3. LOCOS工艺原理

3.1 局部氧化隔离的基本流程

LOCOS（Local Oxidation of Silicon）是集成电路中最经典的隔离技术，其核心思想是：只在需要隔离的区域生长厚氧化层（场氧化层），而有源区则被掩蔽层保护，不发生氧化。整个流程可概括为以下 6 个关键步骤：

1. 初始氧化（Pad Oxide）：在硅衬底表面生长一层薄氧化层（约 10–20 nm），用于缓冲后续氮化硅与硅之间的应力。
2. 氮化硅沉积（Si₃N₄ Deposition）：通过 LPCVD 沉积一层致密的氮化硅薄膜（约 100–200 nm），作为主要的氧化阻挡层。
3. 光刻与刻蚀（Lithography & Etch）：使用光刻胶定义有源区图形，然后通过干法刻蚀去除场区上的氮化硅和垫氧化层，露出待氧化的硅表面。
4. 场氧化生长（Field Oxidation）：在高温（通常 950–1100°C）湿氧环境下，暴露的硅表面生长厚氧化层（典型厚度 300–800 nm）。
5. 氮化硅去除（Si₃N₄ Strip）：使用热磷酸（H₃PO₄）去除剩余的氮化硅掩蔽层。
6. 垫氧化层去除（Pad Oxide Strip）：使用稀 HF 溶液去除垫氧化层，露出清洁的有源区硅表面。

3.2 氮化硅掩蔽层的作用

氮化硅（Si₃N₄）是 LOCOS 工艺中最关键的功能层，其掩蔽作用直接决定了隔离效果的好坏。氮化硅在 LOCOS 中承担以下 4 项核心功能：

3.3 场氧化层生长机制

场氧化层（Field Oxide）的生长遵循经典的 Deal-Grove 模型，但由于 LOCOS 工艺中氧化剂只能从暴露的场区表面进入，且受到氮化硅边缘的横向扩散限制，其生长机制具有以下特点：

3.3.1 纵向生长（垂直方向）

• 反应控制阶段（初始阶段）：氧化剂（H₂O 或 O₂）与硅表面反应生成 SiO₂，反应速率受界面反应速率常数 k 控制。
• 扩散控制阶段（厚氧化层）：随着氧化层增厚，氧化剂必须穿过已生成的 SiO₂ 层才能到达 Si-SiO₂ 界面，生长速率受扩散系数 D 控制。
• 湿氧 vs 干氧：场氧化通常采用湿氧（H₂O + O₂），因为 H₂O 在 SiO₂ 中的扩散系数比 O₂ 高约 20 倍，生长速率更快。

3.3.2 横向生长与鸟嘴效应

在 LOCOS 工艺中，氧化剂不仅向下扩散，还会横向扩散到氮化硅边缘下方，导致氧化层在水平方向延伸，形成“鸟嘴”（Bird's Beak）结构。鸟嘴长度是 LOCOS 工艺的关键参数：

3.4 LOCOS 工艺的局限性

尽管 LOCOS 在 0.5 μm 以上工艺节点中广泛使用，但随着器件尺寸缩小，其固有缺陷逐渐凸显：

• 鸟嘴效应导致有源区损失：每侧 0.3–0.8 μm 的鸟嘴长度在深亚微米工艺中不可接受。
• 场氧化层厚度不均匀：氮化硅边缘的应力集中导致氧化速率局部变化。
• 表面平坦度差：场氧化层与有源区之间存在台阶高度差（约 0.3–0.8 μm），影响后续光刻聚焦。
• 高温工艺热预算高：场氧化通常在 1000°C 以上进行，对浅结器件不利。