埋入式電源軌和納米硅通孔技術(shù)為為背面芯片供電

芯片上的供電網(wǎng)絡(luò)（power delivery network）旨在最有效地為die上的有源器件提供電源和參考電壓（即 VDD和 VSS）。傳統(tǒng)上，它被實(shí)現(xiàn)為通過晶圓正面的后端線 (BEOL) 處理制造的低電阻金屬線網(wǎng)絡(luò)。供電網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)共享這個(gè)空間，即設(shè)計(jì)用于傳輸信號(hào)的互連。

為了將功率從封裝傳輸?shù)?a target="_blank">晶體管，電子穿過 BEOL 堆棧的所有 15 到 20 層通過金屬線和通孔，這些金屬線和通孔在接近晶體管時(shí)變得越來越窄（因此電阻更大）。在途中，它們會(huì)失去能量，從而導(dǎo)致功率傳輸或IR 下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)更接近晶體管時(shí)，即在標(biāo)準(zhǔn)單元級(jí)別，電子最終進(jìn)入在BEOL 的 M int層中組織的 V DD和 V SS電源和接地軌。這些軌道占據(jù)了邊界處和每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元之間的空間。

從這里，它們通過中間互連網(wǎng)絡(luò)連接到每個(gè)晶體管的源極和漏極。

圖1.傳統(tǒng)前端供電網(wǎng)絡(luò)的示意圖。

但隨著每一代新技術(shù)的出現(xiàn)，這種傳統(tǒng)的 BEOL 架構(gòu)都難以跟上晶體管縮放路徑的步伐。如今，“電源互連”在復(fù)雜的 BEOL 網(wǎng)絡(luò)中爭奪空間的競爭越來越激烈，至少占布線資源的 20%。此外，電源和接地軌在標(biāo)準(zhǔn)單元級(jí)別占據(jù)了相當(dāng)大的面積，限制了標(biāo)準(zhǔn)單元高度的進(jìn)一步縮放。在系統(tǒng)級(jí)，功率密度和 IR 壓降急劇增加，這讓設(shè)計(jì)人員難以維持穩(wěn)壓器和晶體管之間的功率損耗允許的 10% 余量。

背面供電網(wǎng)絡(luò)的承諾

背面供電網(wǎng)絡(luò)有望解決這些問題。這個(gè)想法是通過將整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)到硅晶圓的背面來將電力傳輸網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)分離，而硅晶圓目前僅用作載體。

從那里，它可以通過更寬、電阻更小的金屬線將電力直接輸送到標(biāo)準(zhǔn)電池，而電子無需穿過復(fù)雜的 BEOL 堆棧。這種方法有望降低 IR 壓降，提高功率傳輸性能，減少 BEOL 中的布線擁塞，并且如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，還可以進(jìn)一步擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)單元高度。

圖2.背面供電網(wǎng)絡(luò)允許將供電與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)去耦。

埋地電源軌和納米硅通孔：關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建塊

在詳細(xì)介紹制造背面供電網(wǎng)絡(luò)的工藝流程之前，我們先介紹兩種技術(shù)推動(dòng)因素：埋入式電源軌 (BPR) 和納米硅通孔 (nTSV)。

BPR 是一種技術(shù)縮放助推器，可進(jìn)一步縮放標(biāo)準(zhǔn)單元高度并減少 IR 壓降。它是埋在晶體管下方的金屬線結(jié)構(gòu)——部分在硅襯底內(nèi)，部分在淺溝槽隔離氧化物內(nèi)。它承擔(dān)了傳統(tǒng)上在標(biāo)準(zhǔn)單元級(jí)別的 BEOL 中實(shí)現(xiàn)的 VDD和 VSS電源軌的作用，這一從 BEOL 到生產(chǎn)線前端 (FEOL) 的歷史性轉(zhuǎn)變?cè)试S減少 M int軌道的數(shù)量，從而進(jìn)一步縮小標(biāo)準(zhǔn)單元。此外，當(dāng)垂直于標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)時(shí)，可以放寬導(dǎo)軌的尺寸，從而進(jìn)一步降低 IR 壓降。

當(dāng)與 nTSV 結(jié)合時(shí)，BPR 的潛力可以得到充分利用，nTSV是在減薄晶圓背面加工的高縱橫比通孔。它們一起允許以最有效的方式將功率從晶圓背面?zhèn)鬏數(shù)角岸说挠性雌骷?，即在降?IR 壓降方面獲得最大收益。

圖3.背面供電網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的示意圖，其中納米片通過 BPR 和 nTSV 連接到晶圓的背面。

量化承諾

在 2019 年 IEDM 會(huì)議上，imec 研究與 Arm合作對(duì)這些承諾進(jìn)行了量化。Arm 在其采用高級(jí)設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)的中央處理器 (CPU) 之一上運(yùn)行了仿真。他們比較了三種供電方式：傳統(tǒng)的前端供電、結(jié)合 BPR 的前端供電以及在 BPR 上使用 nTSV 的背面供電。就功率傳輸效率而言，后者顯然是贏家。片上功率熱圖顯示，與傳統(tǒng)的前端功率傳輸相比，具有前端功率傳輸?shù)?BPR 可以將 IR 壓降降低約 1.7 倍。但是背面供電的 BPR做得更好：它們將 IR 壓降大大降低了 7 倍。

圖4在動(dòng)態(tài) IR 壓降方面比較不同的功率傳輸方法。

整體流程

下面，我們闡明了 BSPDN 的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)的工藝流程，其中nTSV——在極薄的晶圓背面處理——落在 BPR的頂部。這些器件，例如在晶圓正面處理的按比例縮放的 FinFET，通過 BPR 和 nTSV 連接到晶圓的背面。

圖5.BPR 連接到 nTSV 的背面供電網(wǎng)絡(luò)的工藝流程。為簡化起見，步驟 1 中的一些細(xì)節(jié)已在步驟 2 和 3 中省略，包括 BPR 與設(shè)備之間的連接。

第一步：埋軌正面處理

工藝流程從在 300mm Si 晶圓頂部生長 SiGe 層開始。SiGe 層隨后用作蝕刻停止層以結(jié)束晶圓減?。ú襟E 2）。接下來，在 SiGe 層的頂部生長一個(gè)薄的 Si 覆蓋層：制造器件和埋入電源軌的起點(diǎn). 埋入式電源軌是在淺溝槽隔離之后定義的。在 Si 覆蓋層中蝕刻的溝槽填充有氧化物襯里和金屬，例如 W 或 Ru。由此產(chǎn)生的掩埋軌道通常寬約 30 納米，間距約 100 納米。然后金屬凹陷并被電介質(zhì)覆蓋。在 BPR 實(shí)施后完成器件（在本例中為按比例縮放的 FinFET）的處理，并且 BPR 通過 VBPR 過孔和 M0A 線連接到晶體管源/漏區(qū)。銅金屬化完成正面處理。

第 2 步：晶圓間鍵合和晶圓減薄

翻轉(zhuǎn)包含器件和 BPR 的晶圓，并將“有源”正面鍵合到覆蓋載體晶圓上。這是通過在室溫下使用 SiCN-to-SiCN 電介質(zhì)熔接，然后在 250°C 下進(jìn)行鍵合后退火來實(shí)現(xiàn)的。

然后，可以將第一個(gè)硅片的背面減薄到 SiGe 蝕刻停止所在的位置。通過順序背面研磨、化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 以及干法和濕法蝕刻步驟的組合實(shí)現(xiàn)減薄。SiGe 層在下一步中被移除，晶圓已準(zhǔn)備好進(jìn)行 nTSV 處理。

第 3 步：nTSV 處理和連接到 BPR

在沉積背面鈍化層后，通過硅對(duì)準(zhǔn)光刻工藝從晶圓背面對(duì)nTSV 進(jìn)行圖案化。nTSV 蝕刻穿過 Si（幾 100nm 深）并落在 BPR 的尖端。接下來，nTSV填充有氧化物襯里和金屬 (W)。在這個(gè)特定的實(shí)現(xiàn)中，它們以 200 納米間距集成，而不會(huì)占用標(biāo)準(zhǔn)單元的任何面積。該流程通過處理一個(gè)或多個(gè)背面金屬層來完成，通過 nTSV 將晶圓的背面電連接到正面的 BPR。

仔細(xì)研究關(guān)鍵流程步驟

實(shí)施背面供電網(wǎng)絡(luò)為芯片制造增加了新的步驟。在過去的幾年里，imec 展示了各種關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建模塊，逐漸解決了新生產(chǎn)步驟的挑戰(zhàn)。

BPR：在生產(chǎn)線前端引入金屬

在建議的制造流程中，在器件處理之前，埋入式電源軌在 FEOL 中實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)施意味著金屬導(dǎo)軌要經(jīng)受后續(xù)設(shè)備制造過程中應(yīng)用的高溫工藝步驟。對(duì)于芯片制造商而言，這似乎與幾十年前將 Cu 引入 BEOL 一樣具有破壞性。因此，用于制造 BPR 的金屬的選擇至關(guān)重要。Imec 可以成功地展示由難熔金屬（如 Ru 或 W 等具有高度耐熱性的金屬元素）制成的埋地電源軌的集成。在隨后的 FEOL 處理過程中保持金屬導(dǎo)軌蓋住是避免前端污染的一項(xiàng)額外措施。

Imec 認(rèn)為，在可擴(kuò)展性和性能方面，使用 nTSV 結(jié)合 BPR 是一種非常有前途的實(shí)現(xiàn)方案。背面供電網(wǎng)絡(luò)的其他實(shí)現(xiàn)也存在，每一種都在供電性能、標(biāo)準(zhǔn)單元面積消耗和前端離線復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡。

晶圓減?。鹤钚』穸茸兓?/p>

需要將晶圓極度減薄到幾 100 納米的 Si，以暴露 nTSV 并最小化它們的電阻率（以及因此的 IR 壓降）。這嚴(yán)重限制了允許的厚度變化，這可能在不同的晶圓減薄步驟期間引起。Imec 與多個(gè)合作伙伴合作改進(jìn)用于蝕刻的化學(xué)物質(zhì)。例如，最終的濕法蝕刻能夠?qū)崿F(xiàn)在 SiGe 層上停止的高選擇性軟著陸工藝。在減薄工藝的最后一步，SiGe 蝕刻停止層在需要對(duì) Si 具有非常高選擇性的專用化學(xué)物質(zhì)中被去除。這樣，可以暴露 Si 覆蓋層，總厚度變化低于 40nm。

另一個(gè)問題是由于（否則會(huì)散熱）Si 基板的極度變薄對(duì)器件自熱的熱影響。初步建模工作表明，自熱效應(yīng)在很大程度上可以被晶圓背面的金屬線抵消，金屬線提供額外的橫向熱擴(kuò)散。目前正在進(jìn)行更詳細(xì)的熱模擬以獲得更多見解。

晶圓鍵合：精確的 nTSV/BPR 對(duì)準(zhǔn)

晶圓鍵合步驟固有地扭曲了第一個(gè)“有源”晶圓。這種變形挑戰(zhàn)了在晶圓背面圖案化 nTSV 所需的光刻步驟。更具體地說，它挑戰(zhàn)了 nTSV 需要與底部 BPR 層對(duì)齊的精度。由于我們處理的是標(biāo)準(zhǔn)單元尺寸的特征，因此覆蓋要求應(yīng)優(yōu)于 10nm。然而，傳統(tǒng)的光刻對(duì)準(zhǔn)不能充分補(bǔ)償晶圓變形。

幸運(yùn)的是，晶圓間鍵合技術(shù)的進(jìn)步可以顯著降低對(duì)準(zhǔn)誤差和畸變值。此外，通過使用先進(jìn)的光刻校正技術(shù)，覆蓋錯(cuò)誤相對(duì)于 BPR 結(jié)構(gòu)的 nTSV 光刻可以減少到小于 10nm。

不會(huì)降低設(shè)備性能

一個(gè)重要的問題仍然存在：新添加的工藝步驟，例如 BPR 集成、晶圓減薄和 nTSV 處理，是否會(huì)影響前端制造的器件的電氣性能？

為了回答這個(gè)問題，imec 最近使用上述制造流程和改進(jìn)的工藝步驟制造了一個(gè)測試產(chǎn)品。在此測試工具中，按比例縮小的 FinFET 通過 320 納米深的 nTSV 落在 BPR 上，以嚴(yán)格的覆蓋控制連接到晶圓的背面。BPR 還通過 M0A 層和 V0 通孔連接到正面金屬化層。除其他外，這種正面連接使研究人員能夠評(píng)估背面處理前后設(shè)備的電氣性能。通過該測試工具，imec 表明FinFET 性能不會(huì)因 BPR 實(shí)施和背面處理而降低，前提是在最后執(zhí)行退火步驟以獲得最佳器件特性。

圖6.TEM 圖像顯示按比例縮放的 FinFET 連接到晶圓的背面和正面。

應(yīng)用領(lǐng)域：高級(jí)邏輯 IC 和 3D-SOC 的擴(kuò)展

一些芯片制造商已經(jīng)公開宣布在 2nm 及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的邏輯 IC 中引入背面供電網(wǎng)絡(luò)。這是納米片晶體管取得進(jìn)展的時(shí)候。然而，新穎的路由技術(shù)可用于范圍廣泛的晶體管架構(gòu)。Imec 的路線圖預(yù)見了它在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中的引入，以及 6T 標(biāo)準(zhǔn)單元中的納米片晶體管。與 BPR 的結(jié)合將有助于將標(biāo)準(zhǔn)電池高度推至 6T 以下。

但應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅局限于 2D 單芯片 IC：它還有望提高3D 片上系統(tǒng)的性能（3D SOC）。想象一下 3D-SOC 實(shí)現(xiàn)，其中一些或所有存儲(chǔ)器宏被放置在頂部裸片中，而邏輯被放置在底部裸片中。在技術(shù)方面，這可以通過將“邏輯晶圓”的有源正面粘合到“存儲(chǔ)晶圓”的有源正面來實(shí)現(xiàn)。在此配置中，兩個(gè)晶圓的原始背面現(xiàn)在位于 3D-SOC 系統(tǒng)的外部。我們現(xiàn)在可以考慮利用“邏輯晶圓”的“自由”背面來為耗電大的核心邏輯電路供電。這可以通過與為 2D SOC 提議的相同的方式來完成。主要區(qū)別是：原來的虛擬覆蓋晶圓——之前為了使晶圓變薄而引入——現(xiàn)在被第二個(gè)有源晶圓（在本例中為存儲(chǔ)晶圓）取代。

圖7.具有背面功率傳輸實(shí)施的 3D-SOC 的示意圖。

盡管這種設(shè)計(jì)尚未通過實(shí)驗(yàn)實(shí)施，但從 IR 壓降角度進(jìn)行的初步評(píng)估非常令人鼓舞。使用高級(jí)節(jié)點(diǎn)研究過程設(shè)計(jì)套件 (PDK)在邏輯上的內(nèi)存分區(qū)設(shè)計(jì)上驗(yàn)證了所提出的解決方案。使用 nTSV 和 BPR 實(shí)施背面供電網(wǎng)絡(luò)顯示出可喜的結(jié)果：與傳統(tǒng)的正面供電相比，底部裸片的平均和峰值 IR 壓降減少了 81% 和 77%。這使得背面供電成為高級(jí) CMOS 節(jié)點(diǎn)中 3D IC 供電的理想選擇。

對(duì)于 2D 和 3D 設(shè)計(jì)，通過在背面添加特定設(shè)備（例如 I/O 或 ESD 設(shè)備），可以將利用晶圓自由背面的概念擴(kuò)展到其他功能。例如，Imec 將背面處理與實(shí)現(xiàn) 2.5D（即柱狀）金屬-絕緣體-金屬電容器 (MIMCAP) 相結(jié)合，用作去耦電容器。2.5D MIMPCAP 將電容密度提高了 4 到 5 倍，從而進(jìn)一步改善了 IR 壓降。結(jié)果源自用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的 IR 壓降建?？蚣?。

總結(jié)

未來的芯片很可能會(huì)打破通過前端供電的傳統(tǒng)。具有背面金屬、埋入式電源軌和 nTSV 的背面供電網(wǎng)絡(luò)在降低 IR 壓降、釋放 BEOL 布線壓力和改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)單元高度縮放方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。BPR集成、晶圓鍵合、晶圓減薄和nTSV工藝等關(guān)鍵工藝步驟正在逐步完善，為新的布線技術(shù)引入先進(jìn)的邏輯技術(shù)節(jié)點(diǎn)和未來的3D SOC做準(zhǔn)備。

審核編輯：郭婷