Технология LOCOS

LOCOS — это технология изоляции активных областей в интегральных микросхемах, основанная на локальном окислении кремния (от англ. LOCal Oxidation of Silicon). Она используется для создания толстого слоя диоксида кремния (SiO₂) в полевых областях, разделяющих отдельные транзисторы, и тонкого слоя подзатворного окисла в активных зонах. LOCOS была доминирующей технологией изоляции в КМОП- и биполярных процессах с 1970-х до начала 2000-х годов, пока не была вытеснена более совершенными методами, такими как мелкая изоляция траншей (STI).

История

Технология LOCOS была разработана в конце 1960-х — начале 1970-х годов в исследовательской лаборатории компании Philips (Нидерланды). Первое описание метода было опубликовано в 1970 году группой учёных под руководством Дж. А. Аппельса (J. A. Appels) и Э. Као (E. Kooi). Изначально технология предназначалась для улучшения изоляции между элементами в биполярных интегральных схемах, но вскоре нашла применение в КМОП-технологии, где требования к изоляции были особенно высокими из-за возможности образования паразитных каналов.

В 1970-е — 1980-е годы LOCOS стала стандартом в полупроводниковой промышленности. Она позволяла создавать надёжную изоляцию при минимальном усложнении технологического процесса. Однако с уменьшением проектных норм (менее 0,5 мкм) у LOCOS проявились фундаментальные ограничения, связанные с эффектом «птичьего клюва» и утечками тока. В середине 1990-х годов начался переход к технологии STI, которая полностью вытеснила LOCOS к середине 2000-х годов для процессов с нормами менее 0,35 мкм.

Принцип работы

Технология LOCOS основана на селективном окислении кремния. Основные этапы процесса:

1. Формирование буферного слоя. На поверхность кремниевой пластины наносится тонкий слой термически выращенного диоксида кремния (обычно 10–50 нм), который служит для снятия механических напряжений.
2. Осаждение нитрида кремния (Si₃N₄). Поверх буферного окисла осаждается слой нитрида кремния (100–200 нм), который выступает в роли маски, блокирующей окисление в активных областях.
3. Фотолитография и травление. С помощью фотолитографии и плазмохимического травления в нитридном слое вскрываются окна над полевыми областями, где будет происходить окисление.
4. Локальное окисление. Пластина помещается в печь с кислородной или паровой атмосферой при температуре 900–1100 °C. В местах, не защищённых нитридом, кремний окисляется, образуя толстый слой SiO₂ (300–600 нм). Нитрид кремния практически не пропускает кислород, поэтому под ним окисление не происходит.
5. Удаление масок. После окисления слои нитрида и буферного окисла удаляются химическим травлением (например, в горячей фосфорной кислоте для нитрида и в плавиковой кислоте для окисла).

В результате на поверхности пластины формируются «островки» активного кремния, окружённые толстым полевым окислом. Эти островки впоследствии используются для создания транзисторов, диодов и других элементов.

Особенности и ограничения

Эффект «птичьего клюва»

Главный недостаток LOCOS — латеральное окисление под краями нитридной маски. Кислород диффундирует через буферный окисел и частично окисляет кремний под нитридом, создавая клиновидный профиль окисла, напоминающий птичий клюв. Длина «птичьего клюва» может составлять 0,3–0,5 мкм с каждой стороны, что приводит к потере полезной площади активной области. При уменьшении размеров транзисторов этот эффект становится критическим, так как снижает эффективную ширину канала.

Механические напряжения

Из-за различия коэффициентов теплового расширения кремния и нитрида кремния в процессе окисления возникают значительные механические напряжения. Это может приводить к образованию дислокаций и дефектов в кремнии, особенно на краях активных областей. Для снижения напряжений используется буферный слой окисла и оптимизация температурных профилей.

Планарность поверхности

Полевой окисел в LOCOS имеет ступенчатый профиль, что создаёт проблемы при последующей фотолитографии и металлизации. Для улучшения планарности применяют дополнительные процессы, такие как химико-механическая планаризация (CMP) или осаждение диэлектрических слоёв.

Разновидности

Для преодоления ограничений LOCOS были разработаны её модификации:

• SWAMI (SideWAll Masked Isolation) — технология, в которой нитридная маска формируется не только сверху, но и на боковых стенках активной области, что уменьшает «птичий клюв».
• PBL (Poly-Buffered LOCOS) — используется слой поликремния между буферным окислом и нитридом, что снижает механические напряжения и позволяет уменьшить длину «птичьего клюва».
• Recessed LOCOS — перед окислением проводится травление кремния в полевых областях, что позволяет получить более плоскую поверхность.

Применение

Технология LOCOS широко применялась в производстве:

• КМОП-микросхем (микропроцессоры, память, логические схемы) с проектными нормами 0,5–3 мкм.
• Биполярных транзисторов и биполярно-КМОП (BiCMOS) схем.
• Силовых полупроводниковых приборов (VDMOS, IGBT) для изоляции ячеек.
• Датчиков (например, КМОП-сенсоров изображения) в ранних поколениях.

В настоящее время LOCOS практически не используется в современной микроэлектронике из-за недостаточной масштабируемости. Однако она остаётся важным этапом в истории развития полупроводниковых технологий и изучается в курсах микроэлектроники.

Сравнение с альтернативами

Интересные факты

• Термин «птичий клюв» (bird’s beak) впервые был введён в 1970-х годах для описания характерного профиля окисла в LOCOS.
• Технология LOCOS была запатентована компанией Philips, но в 1970-е годы лицензировалась многим производителям по всему миру, что способствовало её широкому распространению.
• Несмотря на вытеснение STI, LOCOS всё ещё используется в некоторых специализированных процессах, например, для изготовления силовых транзисторов с высокими напряжениями, где требования к масштабированию не столь критичны.

Источники

• Appels, J. A., Kooi, E., Paffen, M. M., Schatorjé, J. J. H., & Verkuylen, W. H. C. G. (1970). Local oxidation of silicon and its application in semiconductor-device technology. Philips Research Reports, 25(2), 118–132.
• Sze, S. M., & Ng, K. K. (2006). Physics of Semiconductor Devices (3rd ed.). Wiley-Interscience.
• Plummer, J. D., Deal, M. D., & Griffin, P. B. (2000). Silicon VLSI Technology: Fundamentals, Practice, and Modeling. Prentice Hall.
• Wolf, S. (2002). Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. 2: Process Integration. Lattice Press.