随着互连截面积持续降低,铜互连的电阻率随特征尺寸非线性增加,也被称为“尺寸效应”,严重影响了铜互连延迟时间,并己成为制约集成电路性能提高的瓶颈之一。目前亟需一种量化表征手段,可以借由散射机制直接计算相应的电阻率增加。另一方面,铜电阻率以及电路密度的不断增加也导致了互连中更严重的自加热效应。而低k介质本身的低导热能力使得互连产生的热量难以有效到达热沉积层。因此,铜互连作为典型的多材料集合体系,整体热学表征需要各组成材料的精确热学信息,并且互连的热学表征对于整体电路热量控制及最优化设计都越发显得重要。本篇论文,电学表征方面,根据密度泛函微扰理论,借助第一性原理软件从头计算了铜表面的声子色散关系及相应的表面非弹性散射几率。计算结果发现,表面声子色散关系明显区别于体声子谱,原有简并的声学支在宽能量范围内发散,并且在边界处由于原有体内的周期性被打破而呈现类似“光学支”的特性。基于Eliashberg方程频谱得到的散射几率出现了三个散射峰(2.5,5.5及6.8 Thz),表明电子-表面声子相互作用成为输运电子能量损失的重要通道之一。在此基础上,表面声子散射,联合其他主要散射机制可以通过Monte Carlo方法,即以统计手段求解Boltzmann输运方程,来进行数值模拟。与此同时,模拟程序还可以统计表面声子发射数量借助德拜模型模拟声子散射带来的表面温升,从而完成了针对表面非弹性散射过程的电学-热学耦合建模。接下来,我们分别对纳米尺度材料与多孔材料进行了基础的热学表征研究。不同于传统的宏观尺度热学模型,如傅立叶热传导定律,我们采用格点Boltzmann方法来求解声子的输运方程,成功表征了微观尺度下特有的非连续热学特性,如热学弹道输运,“热点”产生,以及温度陡变等现象。此外,特别基于LBM模拟了多孔亚连续材料中异常大体积空孔(也被称为“杀手空孔”)存在条件下的热学性能。模拟结果显示,大体积空孔会使介质内尤其是靠近边界区域的温度梯度的不均匀性恶化。作为一种精确热导测量手段,3ω方法提供了在纳米尺度实验表征材料热学性能的能力。研究发现,在低频区,基于Cahill 3ω热导模型,从实验数据间接提取的介质薄膜热导值严重偏离理论期待,使得Cahill模型在此区域内失效。引起这种偏离行为的机制目前尚存在争议。本文提出了通用热导模型,同时表征两维方向上的热量传导,揭示了低频偏离行为的主要物理机制。进一步地,我们还借助瞬态电学-热学耦合分析对测试结构的频率相关热学响应行为进行深入研究。提出“驻波热波”模型来解释Cahill模型失效临界频率与加热线尺寸的内在联系,相关研究结果可作为实际加热线结构设计的重要参考依据。最后,上述研究还表明借助通用模型可以提取金属线的热导值,这将大大扩展了3ω技术的应用范围。本文阐述的理论及实验结果揭示了铜互连体系在纳米尺度下的电学及热学行为的物理机理。同时,该工作也可为未来建立铜互连热学-电学-机械性能耦合模型提供了前期基础性理论依据。