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超大规模集成电路的发展要求集成电路集成度和存储器性能不断提高,而传统的互连技术与磁存储技术日显不足。由于其各自的优势,开展Cu互连和非挥发性铁电存储器集成兼容的研究,可以更好地满足未来超大规模、高性能集成电路的发展需要。在常规非挥发性铁电存储器中,晶体管的漏极通过多晶硅插头或者Al互连线与铁电电容器底电极相连,难以满足日益发展的超大规模集成电路小特征尺寸、高集成度高性能的要求。用Cu代替Al作为铁电存储器1T-1C电路结构的互连线,可以将半导体Cu互连技术、铁电存储器以及微电子Si工艺结合起来,实现Cu互连技术与铁电薄膜器件的兼容,发挥每一项新技术各自的优势,制备出能够满足现代社会发展要求的高性能存储器件。应用射频磁控溅射法和溶胶-凝胶(sol-gel)法,以Ni-Al同时作为Cu与SiO2/Si之间的扩散阻挡层和Cu与氧化物电极之间的抗氧化阻挡层材料,分别以SrRuO3 (SRO)和La0.5Sro.5Co03 (LSCO)作为底电极材料,以Pb(Zro.4Tio.6)03(PZT)或者BiFe0.95Mno.o503(BFMO)作为铁电电容器绝缘层,构架了Pt/SRO/PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si、Pt/LSCO/PZT/LSCO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si、Pt/SRO/BFMO/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si的含Cu薄膜和铁电电容器异质结,采用X射线衍射(XRD)、四探针测试仪、原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)和铁电测试仪等分析手段研究了电容器的结构、输运性质、电极质量、界面和物理性能以及电容器的温度稳定性和一些关键制备工艺。另外,应用反应磁控溅射法给二元Ni-Al合金掺入N元素,形成Ni-Al-N阻挡层,构架了Cu/Ni-Al-N/SiO2/Si异质结,研究了样品的输运性质、微结构、表面形貌和失效机制,并计算了样品的失效激活能。研究发现SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu多层异质结在高达750℃仍然具有较强的Cu衍射峰和比较平整的表面,粗糙度为6.5 nm,显示出了很好的高温热稳定性.研究了“室温长高温退”和“低温长高温退”两种工艺手段,发现在制备含Cu多层氧化物薄膜异质结时,低温长高温后退火的方式要优于常规的室温长高温后退火方式,通过低温长高温退工艺可以缓解应力、削弱界面粗化和避免高温生长对阻挡层和Cu薄膜结构的破坏.对PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si结构的高分辨TEM照片分析研究发现,用于下层互连线结构的扩散阻挡层是超薄非晶结构,缺乏晶界和其高热稳定性和化学稳定性使其能够在高温下有效地阻挡Cu与SiO2/Si之间的互扩散。对用于Cu与SRO之间的上层Ni-Al阻挡层进行高分辨TEM研究发现上层Ni-Al阻挡层存在局部区域晶化,属于纳米晶结构,晶粒尺寸约为5 nm,这一结构利用晶化区规则的原子排列来缓解多层界面造成的强大应力,以及非晶区的致密性来填堵晶界,发挥了非晶区无序和晶化区有序各自的优势,实现了阻挡作用。研究发现,SRO/PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si、LSCO/PZT/LSCO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si异质结中的铁电电容器具有良好的铁电性能,在5V外加电压下,剩余极化强度(Pr)为～25.1μC/cm2,矫顽电压(Vc)为～0.83 V,漏电流为～7×10-4A/cm2,抗疲劳特性及保持特性均良好,表明导电性优良的Cu薄膜可以应用于制作高密度铁电存储器。研究了Pt/SRO/PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si中PZT铁电电容器的环境温度对其物性的影响,发现除了电容器的极化强度、介电常数、漏电流的大小发生轻微变化外,物理性能没有发生本质上的改变,表明在100℃下,环境温度的波动不会导致铁电电容器的失效。我们认为电容器的漏电流、晶格振动、热激活分别是剩余极化强度、介电常数、漏电流密度增加的原因。采用多铁材料BFMO为铁电层,制备了SRO/BFMO/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si电容器异质结,实现了新型铁电材料BFMO薄膜电容器与Cu互连技术的集成。研究发现,经过高温处理后,BFMO具有良好的钙钛矿结构,Cu薄膜层完整,在～700kV/cm的外加电场下,电滞回线相对比较饱和,剩余极化强度达到～74.3 C/cm2,矫顽场为280kV/cm,良好的铁电性能表明BFMO薄膜与Cu实现了很好的集成。对Cu/Ni-At N/SiO2/Si异质结研究表明,非晶Ni-Al-N具有良好的阻挡特性。失效机制分析发现,Cu薄膜内部的缺陷和晶界致使高温下晶界沟槽向界面延伸造成晶粒分离,薄膜失去连续性而结块是Cu/Ni-Al-N/SiO2/Si结构失效的主要原因。计算样品失效激活能为1.1 eV,几乎是Cu/SiO2的激活能(0.6 eV)2倍,表明Ni-Al-N阻挡层的插入可以提高失效温度与互连线结构的热稳定性。