IEDM:背面电源传输

去年12月，我参加了IEDM的短期课程，其中一部分是关于后台电力输送网络的。该报告由imec的Gaspard Hiblot发表，标题为“流程架构的变化以改进功率传输”。该报告由吉特·海林斯和朱利安·赖克特共同发表。在这篇文章之前，我要说明一个事实，这次演讲有80张幻灯片，所以我只会介绍演讲内容中最重要的一些方面。

DTCO

现代工艺设计与设计将要使用的硅结构的某些方面密切相关。这与十年前非常不同，当时工艺技术开发团队基本上会给设计团队一组SPICE模型和一组布局设计规则。这种新方法被称为设计技术协同优化(DTCO)。我第一次看到这一点是在2016年的欧洲CDNLive上，卢卡·马蒂(Luca Matti)在imec上展示了他在当时很有前途的7nm和5nm工艺节点上所做的工作。我在我的帖子里提到了他的演讲CDNLive: N7和N5的设计技术协同优化．在DTCO的早期，重点是对半导体工艺进行调整，例如接触过活跃门，这将使标准电池的轨道更少。你可以在我的文章中看到2018年DTCO的一些权衡，Imec的路线图那一年我参观imec时，Diederik Verkest给我展示的。

我相信您已经听说过，简单的维度缩放(又名摩尔定律)已经失去了动力，需要DTCO方法来保持缩放的正轨。一个巨大的挑战是如何抵抗。历史上，通孔是用铜制造的，因为铜电阻低。但是铜需要一个扩散屏障，比如TaN，这有两个问题。首先，它减少了铜的横截面积在通过，因为屏障占用了一些空间。其次，通道口底部存在阻挡，电流必须通过它。由于屏障金属的电阻比铜高，这就导致了更高的电阻通孔。

铜线也有类似的问题，在线宽小于100nm时，铜线本身的电阻率开始增加，这是由于铜线的晶粒尺寸和边壁所占空间百分比的增加。钌通常被认为是一种解决方案，因为它不需要屏障，在最小尺寸上具有更好的电阻率。但是，据我所知，还没有人从铜转向钌。在最低级通孔中有一些钴的使用，甚至可能是M0互连。

这些互连问题会影响信号、时钟和电源。然而，信号布线和电力输送网络(PDN)的权衡是不同的。电源需要低电阻，不太关心电容(因为电压没有变化)。但它需要传输大电流，这使得电迁移成为一个大问题，而正常信号则不是这样。解决方案是以更复杂的过程为代价，区分电源和信号布线。

臀部力量

但最终的区别是将PDN与信号完全分离，并创建一个后台PDN。听起来就是这样。PDN建立在薄片的背面，并通过硅通孔(tsv)连接到晶体管和正面互连。

后台电力输送网络(BS-PDN)有几个价值主张:

首先，BS-PDN降低了一个数量级的片上红外下降，如上图所示，约300Ω的通柱降低到仅5Ω的TSV。这也显著降低了片上红外下降。

第二，BS-PDN可缩放芯片面积。这主要取决于过程的各个方面(例如tsv周围的隔离区的大小)，也取决于EDA工具。像Innovus这样的工具中的路由器“应该”更容易地路由信号，而不会在互连堆栈中产生PDN阻塞。但究竟能获得多大的增益还需要实验。

如果使用地埋式动力轨道(BPR)，由于标准单元中的轨道数量可以减少，因此也可以提供大约15-20%的伸缩。

后功率的第三个好处是它降低了BEOL中精细金属的复杂性。在同一层上混合宽(用于功率)和窄(用于信号)与通常用于铜的双大马士革方法是不容易的。

第四，后端电源可以更容易地进行晶圆对晶圆的连接，从而在逻辑上堆叠内存。翻转SRAM芯片由逻辑芯片供电，因此有效地由相同的BS-PDN提供。

BS-PDN有三种基本方法(见上图):

• TSV-middle的功率接近有源，在单元间共享。BSM1(背面金属1)与有源对齐。

• 埋式动力轨将电源埋在主动电源旁，VBPR接入BPR, BPR承担BSM1的作用(因此，实际上，“背面”的一层电源实际上被移动到正面)。

• 背面接触电源处于主动状态，通过插头插入导轨，BSM1与闸板对齐。

在演讲中，Gaspard详细介绍了这些问题。我将把重点放在这三种方法的共同问题上，也就是他所说的“共同挑战”。这三个流的细节深入到流程技术流中，这超出了本博客的范围。

第一个挑战是后端电源要求将硅片极度细化到小于10微米。在真正的晶圆被碾碎(如上图所示)之前，必须将第二个晶圆连接到真正的晶圆上(用于机械支撑和操作)。

在所有的方法中，另一个挑战是将背面与正面对齐。纳米tsv (ntsv)需要在约10nm内对齐。

以上是TSV-middle的高层流程。

现在是BPR(埋电轨)。

BPR似乎有两种候选材料，钨(W)和钌(Ru)。钨的污染风险较低，满足50Ω/µm的目标电阻。但无阻挡钌的通过电阻较低。

我不会说太多关于背部接触的方法，因为它似乎离实用还有很长的路要走。Gaspard的总结是:

• 超小型(好)
• 许多未解决的挑战(坏)
  • BS-to-FS对齐
  • R_系列
  • 互补FEOL标度
• 完整的ir下降效益(好)

未来

报告的最后一部分是关于未来可能的发展。

当你听到后台电源的时候，你脑海中浮现的一件事是，我们是否可以更进一步，创建一个功能性的后台，然后将一些系统功能迁移到后台。首先是全局互联(不需要背面的设备)。但也有可能安装背面设备。

另一件显而易见的事情是创建金属-绝缘体-金属电容器(MIMCAP)。MIMCAP可以帮助减少动态IR下降，因为涉及到大的功率密度(1W/mm2)。

很明显，后端电源将继续发展，补充逻辑设备路线图。