随着集成电路的发展特征尺寸不断下降,制备厚度薄且具有良好热稳定性的扩散阻挡层变得越来越具有挑战性。因此在Cu膜中直接添加少量元素来制备Cu种籽层的无扩散阻挡层结构受到了广泛关注。本论文采用磁控溅射方法,制备了无扩散阻挡层Cu(Sn), Cu(C)和Cu(Sn,C)薄膜。研究了单独掺杂大原子Sn,小原子C以及同时掺杂大原子Sn和小原子C对Cu膜的微结构和性能的影响。大原子Sn在Cu中有一定的固溶度,且特别容易和Cu发生反应形成化合物。为了研究这一类原子在Cu膜中的扩散阻挡机制,制备了不同含量的Cu(Sn)薄膜。研究结果显示电阻率随着Sn含量的减少在下降。不同含量的Sn在薄膜中所处状态不同,阻挡效果产生了差异。Sn含量超过了在Cu中的固溶度在薄膜中会形成Cu-Sn化合物,Sn被薄膜中的Cu消耗使得阻挡效果没有很好的显示出来。而添加元素Sn在Cu中保持固溶状态,不形成化合物析出,Sn起到了一定的阻挡效果。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。研究结果显示,在薄膜中添加小原子C可以获得较低的电阻率,同时掺杂原子C有细化晶粒的作用,薄膜的热稳定性能得到了明显提高。除此之外,本文中还发现C原子特别容易向薄膜和基体界面扩散。而对于Cu(4.7 at.% C)薄膜,添加C含量较大,在Si基体上方形成了一层稳定SiC层,有效的阻止Cu-Si扩散,而Cu(4.6 at.% C)薄膜没有SiC层。这使得Cu(4.7 at.% C)薄膜热稳定性得到了更大程度的提高,在500℃退火40h依然没有Cu-Si化合物的生成。说明了添加不同含量的C其扩散阻挡效果会不同。同时添加大原子Sn和小原子C的三元Cu(0.6 at.% Sn,2 at.% C)薄膜退火后获得了比二元Cu(0.6 at.% Sn)薄膜低的电阻率,但是两者均在700℃退火1h没有出现Cu-Si化合物,说明了两者的热稳定性相同。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后在薄膜和基体的界面处形成了一层有别于本征氧化层的纳米级自钝化非晶层,有效的阻挡了Cu-Si扩散。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出现了Cu-Si化合物,电阻率急剧的升高,说明了两薄膜长时间热稳定性较差。