Was ist ein Barrier Metal?
Ein Barrieremetall ist eine dünne Metallschicht, entweder in Überzugs- oder Filmform, die zwischen zwei Objekten platziert wird, um zu verhindern, dass weiche Metalle andere Objekte kontaminieren. Beispielsweise enthalten die Kupfer- und Messingkomponenten in modernen Chips und Schaltkreisen immer eine dünne Metallbeschichtung, um zu vermeiden, dass die kristallinen Halbleiter selbst beschädigt werden. Manchmal bestehen Barrieremetalle eher aus Keramik wie Wolframnitrid als aus tatsächlichen Metallen, sie werden jedoch immer noch als Barrieremetalle angesehen.
Barrieremetalle erfordern bestimmte physikalische Eigenschaften, um für die Halbleiterindustrie nützlich zu sein. Offensichtlich muss das Barrieremetall inert genug sein, um eine Kontamination der umgebenden Materialien selbst zu vermeiden. Die Herstellung von Halbleitern basiert jedoch auf dem Stromfluss in der gesamten Vorrichtung. Daher muss das Barrieremetall so leitfähig sein, dass ein Unterbrechen des elektrischen Flusses vermieden wird.
Nur sehr wenige Metalle erfüllen beide Kriterien. Das bedeutet, dass nur eine kleine Handvoll Materialien als Barrieremetall in Halbleitern fungieren. Titannitrid ist das in Halbleitern am häufigsten vorkommende Barrieremetall. Chrom, Tantal, Tantalnitrid und Wolframnitrid werden ebenfalls verwendet.
Leitfähigkeit und Härte sind nicht die einzigen Eigenschaften, die bei einem Barrieremetall berücksichtigt werden. Die Dicke des Barrieremetalls spielt auch eine entscheidende Rolle für seine Wirksamkeit. Weiche Metalle wie Kupfer können eine zu dünne Barriere durchdringen. Jedes weiche Metall, das eine dünne Barriere durchdringt, kann das gefährdete Objekt auf der anderen Seite kontaminieren. Andererseits wirkt sich eine zu dicke Metallisierung erheblich auf den Stromfluss im Stromkreis aus. Halbleiteringenieure verbringen viel Zeit in Testlabors, um die richtige Balance zu finden.
Nicht alle Barrieremetalle schirmen jedoch kristalline Halbleiter ab. Weiche Metalle korrumpieren ebenso leicht härtere Metalloberflächen und diese Verunreinigung kann bei High-Tech-Geräten zum Produktversagen führen. Eine dünne Schicht eines inerten Metalls, die den Kontakt von zwei anderen Metallen verhindert, ist als Diffusionsbarriere bekannt. Diffusionsbarrieren befinden sich häufig zwischen Blechschichten und schützen metallische Bauteile vor dem Löten.
Die für eine Diffusionsbarriere verwendeten Metalle sind nicht immer die gleichen Metalle, die zum Schutz von Halbleitern verwendet werden, obwohl Geräte, die auf den Stromfluss zwischen ihren Metallkomponenten angewiesen sind, möglicherweise die gleichen Barrieremetalle wie Halbleiterbauelemente verwenden. Plattenmetall-Diffusionsbarrieren erfordern im Allgemeinen die gleichen inerten Eigenschaften wie Halbleiterbarrieren, müssen jedoch auch in der Lage sein, an den verschiedenen Metallen auf beiden Seiten zu haften. Gold, Nickel und Aluminium sind drei gängige Metalle für Diffusionsbarrieren.