Gallium nitride chemical mechanical planarization development through tool set-up, process and post CMP cleaning optimization

Abstract

In this thesis, a new Chemical Mechanical Planarization (CMP) process and a complementary tool set-up are introduced to enhance Gallium Nitride (GaN) material removal rates while controlling the post planarization surface quality. The key process variables are studied to set them at an optimal level, while a new slurry feeding methodology is introduced in addition to a new tool set up to enable high material removal rates and acceptable surface quality through close control of the process chemistry. Post-CMP cleaning procedures are also studied with glass slides (as a model) to determine the particle and contaminant detachment efficiency by using regular and viscoelastic fluids. A new particle removal procedure is introduced for post CMP cleaning, which can help preserve the surface quality of the wafer. CMP of GaN is a new study area, which is getting attention due to the recently developed wide range of applications of GaN as a material in high power, high frequency and high temperature microelectronic device manufacturing. However, its challenging mechanical properties such as hardness and being prone to fracturing in addition to the chemical correspondence to slurry additives based on crystallographic orientation result in complicated processes and ineffective use of consumables in order to planarize the surface of GaN. Therefore, this study focuses on the optimization of the planarization process of GaN bulk wafers to reduce the CMP processing time through increasing material removal rates and maintaining surface quality so that the process becomes more efficient and sustainable.

Bu tez çalışmasında, yeni bir Kimyasal Mekanik Düzlemleme (CMP) prosesi ve tamamlayıcı bir takım kurulumu, düzlemleme sonrası yüzey pürüzlülüğünü kontrol ederken Galyum Nitrat (GaN) malzeme aşınım oranını arttırmak için tanıtılmıştır. Yeni bir süspansiyon akış metodu ve buna ek olarak yeni bir deney düzeneği, proses kimyasının yakın kontrolü ile yüksek malzeme aşınım oranı ve kabul edilebilir yüzey pürüzlülüğünü sağlayacak şekilde kurulmuştur. CMP sonrası temizleme prosedürleri, parçacık ve kontaminasyon gidermenin etkinliğini belirlemek için camlamlarla da çalışılmıştır. CMP sonrası temizliği için yarı iletken kuponun yüzey kalitesini korumaya yardımcı olabilecek yeni bir parçacık giderme işlemi denenmiştir. GaN CMP, yeni geliştirilen bir çalışma alanıdır ve yeni geliştirilen geniş uygulama yelpazesi sayesinde yüksek güç, yüksek frekans ve yüksek sıcaklıktaki mikro elektronik cihaz imalatında dikkat çekmektedir. Geniş bant genişliği enerjisi ve yüksek elektron hareketliliğinden dolayı, GaN, birçok uygulamada tercih edilir. Bunların arasında, engel katmanı olarak kullanıldığı heterojunction alan etkileri transistorleri (HFET) ve benzerleri, AlGaN/GaN güç geçişi sağlayan yüksek elektron hareketlilik transistorleri (HEMT) tampon olarak kullanılır. Fakat, mekanik özellikleri, GaN yüzeyini düzlemek için karmaşık süreçlere ve sarf malzemelerinin etkisiz kullanımına neden olur. Bu nedenle, bu çalışma, prosesin sürdürülebilir hale gelmesi için malzeme aşınım oranlarının arttırılması yoluyla CMP işlem süresinin azaltılması için GaN yarı iletken kuponlarının düzlemleme sürecinin optimizasyonuna odaklanmalıdır.