Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

8 1. Einleitung
Silber [47–49], Gold [50–55] und vielen weiteren Metallen [56–61]. Weiterhin wurden Un-
tersuchungen an Legierungen wie Permalloy [62] oder an Supraleitern [63] durchgeführt.
Nicht nur die Anzahl der untersuchten Metalle bzw. Legierungen ist beachtlich. Auch
die Anzahl der verwendeten (in-situ) Untersuchungsmethoden ist beeindruckend. Diese
lassen sich dabei grob in zwei Kategorien unterteilen. In der ersten Kategorie beruhen
die Methoden alleine auf der Änderung des elektrischen Widerstandes. Dies macht man
sich hauptsächlich bei beschleunigten Lebensdauertests zu Nutze, bei denen die Position
und der Mechanismus des Ausfalls unwesentlich ist. Die zweite Kategorie beinhaltet Me-
thoden, bei denen neben den elektrischen Messdaten die morphologischen Änderungen
der Leiterbahn abgebildet werden. Hier kann eine Unterscheidung zwischen in-situ und
ex-situ Methoden vollzogen werden.
Da es sich bei der Elektromigration um einen statistischen Effekt handelt, wird oft-
mals die mittlere Ausfallzeit eines Ensembles gleicher Leiterbahnen bei erhöhten Strom-
dichten und/oder Temperaturen bestimmt [64]. Mittels der empirischen Black-Gleichung
(z. B. [65,66], siehe auch Kap. 2.6) lassen sich die gewonnenen Daten auf die Ausfall-
zeit bei Betriebsbedingungen umrechnen. Auch das elektrische 1/f-Rauschen wird als
Indikator für eine Elektromigrationsschädigung genutzt 5 [24,67–69].
Für die direkte Bestimmung von Elektromigrationseffekten wird nach Ausfall der
Leiterbahnen häufig eine ex-situ Analyse durchgeführt. Hierbei werden einzelne Lei-
terbahnen mikroskopisch (mittels Lichtmikroskopie oder elektronenoptischer Verfah-
ren wie Rasterelektronenmikroskopie [REM] und Transmissionselektronenmikroskopie
[TEM] sowie Rastersondenverfahren wie Rasterkraftmikroskopie [AFM] und Rastertun-
nelmikroskopie [engl.: Scanning Tunneling Microscopy, STM]) analysiert [43,70]. Da-
bei lässt sich, beispielsweise mit Einsatz von Markierungen, welche entweder aus ei-
nem inerten Material bestehen oder einfach Einkerbungen auf dem zu untersuchenden
Werkstück sind [56], direkt die Diffusionsgeschwindigkeit und damit der Diffusionsko-
effizient bestimmen. Ein Spezialfall sind dabei ”post-mortem” Analysen bei, denen die
Untersuchung erst nach dem elektrischen Ausfall erfolgt.
Die in-situ Beobachtung von Elektromigrationseffekten erfolgt ebenfalls mit den zu-
vor genannten Untersuchungsmethoden. Der Vorteil liegt in der direkten Korrelation
zwischen den elektrischen Messdaten und den morphologischen Änderungen (vorrangig
Bildung und Annihilation von Poren und/oder Hügeln). Neben klassischen Verfahren
wie REM [71–78] und TEM [79,80] sowie der Röntgendiffraktometrie [81,82], kommt
auch hier in neuerer Zeit den verschiedenen Rastersondenmethoden (AFM [83] und
STM [84,85]) eine verstärkte Bedeutung zu.
5 Im Englischen als Low Frequency Noise Measurement (LFNM) bezeichnet.