STI 與 LOCOS 的差異:元件隔離方式、鳥嘴、微縮化、製程、世代比較

兩者都是以厚氧化層將相鄰電晶體電性隔開的元件隔離方法。LOCOS 是將未被氮化層覆蓋部分的矽熱氧化、成長出厚氧化層的方法,製程簡單,但氧化層會鑽入氮化層邊緣下方形成鳥嘴,無法縮小隔離寬度。STI 是在矽中蝕刻出淺溝槽、填入氧化層,再以 CMP 平坦化的方法,沒有鳥嘴且表面平坦,因此從 0.25 µm 前後的世代起成為微縮 LSI 的標準。

項目STI(淺溝槽隔離)LOCOS(矽局部氧化)
隔離方式在矽中蝕刻出淺溝槽,填入氧化層將未被氮化層覆蓋部分的矽熱氧化,成長出厚的場氧化層
主要製程形成墊氧化層與氮化層 → 微影 → 矽的乾式蝕刻 → 襯層氧化 → 填入氧化層(HDP-CVD 等) → CMP → 去除氮化層形成墊氧化層與氮化層 → 微影 → 氮化層蝕刻 → 熱氧化(約 1,000 ℃ 的濕式氧化等) → 去除氮化層
隔離尺寸(參考值)溝槽深度約數百 nm。溝槽寬度可縮小到最小加工尺寸場氧化層厚度約數百 nm 至 1 µm。隔離寬度不易縮小
鳥嘴無有。氧化層鑽入氮化層邊緣下方,使元件的有效寬度減少
表面平坦度以 CMP 平坦化。在微影的焦深方面有利部分氧化層隆起高於矽表面,留下段差
對微縮化的適應性高。可縮小隔離寬度,提高元件密度低。隔離寬度越窄,鳥嘴所佔比例越大,次微米的隔離很困難
主要課題溝槽填充不良(孔洞)、CMP 的碟形凹陷、溝槽角落的形狀(凹陷,divot)、填入之氧化層的應力鳥嘴、氮化層下方生成的氮化物造成閘極氧化層不良(Kooi 效應)、長時間的高溫製程
製程步驟數與成本多。需要蝕刻、填充、CMP 設備少。以熱氧化為主,便宜
使用世代(參考值)從 0.25 µm 前後的世代至今。在 FinFET 中也用於鰭片之間的隔離到 1990 年代 0.35 至 0.5 µm 前後的世代為止。目前仍留存於部分舊世代製程,以及功率、類比用途

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

STI
想以高密度排列元件時,例如微縮的邏輯與記憶體。想將隔離寬度縮小到最小加工尺寸,並在平坦表面上進行後續微影時。
LOCOS
在尺寸有餘裕的舊世代製程中,想簡化製程並壓低成本時。
演變
雖然也有縮小 LOCOS 鳥嘴的改良,但有其極限,隨著微縮化與 CMP 的實用化而被 STI 取代。

常見問題

什麼是鳥嘴?

在 LOCOS 熱氧化時,氧也會從側面進入氮化層邊緣的下方,使氧化層以像鳥嘴的形狀鑽入元件側的現象。由於可製作電晶體的寬度會比設計更窄,成為微縮化的一大阻礙。

為什麼 STI 需要 CMP?

因為將氧化層填入溝槽時,溝槽外的氮化層上方也會堆積厚的氧化層。以 CMP 將其磨除,並以氮化層作為研磨停止層,只留下溝槽內的氧化層,使表面平坦。

STI 的溝槽有多深?

依世代而不同,但代表性的深度約為數百 nm。為了避免與相鄰元件之間流過漏電流或寄生電晶體動作,會放置足夠深度的絕緣層。

LOCOS 已經不再使用了嗎?

在微縮的邏輯與記憶體中已被 STI 取代,但在尺寸有餘裕的舊世代製程中,由於製程步驟少且便宜,有時仍會使用。

理解度檢測

微細的 LSI 主要採用下列何種方法進行元件隔離?

  1. A打線接合
  2. BLOCOS(選擇性氧化)
  3. CSTI(淺溝槽隔離)
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正確答案:C. STI(淺溝槽隔離)

現今微細的 LSI 主要採用 STI:在矽中挖出深度約 200~300 nm 的淺溝槽,填入 CVD 氧化層,再以 CMP 平坦化。過去的主流 LOCOS 因氧化層向橫向侵入形成鳥嘴,使隔離寬度無法縮小,表面也殘留階差,所以大約在 0.25 µm 世代起被 STI 取代。STI 平坦且可縮小寬度,也被用於 FinFET 鰭片之間的隔離。

在 LOCOS(選擇性氧化)中,氧化層像鳥嘴般侵入氮化膜遮罩邊緣下方的現象稱為什麼?

  1. A碟形凹陷
  2. B缺口效應
  3. C鳥嘴效應
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正確答案:C. 鳥嘴效應

在 LOCOS 中,被氮化膜覆蓋的部分不會被氧化,但氧化劑會通過氮化膜下方的墊氧化層從側面擴散而使氧化進行,因此氧化層像鳥嘴一樣侵入(鳥嘴效應)。侵入量單側可達氧化層厚度的一半左右,使元件的有效面積減少,所以大約在 0.25 µm 世代起被使用溝槽的 STI 取代。墊氧化層是為了保護矽免受氮化膜的應力而必須存在的。

對於用於 LOCOS 等元件隔離的場氧化層,與 MOSFET 的閘極氧化層,兩者厚度的關係一般何者正確?

  1. A閘極氧化層厚得多
  2. B兩者厚度相同
  3. C場氧化層厚得多
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正確答案:C. 場氧化層厚得多

場氧化層為了避免通過其上的配線與矽之間的寄生電晶體導通,做得很厚,約數百 nm。這是因為越厚,寄生電晶體的臨界電壓就越高。另一方面,閘極氧化層為了讓閘極的電場強烈傳到通道,非常薄,約數 nm,兩者相差 100 倍以上。同一晶片上,也會分別使用較厚的閘極氧化層作為輸入輸出用。

  1. 在 LOCOS 中,氮化膜遮罩下方的矽表面形成薄氮化物,使後續的閘極氧化層局部變薄或不良的現象稱為什麼?
  2. 在STI形成的CMP中,為了提高氧化膜相對於氮化矽膜的研磨選擇比,常使用的研磨粒子為下列何者?
  3. 下列關於使用CMP之步驟的組合,何者正確?

前往氧化與擴散的練習題

相關名詞的解說

STI(淺溝槽隔離)
在矽上挖出淺溝槽並填入絕緣膜,再以CMP平坦化以隔離元件的方法。沒有LOCOS的鳥嘴效應,已成為微細LSI元件隔離的標準。
LOCOS(局部矽氧化隔離)
只將未被氮化膜覆蓋的部分氧化成厚膜,以隔離元件的方法。邊緣會出現鳥嘴狀的侵蝕(鳥嘴效應),現已被STI取代。
鳥嘴效應
LOCOS中,氧化膜如鳥嘴般侵蝕到氮化膜遮罩邊緣下方的現象。由於會減少元件的有效面積,在微縮時已被STI取代。
CMP(化學機械研磨)
化學機械研磨。結合研磨液的化學作用與研磨墊的機械研磨,使晶圓表面平坦化。
熱氧化
在氧氣或水蒸氣中加熱矽,使其表面形成SiO2薄膜的方法。有乾式氧化與濕式氧化兩種。

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