晶圓的另一面:背面供電領域的最新發展

在我從事半導體設備的職業生涯之初，晶圓背面是個麻煩問題。當時發生了一件令我記憶深刻的事：在晶圓傳送的過程中，幾片晶圓從機器人刀片上飛了出來。收拾完殘局后，我們想到，可以在晶圓背面沉積各種薄膜，從而降低其摩擦系數。放慢晶圓傳送速度幫助我們解決了這個問題，但我們的客戶經理不太高興，因為他們不得不向客戶解釋由此導致的產量減少的原因。

盡管初識晶圓背面的過程不太順利，但當2010年代早期Xilinx Virtex-7系列FPGA發布時，我開始更加關注這個領域。Xilinx的產品是首批采用“堆疊硅互連技術”的異構集成的FPGA^[1]。該技術使用了在不同的FPGA組件之間傳遞電信號或電力的硅中介層，這一中介層通過創建部分通過硅晶圓的硅通孔 (TSV) 并在頂部創建信號重布線層而成形。通過對晶圓背面進行工藝處理，連接硅通孔的兩端：晶圓的正面暫時粘到一個載體晶圓上，然后倒置硅中介層進行工藝處理，隨后使用背面研磨和刻蝕來暴露硅通孔。Xilinx產品推出時，我已經離開這個行業，回到了研究生院。在課堂上，硅通孔的金屬化是個熱門話題，而隨著異構集成不斷發展，晶圓背面也在工程師中成為了更有意思的話題。

圖1 硅中介層的工藝處理。通孔和初始金屬化之后，研磨晶圓背面直至到達通孔

雖然Xilinx FPGA使用了硅中介層來處理信號傳輸和帶寬要求，但去除中介層、直接使用晶圓背面進行電氣布線的做法會更有前瞻性。背面供電是“背面”架構的示例之一，它的供電不是來源于傳統的晶圓正面的后道工序，而是背面。這種架構可能可以減少電源軌和有源器件之間的電壓降。作為背面架構的示例，imec正嘗試在鰭片架構中使用埋入式電源軌^[2]。在imec的工藝流程中，導軌位于鰭片之間，類似DRAM（動態隨機存取存儲器）埋入式字線。為了信號傳輸建成后道工序后，在器件晶圓的背面創建硅通孔，連通埋入式導軌。為了供電也可以在背面進行進一步的互連。

圖2 參考資料^[2]，使用埋入式電源軌進行背面供電（不按比例）

至少出于性能原因，器件晶圓背面的空間看起來很有發展潛力。把電源軌從前端移到背面可以緩解晶圓正面的擁塞，實現單元微縮并減少電壓降。領先的半導體邏輯企業深知背面供電的優勢，正積極開發背面分布網絡。2021年年中，英特爾宣布將使用公司的“PowerVia”技術進行晶背供電；臺積電也計劃在他們下一節點的技術中使用埋入式電源軌^[3]。我們期待看到晶圓背面的未來發展。

參考資料：

[1] K. Saban. “Xilinx Stacked Silicon Interconnect Technology Delivers Breakthrough FPGA Capacity, Bandwidth, and Power Efficiency”, Xilinx WP380, 2012.

[2] J. Ryckaert et al., “Extending the roadmap beyond 3nm through system scaling boosters: A case study on Buried Power Rail and Backside Power Delivery,” 2019 Electron Devices Technology and Manufacturing Conference (EDTM), 2019, pp. 50-52, doi: 10.1109 / EDTM. 2019. 8731234.

[3] D. O’Laughlin, “Backside Power Delivery and Bold Bets at Intel”, https://www.fabricatedknowledge.com/p/backside-power-delivery-and-bold