Layout：为什么65nm工艺的Metal是Clear，而0.5um工艺的是Dark？
参考书目：《集成电路制造工艺与工程应用》温德通 著
接触过比较老工艺（比如0.5um的工艺）的Layout工程师，看过Design Rule的Mask Tooling表格中，金属Metal和通孔Via的Digitized Tone分别是Dark和Clear。之后较先进的工艺（比如65nm的工艺），会发现金属Metal和通孔Via的Digitized Tone都是Clear。两个工艺都是金属Metal，为什么Mask的Digitized Tone会相反呢？这篇文章，我将和大家一起来看两者的区别和原因。这两者的区别，还要从集成电路制造工艺的进化史说起。在生产集成电路时，需要把各个器件用导体连接起来，为了降低导体的阻抗，就用到了金属连接。金属连接，需要考虑金属材料的电阻率、沉积工艺的台阶覆盖率、表面平整度、电迁移和应力等等。铝Al和铜Cu的电阻率都很低，Al大概是2.65uΩ·cm，Cu大概是1.68uΩ·cm。虽然Cu的电阻率更低，但铜存在扩散和刻蚀困难，导致其在早期的集成电路制造中用的比较少。Al具备易附着在氧化硅上，成本低、刻蚀容易及沉积铝工艺简单等特点，早期在工艺中使用广泛。在0.13um以上工艺中，Al作为金属互联材料得到广泛使用。在制造金属互连线Al时，把Al材料沉积在晶圆上，然后再通过投影技术，把Mask上的图形投到有光刻胶上。比如，我们以第一层金属连接线Metal1举例说明，上面已经把Metal1的Mask上的图形投到光刻胶上，形成了Metal1的区域，也就是留下了Metal1 Mask的Dark区域。然后用干法刻蚀，去除掉Metal1 Mask的clear投到光刻胶上的区域，最终形成了第一层金属的互联互通。为了便于简单的说明Al作为金属连接材料的应用，以上说明进行了简化，比如为了改善Al与SiO2相互扩散，及改善电迁移，需要在沉积Al前先沉积Ti/TiN。还有为了降低Al电迁移，参杂了少量的Cu等等。随着技术的进步，CMP技术及大马士革双嵌套结构的应用，Cu作为互连材料开始得到广泛使用。CMP(Chemical Mechanical Planarization)化学机械抛光，是集成电路制造过程中，实现晶圆表面平坦化的关键工艺。通过表面化学作用和机械研磨的技术结合，实现晶圆表面的平坦化。Cu工艺，用到了大马士革工艺结构。我们还是以第一层金属连接线Metal1举例说明，先把Mask上Metal1的图形投到光刻胶上，需要说明的是，Cu工艺Metal1的Mask，是Clear区域，也就是说有Metal1的区域，需要刻蚀掉；然后通过刻蚀技术，在金属间的介质层（隔离层）中刻蚀出通孔和金属线的沟槽，然后再沉积Cu，最后通过CMP技术，去除沟槽外的Cu，达到平坦化。以上也是简化后的说明。
有个趣闻，是有关大马士革结构的由来。IBM的工程师一直解决不了铜互连技术的问题，干脆去了大马士革度假，在古城闲逛时发现有位匠人，在金属Cu的花瓶上，刻出各种精美图案，然后用金或银填充到刻出的凹槽中，启发了IBM工程师，从而顺利解决了铜互连技术问题，并命名大马士革工艺。回到我们标题的发问，为什么65nm工艺的Metal是Clear，而0.5um工艺的是Dark？简单来说，0.5um的工艺是Al工艺，Al工艺是先沉积一层Al材料，去除掉不要的Al，留下作为连线的Al。而65nm是Cu工艺，因为Cu刻蚀的困难性，通过在金属与金属的隔离层上挖槽，然后再把Cu填进去，再通过CMP磨掉多余的Cu。
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