Nano-scale chemically modified thin film characterization for chemical mechanical planarization applications

Mikroelektronik endüstrisinin amacı giderek küçülen cihaz boyutlarına rağmen fonksiyonelliğini arttırmayı başarıp, birim üretim maliyetini azaltmaktır. Bu amaç ileri fotolitografi proseslerinin geliştirilmesi ile çok katmanlı metalizasyon işlemine uygulanarak başarılmıştır ve kimyasal mekaniksel düzlemleme (CMP) prosesi de pul yüzeylerin düzlemlenmesi ile fotolitografi desenlerinin başarılı bir şekilde uygulanmasına olanak sağlamaktadır. Hedeflenen entegre devre (IC) üretimi gelecek yarıiletken endüstrisinde ihtiyaç duyulan metal oksit yarıiletken alan etkili transistorlerin (MOSFET) gelişimi için bazı fiziksel zorluklar ile karşılaşmaktadır. Bu zorluklar germanyum kullanımı gibi yüksek elektron mobilitesine sahip yeni ve daha zor malzemelerin kullanımıyla üstesinden gelinebilecektir, bunun yanında yüksek güçlü cihaz uygulamalarında GaN, GaAs ya da InAs gibi III-V grubuna ait yarıiletkenler kullanılmaktadır. Ayrıca, enerji tüketiminin azaltılmasi ve enerji depolama yeteneği gibi yeni fikirler ferroelektrik ve manyetik bellekleri tanıtmıştır, hem de çeşitli daha sert malzemelerin yarıiletken üretimine entegre edilmesini sağlayan piezoelektrik güç çeviricileri ön plana çıkarmıştır. Kimyasal mekaniksel düzlemleme prosesi mevcut yariiletken üretim süreçlerine yeni malzemelerin integrasyonu için önemli bir prosestir. CMP işlemi sulu suspansiyon ortamında homojen olarak dagılmış nano partiküllerin mekanik olarak yüzeyi sürekli aşındırarak parlatılmış yüzeyi kimyasal olarak modifiye etmektedir. Yüksek hacimde üretime ulaşmak için geliştirilen yeni CMP prosesleri yüksek malzeme aşınım hızını sağlayabilecek etkili CMP suspansiyon formülasyonlarına ihtiyaç duymaktadır. Ayrıca topografik seçiciliği ve geniş yüzey düzlemselliğini başarmak için düşük çözünme hızı, minimum yüzey hasarı ve yüzey pürüzlülüğü sağlamak gerekmektedir. Bu nedenle, daha iyi bir proses kontrolü sağlamak ve yeni nesil malzemeler için gelecek proses tasarımı yapmak için CMP prosesisinin kimyasal ve mekaniksel etkisini anlamak çok önemlidir. Bu tez CMP uygulamaları sırasında suspansiyon içinde yer alan kimyasallara maruz kalması sonucu pul yüzeyinde oluşan kimyasal olarak modifiye edilmiş ince filmlerin karakterizasyonuna ve process performansının nano boyutta optimize edilmesine odaklanmaktadır. Sunulan calışma iki ana bölüme ayrılmaktadır, birinci bölüm metal CMP uygulamalarında oluşan kimyasal metal oksit ince filmlere, ikinci bölüm ise metal olmayan CMP uygulamalarında oluşan kimyasal olarak modifiye edilmiş ince filmlerin karakterizasyonuna odaklanmaktadır. Metal CMP uygulamalarında, kimyasal modifiye ince filmlerde topografik seçiciligi sağlamak için koruyucu oksit ince filmlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle, metal (tungsten) yüzeylerinde kimyasal modifiye ince filmlerin kalınlığı ve kompozisyonu karakterize edilmiştir, hemde yüzeyde oluşan oksit hacminin metal hacmine oranlanmasi ile Pilling-Bedworth (P-B) oranı hesaplanarak koruyucu film olup olmadıkları değerlendirilmiştir. Yapılan analizler en alt katmandaki saf tungsten yüzeyine ulaşana kadar en üst katmandaki oksit filmin tungsten hidroksil bileşiğinden oluştuğunu sonraki katmanların W/Wox kombinasyonları şeklinde devam ettiğini göstermiştir. Ayrıca, tungsten pullarinin yüzey topografisinin oksitleyici konsantrasyonuna bağli olarak değişme eğiliminde olduğu belirlenmiştir, gözlemlenen yüzey topografisi değişiminin yüzey ıslanabilirliğini ve toplam yüzey enerjisinide etkilediği sonucuna varılmıştır. Bundan dolayı, bu filmlerin koruyucu bir yapısı olduğu açıktır, ayrıca metal CMP performansını belirlemek için nano boyutta metal oksit ince filmlerin yüzey nano topografisinin incelenmesi gerekmektedir. Yüzey pürüzlülüğünün ve topografisinin oksitleyici konsantrasyonu ile değişimi ayrica Cahn-Hillard Eşitliği (CHE) yaklaşımı kullanılarak çalışılmıştır. CHE tersine difuzyon prensibine dayanarak yüzeyde nano yapıların oluşumunu açıklamaktadır ve CMP process değişkenlerinin bir fonksiyonu olarak malzeme aşınım hızı mekanizmasındaki degişikliklerin anlaşılmasına ışık tutması beklenmektedir. Tezin ikinci bölümünde ise, suspansiyon formulasyonları germanyum/silika CMP sistemlerinde seçiciliği sağlayabilmek için kimyasal modifiye ince filmlerin karakterizasyonu değlendirilmiştir. Kimyasal modifiye ince filmler CMP ön uç uygulamalarında silikon, silika ya da germanyum gibi malzemelerin çözünmesi sonucu başlıca hidroksil katmanlarından oluşmaktadır. Ge/SiO2 sistemine kimyasal modifiye ince filmlerin etkisini değerlendirmek için, yüzey aktif maddeleri (surfaktan) ve oksitleyiciler ile kimyasal modifiye filmlerin modifikasyonu gereklidir çünkü kimyasal modifiye katmanlar bu uygulamalarda optimum aşınım hızı seçiciliğini sağlamanın bir fonksiyonudur. Bu nedenle, ilk olarak seçicilik analizleri yüzey aktif maddesi kullanmadan Atomik Kuvvet Mikroskubu ile tek partikül-yüzey etkileşimi seviyesinde aşınma hızına bağlı olarak analiz edilmiştir. Hem anyonik (Sodyum Dodesil Sulfat-SDS) hemde katyonik (Setil Trimetil Amonyum Bromur-C12TAB) yüzey aktif maddeleri pH ve oksitleyici konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak misel altı ve kritik misel konsantrasyonlarında değerlendirilmiştir. Ge ve SiO2 pulların CMP performansları malzeme aşınım hızı, seçicilik ve yüzey kalitesi açısından değerlendirilmiştir. Bu savunma yedi bölümden oluşturulmuştur. Birinci bölüm CMP prosesine girişte nano boyutta kimyasal modifiye ince filmlerin CMP prosesinde önemi tartışılmaktadır. İkinci bölüm başlıca CMP prosesi bileşenlerinden, ön uç, orta kısım ve son uç uygulamalarına integrasyonundan, hemde CMP geliştirme calışmalarında kimyasal modifiye ince filmlerin karakterizasyonunun önemine yer verilmiştir. Bölüm 3 oksitleyici varlığında CMP öncesi ve sonrası CVD ile işlenmiş tungten pullar üzerindeki metal oksit koruyucu ince film karakterizasyonu ve koruyucu yapısı üzerine odaklanmıştır. Bölüm 4 ise süspansiyon içinde % olarak partikül konsantrasyonunun ve oksitleyici kimyasal hidrojen peroksitin konsantasyonunun değişiminin bir fonksiyonu olarak yüzey kalitesi ve malzeme aşınım hızı temelinde değerlendirilmiştir. Bölüm 5'te ise bir ön yaklaşım olarak aşinma hızı testleri Ge/SiO2 pulları üzerinde uygulanmıştır hem de uygun süspansiyon formülasyonları ile yeterli seçicilik ve malzeme aşınım hızı performansı değerlendirilmiştir. Bölüm 6 da bilinen yüzey aktif madde sistemleri shallow trench isolation (STI) CMP den Ge temelli STI CMP ye genişletilmiştir. CMP sonuçları 3wt% partkül konsantrasyonu ile 200-300 nm partikül boyutlu silika partiküllerinden, yüzey aktif maddesi varlığında ve oksitleyici olarak 0.1 M H2O2 kullanılarak rapor edilmiştir. Deney dizaynı (DOE) programı ile sayısal olarak Ge/SiO2 seçiciliği için optimum süspansiyon formülasyonlari sunulmuştur. Son olarak, Bölüm 7 tez calışmasında raporlanmış olan bulguların özetini ve tavsiye edilen gelecek calısmalar hakkında bilgi sağlamaktadır.