Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

1.1 Industrielle Bedeutung und Literaturübersicht 5
fall einzelner Leiterbahnen zu verhindern oder zumindest zu verzögern und so die Zu-
verlässigkeit und Lebensdauer der Schaltkreise zu erhöhen. Hierbei wird vielfach auf
statistische Messungen an identischen Leiterbahnensemblen zurückgegriffen. Um Mes-
sungen in verschiedenen Laboren vergleichbar zu machen, wurde ein internationaler
Standard geschaffen, nach welchem diese Ausfallzeiten bestimmt werden [7].
Unter normalen Betriebsbedingungen (heute: ∼ 105 ◦ C [3]) soll der Ausfall einzel-
ner Leiterbahnen eines IC’s frühestens nach zehn Jahren erfolgen. Daher ist es nicht
möglich, einen Test unter normalen Betriebsbedingungen ablaufen zu lassen. Um den-
noch eine Aussage bezüglich der zu erwartenden Lebensdauer zu treffen, wurden ver-
schiedene Testmethoden entwickelt, welche unter Einsatz hoher Temperaturen und/oder
Stromdichten beschleunigte Lebensdauertests gestatten (siehe z. B. [8]). Mit Hilfe der
empirischen Black-Gleichung lässt sich anschließend eine Aussage über die Lebensdauer
unter Betriebsbedingungen treffen 4 .
In integrierten Bauelementen wurde bis vor wenigen Jahren in erster Linie Alumini-
um für die Metallisierungen verwendet. Ein Vorteil von Aluminium ist die relativ hohe
Leitfähigkeit und die Bildung einer natürlichen Oxidschicht, welche als Diffusionsbar-
riere dient und so zu einer Verlängerung der Lebensdauer führt. Ein Nachteil ist der
geringe Schmelzpunkt und die hohe intrinsische Diffusion. Weiterhin kommt für III-IV
Halbleitersysteme wie beispielsweise Galliumarsenid Gold als Metallisierung zum Ein-
satz [9,10]).
Bereits Anfang der siebziger Jahre des vorigen Jahrhunderts wurde erkannt, dass
die Beimengung geringer Anteile anderer Metalle (hier ist vor allem Kupfer zu nennen)
dazu führt, dass man eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer erhält (siehe z. B. [11]).
Der Grund für die Verlängerung der Lebensdauer liegt in der bevorzugten Migration der
Fremdatome.
Einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer haben weiterhin die Korngröße
und die Anordnung der Körner innerhalb einzelner Leiterbahnen. Materialien mit kleinen
Körnern zeigen aufgrund der energetisch günstigen Korngrenzendiffusion eine erhöhte
Anfälligkeit für Elektromigrationseffekte. Dies wurde bereits recht früh [12] erkannt,
und in der Folge befassten sich in den 1970er Jahren eine Reihe von Arbeiten mit so
genannten Bambusstrukturen. Hierbei bestehen die Leiterbahnen, oder Teile der Leiter-
bahnen aus einkristallinen Bereichen. Das Ziel war es, die Lebensdauer mit Hilfe dieser
Bereiche, die eine höhere Aktivierungsenergie für die Diffusion benötigen, zu erhöhen.
Die höchste Aktivierungsenergie für Diffusionsvorgänge und damit die größte Resistenz
gegenüber Elektromigrationsschädigungen weisen im allgemeinen einkristalline Leiter-
bahnen auf; dementsprechend fanden eine Reihe von Untersuchungen an einkristallinen
4 Dies gilt, solange sich der für den Ausfall verantwortliche Diffusionspfad nicht ändert.