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随着全球半导体工业的发展，集成电路器件的尺寸已进入深亚微米甚至纳米阶段。2009年国际半导体规划蓝图指出，2010年及以后的超大规模集成电路(ULSI)的布线特征尺寸为亚45nm。作为布线材料，铜布线目前使用中存在的问题是易扩散和易氧化。为了解决这个问题，必须在Cu与Si之间添加一层扩散阻挡层。
本文就是以ULSI亚45nm级铜互连阻挡扩散层薄膜为题开展研究，采用磁控溅射法在n型硅基底上制备了CoSiN/Cu/CoSiN/Si、Cu/CoN/Si、Cu/CoSiN/Si三类多层膜，并进行了不同温度条件下的退火实验研究。用薄膜测厚仪、四探针测试仪(FPP)、X射线光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)、X射线荧光光谱仪(XRF)和扫描电子显微镜(SEM)等分析测试方法对退火前后多层膜样品的厚度、电阻率的变化、成分及元素价态变化、表面形貌特征和铜元素含量随扩散距离的变化等进行了分析。
论文的主要研究结果如下:
1.优化了制备CoN和SiN薄膜的实验参数，得出优化的制备条件为:溅射功率50W,沉积温度300℃，工作压强1Pa，氮/氩气比例0.5∶19。
2.利用磁控溅射法制备了CoSiN薄膜，具有热稳定性好，电阻率低和粘附性好的特点，且在中温条件下对铜具有较好的阻挡性能。CoSiN薄膜的电阻率随着溅射温度的升高而不断下降;CoSiN薄膜的电阻率随着氮气/氩气比例的增大而增大。
3.对溅射得到的CoSiN/Cu/CoSiN/Si的多层膜在氩气气氛下进行不同温度条件退火。研究结果表明，CoSiN薄膜在500℃以下保持良好的阻挡性能，到600℃时阻挡性能失效。
4.利用菲克第二定律对Cu/CoN/Si和Cu/CoSiN/Si体系中Cu的扩散进行了计算和分析，得出中温条件(300℃～700℃)下Cu在CoN和CoSiN两种薄膜中的扩散系数表达式分别为8.98×10-11exp（-0.45eV/kT）cm2/s和5.39×10-11exp（-0.49eV/kT）cm2/s。通过分析比较可知，Cu在这两类薄膜中的扩散系数的数量级相近，而CoN中的Cu的扩散比CoSiN中Cu的扩散稍为容易进行。