Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

20 2. Grundlagen
halb einer Metallisierung für eine Vorzugsrichtung der Bewegung, wobei zwischen Zug-
und Druckspannungen unterschieden wird [117,118]. Der Aufbau eines Spannungsgra-
dienten erfolgt dabei durch die Anreicherung von Leerstellen aufgrund der Elektromi-
gration. Bei Überschreiten einer kritischen Grenzspannung aufgrund der mechanischen
Verzerrung durch die Leerstellen, koaleszieren die einzelnen Leerstellen und es kommt
zur Bildung von makroskopischen Poren. Hiermit verbunden ist, in Abhängigkeit der
Dimensionen einer Leiterbahn, ein kritischer Spannungsgradient ∆σ wie in Kap. 2.5
erläutert wird.
Zur Bildung von Poren kann es weiterhin aufgrund von mechanischen Verspannun-
gen kommen, welche nicht direkt von der Elektromigration herrühren 7 . Diese besitzen,
im Gegensatz zu den oftmals ausgedehnten Poren, welche durch den Leerstellenfluss
erzeugt werden, überwiegend ein schlitzförmiges Aussehen [35,119]. Diese Spannungs-
induzierten Poren werden dabei an morphologisch anderen Positionen erzeugt als die
durch Elektromigration gebildeten Poren, wie von Marieb et al. an passivierten Alu-
miniumleiterbahnen gezeigt werden konnte [120]. In Metallisierungen von IC’s bilden
sich spannungsinduzierte Poren weiterhin auch in Bereichen, welche nicht von Strom
durchflossen werden [121].
Nicht nur bei den Metallisierungen innerhalb eines IC’s spielt weiterhin der Ein-
fluss von Engstellen bzw. Richtungswechseln des Stomflusses eine wesentliche Rolle. Im
Jahre 2000 wurde von Tu et al. [122] mit der Stromdichtegradientenkraft eine weitere
Einflussgröße für die Elektromigration identifiziert und im Folgenden kontrovers disku-
tiert [123,124]. Ändert der Strom beim Übergang von einer Metallisierungsebene auf
eine andere seine Richtung, gibt es einen Stromdichtegradienten von der Innenseite der
Engstelle zur Außenseite. Überraschenderweise kommt es an der Außenseite, also im
Gebiet mit verminderter Stromdichte, eher zur Bildung von Poren als an der Innensei-
te. Die Erklärung hierfür ist, dass einzelne Fehlstellen aufgrund der unterschiedlichen
Stromdichte bevorzugt in ein Gebiet mit niedriger Stromdichte wandern. Gleichzeitig
spielen hier mechanische Verspannungen eine entscheidende Rolle (siehe Kap. 2.5) Wie
in-situ-Untersuchungen gezeigt haben, kommt es selbst in stromlosen Bereichen von Lei-
terbahnen zur Bildung von Poren [125]. Unter Ausnutzung dieses Effekts lässt sich die
Lebensdauer der Metallisierungen erhöhen, wenn gezielt ein Überhang innerhalb einer
Metallisierungsebene als Materialresevoir verwendet wird.
Die Bildung eines Stromdichtegradienten ist eng mit dem so genannten ”current
crowding” verknüpft, bei dem sich die Elektronen vor Engstellen oder Richtungswechseln
”anstauen”. Daher wird bei Metallisierungen innerhalb einer Ebene verstärkt Wert auf
7 Hier ist vor allem die Prozessierung und Materialwahl der Metallisierung mit entscheidend für die
Bildung dieser Spannungsporen.