氧化态在钴化学机械平面化过程中的作用

《MetalMat》：Role of the Oxidation State in Cobalt Chemical Mechanical Planarization

Co作为5nm以下系统的接触金属，其CMP性能受氧化层影响显著。本研究通过调控氧化剂（KIO4 vs H2O2）的还原电位和扩散系数，发现KIO4形成的Co(II)氧化物层（厚度20?，非晶态）可有效提升去除率254%并降低表面粗糙度41%。氧化动力学分析表明，KIO4的较低扩散系数（1.45×10^-9 m2/s）和温和氧化特性抑制了Co(III)相（Co3O4）的生成，从而优化了CMP过程

　　随着半导体制造技术不断向更小的节点演进，特别是进入5纳米及以下工艺级别，金属互连和接触层的材料选择变得愈发关键。钴（Co）因其较低的电阻率和在高纵横比结构中优异的填充能力，被广泛视为下一代替代钨（W）的候选材料。然而，在实际制造过程中，化学机械抛光（CMP）技术作为钴金属层加工的关键步骤，其性能直接决定了最终产品的良率和可靠性。在当前的Co CMP工艺中，如何实现高去除速率和低表面粗糙度成为了一个重要的挑战。

化学机械抛光的过程通常包括氧化和研磨两个阶段，其中氧化层的形成是影响去除速率的关键因素。氧化层的物理化学性质，如氧化状态、晶态结构和厚度，对后续的机械去除效率和表面质量具有显著影响。传统上，过氧化氢（H?O?）被用作Co CMP的氧化剂，但其高反应活性往往导致氧化层过厚，并且氧化状态复杂，从而增加了机械去除的难度。此外，H?O?的高反应性还可能引发严重的化学腐蚀，进而造成表面粗糙度增加，影响器件性能。

因此，研究者们开始探索新的氧化剂，以实现更优的氧化层控制。例如，碘酸钾（KIO?）作为一种氧化剂，其具有较低的还原电位和可控的扩散动力学特性，使得氧化层在形成过程中更加温和，且厚度适中，有助于提高去除效率并减少表面粗糙度。在实验中，通过调整氧化剂的浓度和pH值，可以精细调控氧化层的形成过程。结果表明，KIO?能够形成主要由Co(II)组成的薄层氧化物，具有较低的机械强度，从而更易于去除，同时保持较好的表面平整度。

实验数据进一步表明，KIO?在Co CMP中的表现优于H?O?。具体而言，在相同浓度下，KIO?的去除速率提高了254%，而表面粗糙度则降低了41%。这些结果强调了氧化剂在控制氧化层特性方面的重要性，以及如何通过优化其电化学性质来实现更高效的CMP性能。同时，KIO?的使用也展现出良好的选择性，使得其在去除Co的同时对其他材料如二氧化硅（SiO?）的影响较小，从而为复杂结构的微电子器件提供了更好的加工条件。

在实验设计方面，研究者采用了多种分析手段，包括电化学极化曲线、X射线光电子能谱（XPS）和俄歇电子能谱（AES），以全面评估氧化剂对Co氧化层的影响。这些技术不仅能够揭示氧化层的化学组成，还能提供其结晶度和厚度等关键信息。此外，透射电子显微镜（TEM）被用于观察氧化层的微观结构，进一步验证了KIO?在形成更均匀、更薄的氧化层方面的优势。

值得注意的是，氧化剂的浓度对氧化层的形成和去除速率具有显著影响。在一定范围内，增加氧化剂浓度可以提高去除速率，但过高的浓度会导致氧化层过厚，从而降低去除效率。因此，寻找一个合适的氧化剂浓度，使得氧化层既不过厚也不过薄，成为优化Co CMP性能的关键。KIO?的低扩散系数使得其在Co表面的渗透深度较小，从而形成更薄的氧化层，避免了因氧化层过厚而引起的机械去除困难。

同时，研究还发现，氧化层的组成和结构对CMP过程中的化学腐蚀和机械磨损具有重要影响。例如，Co?O?作为一种硬质氧化物，其形成会显著降低去除速率并增加表面粗糙度。相比之下，由KIO?形成的氧化层主要由Co(II)氧化物组成，具有较低的机械强度，从而更易于去除，且对表面粗糙度的影响较小。这些发现为未来Co CMP工艺的优化提供了理论依据和实验支持。

此外，研究还探讨了氧化剂对其他材料的去除选择性。在实际应用中，Co与SiO?等材料的共存使得去除选择性变得尤为重要。通过调整氧化剂的浓度和固体负载，可以实现对Co与SiO?去除速率的精细调控，从而在复杂结构的加工过程中获得更好的控制能力。这一特性使得KIO?成为一种具有广阔应用前景的氧化剂，特别是在下一代中间工艺（MOL）中。

总的来说，这项研究揭示了氧化剂在Co CMP过程中的关键作用，并展示了通过调控其电化学性质，可以有效改善氧化层的物理化学特性，从而提升去除速率和表面质量。这些成果不仅为当前Co CMP工艺提供了新的思路，也为未来更先进的微电子器件制造技术奠定了基础。通过这种优化策略，研究者能够在不牺牲其他性能的前提下，实现更高效、更精细的材料加工，推动半导体制造技术的进一步发展。