Chemisch-mechanische planarisatie: hoe chipfabrikanten een wafer spiegelglad slijpen
Chemisch-mechanische planarisatie, meestal afgekort tot CMP, is een polijsttechniek die wordt gebruikt bij het maken van computerchips. Met een combinatie van schurende deeltjes en reactieve chemicaliën wordt het oppervlak van een siliciumschijf (een "wafer", de ronde plak silicium waarop chips worden gebakken) na elke bewerkingsstap weer volledig vlak gemaakt. Zonder deze stap zouden de microscopisch kleine structuren op een chip na een paar lagen al te ongelijk zijn om nog verder te kunnen bouwen.
Een vergelijking met houtbewerking helpt: wie een plank alleen schuurt, krijgt een oppervlak dat weliswaar gladder wordt, maar nog steeds de oorspronkelijke bulten en dalen volgt. CMP werkt anders: de combinatie van een chemisch bad dat de hoogste punten net iets harder aanvalt dan de lage punten, samen met mechanische wrijving, zorgt ervoor dat bulten sneller verdwijnen dan dalen worden uitgesleten. Het resultaat is een oppervlak dat over de volle breedte van de wafer, vaak dertig centimeter, nauwkeurig is tot op een paar nanometer (een nanometer is een miljardste meter) vlak is.
Wat is het precies?
Een moderne chip bestaat niet uit één laag, maar uit tientallen lagen boven op elkaar: eerst de transistors in het silicium, daarna steeds meer laagjes metaaldraadjes die al die transistors met elkaar verbinden. Elke laag wordt aangebracht door materiaal neer te leggen (depositie) en vervolgens delen weer weg te halen (etsen) om het gewenste patroon te maken.
Bij CMP wordt de wafer met de voorkant naar onderen op een draaiende houder geklemd en tegen een eveneens draaiend polijstkussen gedrukt. Tussen wafer en kussen wordt voortdurend een "slurry" gepompt: een vloeibare mix van water, chemicaliën en microscopische schuurdeeltjes, bijvoorbeeld van siliciumdioxide, aluminiumoxide of ceriumoxide. De chemicaliën in de slurry reageren met het materiaal aan het oppervlak en maken een dun laagje zachter of lossen het licht op; de schuurdeeltjes schuren dat verzwakte laagje vervolgens mechanisch weg.
Het slimme zit in de combinatie: op de hoogste punten van de wafer is de druk van het polijstkussen groter, waardoor daar meer materiaal wordt weggehaald dan in de lagere delen. Na enige tijd polijsten verdwijnen de hoogteverschillen bijna volledig. Sensoren in de polijstmachine, die bijvoorbeeld optisch of via de stroom van de aandrijfmotor meten hoeveel materiaal er nog over is, bepalen het precieze moment waarop het proces moet stoppen. Te vroeg stoppen laat bulten achter, te lang polijsten kan juist weer nieuwe oneffenheden of schade veroorzaken.
Voor verschillende materialen op de chip, zoals siliciumdioxide (isolatiemateriaal), koper (de bedrading) of wolfraam, worden telkens andere slurries en polijstkussens gebruikt, omdat elk materiaal anders reageert op de chemicaliën.
Wat wil men ermee bereiken?
Het centrale doel van CMP is simpel maar cruciaal: de wafer na elke bewerkingsstap weer zo vlak maken dat de volgende stap, meestal lithografie (het projecteren van een patroon met licht), weer scherp in beeld blijft. Lithografiemachines werken met een extreem kleine scherptediepte; een oppervlak met hoogteverschillen van zelfs enkele tientallen nanometers kan het patroon al onscherp maken, vergelijkbaar met fotograferen op verfrommeld papier.
Daarnaast maakt CMP een heel specifieke productiemethode mogelijk die "damascene" wordt genoemd, vernoemd naar een oude metaalbewerkingstechniek uit Damascus. Koper, het metaal dat sinds eind jaren negentig de bedrading in chips vormt omdat het beter geleidt dan het eerder gebruikte aluminium, is namelijk heel moeilijk precies weg te etsen. De oplossing: eerst groefjes in het isolatiemateriaal etsen, dan de hele wafer met koper bedekken, en vervolgens met CMP al het overtollige koper wegpolijsten totdat alleen de koperdraadjes in de groefjes overblijven.
Zonder CMP zou het simpelweg niet mogelijk zijn om chips te bouwen met de tientallen metaallagen die nodig zijn voor moderne processoren en geheugenchips. De techniek is daarmee, hoewel onzichtbaar voor de consument, een van de stille randvoorwaarden waarop de voortgaande miniaturisering van de chipindustrie rust.
Voorbeelden uit de praktijk
IBM en de introductie van koperbedrading (1997). IBM maakte in 1997 bekend dat het als eerste grote fabrikant koperverbindingen in plaats van aluminium gebruikte, mogelijk gemaakt door het damascene-proces met CMP. Dit wordt algemeen gezien als een keerpunt in de chipindustrie.
Applied Materials-polijstsystemen. Het Amerikaanse bedrijf Applied Materials bouwt al decennialang de CMP-machines die in de meeste grote chipfabrieken staan, met machinelijnen als Mirra en Reflexion die in de loop der jaren zijn doorontwikkeld voor steeds grotere wafers en kleinere chipstructuren.
FinFET- en gate-all-around-transistors bij TSMC en Samsung. Bij de overstap naar driedimensionale transistorvormen zoals FinFET (sinds ongeveer 2011) en recenter gate-all-around-transistors is nauwkeurige planarisatie tussen elke procesronde nog belangrijker geworden, omdat de structuren kleiner en het aantal lagen groter is geworden.
3D NAND-flashgeheugen. Fabrikanten van flashgeheugen zoals Samsung, SK Hynix, Micron en Kioxia stapelen tegenwoordig honderden lagen op elkaar om geheugenchips te maken. Tussen vrijwel elke laag is een CMP-stap nodig om de wafer weer vlak te maken voor de volgende bewerking.
Geavanceerde chipverpakking (advanced packaging). Bij technieken waarbij meerdere losse chiplets op elkaar of naast elkaar worden geplaatst, zoals Intels Foveros en TSMC's CoWoS, wordt CMP ook gebruikt om de verbindingen tussen die chips (zogeheten through-silicon vias, kleine verticale koperdraadjes door het silicium) vlak en betrouwbaar te maken.
Hoe ver is de techniek?
CMP is geen opkomende technologie maar een volwassen, sinds begin jaren negentig breed toegepast productieproces dat in vrijwel elke moderne chipfabriek wordt gebruikt. Er is dus geen sprake van een doorbraak die nog moet komen; de techniek draait al decennialang op industriële schaal.
Toch blijft er voortdurend onderzoek nodig, vooral omdat chipfabrikanten steeds nieuwe materialen introduceren. Nu koper bij de allerkleinste bedradingslaagjes tegen natuurkundige grenzen aanloopt, wordt er geëxperimenteerd met alternatieve metalen zoals kobalt, ruthenium en molybdeen. Voor elk nieuw materiaal moeten nieuwe slurries en polijstkussens worden ontwikkeld, wat kostbaar en tijdrovend onderzoek vergt.
Belangrijke obstakels zijn verder het voorkomen van krasjes en andere defecten op nanometerschaal, het gelijk houden van de polijstsnelheid over de hele wafer (uniformiteit), en verschijnselen als "dishing" en "erosie", waarbij zachtere materialen zoals koper net iets te veel worden weggepolijst ten opzichte van hun omgeving. Ook milieu- en kostenaspecten spelen een rol: CMP verbruikt relatief veel ultrapuur water en chemicaliën, en de industrie werkt aan manieren om dat te verminderen en slurry-afval te verwerken.
Wie werken eraan?
Applied Materials uit de Verenigde Staten is wereldwijd de belangrijkste leverancier van CMP-apparatuur, met concurrentie van onder meer het Japanse Ebara. Op het gebied van slurries en polijstkussens, de verbruiksmaterialen van het proces, zijn partijen als CMC Materials (voorheen Cabot Microelectronics, inmiddels onderdeel van het Amerikaanse Entegris), het Japanse Fujimi en het Amerikaanse DuPont vooraanstaand.
Onder de chipfabrikanten geldt IBM historisch als pionier van CMP voor de halfgeleiderindustrie, met baanbrekend onderzoek eind jaren tachtig en begin jaren negentig. De grote huidige chipproducenten zoals TSMC (Taiwan), Samsung en SK Hynix (Zuid-Korea), Intel (Verenigde Staten) en Micron (Verenigde Staten) passen de techniek dagelijks toe en doen ook eigen proceontwikkeling.
Op onderzoeksgebied speelt het Belgische imec een prominente rol als onafhankelijk chiponderzoeksinstituut dat met vrijwel alle grote chipbedrijven samenwerkt aan nieuwe materialen en processtappen, inclusief CMP. Daarnaast zijn branche-organisaties als SEMI actief in het opstellen van technische standaarden voor onder meer CMP-apparatuur en -materialen.