzen, en met de verdere schaling en de praktische inzetbaarheid van CMP werd LOCOS door STI vervangen.

Veelgestelde vragen

Wat is een bird's beak?

Bij de thermische oxidatie in LOCOS dringt zuurstof ook zijdelings onder de rand van het nitride binnen, waardoor het oxide in de vorm van een vogelsnavel in het componentgebied doordringt. De breedte waarin transistors kunnen worden gemaakt wordt daardoor kleiner dan ontworpen, wat een grote belemmering voor schaling was.

Waarom heeft STI CMP nodig?

Bij het vullen van de sleuven met oxide wordt ook op het nitride buiten de sleuven een dikke oxidelaag afgezet. CMP verwijdert die, met het nitride als stoplaag voor het polijsten, zodat alleen het oxide in de sleuven overblijft en het oppervlak vlak wordt.

Hoe diep zijn STI-sleuven?

Dat hangt af van de generatie, maar enkele honderden nm is typisch. Er wordt een isolatielaag van voldoende diepte aangebracht, zodat er geen lekstroom naar naburige componenten vloeit en geen parasitaire transistors actief worden.

Wordt LOCOS niet meer gebruikt?

In fijne logica en geheugens is het vervangen door STI, maar in oudere processen met ruime afmetingen wordt het soms nog gebruikt omdat het weinig processtappen vraagt en goedkoop is.

Test uw begrip

Welke methode wordt hoofdzakelijk gebruikt voor elementisolatie in fijne LSI's?

  1. ADraadbonden (wire bonding)
  2. BLOCOS (selectieve oxidatie)
  3. CSTI (shallow trench isolation)
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. STI (shallow trench isolation)

In huidige fijne LSI's wordt hoofdzakelijk STI gebruikt, waarbij in silicium een ondiepe gleuf van ongeveer 200 tot 300 nm diep wordt gegraven, met CVD-oxide wordt opgevuld en met CMP wordt vlakgemaakt. LOCOS, dat vroeger de hoofdmethode was, kon de isolatiebreedte niet verkleinen door het bird's beak, waarbij de oxidefilm zijdelings indringt, en liet ook stappen in het oppervlak achter, en werd vanaf ongeveer de 0,25 µm-generatie door STI vervangen. STI is vlak, kan smal worden gemaakt en wordt ook gebruikt voor isolatie tussen de fins van FinFET's.

Hoe heet bij LOCOS (selectieve oxidatie) het verschijnsel waarbij de oxidefilm onder de rand van het nitridemasker als een vogelsnavel indringt?

  1. ADishing
  2. BNotching
  3. CBird's beak
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Bird's beak

Bij LOCOS worden de delen die met een nitridefilm zijn bedekt niet geoxideerd, maar het oxidatiemiddel diffundeert zijdelings door de pad-oxide onder de nitridefilm en de oxidatie schrijdt voort, waardoor de oxidefilm als een vogelsnavel indringt (bird's beak). De indringing kan aan één zijde ongeveer de helft van de oxidedikte bedragen en vermindert het werkzame oppervlak van het element, dus werd LOCOS vanaf ongeveer de 0,25 µm-generatie door STI met gleuven vervangen. De pad-oxide is nodig om het silicium te beschermen tegen de spanning van de nitridefilm.

Welke relatie tussen de dikte van het veldoxide dat voor elementisolatie zoals LOCOS wordt gebruikt en de dikte van het gate-oxide van een MOSFET is in het algemeen juist?

  1. AHet gate-oxide is veel dikker
  2. BBeide hebben dezelfde dikte
  3. CHet veldoxide is veel dikker
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Het veldoxide is veel dikker

Veldoxide wordt dik gemaakt, ongeveer enkele honderden nm, zodat tussen bedrading die erover loopt en het silicium geen parasitaire transistor aangaat; hoe dikker, hoe hoger de drempelspanning van de parasitaire transistor. Gate-oxide daarentegen is zeer dun, ongeveer enkele nm, om het veld van de gate sterk naar het kanaal over te brengen, zodat het verschil meer dan een factor 100 bedraagt. Op dezelfde chip worden ook dikkere gate-oxiden voor in- en uitgangen gecombineerd.

  1. Hoe heet het verschijnsel waarbij bij LOCOS onder het nitridemasker een dun nitride aan het siliciumoppervlak ontstaat, waardoor het latere gate-oxide plaatselijk dun of defect wordt?
  2. Welk schuurdeeltje wordt bij het CMP van STI-vorming vaak gebruikt om de polijstselectiviteit van oxide ten opzichte van siliciumnitride hoog te maken?
  3. Welke combinatie van processen waarin CMP wordt gebruikt is juist?

Oefenvragen over Oxidatie en diffusie

Belangrijke termen uitgelegd

STI (shallow trench isolation)
Methode om componenten van elkaar te isoleren door ondiepe sleuven in silicium te etsen, met isolatiemateriaal te vullen en met CMP te vlakken. Heeft geen bird's beak zoals LOCOS en is de standaard voor isolatie in fijne LSI's.
LOCOS
Methode om componenten van elkaar te isoleren door alleen de niet met een nitridelaag bedekte delen dik te oxideren. Aan de randen ontstaat een vogelsnavelvormige inkruiping (bird's beak); is tegenwoordig vervangen door STI.
Vogelsnavel (bird's beak)
Verschijnsel bij LOCOS waarbij het oxide als een vogelsnavel onder de rand van het nitridemasker doordringt. Het verkleint het effectieve oppervlak van de componenten en is daarom bij verdere miniaturisatie vervangen door STI.
CMP
Chemisch-mechanisch polijsten. Het wafeloppervlak wordt vlak gemaakt door de chemische werking van de slurry te combineren met mechanisch polijsten met een pad.
Thermische oxidatie
Methode om een SiO2-laag op het oppervlak te vormen door silicium te verhitten in zuurstof of waterdamp. Er bestaan droge en natte oxidatie.

Verwante vergelijkingen