铜互连用界面扩散阻挡层的材料设计及其服役效能的研究

由于极大规模集成电路Cu互连体积维度的不断减小以及多种新材料的不断引入，传统意义上对扩散阻挡层材料的设计及功能研究方法已无法适应实际工况。本项目在充分分析新体系下超薄扩散阻挡层制备和服役特点的基础上，提出"透过界面调控提升服役效能"的研究思路：一方面针对传统镀膜手段对异质界面控制能力不足的弱点，提出界面融合技术，利用材料学设计手段，研究融合界面扩散阻挡层合金元素及其反应产物的性质对膜层"结构与功能"一体的协同作用过程与机制；另一方面则重点探讨纳米尺度下，缺陷与界面阻挡层扩散失稳行为的关联性，以及界面扩散阻挡层服役的时效性演变，揭示缺陷对界面扩散阻挡层服役效能的影响机制，较完整地建立界面阻挡层失效的评价体系。通过深入理解新型超薄界面扩散阻挡层的作用机理，同时也将深化对纳米材料界面结构、扩散行为以及化合反应过程的理解。研究方法及结果均具有可资借鉴的科学意义及工业应用推广价值。

本项目利用材料学设计方法，采用多种现代分析测试手段，研究了新型高熵合金扩散阻挡层、alpha-Ta/graded Ta(N)/TaN多层扩散阻挡层薄膜表征参量与失效行为的相关性，重点探讨了几个代表性表征参量的演化规律，揭示了阻挡层界面的结构及性能演变规律。为进一步探讨纳米尺度下，缺陷与界面失稳行为的关联性，项目组利用惰性气体引入大量点缺陷，深入探讨了点缺陷与典型材料界面的相互作用。研究发现：尽管异质层界面能够有效地吸收、湮灭点缺陷，但界面对不同材料中点缺陷的吸收效率却并不相同，这很可能与界面本身的不均匀有关。研究表明通过材料层界面的设计，利用层界面对缺陷吸收的各向异性，在某种程度上达到控制材料相关性能的目的。课题还利用多种不同的制备手段，以生物体为模板，成功地镀制了新型三维核壳多层结构，并且研究了这种三维体系的界面、晶体结构与扩散之间的关联作用，取得了一些有新意的结果。