Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

1. Einleitung
Das Phänomen des Elektrotransports, also des strominduzierten Massetransports in-
nerhalb 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 ei-
ne 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