Nature子刊 | 基于泽攸科技原位TEM技术的亚10纳米金属互连线逆风电迁移观测

在纳米电子器件领域，微型化与高集成度的快速发展对纳米组件在运行条件下的原子尺度稳定性提出了严峻挑战。随着器件尺寸缩减至亚10纳米级别，电迁移现象成为制约其可靠性的核心瓶颈，即在高密度电流驱动下，原子发生的定向扩散会逐渐损毁金属互连线，最终导致整个器件失效。长期以来，铜和金作为主流的互连材料，在亚10纳米尺度下表现出较高的电阻率增量和较低的扩散激活能，极易发生失效。传统理论认为，电子风力是驱动金属互连线中原子迁移的主要动力，其方向始终与电子流向保持一致，这已成为电子行业制定可靠性策略的基石。

由于复杂电子结构材料在原子尺度的制备、测试及可视化存在的技术门槛，研究者对过渡族难熔金属互连线的电迁移机制知之甚少。尽管原位透射电子显微技术已能捕捉传统金属的迁移过程，但其应用大多局限于几十至几百纳米的较大尺度结构。这种实验数据的缺失严重阻碍了面向工况的纳米组件可靠性设计，导致人们难以预测和控制次世代互连材料在原子级维度的结构演化规律。

针对上述问题，由浙江大学、河南省学院等组成的团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，通过原位纳米加工与电脉冲技术，在亚10纳米尺度的钨、钼等难熔金属中发现了原子逆电子流方向迁移的“逆风"电迁移现象，挑战了由电子风力主导原子的传统理论认知。

研究团队通过精密实验发现，在钨和钼等难熔金属纳米互连线中，表面原子在电脉冲驱动下表现出一种迥异于传统认知的“逆风"迁移现象。传统理论一向认为电子风力会驱动原子沿电子流方向移动，但在这些具有复杂电子结构的过渡金属中，原子却表现出反向迁移的趋势。这一发现不仅直接挑战了半个世纪以来金属电迁移现象的固有范式，也为未来工况下高性能纳米器件的可靠性设计提供了关键的理论依据。

图1 脉冲诱导的钨纳米线表面原子迁移

为了克服在原子尺度下对纳米互连线进行制备、测试和实时成像的技术极难，研究人员开发了一种集成的原位纳米加工与电脉冲测试方法。在这一过程中，利用了泽攸科技的原位探针样品杆，实验人员能够在电镜内部精确操纵纳米级钨针尖进行原位纳米焊接，从而构建出无晶格缺陷且晶面取向可控的单晶或双晶纳米互连线模型。这种基于原位探针样品杆精密硬件的实验方案，确保了在排除表面污染干扰的前提下，能够以原子级分辨率实时捕捉电迁移诱导的表面动力学演化过程，为揭示电迁移的本征机制提供了高可靠性的数据支持。

图2 通过表面电迁移实现的钨纳米线结构演化

通过一性原理计算与密度泛函理论模拟，研究团队深入剖析了驱动力反转的物理本质。研究表明，金属原子的有效电荷受直接力和电子风力的共同作用，而在钨和钼等材料中，由于其独特的电子能带结构，电子与声子的耦合强度较弱且电子散射时间较短，导致电子风力大幅度减弱。计算结果显示，钨和钼表面原子的直接力与电子风力之比远高于传统互连材料铜和金，使得直接力在竞争中占据主导地位，从而驱动原子逆着电子流方向迁移。这一机制的阐明，标志着电迁移驱动力评价体系从单一的电子风模型向多力博弈模型的跨越。

图3 表面电迁移过程中的原子台阶动力学

研究进一步探讨了电迁移现象在纳米互连线失效预防与精密制造中的应用前景。实验观察到，通过改变电脉冲的极性或调节表面台阶动力学，可以人为引导原子的堆积与耗尽，甚至在特定条件下实现阳极损伤的自我修复。这种由电脉冲调节的原子级表面形貌变化规律，不仅有助于制定更精确的纳米器件寿命预测框架，也为原子级制造技术提供了新的工艺思路。这项研究成果不仅深化了人类对金属输运行为的理解，更为开发下一代抗电迁移的新型合金材料与多层互连结构指明了科学方向。

图4 不同金属中脉冲诱导的表面电迁移现象

FEI单倾探针杆

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。