隨著集成電路（IC）技術(shù)的不斷進步，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)生擴散，導(dǎo)致信號傳輸衰減和電路性能下降。為解決這一問題，鈷（Co）作為一種低電阻、低擴散的金屬，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的低擴散性有效減少了電遷移問題，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)來滿足這些要求。

傳統(tǒng)的化學(xué)機械拋光（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，但同時也可能對低介電常數(shù)材料造成損傷。而如果下壓力過小，則難以達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)機械拋光（ECMP）技術(shù)，這是一種結(jié)合了機械、電場和化學(xué)三種作用的表面加工方法。通過電場的引入，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。在此過程中，機械作用通過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，本文重點探究了三種因素（機械、電場、化學(xué)）的單獨作用及其協(xié)同作用對Co表面拋光效果的影響。通過實驗，定量分析了每個因素對材料去除速率的貢獻，并比較了它們在單獨作用與協(xié)同作用下的效果。

為了在拋光過程中穩(wěn)定地施加機械、電場和化學(xué)作用，本文設(shè)計了如圖1所示的ECMP裝置，包括化學(xué)機械拋光機（TriboLab CMP，布魯克，美國）和電化學(xué)工作站。拋光頭負責(zé)施加下壓力，拋光盤的中央設(shè)有化學(xué)池，電化學(xué)工作站的參比電極和對電極被置于其中。工作電極通過拋光機內(nèi)部的線路與樣品Co相連?；瘜W(xué)池用于儲存拋光液，并在拋光過程中保持液體的均勻流動。當(dāng)拋光盤旋轉(zhuǎn)時，拋光液會均勻地向四周擴散，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表面之間通過拋光液保持有效連接。電化學(xué)工作站在操作時，能夠確保電路的閉合，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的電化學(xué)作用。

在動態(tài)拋光過程中，表面生成的物質(zhì)會被磨粒去除，形成一個不斷生成、去除、再生成、再去除的循環(huán)。為了確定拋光過程中Co表面生成物的組成，本文設(shè)計了靜態(tài)實驗，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)過一定時間后，Co表面進行清洗干燥，并進行表面表征和成分分析，以揭示拋光過程中形成的生成物的特征。

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

通過靜態(tài)表面表征和電化學(xué)測試（圖5和圖6），明確了不同因素單獨及協(xié)同作用下的表面成分及其比例，并闡明了材料去除的機制。結(jié)果表明，機械作用主要負責(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，電場作用強化了氧化過程。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過程中，Co-BTA不斷生成并被去除。

進一步確定了機械，化學(xué)和電場單獨以及協(xié)同作用下的貢獻占比。單獨機械作用、化學(xué)作用和電作用分別為50.46%、11.17%和6.20%。機械+化學(xué)、機械+電、化學(xué)+電和電化學(xué)機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。