石墨烯在互连领域的应用受到广泛关注，三星正探索石墨烯在3D互连中的应用，台积电将插层石墨烯视为下一代互连中降低延迟的关键材料，IBM利用石墨烯改善铜互连的可靠性与抗电迁移性能。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围绕“石墨烯/铜复合材料”在集成电路互连中的应用，取得系列进展。团队此前发现石墨烯通过界面应力工程可显著提升铜电导率——在PECVD生长后的冷却过程中，石墨烯因与铜的热失配向铜基底近表面引入残余压应力，从而将铜电导率提升至109.4%IACS（Materials Today Physics, 2025）。为了应对硅基集成电路的热预算限制（＜400 °C），实现石墨烯更好的集成，团队近期开发出一种无需额外加热的石墨烯低温生长新策略。相关成果以“Direct heat-free synthesis of graphene on copper for high-ampacity interconnects”为题，于近期发表在《Materials Today Physics》。

以商用石墨纸为固态碳源，在射频等离子体辅助下产生活性碳物种，成功在无额外加热的条件下（仅等离子体自热至约390 °C）于铜薄膜/铜互连线表面生长少层石墨烯。而传统碳源甲烷在相同条件下无法形成石墨烯。相较于同尺寸退火铜互连线，铜烯互连导线电学性能显著提升：击穿电流密度提高28.2%，电阻率降低68.7%，展现出更优的抗电迁移可靠性。

图1石墨纸碳源无额外热铜上生长石墨烯，铜烯电学性能显著提升。

已有研究表明，铜表面的氧化物（氧化铜或氧化亚铜）能够降低石墨烯边缘的粘附势垒，促进碳原子的表面扩散和边缘吸附。在对石墨烯-铜界面的深入表征中，团队发现石墨烯与铜之间存在一层厚度约2.4 nm的过渡层，通过截面TEM、EELS面扫描和XPS深度剖析，确认其为Cu₂O。其可能来源主要有二：一是铜基底在转移至反应腔体过程中吸附的残余氧化物难以被完全去除；二是等离子体对石英管壁的溅射引入了额外氧。该工作中形成的Cu₂O可能是低温条件下助力少层石墨烯生长的关键促进因素。

图2 石墨烯/铜界面处Cu₂O过渡层的综合表征。

该研究工作第一单位为中国科学院上海微系统与信息技术研究所，论文第一作者为博士研究生陈嘉瑶、赵一沣博士、硕士研究生袁文韬，通讯作者为上海微系统所时志远副研究员和于庆凯研究员。研究工作得到了国家重点研发计划(2022YFA1204900)、集成电路材料国家重点实验室自主课题项目(SKLJC-Z2024-B06)和上海微系统所所级公共技术中心的支持。