简单认识器件隔离工艺

集成电路由大量晶体管组成，这些在同一衬底上制作的晶体管必须相互隔离，随后按照电路结构与布线要求，把各自独立的大量晶体管，再互连成具有特定功能的集成芯片。集成电路发展早期器件隔离技术就是制造工艺关键之一，并且随着集成电路演变不断改进和创新。器件隔离区要占据部分面积，还会产生寄生电容等，因而对集成电路的集成密度和信号传输速度都有显著影响。在双极型器件工艺中，反向偏置的 pn 结隔离技术成功用于数字和模拟集成电路制造。在MOS 集成电路技术中，利用硅局部氧化工艺（local oxidation of Si，LOCOS）生长厚氧化层（常被称为场氧化层），形成晶体管之间的氧化物隔离。

硅局部氧化工艺的基本原理是：利用氮化硅薄膜掩蔽，实现硅表面暴露区域的局部氧化生长。图4.11为LOCOS 工艺示意图，其主要工艺步骤如下：在硅衬底上首先热氧化生长薄SiO2层，接着用化学气相淀积技术淀积 Si3N4，形成SiO2/Si3N4双层掩蔽膜，其中，SiO2衬垫层的作用是吸收Si3N4层的应力，以防止硅中产生缺陷；通过光刻和等离子体刻蚀工艺开出场氧化区窗口；然后进行高温水气氧化，生长所需厚度 SiO2层。硅局部氧化工艺不仅成功用于各种MOS 集成电路，也在高性能双极型集成芯片技术中得到应用。LOCOS 隔离工艺取代 pn 结隔离工艺，可减小双极芯片面积及寄生电容，有利于提高器件集成度和速度。因此，氧化物隔离成为各种集成电路的主要隔离技术。

LOCOS隔离工艺的主要缺点在于严重的横向氧化现象。由图4.11 可见边缘处氧化层的延伸，形成一个无效过渡区，这对于提高集成密度十分不利。因此，曾先后研究和提出多种方法，用以抑制边缘横向氧化生长。LOCOS 工艺中横向氧化的原因，在于衬垫SiO2层提供了氧化剂（O2、H2O）进入SiO2/Si3N4边缘区下面的硅界面，与硅化合生成SiO2。因此，抑制横向氧化方法的原理，就在于截断或者减小氧化剂通路。例如，应用适当工艺在SiO2/Si3N4的侧壁上形成Si3N4边墙，阻滞氧化剂进入。又如，减薄衬垫 SiO2层厚度，其上淀积一层多晶硅，以缓冲 Si3N4应力，也可显著抑制横向氧化物生长，这被称为多晶硅缓冲局部氧化工艺（PBLOCOS），得到广泛应用。

浅槽隔离工艺（shallow trench isolation,STI）是一种全新介质隔离技术，克服了LOCOS 工艺中横向氧化缺点，使隔离区所占面积显著缩小，因而适于在深亚微米和纳米CMOS 集成电路制造中应用。图4.12局部氧化隔离和浅沟槽隔离 CMOS结构对比示意图。在浅沟槽隔离技术中，首先经光刻和定向刻蚀工艺在硅片上形成尽可能狭窄的沟槽，然后通过热氧化和 CVD淀积在沟槽中填满隔离介质，并经化学机械抛光工艺，形成平整的硅片表面。STI隔离工艺已取代 LOCOS工艺，成现今集成电路制造的主要隔离技术。