拡散障壁

拡散バリアとは、通常2つの金属の間に挟まれた薄い金属層（通常は数マイクロメートルの厚さ）のことです。これは、どちらか一方の金属がもう一方の金属を汚染するのを防ぐバリアとして機能します。^[1]

メッキされた金属層をその基板に接着するには、物理​​的連結、堆積物の相互拡散、またはプレートと基板間の化学結合が必要です。拡散バリアの役割は、2 つの重ね合わせた金属の相互拡散を防ぐか遅らせることです。したがって、効果を上げるには、優れた拡散バリアは隣接する材料に対して不活性である必要があります。優れた接着と拡散バリアを同時に得るには、層間の結合は両方の境界での限られた範囲の化学反応から生じる必要があります。優れた接着を提供する材料が必ずしも優れた拡散バリアであるとは限りませんし、その逆も同様です。したがって、基板間の適切なインターフェイスを提供するために、2 つ以上の別々の層を使用しなければならない場合があります。

拡散バリアの選択は最終的な機能によって異なりますが、予想される動作温度と耐用年数は拡散バリア材料を選択するための重要なパラメータです。多くの薄膜金属の組み合わせは、接着性と拡散バリア特性について評価されてきました。

アルミニウムは、酸素反応性と酸化物の 自己不動態化特性により、優れた電気伝導性、熱伝導性、接着性、信頼性を備えています。

銅も酸素と容易に反応しますが、その酸化物は接着性に乏しいです。金については、その長所は不活性であることと適用の容易さにありますが、問題はコストです。

クロムは反応性が高いため、多くの材料との接着性に優れています。酸素との親和性により、外表面に薄く安定した酸化皮膜が形成され、腐食環境下でもクロムとその下の金属 (ある場合) のさらなる酸化を防ぐ不動態層が形成されます。自動車用鋼鉄のクロムめっきには、銅、ニッケル、クロムの 3 つの拡散バリア層が含まれ、大きな温度変化が頻繁に発生する場所での長期耐久性を実現します。クロムを鋼鉄に直接めっきすると、熱膨張係数の違いにより、クロムめっきが鋼鉄から剥がれてしまいます。

ニッケル、ニクロム、タンタル、ハフニウム、ニオブ、ジルコニウム、バナジウム、タングステンは、特定の用途の拡散バリアを形成するために使用される金属の組み合わせの一部です。窒化タンタル、酸化インジウム、銅シリサイド、窒化タングステン、窒化チタンなどの導電性セラミックも使用できます。

バリアメタルは、半導体と軟質金属の相互接続を化学的に分離しながら、それらの間の電気的接続を維持するために集積回路内で使用される材料です。たとえば、現代の集積回路では、銅が周囲の材料に拡散するのを防ぐために、すべての銅相互接続をバリアメタルの層で囲む必要があります。

名前が示すように、バリア メタルは、良好な電子接触を維持するために高い電気伝導性を持つ必要があり、同時に、これらの銅導体フィルムをその下のデバイス シリコンから化学的に十分に分離するのに十分な低い銅拡散率を維持する必要があります。バリア フィルムの厚さも非常に重要です。バリア層が薄すぎると、内部の銅が接触して、エネルギーと情報を供給するデバイス自体を損傷する可能性があります。バリア層が厚すぎると、2 つのバリア メタル フィルムと内部の銅導体で覆われたスタックの総抵抗が、従来のアルミニウム相互接続よりも大きくなり、新しいメタライゼーション技術から得られるメリットが失われる可能性があります。

バリアメタルとして使用されてきた材料には、コバルト、ルテニウム、タンタル、窒化タンタル、酸化インジウム、窒化タングステン、窒化チタンなどがあります（最後の 4 つは導電性セラミックですが、この文脈では「金属」です）。