Refractory Barrier Metal

隨著在大約相同硅面積上封裝的器件數(shù)目的不斷增加，集成電路的尺寸穩(wěn)步縮小。為了獲得必須的封裝密度，contact和via openings的sidewall變得越來越陡。鋁蒸汽沉積時(shí)并不是各向同性的；穿過氧化物臺(tái)階的金屬比較薄(圖2.26A)。在lead代表性區(qū)域的任何縮小都會(huì)增大電流密度和加速electromigration。有很多技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來提升像厚氧化層的反應(yīng)式離子蝕刻產(chǎn)生的非常陡的sidewalls上的臺(tái)階覆蓋。

<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

圖2.26 未reflow（A）和reflow（B）的鋁蒸汽step coverage

通過緩和sidewall的角度能極大提高蒸汽鋁的step coverage。這個(gè)能靠加熱wafer直到氧化物融化并垂下來形成傾斜的表面來達(dá)到。這個(gè)步驟叫做reflow（圖2.26B）。純氧化物的熔點(diǎn)太高而不容易reflow，所以磷和硼被加入到氧化物中來降低它的熔點(diǎn)。最終摻雜的氧化物薄膜要么叫做phosphosilicate glass（PSG）或borophosphosilicate glass（BPSG），看添加的成分的選擇了。

鋁被沉積后就不能reflow了，因?yàn)樗荒艹惺苘浕疨SG或BPSG時(shí)的溫度。因此，盡管reflow能幫助提高第一層金屬的step coverage，但為了成功的制造多層金屬系統(tǒng)必須用其他技術(shù)來補(bǔ)充。一個(gè)可能的方法是用在陡峭傾斜的sidewall上各向同性沉積的金屬，比如鉬，鎢或鈦。這些refractory barrier metals有非常高的熔點(diǎn)因此不適合蒸發(fā)沉積。一個(gè)叫做sputtering的低溫步驟能成功的沉積他們。圖2.27 是sputtering設(shè)備的簡(jiǎn)圖。Wafer處于一個(gè)充滿低壓氬氣的chamber內(nèi)的一個(gè)平臺(tái)上。正對(duì)wafer的是作為高壓電極中的一塊的refractory barrier metal。氬原子轟擊refractory metal plate。這樣就敲松了原子然后就沉積在wafer上形成一薄層金屬薄膜。

圖2.27 sputtering設(shè)備的簡(jiǎn)圖

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 <?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />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是選擇金屬系統(tǒng)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，那么鋁就要被refractory barrier metal完全代替了。不幸的是，refractory metals有相對(duì)較高的電阻不能像鋁一樣很容易的沉積在厚的薄膜上。因此大多數(shù)金屬系統(tǒng)用兩種金屬的夾層。鋁下面的一薄層refractory metal保證了在contact里足夠的step coverage，在那里鋁非常薄。在別的地方，鋁降低了金屬lead的電阻。在contact中refractory barrier metal相對(duì)短的部分幾乎對(duì)整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的電阻沒什么影響。

Refractory barrier metal對(duì)electromigration有極大的阻止，所以在contact的sidewall和via里的薄薄的鋁不會(huì)引起electromigration的風(fēng)險(xiǎn)。Refractory barrier metal也通過連接在鋁金屬層中的開路而制止典型的electromigration失效。被electromigration代替的鋁仍舊能縮短附近的leads，所以除了在contact的sidewall和via opening外，不能依靠refractory barrier metal來補(bǔ)充鋁連線的電流負(fù)載能力。

正如前面提到的，refractory barrier metal 能去除emitter punchthrough。硅和refractory metal之間的混合程度可以忽略不計(jì)，鋁也不能滲透barrier metal后接觸硅。應(yīng)此多數(shù)refractory barrier metal系統(tǒng)用鋁－銅合金而不是鋁－銅－硅，因?yàn)殇X－硅混合不會(huì)產(chǎn)生。