台积电取得半导体结构及其形成方法专利，半导体结构包括：半导体层，设置在衬底上方并且在第一方向上纵向定向
金融界2024年1月11日消息，据国家知识产权局公告，台湾积体电路制造股份有限公司取得一项名为“半导体结构及其形成方法“，授权公告号CN113380796B，申请日期为2021年5月。
专利摘要显示，半导体结构包括：半导体层，设置在衬底上方并且在第一方向上纵向定向；金属栅极堆叠件，设置在半导体层上方并且在垂直于第一方向的第二方向上纵向定向，其中金属栅极堆叠件包括顶部和与半导体层交错的底部；S/D部件，设置在半导体层中并且邻近金属栅极堆叠件；以及隔离结构，从衬底突出，其中隔离结构沿着第二方向纵向定向，并且沿着第一方向与金属栅极堆叠件间隔开，并且其中隔离结构包括介电层和气隙。本发明的实施例还涉及半导体结构的形成方法。
本文源自金融界
集成的层次和环节
来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）转载自公众号SiP与先进封装技术，作者：Suny Li ，谢谢。
导读
集成，integration，是指将不同的功能单元汇聚到一起，并能实现其特定功能的过程，集成多指人类的活动，集成电路、系统集成是比较常见的名词。
这篇文章，我们从层次-Level和环节-Step两个方面来剖析现代电子集成技术。
集成的层次
电子系统的集成主要分为三个层次（Level）：芯片上的集成，封装内的集成，PCB板级集成，如下图所示：
芯片上集成的基本单元是晶体管Transistor，我们称之为功能细胞 (Function Cell)，大量的功能细胞集成在一起形成了芯片。
封装内集成的基本单元是上一步完成的裸芯片或者小芯片Chiplet，我们称之为功能单元 (Function Unit)，这些功能单元在封装内集成形成了SiP。
PCB上集成的基本单元是上一步完成的封装或SiP，我们称之为微系统(MicroSystem)，这些微系统在PCB上集成为尺度更大的系统。
可以看出，集成的层次是一步步进行的，每一个层次的集成，其功能在上一个层次的基础上不断地完善，尺度在也不断地放大。
到了PCB这一层次，电子系统的功能已经比较完备，尺度也已经放大适合人类操控的地步，加上其他的部件，就构成了人们最常用的系统——常系统 (Common System)，例如我们每天接触的手机或电脑。
芯片上的集成
芯片上的晶体管之所以被称作功能细胞，因为它是不可再分的最小功能单位。
功能细胞的数量也成为系统先进性的重要标志，人体的细胞数量为40~60万亿，系统如果要想真正成为像人一样智能的系统，其包含的功能细胞或许也要达到相同的量级。
为了集成更多的功能细胞，晶体管只能越做越小。现在的晶体管尺寸可能只有最初晶体管刚发明时尺寸的亿万分之一，而其基本功能却是没有变化的。
芯片上的集成，首先要制造出功能细胞，并将它们集成在一起，这些作为功能细胞的晶体管是怎么制造出来并集成在一起的呢？从极简的视角来说，我们需要了解三类材料和三类工艺。
导体、半导体、绝缘体
虽然芯片上的材料非常多，现代集成电路中用到的材料几乎要穷尽元素周期表，所有的材料可以分为三大类：导体、半导体、绝缘体。
导体负责传输电子，绝缘体负责隔离电子，其中最重要的自然是半导体，因为它是可变的，它有时候变成导体（导通），允许电子通过，有时候可变成绝缘体（关断），阻隔电子通过。并且，这种变化是可控的，通过设计特别的结构，并施加电流或者电压来控制。
在导体中，导带与价带重叠，其中不存在禁带，电子容易产生移动，在外加电场下形成电流；在半导体中，少部分电子可以跃迁到导带，并在外加电场下形成电流；在绝缘体中，电子无法越过禁带，因而无法形成电流。
封装内的集成
并非所有的芯片或者芯粒都需要在封装内进行集成，单芯片也可以直接封装并应用在PCB板上。然而，随着摩尔定律日渐失效，封装内的集成越来越受到重视，SiP、先进封装、Chiplet、异构集成、2.5D、3D等概念日益成为业内关注的焦点，封装内的集成终于迎来了春天。PCB上的集成
从电子集成的历史来说，PCB上的集成应该是最早出现的，PCB的出现比封装早了11年，比集成电路早了22年。PCB出现之前，元器件都是用电线直接连接的，除了非常凌乱，集成密度也是难以提升的。虽然和集成电路以及封装相比，PCB出现的历史最早，但由于受封装尺寸和封装引脚密度的制约，PCB上集成技术的发展相对比较缓慢，从最初的单面板发展到双面板、多层板，组装工艺也由插装式发展为表面贴装SMT，组装密度也越来越高。今天，PCB上基本都是双面安装元器件，板层也能达到几十层，高密度HDI板、刚柔结合板，微波电路板，埋入式器件板等都在广泛应用。和封装内的集成一样，PCB上集成也不会用到半导体的特性，因此所用的材料主要分为两大类：导体和绝缘体。集成的主要目的就是将上一层次（封装内的集成）所完成的微系统模块再次集成并进行电气互联，并和其他部件一起，形成常系统，例如我们常用的手机和电脑。集成的环节
上面我们讲述了电子系统的集成的三个层次：芯片上的集成，封装内的集成，PCB板级集成。每一个层次的集成，都分为不同的环节。芯片上集成的环节
芯片上的集成主要分为两大环节：器件制造和金属互连，也称为前段工艺FEOL和后段工艺BEOL。
器件制造（前段工艺）
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。现在的5nm工艺可以在1mm²毫米的面积上制造出超过1亿只以上的晶体管。
晶体管的制造过程，主要包括隔离、栅结构、源漏、接触孔等形成工艺，一般称之为前段工艺（FEOL, Front End of Line)。
单晶硅通过离子注入可形成，N、N+、N-，P、P+、P-等多种不同参杂浓度的半导体，多晶硅则作为栅极或者电阻使用。
下图所示为FinFET晶体管在显微镜下的照片，其中较高的白色横梁为栅极G，矮横梁为Fin，其宽度约为栅极宽度的0.67倍，栅极的两侧为源级S和漏极D。
金属互连（后段工艺）
晶体管层制造好后，通过钨等金属制造接触孔contact连接晶体管和首层布线，然后通过多层金属布线和过孔进行电气互连，早先的芯片用铝布线，现在的芯片多用铜布线。用于连接晶体管等器件的多层金属布线的制造，主要包括互连线间介质沉积，金属线的形成，引出焊盘形成，一般称为后段工艺（BEOL, Back End of Line)。金属互连中采用的导体有钨、铜、铝等金属，绝缘体则有氧化硅，氮化硅，高介电常数膜，低介电常数膜，聚酰亚胺等。下图所示为芯片上的金属互连线在显微镜下的照片，可以看出多层布线结构，目前的工艺可以支持超过10层以上的金属布线。封装内集成的环节
早先的封装比较简单，主要起着芯片保护、尺度放大、电气互连的作用。其示意图大致如下，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，通过引脚的排列方式，可分为BGA，CGA，QFP，LCC，SOP，DIP等多种封装形式。
PCB上集成的环节
芯片在封装内集成完成后，尺寸还不够大，另外有些分立元器件、例如大的电容、变压器等也无法集成到芯片封装内部，因此，对于电子产品来说，PCB始终是必不可少的。
PCB互连线路的制作
PCB的制造工艺和有机基板类似，其布线密度没有有机基板高，结构也相对比较简单。
PCB上多采用通孔结构，虽然现在高密度HDI板也采用了盲埋孔结构，但通孔由于结构简单，成本低廉，在PCB中得到了普遍的应用。
下图所示为6层通孔结构PCB，通过PCB，可将器件固定并进行电气互连。
PCB上元器件装配
PCB加工好后，需要将封装好的元器件组装在PCB上，如下图所示，并通过PCB对外接插件和外部设备相连。
从Transistor到PCB的全图
下面，我们给出一张从晶体管（Transistor）到PCB的集成全图，如下所示：（这张图建议读者保存，因为这张图可能是业内第一张从晶体管到PCB的5级电路集成全图 ，由Suny Li手工绘制。因为是示意图，并未严格按照比例绘制，实际上，从晶体管到PCB，尺寸扩大了约1000000倍）
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3DTSV，通过uBump连接到硅转接板上的RDL和2.5DTSV，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。
从晶体管到PCB，完整的5级电信号通路如下：
Transitor→Contact→Copper→Pad→RDL¹→3DTSV→uBump→RDL²→2.5DTSV→Bump→Trace¹→Via¹→BGA→Trace²→Via²→PCB在集成电路芯片上，人类通过晶体管实现了功能的创造 ，在SiP或先进封装上实现了功能的重构 和尺度的放大，在PCB上进一步进行功能的重构 和尺度的放大。从晶体管到PCB，尺度放大了一百万倍，可以和人类自身的尺度相匹配。最终，PCB和其他的部件有机地组合在一起，成为了现代人手中随时随地可以操作的手机和工作中基本无法离开的电脑。*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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