В области наноэлектронных устройств стремительное развитие миниатюризации и высокой плотности интеграции ставит перед наноразмерными компонентами серьёзные задачи по обеспечению их атомарной стабильности в экстремальных условиях эксплуатации. По мере уменьшения габаритов приборов до суб‑10‑нм масштаба ключевым узким местом, ограничивающим надёжность, становится электромиграция: направленная диффузия атомов, вызванная токами высокой плотности, постепенно повреждает металлические межсоединения, что в конечном счёте приводит к выходу устройства из строя. На протяжении длительного времени медь и золото — основные материалы для межсоединений — демонстрируют значительное увеличение удельного сопротивления и низкие энергии активации диффузии на суб‑10‑нм уровне, что делает их крайне подверженными отказам. Согласно традиционной теории, основным движущим фактором атомарной миграции в металлических межсоединениях является электронный ветер; его направление всегда совпадает с направлением тока, что стало фундаментом для разработки стратегий повышения надёжности в электронной промышленности.

Ввиду чрезвычайно высоких технических барьеров, связанных с подготовкой, испытанием и визуализацией материалов со сложной электронной структурой на атомном масштабе, исследователям известно крайне мало о механизмах электромиграции тугоплавких переходных металлов, используемых в межсоединениях. Хотя методы in‑situ‑просвечивающей электронной микроскопии позволяют фиксировать процесс миграции в традиционных металлах, их применение в основном ограничивается структурами большего масштаба — от нескольких десятков до сотен нанометров. Недостаток экспериментальных данных существенно затрудняет проектирование надёжности наноразмерных компонентов для экстремальных условий эксплуатации, делая трудным предсказание и контроль структурной эволюции межсоединительных материалов следующего поколения на атомном уровне.

Для решения указанных выше задач команда из Чжэцзянского университета, Академии наук провинции Хэнань и других учреждений провела систематические исследования с использованием системы in-situ‑измерений на ТЭМ компании ZEPTOOLS. С помощью методов in-situ‑нанофабрикации и электрического импульсирования они впервые обнаружили в рефрактерных металлах размером менее 10 нм, таких как вольфрам и молибден, явление «электромиграции против ветра», при котором атомы перемещаются в направлении, противоположном потоку электронов, что ставит под сомнение традиционное теоретическое представление о том, что сила электронного ветра доминирует над атомной миграцией.

Название: Электромиграция металлических нано‑интерконнектов с размерами менее 10 нм против ветра
Журнал: Природа коммуникаций
URL: doi.org/10.1038/s41467-

Посредством точных экспериментов исследовательская группа выяснила, что в нано‑интерсоединениях из тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден, при электрическом импульсном воздействии атомы на поверхности проявляют явление «встречного» перемещения, которое полностью отличается от традиционных представлений. Согласно общепринятой теории, электронная сила ветра должна заставлять атомы двигаться в направлении потока электронов; однако в этих переходных металлах со сложной электронной структурой атомы склонны перемещаться в противоположном направлении. Это открытие не только прямо ставит под сомнение устоявшуюся парадигму электромиграции металлов, существовавшую на протяжении полувека, но и обеспечивает важнейшую теоретическую основу для проектирования надёжности высокопроизводительных наноустройств в условиях экстремальных рабочих режимов в будущем.

Для преодоления чрезвычайно сложных технических задач, связанных с изготовлением, испытанием и получением изображений нано‑соединений на атомном масштабе в режиме реального времени, исследователи разработали интегрированный метод in‑situ‑нанофабрикации и электрического импульсного тестирования. В ходе этого процесса, используя зондовый держатель ZEPTOOLS для проведения экспериментов in‑situ, учёные смогли с высокой точностью манипулировать наноразмерным вольфрамовым наконечником внутри электронного микроскопа, осуществляя in‑situ‑наносварку и тем самым формируя одно‑ или двукристаллические модели нано‑соединений, свободные от дефектов решётки и обладающие контролируемой кристаллографической ориентацией. Этот экспериментальный подход, основанный на высокоточной аппаратной базе зондового держателя для проведения опытов in‑situ, обеспечил возможность фиксации в реальном времени динамического развития электромиграции, обусловленного поверхностной диффузией, с атомным разрешением и без влияния поверхностных загрязнений, что предоставило исключительно надёжную экспериментальную базу для раскрытия внутреннего механизма электромиграции.

С помощью расчётов на основе первых принципов и моделирования методом функционала плотности исследовательская группа подробно проанализировала физическую природу инверсии движущей силы. Результаты показывают, что эффективный заряд атомов металлов определяется как прямым воздействием, так и силой электронного ветра. В таких материалах, как вольфрам и молибден, благодаря их уникальной электронной зонной структуре сила электрон‑фононного взаимодействия невелика, а время рассеяния электронов коротко; это приводит к существенному ослаблению силы электронного ветра. Расчёты показывают, что соотношение прямого воздействия и силы электронного ветра на поверхностных атомах вольфрама и молибдена значительно выше, чем в традиционных материалах для межсоединений — таких как медь и золото, — что позволяет прямому воздействию преобладать в конкурентной борьбе и, таким образом, побуждать атомы перемещаться в направлении, противоположном потоку электронов. Раскрытие этого механизма ознаменовало переход в системе оценки движущих сил электромиграции от единой модели электронного ветра к модели конкуренции множества сил.

В исследовании дополнительно изучены перспективы применения явлений электромиграции для предотвращения отказов и обеспечения высокой точности при производстве нано‑интерсоединений. Экспериментально установлено, что изменение полярности электрического импульса либо модуляция кинетики ступеней на поверхности позволяют искусственно управлять накоплением и истощением атомов, а в определённых условиях даже достигается самовосстановление анодных повреждений. Такая регулируемая электрическими импульсами эволюция поверхностной морфологии на атомном уровне не только способствует формированию более точной методологии прогнозирования срока службы наноустройств, но и открывает новые технологические подходы к производству на атомном масштабе. Полученные результаты не только углубляют понимание механизмов транспорта металлов, но и задают научную направленность для разработки новейших сплавов и многослойных структур интерсоединений, устойчивых к электромиграции.

Компания ZEPTOOLS, являясь китайским производителем высококачественных прецизионных приборов, является ведущим поставщиком решений для in‑situ‑характеризации с помощью электронной микроскопии. Серия решений PicoFemto для in‑situ‑характеризации на основе просвечивающей электронной микроскопии последовательно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений пользователей как в Китае, так и за рубежом. На приведённом ниже рисунке показано устройство‑держатель образца для in‑situ‑ЭМП компании ZEPTOOLS, использованное в данном научном достижении: