随着集成电路制造技术向7nm及以下节点持续突破，传统的铜互连技术正面临越来越严峻的挑战。传统铜互连在特征尺寸不断缩小的过程中，面临着电阻率飙升、电迁移失效等瓶颈，而金属钴凭借优异的热稳定性、更低的电子平均自由程、出色的抗电迁移性和优异的沉积性能等，既可以替代传统的钽/氮化钽（Ta/TaN）成为铜互连结构的阻挡层，有效阻挡铜的扩散，又可以在极薄的阻挡层上实现无空隙填充，替代铜成为下一代互连金属材料。然而，任何一种新材料的引入都伴随着新的工艺难题。钴的化学机械抛光（CMP）正是其中最棘手的一环。本篇文章分别讨论钴作为铜互连结构的阻挡层以及替代铜成为下一代互连金属材料时，CMP抛光液设计与作用机制。

钴CMP的难点

与传统铜CMP相比，钴CMP的核心难点主要体现在三个方面：

（1）化学活性较高：钴在酸性或氧化性环境中易发生化学腐蚀，且与铜等相邻金属接触时，易形成电偶腐蚀电池，导致钴表面局部腐蚀、蚀坑或材料损耗，影响器件可靠性。

Cu互连电偶腐蚀蚀坑（来源：参考文献2）

（2）选择比调控：芯片异质结构中，钴与阻挡层钛（Ti）、氮化钛（TiN）及介质层的硬度、化学特性差异显著，如何实现钴与其他材料的高选择性去除，避免过度抛光或抛光不足，成为保障芯片结构完整性的关键；

（3）平整度要求：先进节点芯片的特征尺寸极小，对抛光后表面的平整度、粗糙度要求极高，抛光液的稳定性和抛光效果的均匀性直接决定芯片的良率。

这些难点倒逼钴CMP抛光液向高选择性、低缺陷、高稳定性的方向发展。当不过，由于钴阻挡层与钴互连结构中其他材料的特性差异较大，为了获得更高的选择比，两种应用场景下抛光液的成分设计上各有侧重。

钴作为阻挡层和互连结构，CMP抛光技术侧重有何不同？

钴在芯片中主要以阻挡层和互连结构两种形态存在，二者的功能定位、结构厚度及所处的芯片位置不同，导致其CMP抛光的核心目标、工艺要求和缺陷控制重点存在显著差异，形成了截然不同的抛光侧重点，也决定了抛光液成分的调整方向。

（1）作为Cu互连结构的阻挡层

由于Co对Cu布线的强附着力，Cu可在其表面直接镀覆，极大地简化了镀铜工艺，同时有效解决Ta/TaN阻挡层中常见的间隙填充不足和夹断问题，其已逐步成为Cu互连的主流阻挡层材料。Co阻挡层通常沉积在介质层与互连金属之间，用于阻止铜原子向介质层扩散，避免形成铜硅化物等杂质，防止电路短路、漏电或器件性能下降，其CMP抛光的核心目标是精准去除晶圆表面多余的钴阻挡层，并最大限度保留介质层和下方的互连结构，避免因过度抛光导致阻挡层破损，进而引发金属原子扩散。而由于Co阻挡层非常薄，抛光液的配置需严格控制Cu和Co之间去除速率选择比，并有效降低二者间电偶腐烛。

（2）钴自身作为互连金属

钴作为互连结构时，是芯片内部的“信号通道”，主要填充于介质层的沟槽和通孔中，其CMP的核心目标是去除沟槽和通孔外多余的钴，使钴互连结构表面与介质层表面精准平齐，实现全局平坦化，同时保证互连结构的导电性和表面光洁度，避免影响信号传输效率。在抛光时，钴互连结构的往往会分为两个步骤，首先是以较高的材料去除率对Co覆盖层进行去除，并精确停止在衬里的顶层;第二步是阻挡层抛光,在此阶段， 要求快速去除衬里材料氮化钛 (TiN)，并保障Co和层间介质(ILD)的MRR相对较低，以避免Co表面碟形坑的形成。

Co互连CMP工艺（来源：参考文献1）

钴CMP抛光液的核心成分

钴CMP抛光液的核心作用是通过化学作用与机械作用的协同，实现钴的精准去除与表面平坦化，其基础成分包括磨料、氧化剂、络合剂、抑制剂、表面活性剂，pH调节剂等。两类钴结构（阻挡层、互连结构）的抛光侧重点差异，决定了各成分的种类、比例需进行针对性调整，而非简单复用，具体如下：

（1）磨料：主要通过滚滑磨损实现钴表面的氧化产物和多余钴层的去除，辅助实现表面平坦化，其硬度、粒径、分散性直接影响抛光速率和表面质量，目前针对钴的磨料通常为二氧化硅（SiO₂）和氧化铝（Al₂O₃）纳米颗粒。

（1）PH调节剂：抛光液的pH值是影响CMP性能的关键参数之一，Co表面在不同pH值溶液中的存在形式不同。在酸性环境中，Co在氧化剂作用下表面生成的氧化钴(CoO)极易溶解，与H⁺反应生成Co²⁺和Co³⁺，材料去除率较高，但腐蚀失控风险高；而在碱性条件下，Co膜表面会生成四氧化三钴（Co₃O₄，混合价态，同时含有二价钴（Co²⁺）和三价钴（Co³⁺））、氢氧化钴（Co(OH)₂ 、羟基氧化钴（CoOOH）等钝化层，降低材料去除率，但能够提升表面质量。使用时，可通过pH调控可优化氧化剂氧化性和络合剂络合能力，同时减少对异质材料的腐蚀。

Co在碱性条件下的反应

（2）氧化剂：氧化剂的作用是将钴表面氧化形成易被去除的氧化产物，为机械磨削提供条件。Co阻挡层主流采用H₂O₂作为氧化剂，具有低成本、低污染和高抛光效率等优势，同时在抛光Cu/Co互连结构时，其氧化膜的生成也可降低Cu和Co之间的腐蚀电位差 ，显著降低Co的腐烛电流密度，不过，其极易分解，可能导致CMP后的表面质量无法得到保证。除此之外，不少研究人员采用次氯酸钠(NaClO)、过硫酸钾(k₂S₂O₈)等作为氧化剂，其中，k₂S₂O₈能够生成具有比H₂O₂氧化能力更强的硫酸根自由基(SO^4-)，能够更有效地促进表面氧化膜的生成与去除，提高表面质量。

作为氧化剂的作用原理

Cu/Co互连结构的抛光：浸入1%H₂O₂的Cu(a)和Co(c)；10mmol/Lk₂S₂O₈处理后的Cu(b)和Co(d)的SEM图

（3）络合剂：络合剂是实现钴选择性去除的关键成分，其作用是与钴的氧化产物形成稳定的络合物，促进氧化产物的溶解，从而提升钴的去除速率，同时抑制其他金属（如钛、氮化钛）和介质层的溶解。目前，甘氨酸、乙二胺四乙酸（EDTA）、羟基乙叉二膦酸（HEDP）、次氮基三乙酸(NTA)、柠檬酸氢钾（KHP）等均经实验验证能够在CMP过程中有效生成可溶性络合物，显著提升Co的材料去除率。

HEDP的络合机理（来源：参考文献1）

（4）缓蚀剂：在高去除速率的抛光过程中，不可避免地会在金属表面形成腐蚀坑、蝶形坑等缺陷，而缓蚀剂的引人为这一问题提供了有效的解决方案。通过在抛光液中添加适量的BHA（苯甲羟肟酸）、BTA（苯并三氮唑）等缓蚀剂，可适度减缓钴的去除速率，使抛光过程更平稳，在保证高去除速率的同时显著降低表面腐蚀坑的产生。

BHA对Co的缓蚀机理（来源：参考文献1）

小结

钴作为铜互连的阻挡层，其CMP技术侧重精准去除多余钴层、控制铜钴电偶腐蚀并保护介质层与互连结构，而作为互连材料则以全局平坦化、保障互连导电性与表面光洁度为核心，这种差异直接决定了抛光液各核心成分（磨料、氧化剂、络合剂、缓蚀剂等）的选型与配比需进行针对性设计，无法简单复用。实际应用时，需通过合理调控抛光液pH值、优化氧化剂与络合剂的协同作用、引入高效缓蚀剂，有效解决钴CMP过程中的腐蚀、选择比失衡、表面缺陷等关键问题，为芯片良率提升提供保障。

参考文献：

1、张力飞,路新春,张佳磊,等. 钴化学机械抛光中抛光液及清洗剂的研究进展[J]. 材料导报.

2、IC互连金属及其阻挡层化学机械抛光的研究进展[J]. 材料导报.

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