Titannitrid ist ein technologisch relevantes Material mit einem breiten Anwendungsspektrum. Eine dieser Anwendungen ist die Verwendung als Diffusionsbarriere, die verhindert, dass Cu in mikroelektronischen Komponenten mit den Umgebungsmaterialien reagiert. Trotz der gängigen Verwendung als Diffusionsbarriere weiß man erst wenig über die zugrundeliegenden atomaren Vorgänge, auf denen die hervorragenden Diffusionseigenschaften von TiN basieren. Die spärlichen experimentellen Studien zur Diffusion von Cu in TiN sind widersprüchlich und geben keine klare Auskunft über den Diffusionsmechanismus selbst. Die Kenntnis des Mechanismus ist entscheidend für gezielte Verbesserungen, die durch die kontinuierliche Miniaturisierung notwendig gemacht werden.Daher setzt sich diese Arbeit zum Ziel, die Massendiffusion von Cu in TiN mit Hilfe von ab-initio Methoden zu untersuchen und damit den Mechanismus der Diffusion von Cu in TiN aufzuklären. Dafür betrachten wir zwei verschiedene Mechanismen: interstitielle und Leerstellen-Diffusion auf beiden Untergittern (Ti und N). Zusätzlich wird der Effekt von nicht-stöchiometrischem TiN auf die Diffusion untersucht, denn TiN kommt in verschiedenen Zusammensetzungen vor. Weiteres wird der Effekt von Temperatur auf alle thermodynamischen Größen mittels der quasiharmonischen Näherung miteinbezogen. Auf diesem Weg erhalten wir temperaturabhängige Diffusionskoeffizienten für Cu in TiN für den gewählten Mechanismus und die TiN Zusammensetzung.Aus unseren Erkenntnissen schließen wir, dass die Cu Diffusion in stöchiometrischem TiN über Leerstellen des Ti-Untergitters erfolgt, während in stickstoffarmen TiN die Leerstellen des N-Untergitters für die Diffusion infrage kommen. Unsere Ergebnisse für stickstoffarmes TiN zeigen gute Übereinstimmung mit Hoch-Temperatur Experimenten. Außerdem bieten unsere Erkenntnisse eine Erklärung, warum voneinander abweichen einzelne experimentelle Messungen.

Titanium nitride is an important technological material which has a broad spectrum of applications. One of such applications is to act as a diffusion barrier preventing the Cu interconnects in microelectronic components from interacting with surrounding materials.Despite a wide technological use, the atomic phenomena underlying the excellent performance of TiN as diffusion barrier are poorly understood.The results of the few experimental studies devoted to measuring the Cu diffusion coefficient in TiN are rather inconsistent and provide no clear information about the atomistic mechanisms of diffusion. However, such insights would be important for a rational design and improvement of the TiN-based diffusion barriers demanded by continuous miniaturization. Motivated by the unsatisfactory state of the art, this work presents an extensive first-principles study of Cu impurity diffusion in bulk TiN aiming to discover the Cu diffusion mechanism. A number of mechanisms are examined: interstitial and vacancy-driven diffusion on both sublattices (Ti and N). In addition, we investigate the effect of the non-stoichiometry of TiN on its diffusion properties, for TiN is known to exist over the wide range of compositions. Moreover, we take into account the effect of temperature on all thermodynamic quantities within the quasiharmonic approximation. This way, we obtain the temperature dependent Cu diffusion coefficients in TiN for the considered mechanisms and TiN compositions.On the basis of our findings, we conclude that Cu diffusion in stoichiometric TiN occurs via a vacancy mechanism on the Ti sublattice, while for N-deficient TiN it occurs via a vacancy mechanism on the N sublattice. Our results for the N-deficient TiN are in good agreement with the available high-temperature experimental data. The insights obtained in this work allow us to suggest a possible explanation for the discrepancy among the experimental measurements.