随着集成电路工艺技术的不断发展，Cu逐渐取代传统的金属互连材料Al，而使器件获得了更高的运算速度和可靠性，但也不可避免地带来了Cu的扩散污染等问题。寻找合适的抑制Cu扩散的阻挡层材料多年来已成为Cu互连工艺研究中的热点课题。在综述了Cu互连的优势及面临的挑战、扩散阻挡层的制备工艺和发展趋势之后，作者采用直流磁控溅射技术在Si衬底上制备了Ta、TaN_x、Ta-Al-N和Cu／Ta、Cu／TaN_x、Cu／Ta-Al-N复合膜系，并对薄膜样品进行了卤钨灯快速热退火。用四探针电阻测试仪、AFM、Alpha-step IQ台阶仪、XRD和SEM-EDS等分析测试方法对样品的形貌结构与特性进行了分析表征。结果表明，磁控溅射制备的Ta、TAN_x和Ta-Al-N纳米薄膜表面光滑。纳米Ta-Al-N薄膜的阻挡特性最佳，TaN_x次之，Ta薄膜最差。向Ta中掺入N促进了纳米晶／非晶薄膜的形成且消除了TaN_x／Si的界面反应；Al的掺入提高了TaN_x的结晶温度即阻挡层能在更高的温度下保持非晶态，因此薄膜热稳定性和阻挡特性得到进一步增强。Ta阻挡层的失效主要是由高温退火导致Ta／Si界面反应形成TaSi₂及Cu通过多晶Ta膜中存在的晶界扩散到Si形成Cu₃Si共同导致的；而Cu通过晶界扩散到TaN／Si界面并形成Cu₃Si是TaN_x失效的主要机制；Ta-Al-N阻挡层的失效机制与TaN_x类似，均是由于薄膜的晶化而导致的晶界扩散。本文首次对有重要应用前景的Ta-Al-N纳米薄膜的制备和阻挡特性进行了研究；文章还对N、Al掺杂的微观机理及几类薄膜对Cu的扩散阻挡特性进行了较深入的理论分析；基于实验事实与理论分析，得出轻原子N起填充晶界的作用，能有效降低扩散通道密度、改善阻挡特性；同时发现纳米晶／非晶是理想的Cu扩散阻挡层结构。