晶圓制造中的“鳥喙效應”（bird beak）

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-08-16 10:11:40 720

集成電路采用LOCOS（Local Oxidation of Silicon）工藝時會出現“鳥喙效應”（bird beak），這是一種在氧化硅生長過程中，由于氧化物側向擴展引起的現象。

1. LOCOS工藝的基本步驟

圖形化工藝：在硅片上使用光刻技術定義需要氧化的區域。

硝化硅層沉積：在硅片表面沉積一層氮化硅（Si3N4），作為氧化掩膜。

氧化過程：在高溫下通入氧氣或水蒸氣，使暴露的硅區域氧化，形成二氧化硅（SiO2）。

去除掩膜：去除氮化硅層，留下氧化區域。

2. “鳥喙效應”的形成原因

“鳥喙效應”主要在氧化過程中形成，其原因可以分解為以下幾個方面：

a. 氧化物的側向擴展：在LOCOS工藝中，氧化不僅向垂直方向（向下）生長，還會向水平方向（側向）擴展。由于氮化硅層在氧化過程中起到掩膜的作用，但其邊緣部分仍然會受到氧化介質的影響，這導致了氧化物在氮化硅邊緣下方的生長，從而形成“鳥喙”。

b. 氧化應力：在氧化過程中，硅和二氧化硅之間的體積膨脹差異會產生應力。硅氧化生成二氧化硅時，體積會增加約2.2倍，這種體積膨脹導致了氧化物在邊緣區域的應力集中，從而促使氧化物向側向擴展。

c. 氮化硅邊緣效應：氮化硅在LOCOS工藝中的作用是阻止氧氣或水蒸氣滲透，但在氮化硅邊緣附近，氮化硅的覆蓋效果會有所減弱，部分氧氣或水蒸氣可以通過氮化硅的邊緣滲透到硅表面，引發邊緣硅的氧化。這種邊緣效應導致了氧化物的側向生長，從而形成鳥喙狀的結構。

3. “鳥喙效應”的影響：“鳥喙效應”會導致LOCOS工藝中氧化層的精度降低，影響器件的特性，尤其在小尺寸器件中更為顯著。為了減小“鳥喙效應”，通常會采取以下措施：

改進掩膜材料：使用更有效的掩膜材料以減少邊緣滲透。

優化工藝參數：通過控制氧化溫度、時間和氣氛等參數來減少側向擴展。

使用替代技術：例如采用淺溝槽隔離（Shallow Trench Isolation, STI）技術，避免鳥喙效應的影響。

從技術角度看，“鳥喙效應”是由于LOCOS工藝中氧化物的側向擴展和氮化硅掩膜的邊緣效應所導致。通過對工藝參數和材料的優化，可以減小這種效應，但在現代微電子制造中，替代技術（如STI）已經逐漸取代了LOCOS工藝，以提高器件的集成度和性能。

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