随着电子信息产业的飞速发展，人类已经进入信息时代，现阶段电子设备主要朝着微型化、集成化和智能化方向发展，其核心部件集成电路的特征尺寸持续减小，为互连技术带来了巨大挑战。RC互连延迟是降低芯片运行速度的重要因素，传统互连工艺主要采用Al线，铝电阻率低（2.66 μΩ·cm）、成本低且易于沉积制备。然而，Al线在大电流冲击下容易发生电迁移，导致器件失效。随着芯片集成度不断提高及特征尺寸不断减小，Al互连线已不能满足超大规模集成电路的发展需求。Cu具有低电阻率（1.67 μΩ∙cm）、高热稳定性、高热导率以及优异的抗电迁移性能，已经逐步取代Al成为主流的互连材料。然而，在硅基器件引入Cu互连线伴随两个重要问题：首先，Cu在低温（~200 °C）时极易与Si或介质层发生界面扩散反应，生成高电阻Cu-Si化合物，增加互连体系电阻，Cu原子扩散到Si中（扩散系数DCu=4.7×10−3 cm2∙s-1）会造成深阱缺陷，减少载流子寿命，最终导致器件性能退化甚至失效；其次，Cu与Si基底结合性能较差，易出现膜层与基底剥离现象，以上不足限制了Cu互连线在超大规模集成电路中的应用。

目前主流的解决方法是在Cu与Si基底或介质层之间添加一层扩散阻挡层，一方面抑制Cu原子的扩散，另一方面改善Cu与介质层之间的结合性能。理想的阻挡层材料应具备厚度薄、耐高温、化学性质稳定、结构致密且与基体结合良好等特点。目前扩散阻挡层材料主要分为单质阻挡层和合金阻挡层，单质阻挡层主要采用惰性金属和难熔金属，如Au、Ni、Ta、Ru、Zr、W等，纯金属存在晶粒晶界，低温下容易发生元素扩散，造成元器件失效。合金阻挡层指在单质阻挡层中添加一些金属、非金属元素组成的二元、三元及多元合金，如TaSx、RuMoC，厚度较薄的合金阻挡层失效温度在一定程度上有所提升，但是高温退火后容易发生再结晶，结构稳定性较差。因此，阻挡层材料的选材成为集成电路研究重点之一。

随着集成电路特征尺寸的缩小，传统Ta/TaN双层阻挡层已不能满足互连工艺要求。因此，开发一种电阻率更低、热稳定性更好（失效温度更高）、厚度更薄的新型阻挡层材料提高集成电路的可靠性具有重要意义。研究表明，Ru基扩散阻挡层可显著提高Cu互连体系的可靠性，例如，在Ru膜中掺入Cr、Mo或Ta元素等。申请人前期研究工作中研究了Ru膜中掺杂少量Zr元素的RuZr阻挡层的化学特性、结构特性及扩散阻挡性能，结果表明：在的Ru基合金中掺入少量Zr元素，随着Zr元素含量增加，RuZr合金阻挡层由晶体结构向非晶结构转化，明显改善了Ru的扩散阻挡效果。但Ru本身是多晶结构，RuZr合金膜在高温退火后容易发生结晶现象，促使阻挡层失效。Ru基合金阻挡层成本高、耐高温性差的特性将会阻碍其推广应用，因此，低Ru含量的Zr基合金膜特性亟待研究分析，本项目提出根据Ru基合金阻挡层中，随Zr掺杂量增加合金晶体结构转化过程：多晶→纳米晶→非晶，推断Zr基合金阻挡层中，Ru掺杂量增加合金将发生的对称晶体结构转化过程：非晶→纳米晶→多晶；即是针对特征尺寸不断减小的Cu互连体系对扩散阻挡层超薄、厚度均匀、电阻率低、耐高温性强、结构稳定的要求，采用磁控溅射共溅射技术制备不同Ru含量的ZrRu合金阻挡层。通过在Zr阻挡层中掺杂不同含量的Ru原子，探索Ru掺杂含量影响扩散阻挡层微结构的形成机制，揭示ZrRu合金膜不同原子比例与阻挡层微结构、阻挡层微结构与失效温度之间的构效关系。为了进一步精确分析温度对不同微结构阻挡层的影响，本项目采用高分辨透射电镜设备观察ZrRu扩散阻挡层的失效方式，分析失效机理，与其他新型扩散阻挡层的失效机理对比，总结阻挡层微结构与阻挡机理的关系，为超薄均匀扩散阻挡层的制备提供技术和理论指导。

为解决技术问题所采用的技术方案：（1）ZrRu阻挡层制备工艺优化 采用磁控溅射共溅射技术在Si基底上制备不同Ru掺杂量的ZrRu合金膜，具体方法为：采用直流溅射沉积ZrRu合金膜，保持Zr靶溅射功率不变，调节Ru靶的溅射功率，溅射时间均为20 min。采用X射线衍射仪和高分辨透射电镜表征ZrRu合金膜的微观结构及形貌。通过控制Ru、Zr靶材的溅射功率比，得到ZrRu阻挡层微结构可控的最佳制备工艺。（2）ZrRu阻挡层的热稳定性研究 将制备的ZrRu薄膜样品在N2和H2（N2:H2=9:1）的混合气氛中进行高温退火，退火温度为400~700℃，退火时间30 min。利用XRD、SEM、TEM和FPP测试手段对样品进行表征，分析不同退火温度下ZrRu阻挡层的微观结构、形貌及电学特性，探索ZrRu扩散阻挡层热稳定性能。（3）ZrRu阻挡层的失效机制研究 在非晶结构的ZrRu阻挡层上沉积200 nm的Cu覆盖层，将Cu/ZrRu/Si结构体系进行高温退火处理，结合物相结构、微观形貌和电学性能等实验结果研究Cu/ZrRu/Si体系的界面扩散特性，分析ZrRu阻挡层的失效机理，建立失效模型。

  所产生的有益效果：本研究立足硅基器件中Cu互连技术中的Cu/Si界面扩散及结合差问题，重点关注基础科学问题研究，揭示了阻挡层材料化学组成与微结构对其电学性能、热稳定性影响的相关规律，该研究成果对推动ZrRu系扩散阻挡层在微电子器件及Si基太阳能电池方面的应用具有一定理论指导意义。