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近年来集成电路的发展趋势从微米级到纳米级，2007年国际半导体规划蓝图指出，2010年的超大规模集成电路(ULSI)的布线特征尺寸为亚45nm级。随着超大规模集成电路特征尺寸的不断减小，互连问题成为制约集成电路发展的瓶颈。集成电路所采用的布线材料也从最初的Al发展到Cu，Cu作为布线材料存在着几个应用问题：①Cu与Si发生反应，形成CuSi化合物，导致漏电产生，使器件失效；②Cu与O发生反应生成CuO，使Cu的导电性能锐减：③亚微米化过程中，Cu与互连层之间存在的粘附性有待提高。
本文以ULSI亚45nm级铜互连阻挡层薄膜为题展开研究，采用磁控溅射法在n型硅的衬底上制备了RSiN/Cu/RSiN/SiO2/Si(R=W、Hf、Zr)多层膜，并进行了不同温度条件下退火实验研究，用薄膜测厚仪、四探针测试仪(FPP)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、能谱分析仪(EnergyDispersiveSpectrometer，EDS)等分析测试方法，对退火前后多层膜样品的厚度、电阻率变化、晶体结构、表面形貌特征、成分及元素价态变化等进行了分析。经过优化实验、多层膜制备与退火及各种检测得到以下结果：
1.RSiN薄膜的电阻率随着溅射温度的升高而不断下降；RSiN薄膜的电阻率随着氮气/氩气比例的增大而增大。
2.对溅射得到的多层膜在氧气气氛下进行不同温度条件下退火。研究结果表明，WSiN在550℃时仍保持良好的阻挡性能，到600℃时阻挡性能失效；HfSiN在500℃时仍保持良好的阻挡性能，到550℃时阻挡性能失效；ZrSiN在650℃时仍保持良好的阻挡性能，到700℃时阻挡性能失效。
3.XRD、FPP分析结果表明，WSiN/Cu/WSiN/SiO2/Si在550℃退火1h，导致Cu穿过扩散阻挡层与O2生成CuO，但是电阻率与退火前相比变化不大，可知只有少量的Cu穿过；到600℃退火1h时，电阻率与退火前相比有大幅度的增大，说明有大量的Cu穿过扩散阻挡层，从而生成大量的CuO导致电阻率骤变。HfSiN/Cu/HfSiN/SiO2/Si在500℃氧气气氛下退火1h，导致Cu穿过扩散阻挡层与O2生成CuO，但是电阻率与退火前相比变化不大，可知只有少量的Cu穿过；到550℃退火1h时，电阻率与退火前相比有大幅度的增大，说明有大量的Cu穿过扩散阻挡层，从而生成大量的CuO导致电阻率骤变。ZrSiN/Cu/ZrSiN/SiO2/Si在650℃氧气气氛下退火1h，导致Cu穿过扩散阻挡层与O2生成CuO，但是电阻率与退火前相比变化不大，可知只有少量的Cu穿过；到700℃退火1h时，电阻率与退火前相比有大幅度的增大，说明有大量的Cu穿过扩散阻挡层，从而生成大量的CuO导致电阻率骤变。
4.XPS分析结果表明，RSiN/Cu/RSiN/SiO2/Si(R=W、Hf、Zr)多层膜中退火前的Cu是以0价单质状态存在的，而O以0价的原子形态存在，R以0价单质或RNx的形式存在；高温退火后，Cu穿过扩散阻挡层与O结合生成+2价的CuO或+1价的Cu20，O变为-2价，与Cu、R结合生成CuO或ROx，N与R、O结合生成RNx、RxNyOz。
5.SEM分析结果表明，退火前薄膜是致密、平整的非晶态薄膜，WSiN经550℃退火后有少量的大颗粒出现，到600℃时出现大量的大颗粒；HfSiN在500℃时有极少的大颗粒出现，到550℃时有大量的大颗粒；ZrSiN在650℃时几乎没有大颗粒出现，到700℃时出现部分的大颗粒。
6.实验结果表明，Si、N掺杂有利于提高W、Hf、Zr的扩散阻挡性能，Si、N的掺入有效地抑制了W、Hf、Zr的氮化物的结晶，使WSiN、HfSiN、ZrSiN阻挡层的非晶化程度提高。
7.RSiN阻挡层的性能与溅射功率、工作压强、温度及氮/氩气比例有密切关系。本文通过对各个实验参数的研究，得到了优化的实验参数。RSiN在4Pa、40W、400℃、氮/氩气比例为1:39时的薄膜阻挡性能较好。