为什么STI CMP后OXIDE的表面要比NITRIDE 的低？

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在STI（Shallow Trench Isolation，浅沟槽隔离）工艺中，CMP（Chemical Mechanical Planarization，化学机械抛光）后通常会出现oxide（SiO₂）表面比 nitride（Si₃N₄）表面低的情况。这种现象广泛存在于实际工艺中，下面将详细解释原因、机制及其工艺影响。

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一、背景与STI结构简述

STI 工艺是CMOS器件中主流的隔离技术。主要流程包括：

• 在硅片上沉积一层 Si₃N₄（通常在薄氧化层之上）作为CMP stop layer（停止层）；
• 光刻、刻蚀形成沟槽；
• 沟槽内填充 SiO₂（通常是TEOS氧化物）；
• 然后使用 CMP 去除多余的氧化物，并暴露出氮化硅。
  
  

最终的目标是使 SiO₂ 和 Si₃N₄ 表面共面，达到平坦化。

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二、为什么 CMP 后 OXIDE 比 NITRIDE 低？

1. CMP 中的选择性（Selectivity）问题

CMP 抛光过程对不同材料的去除速率不同，常见的关系是：

• SiO₂（TEOS）去除速率 > Si₃N₄ 去除速率
  
  

因此，尽管 Si₃N₄ 是所谓的“stop layer”，但 CMP 过程中并不会完全停止在氮化硅上，而是继续去除氧化物。由于氧化物去除得更快，最终表现为：

氧化物表面比氮化硅表面低，形成所谓的“dishing”现象。

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2. 凹陷（Dishing）与顶凹（Erosion）效应

Dishing（氧化物沟槽内凹陷）

• 是由于沟槽内的 SiO₂ 被过度去除，导致其表面低于氮化硅的表面。
• 通常发生在宽沟槽中更明显，因为压强分布不均。
  
  

Erosion（氮化硅周围的氧化物被“侵蚀”）

• 由于密集区域内的CMP pad压强较高，导致氮化硅周围氧化物也被过度去除。
• 这也加剧了氧化物低于氮化硅的现象。
  
  

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3. CMP Pad 与 Slurry 的作用机制

• CMP 过程利用了机械摩擦和化学腐蚀共同作用。
• Slurry 中的化学剂（如氢氧化铵、H₂O₂）对氧化物和氮化硅的化学反应性不同。
• Pad 与 Slurry 的设计往往优化的是氧化物的平坦化，而不是氮化硅。
  
  

这进一步加剧了 SiO₂ 的抛光速率，使其更快地“下沉”。

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4. Pattern Density和压力分布影响

CMP 是非局部均匀的过程。区域密度不同会导致局部材料去除速率差异：

• 低密度区域（isolated oxide）容易过度抛光
• 高密度区域抛光速率较慢
  
  

这也造成氧化物区域整体“低于”氮化硅区域。

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三、影响与后果

1. 器件性能的影响

• 沟槽内 SiO₂ 变薄，会导致隔离层电容变化，甚至导致击穿。
• 隔离能力下降，造成晶体管之间的干扰（cross-talk 增加）。
  
  

2. 平坦性差影响后续工艺

• 后续光刻层对焦困难、CD（critical dimension）控制差。
• 多层互连过程中会产生对准误差。
  
  

3. 可靠性问题

• 局部残余应力大，可能在后续热处理过程中引起微裂纹。
  
  

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四、工艺优化手段

为了减缓或补偿 oxide 低于 nitride 的问题，常见的策略包括：

方法

作用

优化 Slurry 配方

改变氧化物与氮化硅的抛光选择性，使其接近1:1

Dummy Fill（密度填充）

使pattern密度均匀，减小密度引起的速率差异

硬掩膜方案（如poly cap）

减小dishing程度

多步CMP（分段抛光）

分阶段控制不同材料的去除量

停止在 Oxide Layer 而非 Nitride

调整stop layer设计以减少disparity

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五、小结

在STI CMP过程中，oxide 表面低于 nitride 表面是由于氧化物抛光速率远高于氮化硅，同时又受到 pattern density、dishing/erosion 效应、pad-slurry 相互作用等综合因素影响。该现象虽然在工艺中较为普遍，但通过合理的设计和工艺优化，可以减轻其对后续步骤与器件性能的负面影响。