電場中原子拡散の計算機シミュレーション

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LSIなどで問題となっているエレクトロマイグレーションを想定し、電場の効果を取り入れた分子動力学シミュレーション手法を開発した。その手法を用いることにより、ナノオーダーの極微細配をモデルとしたエレクトロマイグレーションの計算を行い、電流に起因する原子拡散の電流密度・温度依存性、結晶方位とドリフト速度の関係などについて調べた。(1)分子動力学シミュレーションプログラムの作成従来の分子動力学シミュレーションプログラムに、・局所的な導電率を算出する。・試験条件、境界条件を決定し、電位の偏微分方程式を、緩和法により解く。・電位の勾配である電場を求め、電場によって決まる電流より力を算出する。等のプログラムを追加し、エレクトロマイグレーションのシミュレーションプログラムを作成した。(2)モデルの作成とシミュレーションの実施2次元Lenard-Jones単結晶モデル構造を作成し、電圧印加方向には周期的境界条件を課した。モデルの最外周の原子は、ポテンシャルは持つが位置は拘束し、電界の算出時には絶縁体として取り扱った。温度制御は一定間隔で強制クーリングを行い、上昇した温度を設定温度に戻すことで、ジュール熱による温度上昇を考慮した。結晶方位、温度、電流を変えたシミュレーション結果より、以下のことが明らかになった。1.すべり面の方向が電子流と平行のモデルにおいて最大のドリフト速度が観察された。2.すべり面が傾いているモデルの場合、ボイドは配線部陽極側に発生し、陰極側に向かう移動が観察された。3.実験で観察されたような、ドリフト速度に対する温度、電流のしきい値の存在が確認された。(4)今後の課題今後、3次元構造が扱えるようにプログラムを改良し、粒界を持つ構造、多結晶構造のモデルについて計算を行い、粒界部分での拡散挙動について調べる予定である。また、カバー構造についても考慮し、応力の影響について調べる必要がある。