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芯片供電網絡（Power Delivery Network， PDN）的設計目標是以最高效率為芯片上的主動元件提供所需的電源（VDD）與參考電壓（VSS）。一直以來，業界都是利用后段制程（BEOL），在晶圓正面布線，透過這些低電阻的導線來供應電力給芯片（圖1）。但也因為如此，芯片內的供電網路與訊號網絡（即芯片內的訊號線）必須共享相同的元件空間。
圖1 傳統的芯片正面供電網絡
隨著制程節點往前推進，把電源網絡視作在芯片正面，遇到越來越多挑戰，使得業界開始探索把供電網絡轉移到背面的可能性，從而讓背面供電（Backside PDN）成為熱門的技術議題。本文將先從傳統PDN所遇到的挑戰談起，進一步探討背面供電技術的優勢，以及這項技術未來的發展重點。
傳統PDN布線面臨諸多挑戰
為了將電力從封裝傳輸至芯片中的晶體管，電子必須經由金屬導線和通孔，穿越15~20層BEOL堆疊。然而，越接近晶體管，線寬和通孔就越窄，電阻值也因而上升，這使得電子在向下傳輸的過程中，會出現IR壓降現象，導致電力損失產生。
除了電力損失之外，PDN占用的空間也是一個問題。當電子快到達晶體管，例如抵達標準元件層時，電子會進入由BEOL制程所制造Mint金屬層，進而分配給負責提供工作電壓與接地電壓的電源軌。然后，這些電源軌會通過互聯網絡，連接到每一個晶體管的源極與漏極，完成供電任務。但這些電源軌會占用元件周圍及標準單元（Standard Cell）之間的空間。
然而，隨著制程技術世代交替，傳統后段制程的組件架構難以跟上晶體管的微縮速度。如今，芯片內部的電源線路，在布線復雜的后段制程上，往往占據了至少20%的繞線資源，如何解決訊號網絡跟供電網絡之間的資源排擠問題，變成芯片設計者所面臨的主要挑戰之一。此外，電源線和接地線在標準單元設計上占了很大空間，使得組件很難進一步微縮。就系統設計而言，因為功率密度和IR壓降急劇增加，從穩壓器到晶體管的功率損失就很難控制在10%以下，帶給工程師嚴峻挑戰。
背面供電網絡具有雄厚潛力
把芯片內的PDN從正面移到背面，也就是所謂的晶背PDN（圖2），可以解決上述問題。若能將供電網絡與訊號網絡分離，把電源線路全部移至晶圓背面，就能對標準單元進行直接供電，不僅導線更寬、電阻更低，而且電子還不需層層穿越后段制程的元件堆疊。如以一來，不僅緩解了IR壓降問題，讓PDN的效能獲得改善，同時也避免了后段制程的布線阻塞問題。如果設計得當，晶背PDN甚至還能進一步減少標準單元的高度。
圖2 把供電網絡從正面轉移到背面，讓供電網絡跟訊號網絡分離，可帶來諸多效益
要把PDN從芯片正面轉移到背面，需要兩項關鍵技術，分別是埋入式電源軌（BPR）與納米硅穿孔（nTSV），其結構示意如圖3。
圖3 背面供電網絡結構的示意圖，最頂端的Nanosheet晶體管借由埋入式電源軌跟納米硅穿孔，連接到位于芯片背部的互聯線路
埋入式電源軌是一種微縮化技術，可以進一步降低標準單元的高度，并減緩IR壓降問題。這些電源軌是埋在晶體管下方的導線，一部分藏在硅基板內，另一部分則在淺溝槽隔離氧化層內。它們取代了傳統后段制程在標準單元布下的電源線與接地線。
將供電網絡的實作從后段制程移到前段制程，是劃時代之舉。這種做法能有效減少Mint層的元件堆疊數量，進而微縮標準單元尺寸。還有一點，如果電源軌設計在標準單元的垂直向，還能放寬導線，進而減緩IR壓降。
在2019年的IEEE國際電子研究會議（IEDM）上，imec攜手Arm，預測背面供電技術所能帶來的效能升級。Arm在其開發與采用先進設計規則的中央處理器（CPU）上進行模擬，并比較“傳統供電”“晶圓正面供電結合埋入式電源軌”“背面供電搭配納米硅穿孔與埋入式電源軌”這三種供電網絡實操方法的優劣。
模擬結果顯示，就供電效率來看，第三種明顯勝過其他實操方法。芯片上的動態IR壓降熱力圖（圖4）顯示，與傳統的正面供電網絡相比，導入埋入式電源軌后，IR壓降最多可以減至1.7倍。但埋入式電軌結合背面供電網絡的性能表現更佳，電壓損耗大幅下降7倍。
圖4 三種不同供電方法的動態IR壓降模擬熱力圖
晶背PDN制程解析
接下來，我們會說明背面供電網絡的其中一項應用案例：納米硅穿孔在超薄膜晶圓的背面進行制造，并與埋入式電源軌連接。我們以在晶圓正面制造的FinFET為例，這些組件透過埋入式電源軌與納米硅穿孔，連接到晶圓背面。其制程步驟如圖5。
圖5 背面供電網絡制程包含與納米硅穿孔相連的埋入式電源軌。
為了方便說明，步驟2和步驟3的部分細節與步驟1雷同，故省略，包含連接埋入式電源軌與組件。
步驟1：在晶圓正面導入埋入式電軌
首先，在12英寸硅晶圓上成長一層硅鍺（SiGe）層。這層硅鍺材料在接下來進行晶圓研磨（步驟2）時可以當作蝕刻停止層。接下來，在硅鍺層上方成長一層薄膜硅覆蓋層，這時才算開始制造組件與埋入式電源軌。埋入式電源軌在進行淺溝槽隔離后才確定圖形。這些溝槽在硅覆蓋層內蝕刻成形，并以氧化物（襯墊層）與金屬材料（例如鎢或釕）填充。通常，這些電源軌的最大線寬為30nm，最大間距為100nm。接著在金屬材料挖洞，并覆蓋一層介電材料。組件（本文指的是FinFET）的制造是在布下埋入式電源軌之后，而這些電源軌通過連接到BPR的通孔（via-to-BPR， VBPR）與M0A層的導線，與晶體管的源極和漏極連接。最后進行銅金屬化。
步驟2：晶圓接合與研磨
載有元件與埋入式電源軌的晶圓接著翻到另一面，讓用來制造主動元件的晶圓正面與未圖形化的載板接合。先在室溫下采用SiCN熔接制程（Fusion Bonding），然后在250°C下進行退火，第一片晶圓的背面就能研磨到硅鍺層，也就是蝕刻停止層。晶圓研磨步驟結合了化學機械研磨（CMP）與濕式、干式蝕刻技術，依序進行晶背薄化處理。接著，移除硅鍺層，晶圓處理就緒，準備進入納米硅穿孔制程。
步驟3：制造納米硅穿孔并連接到埋入式電源軌
先在晶背長出一層鈍化層，隨后采用一種能從晶背穿透硅材進行對準的微影制程，進行納米硅穿孔的圖形化。這里所用的蝕刻技術可以穿透硅材（深度達到數百納米）來制造納米硅穿孔，這些通孔最后落在埋入式電源軌上，并以氧化物與金屬鎢填充。
在這個特殊案例中，納米硅穿孔的間距為200nm，完全沒占用到標準單元的空間。最終是制造單層或多層的金屬層，這些位于晶背的元件層會透過納米硅穿孔，與晶圓正面的埋入式電源軌實現通電。
鎖定三大關鍵步驟進一步改良
導入背面供電網絡意味著增加制程步驟。這幾年來，imec展示了不少關鍵技術，逐步處理這些新增制程步驟所帶來的挑戰。
為埋入式電源軌引進新金屬材料
就先前提議的制程，埋入式電源軌會在制成組件前，于前段制程制造。也就是說，這些金屬導線必須在后續進行組件制造的步驟時承受高溫。對芯片制造商來說，這就跟數十年前在后段制程導入銅材料一樣，極具顛覆性。
因此，埋入式電源軌的材料選擇至關重要。imec可以整合以不同耐火金屬制成的埋入式電源軌，包含釕（Ru）和鎢（W）等高度耐熱的金屬元素。為了避免前段制程的材料受到污染，imec研究團隊還額外增加了覆蓋層來包覆這些金屬導線。
imec相信，就性能升級與微縮化而言，結合埋入式電源軌與納米硅穿孔的發展潛力十分可觀。背面供電網絡還有其他做法，但是有的會犧牲供電效能、標準單元面積，或是增加前段制程的復雜度。
提高晶圓研磨精準度
為了將納米硅穿孔連接至后續制造的銅導線，并降低其電阻，進而減緩IR壓降，我們必須更精準地控制晶圓薄化的厚度，研磨至數百納米。這就限制了晶圓厚度的容許差異，但在進行不同道研磨步驟時就可能出現變異性。imec攜手合作伙伴，致力于改良蝕刻制程的化學溶液。例如，最后一道濕式蝕刻能夠展現高度選擇性，干凈去除硅鍺層。在晶圓研磨的最后一步，硅鍺層被移除，這時需要一種對硅材具備高度選擇性的專用化學物質。這樣才能確保硅覆蓋層能夠平滑露出，厚度差異小于40nm。
不過，在硅基板高度薄化的情況下，組件本身的溫度變化所造成的熱沖擊（Thermal Impact）會變得更加明顯。這是需要審慎評估的一點。初步模擬結果顯示，晶背的導線可協助從橫向散逸熱能，因此對整體散熱效果能帶來許多助益，從而緩解了熱沖擊的疑慮。其它與散熱有關的模擬工作仍在進行，以獲取更多這方面的信息。
提高晶圓接合對位精度
晶圓接合步驟會讓主動式組件所在的第一層晶圓產生形變，進而在微影方面帶來技術挑戰。因為要在晶圓研磨后，從晶背進行納米硅穿孔的圖形化，故微影技術需要更高精確度，才能讓納米硅穿孔與下層的埋入式電源軌對準。因為這些組件特征都算是標準單元設計，對準精度應該優于10nm。但是傳統的微影對準技術不足以準確校正晶圓接合的形變。
值得慶幸的是，晶圓接合技術已有多項進展，對準誤差和失真都已大幅下降。此外，透過先進的微影校正技術，納米硅穿孔對準入式電源軌的誤差可以降至10nm以下。
新增制程不影響組件電性能
在前段制程添加埋入式電源軌、晶圓研磨跟納米硅穿孔這些新步驟，會影響前段制程所制造出的元件的電性能嗎？這點想必是很多半導體制程工程師都會有的疑問。
為了找出解答，imec近期開發了測試組件，采用上述制程與經過改良的做法。該器件是微型FinFET（圖6），利用精確的對準能力，將納米硅穿孔從晶背連接至320nm深的埋入式電源軌。電源軌透過MOA層與VO通孔連接到晶圓正面的導線。藉此，研究人員就能比較測試元件在進行后段制程前后的電性差異。結果顯示，只要在制程最后進行退火，就能取得FinFET的最佳性能，不受埋入式電源軌與后段制程影響。
圖6 微型FinFET測試元件的穿透式電子顯微鏡（TEM）圖，可見其與晶圓正面和背面相連。
先進邏輯與3D SoC率先獲益
有些芯片廠商已經宣布將在2nm及未來技術節點的邏輯芯片制程，也就是Nanosheet晶體管世代導入背面供電技術。不過，這項新興的布線技術其實可以應用在更廣泛的晶體管架構上。imec認為，未來業界將發展出具備6T的Nanosheet晶體管，若結合埋入式電源軌設計，標準單元高度可望降至6T以下。
其實，背面供電技術的應用不僅限于2D芯片，未來還有可能用來提升3D系統單芯片（SoC）的性能。想象未來的3D SoC能將部分甚至所有的內存組件移到芯片上層，邏輯元件則在下層，如圖7。?
圖7 導入背面供電網絡的3D SoC示意圖
技術上，這是可以通過晶圓接合技術實現的。把邏輯元件與存儲芯片分別置于不同晶圓的正面，再將兩片晶圓正面接合。這時，兩片晶圓的背面變成3D SoC的外側。接著就是思考如何善用邏輯組件那片晶圓的背面，才能把電源連接到核心邏輯電路。其實，透過2D SoC技術就能做到這點，但主要差別是前面提到的載板晶圓，本來是為了晶圓研磨而設計，但現在則是以存儲器那片晶圓來取代。
雖然目前還未進入實驗，初步評估這套做法在IR壓降方面的發展可期。透過先進制程研究用的設計流程套件（PDK），上述解決方案在邏輯與存儲器堆棧（Memory-on-logic）的芯片分區設計上進行驗證。結果顯示，結合背面供電網路、納米硅穿孔與埋入式電源軌的元件性能頗富前景：與傳統從晶圓正面供電的做法相比，底層元件的平均IR壓降減少81%，峰值減少77%。因此，背面供電技術特別適合用于先進CMOS的3D IC設計。
不論是2D或3D芯片設計，晶背空間還能有其他的延伸應用，像是增設I/O或靜電保護（ESD）等組件。舉例來說，imec結合了背面供電技術與2.5D組件：一顆柱狀且由金屬—絕緣體—金屬（MIM）組成的去耦電容。該器件將電容密度提升了4~5倍，利于進一步控制IR壓降。這些研究成果皆源自經過實驗數據校正的IR壓降模型。
背面供電帶來諸多優勢 發展潛力值得期待
新一代芯片很可能打破傳統，比如應用晶圓背面供電。背面供電網絡的設計包含在晶圓背面制造金屬導線、埋入式電源軌與納米硅穿孔，具備多項發展優勢，不僅能減少IR壓降、緩解后段制程的布線壓力，還能幫助微縮標準單元。關鍵的制程技術包含整合埋入式電源軌、晶圓接合、晶圓研磨與納米硅穿孔制程，全都在進行研發改良，為將來應用在先進邏輯組件與3D SOC做準備。
編輯：黃飛
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工商網監
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