半导体隔离技术的演进是推动集成电路性能提升的关键因素之一。下面将从局部氧化隔离（LOCOS）到浅沟槽隔离（STI）及其优化、应变硅技术、应变工程优化，以及 STI 尺寸微缩进行详细解析。
1.局部氧化隔离（LOCOS）
LOCOS 通过在硅表面选择性生长二氧化硅（SiO₂）实现器件隔离。具体流程为在硅衬底上沉积氮化硅（Si₃N₄）作为掩膜，高温氧化（约 1000°C）未被覆盖的区域形成氧化层。氮化硅的边缘效应导致氧气横向扩散，在氮化硅下方形成 “鸟嘴” 状氧化层，即鸟嘴效应。
然而，LOCOS 存在诸多挑战与限制。鸟嘴效应使得氧化层横向扩展，导致隔离区域面积增加，限制了器件密度，例如在 0.25μm 工艺中，鸟嘴宽度可达 0.2μm ；同时，氧化层凸起导致表面不平坦，增加了后续光刻等工艺难度；此外，氮化硅与硅的热膨胀系数差异可能引入应力，影响器件可靠性。
2.浅沟槽隔离（STI）
STI 通过刻蚀沟槽并填充氧化硅实现隔离，有效减少了鸟嘴效应。其典型工艺步骤包括：首先使用光刻和干法刻蚀在硅中形成沟槽，深度通常为 0.3 – 0.5μm，宽度 0.01 – 0.05μm，深宽比可达 5:1 ；然后采用化学气相沉积（CVD）填充氧化硅，再通过化学机械抛光（CMP）实现表面平坦化。
相较于 LOCOS，STI 具有显著优势。它无鸟嘴效应，边界清晰，适合纳米级工艺，在 22nm 节点，STI 宽度可缩小至 30nm 以下；CMP 工艺确保了表面平坦性，提升了后续光刻和金属互连的精度；并且与 FinFET、纳米片等三维结构兼容。在关键技术方面，使用氮化硅作为硬掩模可提高刻蚀选择性和沟槽垂直度；高密度等离子体（HDP）CVD 技术能有效填充高深宽比沟槽，减少空洞缺陷。
3.STI 优化
在材料与工艺改进上，多种技术被应用。在沟槽侧壁注入氮离子形成氮化硅阻挡层（3 – 10nm），防止有源区掺杂离子扩散至隔离区，同时抑制 “hump 效应”（栅介质层局部变薄导致的漏电流）；对沟槽底部硅进行离子注入（如 Si、Ge）形成非晶化区，提高刻蚀选择性，增加沟槽深度（可达 0.7μm），提升隔离性能；在纳米片结构中，采用低热工艺和 STI 衬里（如氧化硅）抑制鳍片变形，改善器件直流和交流性能。
CMP 抛光液的技术进步也至关重要，氧化铈磨料等的应用提升了沟槽平坦化质量，减少表面缺陷。2025 年行业报告显示，STI 抛光液市场需求随集成电路产能扩张持续增长，本土企业如赢晟新材逐步实现技术突破。
应变硅在实际应用中成果显著。在 FinFET 中，用于提升沟道载流子迁移率，在 22nm 及以下节点广泛应用，如英特尔 22nm 工艺中，应变硅使 NMOS 驱动电流提高 35%；在垂直器件领域，应变硅结合 EUV 光刻可实现垂直 SRAM 阵列的高密度集成。
源漏嵌入SiC应变技术
源漏区嵌入SiC应变技术被广泛用于提高90nm及以下工艺制程NMOS的速度，它是通过外延生长技术在源漏嵌入SiC应变材料，利用硅和碳晶格常数不同，从而对沟道和衬底硅产生应力，改变硅导带的能带结构，从而降低电子的电导有效质量和散射概率。
选择性外延：源漏嵌入SiC应变材料是选择外延（SelectiveEpitaxial Growth，SEG）技术。选择外延技术是利用外延生长的基本原理，以及硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的特定区域生长外延层而其他区域不生长的技术。外延生长的基本原理是根据硅在SiO2上核化的可能性最小，在Si3N4上比在SiO2上大一点，在硅上可能性最大的特性完成的。这是因为在硅衬底上外延生长硅层是同质外延，而在SiO2和Si3N4上是异质外延，所以落在绝缘体上的原子因不易成核而迁移到更易成核的硅单晶区内。
技术难点：SiC应变材料外延生长工艺的选择性比较差，它在源漏凹槽衬底生长的同时，也会在氧化物等非单晶区域上生长，例如在侧壁和STI上生长。可以通过CVD淀积和湿法刻蚀技术，进行多次淀积和多次刻蚀的方式来改善外延生长SiC应变材料，因为利用CVD工艺可以在单晶硅衬底获得单晶态的SiC薄膜，而在氧化物等非单晶区域上得到非晶态的SiC薄膜，由于非晶态的SiC薄膜具有较高的刻蚀率，所以可以通过多次淀积和多次刻蚀循环在源漏单晶硅衬底上选择性生长出一定厚度的单晶态SiC薄膜。
热稳定性差：另外，SiC应变材料在高温热退火的热稳定性比较差，在大于900℃的高温热退火中，SiC应变材料中的部分碳原子会离开替位晶格的位置，一旦替位碳原子离开替位晶格，应力就会失去，离开的碳原子的数量与高温热退火的时间成正比。所以在SiC应变材料薄膜形成后，必须严格控制高温退火的时间，而先进的毫秒退火工艺可以改善这一问题。
SIC外延工艺流程：
NMOS源漏凹槽硅衬底外延生长应变SiC
源漏嵌入SiGe应变技术
与通过源漏嵌入SiC应变材料来提高NMOS的速度类似，通过源漏嵌入SiGe应变材料可以提高PMOS的速度。源漏嵌入SiGe应变技术被广泛用于提高90nm及以下工艺制程PMOS的速度。它是通过外延生长技术在源漏嵌入SiGe应变材料，利用锗和硅晶格常数不同，从而对衬底硅产生应力，改变硅价带的能带结构，降低空穴的电导有效质量。
工艺性能特征：源漏嵌入SiGe应变材料也是利用选择性外延技术生长的。源漏嵌入SiGe应变材料的工艺的硅源有SiCl4，SiHCl3，SiH2Cl3和SiH4，锗源有GeH4，硅源中的氯原子（或者HCl）可以提高原子的活性，氯原子的数目越多，选择性越好，这是因为氯可以抑制Si在气相中和掩膜层表面成核。锗含量是SiGe应变材料外延工艺的一个重要参数，锗的含量越高，应力越大。但是，锗含量过高容易造成位错，反而降低了应力的效果。
工艺流程：
5.应变工程优化
应力记忆技术（Stress MemorizationTechnique，SMT），是一种利用覆盖层Si3N4单轴张应力提高90nm及以下工艺制程中NMOS速度的应变硅技术。淀积覆盖层Si3N4薄膜后，通过高温退火把应力传递给源漏和栅极，再通过它们把应力传递到沟道，同时应力会被它们记忆，然后通常酸槽去除应力覆盖层Si3N4薄膜，完成工艺制程后器件表面不会再有覆盖层Si3N4薄膜。
SMT对PMOS负作用：SMT的单轴张应力在提高NMOS速度的同时会降低PMOS的速度。为了避免SMT影响PMOS的速度，在淀积覆盖层Si3N4后，额外增加一次光刻和刻蚀去除PMOS区域的覆盖层Si3N4，再进行高温退火。
SMT工艺流程：SMT是在完成侧墙和源漏离子注入后，通过PECVD淀积一层高应力的覆盖层Si3N4，然后通过一次光刻和干法刻蚀的工艺去除PMOS区域的覆盖层Si3N4，再通过高温退火过程。在SMT中，高温退火过程是关键，因为纳米级别的器件对热量的预算是非常敏感的，所以高温退火工艺必须采用工艺时间非常短，并且能精确控制工艺时间的快速热退火技术或者毫秒退火技术。高温退火后，再利用磷酸将Si3N4全部去除。
SMT的工艺流程
在 PMOS 源漏区外延生长 SiGe，即嵌入式 SiGe 源漏技术，利用锗的晶格膨胀对沟道施加压应力，使空穴迁移率提升 20% 以上。例如在 28nm 工艺中，嵌入式 SiGe 使 PMOS 性能提升 15%。
在 FinFET 和纳米片结构中，通过多晶硅栅极、侧墙和应力膜的协同设计，实现三维应力分布优化，进一步提升器件速度。
6.STI 尺寸微缩
随着技术发展，STI 尺寸微缩面临诸多挑战。在光刻精度方面，3nm 节点需极紫外（EUV）光刻实现特征尺寸（如沟槽宽度）的精确控制，三星 5nm 工艺中采用 SAQP 技术结合 EUV 形成 27nm 鳍间距；当沟槽深宽比超过 10:1 时，传统 CVD 工艺易产生空洞，原子层沉积（ALD）和高纵横比处理（HARP）技术成为解决高深宽比填充问题的方案；材料选择上，高 k 介质（如氧化铪）和金属填充（如钨）用于提升隔离性能和可靠性。
目前也取得了一些最新进展。IMEC 在 3nm 以下节点采用浅沟槽隔离衬里和低热工艺，保持纳米片形状，提升器件性能；空气隔离技术通过去除部分氧化硅形成空气间隙，降低寄生电容，但工艺复杂度较高，仍处于研发阶段。
7.未来趋势
未来，半导体隔离技术将朝着三维集成方向发展，结合3D封装和垂直器件（如 CFET），进一步提升集成度和性能；新材料如二维材料（石墨烯）和宽禁带半导体（GaN）的应用，可能带来隔离技术的革新；同时，AI 驱动的 CMP 抛光和缺陷检测技术将优化 STI 制造流程，实现智能化工艺。
半导体隔离技术从 LOCOS 到 STI，通过材料创新、工艺优化和结构设计不断突破物理极限。应变工程和 STI 尺寸微缩进一步推动了器件性能提升，而 3D 集成和新材料的应用将为下一代半导体技术奠定基础。这些技术的演进不仅是工艺的进步，更是集成电路持续遵循摩尔定律的关键支撑。
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