電遷移(EM)是一種電子與原子間相互作用的過程。當施加電流時，電子將它們的動量轉移到原子上，當電流高到足以達到閾值電流密度時，就會產生電磁。在過去的十年中，由於銅的電阻率低，RC延遲小以及對EM的高電阻，銅已經取代了鋁在積體電路器件中的互連。近年來電子產品的尺寸越來越小，導致電流密度和早期孔隙日益增加，減小互連線的截面積會加劇電磁，導致惡性迴圈。解決電磁問題與下一代半導體產業息息相關。此外，空洞的形成還會改變區域性電流密度分佈，促進互連線損耗。隨著銅互連的應用越來越廣泛，常常透過抑制銅的自擴散來提高電磁電阻。現階段迫切需要找到一種材料，在各種互連材料中保持電阻率不變的情況下提高電磁耐久性，將奈米孿晶引入Cu中被認為是降低電磁干擾的有效途徑，因為奈米孿晶Cu具有比普通Cu更高的強度和相同的電阻率。目前缺乏關於TB取向與電子流方向關係的研究。
來自中國臺灣的研究人員透過原位高分辨透射對不同方向的電子進入高密度奈米孿晶銅的電遷移進行原子尺度研究。相關論文以題為“Atomic-Scale Investigation of Electromigration with Different Directions of Electron Flow into High-Density Nanotwinned Copper through In Situ HRTEM”發表在Acta Materialia。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117250
採用電沉積方法制備了納米孿晶和多晶銅。將Ti (100 nm)和Cu (200 nm)濺射到矽晶片上，然後將沉積後的試樣浸入電鍍液中。透過施加10分鐘4ASD的電流密度可以製備出多晶Cu，而施加4分鐘6ASD的電流密度可以製備出具有(111)擇優取向的奈米孿晶Cu。
研究發現奈米孿晶Cu的柱狀晶粒結構可以限制兩個晶粒之間的空洞。高密度奈米孿晶Cu中空穴的膨脹速率比多晶Cu低一個數量級。電子的流動方向與TB平面平行，說明TB平面限制了空洞的生長方向，原位HRTEM觀察到由(311)和(111)平面組成的階梯狀表面，當電子轉移動量並改變表面形貌時，階梯狀表面又變得光滑。由於TB平面兩側的Burgers向量的差異，會延緩原子層的消失。在斷點之前，抗性的增長率迅速增加，而後緩慢增加，從電阻的增加速率可以看出，當電子流方向垂直於TB時，試樣具有較好的電磁電阻。
圖1 在多晶試樣中空洞的膨脹
圖2電子流垂直於TB時的電子現象
圖3 當電子流垂直於TB時，空洞的垂直和水平方向增長速率
圖4當電子流與TBs平行時自由表面的演化
圖5 多晶和奈米孿晶樣品的電磁電阻比較
本研究為提高電子器件壽命提供了新的途徑，對半導體產業的進一步發展具有重要意義。本文證實了原子在奈米孿晶銅中的遷移。透過對結構變化的觀察和不同方向電子流動的比較，本研究有望為進一步瞭解電磁機理提供依據，可提高未來金屬互連設計的可靠性。（文：破風）
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