BSPDN 후면 전력

칩 안의 트랜지스터는 신호만이 아니라 전원도 받아야 동작한다. 기존 방식에서는 신호 배선과 전력 배선이 트랜지스터 위쪽의 같은 금속 배선층(BEOL)을 함께 쓴다. 전원은 가장 위쪽의 굵은 배선에서 여러 층의 비아를 거쳐 내려와야 하고, 그 길에서 전압이 떨어진다. 미세화로 배선이 가늘어지면 저항이 커지고, 신호선과 전력선이 한정된 공간을 두고 다투게 된다. 이 문제를 풀려고 나온 기술이 BSPDN(Backside Power Delivery Network, 후면 전력 공급망)이다.

BSPDN은 전력 배선을 웨이퍼의 뒷면으로 옮겨서 트랜지스터에 뒤쪽에서 전원을 공급하는 구조이다. 앞면의 배선층은 신호 전달에만 쓰고, 뒷면에 만든 전력 배선이 트랜지스터의 소스·드레인 쪽 접점과 연결된다. 이름의 B는 Buried가 아니라 Backside이다. 전력 배선을 소자 근처의 기판 속에 묻는 BPR(Buried Power Rail)은 BSPDN과 함께 쓰이는 관련 기술이지만 같은 말이 아니다.

건물의 급수관과 전기선이 같은 천장 속 좁은 공간에 뒤엉켜 있다고 해 보자. 급수관을 건물 뒤편에 따로 빼서 연결하면 천장 속이 한결 넉넉해지고 물도 짧은 경로로 도착한다. BSPDN도 전력 배선을 뒷면으로 빼서 앞면의 신호 배선 공간을 확보하고 전원 경로를 짧게 만든다. 다만 건물과 달리 웨이퍼를 뒤집어 깎아 내야 하므로 공정 부담이 크다.

전원 경로의 저항 $R$에 전류 $I$가 흐르면 트랜지스터에 도착하는 전압은 다음만큼 떨어진다.

$$ \Delta V = I \cdot R $$

• $\Delta V$: 전압 강하(IR drop)
• $I$: 전원 경로를 흐르는 전류
• $R$: 전원 경로의 저항

트랜지스터에 전달되는 전압이 낮아지면 스위칭 속도가 느려지므로 설계자는 전압을 더 높게 잡아 여유를 둔다. BSPDN은 경로를 짧고 굵게 만들어 $R$을 줄이고 이 여유를 덜어 준다.

1. 웨이퍼 앞면에 트랜지스터와 신호 배선을 먼저 만든다.
2. 앞면을 캐리어 웨이퍼에 붙이고 뒤집는다.
3. 뒷면의 실리콘 기판을 매우 얇게 갈아 낸다(박막화).
4. 얇아진 기판을 관통하는 접점(나노 TSV 등)을 만들어 소스·드레인 쪽과 연결한다.
5. 뒷면에 전력 배선을 형성하고 외부 전원과 연결한다.

전력 배선이 앞면에서 빠지면 신호 배선이 쓸 수 있는 트랙이 늘어서 표준 셀의 높이를 줄일 수 있다. 전원 경로가 짧아지면 전압 강하도 줄어든다. 이득의 크기는 뒷면 접점이 소자와 얼마나 정확히 맞물리는지, 기판을 얼마나 얇게 만들 수 있는지에 따라 달라진다. 접점의 저항이 크거나 정렬이 어긋나면 경로를 줄여서 얻은 이득이 상쇄된다.

가장 큰 문제는 정렬이다. 얇게 간 웨이퍼 뒷면에서 앞면의 소자 위치에 접점을 맞추는 오버레이 허용치가 매우 작다. 열도 부담이다. 트랜지스터가 얇은 기판과 접합용 절연층 사이에 놓이는 구조가 되어 열이 빠져나가는 경로가 달라지고, 국부적인 온도 상승이 커질 수 있다. 박막화와 본딩, 후면 배선 공정이 더해져 공정 단계와 비용도 늘어난다.

• 후면 접점을 키우거나 소자와 가까운 위치에 둬서 정렬 여유를 확보한다.
• 방열이 잘 되는 재료와 구조를 후면 쪽에 설계해 열이 빠지는 길을 만든다.
• 박막화 후의 두께 균일도를 관리하고 웨이퍼 본딩의 결함을 줄인다.
• 전력 설계와 배치를 함께 최적화하는 설계 흐름을 갖춘다.

• BSPDN은 Backside Power Delivery Network의 약자이고, 전력 배선을 웨이퍼 뒷면으로 옮긴 구조이다.
• 효과는 전압 강하(IR drop) 감소와 앞면 신호 배선의 여유 확보이다.
• 공정은 앞면 가공, 캐리어 본딩, 기판 박막화, 후면 접점과 배선 순서로 진행한다.
• 주요 과제는 후면 정렬, 방열, 공정 비용이다.
• BPR(Buried Power Rail)은 관련 기술이지만 BSPDN과 같은 말이 아니다.