半導體制造過程中的三個主要階段

來源：漫談大千世界

前段工藝（Front-End）、中段工藝（Middle-End）和后段工藝（Back-End）是半導體制造過程中的三個主要階段，它們在制造過程中扮演著不同的角色。

前段工藝（Front-End）主要關注晶體管的制造；中段工藝（Middle-End）則側重于連接晶體管與金屬互連，起到承上啟下的關鍵作用；后段工藝（Back-End）主要負責構建金屬互連層，實現(xiàn)芯片內部各晶體管之間的電氣連接。

芯片制造的三個階段形成了精密的技術鏈條，前段的器件性能、中段的界面質量和后段的互連效率共同決定了芯片的PPA（功耗、性能、面積）特性。

1. 前段工藝（FEOL: Front-End-of-Line）

1.1 核心任務

在硅晶圓上構建晶體管等基礎器件，為后續(xù)的互連和封裝奠定基礎。這一階段的精度和質量直接影響到芯片的性能和功耗。

1.2 關鍵技術

襯底制備

硅片拋光和清洗：通過化學機械拋光（CMP）和多級清洗工藝，消除硅片表面的劃痕、顆粒污染物和有機殘留，確保表面粗糙度小于0.1nm，為后續(xù)外延生長提供完美界面。

外延生長（Epitaxy）：采用化學氣相沉積（CVD）技術，在硅片表面原子級平整的基礎上，生長出高質量的半導體層，如Si/SiGe，厚度可精確控制在10nm~10μm范圍內，用于構建FinFET的鰭式結構或GAA晶體管的溝道層。

器件成型

光刻與刻蝕：利用極紫外光刻（EUV）技術，其波長為13.5nm，能夠定義納米級甚至亞納米級的圖形。例如，在FinFET工藝中，通過EUV光刻將設計好的鰭式結構圖案轉移到光刻膠層，隨后采用反應離子刻蝕（RIE）技術，將圖案精確轉移到硅襯底，形成高度約50nm、寬度約7nm的鰭式結構，線寬粗糙度（LWR）控制在<1nm。

離子注入：使用高能離子注入機，將摻雜離子（如硼、磷、砷等）以精確的能量和劑量注入硅片特定區(qū)域，形成源極（Source）、漏極（Drain）和閾值電壓調整區(qū)。例如，在先進節(jié)點中，為了實現(xiàn)原子級摻雜均勻性，采用多重離子注入工藝，結合低溫注入和快速熱退火（RTP），確保摻雜原子的精確分布，形成陡峭的摻雜剖面，源漏延伸區(qū)的摻雜濃度梯度可達到1×102? atoms/cm3/nm。

柵極堆疊：采用高k介質（如HfO?，k值約為20~25）結合金屬柵（RMG）工藝，降低漏電流。例如，在3nm節(jié)點的FinFET器件中，高k介質層厚度約為1nm，金屬柵材料采用TiN/TaC/TiAl等多層結構，通過原子層沉積（ALD）技術實現(xiàn)高k介質的均勻生長和金屬柵的精確填充，有效降低柵極漏電流至1×10?1?A以下。

高溫工藝

快速熱退火（RTP）：在氮氣或氬氣氛圍下，利用鹵素燈或激光作為熱源，將硅片迅速加熱至1000℃~1300℃，并在幾秒到幾十秒內完成摻雜原子的激活和損傷修復，確保源漏區(qū)的摻雜激活率大于95%。

氧化/氮化硅沉積：采用熱氧化或等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）技術，在硅片表面形成氧化硅或氮化硅薄膜，厚度約為5nm~50nm，用于形成側墻（Spacer），保護柵極結構，減少短溝道效應。

1.3 技術挑戰(zhàn)

3nm以下節(jié)點的短溝道效應控制：隨著器件尺寸縮小至3nm以下，短溝道效應愈發(fā)嚴重，導致漏電流增大和閾值電壓難以控制。例如，在3nm節(jié)點的FinFET器件中，由于鰭寬和鰭高尺寸的縮小，縱向和橫向的電場耦合增強，使得漏電流增加至1×10??A以上。為解決這一問題，需要采用新型器件結構如GAA（環(huán)繞柵極）晶體管和CFET（互補FET），通過全包圍柵極控制溝道電勢，有效抑制短溝道效應，將漏電流降低至1×10?12A以下。

原子級摻雜均勻性：在先進節(jié)點中，源漏區(qū)的摻雜濃度需要達到1×102? atoms/cm3以上，且摻雜剖面的均勻性要求在±5%以內。例如，在FinFET器件的源漏延伸區(qū)，需要實現(xiàn)精準的SD摻雜剖面，即從源漏主區(qū)到溝道區(qū)的摻雜濃度逐漸降低，形成陡峭的摻雜梯度，以減少結深和漏電流。目前，通過多重離子注入和低溫注入技術，結合精確的熱處理工藝，能夠實現(xiàn)原子級摻雜均勻性，但仍然面臨摻雜濃度波動和雜質聚集等問題。

EUV多重曝光套刻精度：為了實現(xiàn)更高分辨率的圖形轉移，EUV多重曝光技術應運而生。例如，在5nm節(jié)點及以下工藝中，通常需要進行24次EUV曝光，每次曝光的套刻精度要求在<1nm范圍內。然而，由于EUV光刻機的光學系統(tǒng)復雜性和機械精度限制，以及光刻膠的敏感性和顯影工藝的影響，實際套刻精度往往在1.5nm2nm之間，導致圖形轉移誤差和器件性能波動。為提高套刻精度，需要優(yōu)化光刻機的對準系統(tǒng)和曝光參數(shù)，同時開發(fā)新型光刻膠材料和顯影工藝，以實現(xiàn)Overlay < 1nm的目標。

2. 中段工藝（MEOL：Middle-End-of-Line）

2.1 核心任務

建立晶體管與金屬互連的橋梁，確保信號能夠高效、準確地在器件和互連網(wǎng)絡之間傳輸，對芯片的速度和功耗具有重要影響。

2.2 關鍵技術

接觸孔（Contact）制造

自對準硅化物（Salicide）：在源/漏/柵極表面形成NiPtSi等低電阻接觸。例如，在FinFET工藝中，通過沉積鎳鉑合金薄膜，隨后進行快速熱退火，使鎳鉑與硅發(fā)生反應，形成低電阻的硅化物相，電阻率可降低至5μΩ·cm以下，減少接觸電阻，提高器件的開關速度。

鎢栓塞（W-Plug）：采用化學氣相沉積（CVD）技術，將鎢填充到高深寬比接觸孔中，孔深與孔徑之比大于10:1。例如，在3nm節(jié)點的FinFET器件中，接觸孔直徑約為20nm，深度約為200nm，通過CVD-W工藝實現(xiàn)無空洞填充，確保接觸孔的導電性和可靠性。

局部互連（Local Interconnect）

沉積TiN/TaN等擴散阻擋層：在銅互連工藝中，為了防止銅原子擴散到低k介質中，采用物理氣相沉積（PVD）技術，在銅線和低k介質之間沉積TiN/TaN等擴散阻擋層，厚度約為2nm~5nm，確保阻擋層的完整性和致密性，銅原子擴散系數(shù)可降低至1×10?2?cm2/s以下。

銅雙大馬士革工藝（Dual Damascene）：形成M0/M1金屬層。例如，在3nm節(jié)點的BEOL工藝中，采用銅雙大馬士革工藝，通過光刻和刻蝕技術，在低k介質中形成通孔和溝槽的雙重圖案，隨后采用電化學沉積（ECD）技術填充銅，實現(xiàn)M0/M1金屬層的互連，銅線寬和間距可達到15nm~20nm，電阻率約為1.7μΩ·cm。

平坦化工藝

化學機械拋光（CMP）：在多層互連工藝中，為了消除表面起伏，確保光刻焦深，采用化學機械拋光技術對銅層和低k介質層進行平坦化處理。例如，在BEOL工藝中，每完成一層互連的沉積和圖案化后，都需要進行CMP工藝，將表面粗糙度控制在<0.5nm，確保后續(xù)光刻工藝的精度和質量。

2.3 技術挑戰(zhàn)

接觸孔電阻控制：在先進節(jié)點中，接觸孔的電阻對器件性能和功耗的影響愈發(fā)顯著。例如，在3nm節(jié)點的FinFET器件中，接觸孔電阻要求小于10Ω·μm，否則會導致源漏電流降低和器件速度減慢。為降低接觸孔電阻，需要優(yōu)化自對準硅化物工藝和鎢栓塞工藝，提高硅化物的形成質量和鎢的填充密度，同時減小接觸孔的尺寸和深度比。

高深寬比結構的無空洞填充：隨著互連結構尺寸的縮小，高深寬比結構如TSV（硅通孔）的填充難度增加。例如，在3D封裝中，TSV的深寬比可達到15:1以上，直徑約為5μm10μm，深度可達50μm100μm。采用CVD-W或電鍍銅工藝進行填充時，容易出現(xiàn)空洞和縫隙，導致互連可靠性降低。為實現(xiàn)無空洞填充，需要優(yōu)化工藝參數(shù)和材料選擇，例如采用新型的填充材料如鈷或釕，以及改進的填充工藝如種子層增強電鍍技術。

界面態(tài)密度優(yōu)化：在互連結構中，界面態(tài)密度對電遷移和可靠性具有重要影響。例如，在銅/低k介質界面，界面態(tài)密度要求低于1×1011 cm?2eV?1，否則會加速銅原子的擴散，導致互連斷路。通過優(yōu)化擴散阻擋層的沉積工藝和表面處理技術，能夠降低界面態(tài)密度，提高互連的可靠性和壽命。

3. 后段工藝（BEOL：Back-End-of-Line）

3.1 核心任務

構建多層金屬互連網(wǎng)絡，實現(xiàn)芯片內部數(shù)百萬甚至數(shù)千萬個晶體管之間的電氣連接，對芯片的性能、功耗和面積（PPA）具有決定性影響。

3.2 關鍵技術

互連層堆疊

低k介質（如SiCOH，k=2.4~3.0）沉積：采用化學氣相沉積（CVD）技術，在互連層之間沉積低k介質，減少寄生電容。例如，在10nm節(jié)點及以下工藝中，低k介質的厚度約為100nm~200nm，其k值的降低能夠顯著減少互連之間的電容，提高信號傳輸速度和降低功耗。

銅互連（Cu Damascene）替代傳統(tǒng)鋁線：銅的電阻率約為1.7μΩ·cm，比傳統(tǒng)鋁線（電阻率約為2.8μΩ·cm）更低，能夠降低互連電阻，提高芯片的性能和能效。例如，在14nm節(jié)點及以下工藝中，銅互連已經(jīng)成為主流技術，通過銅雙大馬士革工藝實現(xiàn)銅線的精確填充和圖案化，銅線寬和間距可達到30nm~50nm。

多層布線

通孔（Via）與金屬線（Metal Line）的逐層構建：在BEOL工藝中，通常需要構建10層以上的金屬互連網(wǎng)絡。例如，在7nm節(jié)點的芯片中，金屬層數(shù)量可達12層，每層金屬線和通孔的尺寸和間距逐漸縮小，最上層金屬線寬和間距可達到1μm2μm，而最下層（M1層）金屬線寬和間距可達到20nm30nm。通過逐層的光刻、刻蝕和填充工藝，實現(xiàn)信號在不同層之間的傳輸和分配。

空氣隙（Air Gap）技術進一步降低k值：為了進一步降低互連之間的寄生電容，采用空氣隙技術，在互連結構之間形成真空或氣體間隙，其k值接近1。例如，在5nm節(jié)點及以下工藝中，空氣隙技術應用于局部互連和部分金屬層之間，通過優(yōu)化工藝流程和材料選擇，確保空氣隙的穩(wěn)定性和可靠性，減少電容達30%~50%。

封裝集成

硅通孔（TSV）實現(xiàn)3D堆疊：在3D封裝技術中，通過在硅片上制造TSV，實現(xiàn)芯片之間的垂直互連。例如，在3DNAND閃存和高端處理器的3D封裝中，TSV直徑約為5μm10μm，深度可達50μm100μm，能夠顯著減少芯片之間的互連長度，提高集成度和性能。

微凸點（Microbump）鍵合用于Chiplet集成：在Chiplet集成技術中，通過微凸點鍵合實現(xiàn)小芯片之間的水平互連。例如，在AMD的Ryzen系列處理器中，微凸點直徑約為10μm20μm，間距約為20μm50μm，能夠實現(xiàn)高密度的電氣連接，提高芯片的模塊化設計和制造靈活性。

3.3 技術挑戰(zhàn)

電遷移（EM）和應力遷移（SM）導致的互連可靠性問題：在高電流密度和溫度應力下，銅互連容易發(fā)生電遷移和應力遷移現(xiàn)象，導致互連斷路或短路。例如，在10nm節(jié)點及以下工藝中，銅互連的電流密度可達到1×10? A/cm2以上，電遷移失效時間可縮短至1×10?小時以下。為提高互連可靠性，需要優(yōu)化銅互連的結構設計和材料選擇，例如采用新型的阻擋層材料如鈷或釕，以及改進的互連工藝如空氣隙技術和應力緩沖層沉積。

超低k介質機械強度不足：隨著k值的降低，低k介質的機械強度也相應降低，容易在后續(xù)的CMP和封裝工藝中出現(xiàn)劃傷和破裂。例如，超低k介質（k<2.0）的楊氏模量通常低于5GPa，而在CMP工藝中，拋光墊的壓力可達到10kPa~50kPa，容易導致低k介質層的損傷。為提高低k介質的機械強度，需要開發(fā)新型的低k介質材料和加固工藝，例如采用多孔結構優(yōu)化和表面涂層技術。

多層布線中的RC延遲優(yōu)化：在多層互連網(wǎng)絡中，互連的電阻（R）和電容（C）會導致信號傳輸延遲，影響芯片的性能。例如，在14nm節(jié)點的芯片中，互連的RC延遲占總信號延遲的50%以上。為優(yōu)化RC延遲，需要采用低電阻的互連材料如銅和低k介質，同時優(yōu)化互連的布線拓撲結構和層次設計，例如采用RDL（重分布層）技術重新分配互連網(wǎng)絡，減少互連長度和交叉電容。

4. 工藝演進

4.1 先進技術

前段：GAA（環(huán)繞柵極）晶體管、CFET（互補FET）

GAA晶體管：通過全包圍柵極結構，有效控制溝道電勢，抑制短溝道效應，適用于3nm及以下節(jié)點。例如，在三星的3nm GAA工藝中，采用納米線或納米片作為溝道材料，溝道長度可縮小至1nm~3nm，漏電流可降低至1×10?12A以下，同時提高器件的驅動電流和性能。

CFET（互補FET）：將NMOS和PMOS器件垂直堆疊，進一步縮小芯片面積，提高集成度。例如，在IMEC的CFET研究中，通過3D集成技術將PMOS器件堆疊在NMOS器件之上，芯片面積可縮小30%~50%，同時減少互連長度和功耗。

中段：自對準通孔（Self-Aligned Via）

自對準通孔技術：通過光刻和刻蝕工藝的優(yōu)化，使通孔與下方的金屬線自動對準，減少工藝偏差和接觸電阻。例如，在臺積電的N7工藝中，采用自對準通孔技術，通孔與金屬線的對準精度可達到±5nm，接觸電阻可降低至5×10?1?Ω·μm以下，提高互連的可靠性和性能。

后段：混合鍵合（Hybrid Bonding）、光互連

混合鍵合技術：結合微凸點鍵合和TSV技術，實現(xiàn)高密度、低延遲的3D封裝互連。例如，在蘋果的M1 Ultra芯片中，采用混合鍵合技術將兩顆M1 Max芯片無縫連接，互連帶寬可達2.5TB/s，延遲極低，相當于單顆芯片的性能。

光互連技術：利用光信號代替電信號進行長距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，減少互連功耗和延遲。例如，在Intel的研究中，通過在芯片表面集成光波導和光收發(fā)器，實現(xiàn)芯片內部和芯片之間的光互連，傳輸速率可達100Gbps以上，功耗降低至1pJ/bit以下。

4.2 材料革新

二維材料（MoS?）：具有原子級厚度和優(yōu)異的電學性能，可用于構建超薄溝道器件，適用于后摩爾時代的小尺寸器件。例如，在MoS?基的晶體管中，溝道厚度可達到1nm以下，載流子遷移率可達到200cm2/V·s以上，具有低功耗和高性能的特點。

鈷互連：鈷的電阻率約為6μΩ·cm，雖然高于銅，但在小尺寸互連中具有更好的電遷移特性和與低k介質的兼容性。例如，在7nm節(jié)點及以下工藝中，鈷互連應用于最下層金屬線和接觸孔，提高互連的可靠性和工藝良率。

鉍基接觸金屬：鉍具有低電阻和良好的與硅的接觸特性，可用于替代傳統(tǒng)的鎳硅化物接觸，降低接觸電阻。例如，在FinFET器件中，采用鉍基接觸金屬，接觸電阻可降低至1×10?1?Ω·μm以下，提高器件的性能和能效。