imec의 후면 전력 공급

후면 전력 공급은 향후 IC 프로세스 개선을 위한 가장 중요한 기술 중 하나로 간주됩니다.

인텔은 내년에 이 기술을 제품에 도입할 것이라고 밝혔고, TSMC는 2025년에 고객에게 출시될 것이라고 밝혔으며, 삼성은 2025년 말에 2nm 공정에 사용될 것이라고 밝혔습니다.

Applied는 이 기술을 2세대 프로세스 노드에 해당하는 기술로 특징지었습니다.

이 기술을 개척한 imec은 Naoto Horiguchi와 Eric Beyne의 이 기사에서 이에 대해 설명합니다.

"퓨처 칩은 칩의 전면을 통해 전력을 공급하는 전통을 깨뜨릴 수 있습니다. 즉, 후면 전력 전달 네트워크(BSPDN)는 분명한 성능 이점을 보여주었습니다.

매립형 전력 레일 구현, 극단적인 웨이퍼 박형화, 나노-Si-비아 처리 등 중요한 공정 단계를 구현하는 데 상당한 진전이 이루어졌습니다.

ㅏ전력 공급 네트워크 다이의 활성 장치에 전원 공급 장치와 기준 전압(예: VDD 및 VSS)을 가장 효율적으로 제공하도록 설계되었습니다. 전통적으로 BEOL(Back-End-of-Line) 공정을 통해 제작된 저저항 금속선의 네트워크로 구현됐다.웨이퍼 앞면에 . 전력 전달 네트워크는 신호 네트워크, 즉 신호를 전송하도록 설계된 상호 연결과 이 공간을 공유합니다.

패키지에서 트랜지스터로 전력을 전달하기 위해 전자는 트랜지스터에 접근할 때 점점 더 좁아지는(따라서 저항이 더 강해지는) 금속 와이어와 비아를 통해 BEOL 스택의 15~20개 레이어 전체를 통과합니다. 도중에 에너지를 잃어 전력 공급이 발생하거나IR 강하 전원을 끌 때. 트랜지스터에 더 가까이, 즉 표준 셀 레벨에 도달하면 전자는 BEOL의 Mint 레이어에 구성된 VDD 및 VSS 전력 및 접지 레일에 도달하게 됩니다. 이 레일공간을 차지하다 경계와 각 표준 셀 사이. 여기에서 중간 라인 상호 연결 네트워크를 통해 각 트랜지스터의 소스와 드레인에 연결됩니다.

그림 1 – 기존 전면 전력 공급 네트워크의 도식적 표현.

그러나 새로운 기술 세대가 나올 때마다 이 전통적인 BEOL 아키텍처는 트랜지스터 스케일링 경로를 따라잡는 데 어려움을 겪고 있습니다. 오늘날 '전력 상호 연결'은 복잡한 BEOL 네트워크에서 공간을 두고 점점 더 경쟁하고 있으며 라우팅 리소스의 최소 20%를 차지합니다. 또한, 전원 및 접지 레일은 표준 셀 수준에서 상당히 넓은 영역을 차지하므로,추가 표준 셀 높이 스케일링 제한 . 시스템 수준에서는출력 밀도IR 강하가 급격히 증가하므로 설계자는 전압 조정기와 트랜지스터 사이의 전력 손실에 허용되는 10% 마진을 유지해야 합니다.

후면 전력 공급 네트워크는 이러한 문제를 해결할 것을 약속합니다. 아이디어는신호 네트워크에서 전력 공급 네트워크를 분리합니다. 현재는 캐리어 역할만 하는 실리콘 웨이퍼 후면으로 전체 배전 네트워크를 이동함으로써 가능합니다. 여기에서 전자가 복잡한 BEOL 스택을 통과할 필요 없이 더 넓고 저항이 적은 금속 라인을 통해 표준 셀에 직접 전력을 전달할 수 있습니다. 이 접근 방식은 다음을 약속합니다.혜택 IR 드롭을 줄이고, 전력 공급 성능을 개선하고, BEOL의 라우팅 혼잡을 줄이고, 적절하게 설계되면 추가적인 표준 셀 높이 확장이 가능해집니다. [1]

그림 2 - 후면 전력 공급 네트워크를 사용하면 신호 네트워크에서 전력 공급을 분리할 수 있습니다.

후면 전력 공급 네트워크를 제작하는 프로세스 흐름을 자세히 설명하기 전에 다음을 소개합니다.두 가지 기술 지원자: 매립 전력 레일(BPR) 및 나노 관통 실리콘 비아(nTSV).

BPR은 기술 확장 촉진제입니다. 이는 표준 셀 높이를 더욱 확장하고 IR 강하를 줄입니다. 이는 트랜지스터 아래 부분적으로 Si 기판 내에, 부분적으로 얕은 트렌치 절연 산화물 내에 묻혀 있는 금속 라인 구조입니다. 이는 전통적으로 표준 셀 수준의 BEOL에 구현되어 온 VDD 및 VSS 전력 레일의 역할을 수행합니다. BEOL에서 FEOL(front-end-of-line)으로의 역사적인 전환을 통해 Mint 트랙 수를 줄여 표준 셀을 더욱 축소할 수 있습니다. 또한 표준 셀에 수직으로 설계하면 레일의 크기를 완화하여 IR 강하를 더욱 줄일 수 있습니다.