尽管相对而言，Cu引线存在更大的优势，但是Cu引线也存在一些不可忽视的问题：在一定温度下，它能和Si和SiO2反应生成铜硅化合物之类的深能级杂质。这会对元器件的载流子产生明显的陷阱效应，影响元器件正常工作，甚至直接失效[6]。为了解决这个问题，并且增加Cu对衬底的附着力，就需要在Si(SiO2)之间增加一个扩散阻挡层[2]。86470

在实际应用中，阻挡层不但要防止Cu扩散，也要增加Cu和衬底材料的结合强度。除了因Cu扩散引起失效外，阻挡层与相邻材料发生反应引起失效也是很常见的。阻挡层除了要满足上述要求外，还需要满足下述条件：首先，随着器件的特征尺寸不断缩小，阻挡层材料必须要薄且致密。根据2000年更新的半导体国际技术路线(ITRS)，从2005年起，阻挡层厚度将达到10nm，到2014年将达4nm[7]。其次，阻挡层材料沉淀温度要低于400℃，这是因为一般的低k材料的熔点不会超过400℃。最后，阻挡层材料要容易被CMP除去。由于在元器件工作时，相邻金属引线之间在外加电场的作用下，Cu的扩散速率会加大。因此，对于元器件来说，一个性能良好的阻挡层是至关重要的。论文网

1 扩散阻挡层的研究

近年以来，全球各大集成电路厂商都在阻挡层的研究上投入了大量的人力物力和财力。目前，扩散阻挡层材料的研究热点集中在Ta及其相关的氮化物上，例如TaN。这些阻挡层材料的优点各不相同，相对来说，都能较好的满足上诉的条件[8]。其中，又以TaN/Ta的双层阻挡层材料的综合性能最好。目前，它也应用最为广泛的阻挡层材料之一。

为了进一步提高阻挡层的热稳定性同时兼顾其与Cu的粘附性，一般都采用多层膜结构作为扩散阻挡层，如Ru/TaN。这些多层膜结构的阻挡层虽然从工艺的角度稍有复杂化，但显示出十分优良的性能[8]。如Ta/Zr/Ta结构，有效地增加了晶界致密度，减少了Cu的扩散通道，阻止了Cu向衬底的扩散，阻挡层的失效温度达800℃，阻挡层性能大大改善。

Ge(25nm)／HfNx(7nm)作为Cu互连阻挡层，由于双层协同效果，表现出良好的性能，失效温度达600℃，其阻挡层性能的改善主要是由于Ge和HfNx的组合效果，Ge被用作Cu的底层是由于Cu与Ge反应形成Cu3Ge，阻止了Cu的扩散。Cu3Ge也有很高的电阻率，比Cu和Si更难与氧反应，而且它本身就是优良的扩散阻挡层。在Cu扩散穿过Cu3Ge时又遇到了非晶的HfNx层，进一步限制了Cu的扩散。之前研究的Mo/W-N双层结构作为Cu互连的阻挡层，认为Mo(5nm)/W-N(5nm)作为阻挡层，有较高的热稳定性，可达775℃。Windu Sari等人报道了Ru(7nm)/WN(8nm)的阻挡性能，并且对Ru单层做了对比分析，发现Ru单层在450℃就失效，但是Ru(7nm)/WN(8nm)的失效温度可达750℃，这是由于WN的纳米晶结构以非晶的形式嵌入其中造成的[9]。

然而，随着技术的发展，很多情况下，线条的宽度会低于即使纳米，这就要求阻挡层进一步变薄，变得更加致密。例如，原来使用比较广泛的TaN/Ta/Cu结构的厚度经常控制在几十个纳米左右，在新的要求下，这显然无法满足技术的发展。所以，发展新的扩散阻挡层材料变得十分重要[9]。新的阻挡材料不但要很好地阻挡扩散的能力，而且需要保证Cu拥有良好的导电性。目前研究的焦点集中在一些重金属上，例如Ag、Ru上。据报道，Ru作为阻挡材料的研究取得了实质性进展。而Ru由于其较低的电阻率，被认为最有可能成为下一代大规模应用的新一代阻挡层材料。为了避免Ru阻挡Cu的扩散，所以，有人提出采用W/Ru的双层结构。总的来说，目前关于Cu互连结构的阻挡层的研究仍然是一个难点和热点。关于沉淀阻挡层材料的方法，用的最多的是PVD，CVD，ALD等。PVD是比较主流的工艺，但是由于互连线宽度的持续性减小以及高深比增大，PVD覆盖能力差的弱点彻底暴露了出来。在这个时候，ALD的技术发展越来越成熟，已经成功沉积了ZnO，TaN材料[10]。而且，ALD技术不但覆盖能力比PVD强，它的厚度控制能力也更加成熟。所以，在可以预见的未来，ALD将彻底取代PVD。