集成电路（IC）的发展日新月异,随着线宽缩小,集成复杂度不断提高,由互连结构所产生的RC延迟已成为制约芯片运行速度的主要因素。Cu以其电阻率低,抗电迁移能力强等优势日益取代Al互连,成为IC金属互连材料佳选。但Cu在Si基材料中的快扩散和Cu/SiO₂界面粘附性差等问题都给芯片可靠性带来威胁,解决办法是在Cu连线外包一层阻挡层防止Cu的扩散并增加IMD介质界面粘附性。金属钽（Ta）的熔点高、和Cu无合金相、与SiO₂之间的粘附性好,是近年来备受关注的阻挡层材料。本文对物理气相淀积在SiO₂上制备的Cu（200nm）/Ta（25nm）/SiO₂体系中Cu热扩散失效机理进行了研究、用等离子体浸没注入（PⅢ）N⁺和C⁺对Ta进行改性和研究,并对该系统电迁移性质进行了ANSYS模拟分析得到了以下结论: 多晶Ta的晶粒间界是Cu和O原子穿过Ta扩散入衬底的主要渠道,O是Cu加快扩散的促媒。N离子和C离子的PⅢ能填塞Ta的晶粒间界,阻断Cu和O的扩散。通过比较注入前后的Cu/Ta/SiO₂体系在500℃—800℃退火后,表面形貌、元素深度分布、界面微结构和物相等方面的不同,发现经N⁺和C⁺PⅢ后的Ta对Cu的阻挡效果明显提高。在N⁺PⅢ中10¹⁶cm^-2剂量的注入效果最佳,而注入剂量太大反而会造成结构损伤。据Krasko等人对晶界嵌入能的计算,C和N在Ta中的嵌入能低于O,因此能稳定占据晶界而排斥O,从而进一步提高阻挡效果。观察显示,C⁺PⅢ后的Ta出现了较为明显的非晶化,这种无定形结构也能有效阻挡Cu的扩散。 Harrison B类扩散动力学模型、Whipple解析方法和Le Claire简化公式被运用于计算Cu在Ta基阻挡层中的扩散系数和晶粒间界扩散激活能,进一步证实离子注入Ta的改性效果。这种晶粒间界扩散和晶格扩散耦合的解析模型修正了Junji,Imahori等人用晶格扩散公式来计算晶界扩散系数的不足。计算结果给出了Cu在Ta基薄膜中扩散激活能随注入剂量和注入离子种类变化的规律。 通过建立一个多层布线的模型,用ANSYS有限元模拟的方法对Cu/Ta-X/SiO₂体系进行电迁移研究,比较了Ta、TaN和TaC作为阻挡层时界面的热失配应力;计算了导线中电流密度分布,发现在电流聚集效应的情况下,电迁移并非只和传统意义上的“电子风”相关,而是受到“电子风”和电流密度梯度的共同作用所产生。模拟结果与K.N.Tu提出的理论完全吻合,并能够很好解释在电流密度很小处出现电迁移失效的实验现象。 以上研究对探索钽阻挡层失效机理,铜互连工艺可靠性改进都有一定指导意义和参考价值。