Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

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iv Inhaltsverzeichnis 5.1.6 Weitere Beispiele des Elektromigrationsverhaltens in polykristallinen Leiterbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.7 Tieftemperaturmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1.8 Einfluss vorgegebener Engstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2 Kornwachstum und der Einfluss von Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.2.1 Kornwachstum innerhalb von Leiterbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.2.2 Einfluss von (Kohlenstoff)-Verunreinigungen . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3 Reversible Elektromigration in Goldleiterbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.3.1 Morphologische Änderungen innerhalb der Leiterbahnen . . . . . . . . . 81 5.3.2 Widerstandsverhalten während der reversiblen Elektromigration . . . . 84 5.3.3 Verknüpfung der morphologischen und elektrischen Messdaten . . . . . 86 5.4 Bestimmung einer alternativen Blechlänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.5 Abschließende Diskussion: Polykristalline Goldleiterbahnen . . . . . . . . . . . 92 6. Ergebnisse und Diskussion: Silberdrähte 96 6.1 Elektromigration in einkristallinen Silberdrähten . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.2 Vergleich von einkristallinen Silberdrähten und polykristallinen Goldleiterbahnen 98 6.3 Einfluss von Fremdatomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.4 Reversibilität bei einkristallinen Silberdrähten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.5 Einfluss von zusätzlichen Spannungsabgriffen sowie von Kohlenstoffablagerungen103 6.6 Abschließende Diskussion: Einkristalline Silberdrähte . . . . . . . . . . . . . . . 106 7. Zusammenfassung und Ausblick 109 A Bestimmung der Porenfläche 112 Literaturverzeichnis 114 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 129 Danksagung 132 Lebenslauf 134 Veröffentlichungen 136
1. Einleitung Das Phänomen des Elektrotransports, also des strominduzierten Massetransports innerhalb eines metallischen Leiters, wurde bereits 1861 von Gerardin an einer Blei-Zinn Legierung beobachtet (siehe Zitate in [1]). Systematische Untersuchungen an unter- schiedlichen Metallen werden seit mehr als 50 Jahren vorgenommen. Grundlegende Untersuchungen beschäftigten sich zunächst mit dem Phänomen des stromgetriebenen Massetransports und waren Bestandteil von Forschungen zum Diffusionsverhalten in Festkörpern. Für den Elektrotransport in Festkörpern, und hier vor allem für Metal- lisierungen in Computerchips [2], wurde der Begriff Elektromigration geprägt. Durch die Verkleinerung elektronischer Bauelemente wurde die Elektromigration technologisch immens wichtig, da sie gegen Ende der 60er Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts als Hauptgrund für das Versagen integrierter Schaltkreise (englisch: integrated circuit, IC) identifiziert werden konnte. Dabei spricht man von einem Ausfall aufgrund von Elek- tromigration nicht nur bei elektrisch unterbrochenen Leiterbahnen durch die so genann- te Porenbildung, sondern auch, wenn zwei Leiterbahnen aufgrund eines sich bildenden Hügels 1 einen elektrischen Kurzschluss produzieren. In Abb. 1.1 ist ein Beispiel für eine typische Elektromigrationsschädigung einer Leiterbahn gezeigt. Man erkennt in dieser rasterelektronenmikroskopischen Aufnah- me eine Goldleiterbahn, welche auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat mit Hilfe der Elektronenstrahllithographie präpariert wurde. Ein Strom mit einer Dichte von ca. 1 × 10 8 A/cm 2 ist für einen Zeitraum von 10 Minuten durch die Leiterbahn geflossen. Dadurch kam es zur Bildung von Poren (dunkler Kontrast innerhalb der Leiterbahn) und Hügeln (heller Kontrast). Die Form der Schädigung ist typisch für das Auftreten von Elektromigrationseffekten in polykristallinen Leiterbahnen. Bei integrierten Schaltkreisen verringerten sich die Abmessungen der Metallisierun- gen beständig von mehreren Mikrometern Breite auf derzeit 90 nm; gleichzeitig fand ein Materialwechsel von Aluminium- zu Kupfermetallisierungen statt. Für die Zukunft ist eine weitere Verringerung der Metallisierungen bis hinab zu 14 nm im Jahre 2020 geplant (für Metallisierungen innerhalb der CMOS-Technologie; siehe International Technolo- gy Roadmap for Semiconductors, ITRS, Edition 2005 [3]). Aufgrund der verringerten Dimensionen steigt die Stromdichte innerhalb der Metallisierungen beständig an und erreicht momentan Werte von 1 × 10 7 A/cm 2 . Vergleicht man diese Stromdichte mit der eines typischen Haushaltskabels (mit einem Querschnitt von 1, 5 mm 2 ) müsste die- ses Kabel einen Dauerstrom von 700000 Ampere tragen. Aufgrund der kontinuierlich ansteigenden Stromdichte stellt die Elektromigration, trotz zahlreicher Verbesserungen 1 In dieser Arbeit werden durchgängig die deutschen Begriffe Pore und Hügel verwendet; diese ent- sprechen den englischen Begriffen void und hillock. 1
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Seite 14 und 15: 4 1. Einleitung Abb. 1.3: Kupfermet
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Seite 18 und 19: 8 1. Einleitung Silber [47-49], Gol
Seite 20 und 21: 10 1. Einleitung zwischen dem Wider
Seite 22 und 23: 12 2. Grundlagen Metallionen über
Seite 24 und 25: 14 2. Grundlagen elektrisches Feld
Seite 26 und 27: 16 2. Grundlagen Abb. 2.3: Die fün
Seite 28 und 29: 18 2. Grundlagen a b + + Hügel Hü
Seite 30 und 31: 20 2. Grundlagen halb einer Metalli
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Seite 34 und 35: 24 2. Grundlagen In der Literatur w
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110 7. Zusammenfassung und Ausblick
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114 Literatur Literatur [1] P. S. H
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116 Literatur [29] H.-U. Schreiber,
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118 Literatur [56] P. S. Ho, J. Phy
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120 Literatur [82] G. Schneider, M.
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122 Literatur [108] H. Landolt, R.
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124 Literatur [136] T. O. Ogurtani,
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126 Literatur [163] T. Michely, M.
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128 Literatur [190] M. Hartmann, Un
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