2納米芯片的背面供電技術(shù)分析

三大代工廠計(jì)劃盡快在2nm節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)背面供電，為更快、更高效的芯片交換、減少路由擁塞和降低多個(gè)金屬層之間的噪聲奠定基礎(chǔ)。

使用這種方法的好處是顯著的。通過(guò)在背面使用稍粗的、電阻較小的線路來(lái)輸送電力，而不是低效的正面方式，由于電壓降較小，功率損失可以減少30%。在典型的高級(jí)節(jié)點(diǎn)處理器中，電力線可能穿過(guò)15層或更多的互連層。這一變化還為信號(hào)釋放了前端的路由資源，特別是在第一個(gè)也是最昂貴的金屬層，并且減少了由于有時(shí)不可預(yù)測(cè)的、與工作負(fù)載相關(guān)的物理影響而大大增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性的各種類型的交互。

英特爾可能是第一個(gè)采用背面供電的公司，因?yàn)樗谂謴?fù)其在工藝技術(shù)方面的領(lǐng)先地位，但三星和臺(tái)積電將很快跟進(jìn)。

圖1:背面供電減少了電壓下降和RC延遲，但需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能完全處理。來(lái)源:英特爾

然而，這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的改變。背面供電(BPD)帶來(lái)了一系列的工藝挑戰(zhàn)，包括由于晶圓極度變薄和晶圓背面到正面的粘合而導(dǎo)致的光刻校正，后者每個(gè)芯片包含數(shù)百萬(wàn)納米tsv。

盡管如此，背面供電似乎是值得的。“我們學(xué)習(xí)了很多東西，幫助我們?yōu)檫@一過(guò)程鋪平了道路。例如，優(yōu)化如何精確研磨晶圓，這樣就不會(huì)損壞晶體管本身，”英特爾技術(shù)開發(fā)副總裁本·塞爾(Ben Sell)說(shuō)。

Sell的團(tuán)隊(duì)正在使用finfet和PowerVia優(yōu)化Intel 4工藝，并在去年的VLSI研討會(huì)上展示了第一批器件。[1]該公司計(jì)劃在20A節(jié)點(diǎn)(2nm)將PowerVia與其帶狀場(chǎng)效應(yīng)晶體管(RibbonFET)結(jié)合起來(lái)。通過(guò)BPD，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)6%的性能提升(Fmax)， 90%的電池利用率和>30%的電壓下降。塞爾說(shuō):“既然兩邊都有布線，這確實(shí)有助于我們把標(biāo)準(zhǔn)電池排列得更近?！薄熬碗姵貙?shí)際利用的面積而言，我們稱之為利用率?！?/p>

圖 2：晶圓背面使用 4 層互連，而正面使用 14 層，將微孔連接到接觸層。資料來(lái)源：英特爾

三星也在開發(fā)背面供電，早期研究表明它將實(shí)現(xiàn)令人印象深刻的性能指標(biāo)。[2] 該公司報(bào)告稱，使用兩個(gè)不同的 Arm 內(nèi)核，頻率提高了 3.6%，面積分別減少了 10% 和 19%。在標(biāo)準(zhǔn)單元之間使用 "電源分解 "單元進(jìn)行電源和地面?zhèn)鬏?。該團(tuán)隊(duì)還預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單元塊的面積將有所減少。

卓越的布線效率

理想的供電網(wǎng)絡(luò)可在任何活動(dòng)中為集成電路上的有源電路持續(xù)穩(wěn)定地提供電流。從集成電路的電源引腳到電路中的晶體管，所有互連路徑中的 PDN 直流電阻是最重要的參數(shù)之一。

圖 3：與需要穿越 15 層或更多互連層的正面相比，背面供電傳輸大大縮短了凸塊和晶體管之間的路徑，而正面則存在高電壓損耗。資料來(lái)源：應(yīng)用材料公司

IR壓降是高度擴(kuò)展互連的瓶頸。通過(guò)使用背面供電，設(shè)計(jì)人員可以獨(dú)立優(yōu)化布線，在背面使用較粗的銅線傳輸電源和接地，在正面使用較細(xì)的銅線傳輸信號(hào)。設(shè)備制造商將電網(wǎng)從昂貴的 Metal-0 級(jí)別中移除，這需要使用 EUV 進(jìn)行雙重圖案化甚至三重圖案化。通過(guò) BPD，該層將 metal-0 間距從 30nm 放松到 36nm。據(jù) Sell 稱，盡管吞吐量更長(zhǎng)，但僅這一改變就超過(guò)了額外流程層的費(fèi)用。擁塞的緩解還減少了 RC 延遲，因此晶體管可以在更高的頻率下運(yùn)行?！按蟛糠殖杀拘б鎭?lái)自于使用更簡(jiǎn)單的 EUV 流程，需要更少的工具。也許你可以通過(guò)一次光刻來(lái)完成光刻，而不是通過(guò)兩三次。”

imec 研究人員于 2019 年提出的背面功率交付是實(shí)現(xiàn)持續(xù)邏輯擴(kuò)展的關(guān)鍵一步。這種方法主要分為三類（見下圖 4）。

圖4：BPD 方案提供了與晶圓加工復(fù)雜性水平不斷提高相關(guān)的不同程度的縮放優(yōu)勢(shì)。資料來(lái)源：應(yīng)用材料公司

最簡(jiǎn)單的方法是從 CMOS FET 周圍的電源軌向上連接一個(gè)深通孔，然后通過(guò)頂部觸點(diǎn)向下連接。PowerVia 使用納米 TSV 將背面電源網(wǎng)絡(luò)連接到晶體管的觸點(diǎn)層，從而實(shí)現(xiàn)了出色的擴(kuò)展性。最后，"直接連接 "方法將背面微孔直接連接到每個(gè)晶體管的源極和漏極區(qū)域。

直接連接能實(shí)現(xiàn)最好的擴(kuò)展，但也是三種方法中風(fēng)險(xiǎn)最大的一種。"imec 高級(jí)研究員、研發(fā)副總裁兼 3D 系統(tǒng)集成項(xiàng)目總監(jiān) Eric Beyne 說(shuō)："在制造器件之前，你要在鰭片之間放置金屬。"在前端之前進(jìn)行金屬加工對(duì)人們來(lái)說(shuō)有點(diǎn)可怕，但這可以讓你進(jìn)行接觸，并有更多的空間。問(wèn)題是，你需要將背面的光刻技術(shù)與正面對(duì)齊，但這個(gè)晶圓已經(jīng)被粘合和減薄，因此會(huì)出現(xiàn)變形。"

不幸的是，在需要對(duì)齊頂部和底部晶圓上的特征的同時(shí)，頂部晶圓也會(huì)出現(xiàn)變形。即使在鍵合過(guò)程中對(duì)齊了晶圓，也需要掃描儀上的自適應(yīng)光刻方案來(lái)實(shí)現(xiàn)校正，而校正是復(fù)雜的。并非所有的光刻都在同一方向上進(jìn)行。與此同時(shí)，疊層預(yù)算也在縮減。Beyne 估計(jì)，根據(jù)不同的方案，可能會(huì)有 10 到 20 納米的疊加工作。如果采用更直接的連接方法，這一數(shù)字將急劇下降到 3 納米，這可能需要對(duì)鍵合引起的畸變進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。

"Beyne說(shuō)："這些源極/漏極特征很小，因?yàn)镃PP（接觸柵極間距）只有45納米。"因此，S/D 的著陸相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，必須極其精確。

微孔的長(zhǎng)寬比（高/寬）往往在 10:1 左右。精確控制的蝕刻工藝對(duì)于新的微孔以及其他關(guān)鍵特征至關(guān)重要。"Lam Research 公司副總裁兼總經(jīng)理 Kaihan Ashtiani 說(shuō)："BPD 的所有三種方法都涉及需要蝕刻的高縱橫比特征，然后用導(dǎo)體、絕緣體或兩者填充。

晶圓減薄工藝本身也不是那么簡(jiǎn)單。硅片減薄后只剩下大約 500 納米。Imec 正在與 Disco 的工程師合作，以提高研磨工藝的均勻性和加工速度。

CMP 也起著至關(guān)重要的作用。Lam Research 公司高級(jí)總監(jiān) David Kretz 解釋說(shuō)，在研磨過(guò)程之后要進(jìn)行精細(xì)拋光 (CMP)，以接近最終目標(biāo)厚度并完全去除研磨損傷。然后用濕法清洗或干法蝕刻去除剩余的硅。硅鍺（SiGe）可作為蝕刻止動(dòng)器。

"濕法硅蝕刻 "最初是為 CMOS 成像和功率器件開發(fā)的。其他應(yīng)用還開發(fā)用于晶圓鍵合，特別是 NAND 器件--將 CMOS 陣列與存儲(chǔ)單元鍵合，"Kretz 說(shuō)。這種蝕刻技術(shù)目前正被應(yīng)用于背面電源軌應(yīng)用。

濕法面臨的挑戰(zhàn)包括成本效益、均勻性（總厚度變化，TTV）以及修復(fù)研磨步驟造成的硅損傷。"Lam 克服了這些挑戰(zhàn)，首先使用快速蝕刻率工藝去除大塊硅（成本效益），然后轉(zhuǎn)用較低的蝕刻率工藝，使我們能夠更好地控制最終薄膜的粗糙度，"Kretz 說(shuō)。

計(jì)量在監(jiān)控均勻性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。"他解釋說(shuō)："我們的集成厚度測(cè)量系統(tǒng)（ITMS）使客戶能夠在濕法蝕刻前測(cè)量晶片，這樣我們就能根據(jù)研磨工藝產(chǎn)生的入料厚度變化調(diào)整工藝。"他解釋說(shuō)："這樣就能從整體上更嚴(yán)格地控制最終晶圓到晶圓的厚度變化。

圖 5：首先制作晶體管和電源過(guò)孔（a），然后進(jìn)行多層正面金屬化和介質(zhì)密封（b），再與硅載體鍵合（c），最后進(jìn)行背面電源處理。資料來(lái)源：英特爾 來(lái)源：英特爾

在英特爾簡(jiǎn)化的工藝流程中（見圖 5），該工藝首先制造出鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（finFET）或全柵極晶體管，然后蝕刻納米硅片并填充鎢或其他低電阻金屬。接著，使用比正面配電網(wǎng)絡(luò)稍大的金屬 0 線制造信號(hào)互連（M0 至 M14）。接著，沉積介質(zhì)（密封）密封件，然后翻轉(zhuǎn)前端晶圓并將其安裝在載體晶圓上。然后，對(duì)硅片進(jìn)行研磨和拋光（CMP）。蝕刻擋塊有助于防止晶體管本身被移除。

最具挑戰(zhàn)性和最復(fù)雜的流程是直接接觸，將金屬接觸到晶體管的源極和漏極。"在直接源極接觸方法中，正面和背面連接的對(duì)齊是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此外，外延觸點(diǎn)的形成是從正面開始的，會(huì)在背面留下懸空。Ashtiani 說(shuō)："由于金屬填充是從背面進(jìn)行的，因此懸空結(jié)構(gòu)的金屬化是一個(gè)額外的挑戰(zhàn)。

Ashtiani 詳細(xì)闡述了由于已建成的銅堆棧所造成的熱預(yù)算限制，這使得工程師們不得不積極評(píng)估釕和鉬等金屬替代品。"他說(shuō)："鉬正在成為先進(jìn)芯片制造中替代鎢的一種引人注目的替代品。"Epi 背面觸點(diǎn)是在 BEOL 工藝后制造的，因此溫度上限為 400 至 450°C。在 BEOL 熱預(yù)算范圍內(nèi)形成歐姆低電阻觸點(diǎn)將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在 Lam 的研究中，鉬沉積已經(jīng)顯示出形成歐姆觸點(diǎn)的能力，在保形和自下而上的觸點(diǎn)填充方案中使用低溫原子層沉積（ALD）鉬。鉬的其他優(yōu)點(diǎn)還包括平均自由路徑更短。因此，即使在較小的特征尺寸下，電阻率仍然較低。此外，鉬對(duì)電介質(zhì)沒有內(nèi)在擴(kuò)散性，因此不需要較高電阻率的阻擋層。

另一種正在測(cè)試的金屬是釕。在多項(xiàng)研究中，釕已被探索用作前端觸點(diǎn)的替代觸點(diǎn)材料，imec 公司的研究表明，與鎢電源軌相比，釕在背面電源傳輸中可將電阻降低 40%。這兩種金屬的主要區(qū)別在于成本。釕前驅(qū)體比鉬前驅(qū)體貴一個(gè)數(shù)量級(jí)。

調(diào)試

當(dāng)所有互連都局限在晶片正面時(shí)，故障隔離和調(diào)試傳統(tǒng)上都是通過(guò)硅背面進(jìn)行的。背面金屬化改變了這種分析方法。"當(dāng)兩面都有金屬時(shí)，顯然就更難了，因?yàn)橥蝗婚g就有金屬層擋住了去路。英特爾的塞爾說(shuō)："我們必須開發(fā)出不同的技術(shù)，以確保即使穿過(guò)這些金屬線，我們?nèi)阅芏ㄎ蝗毕莶?duì)其進(jìn)行表征。該公司正在使用現(xiàn)有的和新穎的調(diào)試技術(shù)來(lái)進(jìn)行這些分析。

與此同時(shí)，公司還利用等速掃描測(cè)試模式進(jìn)行測(cè)試，以確定速度路徑問(wèn)題，從而確定并修復(fù)設(shè)計(jì)中限制性能的路徑，使設(shè)備能夠以更高的時(shí)鐘頻率運(yùn)行。對(duì)于每個(gè)故障掃描單元，都會(huì)根據(jù)邏輯模擬值的結(jié)構(gòu)分析來(lái)確定故障路徑。

產(chǎn)量和可靠性

為確保可靠性，芯片制造商采用了與任何復(fù)雜邏輯器件相同的可靠性測(cè)試方法，包括時(shí)間相關(guān)介質(zhì)擊穿（TDDB）、偏置溫度不穩(wěn)定性（BTI）和熱載流子注入（HCI）。

有趣的是，三星分析了與封裝工藝相關(guān)的熱機(jī)械可靠性，以確保不會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)性。工程師們分析了多層金屬堆疊引起的應(yīng)力水平，包括背面背面供電與傳統(tǒng)互連堆疊引起的應(yīng)力。該團(tuán)隊(duì)利用建模對(duì)其 4nm 節(jié)點(diǎn)的倒裝芯片封裝方案進(jìn)行了比較。"他們?cè)谧罱囊黄恼轮姓f(shuō)："......我們選擇了單個(gè)凸點(diǎn)（即位于芯片邊緣的凸點(diǎn)）所受拉伸應(yīng)力最大的位置，并在封裝模型的熱位移邊界條件下檢驗(yàn)了 BEOL 子模型。

使用背面電源的芯片在 Z 方向上產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力比使用背面電源的芯片大 62%，這些應(yīng)力集中在 nanoTSV 正上方的第一層金屬上。研究小組進(jìn)行了測(cè)量，包括納米 TSV 尺寸調(diào)整。通過(guò)使 TSV 加寬（或縮短）10%，應(yīng)力得到緩解，阻力降低，同時(shí)利用環(huán)形振蕩器模擬提高了速度。他們的研究表明，TSV 的尺寸和阻擋金屬的厚度都會(huì)影響應(yīng)力和性能。

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)力積聚是業(yè)界日益關(guān)注的問(wèn)題，特別是隨著越來(lái)越多地使用臨時(shí)鍵合工藝，以便將不同的架構(gòu)或材料組合在一起。"Brewer Science 公司首席技術(shù)官 Rama Puligadda 說(shuō)："客戶希望粘合材料能在整個(gè)過(guò)程中將器件晶片固定在載體上，而不會(huì)出現(xiàn)分層。布魯爾科技公司的首席技術(shù)官 Rama Puligadda 說(shuō)："因此，在一切準(zhǔn)備就緒、真正可以剝離之前，剝離層不能釋放粘合劑。但這樣它就需要非常容易地脫開，可以通過(guò)機(jī)械方法或使用激光。因此，對(duì)于應(yīng)力極大的晶片來(lái)說(shuō)，這種平衡更具挑戰(zhàn)性。

結(jié)論

背面供電是一種突破性的方法，它能更有效地為器件提供功率，同時(shí)還能提高最小前端互連的可制造性。工藝改進(jìn)主要圍繞光刻畸變校正、CMP、蝕刻、清潔和接合工藝。隔離故障變得更具挑戰(zhàn)性。不過(guò)，這種生產(chǎn)更快邏輯器件的方法有望最早于明年在器件中出現(xiàn)。

審核編輯：黃飛