傳統(tǒng)縮放比例的終結(jié)就在眼前，但摩爾定律仍在繼續(xù)。Imec 的埃里克·貝恩 (Eric Beyne) 強(qiáng)調(diào)了未來幾年將開啟的眾多技巧之一：背面供電。

我們這些還沒有退休的人將非常肯定地見證：我們所知道的使用當(dāng)前光刻工具的芯片縮放的終結(jié)。大約十年后，我們將最終達(dá)到亞納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)時關(guān)于光刻工具的討論——High NA、hyper NA 或 EUV 的其他一些渦輪變體——并不重要。半導(dǎo)體行業(yè)將選擇成本最低的途徑，繼續(xù)取得進(jìn)步，可靠、快速地制造芯片。無論 IC 工藝工程師將使用何種工具，我們都將在未來十年感受到物理限制。

有趣的是，半導(dǎo)體行業(yè)的每個人似乎都同意摩爾定律在那之后還會持續(xù)一段時間。半導(dǎo)體路線圖確實充滿了技術(shù)和想法，以保持同一芯片表面上更多設(shè)備的穩(wěn)定節(jié)奏。系統(tǒng)架構(gòu)師將更有效地使用可用的硅表面。他們已經(jīng)掌握了保證原子清晰度和利用三維空間的技術(shù)。

去年夏天，在 2022 年 IEEE VLSI 技術(shù)和電路研討會上，Imec 深入了解了一種將幫助芯片架構(gòu)師在未來幾年繼續(xù)擴(kuò)展的技術(shù)：背面供電。Bits&Chips 去魯汶聽取 Eric Beyne 講述了他們有關(guān)這方面的最新消息。

Eric Beyne 在 Imec 領(lǐng)導(dǎo)背面供電開發(fā)項目。

數(shù)十年來，Beyne 一直領(lǐng)導(dǎo)著 Imec 對后端芯片技術(shù)的研究。他的團(tuán)隊正在推進(jìn)一個將對前端架構(gòu)產(chǎn)生重大影響的項目，這表明后端（封裝）和前端芯片制造（晶圓工藝）之間的界限正在變得模糊。來自 45 家芯片制造商和設(shè)備制造商的 200 名研究人員目前正在 Imec 參與背面供電技術(shù)的開發(fā)。

將電源倒置

簡而言之，芯片由硅襯底和一層有源元件（晶體管）組成。在該有源層上方是絕緣氧化硅矩陣中的一團(tuán)電線。該布線網(wǎng)絡(luò)有兩個用途：信號和電源。“將所有這些放入同一表面變得越來越困難，”Beyne 總結(jié)了背面供電 (BSP) 的關(guān)鍵驅(qū)動因素時說。

不斷進(jìn)步的縮放比例尤其使得為有源部件（晶體管）提供正確的功率變得越來越困難。這是一種平衡行為：功耗不應(yīng)太高，但電壓必須足夠高才能切換。問題是電源線不僅變長了，而且變細(xì)了。

BSP 背后的整個想法是將電源翻轉(zhuǎn)過來，從底部而不是頂部為晶體管提供能量。因此得名，背面供電。

未來會分兩期制作帶有BSP的芯片。首先是帶有有源層的芯片和上面的信號，然后是背面供電傳輸。一旦處理了微電子的活性層，它下面的幾乎所有硅都被去除了。之后，工作開始于底部的微電子網(wǎng)絡(luò)。

電壓線和中性線

載體材料的去除非常嚴(yán)格：幾乎整個原始晶圓都消失了。經(jīng)過打磨、拋光和蝕刻后，會留下大約 100 納米厚的一層。Beyne：“這會把你帶到電路下面。然后，您可以在標(biāo)準(zhǔn)單元級別進(jìn)行連接。” 標(biāo)準(zhǔn)單元是集成電路的基本塊。它們由多個晶體管組成，具有加減法等簡單功能。

6 月，Imec 提議通過埋入式電源軌（交流電壓和中性線的平行電源路徑）為 2nm 芯片一代中的這些基本構(gòu)建塊供電。對于最先進(jìn)的芯片，這些埋入式電源軌之間的距離約為 200 納米，但未來將向 100 納米發(fā)展。對于背面供電，其想法是通過背面（或者如果您愿意，也可以是底部）將電源電壓和時鐘傳輸?shù)竭@些埋入式電源軌。

在 2022 年 IEEE VLSI 技術(shù)和電路研討會上，Imec 展示了一種經(jīng)過處理的背面供電芯片。電源通過納米硅通孔 (nTSV) 從底部金屬層傳輸?shù)铰袢胧诫娫窜?(BPR)。

該操作最初簡化了布線方案——晶體管上方的布線。它解耦標(biāo)準(zhǔn)單元之間的電源和信號。同時，這種修改使得芯片架構(gòu)中的晶體管在物理微米級和納米級可以更靠近地放置在一起。

十四層金屬

隨著每一代芯片的出現(xiàn)，路由方案的復(fù)雜性都在增加。需要越來越多的金屬層，每增加一層就意味著額外的成本。舉個例子，臺積電生產(chǎn)的 7 納米邏輯電路有多達(dá) 14 個金屬層。隨著電源和信號的解耦，可以降低成本，當(dāng)然，將電源連接到背板所需的操作會增加成本。畢竟，打磨、拋光和蝕刻整個晶圓是相當(dāng)嚴(yán)格的。

但是有很多好處。為了在晶體管級獲得功率，當(dāng)今芯片上的電流必須通過許多金屬層。電源的金屬線必須盡可能寬和粗，以實現(xiàn)低電阻。它從上方的寬通道到更靠近晶體管的細(xì)線。尤其是后面的線路的電阻是有問題的高。

Beyne 說，由此產(chǎn)生的壓降讓芯片設(shè)計師越來越頭疼。“電源必須通過意大利面條網(wǎng)絡(luò)連接到晶體管。由于高壓降，晶體管上的 0.7 伏不再是 0.7 伏。電阻太高。電壓太低會導(dǎo)致丟失時鐘周期，從而導(dǎo)致錯誤。關(guān)鍵路徑必須足夠快以在一個時鐘周期內(nèi)切換。這越來越取決于晶體管的電源。”

直接連接電源和時鐘

但是，電壓越高，功耗就越高（隨電壓呈二次方增長）。“在某些時候，那里沒有任何改進(jìn)，”Beyne 說。“如果你可以將電源和時鐘直接連接到電源陣列，電阻就會低得多。在后端，只有標(biāo)準(zhǔn)單元級別的連接很小。在那之后，你可以直接進(jìn)入寬金屬層，從而獲得低一個數(shù)量級的電阻。”

埋入式電源軌之間的距離現(xiàn)在為 200 納米，在未來幾代芯片中將達(dá)到 100 納米。與 FinFET 晶體管一樣，這些軌道是垂直的。“我們將通過 100 納米的硅層將它們連接起來。所需的孔直徑為 90 納米，其中我們需要 10 納米用于絕緣。通過與埋地電源軌的連接，您可以在電源和晶體管之間建立一條直線。”

從 800 微米厚的硅晶片上打磨掉幾乎所有材料等操作是有風(fēng)險的。這個過程需要很好地控制。根據(jù) Beyne 的說法，最粗的打磨可以達(dá)到 2 微米的精度。“之后，您可以使用選擇性蝕刻劑去除多余的硅，干法和濕法技術(shù)均可使用。”

硅鍺或氧化硅

蝕刻必須停止的阻擋層可以是例如硅鍺或氧化硅。在放置晶體管之前，可以通過外延步驟應(yīng)用 SiGe。帶有氧化硅層的切片可以作為標(biāo)準(zhǔn)，稱為絕緣體上硅 (SOI) 晶圓。晶片硅和阻擋層的硅鍺或氧化硅之間蝕刻劑的選擇性是百分之一。“因此，如果你需要蝕刻半微米，而你過度蝕刻了 500 納米的硅，你只會損失 5 納米的阻擋材料。”

高端芯片需要數(shù)十億個連接，稱為硅通孔 (TSV)。“它們有很多，所以通過最后一個狹窄連接的電流非常低。” 后端布線不需要高級光刻。“前端光刻，90納米已經(jīng)成熟了。”

但這并不意味著布置數(shù)十億個 TSV 是一項簡單的工作。Beyne：“如果晶圓不變形，事情就簡單了。但是如果你鍵合兩個晶圓，你還必須處理鍵合過程中晶圓的變形。這是所有晶圓加工都會出現(xiàn)的一個特定問題，就像貼上貼紙時會拉伸一樣。你不僅要處理旋轉(zhuǎn)平移，還要處理拉伸和其他變形。”

在 2021 年底的 ASML 投資者日的演講中，Martin van den Brink 已經(jīng)表明 Imec 期望在 2nm 節(jié)點進(jìn)行背面功率傳輸。學(xué)分：ASML

光刻校正

解決方案必須來自光刻設(shè)備，這些有充足的修正機(jī)會。“ASML 系統(tǒng)配備了對投影圖像進(jìn)行三階校正的功能。剩余的 100 納米層（打磨和蝕刻后，RR）是透明的，因此您也可以從背面看到對齊標(biāo)記。通過校正，我們達(dá)到了 10 納米的精度，因此您可以將這樣一個 90 納米寬的 TSV 正確地放置在埋入的電源軌上，而不是它旁邊的晶體管上——這實際上是一個巨大的挑戰(zhàn)。”

與此同時，英特爾宣布了名為“Powervia”的背面供電。這家美國芯片公司將在其 20A 芯片中引入該技術(shù)（英特爾在其下一代產(chǎn)品中使用埃而不是納米）。20A 將于 2024 年或 2025 年投放市場。

對于BPD，整個行業(yè)都需要做好準(zhǔn)備，包括芯片設(shè)計工具廠商。“EDA 工具需要了解芯片地下室而非閣樓中存在連接。” 但是所有主要的半導(dǎo)體公司都在探索這項技術(shù)，盡管三星和臺積電尚未公開他們的確切計劃。

編輯：黃飛

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