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芯片的房地产开发—以及晶圆背面的利用(一)

CIS芯片的出现,亦是半导体制程创造性变革结果。

直至今日,芯片的设计与制造都在讲究硅片的土地利用效率,称之为矽房地产(silicon real estate)开发。

传统的芯片制造是将结构从做为基板(substrate)的硅片上一步一步堆叠上去的,乃至于后段制程(Back End Of Line;BEOL)的金属连线。一开始做为IC的基础元件晶体管只做一层,像以前的平房,虽然房屋可以栉比林立,但是整体的建筑景观是平整的2D街景。

然后是地下室了。

在DRAM发展制程的过程中,电容建构在过往方式之一是向下挖深沟,称为深沟电容(deep trench capacitor)。电容存在于晶体管的水平面之下,算是地下室吧!这是积极争取建筑容积率的第一步。以上的平房、地下室的想法在人类史前文化就有,要不,到良渚文化遗址去瞧瞧。从晶体管乃至于金属连线都建构于晶圆的一面,这一面叫前面(front side)。

晶体管积体整合程度变高之后,整个芯片就像乡村变成都市,公共设施如供电网、下水道、交通等就得纳入都市计划。芯片上最重要的公共设施至少包括有电源、信号和热耗散。电源和信号由最上面的金属连线层处理,而热耗散犹如废水,处理不好芯片便无法持续运作。

很久以前处理热耗散问题,脑筋动到晶圆背面(back side)。

功率元件虽然不算是IC,但是由于功率元件高压、大电流所产生的焦耳热(joule heat)会让芯片发烫,势必要有快速排除废热的管道,于是有了BGBM(Back Grounding Back Metalization)的制程—将晶圆底部磨薄,然后镀上金属,让晶体管的散热快些。这个也可以用城市的基建打个比方:废热的下水道。

再来是盖楼了。3D NAND的制程惊才绝艳,只使用4、5个光罩便能做成32层的结构,大幅增加可能储存的信息数量。盖高楼层的自由度一旦打开,建筑物的容积率随楼层数的增加而倍数大幅成长,减轻2D时代芯片地基必须持续微缩的压力。

再下来是处理信号的问题。

芯片中传统的信号大致以电子传送,管道是制程中的各层金属连线,至今仍是如此,但是这只是内部的信号传递形式。现在的芯片多才多艺,也可以从外界汲取信息—譬如光,然后再转成电信号,CIS (CMOS Image Sensor)就是最好的例子,其后也引领着半导体制程创造性的变革。

传统CIS架构与CMOS的建构过程相彷,先做光二极管(photo diode),这算是某种类型的CMOS,其功能是把接收到的光信号转成电信号,以便后续处理。其上也有一般芯片的几层金属连线,更上面有光线进入后的微镜头(micro  lens)和滤色片(color filters)。微镜头这端叫前端(front side),是芯片的正面(face)。这整个制程就依循CMOS制程的传统的智能。

但是光进来后先要穿越正面几层满布金属线的缝隙,以及芯片的中层结构,才能抵达对光敏感的光二极管。光的吸收效率很差。从工程设计的角度来看,光经微镜头、滤光片后应该先抵达光二极管,直接让它吸收,转化成电信号,然后经金属连线把信号送出去,这才是合理的设计。

之所以会变成如此别扭的结构,乃因半导体CMOS制程在演化过程中,就是将CMOS先置于底部,再将线路逐渐长上去的。

无独有偶,大部分的生物的眼睛也有如此因演化过程产生的工程谬误。人类眼睛的盲点就是在光敏细胞的演化过程中,视神经先长到视网模前,这个演化的遗迹残留到以后更复杂的眼球结构之中,视神经阻挡视网膜对光线的部分吸收,以致于接近视界的中心点两侧都有对影像无感的盲点。

演化无法重来,但是工程可以重新设计。

CIS如此别扭结构,解决的方法就是从芯片背面着手:光的进入孔道微镜头、滤光片从比较接近光二极管(视网膜)的方向进来—就是晶圆的背面,在光二极管处转化成电信号后再由上层的金属线路(视神经)送出去处理。这样的结构不会让光被金属连线阻挡干扰,结构合理多了。如此的CIS结构叫背面照明(BI;Back-side Illumination),而老一代的CIS则叫前面照明(FI:Front-side Illumination)。

光是一种信号,比之于建筑中的线路属于弱电系统,现在芯片中的部分弱电线路也地下化了,像是光纤或电缆。

CIS的结构本来就由多种效能的芯片功能模块拼凑起来,至少包括像素阵列(pixel arrays)、类比线路(Analog to Digital Converters;ADC)、逻辑线路(Image Signal Processors;ISP)等组成,而这些模块在半导体制程看来就是异质(heterogeneous)。因此在异质整合(heterogeneous integration)的年代开始后,CIS的结构创新引领许多矽房地产变革的生发。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。