芯片的房地产开发—以及晶圆背面的利用（一）

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。