蓝宝石原位构筑MoS₂/石墨烯异质结

——面向先进芯片铜互连的超薄扩散阻挡层解决方案

随着半导体芯片制程进入7nm、3nm及以下先进节点，后端铜互连工艺面临严峻的尺寸微缩瓶颈。传统芯片铜互连体系采用Ta/TaN金属堆叠作为衬里/扩散阻挡层，整体厚度约4 nm，在极小尺寸布线结构中会大幅挤占铜导线的填充空间；同时，当铜薄膜厚度缩减至10 nm级别时，晶界扩散效应急剧加剧，铜薄膜电阻率大幅飙升，严重影响芯片导电性能与工作稳定性。

针对行业痛点，本研究依托蓝宝石衬底原位生长技术，无转移制备MoS₂/石墨烯二维异质堆叠结构，整套阻挡层总厚度仅1 nm，极致缩减阻挡层尺寸。其中石墨烯充当铜原子扩散屏障，有效抑制铜原子向基底扩散；MoS₂优化铜薄膜表面润湿性，保障超薄铜膜连续致密。蓝宝石作为整套异质结体系的核心支撑基底，是实现纯净、无缺陷、高性能二维阻挡层的关键。本文结合截面电镜、电阻率测试数据，全面解析蓝宝石衬底在先进芯片铜互连阻挡层领域的应用价值与技术优势。

一、蓝宝石衬底：MoS₂/石墨烯异质结原位制备的不可替代平台

1.1 全程原位无转移异质结制备工艺

整套异质结制备全程依托蓝宝石衬底，无需任何薄膜转移步骤，彻底规避界面污染与结构损伤，具体工艺流程分为三步：

第一步，石墨烯基底制备。采用博客一优化后的标准工艺，在蓝宝石晶圆表面生长高质量单层石墨烯，获得结构完整、附着力强的石墨烯/蓝宝石复合基底；第二步，前驱体沉积。通过热蒸发工艺，在石墨烯表面匀速沉积1.0 nm厚度的MoO₃薄膜，沉积速率稳定控制在0.1 nm/s，保障薄膜均匀性；第三步，硫化退火改性。将样品置于管式炉中心，在850 ℃、50 Torr条件下，以200 sccm Ar为载气，携带160 ℃升华的硫粉与MoO₃发生硫化反应，最终生成单层MoS₂，成功构筑蓝宝石/单层石墨烯/单层MoS₂完整二维异质结。

1.2 蓝宝石衬底的独家技术优势

相较于铜箔、硅片等传统基底，蓝宝石衬底在异质结制备中具备三大不可替代优势：

第一，化学惰性杜绝副反应。铜箔基底会与MoO₃、硫粉等前驱体发生硫化、还原反应，直接破坏异质结结构；硅片基底易产生界面氧化层，污染二维界面；而蓝宝石化学性质稳定，不与任何前驱 体发生反应，可完美保障异质结的结构纯净度。第二，原位生长无界面缺陷。全程无转移工艺，石墨烯与MoS₂层间无PMMA残留、水氧杂质、机械损伤，二维层间依靠范德华力紧密结合，界面完整性极佳。第三，刚性基底力学支撑。单层石墨烯、MoS₂厚度均不足0.7 nm，超薄二维薄膜力学性能脆弱、极易破损，蓝宝石硬质单晶基底可全程提供稳定力学支撑，保障大面积薄膜完整连续。

二、MoS₂/石墨烯/蓝宝石堆叠结构性能表征

【图片1：Cu/MoS₂/石墨烯/蓝宝石截面HRTEM与铜薄膜电阻率曲线图】

2.1 截面HRTEM界面结构分析

通过高分辨透射电镜观测20 nm Cu/单层MoS₂/单层石墨烯/蓝宝石复合结构，4 nm标尺下四层结构分层清晰、界面平整：底层为刚性蓝宝石衬底，向上依次为单层石墨烯、单层MoS₂、多晶铜薄膜，无层间混杂、无界面空洞。

双层二维材料各司其职、协同工作：纯石墨烯表面对铜的润湿性极差，直接镀铜易出现薄膜团聚、不连续问题，但石墨烯原子排列致密，可完美阻挡铜原子向基底扩散，是优异的扩散阻挡层；表层MoS₂可彻底改善基底表面特性，大幅提升金属铜的润湿性，室温沉积条件下即可获得连续、致密、无孔洞的多晶铜薄膜。

尺寸优势极为突出：单层MoS₂+单层石墨烯的复合阻挡层总厚度仅约1 nm，相较于传统4 nm厚的Ta/TaN金属阻挡层，可释放75%的布线通道空间，完美适配先进制程芯片的尺寸微缩需求，为铜导线填充预留充足空间，保障布线导电性。

2.2 超薄铜薄膜电阻率性能测试

实验测试了10–30 nm不同厚度铜薄膜的电阻率变化，以纯铜本征电阻率1.68 μΩ·cm为参照，核心测试数据如下：30 nm铜膜电阻率3.67 μΩ·cm、20 nm铜膜4.07 μΩ·cm、15 nm铜膜5.23 μΩ·cm、10 nm铜膜7.70 μΩ·cm。

数据核心结论：第一，电阻率稳定性优异。铜膜厚度从30 nm缩减至10 nm，电阻率仅提升一倍左右，无传统金属阻挡层体系的断崖式暴涨，完美满足先进制程超薄铜互连的导电需求；第二，工艺兼容性强。15 nm铜膜电阻率与剥离型高质量单层MoS₂基底上的铜膜性能基本持平，证明蓝宝石上原位生长的多晶MoS₂薄膜，不会影响铜膜的润湿性与导电特性，工艺可靠性极高；第三，性能远超传统方案。在纳米级超薄尺寸下，二维异质结阻挡层可同时实现极致薄型化与低电阻率，彻底解决小尺寸铜互连的高阻失效难题。

三、配套表征佐证异质结薄膜高质量特性

为全方位验证蓝宝石基底异质结的成膜质量，结合多项辅助表征数据：一是MoS₂拉曼光谱测试，薄膜特征峰峰位差为20.3 cm⁻¹，为单层MoS₂的标志性特征，证实成功制备高质量单层二硫化钼；二是石墨烯截面TEM表征，蓝宝石基底上的石墨烯原子层连续无断裂、无缺陷，保障底层扩散屏障的完整性；三是对照实验验证，室温、高温条件下直接在石墨烯表面镀铜，铜膜均出现严重团聚、不连续问题，而叠加MoS₂层后铜膜均匀致密，充分证明MoS₂/石墨烯双层结构的协同优化作用。

四、蓝宝石衬底二维材料体系两大核心应用赛道

基于蓝宝石衬底的原位生长技术，成功搭建两套可落地的二维材料应用体系，覆盖微电子器件与芯片互连两大核心领域：

其一，高性能二维电子器件赛道。依托蓝宝石循环CVD工艺制备的双层石墨烯，凭借范德华外延带来的高结晶度、低缺陷密度优势，可作为场效应晶体管的导电沟道，实现高载流子迁移率、大漏电流的高性能器件，适用于高频、低功耗微纳电子设备；

其二，先进芯片互连赛道。蓝宝石原位制备的MoS₂/石墨烯二维异质结，可完全替代传统Ta/TaN金属阻挡层，以1 nm极致超薄厚度实现优异的铜扩散阻隔与铜膜润湿效果，有效解决先进制程铜互连的尺寸微缩与电阻率飙升矛盾，适配下一代半导体芯片的工艺迭代需求。

五、总结

蓝宝石单晶衬底凭借优异的化学稳定性、结构刚性与界面适配性，搭建了全原位、无转移、零污染的二维异质结制备体系，彻底解决了传统金属基底的工艺缺陷与界面问题。MoS₂/石墨烯复合薄膜形成功能互补的双层结构，兼具石墨烯超强的铜原子扩散阻隔能力与MoS₂优异的金属润湿性，在极致缩减阻挡层厚度的同时，保障了超薄铜互连薄膜的低电阻率与高稳定性。依托蓝宝石衬底实现的二维材料集成技术，工艺简单、可规模化、性能优异，为先进制程芯片后端铜互连的尺寸微缩提供了全新的技术方案，具备极高的科研价值与工业转化潜力。

江阴晶沐光电新材料有限公司可稳定供应2–12英寸全规格系列蓝宝石单晶衬底，覆盖多晶向、超高平整、低位错高品质产品体系，可全面适配实验室研发与大尺寸半导体晶圆量产产线，满足MoS₂/石墨烯异质结原位生长、先进芯片铜互连阻挡层制备的严苛工艺要求，为二维半导体新材料与先进互连工艺的产业化落地提供坚实的原材料保障。