Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

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76 5. Ergebnisse und Diskussion: Goldleiterbahnen a b Elektronen - + Elektronen + - Abb. 5.10: Direkter Vergleich des Ausfallverhaltens zweier Leiterbahnen mit Einbuchtung. Teilbild a) zeigt den Ausfall nach Elektronenfluss von links nach rechts; Teilbild b) nach Elektronenfluss von rechts nach links. Die schlitzförmigen Poren, welche zum elektrischen Durchbruch geführt haben, befinden sich in der Einbuchtung in Richtung der jeweiligen Kathode. Überlegungen gelten sowohl für die Diffusion im Volumen, als auch an der Oberfläche und in den Korngrenzen. Wird zur Steigerung der Windkraft die Stromdichte erhöht, kommt es gleichzeitig zu einer verstärkten Joul’schen Erwärmung der Leiterbahn, so dass die thermische Energie dann für eine Anregung der Atome ausreichend ist. Für diesen Fall wird selbst bei Temperaturen im Bereich von 77 K eine Elektromigrationsschädigung hervorgerufen. Dies wird bei der gezielten Herstellung von Nanokontakten ausgenutzt [145]. 5.1.8 Einfluss vorgegebener Engstellen Für eine detailliertere Untersuchung des Ausfallsverhaltens ist es wünschenswert, die Position der Porenbildung vor Durchführung des Experimentes eingrenzen zu können. Hierzu wurden Leiterbahnen mit vorgegebenen Engstellen hergestellt, die es aufgrund der höheren Vergrößerung gestatten, eine höhere Auflösung der morphologischen Ände- rungen bei den in-situ REM-Untersuchungen zu erzielen. Der Ausfall dieser Leiterbah- nen findet aufgrund der höheren Stromdichte in der Engstelle statt. Gleichzeitig sollte untersucht werden, ob diese Engstellen Einfluss auf das Elektromigrationsverhalten neh- men. Abb. 5.10 zeigt REM-Aufnahmen von zwei identisch hergestellten Leiterbahnen, welche mit unterschiedlicher Stromrichtung belastet wurden, nach dem elektrischen Ausfall. Gemeinsam ist beiden Leiterbahnen der elektrische Durchbruch innerhalb der Engstelle über eine schlitzförmige Pore. Die Position dieser Pore befindet sich jeweils in Richtung der Kathode, wie man es auch für Leiterbahnen ohne Einbuchtung erwarten würde.
5.2 Kornwachstum und der Einfluss von Kohlenstoff 77 Weiterhin befindet sie sich jeweils am Beginn des schmalen Bereichs der Leiterbahn, also dort, wo die Stromdichte einen höheren Wert besitzt als in den breiteren Bereichen der Leiterbahn. Die Hügelbildung erfolgt in Richtung der Anode, also entsprechend der Fließrichtung der Elektronen. Im Vergleich zu Leiterbahnen ohne Engstelle hat sich damit kein wesentlicher Un- terschied im Ausfallverhalten ergeben. Der Grund hierfür ist das immer noch große Verhältnis von Korngröße zu Leiterbahnbreite. Die Diffusion findet weiterhin über die Korngrenzen statt, so dass die Verjüngung der Leiterbahnen nur die Position des elektrischen Ausfalls eingrenzt. Daher werden die Messungen an Leiterbahnen mit Einbuchtung im folgenden nicht gesondert behandelt. 5.2 Kornwachstum und der Einfluss von Kohlenstoff 5.2.1 Kornwachstum innerhalb von Leiterbahnen Von metallischen Schichten, die auf Halbleitersubstraten aufwachsen, ist bekannt, dass Texturen auftreten können. Um zu überprüfen ob bei den verwendeten Goldleiterbahnen auch eine Textur vorliegt, wurden an geschlossenen Goldschichten mit zwei unterschied- lichen Schichtdicken t1 ≃ 38 nm und t2 ≃ 64 nm XRD-Messungen durchgeführt. Dabei wurde jeweils die gleiche Schicht vor und nach einem Anlassschritt bei einer Temperatur von 450 ◦ C für einen Zeitraum von 15 Minuten untersucht. Für beide Schichtdicken wird nach Anlassen der Proben ein deutliches Anwachsen der Intensität des (111)- bzw. des (222)-Peaks beobachtet. Vergleicht man die Intensitäten der Peaks vor und nach dem Anlassen, erkennt man, dass bereits vor dem Anlassen eine (111)-Textur in den Proben vorhanden ist. Gleichzeitig zeigen die XRD-Spektren, dass zwar eine Textur vorliegt, aber die Schichten nicht epitaktisch auf den Siliziumsubstraten aufgewachsen sind. Wie in-situ-Anlassversuche gezeigt haben, findet ein wesentliches Kornwachstum erst oberhalb einer Temperatur von ca. 130 ◦ C statt. Dabei stellt sich die Frage, ob es aufgrund der Elektromigration zu einem Kornwachstum innerhalb der Leiterbahnen kommt. Die typische Erwärmung der Leiterbahnen liegt für Siliziumsubstrate mit natürlichem Oxid typischerweise in einem Bereich von 50 ◦ C bis 100 ◦ C. Bei den Substraten mit thermisch gewachsenem Oxid kann sie bis 200 ◦ C betragen. Eine darüber hinausge- hende Erwärmung aufgrund Joul’scher Wärme findet erst in den letzten Stadien der Elektromigration lokal statt (siehe Kap. 5.1). Abb. 5.11 zeigt ein Beispiel für eine elektromigrierte Leiterbahn mit Engstelle. Diese Leiterbahn wurde vor dem Elektromigrationsexperiment nicht angelassen; die Korngröße
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ii Abstract Electromigration is the
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iv Inhaltsverzeichnis 5.1.6 Weitere
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2 1. Einleitung 1 µm Hügel Poren
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4 1. Einleitung Abb. 1.3: Kupfermet
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6 1. Einleitung Abb. 1.4: Schematis
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8 1. Einleitung Silber [47-49], Gol
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10 1. Einleitung zwischen dem Wider
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12 2. Grundlagen Metallionen über
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