[发明专利]一种化学机械抛光工艺哑元填充方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以最少哑元填充(dummy fill)数目作为优化目标同时保证版图金属密度均匀性的快速哑元填充方法，属于集成电路半导体制造技术领域。

技术背景

随着集成电路半导体制造技术的进一步发展，集成电路特征尺寸进一步减小，大马士革铜互连工艺被普遍用于半导体制造工艺中，目前已经成为集成电路多层布线的主流工艺。在制造铜互连的多层布线立体结构中，芯片表面的高度平坦化是其中的关键技术之一。到目前为止，化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing，CMP)技术是唯一成功并大规模使用的平坦化工艺技术。

铜互连化学机械抛光工艺存在的一个最大的问题是抛光后芯片表面形貌高度和版图模式密切相关。现有的一些化学机械抛光模型[1]指出，芯片不同区域抛光后的形貌高度与该区域版图互连线的密度密切相关。这是由于在化学机械抛光中，铜金属与其周围材料的移除速率不同造成的。图1示意性地表示了芯片表面不同金属密度区域化学机械抛光后的形貌。可见，由于互连线版图模式的非均匀性，抛光后芯片表面形貌高度和版图模式密切相关的问题会严重降低芯片表面的平整度。芯片表面的这种非平整性可能导致在随后的光刻工艺过程中产生聚焦困难，降低了光刻的分辨率和图形的成像质量。另外，芯片表面的非平整性还会使金属互连和介质层的纵向高度严重偏离标称值，因此对互连线寄生参数产生严重影响，从而影响芯片的性能。总之，这种现象如不加以预测和控制，会导致严重的芯片成品率问题。

由于化学机械抛光后芯片表面的平整度严重依赖于版图上图形的密度[1]，因此，为了提高表面平整度，工业界一般要求在芯片设计中保证版图上金属密度的均匀性。为此，工业界最常用的是使用哑元填充方法[2]，即在版图的空白区域加入无逻辑功能的金属块(哑元金属)，来达到版图上金属密度均匀的要求。

然而，哑元填充物会对电路性能和后续制造工艺产生不良的影响。首先，哑元金属会使得互连线间、互连与衬底间的耦合寄生电容增加，从而导致电路性能显著下降。此外，如果填充了过量的哑元填充物，会增加半导体制造工艺的时间和成本。当新的制造工艺技术出现、或电路设计变得更复杂时，这些问题都将会被放大。因此哑元填充方法的目标应在保证版图金属密度均匀化的同时，尽量减少总的哑元填充数目，以减少对电路性能带来的影响和降低制造工艺的成本。

在现有技术中，人们已经提出了许多哑元填充方法，这些技术方法主要可以归为两类：基于传统线性规划的方法[3][4]和基于Monte-Carlo算法或贪婪算法的启发式方法[5][6]。

基于传统的线性规划的方法将上述最少哑元填充问题转化成了一个标准的线性规划问题[3]。因此，可以通过现有的许多线性规划求解器[8]来求解。这种方法虽然可以保证得到该问题最优解，但由于传统的线性规划方法复杂度很高(O(m³)，m为线性规划问题的规模)，因此此类方法计算极为耗时，不适合求解大规模问题。

为了解决基于传统的线性规划的方法速度慢的问题，研究人员提出了一些基于Monte-Carlo算法或贪婪算法的启发式方法[5][6]来求解最少哑元填充问题。这类方法虽然计算速度很快，但由于其启发式的特性，最终结果的最优性得不到保证。与本发明相关的现有技术有如下参考文献：

[1]Tamba E.Gbondo-Tugbawa.Chip-Scale Modeling of Pattern Dependencies in CopperChemical Mechanical Polishing Processes.PhD thesis，Massachusetts Institute of Technology，2002.

[2]A.B.Kahng and K.Samadi.CMP fill synthesis：A survey of recent studies.IEEE Trans.onCAD，27(1)：3-19，2008.

[3]R.Tian，D.F.Wong，and R.Boone.Model-based dummy feature placement for oxidechemical mechanical polishing manufacturability.In Proceedings of IEEE/ACM InternationalConference on Design Automation Conference，pages 667-670，2000.