半導体の前工程と後工程とは？ FEOL・BEOLとの違い

半導体の「前工程」は、ウェーハの上に回路をつくる工程全体、「後工程」は、できたチップをテストし、切り分け、パッケージに入れる工程のことです。これとは別に、ウェーハ工場の中では、前工程をさらに2つに分けます。シリコンウェーハの中にトランジスタをつくる前半がFEOL（フロントエンド、基板工程）、その上に金属配線を1層ずつつくってつなぐ後半がBEOL（バックエンド、配線工程）です。FEOLもBEOLも工場の中の話で、ウェーハはずっと1枚のままです。英語の front end／back end や、中国語の「前段」「後段」はどちらの意味でも使われるので、誰がどんな話をしているかで見分けます。

工場の中のFEOLとBEOLは、それぞれ何をする？

FEOLは front end of line、BEOLは back end of line の略です。この line は生産ラインのことで、FEOLがラインの前半、BEOLが後半です。

• FEOL（基板工程）：シリコンの表面に、電気で動く小さなスイッチ、トランジスタをつくります。おおよその順番は、素子分離、ウェル、ゲート、ソースとドレイン、アニール。各ステップは「トランジスタはどうやってつくる？」へ。
• BEOL（配線工程）：トランジスタの上に絶縁膜をつけ、溝と小さな穴を掘り、金属で埋めて平らに磨く。これを1層ずつ重ね、最先端のチップでは10層以上になります。「チップの中の配線はどうつくる？」へ。
• そのあいだ：トランジスタを1層目の配線へつなぐ小さな穴がコンタクトです。ちょうど境目にあり、FEOLに入れることも、BEOLに入れることもあり、「MOL（ミドル）」と呼ぶこともあります。

なぜ2つに分ける？ なぜトランジスタが先？

理由は2つ、熱と金属です。

熱：FEOLには、拡散炉で酸化膜をつける工程や、打ち込んだ原子を熱で落ち着かせる工程など、1000度を超えるものがあります。金属配線はこの熱に耐えられません。金属がのったあとの工程は、たいてい400度前後までしか上げられません。だから、高温が必要なことを先に全部すませてから、金属をのせます。逆に配線を先につくると、熱で金属がシリコンと反応し、配線もトランジスタもだめになります。

金属：FEOLは金属をとても嫌います。銅や鉄のような金属がウェーハに付くと、目には見えませんが、高温の拡散炉に入ったとたんシリコンの中にもぐり込み、トランジスタがリークするようになります。拡散炉には一度に100枚以上入るので、その一炉全部に響くこともあります。そのため金属、とくに銅が入ってくるところで、工場は線を引きます。金属を通ったウェーハはFEOLの装置に戻さず、装置もウェーハケースも使い分けます。この線の話は「チップの中の配線はどうつくる？」に1節あります。

ウェーハはFEOLからBEOLへ、どんな順番で進む？

大まかな順番です。各ステップは、何をするか、なぜか、しないとどうなるかだけ。くわしくはリンク先へ。

1. ウェーハ投入、素子分離（FEOL）：1ロットのウェーハを生産ラインに流し（ウェーハ投入）、まずシリコンに浅い溝を掘って絶縁物で埋め、トランジスタどうしの場所を分けます。分けないと、隣のトランジスタどうしでリークします。
2. ウェル、ゲート、ソースとドレイン（FEOL）：原子を打ち込んでn型とp型の土台をつくり、ゲートをつくり、電流の入口と出口を打ち込みます。スイッチの出来はここで決まり、間違って打ち込んだ原子は取り出せません。
3. アニール（FEOL）：熱を加えて、打ち込んだ原子を正しい位置に落ち着かせます。全工程の中でもいちばん熱い部類なので、金属がのる前にすませます。
4. コンタクト（MOL）：絶縁膜をつけ、トランジスタまで小さな穴を掘り、金属で埋めます。穴の位置がずれればショートし、底まで掘れていなければつながりません。コンタクトを埋めたあとのウェーハは、FEOLのような高温の工程にはもう入りません。
5. 1層ずつの配線（BEOL）：層ごとに絶縁膜をつけ、溝とビア（上下2層のあいだの小さな穴）を掘り、銅で埋め、CMPで平らにして次の層へ。配線が多すぎて1層には収まらず、つながなければトランジスタはばらばらのスイッチのままです。
6. 保護膜（BEOLの最後）：いちばん上を保護膜でおおい、外とつなぐ金属パッドの上だけ窓を開けます。これがないと、いちばん上の配線がむき出しで、湿気や汚れにやられやすくなります。そのあと、スクライブラインのテスト構造を測って、このロットがきちんとできたか確かめます（「WATとは？」へ）。
7. 工場を出て、業界でいう後工程へ：ウェーハはウェーハテスト、薄く削る工程、ダイシング、パッケージング、ファイナルテストへ進みます。ここで初めて、ウェーハが切り分けられます（「ウェーハはどうやってチップに切り分ける？」へ）。

業界でいう前工程・後工程とは？

業界全体の話では、「前工程」はウェーハの上に回路をつくること、トランジスタも配線も含めた、ウェーハ工場の仕事全部です。「後工程」は、ウェーハの上のチップをテストし、切り分け、パッケージに入れて、もう一度テストする工程です（「パッケージングとは？」「チップはどうテストする？」へ）。

2つは別々の工場で行うことがよくあります。前工程はウェーハ工場、後工程は後工程工場です（「OSATとは？」へ）。境目もはっきりしているわけではありません。ウェーハテストはウェーハ工場で行うことも、後工程工場で行うこともあります。先端パッケージの工程には、ウェーハ工場とよく似た装置ややり方を使うものもあります（「ニュースの「先端パッケージ」とは？」へ）。

日本語の「前工程」「後工程」は、たいていこちらの意味です。そのうえで前工程を2つに分け、前半を「基板工程」、後半を「配線工程」と呼ぶことがあり、これがちょうどFEOLとBEOLにあたります。英語のニュースの front end／back end も、こちらの意味のことがよくあります。

相手がどちらの意味で言っているか、どう見分ける？

	工場の中の分け方	業界全体の分け方
前	シリコンにトランジスタをつくる（FEOL）	ウェーハ製造全体（前工程）
後	その上に金属配線をつくる（BEOL）	パッケージングとテスト（後工程）
どこで	どちらもウェーハ工場	前工程はウェーハ工場、後工程は後工程工場が多い
ウェーハ	ずっと1枚のまま	後工程で切り分ける
英語	FEOL、BEOL	front end、back end
日本語	FEOL（基板工程）、BEOL（配線工程）	前工程、後工程

かんたんな手がかりをいくつか。

• 「of line」があるか：FEOL、BEOLと書いてあれば、ほとんどの場合、工場の中の分け方です。
• まわりの言葉：ビア、金属層、コンタクトなら工場の中のBEOL。パッケージ、ワイヤボンディング、ダイシング、後工程工場なら業界でいう後工程です。
• ウェーハはもう切られた？：まだ1枚のウェーハのまま、工場のクリーンルームの中の話ならBEOL。1個ずつのチップの話なら後工程です。
• 誰が言っているか：工場のエンジニアどうしが「バックエンド」と言うときは、配線を指すことがよくあります。ニュースや業界レポートの「バックエンド」は、パッケージングとテストを指すことがよくあります。

fab24hrでは

fab24hrで「出勤」を押して「工場の一日」を選ぶと、「今日のあなたは」カードのいちばん上に、開発ライン、量産工場、後工程工場が並びます。この3つは別々の工場で、量産工場が業界でいう前工程、後工程工場が後工程を受け持ちます。メインストーリー「チップの一生」も同じ道をたどり、第二幕は量産工場、第三幕（第10〜12章）は後工程工場が舞台です。

工場の中のFEOLがいちばんよくわかるのは、第2章「一工程ずつ」です。最初のロット12枚について回って素子分離とウェルをつくり、章の終わりには「それでも、前工程のいちばん最初の区間にすぎない」という一文があります。このあとにゲート、ソースとドレイン、コンタクト、金属配線と、まだ何百もの工程が続きます。

量産工場には、「前工程エリア」の看板がかかったエリアもあり、拡散炉、洗浄、イオン注入、成膜、CMPが集まっています。「今日のあなたは」のカードで「量産工場」を押し、左右にスワイプしてプロセスエンジニアを出し、名前の下の「洗浄」を押すと、洗浄のプロセスエンジニアになります。このエリアの中でも、FEOLとBEOLは分かれています。担当のWET-05は拡散炉の前の洗浄装置で、昼シフトには表面の金属を測ったレポートが届きます。夜シフトにはCMPから電話がかかってきます。金属の線が出ているウェーハは、金属の層ができたあと専用のWET-07へ送るもので、WET-05には入れられません。図鑑の「装置一覧」でウェーハプローバを分解すると、ウェーハの説明に「前工程をすべて終えたウェーハ」とあります。この前工程は、業界でいう前工程です。

ゲームの会社、人物、装置番号、ロット番号は架空のものです。前と後をどう分けるか、なぜ分けるかは、公開されている一般的な資料をもとに書いていて、単純化もしています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。