前期博文：科学网—[转载]CMOS 工艺-STI - 黄振鹏的博文

下图，浅槽隔离工艺的最后一步化学机械抛光（CMP），以建立适合进一步加工的光滑、平坦的表面。氮化硅层充当“停止层”，并防止浅槽中氧化物被过度去除。在 CMP 之后，在 140°C 下使用磷酸去除剩余的氮化硅，并使用氢氟酸去除衬垫层，最后使用干热氧化工艺在暴露的硅表面上生长出一层新的氧化物。

该研究探讨了化学机械抛光（CMP）过程中 CeO₂磨料尺寸对浅沟槽隔离（STI）结构中氧化硅膜凹陷和台阶高度减少的影响。通过使用三种不同粒径的 CeO₂浆料（45 nm、175 nm、225 nm），分析了抛光时间与台阶高度、凹陷量的关系，并建立了基于磨料尺寸的模型。研究发现，小粒径磨料因易被困在沟槽中导致初期去除率低，而大粒径磨料虽初期去除率高，但过抛光时凹陷更严重。该研究为 STI-CMP 工艺中通过优化磨料尺寸提升平坦化效率和减少缺陷提供了理论依据。

研究背景：浅沟槽隔离（STI）是超大规模集成电路（ULSI）的关键技术，用于提高器件密度和隔离性能。

CMP 挑战：STI-CMP 过程中常出现氧化硅残留、侵蚀和凹陷（Dishing），影响器件性能。

现有研究局限：此前研究多关注抛光垫、压力和浆料选择性，而磨料尺寸对台阶高度和凹陷的影响尚未明确。

关键结果

1. 台阶高度变化：

• 初始去除率随磨料粒径增大而增加（浆料 C > B > A）。

• 小粒径磨料（如浆料 A）因易被困在沟槽中，初期去除率低，需更长时间过渡到快速去除阶段。

2. 凹陷量与过抛光时间：

• 凹陷量随过抛光时间延长而增加，且大粒径磨料（浆料 C）导致更严重的凹陷。

• 机制：大颗粒穿透更深，加剧氧化硅的非均匀去除。

3. 粗糙度与模型验证：

• 粗糙度与凹陷趋势一致，小粒径磨料因颗粒活性低，初期粗糙度较高。

• 提出 “活性颗粒模型”：磨料尺寸与剩余氧化层高度的相对关系决定颗粒是否参与抛光。

  4. 磨料尺寸的双重影响：

• 大粒径磨料：初期去除率高，但过抛光时凹陷严重。

• 小粒径磨料：初期去除率低，但凹陷控制更好。

• 实际应用价值：

• 为 STI-CMP 工艺优化提供指导，平衡去除效率与缺陷控制。

• 强调磨料尺寸是控制局部平坦化的关键参数。

磨料尺寸与台阶高度、凹陷量关系的理论模型，该模型通过实验现象（如台阶高度曲线、粗糙度变化）和物理机制（颗粒活性与尺寸的关系）进行解释，未涉及数学公式推导。

模型核心机制

1. 活性颗粒与非活性颗粒

• 小粒径磨料（如 Slurry A，45 nm）：易被困在沟槽中，初期抛光时接触面积小，去除率低。

• 大粒径磨料（如 Slurry C，225 nm）：初期接触面积大，去除率高，但过抛光时易穿透更深，导致凹陷加剧。

2. 抛光阶段的动态变化

• 初始阶段（T₀）：磨料粒径小于台阶高度（约 350 nm），颗粒被困且非活性，去除率低。

• 过渡阶段（T₁）：台阶高度降低后，颗粒变得活跃，去除率上升。

• 快速去除阶段（T₂）：颗粒直接接触氧化层，去除率达到峰值。

关键结论

• 凹陷量与粒径正相关：大颗粒因穿透更深，过抛光时凹陷更严重。

• 台阶高度变化与粒径负相关：小颗粒初期去除率低，但凹陷控制更好。

专有名称解释

1. 凹陷（Dishing）

• 定义：沟槽氧化层表面的局部下陷或凹陷，通常出现在沟槽内部或边缘区域。

• 结构特征：

• 抛光过程中，氧化层被过度去除，导致沟槽底部或侧壁的氧化层厚度不均匀。

• 凹陷深度与抛光时间、磨料尺寸和过抛光程度相关（如图 6 所示，大粒径磨料导致更严重的凹陷）。

• 影响：

• 破坏隔离结构的完整性，可能导致相邻器件之间的漏电或短路。

• 影响后续工艺（如金属布线）的平坦化效果。

2. 侵蚀（Erosion）

• 定义：氮化硅层（作为抛光停止层）周围的氧化层被过度去除，导致台阶高度异常增加。

• 结构特征：

• 氮化硅层上方的氧化层残留减少，甚至完全暴露氮化硅表面。

• 侵蚀区域通常位于沟槽边缘或有源区与隔离区的交界处。

• 影响：

• 破坏有源区与隔离区的边界，可能损伤硅片表面的活性区域。

• 导致后续光刻工艺中的对准误差或图案失真。

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