铜（Cu）具有极高的电导率和热导率，使其成为集成电路（ICs）中互连材料的理想选择[1]。随着ICs的快速发展，传统的阻挡层材料如钽（Ta）和氮化钽（TaN）越来越无法满足先进节点的严格要求[2]。在较低的技术节点，由于其较低的电阻率、较低的硬度和对Cu的优异附着力，钴（Co）已成为一种有前景的替代阻挡材料[3]。随着集成电路的特征尺寸缩小到14纳米，基于钴的Cu互连结构中Cu层的化学机械抛光（CMP）对性能提出了更高的要求。一个主要的转变是从传统的两步抛光工艺向一步抛光工艺的过渡。单步抛光过程的示意图如图1(a)所示：一旦去除顶层的Cu层（7500 Å），CMP必须精确地在Co阻挡层处终止，而不会造成损伤，这需要在激烈的Cu抛光过程中尽量减少Co的去除[4]。因此，实现高Cu与Co去除率的选择性至关重要。行业标准通常要求选择性比率至少为100:1[5]。因此，如何在基于钴的Cu互连结构中实现高Cu/Co去除率的选择性成为CMP中的一个挑战。
高Cu与Co去除率的选择性需要高铜去除率。这可能会导致铜膜的严重化学腐蚀，从而难以控制铜膜的高度差异[6]。因此，需要添加抑制剂。然而，传统的唑类抑制剂具有毒性，并且会带来高昂的CMP后废水处理成本[7][8]。为了改善浆料的分散性和表面平整度，通常会添加表面活性剂，但这进一步增加了浆料系统的化学复杂性[9]。因此，浆料配方中的一个关键挑战是寻找能够同时抑制Cu和Co腐蚀的多功能添加剂，同时尽量降低整体化学复杂性。
一些研究发现，某些表面活性剂也具有防腐性能，并且在CMP后清洗过程中容易去除。利用这些表面活性剂作为传统抑制剂的功能替代品，为简化浆料配方和降低相关毒性提供了一种有前景的策略。张等人[10]研究了阴离子表面活性剂α-磺化油酸钠（a-AOS）和非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚磷酸酯（APE-10P）在Cu CMP中的环保抑制作用。这些复合表面活性剂的加入显著减少了表面腐蚀坑，表面粗糙度降至1.41纳米。同样，严等人[11]研究了阴离子表面活性剂油酸钾（PO）与非离子表面活性剂脂肪醇聚乙二醇醚（JFCE）混合物在基于钴的Cu互连结构中Cu层CMP中的性能，以实现所需的高Cu/Co去除率选择性。结果表明，较高浓度的PO降低了Co的去除率，而JFCE减轻了PO对Cu去除的抑制作用，最终实现了311:1的高Cu/Co去除率选择性。阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸（DBSA）的防腐效果可与传统的1,2,4-三唑抑制剂相媲美[12]。十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）是一种无毒、可快速生物降解且具有高度协同作用的表面活性剂[13]。关等人[14]通过实验和计算方法发现，BS-12可以优先吸附在Fe（110）晶面上，有效抑制了0.5 M H2SO4溶液中冷轧钢的腐蚀。此外，张等人[15]研究了BS-12和葡萄糖酸钙作为AA5052铝合金在4 M NaOH电解质中的混合腐蚀抑制剂的使用。研究发现，BS-12的亲水基团可以占据铝合金/溶液界面的活性位点，而疏水烷基链进一步增强了腐蚀抑制效果，从而增强了对AA5052合金的保护作用。因此，BS-12是与其他表面活性剂共配制的理想候选者。
为了解决基于钴的Cu互连结构中Cu层CMP传统抑制剂的局限性，包括环境兼容性差和浆料复杂性增加的问题，对基础系统进行了以下修改：基础系统包含2 wt%甘氨酸（Gly）、0.5 wt%二氧化硅溶胶（SiO2）和0.3 wt%过氧化氢（H2O2）。实验结果表明，DBSA+BS-12系统表现出优异的防腐效果，Cu和Co的选择性达到了107.3:1。表面形貌测试显示，使用DBSA+BS-12抛光后表面质量显著改善。为了阐明潜在的抑制机制，进行了电化学实验来表征Cu和Co表面的吸附特性，并使用X射线光电子能谱（XPS）测试来验证和分析钝化膜的组成。此外，还采用了密度泛函理论（DFT）计算来探究单个表面活性剂和DBSA+BS-12的潜在分子反应性，并识别其协同作用机制。总之，DBSA+BS-12系统作为基于钴的Cu互连结构中Cu层CMP的有效且环境可持续的双功能添加剂。这项工作为理解混合表面活性剂的抑制效果提供了有用的基础，并为下一代无抑制剂浆料的设计提供了见解。
