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当工艺特征尺寸减小到45nm或以下，沟槽和通孔高宽比大幅度增加，目前半导体工业界采用物理气相淀积的Cu籽晶层/钽(Ta)/氮化钽(TaN)三层互连结构的台阶覆盖性将变得较差，可能会导致沟槽和通孔产生空洞。因此采用无籽晶铜互连工艺，即铜能直接电镀在扩散阻挡层上的工艺，这样可以简化工艺步骤，并且可以减轻由于台阶覆盖特性不好的扩散阻挡层和铜籽晶层所带来的各种问题。无籽晶铜互连工艺引起了半导体工业界很大的兴趣。本论文针对这种无籽晶层工艺的需求，研究了新型扩散阻挡层-Ru/Ta基阻挡层双层结构。这种结构在国内外系统研究还比较少，因此本工作具有科学研究价值和实际应用价值。
首先通过薄层电阻测试，XRD，AES和TEM等分析手段，研究Ru、Ru/Ta和Ru/TaN结构在衬底Si上的热学稳定性。多种结果表明，在Ru、Ru/Ta和Ru/TaN这三种结构中，Ru结构的热学稳定性比较差，经600~C退火后，Ru和Si发生反应生成了Ru的硅化物；对于Ru/Ta/Si结构，Ta的氧化物的形成使得薄层电阻小幅上升，但没有Ru的氧化物或硅化物生成：Ru/TaN结构的热学稳定性最好，即使经过800℃退火，薄膜结构仍比较稳定。
然后研究了Cu/Ru/Si、Cu/Ru/Ta/Si和Cu/Ru/TaN/Si结构的反应特性。多种测试结果表明，Cu/RL,/si结构经过450℃，30分钟退火后，出现了Ru和Cu的硅化物，扩散阻挡层失效。Cu/RtJ/Ta/Si结构经过475℃，30分钟退火后，出现了Ta和Cu的硅化物；Cu/Ru/TaN/Si结构经过500℃，30分钟退火后，出现了Cu的硅化物。Cu/Ru/TaN/SiO<,2>MOS结构的电学测试表明，经过500℃退火，样品结构仍比较稳定。
利用XPS手段研究了Ru/TaN双层结构作为铜的扩散阻挡层在低k介质上的反应特性。经过300℃退火的样品，Ru层中主要为金属状态的Ru；经过400℃退火的样品，Ru层中0的含量有所上升；深度XPS分析表明，Cu/Ru/TaN/low-k结构经过300℃长时间退火后，仍比较稳定，但经过400℃长时间退火后，Cu有所扩散到扩散阻挡层和低k介质中。电学测试表明经400℃长时间退火后的Cu/Ru/TaN/low-k的MOS结构比较稳定，经500~C长时间退火后的则完全失效。
最后探讨了在Ru层上直接电镀铜的可行性，电镀包括直流电镀和脉冲电镀。SEM分析表明两种电镀都能在Ru层上得到平整连续的Cu薄膜。在Ru层上直接电镀铜是可行的。
本文的研究结果表明，Ru/TaN扩散阻挡层是一种性能优越的扩散阻挡层，有望应用在45纳米以下的无籽晶铜互连工艺中。