LOCOS, kurz für (dt. »lokale Oxidation von Silicium«), ist in der Halbleitertechnik ein Verfahren zur elektrischen Isolation von Halbleiterbauelementen, beispielsweise Transistoren. Dafür wird der Silicium-Wafer an ausgewählten Stellen maskiert, das heißt mit einer strukturierten Schutzschicht versehen, und das freigelegte Silicium anschließend örtlich begrenzt oberflächennah bei hohen Temperaturen einer sauerstoffreichen Atmosphäre oxidiert, vgl. thermische Oxidation von Silicium. Auf diese Weise entsteht an der Substratoberfläche zwischen den elektrisch aktiven Siliciumgebieten für die Bauelemente ein elektrischer Isolationsbereich aus Siliciumdioxid.

Der LOCOS-Prozess war in der Halbleitertechnik lange Zeit das bevorzugte Verfahren für die Herstellung der genannten Isolationsbereiche. Da das Verfahren jedoch relativ platzintensiv ist und weitere Nachteile mit sich bringt (siehe unten), wurde es Mitte der 1990er Jahre in der industriellen Produktion von hochintegrierten Schaltkreisen, das heißt mit Strukturgrößen um 0,25 µm und kleiner, durch die sogenannte Grabenisolation abgelöst.

Hintergrund Isolation von Bauelementen Eine der Haupttriebkräfte der Mikroelektronik ist eine stetig steigende Integrationsdichte der aktiven Bauelemente auf einem Substrat, das heißt, sowohl die Bauelemente als auch die Räume dazwischen werden von Generation zu Generation kleiner. Diese zunehmende Verkleinerung führt neben herstellungsbedingten Problemen auch zu elektrischen Problemen, wie beispielsweise das Übersprechen von Signalen auf Leiterbahnen oder steigende Leckströme aufgrund des geringeren Isolationsabstandes. Diese Problematik hat in der Entwicklungsgeschichte zu verschiedenen Isolationstechniken und deren Anwendung bei integrierten Schaltungen geführt, wozu die LOCOS-Technik gehört.

Vor der Entwicklung der Planartechnik wurden Transistoren und Dioden üblicherweise als Mesabauelemente (vgl. Mesatransistor) gefertigt. Trotz der relativ weit voneinander entfernten und quasi freistehenden Bauelemente war schon damals die Reduzierung der relativ großen oberflächlichen Leckströme, beispielsweise verursacht durch Grenzflächenladungen, eine der wichtigen Herausforderungen. Bereits 1959 stellte eine Arbeitsgruppe um Martin M. Atalla eine Technik vor, bei der diese Leckströme durch ein direkt auf einem Silicium-Substrat thermisches gewachsenes Siliciumdioxid drastisch reduziert werden konnten. Dies bildete die Grundlage des heute als LOCOS-Prozess bekannten Verfahrens, das ab 1966 von E. Kooi am Philips Natuurkundig Laboratorium entwickelt wurde.

Der Planar- und der Planox-Prozess Die Entdeckung der (elektrischen) Oberflächenpassivierung führte wenige Jahre später zum industriellen Einsatz dieser Technik. Dabei wurde auf dem mittlerweile standardmäßig eingesetzten Siliciumsubstrat (Silicium-Wafer) ein ganzflächiges Feldoxid aufgebracht (thermische Oxidation). Um die gewünschten Transistor- und Diodenelemente zu fertigen, wurde das Siliciumdioxid anschließend an entsprechenden Stellen nasschemisch geätzt (strukturiert), so dass das Siliciumsubstrat für die Diffusion- oder Implantation-Prozesse zugänglich ist. Diese Vorgehensweise hat jedoch einige entscheidende Nachteile. An den bei der Strukturierung des Oxids entstehenden Stufen (damals im Bereich von 1,5 µm) kann sich beispielsweise Fotolack, der bei der fotolithografischen Strukturierung für nachfolgende Prozessschritte genutzt wird, ansammeln und so das Auflösungsvermögen verringern. Da das nasschemische Siliciumdioxidätzen ein isotroper Ätzprozess ist (die Ätzung ist in alle Raumrichtungen gleich) sind Lackmaskenanpassungen als Ausgleich für die Unterätzungen notwendig. Ein weiteres Problem ist die begrenzte Konformität der Metallisierung an den Stufenkanten. Dadurch treten Leiterbahneneinschnürungen auf und die damit verbundene lokale Erhöhung der Stromdichte führt zu Schäden und einer vorzeitigen Alterung durch Elektromigration – das bis zur Jahrtausendwende verwendete Leiterbahnmaterial Aluminium ist für Elektromigration relativ „anfällig“. Um die Packungsdichte der mikroelektronischen Schaltungen weiter zu erhöhen, also möglichst viele Bauelemente auf möglichst geringer Fläche unterzubringen, war es notwendig, eine möglichst glatte Topografie zu erreichen, das heißt, die Stufen und Unebenheiten zu vermeiden beziehungsweise zu reduzieren.

Eine erste Verbesserung zeigte der von F. Morandi 1969 vorgestellte „Planox“-Prozess. Dabei wurde bereits der Umstand ausgenutzt, dass eine Siliciumnitridschicht das darunter befindende Siliciumsubstrat vor der Oxidation schützt. Beim Planox-Prozess wurde daher zunächst eine Siliciumnitridschicht ganzflächig auf dem Siliciumwafer abgeschieden, anschließend fotolithografisch strukturiert und das Nitrid geätzt. Danach folgte die Oxidation des Wafers in einem Ofen, bis das Oxid in den unmaskierten Bereichen etwas über die Höhe der Nitridschicht gewachsen ist. Nun wurde das Nitrid mit heißer Phosphorsäure selektiv geätzt, um die Bereiche freizulegen, in denen sich später die aktiven Gebiete der Transistoren befinden. In einem zweiten Oxidationschritt wurde dieser Bereich auf das Niveau der Isolationsbereiche gebracht, dies ist möglich, da die Oxidschicht bei dünneren Schichtdicken deutlich schneller wächst. Mit diesem Prozess konnten Bauelemente hergestellt werden, bei denen das circa 2 µm dicke Oxid weitgehend im Siliciumsubstrat lag und die höchste Stufe nur ungefähr 0,5 µm betrug.

Dennoch brachte erst die 1970 von Appels et al. vorgestellte Technik der lokalen Oxidation von Silicium (LOCOS) den Durchbruch. Die LOCOS-Technik ist dem Planoxprozess sehr ähnlich und schafft diesen Einschränkungen des Planarprozesses Abhilfe, indem die Übergänge zwischen den Schichten weniger abrupt ausgeführt wurden.

Verfahren

Bei der LOCOS-Technik wird ein zur Planox-Technik entgegengesetzter Ablauf genutzt. Dabei werden die Bereiche freigelegt, in denen sich das spätere Isolationsoxid befinden soll. Als Maske für den strukturierten Oxidationsprozess dient eine Siliciumnitridschicht (Si3N4-Schicht), die mit den gewöhnlichen Ätztechniken strukturiert wird. Im Vergleich zu Silicium verläuft die Oxidation von Siliciumnitrid um einige Größenordnungen langsamer, so dass hier quasi keine Beeinflussung durch den Oxidationsprozess stattfindet. Die Hochtemperaturbelastung durch den Oxidationsprozess führt zu Verspannungen zwischen dem Siliciumsubstrat und der Siliciumnitridmaske, daher ist eine Zwischenschicht aus Siliciumoxid (Padoxid genannt) notwendig, um die Verspannungen zu entschärfen und so ein Abplatzen der Nitridschicht zu verhindern.

mini|hochkant=2|Prozessschritte der LOCOS-Technik

Ein typischer LOCOS-Prozess setzt sich aus den nachfolgenden Schritten zusammen: Vorbereitung der Siliciumsubstrate: Dazu zählt üblicherweise die Entfernung von Partikeln und organischen Verunreinigungen was beispielsweise durch eine RCA-Reinigung erfolgen kann. Abscheidung einer 10–20 nm dünnen Siliciumdioxidschicht: Sie dient als Puffer gegen mechanische Verspannungen. Diese treten zwischen dem Siliciumsubstrat und der Siliciumnitridschicht (Maske, siehe 3.) durch den höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der hohen Temperaturbelastung durch den thermischen Oxidationsprozess auf. Dies würde unter anderem zu Kristallbaufehlern führen. Die Oxidschicht wird daher Pad- oder Puffer-Oxid genannt und durch einen CVD-Prozess aus der Gasphase abgeschieden, oft ein TEOS-Oxid. Abscheidung einer 100–200 nm dicken Siliciumnitridschicht, die durch den Oxidationsprozess chemisch kaum beeinflusst wird und die maskierten Bereiche vor der Oxidation schützt. Die Herstellung erfolgt im Allgemeinen über einen LPCVD-Prozess. Fotolithografische Strukturierung und Ätzen der Nitrid- und Oxidschicht, so dass das Siliciumsubstrat für den Oxidationsprozess zugänglich ist Thermisches Aufwachsen von SiO2 auf Silicium in den nicht maskierten Bereichen. Die thermische Oxidation ist im engeren Maß keine Beschichtung, sondern eher eine Schichtmodifikation. Dabei reagiert Sauerstoff mit dem reinen Siliciumsubstrat zu Siliciumdioxid. Zwei Effekte sind wesentlich: zum einen wird dabei Silicium „verbraucht“, sodass die entstehende Oxidschicht zum Teil in den Bereich des Substrat wächst, zum anderen kommt es durch die starke Einlagerung von Sauerstoff und Kristallmodifizierung zu einem Volumenwachstum, sodass etwa 55 Prozent der gewünschten Oxidschichtdicke im vorherigen Siliciumsubstrat liegt. Ein weiterer Effekt ist die seitliche Sauerstoffdiffusion unter die nitridmaskierten Bereiche (vgl. Vogelschnabel). Entfernung der Nitridmaske durch nasschemisches Ätzen mit Phosphorsäure bei 150–175 °C. Anschließend kurzes Ätzen des Padoxids mit gepufferter HF-Lösung (engl. , BOE). Durch die Oxidätzung wird weiterhin der Übergang weiter eingeebnet und die Ausdehnung des Vogelschnabels verringert.

Vor- und Nachteile Im Vergleich zu der vorher eingesetzten Planox-Technik hat die LOCOS-Technik einige entscheidende Vorteile. Bei LOCOS werden die scharfen Kanten und Stufen in der Topografie der Oberfläche deutlich reduziert. Dies erlaubt einen verbesserten Fotolackauftrag in nachfolgenden Prozessen und eine bessere Konformität der metallischen Leiterbahnen, das heißt wesentlich geringere Einschnürungen der Leiterbahnen und somit eine geringere Gefahr von Verbindungsproblemen, keine lokalen Widerstandserhöhungen und eine geringe Elektromigrationsanfäligkeit. So konnten die minimal herstellbaren Strukturgrößen gegenüber der damals herkömmlichen Planartechnik bis circa 1 µm reduziert werden.

Durch das Wachstum des Oxids während der thermischen Oxidation in die Tiefe, ragt die isolierende Oxidbarriere deutlich in das Substrat, was das Übersprechen der benachbarten Transistoren behindert, das heißt, die elektrische Isolation der aktiven Bauelemente auf dem Substrat wird verbessert.

Nachteilig am LOCOS-Prozess sind die weiterhin nicht planare Topografie nach der Oxidation, die Ausbildung eines Übergangsbereichs vom oxidierten zum nichtoxidierten Bereich, dem sogenannten Vogelschnabel, und die Abscheidung einer Siliciumnitridschicht an der Grenzfläche zum Siliciumsubstrat, der White-Ribbon-Effekt. Vor allem der entstehende Vogelschnabel begrenzt die praktisch erreichbare Integrationsdichte der Bauelemente und die nicht planare Topografie erschwert die nachfolgenden Fotolithografieschritte, da sie den gleichmäßigen Auftrag von Fotolack behindert und den für die Belichtung notwendigen Fokus lokal ändert. Unter anderem aus diesen Gründen wurden zahlreiche Weiterentwicklungen des ursprünglichen LOCOS-Prozesses in der Industrie entwickelt, die die parasitären Effekte verringern und eine höhere Integration der Schaltkreise ermöglichen, siehe Abschnitt Weiterentwicklungen. Einige dieser Techniken sind jedoch deutlich komplexer und so mit kostenintensiver, zudem können sie die Nachteile nur abmildern und nicht ganz entfernen. Deshalb setzte sich in den 1990er-Jahren eine alternative Technik durch, die Grabenisolation (engl. , STI, oder engl. ). Dabei werden tiefengeätzte Gräben durch Abscheiden aus der Gasphase mit Siliciumoxid aufgefüllt (typischerweise TEOS- oder HDP-SiO2-CVD). Dies ist mit dem thermischen Oxid der LOCOS-Technik nicht möglich, da die Volumenänderung während des Oxidwachstums zu hohe mechanische Spannungen im Graben erzeugt und zu Defekten führt. Die Grabenisolation erlaubt im Vergleich zu LOCOS-Technik eine deutlich bessere seitliche Isolation (auch in tiefere Regionen) und ist zudem noch platzsparender herzustellen, was wiederum eine höhere Packungsdichte ermöglicht.

Vogelschnabel mini|Vogelschnabel nach einem normalen LOCOS-Prozess