随着器件的特征尺寸不断缩小,集成电路正向高性能和极大规模迈进,由此导致寄生的互连电阻-电容(RC)延迟迅速增大,制约了集成电路功能的进一步提高。采用Cu和低介电常数(loW-K)介质代替传统的Al和Si02互连是降低RC延迟最有效的途径之一。根据2007年国际半导体技术蓝图(ITRS)的预测,到2016年22 nm集成电路互连结构中电介质薄膜的体材料介电常数将降低至1.9-2.3,即进入超低介电常数(ULK)范围。然而到目前为止,所制备的ULK薄膜还远不能满足生产要求,这是因为ULK薄膜的诸多性能面临着工艺整合的挑战,如力学性能、粘附性等。在此背景下,本论文首先探索了ULK薄膜的制备,然后研究了铜互连结构中铜扩散阻挡层及其与ULK薄膜之间的相互作用。具体研究内容包括以下几个方面：1、以含有环型结构和不饱和碳氢侧链的四甲基四乙烯基环四硅氧烷作为前驱体材料,采用旋涂技术成膜,并结合紫外辐照,因此制备出了含分子孔桥联(molecular-pore bridged,MPB)吉构的超低k(k=2.41)SiOCH薄膜,即MPB-Si0CH薄膜。该薄膜表面Si、0、C的原子组成分别为23.5%、43.9%和33.6%,杨氏模量为5.6 GPa,漏电流密度为9.86×10-7A/cm2@1 MV/cm。对薄膜中成键构型的研究分析发现,MPB-SiOCH薄膜中除含有一定量的(CH3)3SiO1/2(M, mono-O-substituted)、(CH3)2SiO2/2(D,di-O-substituted)、(CH3)1SiO3/2 (T, tri-O-substituted)结构、Si-O-C或Si-O-Si笼型结构、Si-O-C环型结构外,还含有大量的Si-O-Si环型结构、C-C桥联键和叔丁基结构。薄膜中Si原子主要以O-Si-C3、O2-Si-C2、O3-Si-C和Si-O4成键构型存在,C原子主要呈现C(Si)4、-C-Si3、-C-Si2、-C-Si、C-C/C-H和C-0成键构型,0原子主要以O-Si和O-C成键结构存在。其中,03-Si-C和Si-04对薄膜力学性能影响显著,O-Si-C3和O2-Si-C2比03-SiO-C更有利于降低K值。对MPB-SiOCH薄膜进行退火研究表明,300℃退火可以进一步降低薄膜K值(k=1.94)和漏电流密度(2.96×10-7A/cm2@1MV/cm),并且退火后的薄膜仍表现出极强的抗吸水性。通过比较300和400℃退火后薄膜的FTIR光谱,发现该薄膜具有较好的热稳定性。总之,从制备工艺、薄膜性能和工艺整合度等方面,MPB-SiCOH薄膜呈现出了很好的发展和应用前景。2、研究了WHfN薄膜中Hf的含量对薄膜的电阻率、热稳定性、抗铜扩散性能的影响,结果表明,增大WHfN薄膜中Hf的含量,薄膜电阻率变大,但降低N2/Ar流量比有利于获得电阻率≤500 uΩ.cm的WHfN薄膜。当N2/Ar流量比为1：14时,所得WHfN薄膜热稳定性升高(>600℃),同时Hf的含量(即W/Hf原子比范围为1：0.07-1：0.33)的增加有利于增强薄膜的抗铜扩散性能。WHfN薄膜的成键构型分析表明,与WN薄膜相比,WHfN薄膜中除了含有W-W金属键和W-N键外,还形成了W-W-Hf、W-N-Hf、Hf-N、W-Hf-N等成键结构。其中W-N-Hf的形成及含量增加更有利于提高WHfN薄膜的抗铜扩散性能。通过抗铜扩散性能的对比实验发现,Si衬底上WHfN(10nm)薄膜的抗铜扩散失效温度高达750℃,比WN(10nm)薄膜具有更强的抗铜扩散性能。进一步地,本论文对Ru(5nm)/WHfN(5nm)双层阻挡层的抗铜扩散性能进行了研究。结果表明,在Si衬底上,Ru(5nm)/WHfN(5nm)双层阻挡层的抗铜扩散失效温度高达700℃,其抗铜扩散性能均显著优越于Ru(10nm)和Ru(5nm)/WN(5nm)阻挡层。3、研究了MPB-SiOCH薄膜(k=1.94)与Ru(5nm)/WHfN(5nm)双层阻挡层的相互作用。论文首先借助XPS分析,比较研究了WHfN、WN与MPB-SiOCH薄膜界面的成键特性,结果表明了在WHfN/MPB-SiOCH界面除了形成W-O键之外,还形成了大量的N-Hf-O、Hf-O-Si以及可能少量存在的W-O-Hf成键结构。这使得WHfN/MPB-SiOCH界面的成键密度和强度比WN/MPB-SiOCH界面有显著提高,揭示了采用WHfN阻挡层与MPB-SiOCH薄膜直接接触具有更好的粘附性能,从而有利于提高互连的可靠性。进一步,论文以Ru(5nm)/WHfN(5nm)双层结构为扩散阻挡层,研究了Cu/Ru/WHfN/MPB-SiOCH/Si体系的热稳定性。结果表明该体系在氮气中450℃退火45分钟后均未发现铜扩散现象,并且该条件下退火后该体系中各薄膜之间彼此粘附良好。4、基于B3LYP杂化交换相关密度泛函理论,以ZrCl4或HfCl。和NH3为反应前驱体,通过量子化学计算,研究了在低K薄膜表面原子层淀积(ALD)ZrN和HfN阻挡层薄膜的初始反应机理。结果表明,ZrCl4较难在含有Si-CH3和Si-OCH3基团的表面吸附,而在含有Si-OH或Si-NH2基团的表面上吸附则相对容易许多。薄膜骨架结构不同可导致反应活化能最高相差9.15 kcal/mol,这主要与过渡态时Zr原子与相邻骨架上的0原子的配位作用有关。NH。对Zr化薄膜表面的氮化是放热反应,因此适当提高淀积温度,将有利于薄膜的生长。由于氮化产物Si-O-ZrCl2-NH2比Si-NH-ZrCl2-NH2更趋于稳定,因此,对SiOCH薄膜表面进行氧化处理比进行氮化处理将更有利于ALD ZrN薄膜的生长。ALDHfN薄膜在SiOCH薄膜表面的初始生长机理及生长过程中的相关数值则与ALD ZrN相似及相近。