Die LOCOS-Technik

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  • Die LOCOS-Technik

    Die für die Halbleiterbauelemente benötigten Oxidschichten, werden in der Planartechnik mit oben beschriebenen Techniken zunächst flächendeckend aufgetragen und danach mit litographischen Verfahren strukturiert (genauer erläutert in link Strukturierung). Die an den einzelnen Schichten entstehenden Übergangskanten setzen der Miniaturisierung der dadurch realisierten Schaltungen jedoch Grenzen. Zum einen sammelt sich nämlich an diesen Kanten verstärkt der Fotolack an, so dass die Auflösung des Strukturierungsverfahrens reduziert wird. Zudem können die über solchen scharfen Übergängen aufgebrachten Metallkontakte nicht beliebig verkleinert werden, da diese dort eine geringe Dicke aufweisen, die mit der resultierenden erhöhten Stromdichte eine schnellere Abnutzung bedeutet.

    Die LOCOS-Technik (LOCOS steht für Local Oxidation of Silicon) soll diesen Einschränkungen der Planartechnik auf dem Weg zu kompakteren Schaltungsstrukturen Abhilfe verschaffen, indem die Übergänge zwischen den Schichten weniger abrupt ausgeführt werden.

    In der LOCOS-Technik werden die Bereiche, die von der Oxidation ausgespart werden sollen mit einer Siliziumnitridschicht belegt, die mit den gewöhnlichen Ätztechniken strukturiert wird. Auf diesem Material verläuft eine Oxidablagerung im Vergleich zum Siliziumsubstrat nur sehr langsam. Eine Zwischenschicht aus Siliziumoxid (Padoxid genannt) soll die bei der folgenden Hochtemperaturbelastung auftretenden Verspannungen zwischen dem Wafer und der harten Nitridschicht entschärfen (dargestellt in Abb. 27)

    Abb. 27: 1. Schritt der LOCOS-Technik ist das Aufbringen einer Siliziumnitridschicht, auf der sich Oxid nur sehr langsam ablagern kann

    Bei dem nun durchgeführten thermischen Oxidationsprozess wächst das Oxid überwiegend auf den freien Stellen des Substrats auf. Jedoch erweitert sich die Padoxidschicht durch geringfügige Sauerstoffdiffusion von den Rändern her. So entsteht eine Oxidstruktur, deren Rand in einem Bereich von bis zu 1 m langsam unter der Nitridschicht ausläuft. Dieser wird aufgrund seines Profils Vogelschnabel (englisch “Birds beak”) genannt wird. (Siehe Abb. 28)

    Abb. 28: Die erzeugte Oxidstruktur mit weichen Übergängen

    Im Folgenden wird dann die Nitridschicht mit Phosphorsäure bei 156°C entfernt. Außerdem wird die Oxidschichtdicke durch Ätzen etwas reduziert, wodurch der Übergang weiter eingeebnet und die Ausdehnung des Vogelschnabels geringer wird. Es verbleibt eine Oxidstruktur die z.B. zur Isolierung angrenzender Schaltungselemente dienen kann. Die erzielte geringe Ausdehnung von 1 m ist mit Strukturierungsmethoden in der herkömmlichen Planartechnik nicht realisierbar. Nun sind scharfe Kanten vermieden, so dass in Folgeschritten Fotolack gleichmäßig aufgetragen werden kann und Metallstrukturen nicht eingeschnürt werden.

    Nachteilige Effekte ergeben sich mit dem hier in der Regel angewendeten nassen Oxidationsverfahrens. Der Grund dafür ist, dass sich an der Nitridschicht mit dem vom Rand her eindiffundierenden Wasserstoff Ammoniak bildet, der durch das Padoxid zur Waferoberfläche gelangen kann. Daher sammelt sich im auslaufenden Gebiet des Vogelschnabels Nitrid an der Grenzfläche zum Siliziumsubstrat an. Diese Nitrid-Ansammlung muss vor einem folgenden Oxidationsschritt entfernt werden, da sie das Oxidwachstum stark verlangsamt. Das beschriebene Phänomen bezeichnet man als den White Ribbon- oder Kooi-Effekt.