什么是晶背供电技术？

先简单上个图，来对比下传统正面供电和晶背供电芯片的结构差异。顾名思义，正面供电就是将电源通过正面顶层金属将电源输入通过金属过孔传递到晶体管；晶背供电是将电源通过背面金属直接传递到晶体管或通过M1金属层传递到晶体管。

目前业界三种晶背供电技术如下图所示：

1）PowerVia于2024年上半年在Intel 20A制程节点上推出，通过背面电源分配网络（BS-PDN）将电源线移至晶圆背面，解决芯片单位面积微缩中日益严重的互连瓶颈问题。

2）台积电推出最新的A16芯片工艺技术，选择背面电源分配网络的实现方式是低复杂度的埋入式电源轨（Buried Power Rail），可以用现有的工具实现，在保守但可实现的架构选择上进行研发。

为什么要发展晶背供电技术？

背面电源分配网络（Backside Power Delivery Network）正在尝试解决晶体管微缩过程中的一个重大问题——能耗。这里存在一个电阻问题，这是电气工程中的一个基本问题。需要温馨提醒读者的是，电阻表示材料对电流阻碍作用的强弱。对于铜这类材料来说，电阻从来都不是一个限制因素，但是随着我们不断缩小铜线的尺寸，电阻开始呈指数级增长。

随着器件的微缩，金属过孔和金属层也等比例进行微缩，因此金属层叠加会产生电阻造成电压降，而层数越多，电阻越高，这就使得电压降的情况更严重。在半导体中，这些底层结构对于最关键的晶体管层的整体设计来说是必不可少的。所以，我们不能再在晶圆正面构建大量的层叠结构了。

现有的解法是通过材料的优化，如采用钴（Cobalt）等新金属层。钴能帮助线路维持足够的电荷，以便向晶体管传输信号和电力，使其正常工作。然而，这种关系即将达到一个基本极限，这在一定程度上阻碍了制造更小晶体管的能力。

晶背供电技术solution

背面电源分配网络（Backside Power Delivery Network）是一种很巧妙的方法，它将信号层和电源层分开，更大程度地缩小晶体管的尺寸。下面是一个关于背面电源分配网络（BS-PDN）如何缩小结构尺寸的例子。

背面供电是一项巨大的变革。我们会把电源线移到衬底下方，这样就能在顶部腾出更多布线空间。要知道，现代芯片中有数十亿个相互连接的晶体管，芯片上有很多层信号互连线路。与此同时，芯片顶部还有一个电源网格，这是一个由电源线和地线组成的网络，它能在半导体芯片上分配电力，为晶体管供电。目前，所有的互连线路和电力传输都来自顶部的不同金属层。现在设想一下，当我们把所有电源都移到背面时，布线的复杂程度将会大大降低，我们就能更密集地布局和布线晶体管，改善拥塞状况。