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随着微电子器件集成度越来越高,互连导线尺寸逐渐减小到10纳米以下,亟需高性能的扩散阻挡层来阻止铜（Cu）互连导线与硅基体之间的互扩散来确保严酷工况下Cu互连导线的服役安全性及服役寿命。论文采用真空热压烧结方法制备了与Cu几乎不互溶的Ta-Ru合金靶材,研究了Ru含量对合金靶材物相组成、微观结构及力学性能的影响。采用反应磁控溅射方法在Si衬底上制备了Ta-Ru-N系列阻挡层,表征了阻挡层的物相结构、表面形貌、厚度、方块电阻,分析了Cu/Ta-Ru/Ta-Ru-N体系的热稳定性及阻挡层的性能,制备出了性能良好的阻挡层。主要工作如下:1.采用粉末冶金热压烧结工艺,在1700℃,20 MPa和40 MPa压力条件下制备Ta-Ru靶材。随着Ru含量增加,合金中依次出现TaRu、Ta3Ru,TaRu4等金属间化合物。提高烧结压力能促进TaRu之间的反应,有助于提高靶材相对密度。2.随Ru含量增加,靶材抗拉强度逐渐升高,显微硬度先升高后降低,Ru含量的增加使致密度得到了提高,降低了孔隙率提高了合金的屈服强度。Ta-Ru合金的断裂方式为解理断裂。3.通过反应磁控溅射制备出非晶结构的Ta-Ru-N薄膜。在氮分压为2:7时,薄膜表面最为平整,表面质量较好。Ta-Ru-N薄膜的方阻随着氮气流量的增加而逐渐变大,薄膜逐渐向近绝缘态过渡。4.Cu/Ta-Ru-10N/Si体系在700℃以上退火30 min后阻挡层发生失效,Cu膜中开始出现Cu3Si、Ta2O5、Ta Si2及RuXSi等化合物,进而导致Cu膜表面出现凸起导致粗糙度明显增加。Cu/Ta-Ru-10N/Si体系的方块电阻随着退火温度升高呈现先降低后急剧增加的变化趋势。Cu/Ta-Ru-10N/Si薄膜在700℃温度下开始失效,说明Ta-Ru-10N阻挡层具有良好的扩散阻挡性能。5.利用反应磁控溅射方法沉积堆栈结构的Cu/Ta-Ru/Ta-Ru-10N/Si、Cu/Ta/Ta-Ru-10N/Si和Cu/Ta-Ru/Ta-10N/Si三种薄膜。实验结果表明,三种薄膜退火后Cu均沿着Cu（111）取向择优生长。Cu/Ta-Ru/Ta-Ru-10N/Si能够在750℃下保持良好的稳定性,膜厚约为34.04 nm其方块电阻较低,约为0.15Ω/□,表明Ta-Ru/Ta-Ru-10N堆栈结构扩散阻挡层具有良好的阻挡性能,能有效提高Cu薄膜的热稳定性。Cu/Ta/Ta-Ru-10N/Si能够在700℃下保持良好的稳定性,膜厚约为30.26nm其方块电阻较低约为0.23Ω/□。Cu/Ta-Ru/Ta-10N/Si薄膜在750℃下能够保持良好的热稳定性,膜厚约为38.4 nm方块电阻维持在0.12Ω/□。本文制备的三种扩散阻挡层均能够有效的阻挡Cu原子向Si基地进行扩散,能够有效提高Cu薄膜的热稳定性。Cu/Ta-Ru/Ta-10N/Si在具有良好热稳定性的同时,其方块电阻也最低,方块电阻严重影响集成电路的稳定性和可靠性,故Ta-Ru/Ta-10N为最优扩散阻挡层。