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(guò)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(guò) BEOL 堆棧的所有 15 到 20 層通過(guò)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(lái)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(guò)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(zhēng)奪空間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)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(wèn)題。這個(gè)想法是通過(guò)將整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)到硅晶圓的背面來(lái)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(guò)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(wú)需穿過(guò)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丛诮档?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(guò) 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(guò) 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(jiǎn)化起見(jiàn)，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(zhǎng) SiGe 層開(kāi)始。SiGe 層隨后用作蝕刻停止層以結(jié)束晶圓減薄（步驟 2）。接下來(lái)，在 SiGe 層的頂部生長(zhǎng)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(guò) VBPR 過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò) Si（幾 100nm 深）并落在 BPR 的尖端。接下來(lái)，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(guò)處理一個(gè)或多個(gè)背面金屬層來(lái)完成，通過(guò) 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(guò)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(guò)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(guò)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。

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