Refractory Barrier Metal

随着在大约相同硅面积上封装的器件数目的不断增加，集成电路的尺寸稳步缩小。为了获得必须的封装密度，Contact和via openings的sidewall变得越来越陡。铝蒸汽沉积时并不是各向同性的；穿过氧化物台阶的金属比较薄(图2.26A)。在lead代表性区域的任何缩小都会增大电流密度和加速electromigration。有很多技术已经被开发出来提升像厚氧化层的反应式离子蚀刻产生的非常陡的sidewalls上的台阶覆盖。

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图2.26 未reflow（A）和reflow（B）的铝蒸汽step coverage

通过缓和sidewall的角度能极大提高蒸汽铝的step coverage。这个能靠加热wafer直到氧化物融化并垂下来形成倾斜的表面来达到。这个步骤叫做reflow（图2.26B）。纯氧化物的熔点太高而不容易reflow，所以磷和硼被加入到氧化物中来降低它的熔点。终掺杂的氧化物薄膜要么叫做phosphosilicate glass（PSG）或borophosphosilicate glass（BPSG），看添加的成分的选择了。

铝被沉积后就不能reflow了，因为它不能承受软化PSG或BPSG时的温度。因此，尽管reflow能帮助提高层金属的step coverage，但为了成功的制造多层金属系统必须用其他技术来补充。一个可能的方法是用在陡峭倾斜的sidewall上各向同性沉积的金属，比如钼，钨或钛。这些refractory barrier metals有非常高的熔点因此不适合蒸发沉积。一个叫做sputtering的低温步骤能成功的沉积他们。图2.27 是sputtering设备的简图。Wafer处于一个充满低压氩气的chamber内的一个平台上。正对wafer的是作为高压电极中的一块的refractory barrier metal。氩原子轰击refractory metal plate。这样就敲松了原子然后就沉积在wafer上形成一薄层金属薄膜。

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图2.27 sputtering设备的简图

sputtered refractory barrier metal薄膜不但有更好的step coverage，而且消除了emitter punchthrough。（23 T. Hara, N. Ohtsuka, K. Sakiyama, and S. Saito, “Barrier Effect of W-Ti Interlayers in Al Ohmic Contact Systems,” IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-34, #3 1987,pp.593-597.）如果step coverage是选择金属系统的标准，那么铝就要被refractory barrier metal完全代替了。不幸的是，refractory metals有相对较高的电阻不能像铝一样很容易的沉积在厚的薄膜上。因此大多数金属系统用两种金属的夹层。铝下面的一薄层refractory metal保证了在contact里足够的step coverage，在那里铝非常薄。在别的地方，铝降低了金属lead的电阻。在contact中refractory barrier metal相对短的部分几乎对整个互联系统的电阻没什么影响。

Refractory barrier metal对electromigration有极大的阻止，所以在contact的sidewall和via里的薄薄的铝不会引起electromigration的风险。Refractory barrier metal也通过连接在铝金属层中的开路而制止典型的electromigration失效。被electromigration代替的铝仍旧能缩短附近的leads，所以除了在contact的sidewall和via opening外，不能依靠refractory barrier metal来补充铝连线的电流负载能力。

正如前面提到的，refractory barrier metal 能去除emitter punchthrough。硅和refractory metal之间的混合程度可以忽略不计，铝也不能渗透barrier metal后接触硅。应此多数refractory barrier metal系统用铝－铜合金而不是铝－铜－硅，因为铝－硅混合不会产生。