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硅的本地氧化(LOCOS)

称为硅的本地氧化(LOCOS)的技术能实现厚氧化层选择性生长。(8 “LOCUS: A New I.C. Technology,” Microelectronics and Reliability, Vol. 10,1971, pp.471-472)这个工艺开始于薄pad oxide的生长,它能保护硅表面不受接下来的机械压力影响。(图2.14)。化学气相沉积在pad oxide的顶部产生一层氮化膜。这个氮化物被蚀刻后使该区域选择性的氧化。氮化物阻碍了氧和水分子的扩散,所以只在氮化物开口处有氧化。有些氧化剂能扩散到氮化物边缘下的一小段距离,产生了一个弯曲的过渡区域,叫做bird’s beak。(9 E.Bassous, H.N.Yu, and V.Maniscalco, “Topology of Silicon Structures with Recessed SiO2,” J.Electrochem. Soc, Vol. 123, #11,1976, pp.1729-1737.)一旦氧化结束,氮化层就被洗掉露出蚀刻后的氧化物。

图2.14 硅的本地氧化(LOCOS)工艺。

CMOS和BiCMOS工艺用LOCOS在wafer的电惰性区域上生长厚field oxide。Field oxide没有覆盖的区域叫做moat区,因为他们在wafer上形成浅沟。后来在moat区生长的非常薄的高质量的gate oxide会成为MOS晶体管的gate电介质。

叫做Kooi effect的机制使gate oxide的生长变得复杂。(10 E.Kooi, J.G. van Lierop, and J.A.Appels, “Formation of Silicon Nitride at a Si-SiO2 Interface during Local Oxidation of Silicon and during Heat-Treatment of Oxidized Silicon in NH3 Gas,” J. Electrochem. Soc., Vol. 123, #7, 1976, pp.1117-1120.)通常LOCOS氧化中使用的水蒸气也会影响氮化物薄膜表面,产生氨水,其中的一些又会迁移到靠近pad oxide的氮化物开口附近。在那里他们和底下的硅反应形成氮化硅(图2.15)。由于这些氮化沉积物处于pad oxide的下面,即使LOCOS氮化物被去除了他们仍旧还存在。即使在gate oxide生长之前去除pad oxide也不能去掉这些沉积物,因为蚀刻是对氧化物选择性的,而不是对氮化物。在gate氧化期间,残留的氮化物的作用就好像无意的LOCOS mask,降低了moat区边缘的氧化生长。在这些点的gate oxide可能不够厚来承受全工作电压。先生长一薄层氧化层再去除就能避免Kooi effect。因为氮化硅氧化缓慢,这个dummy gate oxidation 去掉了残留的氮化物并立刻提高了后来的真正的gate oxide生长的完整性。


图2.15 在bird's beak(A)下生长的氮化物引起的Kooi effect,在接下来的氧化中防止gate oxide的形成(B)。



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