Диффузионный барьер — это тонкий слой (обычно толщиной в несколько микрометров) металла , обычно помещаемый между двумя другими металлами. Он служит барьером для защиты одного из металлов от порчи другого. [1]
Адгезия слоя металла с покрытием к его подложке требует физического сцепления, взаимодиффузии осадка или химической связи между пластиной и подложкой для работы. Роль диффузионного барьера заключается в предотвращении или замедлении взаимодиффузии двух наложенных друг на друга металлов. Поэтому, чтобы быть эффективным, хороший диффузионный барьер требует инертности по отношению к соседним материалам. Чтобы получить хорошую адгезию и диффузионный барьер одновременно, связь между слоями должна происходить из химической реакции ограниченного диапазона на обеих границах. Материалы, обеспечивающие хорошую адгезию, не обязательно являются хорошими диффузионными барьерами и наоборот. Следовательно, существуют случаи, когда необходимо использовать два или более отдельных слоя для обеспечения надлежащего интерфейса между подложками.
В то время как выбор диффузионного барьера зависит от конечной функции, ожидаемая рабочая температура и срок службы являются критическими параметрами для выбора материалов диффузионного барьера. Многие комбинации тонкопленочных металлов были оценены на предмет их адгезионных и диффузионных барьерных свойств.
Алюминий обеспечивает хорошую электро- и теплопроводность , адгезию и надежность благодаря своей реакционной способности по отношению к кислороду и свойствам самопассивации его оксида.
Медь также легко реагирует с кислородом, но ее оксиды имеют плохие адгезионные свойства. Что касается золота, его достоинство заключается в его инертности и простоте применения; его проблема — в его стоимости.
Хром обладает превосходной адгезией ко многим материалам из-за своей реакционной способности. Его сродство к кислороду образует тонкую устойчивую оксидную пленку на внешней поверхности, создавая пассивирующий слой , который предотвращает дальнейшее окисление хрома и основного металла (если таковой имеется) даже в коррозионных средах. Хромирование стали для автомобильного использования включает три слоя диффузионного барьера — медь, никель, затем хром — для обеспечения длительной прочности там, где будет много больших перепадов температур. Если хром наносится непосредственно на сталь, то их различные коэффициенты теплового расширения приведут к отслаиванию хромового покрытия от стали.
Никель , нихром , тантал , гафний , ниобий , цирконий , ванадий и вольфрам — вот лишь некоторые из комбинаций металлов, используемых для формирования диффузионных барьеров для определенных применений. Также может использоваться проводящая керамика , например , нитрид тантала , оксид индия , силицид меди , нитрид вольфрама и нитрид титана .
Барьерный металл — это материал, используемый в интегральных схемах для химической изоляции полупроводников от мягких металлических соединений, сохраняя при этом электрическое соединение между ними. Например, слой барьерного металла должен окружать каждое медное соединение в современных интегральных схемах, чтобы предотвратить диффузию меди в окружающие материалы.
Как следует из названия, барьерный металл должен иметь высокую электропроводность , чтобы поддерживать хороший электронный контакт, при этом сохраняя достаточно низкую диффузию меди, чтобы достаточно химически изолировать эти медные проводниковые пленки от кремния нижележащего устройства. Толщина барьерных пленок также весьма важна; при слишком тонком барьерном слое внутренняя медь может контактировать и отравлять те самые устройства, которые они снабжают энергией и информацией; при слишком толстых барьерных слоях эти обернутые стопки из двух барьерных металлических пленок и внутреннего медного проводника могут иметь большее общее сопротивление, чем традиционные алюминиевые соединения, что сводит на нет любые преимущества, получаемые от новой технологии металлизации.
Некоторые материалы, которые использовались в качестве барьерных металлов, включают кобальт , рутений , тантал , нитрид тантала , оксид индия , нитрид вольфрама и нитрид титана (последние четыре являются проводящей керамикой , но «металлами» в данном контексте).