随着超大规模集成电路不断微型化与集约化的发展，特征尺寸持续减小，Cu金属互连线已取代Al成为新一代的互连材料。为了防止Cu扩散进Si基衬底中引起器件性能下降以及提高Cu与Si基衬底的附着力，需要在Cu互连线与Si衬底之间沉积一层扩散阻挡层，制备Cu/阻挡层/Si这样的互连结构。铜互连结构中的失效问题主要是由于铜扩散进硅衬底形成高阻硅化物以及电迁移、应力迁移和层间扩散等造成的，而这些失效原因归根结底都与互连结构中的界面扩散有关，也可以说界面扩散是铜互连失效的一个主要原因。此外，随着微电子技术的迅猛发展，互连结构的结构日益复杂，而且器件在服役时往往受到多个物理场的共同作用。这就要求金属铜互连结构在多场环境中保持高性能的同时具备超高的服役可靠性。而铜互连结构中急剧增大的比表/界面积、多层膜体系和多晶晶界缺陷为物质迁移扩散提供了丰富的低能量通道。在实际应用中，温度场和电场共存的环境最为常见。因此，Cu互连结构在温度、电场复杂环境下的界面扩散问题是超大规模集成电路不断微型化与集约化过程中面临的的重要技术问题。　　基于以上考虑，本文将重点研究Cu/阻挡层/Si互连结构在温度场和电场共存环境中界面扩散行为，主要包括如下三个方面的工作。　　1、电退火对一般阻挡层铜互连结构界面扩散的影响　　利用XRD、XPS和TEM等方法研究了退火以及电退火两种不同环境对目前实际应用中最常见的Cu/Ta/Si一般阻挡层铜互连结构中金属/金属界面扩散的影响。结果表明，退火过程中外加电场明显加速了Cu/Ta/Si互连结构中的界面扩散，而且电场加速效应随着退火温度的升高不断增强。经过分析可知，外加电场对界面扩散的加速效应来源于Cu/Ta/Si互连结构内部空位和原子的迁移在外加电场作用下加速运动，从而导致Cu/Ta/Si互连结构的加速失效。　　2、新型阻挡层的设计及其阻挡特性　　在Cu/Ta/Si一般阻挡层铜互连结构研究的基础上，我们设计制备了阻挡性能更为优异的新型双层阻挡层Ru/TaN。实验制备了两种不同N含量的Ru/TaN(低N含量和高N含量，分别记为TaNL和TaNH)双层阻挡层。本章研究了退火过程中TaN层中N原子的扩散对Ru/TaN双层阻挡层阻挡性能的影响。实验结果发现Ru/TaNH具有优异的阻挡性能。经过650℃退火之后，在Ru层中依然发现RuN相的存在。Ru/TaNH双层阻挡层结构阻挡性能优越的原因主要是N原子扩散进Ru层，形成RuN相和塞积在Ru层晶界处，从而有效的抑制了Cu原子向Si层扩散。　　3、电退火对新型阻挡层铜互连结构界面扩散的影响　　比较了退火以及电退火两种不同环境对Cu/Ru/TaN/Si新型阻挡层铜互连结构中“金属/金属”和“金属/离子晶体”界面扩散的影响。结果表明，在外加电场的作用下Cu/Ru/TaN/Si互连结构中的界面扩散被明显加速。这一现象主要来源于外加电场对原子和空位的加速效应。此外，因为间隙N原子的加速扩散和TaN层内部空位极化是导致Ru/TaN界面加速扩散更为明显的主要原因。