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IC975

晶片的房地產開發—以及晶圓背面的利用(一)

CIS晶片的出現,亦是半導體製程創造性變革結果。

直至今日,晶片的設計與製造都在講究矽晶圓的土地利用效率,稱之為矽房地產(silicon real estate)開發。

傳統的晶片製造是將結構從做為基板(substrate)的矽晶圓上一步一步堆疊上去的,乃至於後段製程(Back End Of Line;BEOL)的金屬連線。一開始做為IC的基礎元件電晶體只做一層,像以前的平房,雖然房屋可以櫛比林立,但是整體的建築景觀是平整的2D街景。

然後是地下室了。

在DRAM發展製程的過程中,電容建構在過往方式之一是向下挖深溝,稱為深溝電容(deep trench capacitor)。電容存在於電晶體的水平面之下,算是地下室吧!這是積極爭取建築容積率的第一步。以上的平房、地下室的想法在人類史前文化就有,要不,到良渚文化遺址去瞧瞧。從電晶體乃至於金屬連線都建構於晶圓的一面,這一面叫前面(front side)。

電晶體積體整合程度變高之後,整個晶片就像鄉村變成都市,公共設施如供電網、下水道、交通等就得納入都市計畫。晶片上最重要的公共設施至少包括有電源、信號和熱耗散。電源和信號由最上面的金屬連線層處理,而熱耗散猶如廢水,處理不好晶片便無法持續運作。

很久以前處理熱耗散問題,腦筋動到晶圓背面(back side)。

功率元件雖然不算是IC,但是由於功率元件高壓、大電流所產生的焦耳熱(joule heat)會讓晶片發燙,勢必要有快速排除廢熱的管道,於是有了BGBM(Back Grounding Back Metalization)的製程—將晶圓底部磨薄,然後鍍上金屬,讓電晶體的散熱快些。這個也可以用城市的基建打個比方:廢熱的下水道。

再來是蓋樓了。3D NAND的製程驚才絕艷,只使用4、5個光罩便能做成32層的結構,大幅增加可能儲存的資訊數量。蓋高樓層的自由度一旦打開,建築物的容積率隨樓層數的增加而倍數大幅成長,減輕2D時代晶片地基必須持續微縮的壓力。

再下來是處理信號的問題。

晶片中傳統的信號大致以電子傳送,管道是製程中的各層金屬連線,至今仍是如此,但是這只是內部的信號傳遞形式。現在的晶片多才多藝,也可以從外界汲取資訊—譬如光,然後再轉成電信號,CIS (CMOS Image Sensor)就是最好的例子,其後也引領著半導體製程創造性的變革。

傳統CIS架構與CMOS的建構過程相彷,先做光二極體(photo diode),這算是某種類型的CMOS,其功能是把接收到的光信號轉成電信號,以便後續處理。其上也有一般晶片的幾層金屬連線,更上面有光線進入後的微鏡頭(micro  lens)和濾色片(color filters)。微鏡頭這端叫前端(front side),是晶片的正面(face)。這整個製程就依循CMOS製程的傳統的智慧。

但是光進來後先要穿越正面幾層滿布金屬線的縫隙,以及晶片的中層結構,才能抵達對光敏感的光二極體。光的吸收效率很差。從工程設計的角度來看,光經微鏡頭、濾光片後應該先抵達光二極體,直接讓它吸收,轉化成電信號,然後經金屬連線把信號送出去,這才是合理的設計。

之所以會變成如此彆扭的結構,乃因半導體CMOS製程在演化過程中,就是將CMOS先置於底部,再將線路逐漸長上去的。

無獨有偶,大部分的生物的眼睛也有如此因演化過程產生的工程謬誤。人類眼睛的盲點就是在光敏細胞的演化過程中,視神經先長到視網模前,這個演化的遺跡殘留到以後更複雜的眼球結構之中,視神經阻擋視網膜對光線的部分吸收,以致於接近視界的中心點兩側都有對影像無感的盲點。

演化無法重來,但是工程可以重新設計。

CIS如此彆扭結構,解決的方法就是從晶片背面著手:光的進入孔道微鏡頭、濾光片從比較接近光二極體(視網膜)的方向進來—就是晶圓的背面,在光二極體處轉化成電信號後再由上層的金屬線路(視神經)送出去處理。這樣的結構不會讓光被金屬連線阻擋干擾,結構合理多了。如此的CIS結構叫背面照明(BI;Back-side Illumination),而老一代的CIS則叫前面照明(FI:Front-side Illumination)。

光是一種信號,比之於建築中的線路屬於弱電系統,現在晶片中的部分弱電線路也地下化了,像是光纖或電纜。

CIS的結構本來就由多種效能的晶片功能模組拼湊起來,至少包括像素陣列(pixel arrays)、類比線路(Analog to Digital Converters;ADC)、邏輯線路(Image Signal Processors;ISP)等組成,而這些模組在半導體製程看來就是異質(heterogeneous)。因此在異質整合(heterogeneous integration)的年代開始後,CIS的結構創新引領許多矽房地產變革的生發。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。