【半导光电】芯片要靠这个供电革命了！

来源:今日光电发布时间:2022-12-271892浏览

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芯片供电网络(Power Delivery Network, PDN)的设计目标是以最高效率为芯片上的主动元件提供所需的电源(VDD)与参考电压(VSS)。一直以来，业界都是利用后段制程(BEOL)，在晶圆正面布线，透过这些低电阻的导线来供应电力给芯片(图1)。但也因为如此，芯片内的供电网络与信号网络(即芯片内的信号线)必须共用相同的元件空间。

图1.传统的芯片正面供电网络

但随着制程节点往前推进，把电源网络实作在芯片正面，遇到越来越多挑战，使得业界开始探索把供电网络转移到背面的可能性，从而让晶背供电(Backside PDN)成为热门的技术议题。本文将先从传统PDN所遇到的挑战谈起，进一步探讨晶背供电技术的优势，以及这项技术未来的发展重点。

传统PDN布线面临诸多挑战

为了将电力从封装传输至芯片中的电晶体，电子必须经由金属导线和通孔，穿越15~20层BEOL堆叠。然而，越接近电晶体，线宽和通孔就越窄，电阻值也因而上升，这使得电子在向下传输的过程中，会出现IR压降现象，导致电力损失产生。

除了电力损失之外，PDN占用的空间也是一个问题。当电子快到达电晶体，例如抵达标准元件层时，电子会进入由BEOL制程所制造Mint金属层，进而分配给负责提供工作电压与接地电压的电源轨。然后，这些电源轨会透过互连网络，连接到每一个电晶体的源极与汲极，完成供电任务。但这些电源轨会占用元件周围及标准单元(Standard Cell)之间的空间。

然而，随着制程技术世代交替，传统后段制程的元件架构难以跟上电晶体的微缩速度。如今，芯片内部的电源线路，在布线复杂的后段制程上，往往占据了至少20%的绕线资源，如何解决信号网络跟供电网络之间的资源排挤问题，变成芯片设计者所面临的主要挑战之一。此外，电源线和接地线在标准单元设计上占了很大空间，使得元件很难进一步微缩。就系统设计而言，因为功率密度和IR压降急剧增加，从稳压器到电晶体的功率损失就很难控制在10%以下，带给工程师严峻挑战。

晶背供电网络具有雄厚潜力

把芯片内的PDN从正面移到背面，也就是所谓的晶背PDN(图2)，可以解决上述问题。若能将供电网络与信号网络分离，把电源线路全部移至晶圆背面，就能对标准单元进行直接供电，不仅导线更宽、电阻更低，而且电子还不需层层穿越后段制程的元件堆叠。如以一来，不仅缓解了IR压降问题，让PDN的效能获得改善，同时也避免了后段制程的布线壅塞问题。如果设计得当，晶背PDN甚至还能进一步减少标准单元的高度。

图2 把供电网络从正面转移到背面，让供电网络跟信号网络分离，可带来诸多效益

要把PDN从芯片正面转移到背面，需要两项关键技术，分别是埋入式电源轨(BPR)与纳米硅穿孔(nTSV)，其结构示意如图3。

图3 晶背供电网络结构的示意图，最顶端的Nanosheet电晶体藉由埋入式电源轨跟纳米硅穿孔，连接到位于芯片背部的互联线路

埋入式电源轨是一种微缩化技术，可以进一步降低标准单元的高度，并减缓IR压降问题。这些电源轨是埋在电晶体下方的导线，一部份藏在硅基板内，另一部份则在浅沟槽隔离氧化层内。它们取代了传统后段制程在标准单元布下的电源线与接地线。

将供电网络的实作从后段制程移到前段制程，是划时代之举。这种作法能有效减少Mint层的元件堆叠数量，进而微缩标准单元尺寸。还有一点，如果电源轨设计在标准单元的垂直向，还能放宽导线，进而减缓IR压降。

在2019年的IEEE国际电子研究会议(IEDM)上，imec携手硅智财公司Arm，预测晶背供电技术所能带来的效能升级。Arm在其开发与采用先进设计规则的中央处理器(CPU)上进行模拟，并比较「传统供电」、「晶圆正面供电结合埋入式电源轨」、「晶背供电搭配纳米硅穿孔与埋入式电源轨」这三种供电网络实作方法的优劣。

模拟结果显示，就供电效率来看，第三种明显胜过其它实作方法。芯片上的动态IR压降热力图(图4)显示，与传统的正面供电网络相比，导入埋入式电源轨后，IR压降最多可以减至1.7倍。但埋入式电轨结合晶背供电网络的性能表现更佳，电压损耗大幅下降7倍。

图4 三种不同供电方法的动态IR压降模拟热力图

晶背PDN制程解析

接下来，我们会说明晶背供电网络的其中一项应用案例：纳米硅穿孔在超薄膜晶圆的背面进行制造，并与埋入式电源轨连接。我们以在晶圆正面制造的FinFET为例，这些元件透过埋入式电源轨与纳米硅穿孔，连接到晶圆背面。其制程步骤如图5。

图5 晶背供电网络制程包含与纳米硅穿孔相连的埋入式电源轨。为了方便说明，步骤2和步骤3的部分细节与步骤1雷同，故省略，包含连接埋入式电源轨与元件

步骤1：在晶圆正面制程导入埋入式电轨

首先，在12吋硅晶圆上成长一层硅锗(SiGe)层。这层硅锗材料在接下来进行晶圆研磨(步骤2)时可以当作蚀刻停止层。接下来，在硅锗层上方成长一层薄膜硅覆盖层，这时才算开始制造元件与埋入式电源轨。埋入式电源轨在进行浅沟槽隔离后才确定图形。这些沟槽在硅覆盖层内蚀刻成形，并以氧化物(衬垫层)与金属材料(例如钨或钌)填充。通常，这些电源轨的最大线宽为30nm，最大间距为100nm。接着在金属材料挖洞，并覆盖一层介电材料。元件(本文指的是FinFET)的制造是在布下埋入式电源轨之后，而这些电源轨透过连接到BPR的通孔(via-to-BPR, VBPR)与M0A层的导线，与电晶体的源极和汲极连接。最后进行铜金属化。

步骤2：晶圆接合与研磨

载有元件与埋入式电源轨的晶圆接着翻到另一面，让用来制造主动元件的晶圆正面与未图形化的载板接合。先在室温下采用SiCN熔接制程(Fusion Bonding)，然后在250℃下进行退火，第一片晶圆的背面就能研磨到硅锗层，也就是蚀刻停止层。晶圆研磨步骤结合了化学机械研磨(CMP)与湿式、干式蚀刻技术，依序进行晶背薄化处理。接着，移除硅锗层，晶圆处理就绪，准备进入纳米硅穿孔制程。

步骤3：制造纳米硅穿孔并连接到埋入式电源轨

先在晶背长出一层钝化层，随后采用一种能从晶背穿透硅材进行对准的微影制程，进行纳米硅穿孔的图形化。这里所用的蚀刻技术可以穿透硅材(深度达到数百纳米)来制造纳米硅穿孔，这些通孔最后落在埋入式电源轨上，并以氧化物与金属钨填充。

在这个特殊案例中，纳米硅穿孔的间距为200nm，完全没占用到标准单元的空间。最终是制造单层或多层的金属层，这些位于晶背的元件层会透过纳米硅穿孔，与晶圆正面的埋入式电源轨实现通电。

锁定三大关键步骤进一步改良

导入晶背供电网络意味着增加制程步骤。这几年来，imec展示了不少关键技术，逐步处理这些新增制程步骤所带来的挑战。

为埋入式电源轨引进新金属材料

就先前提议的制程，埋入式电源轨会在制成元件前，于前段制程制造。也就是说，这些金属导线必须在后续进行元件制造的步骤时承受高温。对芯片制造商来说，这就跟数十年前在后段制程导入铜材料一样，极具颠覆性。

因此，埋入式电源轨的材料选择至关重要。imec可以整合以不同耐火金属制成的埋入式电源轨，包含钌(Ru)和钨(W)等高度耐热的金属元素。为了避免前段制程的材料受到污染，imec研究团队还额外增加了覆盖层来包覆这些金属导线。

imec相信，就性能升级与微缩化而言，结合埋入式电源轨与纳米硅穿孔的发展潜力十分可观。晶背供电网络还有其它做法，但是有的会牺牲供电效能、标准单元面积，或是增加前段制程的复杂度。

提高晶圆研磨精准度

为了将纳米硅穿孔连接至后续制造的铜导线，并降低其电阻，进而减缓IR压降，我们必须更精准地控制晶圆薄化的厚度，研磨至数百纳米。这就限制了晶圆厚度的容许差异，但在进行不同道研磨步骤时就可能出现变异性。imec携手合作伙伴，致力于改良蚀刻制程的化学溶液。例如，最后一道湿式蚀刻能够展现高度选择性，干净去除硅锗层。在晶圆研磨的最后一步，硅锗层被移除，这时需要一种对硅材具备高度选择性的专用化学物质。这样才能确保硅覆盖层能够平滑露出，厚度差异小于40nm。

不过，在硅基板高度薄化的情况下，元件本身的温度变化所造成的热冲击(Thermal Impact)会变得更加明显。这是需要审慎评估的一点。初步模拟结果显示，晶背的导线可协助从横向散逸热能，因此对整体散热效果能带来许多助益，从而缓解了热冲击的疑虑。其它与散热有关的模拟工作仍在进行，以获取更多这方面的资讯。

提高晶圆接合对位精度

晶圆接合步骤会让主动式元件所在的第一层晶圆产生形变，进而在微影方面带来技术挑战。因为要在晶圆研磨后，从晶背进行纳米硅穿孔的图形化，故微影技术需要更高精确度，才能让纳米硅穿孔与下层的埋入式电源轨对准。因为这些元件特征都算是标准单元设计，对准精度应该优于10nm。但是传统的微影对准技术不足以准确校正晶圆接合的形变。

值得庆幸的是，晶圆接合技术已有多项进展，对准误差和失真都已大幅下降。此外，透过先进的微影校正技术，纳米硅穿孔对准埋入式电源轨的误差可以降至10nm以下。

新增制程不影响元件电性

在前段制程添加埋入式电源轨、晶圆研磨跟纳米硅穿孔这些新步骤，会影响前段制程所制造出的元件的电性吗？这点想必是很多半导体制程工程师都会有的疑问。

为了找出解答，imec近期开发了测试元件，采用上述制程与经过改良的做法。该元件是微型FinFET(图6)，利用精确的对准能力，将纳米硅穿孔从晶背连接至320nm深的埋入式电源轨。电源轨透过MOA层与VO通孔连接到晶圆正面的导线。借此，研究人员就能比较测试元件在进行后段制程前后的电性差异。结果显示，只要在制程最后进行退火，就能取得FinFET的最佳性能，不受埋入式电源轨与后段制程影响。

图6 微型FinFET测试元件的穿透式电子显微镜(TEM)图，可见其与晶圆正面和背面相连

先进逻辑与3D SoC率先获益

有些芯片厂商已经宣布将在2nm及未来技术节点的逻辑芯片制程，也就是Nanosheet电晶体世代导入晶背供电技术。不过，这项新兴的布线技术其实可以应用在更广泛的电晶体架构上。imec认为，未来业界将发展出具备6T的Nanosheet电晶体，若结合埋入式电源轨设计，标准单元高度可望降至6T以下。

其实，晶背供电技术的应用不仅限于2D芯片，未来还有可能用来提升3D系统单芯片(SoC)的性能。想像未来的3D SoC能将部分甚至所有的记忆体元件移到芯片上层，逻辑元件则在下层，如图7。

图7 导入晶背供电网络的3D SoC示意图

技术上，这是可以透过晶圆接合技术实现的。把逻辑元件与记忆体分别置于不同晶圆的正面，再将两片晶圆正面接合。这时，两片晶圆的背面变成3D SoC的外侧。接着就是思考如何善用逻辑元件那片晶圆的背面，才能把电源连接到核心逻辑电路。其实，透过2D SoC技术就能做到这点，但主要差别是前面提到的载板晶圆，本来是为了晶圆研磨而设计，但现在则是以记忆体那片晶圆来取代。

虽然目前还未进入实验，初步评估这套做法在IR压降方面的发展可期。透过先进制程研究用的设计流程套件(PDK)，上述解决方案在逻辑与记忆体堆叠(Memory-on-logic)的芯片分区设计上进行验证。结果显示，结合晶背供电网络、纳米硅穿孔与埋入式电源轨的元件性能颇富前景：与传统从晶圆正面供电的做法相比，底层元件的平均IR压降减少81%，峰值减少77%。因此，晶背供电技术特别适合用于先进CMOS的3D IC设计。

不论是2D或3D芯片设计，晶背空间还能有其它的延伸应用，像是增设I/O或静电保护(ESD)等元件。举例来说，imec结合了晶背供电技术与2.5D元件：一颗柱状且由金属—绝缘体—金属(MIM)组成的去耦电容。该元件将电容密度提升了4~5倍，利于进一步控制IR压降。这些研究成果皆源自经过实验数据校正的IR压降模型。

晶背供电带来诸多优势发展潜力值得期待

新一代芯片很可能打破传统，从晶圆背面供电。晶背供电网络的设计包含在晶圆背面制造金属导线、埋入式电源轨与纳米硅穿孔，具备多项发展优势，不仅能减少IR压降、纾解后段制程的布线压力，还能帮助微缩标准单元。关键的制程技术包含整合埋入式电源轨、晶圆接合、晶圆研磨与纳米硅穿孔制程，全都在进行研发改良，为将来应用在先进逻辑元件与3D SOC做准备。

来源：光刻人的世界