4. LOCOS 工艺步骤详解

LOCOS（Local Oxidation of Silicon，硅局部氧化）是传统集成电路隔离技术中最具代表性的工艺。其核心思想是利用氮化硅（Si₃N₄）作为氧化阻挡层，仅在未覆盖氮化硅的区域生长场氧化层（Field Oxide，FOX），从而实现有源区与隔离区的选择性氧化。本章将按工艺顺序，逐一拆解 LOCOS 的五个关键步骤：初始氧化、氮化硅沉积、光刻与刻蚀、场氧化、氮化硅去除。

4.1 初始氧化（Pad Oxide Growth）

在沉积氮化硅之前，首先需要在硅衬底表面生长一层薄薄的二氧化硅（SiO₂）薄膜，称为垫氧化层（Pad Oxide）或缓冲氧化层。

• 目的：缓解氮化硅与硅衬底之间的机械应力。氮化硅薄膜具有很高的张应力，直接沉积在硅表面会导致硅衬底产生大量位错和缺陷，严重影响器件性能。垫氧化层作为应力缓冲层，能有效吸收应力。
• 典型厚度：10 nm ~ 50 nm。
• 生长方式：通常采用干氧氧化或湿氧氧化，温度在 850°C ~ 950°C 之间。
• 质量要求：薄膜必须致密、均匀、无针孔，否则后续氮化硅沉积时可能产生应力集中点。

4.2 氮化硅沉积（Silicon Nitride Deposition）

在垫氧化层之上，通过低压化学气相沉积（LPCVD）工艺沉积一层致密的氮化硅薄膜。氮化硅是 LOCOS 工艺中关键的氧化阻挡层。

• 目的：在后续高温场氧化过程中，阻挡氧原子扩散进入下方的硅衬底，从而防止有源区被氧化。
• 典型厚度：100 nm ~ 200 nm。
• 沉积条件：LPCVD 反应气体为二氯硅烷（SiH₂Cl₂）和氨气（NH₃），温度约 700°C ~ 800°C，压力 0.1 ~ 1 Torr。
• 薄膜特性：高硬度、高张应力、对氧扩散具有极佳的阻挡能力。

4.3 光刻与刻蚀（Lithography & Etching）

通过光刻工艺定义出有源区（Active Area）和隔离区（Field Area）的图形，然后利用刻蚀工艺将隔离区上的氮化硅和垫氧化层去除，暴露出硅衬底表面。

1. 涂胶与曝光：在氮化硅表面涂覆光刻胶，使用隔离区掩模版进行紫外线曝光，显影后光刻胶图形转移到晶圆表面。
2. 氮化硅刻蚀：采用干法刻蚀（如等离子体刻蚀，使用 CF₄/O₂ 或 SF₆ 气体）去除暴露区域的氮化硅。刻蚀终点检测至关重要，需精确停止在垫氧化层上，避免损伤下方硅衬底。
3. 垫氧化层刻蚀：使用湿法刻蚀（稀释氢氟酸，DHF）或干法刻蚀去除暴露的垫氧化层，露出清洁的硅表面。
4. 光刻胶去除：通过灰化（O₂ Plasma）和湿法清洗去除剩余光刻胶。

4.4 场氧化（Field Oxidation）

这是 LOCOS 工艺的核心步骤。将刻蚀后的晶圆放入高温氧化炉中，在暴露的硅表面生长厚的场氧化层。

• 氧化条件：通常采用湿氧氧化（H₂O 气氛），温度 950°C ~ 1100°C，氧化时间数小时。
• 场氧化层厚度：300 nm ~ 600 nm，具体取决于隔离电压要求。
• 氧化机制：氧原子（或水分子）扩散通过已生长的氧化层，到达 Si-SiO₂ 界面与硅反应，生成新的 SiO₂。由于氮化硅的阻挡作用，有源区下方的硅不会被氧化。
• 鸟嘴效应（Bird's Beak Effect）：氧原子会从隔离区边缘横向扩散，在氮化硅边缘下方“钻入”，形成类似鸟嘴形状的薄氧化层延伸。这是 LOCOS 工艺固有的缺点，会导致有源区面积缩小。

4.5 氮化硅去除（Nitride Strip）

场氧化完成后，需要将覆盖在有源区上的氮化硅和垫氧化层完全去除，暴露出清洁的硅表面，以便后续进行栅氧化层生长、多晶硅沉积等工艺。

• 氮化硅去除方法：通常采用热磷酸（H₃PO₄，浓度 85%，温度 150°C ~ 180°C）湿法腐蚀。热磷酸对氮化硅具有很高的腐蚀速率，同时对二氧化硅和硅的腐蚀速率极低，选择性好。
• 垫氧化层去除：氮化硅去除后，暴露出的垫氧化层通常使用稀释氢氟酸（DHF）快速去除。
• 清洗：最后进行标准 RCA 清洗，去除表面残留的有机物和金属离子污染。

4.6 LOCOS 工艺步骤总结

下表汇总了 LOCOS 工艺五个核心步骤的目的、关键参数及注意事项，便于快速回顾。