傳統(tǒng)PDN布線面臨諸多挑戰(zhàn) 背面供電技術(shù)將成大勢所趨

背面供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具備多項(xiàng)發(fā)展優(yōu)勢，未來一定是大勢所趨。

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芯片供電網(wǎng)絡(luò)（Power Delivery Network， PDN）的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以最高效率為芯片上的主動(dòng)元件提供所需的電源（VDD）與參考電壓（VSS）。一直以來，業(yè)界都是利用后段制程（BEOL），在晶圓正面布線，透過這些低電阻的導(dǎo)線來供應(yīng)電力給芯片（圖1）。但也因?yàn)槿绱?，芯片?nèi)的供電網(wǎng)路與訊號(hào)網(wǎng)絡(luò)（即芯片內(nèi)的訊號(hào)線）必須共享相同的元件空間。

圖1 傳統(tǒng)的芯片正面供電網(wǎng)絡(luò)

隨著制程節(jié)點(diǎn)往前推進(jìn)，把電源網(wǎng)絡(luò)視作在芯片正面，遇到越來越多挑戰(zhàn)，使得業(yè)界開始探索把供電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到背面的可能性，從而讓背面供電（Backside PDN）成為熱門的技術(shù)議題。本文將先從傳統(tǒng)PDN所遇到的挑戰(zhàn)談起，進(jìn)一步探討背面供電技術(shù)的優(yōu)勢，以及這項(xiàng)技術(shù)未來的發(fā)展重點(diǎn)。

傳統(tǒng)PDN布線面臨諸多挑戰(zhàn)

為了將電力從封裝傳輸至芯片中的晶體管，電子必須經(jīng)由金屬導(dǎo)線和通孔，穿越15~20層BEOL堆疊。然而，越接近晶體管，線寬和通孔就越窄，電阻值也因而上升，這使得電子在向下傳輸?shù)倪^程中，會(huì)出現(xiàn)IR壓降現(xiàn)象，導(dǎo)致電力損失產(chǎn)生。

除了電力損失之外，PDN占用的空間也是一個(gè)問題。當(dāng)電子快到達(dá)晶體管，例如抵達(dá)標(biāo)準(zhǔn)元件層時(shí)，電子會(huì)進(jìn)入由BEOL制程所制造Mint金屬層，進(jìn)而分配給負(fù)責(zé)提供工作電壓與接地電壓的電源軌。然后，這些電源軌會(huì)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，連接到每一個(gè)晶體管的源極與漏極，完成供電任務(wù)。但這些電源軌會(huì)占用元件周圍及標(biāo)準(zhǔn)單元（Standard Cell）之間的空間。

然而，隨著制程技術(shù)世代交替，傳統(tǒng)后段制程的組件架構(gòu)難以跟上晶體管的微縮速度。如今，芯片內(nèi)部的電源線路，在布線復(fù)雜的后段制程上，往往占據(jù)了至少20%的繞線資源，如何解決訊號(hào)網(wǎng)絡(luò)跟供電網(wǎng)絡(luò)之間的資源排擠問題，變成芯片設(shè)計(jì)者所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。此外，電源線和接地線在標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)上占了很大空間，使得組件很難進(jìn)一步微縮。就系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，因?yàn)楣β拭芏群虸R壓降急劇增加，從穩(wěn)壓器到晶體管的功率損失就很難控制在10%以下，帶給工程師嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

背面供電網(wǎng)絡(luò)具有雄厚潛力

把芯片內(nèi)的PDN從正面移到背面，也就是所謂的晶背PDN（圖2），可以解決上述問題。若能將供電網(wǎng)絡(luò)與訊號(hào)網(wǎng)絡(luò)分離，把電源線路全部移至晶圓背面，就能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行直接供電，不僅導(dǎo)線更寬、電阻更低，而且電子還不需層層穿越后段制程的元件堆疊。如以一來，不僅緩解了IR壓降問題，讓PDN的效能獲得改善，同時(shí)也避免了后段制程的布線阻塞問題。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，晶背PDN甚至還能進(jìn)一步減少標(biāo)準(zhǔn)單元的高度。

圖2 把供電網(wǎng)絡(luò)從正面轉(zhuǎn)移到背面，讓供電網(wǎng)絡(luò)跟訊號(hào)網(wǎng)絡(luò)分離，可帶來諸多效益

要把PDN從芯片正面轉(zhuǎn)移到背面，需要兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分別是埋入式電源軌（BPR）與納米硅穿孔（nTSV），其結(jié)構(gòu)示意如圖3。

圖3 背面供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖，最頂端的Nanosheet晶體管借由埋入式電源軌跟納米硅穿孔，連接到位于芯片背部的互聯(lián)線路

埋入式電源軌是一種微縮化技術(shù)，可以進(jìn)一步降低標(biāo)準(zhǔn)單元的高度，并減緩IR壓降問題。這些電源軌是埋在晶體管下方的導(dǎo)線，一部分藏在硅基板內(nèi)，另一部分則在淺溝槽隔離氧化層內(nèi)。它們?nèi)〈藗鹘y(tǒng)后段制程在標(biāo)準(zhǔn)單元布下的電源線與接地線。

將供電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)作從后段制程移到前段制程，是劃時(shí)代之舉。這種做法能有效減少M(fèi)int層的元件堆疊數(shù)量，進(jìn)而微縮標(biāo)準(zhǔn)單元尺寸。還有一點(diǎn)，如果電源軌設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)單元的垂直向，還能放寬導(dǎo)線，進(jìn)而減緩IR壓降。

在2019年的IEEE國際電子研究會(huì)議（IEDM）上，imec攜手Arm，預(yù)測背面供電技術(shù)所能帶來的效能升級(jí)。Arm在其開發(fā)與采用先進(jìn)設(shè)計(jì)規(guī)則的中央處理器（CPU）上進(jìn)行模擬，并比較“傳統(tǒng)供電”“晶圓正面供電結(jié)合埋入式電源軌”“背面供電搭配納米硅穿孔與埋入式電源軌”這三種供電網(wǎng)絡(luò)實(shí)操方法的優(yōu)劣。

模擬結(jié)果顯示，就供電效率來看，第三種明顯勝過其他實(shí)操方法。芯片上的動(dòng)態(tài)IR壓降熱力圖（圖4）顯示，與傳統(tǒng)的正面供電網(wǎng)絡(luò)相比，導(dǎo)入埋入式電源軌后，IR壓降最多可以減至1.7倍。但埋入式電軌結(jié)合背面供電網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)更佳，電壓損耗大幅下降7倍。

圖4 三種不同供電方法的動(dòng)態(tài)IR壓降模擬熱力圖

晶背PDN制程解析

接下來，我們會(huì)說明背面供電網(wǎng)絡(luò)的其中一項(xiàng)應(yīng)用案例：納米硅穿孔在超薄膜晶圓的背面進(jìn)行制造，并與埋入式電源軌連接。我們以在晶圓正面制造的FinFET為例，這些組件透過埋入式電源軌與納米硅穿孔，連接到晶圓背面。其制程步驟如圖5。

圖5 背面供電網(wǎng)絡(luò)制程包含與納米硅穿孔相連的埋入式電源軌。

為了方便說明，步驟2和步驟3的部分細(xì)節(jié)與步驟1雷同，故省略，包含連接埋入式電源軌與組件。

步驟1：在晶圓正面導(dǎo)入埋入式電軌

首先，在12英寸硅晶圓上成長一層硅鍺（SiGe）層。這層硅鍺材料在接下來進(jìn)行晶圓研磨（步驟2）時(shí)可以當(dāng)作蝕刻停止層。接下來，在硅鍺層上方成長一層薄膜硅覆蓋層，這時(shí)才算開始制造組件與埋入式電源軌。埋入式電源軌在進(jìn)行淺溝槽隔離后才確定圖形。這些溝槽在硅覆蓋層內(nèi)蝕刻成形，并以氧化物（襯墊層）與金屬材料（例如鎢或釕）填充。通常，這些電源軌的最大線寬為30nm，最大間距為100nm。接著在金屬材料挖洞，并覆蓋一層介電材料。組件（本文指的是FinFET）的制造是在布下埋入式電源軌之后，而這些電源軌通過連接到BPR的通孔（via-to-BPR， VBPR）與M0A層的導(dǎo)線，與晶體管的源極和漏極連接。最后進(jìn)行銅金屬化。

步驟2：晶圓接合與研磨

載有元件與埋入式電源軌的晶圓接著翻到另一面，讓用來制造主動(dòng)元件的晶圓正面與未圖形化的載板接合。先在室溫下采用SiCN熔接制程（Fusion Bonding），然后在250°C下進(jìn)行退火，第一片晶圓的背面就能研磨到硅鍺層，也就是蝕刻停止層。晶圓研磨步驟結(jié)合了化學(xué)機(jī)械研磨（CMP）與濕式、干式蝕刻技術(shù)，依序進(jìn)行晶背薄化處理。接著，移除硅鍺層，晶圓處理就緒，準(zhǔn)備進(jìn)入納米硅穿孔制程。

步驟3：制造納米硅穿孔并連接到埋入式電源軌

先在晶背長出一層鈍化層，隨后采用一種能從晶背穿透硅材進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的微影制程，進(jìn)行納米硅穿孔的圖形化。這里所用的蝕刻技術(shù)可以穿透硅材（深度達(dá)到數(shù)百納米）來制造納米硅穿孔，這些通孔最后落在埋入式電源軌上，并以氧化物與金屬鎢填充。

在這個(gè)特殊案例中，納米硅穿孔的間距為200nm，完全沒占用到標(biāo)準(zhǔn)單元的空間。最終是制造單層或多層的金屬層，這些位于晶背的元件層會(huì)透過納米硅穿孔，與晶圓正面的埋入式電源軌實(shí)現(xiàn)通電。

鎖定三大關(guān)鍵步驟進(jìn)一步改良

導(dǎo)入背面供電網(wǎng)絡(luò)意味著增加制程步驟。這幾年來，imec展示了不少關(guān)鍵技術(shù)，逐步處理這些新增制程步驟所帶來的挑戰(zhàn)。

為埋入式電源軌引進(jìn)新金屬材料

就先前提議的制程，埋入式電源軌會(huì)在制成組件前，于前段制程制造。也就是說，這些金屬導(dǎo)線必須在后續(xù)進(jìn)行組件制造的步驟時(shí)承受高溫。對(duì)芯片制造商來說，這就跟數(shù)十年前在后段制程導(dǎo)入銅材料一樣，極具顛覆性。

因此，埋入式電源軌的材料選擇至關(guān)重要。imec可以整合以不同耐火金屬制成的埋入式電源軌，包含釕（Ru）和鎢（W）等高度耐熱的金屬元素。為了避免前段制程的材料受到污染，imec研究團(tuán)隊(duì)還額外增加了覆蓋層來包覆這些金屬導(dǎo)線。

imec相信，就性能升級(jí)與微縮化而言，結(jié)合埋入式電源軌與納米硅穿孔的發(fā)展?jié)摿κ挚捎^。背面供電網(wǎng)絡(luò)還有其他做法，但是有的會(huì)犧牲供電效能、標(biāo)準(zhǔn)單元面積，或是增加前段制程的復(fù)雜度。

提高晶圓研磨精準(zhǔn)度

為了將納米硅穿孔連接至后續(xù)制造的銅導(dǎo)線，并降低其電阻，進(jìn)而減緩IR壓降，我們必須更精準(zhǔn)地控制晶圓薄化的厚度，研磨至數(shù)百納米。這就限制了晶圓厚度的容許差異，但在進(jìn)行不同道研磨步驟時(shí)就可能出現(xiàn)變異性。imec攜手合作伙伴，致力于改良蝕刻制程的化學(xué)溶液。例如，最后一道濕式蝕刻能夠展現(xiàn)高度選擇性，干凈去除硅鍺層。在晶圓研磨的最后一步，硅鍺層被移除，這時(shí)需要一種對(duì)硅材具備高度選擇性的專用化學(xué)物質(zhì)。這樣才能確保硅覆蓋層能夠平滑露出，厚度差異小于40nm。

不過，在硅基板高度薄化的情況下，組件本身的溫度變化所造成的熱沖擊（Thermal Impact）會(huì)變得更加明顯。這是需要審慎評(píng)估的一點(diǎn)。初步模擬結(jié)果顯示，晶背的導(dǎo)線可協(xié)助從橫向散逸熱能，因此對(duì)整體散熱效果能帶來許多助益，從而緩解了熱沖擊的疑慮。其它與散熱有關(guān)的模擬工作仍在進(jìn)行，以獲取更多這方面的信息。

提高晶圓接合對(duì)位精度

晶圓接合步驟會(huì)讓主動(dòng)式組件所在的第一層晶圓產(chǎn)生形變，進(jìn)而在微影方面帶來技術(shù)挑戰(zhàn)。因?yàn)橐诰A研磨后，從晶背進(jìn)行納米硅穿孔的圖形化，故微影技術(shù)需要更高精確度，才能讓納米硅穿孔與下層的埋入式電源軌對(duì)準(zhǔn)。因?yàn)檫@些組件特征都算是標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)，對(duì)準(zhǔn)精度應(yīng)該優(yōu)于10nm。但是傳統(tǒng)的微影對(duì)準(zhǔn)技術(shù)不足以準(zhǔn)確校正晶圓接合的形變。

值得慶幸的是，晶圓接合技術(shù)已有多項(xiàng)進(jìn)展，對(duì)準(zhǔn)誤差和失真都已大幅下降。此外，透過先進(jìn)的微影校正技術(shù)，納米硅穿孔對(duì)準(zhǔn)入式電源軌的誤差可以降至10nm以下。

新增制程不影響組件電性能

在前段制程添加埋入式電源軌、晶圓研磨跟納米硅穿孔這些新步驟，會(huì)影響前段制程所制造出的元件的電性能嗎？這點(diǎn)想必是很多半導(dǎo)體制程工程師都會(huì)有的疑問。

為了找出解答，imec近期開發(fā)了測試組件，采用上述制程與經(jīng)過改良的做法。該器件是微型FinFET（圖6），利用精確的對(duì)準(zhǔn)能力，將納米硅穿孔從晶背連接至320nm深的埋入式電源軌。電源軌透過MOA層與VO通孔連接到晶圓正面的導(dǎo)線。藉此，研究人員就能比較測試元件在進(jìn)行后段制程前后的電性差異。結(jié)果顯示，只要在制程最后進(jìn)行退火，就能取得FinFET的最佳性能，不受埋入式電源軌與后段制程影響。

圖6 微型FinFET測試元件的穿透式電子顯微鏡（TEM）圖，可見其與晶圓正面和背面相連。

先進(jìn)邏輯與3D SoC率先獲益

有些芯片廠商已經(jīng)宣布將在2nm及未來技術(shù)節(jié)點(diǎn)的邏輯芯片制程，也就是Nanosheet晶體管世代導(dǎo)入背面供電技術(shù)。不過，這項(xiàng)新興的布線技術(shù)其實(shí)可以應(yīng)用在更廣泛的晶體管架構(gòu)上。imec認(rèn)為，未來業(yè)界將發(fā)展出具備6T的Nanosheet晶體管，若結(jié)合埋入式電源軌設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)單元高度可望降至6T以下。

其實(shí)，背面供電技術(shù)的應(yīng)用不僅限于2D芯片，未來還有可能用來提升3D系統(tǒng)單芯片（SoC）的性能。想象未來的3D SoC能將部分甚至所有的內(nèi)存組件移到芯片上層，邏輯元件則在下層，如圖7。?

圖7 導(dǎo)入背面供電網(wǎng)絡(luò)的3D SoC示意圖

技術(shù)上，這是可以通過晶圓接合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。把邏輯元件與存儲(chǔ)芯片分別置于不同晶圓的正面，再將兩片晶圓正面接合。這時(shí)，兩片晶圓的背面變成3D SoC的外側(cè)。接著就是思考如何善用邏輯組件那片晶圓的背面，才能把電源連接到核心邏輯電路。其實(shí)，透過2D SoC技術(shù)就能做到這點(diǎn)，但主要差別是前面提到的載板晶圓，本來是為了晶圓研磨而設(shè)計(jì)，但現(xiàn)在則是以存儲(chǔ)器那片晶圓來取代。

雖然目前還未進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，初步評(píng)估這套做法在IR壓降方面的發(fā)展可期。透過先進(jìn)制程研究用的設(shè)計(jì)流程套件（PDK），上述解決方案在邏輯與存儲(chǔ)器堆棧（Memory-on-logic）的芯片分區(qū)設(shè)計(jì)上進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，結(jié)合背面供電網(wǎng)路、納米硅穿孔與埋入式電源軌的元件性能頗富前景：與傳統(tǒng)從晶圓正面供電的做法相比，底層元件的平均IR壓降減少81%，峰值減少77%。因此，背面供電技術(shù)特別適合用于先進(jìn)CMOS的3D IC設(shè)計(jì)。

不論是2D或3D芯片設(shè)計(jì)，晶背空間還能有其他的延伸應(yīng)用，像是增設(shè)I/O或靜電保護(hù)（ESD）等組件。舉例來說，imec結(jié)合了背面供電技術(shù)與2.5D組件：一顆柱狀且由金屬—絕緣體—金屬（MIM）組成的去耦電容。該器件將電容密度提升了4~5倍，利于進(jìn)一步控制IR壓降。這些研究成果皆源自經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正的IR壓降模型。

背面供電帶來諸多優(yōu)勢 發(fā)展?jié)摿χ档闷诖?/strong>