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芯片上的供電網(wǎng)絡（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。供電網(wǎng)絡與信號網(wǎng)絡共享這個空間，即設計用于傳輸信號的互連。
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變得越來越窄（因此電阻更大）。在途中，它們會失去能量，從而導致功率傳輸或IR 下降。當?shù)竭_更接近晶體管時，即在標準單元級別，電子最終進入在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)了邊界處和每個標準單元之間的空間。
從這里，它們通過中間互連網(wǎng)絡連接到每個晶體管的源極和漏極。
圖1.傳統(tǒng)前端供電網(wǎng)絡的示意圖。
但隨著每一代新技術的出現(xiàn)，這種傳統(tǒng)的 BEOL 架構都難以跟上晶體管縮放路徑的步伐。如今，“電源互連”在復雜的 BEOL 網(wǎng)絡中爭奪空間的競爭越來越激烈，至少占布線資源的 20%。此外，電源和接地軌在標準單元級別占據(jù)了相當大的面積，限制了標準單元高度的進一步縮放。在系統(tǒng)級，功率密度和 IR 壓降急劇增加，這讓設計人員難以維持穩(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)絡的承諾
背面供電網(wǎng)絡有望解決這些問題。這個想法是通過將整個配電網(wǎng)絡移動到硅晶圓的背面來將電力傳輸網(wǎng)絡與信號網(wǎng)絡分離，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準電池，而電子無需穿過復雜的 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，并且如果設計得當，還可以進一步擴展標準單元高度。
圖2.背面供電網(wǎng)絡允許將供電與信號網(wǎng)絡去耦。
埋地電源軌和納米硅通孔：關鍵技術構建塊
在詳細介紹制造背面供電網(wǎng)絡的工藝流程之前，我們先介紹兩種技術推動因素：埋入式電源軌 (BPR) 和納米硅通孔 (nTSV)。
BPR 是一種技術縮放助推器，可進一步縮放標準單元高度并減少 IR 壓降。它是埋在晶體管下方的金屬線結構——部分在硅襯底內(nèi)，部分在淺溝槽隔離氧化物內(nèi)。它承擔了傳統(tǒng)上在標準單元級別的 BEOL 中實現(xiàn)的 VDD和 VSS電源軌的作用，這一從 BEOL 到生產(chǎn)線前端 (FEOL) 的歷史性轉變允許減少 M int軌道的數(shù)量，從而進一步縮小標準單元。此外，當垂直于標準單元設計時，可以放寬導軌的尺寸，從而進一步降低 IR 壓降。
當與 nTSV 結合時，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)角岸说挠性雌骷丛诮档?IR 壓降方面獲得最大收益。
圖3.背面供電網(wǎng)絡實施的示意圖，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 會議上，imec 研究與 Arm合作對這些承諾進行了量化。Arm 在其采用高級設計規(guī)則設計的中央處理器 (CPU) 之一上運行了仿真。他們比較了三種供電方式：傳統(tǒng)的前端供電、結合 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 的一個具體實現(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)絡的工藝流程。為簡化起見，步驟 1 中的一些細節(jié)已在步驟 2 和 3 中省略，包括 BPR 與設備之間的連接。
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束晶圓減?。ú襟E 2）。接下來，在 SiGe 層的頂部生長一個薄的 Si 覆蓋層：制造器件和埋入電源軌的起點. 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 下進行鍵合后退火來實現(xiàn)的。
然后，可以將第一個硅片的背面減薄到 SiGe 蝕刻停止所在的位置。通過順序背面研磨、化學機械拋光 (CMP) 以及干法和濕法蝕刻步驟的組合實現(xiàn)減薄。SiGe 層在下一步中被移除，晶圓已準備好進行 nTSV 處理。
第 3 步：nTSV 處理和連接到 BPR
在沉積背面鈍化層后，通過硅對準光刻工藝從晶圓背面對nTSV 進行圖案化。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)。在這個特定的實現(xiàn)中，它們以 200 納米間距集成，而不會占用標準單元的任何面積。該流程通過處理一個或多個背面金屬層來完成，通過 nTSV 將晶圓的背面電連接到正面的 BPR。
仔細研究關鍵流程步驟
實施背面供電網(wǎng)絡為芯片制造增加了新的步驟。在過去的幾年里，imec 展示了各種關鍵技術構建模塊，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 中實現(xiàn)。這種實施意味著金屬導軌要經(jīng)受后續(xù)設備制造過程中應用的高溫工藝步驟。對于芯片制造商而言，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軌蓋住是避免前端污染的一項額外措施。
Imec 認為，在可擴展性和性能方面，使用 nTSV 結合 BPR 是一種非常有前途的實現(xiàn)方案。背面供電網(wǎng)絡的其他實現(xiàn)也存在，每一種都在供電性能、標準單元面積消耗和前端離線復雜性之間進行權衡。
晶圓減?。鹤钚』穸茸兓?/strong>
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 與多個合作伙伴合作改進用于蝕刻的化學物質(zhì)。例如，最終的濕法蝕刻能夠實現(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 Si 具有非常高選擇性的專用化學物質(zhì)中被去除。這樣，可以暴露 Si 覆蓋層，總厚度變化低于 40nm。
另一個問題是由于（否則會散熱）Si 基板的極度變薄對器件自熱的熱影響。初步建模工作表明，自熱效應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散。目前正在進行更詳細的熱模擬以獲得更多見解。
晶圓鍵合：精確的 nTSV/BPR 對準
晶圓鍵合步驟固有地扭曲了第一個“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 層對齊的精度。由于我們處理的是標準單元尺寸的特征，因此覆蓋要求應優(yōu)于 10nm。然而，傳統(tǒng)的光刻對準不能充分補償晶圓變形。
幸運的是，晶圓間鍵合技術的進步可以顯著降低對準誤差和畸變值。此外，通過使用先進的光刻校正技術，覆蓋錯誤相對于 BPR 結構的 nTSV 光刻可以減少到小于 10nm。
不會降低設備性能
一個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，是否會影響前端制造的器件的電氣性能？
為了回答這個問題，imec 最近使用上述制造流程和改進的工藝步驟制造了一個測試產(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估背面處理前后設備的電氣性能。通過該測試工具，imec 表明FinFET 性能不會因 BPR 實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。
應用領域：高級邏輯 IC 和 3D-SOC 的擴展
一些芯片制造商已經(jīng)公開宣布在 2nm 及以下技術節(jié)點的邏輯 IC 中引入背面供電網(wǎng)絡。這是納米片晶體管取得進展的時候。然而，新穎的路由技術可用于范圍廣泛的晶體管架構。Imec 的路線圖預見了它在先進技術節(jié)點中的引入，以及 6T 標準單元中的納米片晶體管。與 BPR 的結合將有助于將標準電池高度推至 6T 以下。
但應用領域不僅僅局限于 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 實現(xiàn)，其中一些或所有存儲器宏被放置在頂部裸片中，而邏輯被放置在底部裸片中。在技術方面，這可以通過將“邏輯晶圓”的有源正面粘合到“存儲晶圓”的有源正面來實現(xiàn)。在此配置中，兩個晶圓的原始背面現(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)在被第二個有源晶圓（在本例中為存儲晶圓）取代。
圖7.具有背面功率傳輸實施的 3D-SOC 的示意圖。
盡管這種設計尚未通過實驗實施，但從 IR 壓降角度進行的初步評估非常令人鼓舞。使用高級節(jié)點研究過程設計套件 (PDK)在邏輯上的內(nèi)存分區(qū)設計上驗證了所提出的解決方案。使用 nTSV 和 BPR 實施背面供電網(wǎng)絡顯示出可喜的結果：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 CMOS 節(jié)點中 3D IC 供電的理想選擇。
對于 2D 和 3D 設計，通過在背面添加特定設備（例如 I/O 或 ESD 設備），可以將利用晶圓自由背面的概念擴展到其他功能。例如，Imec 將背面處理與實現(xiàn) 2.5D（即柱狀）金屬-絕緣體-金屬電容器 (MIMCAP) 相結合，用作去耦電容器。2.5D MIMPCAP 將電容密度提高了 4 到 5 倍，從而進一步改善了 IR 壓降。結果源自用實驗數(shù)據(jù)校準的 IR 壓降建?？蚣?。
總結
未來的芯片很可能會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)絡在降低 IR 壓降、釋放 BEOL 布線壓力和改進標準單元高度縮放方面顯示出明顯的優(yōu)勢。BPR集成、晶圓鍵合、晶圓減薄和nTSV工藝等關鍵工藝步驟正在逐步完善，為新的布線技術引入先進的邏輯技術節(jié)點和未來的3D SOC做準備。
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編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
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