在先进集成电路制程迭代升级背景下，铜互连作为芯片内部信号传输的载体，其导电性能、抗电迁移能力与稳定性直接决定芯片的算力、功耗及使用寿命。当前，三星、台积电、IBM等国际头部企业均将石墨烯改性铜互连材料视为下一代高端芯片3D互连、低延迟传输、高可靠封装的突破方向。针对硅基集成电路400℃热预算的严苛制程限制，传统石墨烯高温生长设备与工艺难以适配芯片量产制程需求，低温、兼容量产、高性能的石墨烯铜复合互连制备技术成为行业攻关重点。
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所于庆凯研究员团队完成关键技术突破，研发出无需额外加热的石墨烯低温原位生长新工艺，可在铜薄膜及铜互连线表面直接制备高质量少层石墨烯，大幅优化铜互连电学性能与可靠性。相关研究成果已正式发表于《Materials Today Physics》，为集成电路互连设备迭代、新型半导体复合材料量产提供了全新技术路径。
据了解，该团队此前已通过界面应力工程技术实现铜基导电性能的优化升级。依托等离子体化学气相沉积（PECVD）设备工艺，利用石墨烯与铜基底的热膨胀系数失配特性，在冷却阶段为铜基底表层引入残余压应力，成功将铜基体电导率提升至109.4%IACS，验证了石墨烯改性铜互连材料的技术可行性，为后续低温工艺迭代奠定了理论与工艺基础。
相较于传统高温制备设备与工艺，本次革新的优势在于突破外加热依赖，适配芯片低温制程要求。团队摒弃行业通用的甲烷气态碳源体系，创新采用商用石墨纸作为固态碳源，搭配射频等离子体设备体系，通过等离子体激发作用产生活性碳物种。整套制备系统无需外接加热设备，仅依靠等离子体自热效应将反应温度稳定控制在约390℃，精准规避硅基集成电路的热预算限制，可直接在铜薄膜、成品铜互连线表面生长少层石墨烯。对照实验数据显示，传统甲烷碳源在该低温无外热设备工况下无法完成石墨烯生长，印证了固态碳源与等离子体自热工艺的独特适配性。
性能测试数据表明，该新工艺制备的石墨烯/铜复合互连导线实现全方位性能跃升。相较于同规格常规退火铜互连线，其击穿电流密度提升28.2%，电路过载耐受能力显著增强；电阻率大幅降低68.7%，可有效减少芯片信号传输损耗、降低传输延迟；同时材料抗电迁移性能大幅优化，从根本上改善了铜互连长期通电工况下原子迁移失效的行业痛点，大幅提升高端芯片、功率器件的长期运行稳定性。
为厘清低温无外热体系下石墨烯的生长机理，团队依托透射电镜（TEM）、电子能量损失谱（EELS）、X射线光电子能谱（XPS）等精密表征设备，完成石墨烯-铜界面的微观结构深度解析。测试发现，二者界面间存在一层厚度约2.4nm的氧化亚铜（Cu?O）过渡层，也是低温石墨烯成型的关键因素。据分析，该过渡层主要源自两大渠道：一是铜基底在设备装夹、腔体转移过程中残留的微量氧化物难以完全去除；二是等离子体溅射石英腔体管壁引入的微量氧元素。而Cu?O可有效降低石墨烯边缘粘附势垒，加速碳原子表面扩散与吸附，为低温无外热工况下高质量石墨烯生长提供了助力。
业内分析表示，此次无外加热低温石墨烯生长技术的突破，解决了传统设备工艺与先进芯片制程不兼容的难题，打通了石墨烯改性铜互连材料从实验室研发到规模化量产的关键壁垒。不仅为半导体互连设备的低温化、高化迭代提供了全新方案，也将推动石墨烯复合导电材料在高端集成电路、高频电子设备、大功率半导体器件等领域的规模化应用，为国内先进集成电路互连材料与制备设备的国产化升级赋能。