Friction - 钴抛光中机械、化学与电场因素的单独及协同作用机制

随着集成电路（IC）技术的不断进步，互连金属的选择变得尤为重要。尽管铜（Cu）曾是最常用的互连金属，但随着器件尺寸的缩小，Cu在电迁移和扩散方面的不足逐渐暴露，影响了IC的稳定性和可靠性。尤其在高温条件下，Cu容易发生扩散，导致信号传输衰减和电路性能下降。为解决这一问题，钴（Co）作为一种低电阻、低扩散的金属，成为了理想的替代材料。Co不仅低电阻，有助于提升器件的传输效率，其优异的填充特性也使其能更好适应微型化IC结构。此外，Co的低扩散性有效减少了电迁移问题，显著提高了IC的可靠性。然而，Co表面的平整度和光滑度对IC制造至关重要，因此迫切需要一种高效的表面处理技术来满足这些要求。

传统的化学机械抛光（CMP）技术广泛应用于表面平整处理，但由于Co的较高硬度，CMP往往需要较大的下压力。这种下压力虽然能够提高去除速率，但同时也可能对低介电常数材料造成损伤。而如果下压力过小，则难以达到理想的去除效果和表面质量。因此，如何在降低抛光力的同时提高去除效率，成为IC制造中亟待解决的难题。为此，本文采用了电化学机械抛光（ECMP）技术，这是一种结合了机械、电场和化学三种作用的表面加工方法。通过电场的引入，ECMP不仅能够有效减少抛光所需的力，还能加速Co表面氧化反应，形成易于去除的氧化物。在此过程中，机械作用通过磨料颗粒的物理磨削作用，将这些氧化物从Co表面去除，从而实现了更高的去除速率和更好的表面质量。

在引入ECMP技术后，本文重点探究了三种因素（机械、电场、化学）的单独作用及其协同作用对Co表面抛光效果的影响。通过实验，定量分析了每个因素对材料去除速率的贡献，并比较了它们在单独作用与协同作用下的效果。

为了在抛光过程中稳定地施加机械、电场和化学作用，本文设计了如图1所示的ECMP装置，包括化学机械抛光机（TriboLab CMP，布鲁克，美国）和电化学工作站。抛光头负责施加下压力，抛光盘的中央设有化学池，电化学工作站的参比电极和对电极被置于其中。工作电极通过抛光机内部的线路与样品Co相连。化学池用于储存抛光液，并在抛光过程中保持液体的均匀流动。当抛光盘旋转时，抛光液会均匀地向四周扩散，并持续向化学池注入新的抛光液，从而确保化学池与Co表面之间通过抛光液保持有效连接。电化学工作站在操作时，能够确保电路的闭合，从而实现稳定的电化学作用。

在动态抛光过程中，表面生成的物质会被磨粒去除，形成一个不断生成、去除、再生成、再去除的循环。为了确定抛光过程中Co表面生成物的组成，本文设计了静态实验，如图2所示。具体而言，将Co样品浸泡在相应的抛光液中，经过一定时间后，Co表面进行清洗干燥，并进行表面表征和成分分析，以揭示抛光过程中形成的生成物的特征。

图3和图4展示了Co在机械、化学和电场单独及协同抛光作用下的材料去除率和表面质量结果（包括对照组、单独机械、化学、电场作用，以及机械+化学、机械+电场、化学+电场、机械+化学+电场协同作用作用）。结果表明，与单独使用电场或化学因素相比，机械作用在Co抛光中起主要作用。然而，当化学和电场辅助机械作用时，去除效率提高了近两倍，并且获得了原子级光滑表面。

通过静态表面表征和电化学测试（图5和图6），明确了不同因素单独及协同作用下的表面成分及其比例，并阐明了材料去除的机制。结果表明，机械作用主要负责材料的去除，化学作用则主要将Co转化为CoO、Co(OH)₂及其他产物。同时，电场作用强化了氧化过程。氧化物与抛光液中的络合剂反应，形成疏松且多孔的苯并三氮唑（BTA）络合物。在ECMP过程中，Co-BTA不断生成并被去除。

进一步确定了机械，化学和电场单独以及协同作用下的贡献占比。单独机械作用、化学作用和电作用分别为50.46%、11.17%和6.20%。机械+化学、机械+电、化学+电和电化学机械作用的百分比分别为72.05%、41.94%、14.71%和100%。最后根据各种因素的作用，确定了钴ECMP材料去除模型。