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Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen

Stahlmecke, Burkhard

Als Elektromigration bezeichnet man den strominduzierten Massetransport in metallischen Leitern. Sie stellt den Hauptgrund für das Versagen von integrierten Schaltkreisen dar und ist seit mehr als 50 Jahren Gegenstand intensiver Untersuchungen. In dieser Arbeit wurde die Elektromigration in polykristallinen Goldleiterbahnen und einkristallinen, selbstorganisierten Silberdrähten untersucht. Besonderes Augenmerk lag auf der hochauflösenden in-situ Beobachtung der auftretenden morphologischen Änderungen. Hierzu wurde ein neuer Versuchsstand aufgebaut und erfolgreich getestet. Während der Elektromigration kommt es in metallischen Leitern üblicherweise zur Bildung von Poren an der Kathodenseite und zur Bildung von Hügeln an der Anodenseite. Dieses Verhalten wird in der vorliegenden Arbeit detailliert untersucht. Der elektrische Ausfall der Goldleiterbahnen erfolgt über eine schlitzförmige Pore senkrecht zur Stromrichtung. Die Porenfläche nimmt im wesentlichen linear mit der Versuchszeit zu. Der Ausfall der polykristallinen Leiterbahnen erfolgt typischerweise bei einer Gesamtporenfläche von 2% bis 4 % der Gesamtleiterbahnfläche. Der Einfluss einzelner Poren in einer Leiterbahn unter massiver Strombelastung auf den elektrischen Widerstand wurde erfolgreich nachgewiesen. Die Abhängigkeit des Elektromigrationsverhalten von Leiterbahnbreite und -höhe, der Korngröße sowie der Temperatur wurde eingehend studiert. Für hochauflösende Messungen wurden spezielle Leiterbahnen mit Einbuchtungen hergestellt. Die Abhängigkeit der Elektromigration von der Stromdichte sowie der Einfluss der Messungen auf die Elektromigration ist ebenfalls Gegenstand dieser Arbeit. Bei Umkehrung der Polarität zeigt sich ein reversibles Elektromigrationsverhalten der Goldleiterbahnen, verbunden mit einer deutlichen Erhöhung der Lebensdauer. Hierbei wird ein merkliches Ausheilverhalten anhand der Widerstandsdaten der Leiterbahnen beobachtet. Weiterhin wird im Verlauf dieser Arbeit eine alternative Blechlänge bestimmt. Berechnet man das kritische Produkt aus Leiterbahnlänge und Stromdichte, ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit Literaturdaten, welche für andere metallische Leiterbahnen erzielt wurden. Erstmalig konnten im Rahmen dieser Arbeit Messungen an einkristallinen, selbstorganisierten Silberdrähten durchgeführt werden. Überraschenderweise findet man bei diesem System ein völlig anderes Elektromigrationsverhalten als in polykristallinen Goldleiterbahnen. Der Ausfall erfolgt an der Anodenseite und nicht, wie üblich, an der Kathodenseite. Der Materialtransport in diesem System erfolgt also von der Anode in Richtung der Kathode und damit entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Elektronen. Dieses Resultat deutet auf ein Überwiegen der direkten Kraft in diesem System hin.

Electromigration is the current induced mass transport in metallic wires. It is the main reason for electrical breakdown in integrated circuits and has been studied for more than 50 years. In this thesis, the electromigration behavior in polycrystalline gold as well as in self-organized single crystalline silver wires are studied. To study the electromigration behavior in detail, in-situ investigations of the wires are performed in a scanning electron microscope, for which a new test rig was successfully installed. During electromigration, the development of voids on the cathode and hillocks on the anode side of the wire are observed. This behavior is studied in detail in this thesis. Electrical breakdown in the gold wires takes place due to the presence of slit-like voids perpendicular to the current direction. The void area grows linearly during the course of the experiments, and the electrical breakdown takes place when the total void area reaches a value of 2 % to 4 % of the total wire area. The influence of single voids on the electrical resistance during high current stressing is determined. The dependence of the electromigration behavior on the width and height as well as on the crystallinity and temperature of the gold wires is studied in detail. For high resolution imaging of the wires during the experiments, a special layout with arbitrary kinks is used. The dependence of electromigration effects on current density and on the influence of the measurement setup itself are also discussed in this thesis. When reversing the current direction, a reversible electromigration behavior is observed. Also, the lifetime of the wires grows considerably. According to the resistance data, a remarkable stabilization of the polycrystalline wires is observed during this experiments. Furthermore, it is possible to define an alternative Blech length according to the position of voids and hillocks in the wires. This leads also to the determination of the critical product for these gold wires, which agrees well with data from literature on other metallic systems. For the first time, it is possible to study electromigration within self-organized single crystalline silver wires. Surprisingly, the electromigration behavior is completely different from that observed for polycrystalline gold wires. Electrical breakdown takes place at the anode side of the wire, i. e. material transport takes place against the direction of the electrons. These results indicate, that the direct force might be the dominating force within this system.

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Stahlmecke, Burkhard: Elektromigration in Gold und Silber Nanostrukturen. 2008.

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