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发布于 2026-05-10 / 0 阅读
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Lam Research | 如何改善浅沟槽隔离均匀性 ？

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来源：Lam Research。
图案依赖性刻蚀* 会导致同一芯片内部出现制程偏差，dummy 填充与 SEMulator3D® 能够缓解浅沟槽隔离（STI）及沟槽凹陷的不均匀问题
随着半导体图形化工艺持续制程微缩，即便是版图上极其微小的不均匀性，也会引发差距显著的制程结果。实际芯片版图中同时存在密集图形区、大面积空旷区域与孤立结构。这就导致晶圆不同区域的刻蚀工艺处于完全不同的局部环境中。即便采用完全一致的工艺参数与配方，芯片部分区域的刻蚀速率也会更高，最终产生图案依赖性偏差。
何为图案依赖性刻蚀偏差？*图案依赖性偏差指：同一道制造工序，会因周边版图结构的不同，产生差异化的加工结果。
本文以浅沟槽隔离（STI，通过刻蚀沟槽分隔相邻晶体管、避免器件间电串扰的结构）与沟槽凹陷（刻蚀深度超出设计值、或不同区域深度不一致的现象）为例，解析图案依赖性偏差的产生机理。
01

图案依赖性偏差的成因
在 STI 沟槽刻蚀工序中，沟槽的凹陷深度会随芯片位置变化而产生差异。一旦 STI 均匀性劣化，该偏差会在薄膜沉积、平坦化、后续刻蚀与清洗等多道下游工序中持续放大，最终压缩芯片量产的工艺裕量。若局部沟槽刻蚀过深，上层沉积薄膜无法平整贴合，直接影响半导体器件的电学性能。简言之，STI 沟槽凹陷均匀性并非单一工序问题，而是会连锁影响全流程制程品质的关键源头。
即便使用相同工艺配方，STI 凹陷深度仍存在差异，核心诱因是周边版图环境的区别。图形密集区与空旷区在以下三方面条件截然不同：
  • 反应反应物的供给效率
  • 刻蚀副产物的排出速率
  • 等离子体与离子作用于微观结构的实际效果
负载效应 (Loading Effects) -上述环境差异不断累积，便会触发负载效应：待刻蚀材料更多的区域会快速消耗活性反应基团，最终造成整片晶圆刻蚀速率、侧壁形貌的区域化差异。
深宽比依赖刻蚀 (Aspect Ratio Dependent Etching，ARDE) - 除此之外，随着器件结构不断窄化、加深，反应物的传输难度大幅提升，进而引发深宽比依赖刻蚀（ARDE）。在高深宽比结构中，狭窄深槽会阻碍刻蚀剂渗入与副产物排出，导致此类结构刻蚀速率变慢、刻蚀形貌异常。
负载效应与 ARDE 共同作用，进一步加剧了局部 STI 沟槽凹陷的偏差。简言之，整套制程问题逻辑为：负载效应 + ARDE → STI 沟槽凹陷偏差 dummy。

02

填充如何提升刻蚀均匀性？
改善该类偏差的成熟方案，是引入 dummy 填充工艺。该工艺会在版图中添加无电路功能的辅助图形，缩小不同区域的图形密度差。让整片晶圆的刻蚀环境趋于一致，从而有效抑制沟槽凹陷不均等图案依赖性制程偏差。
但 dummy 填充并非万能解决方案，优化效果高度依赖填充位置、填充体量与图形样式设计。产业落地的核心痛点在于：难以快速筛选最优 dummy 填充方案。若通过实际流片验证版图修改，必须同步更新光刻掩模版，大幅增加研发成本与周期。
正因如此，工艺仿真技术尤为关键。在统一制程条件下，对比无 dummy 填充的基准量产工艺（POR）与添加 dummy 填充后的仿真结果，即可量化分析 dummy 填充对沟槽凹陷均值、波动范围、标准差等关键指标的优化效果。该仿真分析不以复刻单一标准结果为目标，而是通过横向对比与利弊权衡，为工艺方案决策提供高效依据。
03

基于 SEMulator3D® 的仿真研究
为快速验证 dummy 填充对量产工艺的优化价值，本文依托 SEMulator3D® 三维制程仿真工具，在同等工艺条件下，对比基准版图（POR）与多种周边 dummy 填充版图的刻蚀表现。
真实电路版图普遍存在不规则图形，本次研究选取具备非对称结构的典型 SRAM（静态随机存取存储器）版图作为 POR 基准模型。SRAM 版图包含大量重复与非重复结构，是测试制程均匀性的理想载体。
图 1：SRAM 基准量产版图（POR）研究结果：dummy 开窗密度与沟槽凹陷偏差的关联；图 2a：基准器件模型检测点位分布图；2b：基准工艺对应的三维结构模型
本次研究聚焦同一关键尺寸（CD）下，不同位置的沟槽深度差异。首先基于无 dummy 填充的 POR 量产条件，检测 9 处不同版图环境的随机点位，采集对应 STI沟槽凹陷数据；该版图最终形成的微观结构，呈现出明显的间距不规则特征。
检测数据显示：即便关键尺寸（CD）完全相同，不同点位的沟槽凹陷差值依旧极大。
图 3：9 处检测点位的 STI 凹陷数值（纳米）与 STI 关键尺寸对应关系
本次研究核心目标，是脱离关键尺寸限制、实现全域沟槽凹陷均匀化，因此重点分析沟槽凹陷的波动偏差。基于 9 组检测数据计算得出，基准工艺下沟槽凹陷的标准差为 8.2 nm。本次分析不评判该数值的优劣，核心用于直观对比：添加 dummy 填充后，凹陷数据的波动缩减幅度。
04

五类 dummy 填充图形方案
为降低沟槽凹陷标准差，研究基于基准器件结构，设计了五种差异化 dummy 填充方案：DP1：点阵图形；DP2：横向条状图形；DP3：纵向条状图形；DP4：斜向纹理图形；DP5：dummy 窗口无填充。
研究引入 dummy 开窗密度作为核心评价指标，量化对比不同 dummy 图形对沟槽凹陷标准差的改善效果。dummy 开窗密度用于表征器件图形密度，定义为 dummy 区域内刻蚀开口面积的占比。举例：100×100 尺寸的区域中，30% 面积为刻蚀开口，则该区域 dummy 开窗密度为 30%。
数据对比结果表明：dummy 开窗密度越高，沟槽凹陷标准差优化效果越显著。
图 4：dummy 开窗密度与 STI 沟槽凹陷标准差关联曲线结果讨论
该现象的核心原理：提升 dummy 开窗密度，能够弱化刻蚀过程中的版图环境反差，从源头削弱图案依赖性刻蚀效应。简单来说，大量 dummy 辅助图形的加入，让密集区与空旷区的版图特征趋于同质化，使晶圆全域刻蚀反应状态保持稳定统一。
需特别说明：该结论不具备普适性，不能片面认为开窗密度越高越好。仅针对本次研究的特定版图与工艺条件，周边区域的 dummy 刻蚀填充，有效缩小了局部环境差异，弱化了负载效应与 ARDE 的负面影响。若要大范围推广应用，还需结合更多版图类型、工艺窗口完成交叉验证。仿真技术：高效的制程优化闭环
随着芯片制程持续微缩，版图与工艺的耦合影响愈发关键。dummy 填充是削弱图形环境差异、控制制程偏差的核心优化手段。依托三维仿真的快速迭代分析，可在晶圆厂流片之外，快速筛选最优 dummy 版图设计与工艺优化方案，最终助力芯片良率提升、缩短产品上市周期。
作者简介 HJ Kim，Lam 韩国区 Semiverse 解决方案研发部门工艺与集成工程师
Pattern-Dependent Etch Variation: Improving STI Uniformity With Dummy Fill and SEMulator3D®
作者：HJ Kim；发布于 2026 年 4 月 27 日。
END

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