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在超大规模集成电路的Cu/低k互连工艺中,向Cu种籽层中添加难熔金属元素及其氮化物的无扩散阻挡层结构,因其具有低电阻率、高热稳定性和制备简单等优点成为研究热点。前期研究结果显示,Cu-Ni-M稳定固溶体团簇模型在改善Cu合金薄膜稳定性上是可行性的,根据该模型,第三组元M与Cu为正混合焓,与Ni为负混合焓,则向Cu膜中添加的M元素倾向于与Ni结合而与Cu排斥,最终形成以M为中心,Ni原子包围的(M1Ni12)团簇无序地分散在Cu基体中,起到提高Cu膜稳定性的作用。为了探究Cu-Ni-M模型在无扩散阻挡层中的适用范围及其影响机制,本文在该模型的基础上对第三组元M的选择进行了详细探讨,并最终选取了Fe、Cr、V、Mo、Ti、 Nb、Ta、Sn和Zr九种元素作为第三组元M,用磁控溅射的方法在硅基体上制备了Cu-Ni-M(M=Fe、Cr、V和Zr)四个系统薄膜和Cu-Ni参比样品薄膜,并进行了薄膜的成分、电阻率及微结构分析,进一步综合前期研究的Cu-Ni-M(M=Mo、Nb、Sn、Ta和Ti)薄膜的结果,补充了Cu-Ni-Nb和Cu-Ni-Sn薄膜的TEM分析,系统地对稳定固溶体团簇模型设计的Cu-Ni-M合金薄膜进行分析研究。研究结果表明,除Cu-Ni-Fe外,其他Cu-Ni-M薄膜的稳定性都得到不同程度的提高,从而验证了稳定固溶体团簇模型完全可以用于提高无扩散阻挡层Cu薄膜的稳定性。Cu-Ni-M薄膜的热稳定性与第三组元M的原子半径有关,M的原子半径越大,薄膜稳定性越好。当M与Cu的原子半径差△R<0时,薄膜稳定性没有提高；当0≤△R<9%时,薄膜的稳定性开始得到改善,如(Cr1.4/13.4Ni12/13.4)0.4Cu99.6和(V0.8/12.8Ni12/12.8)0.5Cu99.5薄膜；当△R>9%时,Cu-Ni-M(M=Mo、Nb、Ta、Ti、Sn和Zr)薄膜的稳定性在M/Ni比为1/12起就得到显著地提高,△R大于15%的Cu-Ni-Sn和Cu-Ni-Zr两个系统薄膜的稳定性在所有M/Ni比下都得到提高。在稳定固溶体团簇模型中,只要第三组元M更加倾向于与Ni结合(即M与Ni的混合焓相对更负),该元素就能以(M1Ni12)团簇的形式在Cu膜中发挥作用,所以与Cu和Ni都为负混合焓的Cu-Ni-Ti和Cu-Ni-Zr两个系统也适用于稳定固溶体团簇模型。Cu-Ni-M薄膜退火后的低电阻率与团簇比例M/Ni=1/12有直接关系。Cu-Ni-M系列合金薄膜在退火后电阻率小于3μΩ·cm勺成分点都集中在M/Ni∈[0.6/12,1.6/12],Cu at.%∈[99.5,99.7]区域内,且在C u at.%=99.7%,M/Ni=1/12附近最密集。其中第三组元M原子半径最大的Cu-Ni-Zr薄膜具有最好的稳定性和低电阻率。