晶背供電技術(shù)的DTCO設計方案

一些芯片大廠(chǎng)近期宣布在其邏輯芯片的開(kāi)發(fā)藍圖中導入晶背供電網(wǎng)絡(luò )（BSPDN）。比利時(shí)微電子研究中心（imec）于本文攜手硅智財公司Arm，介紹一種展示特定晶背供電網(wǎng)絡(luò )設計的設計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）方案，其中采用了奈米硅穿孔及埋入式電源軌來(lái)進(jìn)行晶背布線(xiàn)。他們展示如何在高效能運算應用充分發(fā)揮該晶背供電網(wǎng)絡(luò )的潛力，并介紹在標準單元進(jìn)行晶背連接的其它設計選擇，探察晶背直接供電方案所能發(fā)揮的最大微縮潛能。
長(cháng)久以來(lái)，訊號處理與供電網(wǎng)絡(luò )都在硅晶圓正面進(jìn)行，晶背供電技術(shù)打破了這種傳統，把整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò )都移到晶圓背面。硅穿孔直接讓電力從晶背傳輸到晶圓正面，電子就不用經(jīng)過(guò)那些在芯片正面且結構日益復雜的后段制程堆棧。

晶背供電技術(shù)：改變新一代邏輯芯片規則
晶背供電網(wǎng)絡(luò )（BSPDN）的目標是減緩邏輯芯片正面在后段制程所面臨的壅塞問(wèn)題，而且還能透過(guò)設計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO），在標準單元實(shí)現更有效率的導線(xiàn)設計，進(jìn)而協(xié)助縮小邏輯標準單元的尺寸。芯片系統也可望因此受惠，系統級（system level）逐漸受到功率密度增加和供應電壓猛降（IR壓降遽增）的影響。
由于晶背供電技術(shù)的導線(xiàn)能采用更大尺寸與更小電阻的設計，晶背供電網(wǎng)絡(luò )據信能大幅降低芯片的IR壓降。這將方便設計人員把穩壓器與晶體管之間的功率損失控制在10%以下。利用晶圓接合技術(shù)，還有望實(shí)現像是邏輯與內存堆棧等3D系統單芯片的設計。

 
圖一 : 晶背供電網(wǎng)絡(luò )的示意圖：它能把供電與訊號網(wǎng)絡(luò )分離。

2019年，imec率先提出晶背供電技術(shù)的概念，并與硅智財公司Arm合作，量化其系統級優(yōu)勢。同時(shí)，作為一套考慮布線(xiàn)環(huán)境的導線(xiàn)設計方案，晶背供電網(wǎng)絡(luò )也納入了imec展望2奈米以下的技術(shù)節點(diǎn)藍圖。近期，一些芯片大廠(chǎng)宣布將在其新一代邏輯芯片的商業(yè)量產(chǎn)制程中導入晶背配電技術(shù)。

晶背供電網(wǎng)絡(luò )的特定應用：納米硅穿孔連通至埋入式電源軌
晶背供電網(wǎng)絡(luò )帶給芯片制造一些全新的制程步驟及整合挑戰，包含像是基板極薄化、微米或奈米硅穿孔制程、晶圓背面與正面對準，以及晶背制程帶給前端制程主動(dòng)組件的影響。這些整合流程和各自帶來(lái)的挑戰都在一篇E. Beyne等人受邀于2023年IEEE國際超大規模集成電路技術(shù)研討會(huì )（VLSI Symposium）發(fā)表的論文中進(jìn)行探討。
利用上述制程步驟，imec在2022年IEEE國際超大規模集成電路技術(shù)研討會(huì )（VLSI Symposium）上以實(shí)驗展示了一種特定的晶背供電網(wǎng)絡(luò )（BSPDN）設計，也就是搭配埋入式電源軌（BPR）的晶背供電技術(shù)。埋入式電源軌是一種深嵌在芯片前段制程的垂直導線(xiàn)，與標準單元平行。
利用這些電源軌，imec能把微縮化的FinFET組件連接到晶圓的正面與背面。電源經(jīng)由深度為320納米的奈米硅穿孔從晶背傳輸至間距僅200納米的埋入式電源軌，還能毫不占用標準單元的空間。晶背制程也并未損害到FinFET組件的前端性能。

 
圖二 : 此穿透式電子顯微鏡（TEM）圖顯示了微型FinFET測試組件與晶圓正面及背面相連（發(fā)表于2022年IEEE國際超大規模集成電路技術(shù)研討會(huì )）。

區塊級評估：高密度或高性能應用？
上述研究聚焦的是晶背供電網(wǎng)絡(luò )及標準單元級（standard cell level）的晶體管連接性，imec和Arm也已著(zhù)手進(jìn)行下一步：把研究范圍擴展到區塊級（block level），其代表著(zhù)集成電路的更大單位，也是晶背供電網(wǎng)絡(luò )能完全發(fā)揮其優(yōu)勢的所在。針對晶背供電網(wǎng)絡(luò )整合埋入式電源軌的設計，他們研究了其能否在區塊級提供比設于晶圓正面的供電網(wǎng)絡(luò )（PDN）還要高的電源完整性。
藉由設計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）來(lái)進(jìn)行區塊級評估能算出芯片上的IR壓降，亦即量化供電效能的主要指標。該數值還能顯示該供電網(wǎng)絡(luò )對集成電路的影響程度，包含量化其在功耗、性能及尺寸（PPA）方面的影響。這項研究還能針對特定運作狀態(tài)，指出優(yōu)化該供電網(wǎng)絡(luò )的調整方法。
在高密度的邏輯運作狀態(tài)下，晶背供電網(wǎng)絡(luò )設計已然勝過(guò)設于晶圓正面的供電網(wǎng)絡(luò )設計。高密度邏輯組件的優(yōu)化設計會(huì )盡可能做到最省電并縮小尺寸。這點(diǎn)在采用納米片架構的組件上能透過(guò)奈米片寬度最小化來(lái)實(shí)現。但在高性能邏輯組件上，目前還未取得晶背供電網(wǎng)絡(luò )所能帶來(lái)的性能升級數據。高性能邏輯組件鎖定的是快速開(kāi)關(guān)和高驅動(dòng)電流，通常采用較寬的奈米片組件和較大的臨界電壓。這類(lèi)的邏輯組件對功率密度的要求也比高密度邏輯組件還更嚴格，因此，晶背供電網(wǎng)絡(luò )所能帶來(lái)的效益預計更具影響力。

整合晶背供電網(wǎng)絡(luò )和埋入式電源軌 實(shí)現高性能邏輯芯片的區塊級升級
在一篇于2023年IEEE國際超大規模集成電路技術(shù)研討會(huì )（VLSI Symposium）發(fā)表的論文中，imec和Arm利用一款Arm推出的64位高性能處理器來(lái)評估（晶背）供電網(wǎng)絡(luò )所帶來(lái)的影響。該評估鎖定了三種不同的供電網(wǎng)絡(luò )設計：傳統的晶圓正面供電（M0 PDN）、晶圓正面供電搭配埋入式電源軌（BPR PDN），以及晶背供電網(wǎng)絡(luò )搭配連接到埋入式電源軌的奈米硅穿孔（BSPDN）。
為了確保能實(shí)現高性能運算區塊的現實(shí)應用，還開(kāi)發(fā)了高性能版本的imec 14埃米（A14）納米片制程設計套件（PDK）。我們也套用了一款內部研發(fā)的分析模型，并結合了實(shí)體設計框架，以評估區塊級的功耗、性能及尺寸并驗證IR壓降。
與晶圓正面供電網(wǎng)絡(luò )相比，該晶背供電網(wǎng)絡(luò )能在不影響能耗的情況下使其頻率提高6%和尺寸縮小16%。與晶圓正面供電網(wǎng)絡(luò )搭配埋入式電源軌的設計相比，則是頻率提升2%、尺寸縮小8%和能耗降低2%。

 
圖三 : 比較晶背供電網(wǎng)絡(luò )及兩種晶圓正面供電網(wǎng)絡(luò )（設于M0金屬層的供電網(wǎng)絡(luò )、搭配埋入式電源軌的供電網(wǎng)絡(luò )）在寬閘極間距（36CPP）及窄閘極間距（24CPP）、低頻及高頻運作狀態(tài)下的核心電路面積。在性能開(kāi)始下降前，晶背供電網(wǎng)絡(luò )的核心電路面積能夠縮?。òl(fā)表于2023年IEEE國際超大規模集成電路技術(shù)研討會(huì )）。

研究人員為評估IR壓降設立了功率損失的最大容許值，即35mV，相當于10%的額定供應電壓（VDD + VSS）。在應用晶背供電網(wǎng)絡(luò )時(shí)，該IR壓降值在奈米硅穿孔的間距為4~6μm時(shí)實(shí)現，這也代表電源「接通」時(shí)的間距。不過(guò)在另外兩種晶圓正面的供電網(wǎng)絡(luò )上，只有極窄間距（或CPP）才能把IR壓降控制在這個(gè)目標范圍內，導致處理器的性能下降。
針對晶背供電網(wǎng)絡(luò )，imec團隊也研究了進(jìn)一步改良其電源完整性的方法，例如透過(guò)改變納米硅穿孔的材料。以釕（Ru）取代鎢（W）來(lái)制造奈米硅穿孔能降低其電阻，進(jìn)而改善IR壓降，將其減少23%。
簡(jiǎn)言之，在高效能運算應用上，晶背供電網(wǎng)絡(luò )能充分發(fā)揮其潛力，提升區塊級功耗、性能和尺寸并降低IR壓降。

 
圖四 : 各種連接方案的仿真結構圖：中段制程硅穿孔封裝（TSVM）及三種晶背直接供電方案（發(fā)表于2023年IEEE國際超大規模集成電路技術(shù)研討會(huì )）。藍色為電源及參考電壓（VDD + VSS）；淺藍色為中段制程的M0金屬層；深藍色為后段制程的M1金屬層；黑色為通孔；紅色為閘極；淺綠色為（主動(dòng)式）奈米片及介電隔離層；深綠色為接觸金屬（CT）。

擴充標準單元級的晶背供電方案
目前為止，我們探討的晶背供電網(wǎng)絡(luò )只有一種，那就是利用與埋入式電源軌相接的奈米硅穿孔把電源從晶圓背面連接到晶圓正面。一條小通孔從埋入式電源軌連接到中段制程（M0A）導線(xiàn)的底部，以連接標準單元級的晶體管。
除了這種埋入式電源軌設計，研究人員也在探索其它能在標準單元實(shí)現晶背供電的導線(xiàn)設計方案。imec在2023年IEEE國際超大規模集成電路技術(shù)研討會(huì )（VLSI Symposium）上討論另外兩種奈米片晶體管的連接方案。選在中段制程進(jìn)行硅穿孔封裝（TSV-middle；TSVM）時(shí)，一條長(cháng)型通孔能在無(wú)需埋入式電源軌的情況下，把晶背的M1金屬層連接到M0A金屬層的那面。
第二種更先進(jìn)的做法是由一條通孔直接把奈米片源極和汲極的磊晶底部連接到晶背的M1金屬層。這種晶背直接供電（direct backside connectivity；BSC）的連接方案有三種不同類(lèi)型，主要差別在于接點(diǎn)的面積大小。磊晶型晶背直接供電（epi BSC；BSC-E）的通孔直接連接到源極和汲極磊晶的底部，而接觸金屬型晶背直接供電（BSC-M）的通孔則與接觸金屬（metal contact）相連。第三種是加寬版接觸金屬型晶背直接供電（BSC-M*），為BSC-M的延伸版本，除了縮小閘極的蝕刻范圍，還要增加奈米片（作為主動(dòng)組件）的寬度（WNS）。
不同的連接方案具備不同的特性，例如納米片寬度，分別對電性及標準單元的微縮潛能產(chǎn)生不同的影響。一般來(lái)說(shuō)，從采用中段制程硅穿孔封裝到埋入式電源軌，再到晶背直接供電，組件會(huì )越來(lái)越緊湊，整合難度也會(huì )更高。但我們也預期隨著(zhù)邏輯組件的微縮化，雖然整合復雜度會(huì )增加，但在功耗、性能及尺寸方面將能獲得更多優(yōu)勢。

實(shí)現晶背直接供電
在2023年IEEE國際超大規模集成電路技術(shù)研討會(huì )（VLSI Symposium）上，imec鎖定采用2奈米及1.4奈米（即14埃米）奈米片技術(shù)的高密度（2奈米6軌和1.4奈米5軌）和高性能（2奈米7軌和1.4奈米6軌）邏輯芯片設計，針對不同的晶背供電方案提供了各自在功耗、性能、尺寸和微縮潛能方面的數據[4]。先前用來(lái)評估性能的主要指針是環(huán)型振蕩器的仿真頻率，以有效驅動(dòng)電流和有效電容的比值（Ieff/Ceff）來(lái)表示。

在2奈米的高性能邏輯芯片上，采用最多軌設計的7軌標準單元，不論采用哪種連接方案，工作頻率都幾乎相同。但當微縮到1.4納米時(shí)，中段制程硅穿孔封裝方案仍能采用于6軌設計，不過(guò)與埋入式電源軌方案相比，速度減慢了8.5%。整體來(lái)說(shuō)，加寬版接觸金屬型晶背直接供電方案顯然勝過(guò)其它的連接方案，例如速度比埋入式電源軌還快了5%。

至于2奈米的高密度邏輯芯片，其軌道高度比高性能邏輯芯片還要?。?軌），所以采用不同連接方案的運作頻率差異會(huì )更大。當微縮到1.4納米5軌設計時(shí)，中段制程硅穿孔封裝不再適用，只能考慮埋入式電源軌和晶背直接供電這兩種方案。在這種情況下，埋入式電源軌和加寬版接觸金屬型晶背直接供電方案之間的奈米片寬度差異所帶來(lái)的影響更大，而后者顯然是贏(yíng)家，速度比埋入式電源軌快上8.9%。

 
圖五 : 在高性能邏輯芯片（2納米7軌、1.4納米6軌）和高密度邏輯芯片（2納米6軌、1.4納米5軌）上采用不同的連接方案，模擬其環(huán)型振蕩器頻率的結果。

總而言之，雖然中段制程硅穿孔封裝方案更占空間，但對于較大的標準單元設計（例如2奈米7軌的邏輯芯片）來(lái)說(shuō)還是不錯的選擇。然而，就尺寸和能耗的微縮潛能來(lái)說(shuō)，埋入式電源軌和晶背直接供電方案更具潛力。在較少軌道的標準單元設計上，加寬版接觸金屬型晶背直接供電方案因為具備更大的奈米片寬度和接點(diǎn)面積，所以明顯勝過(guò)其它方案。但是這套方案除了具備性能優(yōu)勢，還要考慮整合方面的技術(shù)挑戰也會(huì )更大。
imec團隊目前在努力進(jìn)行不同晶背連接方案的技術(shù)展示，也與Arm合作評估區塊級的功耗、性能及尺寸。

未來(lái)展望
硅晶圓的背面經(jīng)久未用，而供電會(huì )是其首開(kāi)的應用實(shí)例。與此同時(shí)，imec攜手其業(yè)界伙伴共同探索其它能移到晶背運作的組件功能。例如，全局導線(xiàn)和頻率訊號分配。供電網(wǎng)絡(luò )是一種特別針對電阻最小化進(jìn)行優(yōu)化的導線(xiàn)，但頻率分配或其它類(lèi)型的訊號具備不同的特性，所以晶背的其它應用將會(huì )探討不同的面向。imec正在研究功能性晶背（functional backside），或稱(chēng)為晶背2.0（backside 2.0），可能要面臨哪些挑戰，又能帶來(lái)哪些契機。

（本文作者Julien Ryckaert為imec邏輯芯片技術(shù)研發(fā)副經(jīng)理；編譯／吳雅婷）