淺溝槽隔離（STI）是什麼？電晶體之間怎麼隔開

淺溝槽隔離（STI，shallow trench isolation）是在晶圓表面、每顆電晶體之間挖一條淺淺的溝，再填滿不導電的氧化物，讓電晶體彼此隔開的做法。它是「元件隔離」的一種，也是在矽上做電晶體的第一步：先把每一顆的位置圍好，後面的步驟才做得進去。

這篇把「一顆電晶體是怎麼做出來的？」的第 1 步拆開來看。

電晶體之間為什麼要隔開？

晶片上的電晶體一顆挨著一顆，每一顆都是用電控制的小開關（見「電晶體是什麼？」），而且全都做在同一片矽上。矽是半導體，不是完全不導電（見「半導體是什麼？」）。兩顆之間沒有東西擋著，電就可能經過旁邊的矽，溜到隔壁那一顆。

結果是隔壁的電晶體互相漏電、互相干擾，該關的關不乾淨。這也是漏電的一種，漏電為什麼讓晶片一直耗電，見「晶片為什麼會耗電？」。

所以每顆電晶體坐的那一小塊矽，四周都要圍一道絕緣的牆。留下來做電晶體的那一塊叫「主動區」，旁邊的牆就是隔離。

以前怎麼隔？局部氧化（LOCOS）和「鳥嘴」

以前常用局部氧化（LOCOS）：用氮化矽蓋住要留下的地方，把露出來的矽送進爐管，直接氧化成厚厚的一層當牆（熱氧化是什麼，見「爐管在做什麼？」）。可是氧會從氮化矽的邊緣底下往旁邊鑽，牆的邊緣長成尖尖的一片，像鳥嘴，伸進旁邊要做電晶體的地方。鳥嘴很難跟著電晶體一起縮小，電晶體越小，被它佔掉的比例越大，表面也不平，所以後來改成直接挖溝、填氧化物。

淺溝槽隔離怎麼做？一步一步看

下面是教科書和大學講義上常見的順序，簡化過；真正的流程還夾著好幾次清洗和量測。

第 1 步：長一層墊氧化層，再蓋一層氮化矽

• 做什麼：晶圓洗乾淨後進爐管，讓矽表面長一層很薄的氧化層，叫「墊氧化層」；再用薄膜機台蓋一層很硬的氮化矽。
• 為什麼：氮化矽是這一整段的護具：挖溝時蓋住不挖的地方，磨平時是停下來的那一層。墊氧化層夾在中間當緩衝，因為氮化矽直接貼在矽上，會把矽拉傷。
• 不這樣會怎樣：沒有氮化矽，蝕刻和磨平都沒有東西擋、停不住；少了墊氧化層，矽的表面會留下缺陷，偏偏電晶體就做在這層表面上。

第 2 步：微影，印出哪裡要留、哪裡要挖

• 做什麼：在黃光區塗光阻、隔著光罩曝光、顯影，把主動區的形狀印在光阻上：蓋著的地方留下來做電晶體，露出來的地方要挖成溝。
• 為什麼：這是整顆晶片的第一層圖案，下面還沒有東西可以對；從這一層開始，後面的層才有東西可以對（疊對）。
• 不這樣會怎樣：印歪、印糊，主動區的大小和位置就錯了；好在光阻印壞了還能洗掉重印（見「微影（黃光）是什麼？」）。

第 3 步：蝕刻，挖出淺溝

• 做什麼：用電漿照著光阻的圖案往下刻：先穿過氮化矽和墊氧化層，再挖進矽裡，挖出一條條淺溝（見「蝕刻是什麼？」）。
• 為什麼：溝就是牆的模子，挖成什麼樣，牆就是什麼樣。溝壁通常故意帶一點點斜，之後比較好填；溝的角也不能太尖。
• 不這樣會怎樣：深淺不一，牆就有高有低；線排得密的地方，常常挖得比較慢、比較淺。所以會切開一片陪著跑的測試片，看溝的形狀。

第 4 步：溝壁長一層薄氧化，修補、讓角變圓

• 做什麼：去掉光阻、洗乾淨，再進爐管，讓溝壁和溝底露出來的矽長一層很薄的氧化層，叫「內襯」。
• 為什麼：剛被電漿打過的矽表面有損傷，長一層氧化能修補它，讓矽和氧化物的交界整齊；溝口的尖角也會被氧化得圓一點。
• 不這樣會怎樣：損傷留著會漏電；尖角那裡的電特別集中，之後長在上面的閘極絕緣層也容易變薄，電晶體的邊角就容易漏電。

第 5 步：用氧化物把溝填滿

• 做什麼：用化學氣相沉積（CVD）把二氧化矽填進溝裡，而且故意長得比溝還厚，整片蓋過去（見「薄膜製程是什麼？」）。
• 為什麼：溝要從底到頂塞滿不導電的東西，牆才完整；多長的那一層，留給下一步磨平。
• 不這樣會怎樣：溝口要是先被封住，裡面就留下一個空洞，牆裡等於破了一個洞；溝越窄、越深，越難填滿。

第 6 步：CMP 磨平，磨到氮化矽就停

• 做什麼：用 CMP 把溝外多的氧化物磨掉，磨到氮化矽露出來就停。氮化矽比氧化物難磨，一磨到它，研磨的力道、反射的光就跟著變，機台由此知道「到了」（見「終點偵測是什麼？」）。
• 為什麼：表面要平，下一層才印得清楚；氮化矽上面也要清乾淨，下一步才剝得掉。
• 不這樣會怎樣：磨太少，氮化矽上還蓋著一層薄薄的氧化物，下一步剝不乾淨；磨太多，寬的溝中間會凹下去，像淺盤子，叫碟形凹陷。所以常照設定再多磨一下，在兩者之間取捨（見「CMP 是什麼？」）。

第 7 步：剝掉氮化矽和墊氧化層

• 做什麼：泡加熱過的磷酸（熱磷酸），它會溶掉氮化矽，卻幾乎不碰氧化物；再泡稀釋的氫氟酸，去掉墊氧化層。
• 為什麼：氮化矽和墊氧化層只是這一段的工具，用完就拿掉，露出乾淨的矽，後面才能做電晶體。
• 不這樣會怎樣：氮化矽留著，那一塊的電晶體就做不好；氫氟酸也會吃掉一點溝裡的氧化物，泡太多次，牆就低過矽的表面，所以每一次吃掉多少，都要事先算進去。

做完長什麼樣子？接下來做什麼？

剝完之後，矽的表面是一塊一塊的島，每一塊是一個主動區，四周圍著填滿氧化物的溝，整片大致是平的。

接下來，才在這些島裡打進原子做井，再做閘極、源極和汲極，最後接上導線。下面這張圖的第一格，就是這篇講的隔離。

在 fab24hr 裡

主線「晶片的一生」第 2 章「一站一站」，做的大多是淺溝槽隔離。投片後的頭五天，你是研發整合工程師，跟著虛構的助聽器晶片「螢火」第一批 12 片走研發線：清洗、在爐管長墊氧化層、量監控片、長氮化矽、印第一層圖案、蝕刻挖溝，第 4 天在 CMP-R1 看研磨台的力道找終點。

磨到氮化矽之後，你要選：照配方再多磨一下，寬的溝會凹下去一點點；一碰到就停，第 5 天用熱磷酸剝氮化矽時有幾處剝不掉，要先泡稀氫氟酸再剝一次。剝完氮化矽，接著就是打井。

遊戲把這一段排成五天，挖溝之後的清洗、內襯和填溝用旁白帶過，也沒有演剝墊氧化層那一步。遊戲裡的公司、晶片、人物、機台和數字都是虛構的；每一步照公開的一般資料寫，也是簡化過的。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。