半导体分层工艺的简单介绍

文章来源：半导体与物理

原文作者：jjfly686

本文介绍了芯片的分层制造工艺。

在指甲盖大小的硅片上建造包含数百亿晶体管的“纳米城市”，需要极其精密的工程规划。分层制造工艺如同建造摩天大楼：先打地基（晶体管层），再逐层搭建电路网络（金属互连），最后封顶防护（封装层）。这种将芯片分为FEOL（前道工序）与BEOL（后道工序）的智慧，正是半导体工业的基石。

一、芯片：从硅衬底到金属穹顶

下图展示了典型集成电路的剖面结构，自上而下共分三大功能区：

▲ 顶层防护层（Overcoat）

氮化硅保护层（SiN）—— 防潮防刮

氧化硅绝缘层（SiO₂）—— 电气隔离

焊盘开口（Bond Pad Opening）—— 连接外部引脚

▲ 后道工序层（BEOL：Back End Of Line）

金属6-5层（Cu）—— 全局电源/时钟信号

金属4-1层（Cu/Co）—— 局部数据互连

▲ 前道工序层（FEOL：Front End Of Line）

晶体管层（NFET/PFET）—— 开关核心

多晶硅（Poly）—— 电路导线

浅槽隔离（STI）—— 晶体管间绝缘

N阱（N-well）—— 高压器件隔离

二、FEOL：建造晶体管

前道工序（FEOL）在裸硅晶圆上直接制造晶体管，如同城市的地基建设：

核心工艺与功能

浅槽隔离（STI）	刻蚀沟槽→填充SiO₂	隔离相邻晶体管，防止漏电
深N阱	高能磷注入	创建独立电势区
晶体管沟道	离子注入+退火	形成NMOS/PMOS导电通道
多晶硅栅	LPCVD沉积+光刻	控制电子开关
硅化物阻挡层	氮化硅掩膜	保护导电区域
结构	制造工艺	核心作用

技术突破：

应变硅技术：在PMOS源漏区嵌入SiGe，空穴迁移率提升40%；

高k金属栅：HfO₂替代SiO₂，栅极漏电流降低1000倍。

三、BEOL：编织电路

后道工序（BEOL）在晶体管层之上构建金属互连网络，如同城市的道路与电网：

核心结构解析

1. 金属互连层（Metal 1-6）

铜互连（Cu）替代铝，电阻降低37%；钴镶边（Co Liner）抑制电迁移，寿命提升10倍。Metal 1：晶体管直接连接（线宽10-20 nm）；Metal 4：模块间互连（如CPU与缓存）；Metal 6：全局电源网络（厚度1 μm，载流>1A）。

2. 堆叠电容（MIM Capacitor）结构

TaN-绝缘层（Al₂O₃）-TaN“三明治”；作用：为模拟电路（如PLL）提供稳定电荷；密度：5 fF/μm²，占面积仅为传统MOS电容的1/5。

3. 通孔（Via）与沟槽（Trench）

双大马士革工艺：同步刻蚀通孔+导线槽，铜一步填充；深宽比极限：3 nm节点达5:1，ALD沉积2 nm钽阻挡层。

四、顶层防护

氧化硅覆盖层（Overcoat Oxide）阻挡湿气腐蚀；

氮化硅密封层（Overcoat Nitride）抗划伤强度抵御封装应力；

焊盘开口（Bond Pad Opening）激光开窗露出铝焊盘。

创新防护技术低k聚合物涂层：填充金属线间隙，减少信号串扰30%；原子层沉积密封：Al₂O₃薄膜隔绝钠离子污染。