在芯片的微观世界里，除了承担信号传输、电力供应等核心功能的功能性金属布线，还存在着一类“默默无闻”的特殊金属结构——Dummy Metal（虚拟金属）。它们不参与任何电路的电气功能，却被精密地布局在芯片的空白区域，成为保障芯片制造良率和性能稳定性的“隐形守护者”。尤其在28nm及以下的先进工艺节点中，Dummy Metal的设计更是集成电路物理设计中不可或缺的关键环节。其作用主要围绕制造工艺优化、电学性能提升和光刻稳定性保障三大核心目标展开，具体可分为以下几个方面。
一、平衡金属密度，破解CMP工艺均匀性难题
化学机械抛光（CMP）是芯片制造中实现晶圆表面平坦化的核心工艺，其原理是通过化学腐蚀与机械研磨的协同作用，将晶圆表面的绝缘层和金属层打磨至平整状态，为后续层的沉积和光刻提供精准的基底。但这一工艺存在一个关键痛点：金属层密度的差异会导致研磨速率不均——金属密度高的区域研磨阻力大，易出现研磨不足的凸起；金属密度低的空白区域则研磨阻力小，易发生过度研磨的凹陷。这种表面不平整会严重影响后续光刻的图形转移精度，甚至导致金属层间短路等致命缺陷。
Dummy Metal的核心使命之一就是解决这一问题。通过在金属密度较低的空白区域插入非功能性的金属图形（如方形、条形金属块），可使整个晶圆表面的金属密度趋近均匀，通常需满足70%-90%的目标密度要求。均匀的金属密度能让CMP工艺的研磨压力和速率分布更均衡，有效避免凸起和凹陷的产生，保障晶圆表面的全局平坦化，这也是65nm以下先进工艺节点必须引入Dummy Metal填充的核心原因。
二、优化制造工艺稳定性，提升芯片良率
除了CMP工艺，Dummy Metal还能针对芯片制造中的其他关键环节提供工艺补偿，进一步提升制造良率。在刻蚀工艺中，金属图形的疏密程度会直接影响刻蚀速率——密集区域的刻蚀试剂扩散受阻，速率较慢；稀疏区域则扩散顺畅，速率较快。这种差异会导致刻蚀后的金属图形尺寸偏离设计要求，出现刻蚀不足或过度刻蚀的问题。通过在稀疏区域插入Dummy Metal，可平衡整个芯片的图形分布，使刻蚀速率趋于一致，保障金属图形的尺寸精度。
在光刻工艺中，Dummy Metal同样发挥着重要作用。芯片中的空白区域会导致光刻时的光散射异常，影响图形转移的清晰度和准确性。Dummy Metal的填充可使光刻区域的图形分布更规整，减少光散射带来的干扰，提升光刻工艺的稳定性和图形转移精度。此外，在芯片边缘区域，由于结构不对称和应力分布不均，易出现“边界效应”，导致局部工艺条件与芯片中心区域存在差异。在边缘区域插入Dummy Metal可模拟内部区域的结构环境，平衡应力分布，减少边界效应对制造精度的影响。
三、优化电学性能，保障信号完整性与电路一致性
尽管Dummy Metal不参与电气功能，但合理的布局设计能有效优化芯片的电学性能，减少功能性电路受到的干扰。在高速数字电路中，相邻信号线之间的电容耦合会产生串扰，导致信号失真或延迟。通过在相邻信号线之间插入Dummy Metal作为屏蔽层，可有效隔离耦合噪声，保障信号完整性。尤其在高频电路中，这种屏蔽作用能显著提升电路的工作稳定性。
在模拟电路（如差分对、运算放大器等）中，电路的精度高度依赖于器件参数的匹配性。芯片边缘的晶体管由于周围环境与中心区域不同，易出现特性偏差，导致电路性能下降。通过在模拟电路周围或晶体管阵列边缘插入Dummy Metal（或Dummy栅极），可消除边缘效应带来的器件失配，保障电路参数的一致性，提升模拟电路的精度和稳定性。
需要注意的是，Dummy Metal的设计需严格控制尺寸和间距，避免引入额外的寄生电容。在先进工艺节点中，寄生电容的影响尤为显著——例如7nm工艺中，Dummy Metal可能导致较大网络的寄生电容增长多达17%，较小网络的增长甚至超过40%，进而影响时序性能。因此，现代EDA工具（如Cadence Quantus）已推出虚拟金属填充仿真功能，可在设计初期预估Dummy Metal的寄生效应，提前优化设计方案。
四、其他关键Dummy结构：全方位保障工艺与性能
除了Dummy Metal，芯片设计中还存在多种非功能性的Dummy结构，它们与Dummy Metal协同作用，从不同维度保障芯片制造的稳定性和性能一致性。这些Dummy结构虽不参与核心电路功能，却在特定工艺环节或器件设计中发挥着不可替代的作用，常见类型包括Dummy栅极（Dummy Gate）、Dummy通孔（Dummy Via）和Dummy有源区（Dummy Active Area）等。
Dummy栅极是在晶体管阵列空白区域或器件边缘插入的非功能性栅极结构。在先进鳍式场效应晶体管（FinFET）工艺中，栅极的制备采用高K金属栅（HKC）工艺，其图形密度直接影响光刻和刻蚀的均匀性。通过插入Dummy栅极，可平衡整个晶圆表面的栅极图形密度，避免因局部栅极稀疏导致的刻蚀速率不均、栅极尺寸偏差等问题。同时，Dummy栅极还能缓解芯片边缘的应力集中，减少边缘效应对相邻功能性晶体管的影响——边缘区域的功能性晶体管若周围无Dummy栅极支撑，易因应力差异导致阈值电压漂移，影响电路性能稳定性，Dummy栅极的填充可有效消除这一偏差。
Dummy通孔是布局在金属层间空白区域的非功能性通孔结构，主要用于优化通孔刻蚀和沉积工艺的均匀性。金属层间的通孔承担着垂直互连的核心功能，其制造精度直接影响层间连接的可靠性。若通孔分布过于稀疏，刻蚀过程中会出现刻蚀速率过快、通孔侧壁粗糙度超标等问题；沉积过程中则可能因图形不均导致金属填充不充分，产生空洞缺陷。插入Dummy通孔后，可提升整个区域的通孔图形密度，使刻蚀试剂扩散和金属沉积更均匀，保障功能性通孔的尺寸精度和连接可靠性。此外，Dummy通孔还能增强金属层间的结构稳定性，减少因层间图形差异导致的应力开裂风险。
Dummy有源区是在芯片的有源区空白区域插入的非功能性有源区结构，主要服务于浅沟槽隔离（STI）工艺和离子注入工艺的优化。在STI工艺中，有源区的图形密度会影响沟槽刻蚀和绝缘材料填充的均匀性，稀疏的有源区分布易导致沟槽深度不一致、绝缘材料填充不致密等问题。Dummy有源区的填充可平衡有源区密度，使STI工艺的刻蚀和填充更均匀，提升隔离效果。在离子注入工艺中，Dummy有源区能模拟功能性有源区的结构环境，避免因局部区域无有源区导致的离子注入剂量偏差，保障功能性有源区的掺杂浓度一致性，进而提升晶体管的电学特性稳定性。
五、特殊场景优化：减少高频器件磁损
在射频集成电路（RFIC）、压控振荡器（VCO）等高频器件中，Dummy Metal的设计还需兼顾磁损耗的优化。传统的方形或八边形Dummy Metal在高频磁场中易产生涡流，导致器件的Q值（衡量电感损耗的关键参数）下降超过15%，增加磁损。为此，行业已开发出特殊形状的Dummy Metal（如“十”字形），并采用相邻层投影相互错开的布局方式，有效减少涡流的产生，降低Q值下降幅度，保障高频器件的效率和性能。
结语：工艺与性能的“平衡使者”
Dummy Metal作为芯片设计中的“隐形守护者”，其核心价值在于通过非功能性的结构填充，实现制造工艺与电学性能的平衡。从保障CMP均匀性、提升制造良率，到优化信号完整性、保障电路一致性，再到高频场景的磁损优化，Dummy Metal的作用贯穿芯片制造和性能保障的多个环节。随着工艺节点不断演进，Dummy Metal的设计难度和重要性愈发凸显，EDA工具的自动化填充与仿真优化能力也在持续提升。在芯片追求更高集成度、更快速度和更低功耗的发展趋势下，这一“默默无闻”的金属结构将继续扮演不可或缺的关键角色。
