電源供給配線網（PDN）をシリコンダイの裏面に配置して電源をさらに安定化：福田昭のデバイス通信（302） imecが語る3nm以降のCMOS技術（5）（2/2 ページ）

今回は、CMOSロジックの基本セル（スタンダードセル）に電源を分配する電源供給配線網（PDN：Power Delivery Network）のレイアウトを解説する。

[福田昭，EE Times Japan]

BPRとBS-PDNの組み合わせが電源雑音を45％低減

　埋め込み電源線（BPR）と裏面の電源供給配線網（BS-PDN）を製造する工程は、かなり複雑だ。微細なTSV（μTSVあるはnTSV）によってBPRとBS-PDNを接続するとともに、シリコンウエハー裏面に金属配線を形成する工程が必要である。

微小なTSV（nano-TSV（nTSV））を介した裏面側配線と表面側配線の接続構造例。左は一般的な接続構造。右は裏面側配線（電源供給配線網（PDN））と埋め込み電源線（BPR）をnTSVで接続した構造。出典：imec（IEDM2020のチュートリアル講演「Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials」の配布資料） （クリックで拡大）

　例えば、BPRを形成済みのシリコンウエハー（1stウエハー）を、別のシリコンウエハー（2ndウエハー）に貼り合わせる。それから1stウエハーを研削し、さらにはエッチングによって10μm前後にまで薄くする。

裏面側に電源供給配線網（BS-PDN）を製造する工程（前半）。出典：imec（IEDM2020のチュートリアル講演「Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials」の配布資料） （クリックで拡大）

　それからBPRと接続するnTSVを形成する。nTSVの埋め込み金属は銅（Cu）である。nTSVを形成後に、シングルダマシンプロセスによってCu配線層のBS-PDNを製造する。

裏面側に電源供給配線網（BS-PDN）を製造する工程（後半）。出典：imec（IEDM2020のチュートリアル講演「Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials」の配布資料） （クリックで拡大）

　CMOSロジックの基本セル（スタンダードセル）でBPRおよびBS-PDNの効果を評価してみた。6トラック（6T）の基本セル（BPRなし、FS-PDN）を基準にすると、BPRを導入した5トラック（5T）の基本セル（FS-PDN）は回路ブロックの面積が19％減少し、電源電圧降下が45mVから35mVに減少した。ここでBS-PDNを追加すると回路ブロックの面積は変わらないものの、電源電圧降下は25mVとさらに低下した。6Tセルに比べ、電源電圧の変動を約45％に抑えられる。

BPRとBS-PDNの効果。左は回路ブロック（コア）の面積と電源電圧降下の関係。右は回路ブロックの温度分布（IRドロップの大きさを反映）。出典：imec（IEDM2020のチュートリアル講演「Innovative technology elements to enable CMOS scaling in 3nm and beyond - device architectures, parasitics and materials」の配布資料）

（次回に続く）

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