一、Contact：晶体管与金属互连的桥梁
首先，让我们明确什么是Contact。在集成电路中，Contact是指连接晶体管的源极、漏极与上层金属互连线之间的电气接触孔。它是电流在晶体管和金属互连层之间流动的桥梁，确保信号能够准确无误地传递。Contact的设计和优化对于提高芯片的性能和可靠性至关重要。
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二、金属铜与钨的性质对比
在探讨为什么选择钨而非铜作为Contact填充材料之前，我们先来对比一下这两种金属的基本性质。
电阻率
铜的电阻率为1.68 μΩ·cm，非常低，导电性极佳；而钨的电阻率为5.28 μΩ·cm，相对较高，导电性较差。从这一点来看，铜似乎更具优势。
热导率
铜的热导率为401 W/m·K，远高于钨的173 W/m·K。然而，在Contact的应用场景中，热导率并非首要考虑因素，因为Contact本身并不承担主要的散热任务。
熔点
铜的熔点为1085°C，而钨的熔点高达3422°C。这一显著差异在后续的分析中将显得尤为重要。
密度与硬度
铜的密度为8.96 g/cm³，相对较软；钨的密度为19.3 g/cm³，且非常硬。硬度对于Contact材料的抗磨损和抗形变能力至关重要。
扩散性
铜具有高扩散性，而钨则不扩散。这一点在后续关于材料选择的分析中将起到决定性作用。
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三、为什么选择钨而非铜？
尽管铜在导电性方面表现出色，但在晶体管Contact的应用中，钨却因其独特的性质而更胜一筹。以下是几个关键原因：
填充工艺的挑战
随着半导体工艺的不断进步，接触孔的尺寸越来越小。当使用物理气相沉积（PVD）技术来溅射铜填充这些狭窄的孔时，很容易出现填充不完全（空隙）的问题。这些空隙会导致电流路径的中断，从而影响芯片的性能和可靠性。相比之下，化学气相沉积（CVD）技术更适合用于填充非常狭窄的孔。晶圆厂通常使用WF6作为原料，与H2或硅烷反应，沉积钨金属。这种工艺能够确保Contact的完全填充，从而提高芯片的良率和可靠性。
铜的扩散问题
铜在高温下容易扩散到硅中，与硅形成金属-半导体化合物，导致器件的电学性能恶化甚至失效。虽然通常会使用如TaN等阻挡层来阻止铜的扩散，但在极端条件下（如高温、长时间工作等），这些阻挡层可能不足以完全阻止铜原子的扩散。相比之下，钨在高温下不会扩散到硅中，因此能够确保器件的长期稳定性和可靠性。
机械性能的优势
钨的硬度远高于铜，这使得它在承受机械应力时具有更好的抗磨损和抗形变能力。在Contact的应用场景中，这种机械性能的优势尤为重要，因为它能够确保Contact在长时间工作过程中保持稳定的电气接触。
