摘要：芯片制造是一个复杂而精密的过程，可以大致分为前段（FEOL, Front-End of line）和后段（BEOL, Back-End of Line）两个主要阶段。前段工艺是指对芯片有源部分的制造工序，即在硅片上光刻出的晶体管区域，这是芯片的核心所在；而后段
芯片制造是一个复杂而精密的过程，可以大致分为前段（FEOL, Front-End of line）和后段（BEOL, Back-End of Line）两个主要阶段。前段工艺是指对芯片有源部分的制造工序，即在硅片上光刻出的晶体管区域，这是芯片的核心所在；而后段工艺是指在晶体管上部建立若干层的导电金属线（一般选用铜），不同层金属线之间由通孔相连的制造工序。
01 前段工艺（器件制造）
器件制造就是在单晶硅片上通过光刻、刻蚀，离子注入，溅射、化学气相沉积，物理气象沉积、化学机械抛光、晶圆整平等工艺步骤，制造出被我们称为功能细胞的晶体管、电阻、电容、二极管等。这一部分这里不再展开，感兴趣的同学可以自行百度了解。
02 后段工艺（金属互连）
BEOL是连接晶体管及焊盘的结构，主要由金属线、介电材料、过孔组成的多层堆叠结构。每一层中都包含有大量用于传输信号的金属互联线，互联线的周围用用低介电系数绝缘材料填充，以降低金属线间的寄生电容，从而降低信号传输的延迟。横着的金属互联，我们叫作Line；竖着的金属互联，我们叫作Via。在IC制造构造BEOL形成Cu金属互联的流程，是先沉积出整层绝缘材料，接下来刻蚀出来用于形成line或者vias的凹槽，然后往里填入金属形成互联，这部分主要采用的工艺为大马士革工艺（Damascene）。
不同层中互联线的功能和排布会有所不同，层的类型包括局部互连线（Mx）、中间互连线（My）和（半）全局互连线（Mz）等。BEOL结构总的层数可以多达15层，其中Mx层数在3到6层之间。在先进的制程节点中，每一层的厚度取决于金属层的顺序和其在堆栈中的作用，从几百纳米到一微米不等。通常，靠近晶体管层的金属层（较低层）可能会更薄一些，用于精细的信号传输，而远离晶体管层的金属层（较高层）一般会更厚，用于电源分配或长距离的信号传输。下面这张图是一个十层BEOL的SEM（扫描电子显微镜）表征截面。金属互联填充均为Cu，其中1x 和 2x 层中塞在Cu之间的绝缘材料为SiCOH（氧化碳硅），6x 层中的绝缘材料为FTEOS（氟化四乙氧基硅烷）。
随着制造工艺的提升，金属的尺寸越来越小，加上介电材料的低导热性，BEOL的热阻变大。在3DIC中，随着焊接厚度的减薄，BEOL的热阻成为3DIC中最主要的热阻。过往的研究中BEOL的等效导热系数不一：0.7-3.3W/mK、2-12W/mK、0.1-10W/mK，差异较大。毕竟，BEOL是Die level的设计，类似封装级的基板、板级的PCB，对这类结构的精准模拟还是较难的。
03 从晶体管到PCB
下图给出了前段工艺FEOL和后段工艺BEOL的结构示意图，先在硅基底上制造晶体管，然后通过金属互连将它们连接起来并引出到芯片的PAD。
通过键合线Bond Wire将芯片的PAD连接到封装基板或者引线框架，然后再连接到外部引脚。根据引脚的排列方式，可分为BGA，CGA，QFP，LCC，SOP，DIP等多种封装形式。
此外，还有一种倒片封装方式（Flip-Chip），即舍弃引线，在芯片顶侧形成焊球，然后将芯片翻转贴到对应的外部电路的基板上，利用加热熔融的焊球实现芯片与基板焊盘结合。相对引线键合（Wire Bonding）封装而言，倒片封装方式可以实现更高的传输速度和更低的延迟时间，而且背面无需塑封，直接接触散热器，散热效果也会更好，广泛应用于高性能处理器（如CPU和GPU）以及其他要求高密度互连和紧凑尺寸的集成电路封装。
（该图对倒装的描述应该够形象了吧。。。）
想要将很多芯片叠起来，实现他们之间的互联，可以采用下面左图所示方案，每一层都通过引线键合连到最下面的基板上，通过基板来实现芯片间的互连。但是这种方案没有很好地利用垂直空间，引线太多且比较长，信号传输比较慢。于是人们就发明出了能打穿整个芯片体的通孔技术，并在孔内填充Cu,进行叠层芯片之间的互联，被称作TSV（Through Silicon Via）技术。TSV的引入使得裸片之间可直接互连，而不需要通过大量的引线在基板上再实现互连，可以提高更高密度的集成、以及更快的信息传输速度，最典型的应用就是HBM储存。
最后，我们给出一张从晶体管（Transistor）到PCB的集成全图，如下所示：晶体管（NMOS或PMOS）在硅基底上制造完成后，通过接触孔连接到芯片上的金属布线，再连接到芯片的Pad，然后通过RDL连接到3D TSV，通过uBump连接到硅转接板上的RDL和2.5D TSV，再通过Bump连接到封装基板，然后通过封装基板上的连线和过孔连接到BGA，最后连接到PCB上的布线和过孔。
来源：莱娜探长
