CMP – CÀO PHẲNG CẢ THẾ GIỚI VI MẠCH

Hùng Vũ

Sat, 23 Aug 2025

Bạn không thể xây nhà trên nền đất lồi lõm. Với chip cũng vậy – sau mỗi lớp transistor, kim loại, cách điện… bề mặt wafer phải phẳng tuyệt đối trước khi xây tiếp tầng sau. Bất kỳ sự gồ ghề, không đồng đều nào cũng sẽ khiến lớp sau bị sai lệch, gây lỗi nghiêm trọng trong toàn bộ vi mạch.

Đó là lý do CMP (Chemical Mechanical Planarization) ra đời – một kỹ thuật cốt lõi của ngành chế tạo bán dẫn hiện đại, kết hợp giữa lực cơ học và phản ứng hóa học để làm phẳng bề mặt wafer với độ chính xác… đến cấp độ nguyên tử.

1.   CMP là gì?

CMP là quá trình làm phẳng bề mặt wafer bằng cách kết hợp giữa đệm mài quay tròn (pad) và dung dịch mài mòn (slurry). Dưới áp lực nhẹ, wafer được ép sát vào pad đang quay, trong khi slurry được phân phối đều lên bề mặt, thực hiện đồng thời:

• Mài cơ học: các hạt mài nhỏ mài mòn phần vật liệu dư thừa.
• Phản ứng hóa học: các thành phần hóa học trong slurry giúp “ăn mòn” có chọn lọc vật liệu mong muốn.
• Làm sạch tức thì: giúp loại bỏ vật liệu đã hòa tan.

Tất cả diễn ra đồng thời trong điều kiện được kiểm soát cực kỳ chặt chẽ: tốc độ quay, áp lực, nhiệt độ, pH slurry, độ phân bố hạt, v.v.

2.   CMP dùng ở đâu?

CMP xuất hiện ở hầu hết các giai đoạn trong quy trình chế tạo chip, đặc biệt là:

• FEOL (Front-End-Of-Line): làm phẳng bề mặt sau khi tạo rãnh STI (Shallow Trench Isolation), lớp cổng (gate), hoặc lớp tiếp xúc silicide.
• BEOL (Back-End-Of-Line): làm phẳng mỗi lớp kim loại và lớp via, giúp dây dẫn có hình dạng chính xác và đảm bảo ăn khớp với lớp sau.
• Dual Damascene: sau khi mạ đồng, CMP được dùng để loại bỏ phần đồng dư, chỉ giữ lại đồng trong các trench và via.
• Wafer Bonding / TSV stacking: đảm bảo các wafer phẳng tuyệt đối trước khi dán chồng lên nhau – nền tảng của công nghệ 3D IC hiện đại.

3.   Tại sao CMP quan trọng?

• Phẳng để in chính xác: các bước quang khắc (lithography) chỉ hiệu quả nếu bề mặt chip bằng phẳng tuyệt đối. Gồ ghề = lớp sau lệch = lỗi sản xuất.
• Phẳng để stacking: TSV, chiplet, wafer bonding… đòi hỏi wafer không chỉ phẳng mà còn cực kỳ đồng đều về độ cao (planarity).
• Phẳng để tăng yield: sự không đồng đều dẫn đến hiện tượng mạch đứt, ngắn mạch, gây hỏng chip dù transistor vẫn hoạt động tốt.
• Phẳng để kiểm tra được: ảnh SEM đẹp, phân tích E-beam chính xác hơn, giảm công sức debug sau này.

4.   CMP bao gồm những thành phần gì?

• Pad mài: thường làm từ polyurethane hoặc vật liệu nonwoven, quay liên tục với tốc độ hàng trăm RPM.
• Slurry: dung dịch mài mòn chứa hạt nano (SiO₂, CeO₂…) + hóa chất hòa tan (acid, oxi hóa…).
• Endpoint Detection: hệ thống cảm biến theo dõi độ phẳng và nhận biết khi cần dừng quá trình.
• Post-CMP Cleaning: bước rửa sạch wafer để loại bỏ các hạt mài và hóa chất còn sót lại.
• Defect Control: kiểm soát lỗi như trầy xước (scratch), lõm (dishing), xói mòn (erosion).

5.   Ví dụ minh họa

Giả sử bạn vừa mạ lớp đồng cho tầng kim loại M3. Lúc này, đồng phủ kín toàn bộ bề mặt wafer, không theo hình dạng mạch mong muốn. CMP được sử dụng để mài đi phần đồng dư, chỉ giữ lại đồng trong các trench và via đã khắc từ trước. Kết quả: mạng lưới kim loại M3 đúng như thiết kế, lớp tiếp theo có nền phẳng để tiếp tục xây dựng.

Hoặc: trong công nghệ 3D TSV stacking, nếu wafer sau CMP không phẳng hoàn toàn → lớp chip đặt lên bị lệch → TSV không khớp → toàn bộ hệ thống 3D IC không hoạt động.

6.   Những thách thức và lưu ý với CMP

• Quá mài → Erosion: khiến các trench bị ăn mòn quá mức.
• Không đều → Dishing: vùng đồng lõm xuống giữa trench → điện trở tăng, hiệu suất giảm.
• Slurry sai = phá wafer: mỗi vật liệu (đồng, oxit, tantalum…) cần loại slurry khác nhau – chọn sai là hỏng cả lô.
• Chi phí lớn: pad và slurry tiêu hao nhanh, hệ thống CMP đắt đỏ.
• Yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt: lực mài, phân phối slurry, tốc độ pad, độ đồng đều trên toàn bề mặt wafer…

7.   Kết luận

CMP là “nghệ thuật làm phẳng” tinh tế và quyết định chất lượng của mọi chip hiện đại. Không có CMP:

• Không thể stacking 3D IC.
• Không thể in lithography độ phân giải cao.
• Không thể sản xuất vi mạch đa tầng BEOL chính xác.

Dù ít khi được nhắc đến, CMP là nền móng âm thầm đứng sau mọi thành tựu vi mô của ngành bán dẫn.