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LOCOS

LOKOS (Abkürzung für LOKALE Oxidation von Silizium) ist ein Halbleiterherstellungsprozess dass bei der Herstellung von integrierte Schaltkreise dient zur Trennung der einzelnen elektronischen Komponenten (z.B. MOS-Transistoren) elektrisch voneinander isoliert. Charakteristisch ist die Verwendung von a Siliziumnitridmaske um den Siliziumwafer lokal zu kontern oxidieren beschützen. Durch das erhaltene Gitter aus versunkenem Siliziumoxid erhalten die umgebenden Siliziuminseln die Form einer Mesa, die die benachbarten pn-Übergänge Schutz vor Oberflächenphänomenen wie Leckagen und Beschädigungen. Die Möglichkeit dieser Methode wurde 1967 zufällig von dem niederländischen Chemiker entdeckt Sonst Kooi während seiner Forschung zu planaren Halbleitertechnologien an der Philips Physiklabor.

Wichtigste LOCOS-Fertigungsschritte

Hauptprozessschritte von LOCOS
Bildung eines Vogelschnabels

Die nebenstehende Abbildung zeigt die wichtigsten Herstellungsschritte des LOCOS-Prozesses.

  1. Zuerst eine dünne Siliziumoxidschicht (10-20 nm), das sogenannte Pufferoxid (englisch: Pfadoxid) normalerweise durch CVD auf einem sauberen Siliziumwafer abgeschieden und darauf eine CVD-Siliziumnitridschicht (100-200 nm) als Antioxidationsmaske aufgebracht. Mit lithographische Techniken diese Schichten werden strukturiert und dieses Muster wird durch Ätzen in die Nitridschicht übertragen. Das Ergebnis ist eine Rest-Nitrid-Oxid-Maske, die die Siliziuminseln für die aktiven Elemente bedeckt. Das Ergebnis ist in Abbildung A zu sehen.
  2. Dann ein trockenes (O2) oder nass (H2O) führte eine thermische Oxidation des freigelegten Siliziums durch, wobei das verbleibende Siliziumnitrid als Oxidationsschutz diente. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in Abbildung B sichtbar, wo das relativ dickere isolierende Oxid gebildet wird.
  3. Der letzte Schritt ist die Entfernung des restlichen Siliziumnitrids, so dass schließlich die Struktur von Abbildung C erhalten wird.

Wichtige Aspekte und Probleme des LOCOS-Prozesses

  • Seit es molares Volumen aus SiO2 fast das Doppelte des Molvolumens von Si beträgt, ragen etwa 50% des gewachsenen thermischen Oxids über die ursprüngliche Halbleiteroberfläche. Dadurch entstehen Unebenheiten an der Oberfläche, die weiteren Fertigungsschritten, wie dem Aufbringen von metallischen Verbindungsschichten, nicht förderlich sind. Diese Unregelmäßigkeiten können beseitigt werden, indem zuerst das Silizium bis zu einer bestimmten Tiefe aufgetragen wird (z. 1 m) bevor die thermische Oxidation gestartet wird. Durch diesen Ätzschritt kann ein nahezu eingesunkenes isolierendes Oxid erhalten werden (Englisch: voll versenkte LOCOS)

Und weiter

  • Die Oxidation erfolgt nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in lateraler Richtung, also auch unterhalb des Randes der Nitridschicht. Dadurch erhält das versunkene Oxid die charakteristische Form eines Vogelschnabels (Deutsch: Vogelschnabel) und die Nitridschicht wird an den Kanten verzerrt (hochgedrückt). Dieses seitliche Eindringen von Oxidationsmitteln wird auf Englisch beschrieben Eingriff erwähnt. Dieser Effekt verkleinert die Fläche des aktiven Bereichs.
  • Beide Effekte setzen die Kanten des Siliziumnitrids bei der Oxidation einem zunehmenden Stress aus, der zu Defekten und Versetzungen führen kann. Genau die Aufgabe des Pufferoxids ist es, als Polster zu wirken und diese Spannungen aufzunehmen.
  • Die für die thermische Oxidation notwendige Wasserdampfatmosphäre (zwischen 800 und 1200 Grad C) bildet auch Stickstoffverbindungen (z.B. NH3) aus der Nitridschicht. Diese reagieren mit dem benachbarten Silizium und es bilden sich entlang der Ränder der Nitridschicht sogenannte White Ribbons. weiße Bänder), die auf eine inhomogene Oxidation der Siliziumoberfläche hinweisen, und die Integrität der Oxidschicht auf den aktiven Gebieten ist beeinträchtigt. Dieser Effekt wird auch als Käfigeffekt bezeichnet.

Anwendungen

Der LOCOS-Prozess wird sowohl in MOS- als auch in bipolaren Schaltungen verwendet. Außerdem wird LOCOS in der Innenstruktur aktiver Elemente eingesetzt, um deren elektrische Eigenschaften zu verbessern. Die vielen Parameter bei der Herstellung machen es zu einem ziemlich komplexen Prozess, und in der Vergangenheit wurden viele Änderungen vorgeschlagen und angewendet, um die ursprüngliche Idee zu verbessern. Insbesondere der Reduzierung des Vogelschnabeleffektes wurde in der Fachliteratur viel Aufmerksamkeit geschenkt. Dieses Isolationsschema ist weniger geeignet für Submikron-Anwendungen und andere Isolationsschemata werden jetzt verwendet, wie z flache Grabenisolation (STI).

Verweise

  • US-Patent US 3970486 (U.S. Philips Corporation), eingereicht am 14. Februar. 1975, veröffentlicht am 20. Juli 1976.
  • Die Erfindung der Lokomotiven, Else Kooi, 9. Januar 1991, IEEE, ISBN 0780303024 .
  • (und) Die Geschichte von LOCOS van Else Kooi in Google Books, Semiconductor Silicon, 1998, H.R. Huff, U. Gösele und H. Tsuya, p. 1638.