隨著集成電路（IC）技術(shù)的不斷進(jìn)步，互連金屬的選擇變得尤為重要。盡管銅（Cu）曾是最常用的互連金屬，但隨著器件尺寸的縮小，Cu在電遷移和擴(kuò)散方面的不足逐漸暴露，影響了IC的穩(wěn)定性和可靠性。尤其在高溫條件下，Cu容易發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致信號(hào)傳輸衰減和電路性能下降。為解決這一問(wèn)題，鈷（Co）作為一種低電阻、低擴(kuò)散的金屬，成為了理想的替代材料。Co不僅低電阻，有助于提升器件的傳輸效率，其優(yōu)異的填充特性也使其能更好適應(yīng)微型化IC結(jié)構(gòu)。此外，Co的低擴(kuò)散性有效減少了電遷移問(wèn)題，顯著提高了IC的可靠性。然而，Co表面的平整度和光滑度對(duì)IC制造至關(guān)重要，因此迫切需要一種高效的表面處理技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足這些要求。

傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)廣泛應(yīng)用于表面平整處理，但由于Co的較高硬度，CMP往往需要較大的下壓力。這種下壓力雖然能夠提高去除速率，但同時(shí)也可能對(duì)低介電常數(shù)材料造成損傷。而如果下壓力過(guò)小，則難以達(dá)到理想的去除效果和表面質(zhì)量。因此，如何在降低拋光力的同時(shí)提高去除效率，成為IC制造中亟待解決的難題。為此，本文采用了電化學(xué)機(jī)械拋光（ECMP）技術(shù)，這是一種結(jié)合了機(jī)械、電場(chǎng)和化學(xué)三種作用的表面加工方法。通過(guò)電場(chǎng)的引入，ECMP不僅能夠有效減少拋光所需的力，還能加速Co表面氧化反應(yīng)，形成易于去除的氧化物。在此過(guò)程中，機(jī)械作用通過(guò)磨料顆粒的物理磨削作用，將這些氧化物從Co表面去除，從而實(shí)現(xiàn)了更高的去除速率和更好的表面質(zhì)量。

在引入ECMP技術(shù)后，本文重點(diǎn)探究了三種因素（機(jī)械、電場(chǎng)、化學(xué)）的單獨(dú)作用及其協(xié)同作用對(duì)Co表面拋光效果的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，定量分析了每個(gè)因素對(duì)材料去除速率的貢獻(xiàn)，并比較了它們?cè)趩为?dú)作用與協(xié)同作用下的效果。

為了在拋光過(guò)程中穩(wěn)定地施加機(jī)械、電場(chǎng)和化學(xué)作用，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的ECMP裝置，包括化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)（TriboLab CMP，布魯克，美國(guó)）和電化學(xué)工作站。拋光頭負(fù)責(zé)施加下壓力，拋光盤(pán)的中央設(shè)有化學(xué)池，電化學(xué)工作站的參比電極和對(duì)電極被置于其中。工作電極通過(guò)拋光機(jī)內(nèi)部的線路與樣品Co相連。化學(xué)池用于儲(chǔ)存拋光液，并在拋光過(guò)程中保持液體的均勻流動(dòng)。當(dāng)拋光盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，拋光液會(huì)均勻地向四周擴(kuò)散，并持續(xù)向化學(xué)池注入新的拋光液，從而確保化學(xué)池與Co表面之間通過(guò)拋光液保持有效連接。電化學(xué)工作站在操作時(shí)，能夠確保電路的閉合，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電化學(xué)作用。

在動(dòng)態(tài)拋光過(guò)程中，表面生成的物質(zhì)會(huì)被磨粒去除，形成一個(gè)不斷生成、去除、再生成、再去除的循環(huán)。為了確定拋光過(guò)程中Co表面生成物的組成，本文設(shè)計(jì)了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。具體而言，將Co樣品浸泡在相應(yīng)的拋光液中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，Co表面進(jìn)行清洗干燥，并進(jìn)行表面表征和成分分析，以揭示拋光過(guò)程中形成的生成物的特征。

圖3和圖4展示了Co在機(jī)械、化學(xué)和電場(chǎng)單獨(dú)及協(xié)同拋光作用下的材料去除率和表面質(zhì)量結(jié)果（包括對(duì)照組、單獨(dú)機(jī)械、化學(xué)、電場(chǎng)作用，以及機(jī)械+化學(xué)、機(jī)械+電場(chǎng)、化學(xué)+電場(chǎng)、機(jī)械+化學(xué)+電場(chǎng)協(xié)同作用作用）。結(jié)果表明，與單獨(dú)使用電場(chǎng)或化學(xué)因素相比，機(jī)械作用在Co拋光中起主要作用。然而，當(dāng)化學(xué)和電場(chǎng)輔助機(jī)械作用時(shí)，去除效率提高了近兩倍，并且獲得了原子級(jí)光滑表面。

通過(guò)靜態(tài)表面表征和電化學(xué)測(cè)試（圖5和圖6），明確了不同因素單獨(dú)及協(xié)同作用下的表面成分及其比例，并闡明了材料去除的機(jī)制。結(jié)果表明，機(jī)械作用主要負(fù)責(zé)材料的去除，化學(xué)作用則主要將Co轉(zhuǎn)化為CoO、Co(OH)₂及其他產(chǎn)物。同時(shí)，電場(chǎng)作用強(qiáng)化了氧化過(guò)程。氧化物與拋光液中的絡(luò)合劑反應(yīng)，形成疏松且多孔的苯并三氮唑（BTA）絡(luò)合物。在ECMP過(guò)程中，Co-BTA不斷生成并被去除。

進(jìn)一步確定了機(jī)械，化學(xué)和電場(chǎng)單獨(dú)以及協(xié)同作用下的貢獻(xiàn)占比。單獨(dú)機(jī)械作用、化學(xué)作用和電作用分別為50.46%、11.17%和6.20%。機(jī)械+化學(xué)、機(jī)械+電、化學(xué)+電和電化學(xué)機(jī)械作用的百分比分別為72.05%、41.94%、14.71%和100%。最后根據(jù)各種因素的作用，確定了鈷ECMP材料去除模型。