Диффузионные барьеры в металлургии и микроэлектронике
Diffusion barrier
Диффузионные барьеры: защита металлов от коррозии и смешения. Тонкие металлические слои предотвращают диффузию, обеспечивая адгезию и долговечность покрытий.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Диффузионный барьер – это тонкий слой (обычно толщиной в микрометры) металла, как правило, располагаемый между двумя другими металлами. Это необходимо для создания барьера, защищающего один из металлов от воздействия на другой. Для обеспечения адгезии нанесенного металлического слоя к подложке требуется физическое сцепление, взаимная диффузия материала покрытия или химическая связь между покрытием и подложкой. Задача диффузионного барьера – предотвратить или замедлить взаимную диффузию двух соприкасающихся металлов. Следовательно, для эффективности хороший диффузионный барьер должен быть инертным по отношению к соседним материалам. Для одновременного достижения хорошей адгезии и создания диффузионного барьера, связь между слоями должна обеспечиваться химической реакцией с ограниченным радиусом действия на обеих границах. Материалы, обеспечивающие хорошую адгезию, не всегда являются эффективными диффузионными барьерами, и наоборот. В связи с этим, в некоторых случаях для создания надлежащего интерфейса между подложками необходимо использовать два или более отдельных слоя.
A diffusion barrier is a thin layer (usually micrometres thick) of metal usually placed between two other metals. It is done to act as a barrier to protect either one of the metals from corrupting the other. Adhesion of a plated metal layer to its substrate requires a physical interlocking, inter diffusion of the deposit or a chemical bonding between plate and substrate in order to work. The role of a diffusion barrier is to prevent or to retard the inter diffusion of the two superposed metals. Therefore, to be effective, a good diffusion barrier requires inertness with respect to adjacent materials. To obtain good adhesion and a diffusion barrier simultaneously, the bonding between layers needs to come from a chemical reaction of limited range at both boundaries. Materials providing good adhesion are not necessarily good diffusion barriers and vice versa. Consequently, there are cases where two or more separate layers must be used to provide a proper interface between substrates.
Выбор
Выбор диффузионного барьера зависит от конечной функции, предполагаемой рабочей температуры и срока службы, которые являются критически важными параметрами при выборе материалов для диффузионных барьеров. Многие комбинации тонких металлических пленок были исследованы на предмет их адгезии и диффузионно-барьерных свойств. Алюминий обеспечивает хорошую электрическую и теплопроводность, адгезию и надежность благодаря своей реакционной способности к кислороду и самопассивирующим свойствам его оксида. Медь также легко реагирует с кислородом, но ее оксиды обладают плохими адгезионными свойствами. Что касается золота, его преимущество заключается в его инертности и простоте нанесения; его недостаток – высокая стоимость. Хром обладает отличной адгезией ко многим материалам благодаря своей реакционной способности. Его сродство к кислороду формирует тонкий, стабильный оксидный слой на внешней поверхности, создавая пассивационный слой, который предотвращает дальнейшее окисление хрома и основного металла (при его наличии), даже в агрессивных средах. Хромирование стали для автомобильной промышленности включает в себя три диффузионных барьерных слоя – медь, никель, а затем хром – для обеспечения долговечности при значительных перепадах температур. Если хром наносится непосредственно на сталь, то из-за различия в коэффициентах теплового расширения хромовое покрытие может отслаиваться. Никель, нихром, тантал, гафний, ниобий, цирконий, ванадий и вольфрам – это лишь некоторые из металлических комбинаций, используемых для создания диффузионных барьеров для конкретных применений. Также могут использоваться проводящие керамические материалы, такие как нитрид тантала, оксид индия, силицид меди, нитрид вольфрама и нитрид титана.
While the choice of diffusion barrier depends on the final function, anticipated operating temperature, and service life, are critical parameters to select diffusion barrier materials. Many thin film metal combinations have been evaluated for their adhesion and diffusion barrier properties. Aluminum provides good electrical and thermal conductivity, adhesion and reliability because of its oxygen reactivity and the self passivation properties of its oxide. Copper also easily reacts with oxygen but its oxides have poor adhesion properties. As for gold its virtue relies in its inertness, and ease of application; its problem is its cost. Chromium has excellent adhesion to many materials because of its reactivity. Its affinity for oxygen forms a thin stable oxide coat on the outer surface, creating a passivation layer which prevents further oxidation of the chromium, and of the underlying metal (if any), even in corrosive environments. Chromium plating on steel for automotive use involves three diffusion barrier layers—copper, nickel, then chromium—to provide long term durability where there will be many large temperature changes. If chromium is plated directly onto the steel, then their different thermal expansion coefficients will cause the chrome plating to peel off the steel. Nickel, Nichrome, tantalum, hafnium, niobium, zirconium, vanadium, and tungsten are a few of the metal combinations used to form diffusion barriers for specific applications. Conductive ceramics can be also used, such as tantalum nitride, indium oxide, copper silicide, tungsten nitride, and titanium nitride.
Интегрированные схемы
Барьерный металл — это материал, используемый в интегральных схемах для химической изоляции полупроводников от мягких металлических соединений, при этом обеспечивая электрическое соединение между ними. Например, в современных интегральных схемах слой барьерного металла должен окружать каждый медный межсоединитель, чтобы предотвратить диффузию меди в окружающие материалы. Как следует из названия, барьерный металл должен обладать высокой электропроводностью для поддержания хорошего электронного контакта, одновременно демонстрируя достаточно низкую диффузионную проницаемость меди, чтобы эффективно химически изолировать эти медно-проводящие пленки от кремния подложки. Толщина барьерных пленок также имеет большое значение: при слишком тонком барьерном слое внутренняя медь может контактировать с элементами и вызывать их деградацию, в то время как при слишком толстом слое эти многослойные структуры, состоящие из двух барьерных металлических пленок и внутреннего медного проводника, могут иметь большее общее сопротивление, чем традиционные алюминиевые межсоединения, сводя на нет преимущества новой технологии металлизации. К материалам, используемым в качестве барьерных металлов, относятся кобальт, рутений, тантал, нитрид тантала, оксид индия, нитрид вольфрама и нитрид титана (последние четыре являются проводящей керамикой, но в данном контексте их называют "металлами").
A barrier metal is a material used in integrated circuits to chemically isolate semiconductors from soft metal interconnects, while maintaining an electrical connection between them. For instance, a layer of barrier metal must surround every copper interconnect in modern integrated circuits, to prevent diffusion of copper into surrounding materials. As the name implies, a barrier metal must have high electrical conductivity in order to maintain a good electronic contact, while maintaining a low enough copper diffusivity to sufficiently chemically isolate these copper conductor films from underlying device silicon. The thickness of the barrier films is also quite important; with too thin a barrier layer, the inner copper may contact and poison the very devices that they supply with energy and information; with barrier layers too thick, these wrapped stacks of two barrier metal films and an inner copper conductor can have a greater total resistance than the traditional aluminum interconnections would have, eliminating any benefit derived from the new metallization technology. Some materials that have been used as barrier metals include cobalt, ruthenium, tantalum, tantalum nitride, indium oxide, tungsten nitride, and titanium nitride (the last four being conductive ceramics, but "metals" in this context).