發布時間:2024/10/26 07:23
圖文/鏡週刊
AI點燃半導體技術創新競賽,隨著埃米(angstorm)世代到來,為了讓晶圓內容納更多電晶體,把電源從正面翻到背後的「晶背供電」(BSPDN)技術,已成兵家必爭之地。本刊調查,該技術得透過晶圓減薄及奈米矽穿孔(nTSV)等方式實現,而台廠正聯袂助攻護國神山力甩英特爾、三星2強,包括鑽石碟研磨耗材商中砂、原子層沉積(ALD)薄膜製程設備廠天虹、半導體檢測分析廠商汎銓等都積極做好準備,助力台積電鞏固先進製程全球領導地位。
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被喻為「全球半導體研發大腦」的比利時微電子研究中心(imec),為了慶祝成立40週年,在今年9月的半導體展(Semicom 2024)舉辦大型論壇,找來台積電背書,大談研發商化成果;只見台積電技術研究副總曹敏在台上操著流利的英文,細數一路領先的關鍵製程如FinFET、EUV、Nano-sheet,都有imec參與其中。話鋒一轉,曹敏用自豪的語氣說:「台積電預計於2026年量產的16埃米(A16)所導入的晶背供電,將為AI晶片帶來劃時代突破。」
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護國神山的研發大將豪語一出,立刻讓外界好奇,晶背供電究竟有何獨特之處?台積電為何要強力布局?「我在應材(Applied)時,晶背供電早就熱鬧地展開研究。」談起晶背供電的崛起,在美國應用材料公司待了17年、2016年才加入天虹擔任執行長的易錦良告訴本刊,晶背供電技術雖由imec於2019年首度對外發表,但設計概念其實更早就有,並非橫空出世。
易錦良指著晶圓片內的電晶體剖面設計圖向本刊解釋,目前邏輯晶片上堆疊好幾十層的導線(Metal),這些導線包含訊號和電源,晶背供電則打破過去傳統,將電源與訊號有效分類,「電源移到背後,能騰出空間放更多電晶體,電晶體愈多,晶片執行運算的速度愈快。」
「與正面相比,晶背供電另個好處就是電壓下降(IR Drop)減少,壓降一少就能減少漏電,就更省電。」汎銓科技營運長廖永順向本刊指出,AI非常耗電,現在設計晶片,追求的不只是效能與速度,更重要的是要比省電,也讓這項技術的重要性大為提高。
「我認為,晶背供電將是埃米(奈米的十分之一)製程下的新致勝武器。」DIGITIMES分析師陳澤嘉則向本刊表示,今年2月,台積電在北美舉辦技術論壇,首次將A16先進製程從奈米進入埃米,同時導入超級電軌(Super Power Rail,SPR)作為A16晶背供電解決方案,展現護國神山的技術實力。
其實強攻晶背供電的不只台積電,二大敵手英特爾(Intel)、三星(Samsung)也來勢洶洶。業界人士透露,英特爾今年2月曾在美國以晶圓柱(PowerVia)為名,宣布把晶背供電運用於今年將推出的20埃米製程;而三星也預計於明年將此技術用於20埃米,超車台積電企圖相當明顯。
根據台積電數據,導入晶背供電的A16晶片,在相同電壓下,比起20埃米,可提升8至10%傳輸速度,功耗降低15至20%,密度提升達1.1倍。然而,把電源線拉到背後,看似簡單,工藝可不容易。
「為了把電源透過晶背直接傳到電晶體的源極和汲極(開關閘門),晶背供電須採用奈米矽穿孔(nTSV)技術,先在晶圓背後打孔,再透過蝕刻(etching)、鍍膜讓孔洞內填入金屬等不同材料,以利隔離與導電。」陳澤嘉說明。
一位專家直言,在先進製程下,這些孔徑尺寸都是髮絲的好幾十分之一,非常脆弱,為了提高nTSV良率,鑽孔前會透過化學機械研磨(CMP)將晶圓減薄,其衍生的相關商機,也讓台廠紛紛切入助拳台積電。
「晶背因減薄研磨道數變多、時間拉長,鑽石碟需求一定備受期待。」易錦良說。他口中的鑽石碟,就是半導體化學機械研磨製程所用耗材;據悉,目前中砂的鑽石碟已打入台積電供應鏈。
對此,中砂研發副總白景中僅低調表示,晶背供電確實讓公司的鑽石碟用量明顯增加1成。「以前一層晶圓(Layer)約拋光一次,現在要拋光3、4次。」他分析。
而減薄後的晶圓,鑽完孔第一道程序為蝕刻,業者透露,這項技術難度相當高,目前台積電主要委託應材、柯林(Lam Research)、東京威力(TEL)等國際蝕刻設備大廠處理,但這不代表台廠沒有機會。
汎銓營運長廖永順指出,先進製程下,1片指甲大小的晶片(1cm×1cm),裡面就有1千億個電晶體,「晶背鑽完孔後,如何精確對準這些密密麻麻的電晶體,蝕刻好壞相當關鍵。」而汎銓3、4年前就開發埃米級檢測服務,讓客戶清楚蝕刻結構、有無副產物塞住進而影響阻抗,「如此確保客戶在埃米晶片良率穩定,取得成本優勢。」廖永順說。
「不過,蝕刻完,旁邊可能會有皺紋(縫隙),把金屬填進去要連續均勻,相當不容易,不小心洞破了,電流就過不去。」易錦良對著示意圖強調,矽鑽孔後,每道技術環節其實都很重要,如何鍍好孔洞上的電路,同時均勻地鍍上導線,正是切入晶背供電的成敗關鍵。
為達成上述二大關鍵目標,天虹2019年自行開發原子層沉積(ALD)設備,企圖搶食荷蘭ALD設備巨頭ASM(艾司摩爾ASML分拆之公司)的訂單。「我們是國內少數直接正面對決ASM的業者!」易錦良驕傲地說。
天虹董事長黃見駱進一步補充,ALD設備具高精度薄膜沉積等特性,「邊邊角角、深的、歪的都能覆蓋,加上製程溫度比傳統物理/化學沉積(PVD/CVD)低,在結構複雜的電晶體可有效保護元件,優勢逐一浮現。」
本刊好奇,為何在5年前就看到ALD未來趨勢?「我跟George(易錦良)在設備界是玩了30年的老傢伙,有一定的市場敏感度。」黃見駱笑著說。
「我們自己寫軟體,高達七成的零組件國產化,這樣才有競爭力。」在易錦良領軍下,天虹先從市場相當成熟的物理沉積設備開發,並同步研發ALD設備,為避免與老東家應材在PVD市場正面交鋒,公司先繞彎往光電產品與第三代半導體開拓業務,在晶元光電引薦下,取得蘋果(Apple)生產MiniLED所需的ALD設備認證,開啟進軍半導體高端設備市場的曙光。
埃米時代來臨,在多家具有技術實力的台廠助拳下,護國神山決戰對手,將更具勝出本錢。
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