隨著集成電路的發展特征尺寸不斷下降,制備厚度薄且具有良好熱穩定性的擴散阻擋層變得越來越具有挑戰性。因此在Cu膜中直接添加少量元素來制備Cu種籽層的無擴散阻擋層結構受到了廣泛關注。本論文采用磁控濺射方法,制備了無擴散阻擋層Cu(Sn), Cu(C)和Cu(Sn,C)薄膜。研究了單獨摻雜大原子Sn,小原子C以及同時摻雜大原子Sn和小原子C對Cu膜的微結構和性能的影響。大原子Sn在Cu中有一定的固溶度,且特別容易和Cu發生反應形成化合物。為了研究這一類原子在Cu膜中的擴散阻擋機制,制備了不同含量的Cu(Sn)薄膜。研究結果顯示電阻率隨著Sn含量的減少在下降。不同含量的Sn在薄膜中所處狀態不同,阻擋效果產生了差異。Sn含量超過了在Cu中的固溶度在薄膜中會形成Cu-Sn化合物,Sn被薄膜中的Cu消耗使得阻擋效果沒有很好的顯示出來。而添加元素Sn在Cu中保持固溶狀態,不形成化合物析出,Sn起到了一定的阻擋效果。本文中研究了C含量不同的Cu(4.6 at.% C)薄膜和Cu(4.7 at.% C)薄膜。研究結果顯示,在薄膜中添加小原子C可以獲得較低的電阻率,同時摻雜原子C有細化晶粒的作用,薄膜的熱穩定性能得到了明顯提高。除此之外,本文中還發現C原子特別容易向薄膜和基體界面擴散。而對于Cu(4.7 at.% C)薄膜,添加C含量較大,在Si基體上方形成了一層穩定SiC層,有效的阻止Cu-Si擴散,而Cu(4.6 at.% C)薄膜沒有SiC層。這使得Cu(4.7 at.% C)薄膜熱穩定性得到了更大程度的提高,在500℃退火40h依然沒有Cu-Si化合物的生成。說明了添加不同含量的C其擴散阻擋效果會不同。同時添加大原子Sn和小原子C的三元Cu(0.6 at.% Sn,2 at.% C)薄膜退火后獲得了比二元Cu(0.6 at.% Sn)薄膜低的電阻率,但是兩者均在700℃退火1h沒有出現Cu-Si化合物,說明了兩者的熱穩定性相同。不同于二元Cu(C)和Cu(Sn)薄膜,由于C和Sn原子的共同加入700℃退火1h后在薄膜和基體的界面處形成了一層有別于本征氧化層的納米級自鈍化非晶層,有效的阻擋了Cu-Si擴散。但是Cu(0.6 at.% Sn,2 at.% C)薄膜和Cu(0.6 at.% Sn)薄膜在600℃退火5h出現了Cu-Si化合物,電阻率急劇的升高,說明了兩薄膜長時間熱穩定性較差。