在納米電子器件領(lǐng)域，微型化與高集成度的快速發(fā)展對納米組件在運(yùn)行條件下的原子尺度穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著器件尺寸縮減至亞10納米級別，電遷移現(xiàn)象成為制約其可靠性的核心瓶頸，即在高密度電流驅(qū)動下，原子發(fā)生的定向擴(kuò)散會逐漸損毀金屬互連線，最終導(dǎo)致整個器件失效。長期以來，銅和金作為主流的互連材料，在亞10納米尺度下表現(xiàn)出較高的電阻率增量和較低的擴(kuò)散激活能，極易發(fā)生失效。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，電子風(fēng)力是驅(qū)動金屬互連線中原子遷移的主要動力，其方向始終與電子流向保持一致，這已成為電子行業(yè)制定可靠性策略的基石。

由于復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)材料在原子尺度的制備、測試及可視化存在的技術(shù)門檻，研究者對過渡族難熔金屬互連線的電遷移機(jī)制知之甚少。盡管原位透射電子顯微技術(shù)已能捕捉傳統(tǒng)金屬的遷移過程，但其應(yīng)用大多局限于幾十至幾百納米的較大尺度結(jié)構(gòu)。這種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺失嚴(yán)重阻礙了面向工況的納米組件可靠性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致人們難以預(yù)測和控制次世代互連材料在原子級維度的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。

針對上述問題，由浙江大學(xué)、河南省學(xué)院等組成的團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過原位納米加工與電脈沖技術(shù)，在亞10納米尺度的鎢、鉬等難熔金屬中發(fā)現(xiàn)了原子逆電子流方向遷移的“逆風(fēng)”電遷移現(xiàn)象，挑戰(zhàn)了由電子風(fēng)力主導(dǎo)原子的傳統(tǒng)理論認(rèn)知。

研究團(tuán)隊(duì)通過精密實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在鎢和鉬等難熔金屬納米互連線中，表面原子在電脈沖驅(qū)動下表現(xiàn)出一種迥異于傳統(tǒng)認(rèn)知的“逆風(fēng)”遷移現(xiàn)象。傳統(tǒng)理論一向認(rèn)為電子風(fēng)力會驅(qū)動原子沿電子流方向移動，但在這些具有復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的過渡金屬中，原子卻表現(xiàn)出反向遷移的趨勢。這一發(fā)現(xiàn)不僅直接挑戰(zhàn)了半個世紀(jì)以來金屬電遷移現(xiàn)象的固有范式，也為未來工況下高性能納米器件的可靠性設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)。

圖1 脈沖誘導(dǎo)的鎢納米線表面原子遷移

為了克服在原子尺度下對納米互連線進(jìn)行制備、測試和實(shí)時成像的技術(shù)極難，研究人員開發(fā)了一種集成的原位納米加工與電脈沖測試方法。在這一過程中，利用了澤攸科技的原位探針樣品桿，實(shí)驗(yàn)人員能夠在電鏡內(nèi)部精確操縱納米級鎢針尖進(jìn)行原位納米焊接，從而構(gòu)建出無晶格缺陷且晶面取向可控的單晶或雙晶納米互連線模型。這種基于原位探針樣品桿精密硬件的實(shí)驗(yàn)方案，確保了在排除表面污染干擾的前提下，能夠以原子級分辨率實(shí)時捕捉電遷移誘導(dǎo)的表面動力學(xué)演化過程，為揭示電遷移的本征機(jī)制提供了高可靠性的數(shù)據(jù)支持。

圖2 通過表面電遷移實(shí)現(xiàn)的鎢納米線結(jié)構(gòu)演化

通過一性原理計(jì)算與密度泛函理論模擬，研究團(tuán)隊(duì)深入剖析了驅(qū)動力反轉(zhuǎn)的物理本質(zhì)。研究表明，金屬原子的有效電荷受直接力和電子風(fēng)力的共同作用，而在鎢和鉬等材料中，由于其獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)，電子與聲子的耦合強(qiáng)度較弱且電子散射時間較短，導(dǎo)致電子風(fēng)力大幅度減弱。計(jì)算結(jié)果顯示，鎢和鉬表面原子的直接力與電子風(fēng)力之比遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)互連材料銅和金，使得直接力在競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位，從而驅(qū)動原子逆著電子流方向遷移。這一機(jī)制的闡明，標(biāo)志著電遷移驅(qū)動力評價體系從單一的電子風(fēng)模型向多力博弈模型的跨越。

圖3 表面電遷移過程中的原子臺階動力學(xué)

研究進(jìn)一步探討了電遷移現(xiàn)象在納米互連線失效預(yù)防與精密制造中的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)觀察到，通過改變電脈沖的極性或調(diào)節(jié)表面臺階動力學(xué)，可以人為引導(dǎo)原子的堆積與耗盡，甚至在特定條件下實(shí)現(xiàn)陽極損傷的自我修復(fù)。這種由電脈沖調(diào)節(jié)的原子級表面形貌變化規(guī)律，不僅有助于制定更精確的納米器件壽命預(yù)測框架，也為原子級制造技術(shù)提供了新的工藝思路。這項(xiàng)研究成果不僅深化了人類對金屬輸運(yùn)行為的理解，更為開發(fā)下一代抗電遷移的新型合金材料與多層互連結(jié)構(gòu)指明了科學(xué)方向。

圖4 不同金屬中脈沖誘導(dǎo)的表面電遷移現(xiàn)象

FEI單傾探針桿

澤攸科技專注于掃描電子顯微鏡、原位測量系統(tǒng)、臺階儀、納米位移臺、光柵尺、探針臺、電子束光刻機(jī)、二維材料轉(zhuǎn)移臺、超高真空組件及配件、壓電物鏡、等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)等精密設(shè)備的研究，滿足國家在科學(xué)精密儀器領(lǐng)域的諸多空白。澤攸科技以自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)為核心，依托一支專業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過二十多年的技術(shù)積累，在半導(dǎo)體加工設(shè)備和材料表征測量領(lǐng)域已屬于國內(nèi)頭部。公司承擔(dān)和參與了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家重大科研裝備研制項(xiàng)目等多個重量級科研項(xiàng)目，多次實(shí)現(xiàn)國內(nèi)材料表征測量設(shè)備的“國產(chǎn)替代”，相關(guān)產(chǎn)品具有較好的國際聲譽(yù)、產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)被國際盛名期刊采納。