В области наноэлектронных устройств стремительное развитие миниатюризации и высокой степени интеграции ставит перед нанокомпонентами серьёзные задачи по обеспечению их атомарной стабильности в экстремальных условиях эксплуатации. По мере уменьшения размеров приборов до суб‑10‑нанометрового уровня явление электромиграции превращается в ключевой узкий участок, ограничивающий их надёжность: под действием токов высокой плотности происходит направленная диффузия атомов, которая постепенно разрушает металлические межсоединения и в конечном итоге приводит к выходу из строя всего устройства. На протяжении длительного времени медь и золото, являющиеся основными материалами для межсоединений, на суб‑10‑нанометровых масштабах демонстрируют значительное увеличение удельного сопротивления и низкую энергию активации диффузии, что делает их чрезвычайно подверженными отказам. Согласно традиционной теории, основным движущим механизмом атомной миграции в металлических межсоединениях является электронный «ветер», направление которого неизменно совпадает с направлением потока электронов; эта концепция стала краеугольным камнем разработки стратегий повышения надёжности в электронной отрасли.

Ввиду крайне высоких технических барьеров, связанных с подготовкой, экспериментальным исследованием и визуализацией материалов со сложной электронной структурой на атомном масштабе, исследователи до сих пор мало знают о механизмах электро‑мigrации в межсоединениях из тугоплавких металлов переходных групп. Хотя методы in situ‑просвечивающей электронной микроскопии уже позволяют фиксировать процесс миграции в традиционных металлах, их применение в основном ограничивается крупномасштабными структурами размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Недостаток таких экспериментальных данных серьёзно затрудняет надёжное проектирование наносистемных компонентов для экстремальных рабочих условий, что делает невозможным предсказание и контроль закономерностей эволюции структуры межсоединительных материалов следующего поколения на атомном уровне.

В ответ на указанные выше проблемы команда, в состав которой вошли сотрудники Чжэцзянского университета, Хэнаньской академии наук и других организаций, провела комплексное исследование с использованием системы in situ‑измерений TEM компании Зэюй Технолоджи. С помощью методов нанообработки in situ и электрического импульсирования впервые обнаружен феномен «встречного» электродиффузионного переноса атомов, при котором атомы перемещаются против направления электронного потока, в тугоплавких металлах — таких как вольфрам и молибден — на масштабах менее 10 нанометров, что ставит под сомнение традиционные представления о том, что движение атомов определяется главным образом силой электронного ветра.

Заголовок: Ветровая электромиграция металлических нано‑интерконнектов с размерами менее 10 нм
Журнал: Природа Коммуникации
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1038/s41467- 026-70283-9

Исследовательская группа в ходе точных экспериментов установила, что в нанопроводах из тугоплавких металлов — таких как вольфрам и молибден — поверхностные атомы под воздействием электрического импульса демонстрируют явление «перемещения против ветра», существенно отличающееся от традиционно принятого представления. Согласно общепринятой теории, электронный дрейф должен был бы приводить к движению атомов в направлении потока электронов; однако в этих переходных металлах со сложной электронной структурой атомы проявляют тенденцию к обратному перемещению. Это открытие не только прямо оспаривает устоявшийся за полвека парадигмальный подход к явлению электродиффузии в металлах, но и предоставляет ключевую теоретическую основу для надёжного проектирования высокопроизводительных наноустройств в экстремальных условиях эксплуатации.

Для преодоления чрезвычайной сложности технологий подготовки, тестирования и оперативной визуализации нанопроводников на атомном уровне исследователи разработали интегрированный метод in situ‑нанообработки и электрического импульсного тестирования. В ходе этого процесса, используя специальный зонд‑образец от компании Zeyou Technology, экспериментаторы смогли внутри электронного микроскопа с высокой точностью манипулировать наноразмерными вольфрамовыми остриями для выполнения in situ‑наносварки, тем самым создавая модели однокристальных или двукристальных нанопроводников с отсутствием дефектов решётки и контролируемой ориентацией плоскостей кристаллизации. Такая экспериментальная схема, основанная на высокоточной аппаратной платформе зонда‑образца, обеспечивает возможность в условиях исключения влияния поверхностных загрязнений в режиме реального времени с атомарным разрешением фиксировать динамическое развитие поверхностных процессов, вызванных электромиграцией, что предоставляет высоко надёжные данные для раскрытия фундаментальных механизмов явления электромиграции.

С помощью расчётов на основе первых принципов и моделирования методом функционала плотности исследовательская группа глубоко проанализировала физическую природу инверсии движущей силы. Показано, что эффективный заряд атомов металлов определяется совместным действием прямой силы и электронного ветра; при этом в таких материалах, как вольфрам и молибден, из‑за их уникальной зонной структуры энергии электронные и фононные взаимодействия слабы, а время рассеяния электронов коротко, что приводит к существенному ослаблению электронного ветра. Расчётные результаты свидетельствуют, что соотношение между прямой силой и электронным ветром для поверхностных атомов вольфрама и молибдена значительно выше, чем для традиционных межсоединительных материалов — меди и золота, вследствие чего прямая сила доминирует в конкурентном процессе, побуждая атомы перемещаться против направления электронного тока. Ясное объяснение этого механизма ознаменовало переход системы оценки движущей силы электромиграции от одномерной модели электронного ветра к многосиловой модели, учитывающей взаимодействие различных факторов.

В исследовании дополнительно рассмотрены перспективы применения явления электромиграции в предотвращении отказов нанопроводников и в высокоточном производстве. Экспериментально было показано, что, изменяя полярность электрических импульсов или регулируя кинетику поверхностных ступеней, можно искусственно управлять накоплением и истощением атомов, а при определённых условиях даже добиваться самовосстановления анодных повреждений. Этот закономерный характер изменения поверхностной морфологии на атомном уровне, регулируемый электрическими импульсами, не только способствует разработке более точных методов прогнозирования срока службы наноустройств, но и открывает новые технологические подходы для атомарного производства. Полученные результаты не только углубляют понимание механизмов транспорта металлов, но и задают научное направление для создания новых сплавов и многослойных межсоединительных структур, устойчивых к электромиграции, следующего поколения.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑характеризации с помощью трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку важнейшим научным достижениям отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено изделие компании Zeyou Technology — in situ‑образец‑стержень для ТЭМ, использовавшееся в данном исследовании: