上海交通大学吴蕴雯/清华大学鞠生宏，最新Nature子刊！

近日，上海交通大学材料科学与工程学院吴蕴雯副教授、清华大学航空航天学院鞠生宏副研究员合作在期刊Nature Communications上发表了题为“Single Atom Ru-supported Reduced Graphene Oxide Integrated Self-Assembled Monolayer as a nm-scale Cu Diffusion Barrier”的研究论文。本工作设计并制备了一种由单原子Ru掺杂的rGO原子级扩散阻挡层互连结构，该材料将介电层与铜互连间的界面粘附能提升120%，将铜互连热扩散的耐受温度提升至600℃，并使时间相关介电击穿测试（TDDB）下铜互连结构的平均失效时间延长24倍，为解决高密度纳米铜互连的互连延迟、可靠性等问题提供了解决思路。上海交通大学材料科学与工程学院博士生赵思博为论文的第一作者。

要点一：界面分子桥助力表面自限原子级电沉积

单原子Ru的掺杂通过化学位点自限捕获实现。首先，采用自组装单分子层（SAM）作为界面分子桥，末端基团接枝在羟基化的SiO₂电介质表面，而头部基团通过与rGO片层的含氧基团间的自限反应，实现rGO在SiO₂表面的自限原子级电沉积。而后，采用苯胺进行氮掺杂作为单原子Ru掺杂的前驱过程，Ru与苯胺进行配位。通过最终的热还原过程，氮元素插入rGO晶格中，而单原子Ru由于氮的固定而被自限捕获。经表征，单原子Ru分散在rGO结构内，扩散阻挡层的厚度仅为~1.4nm，且具有高均匀性与高连续性。

要点二：原子级尺度优异的互连界面热、电可靠性

本研究设计的Ru掺杂rGO扩散阻挡层的引入将铜互连和硅介质层的界面粘附性提升了120%，满足了铜互连粘附性的性能需求。退火后截面结构分析显示，Ru掺杂rGO扩散阻挡层的引入可将铜热扩散的耐受温度从400℃提升至600℃以上，具有优异的热稳定性和热扩散阻挡能力。

电流-电压测试（I-V）与时间相关介电击穿测试（TDDB）显示，Ru掺杂rGO的引入将临界击穿场强提升至无阻挡层体系的1.33倍，将平均失效时间提升至无阻挡层体系的24倍。电阻率拟合结果表明，Ru掺杂rGO的引入使铜互连结构电子表面散射的镜面反射系数p提升了0.5，显著降低了表面散射带来的电导率损耗。

要点三：单原子Ru的物理阻隔与化学捕获协同机制

为深入探究性能提升的机理，本研究通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了单原子Ru提升阻挡性能的双重作用机制。一方面，单原子Ru的掺杂位点倾向于占据rGO晶格中的空位缺陷，并与rGO晶格处于同一平面，从而有效填充了rGO晶格中扩散通道，物理阻隔了铜扩散。另一方面，单原子Ru的掺杂显著增强了rGO晶格对铜的吸附效果，使铜更容易在穿过rGO晶格时被化学捕获，有效提升了铜的扩散能垒。单原子Ru对于扩散阻挡性能的提升具有关键作用。

吴蕴雯，副教授，上海交通大学材料科学与工程学院，主要从事先进集成电路互连材料及先进封装技术研究。在Nat. Commun., Acta Mater., Adv. Funct. Mater., JMST等期刊发表SCI论文50余篇，主持国家自然科学基金青年/面上项目、上海科委、华为产学研项目多项，入选上海市扬帆青年人才计划，获中国表面工程协会颁发的优秀青年教师奖、科研之星称号。任上海电子学会理事，国际电子封装会议互连分会委员。

鞠生宏，副研究员，清华大学航天航空学院，主要研究方向为芯片热设计与热管理、AI赋能的热管理材料设计、微纳尺度传热。主持和参与国家自然科学基金面上/青年、科技部重点研发、华为产学研等项目10余项，在Phys. Rev. X、Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Acta Mater.、npj Comput. Mater.等期刊发表SCI论文90余篇。入选上海市海外高层次人才计划、上海市浦江人才计划，曾获杭州青山湖材料基因工程青年科学家奖、日本传热学会奖。