BSPDN 개념 basic 알아보자!

반도체 공정은 항상 새로운 기술에 도전하고 놀랄만한 성과를 보여왔습니다. High-k Metal Gate, FinFET 공정, Strained MOSFET 등 정말 셀 수 없이 많은 혁신을 이루어 왔습니다. 현재 미세 공정에서는 Gate-All-Around GAA MOSFET 개발에 박차를 가하고 있으며 이번 게시글에서는 획기적으로 공정을 Shrink할 수 있는 Item인 Back Side Power Delivery Network (BSPN)에 대해서 다루어보도록 하겠습니다. 
직관적으로 위 그림을 보시면, IC 내 수많은 소자들에게 Power를 전달하기 위한 Power rail을 아래에 배치시키는 것입니다. Transistor의 핵심 기능은 Control Signal을 전달 받았을 때, 전원을 On/Off 하는 스위칭 기능입니다. Transistor가 스위칭 기능을 하기 위해서는 적절한 전압으로 안정적인 전원을 공급 받아야만 합니다. 전력은 에너지가 어떻게 빨리 사용되는지를 나타내는 측정값입니다. P = V × I 식으로 나타낼 수 있죠. 
 

① 전력 전달 네트워크 (Power Delivery Network)

우리가 사용하는 Desktop PC 내 CPU 전력은 대부분 전원 공급장치에서 전달됩니다. 전원공급 장치는 메인보드에 연결된 Socket과 Pin을 통해서 CPU에 높은 전류와 전압을 공급합니다. 전력이 IC 내로 들어오게 되면, Chip은 Packaging을 통해 Transistor로 전달됩니다. 이렇게 각각의 Chip 내부 Trasnsistor에 전력을 전달하기 위해서는 수많은 Metal Layer와 VIA Network이 필요한 것이죠.
 

② IR Drop

Power Delivery Network은 전력과 전압을 분배하면서 Noise를 최소화 해야 합니다. 각각의 회사마다 Power Noise를 개선하기 위한 노하우를 가지고 있으며, IR Drop을 개선하기 위한 IP 개발에 힘쓰고 있습니다. 그만큼 매우 복잡하고 높은 기술력이 필요하다는 말이죠. 반도체 공정에 적용되는 Metal Wire는 기생 Inductance, Resistance를 가지고 있으며, Metal Routing 구조 간 기생 Capacitance 성분이 존재합니다. 이러한 특성은 전류의 흐름을 방해하고, 결국에는 전력 공급에 있어 Drop이 발생하게 됩니다. 이러한 현상을 IR Drop이라고 합니다. 반도체 공정이 점점 미세해지고 Front Side의 Shrink로 점점 더 소자간 간격이 미세해지고 이러한 소자들에 전력을 전달하는 Power Delivery Network 또한 미세해지면서 IR Drop을 심화시키게 됩니다.
 

③ Buried Power Rails & Back Side Power Delivery Network

Buried Power Rails은 Silicon 기판 아래 Power rail을 배치하는 방식입니다. 이로 인해 기존의 전력 전달 네트워크를 개선하고 저항도 크게 줄여 전력 전달의 효율성을 증대시킵니다. BSPN은 Buried Power Rail에서 한 단계 더 발전시켜, Power Inteconnect를 Signal Interconnect와 분리하고 Transistor 층 아래로 이동시키는 과정을 포함합니다. 이를 통해 전체 전력 소비를 최소화 할 수 있습니다. (BSPN 사용 시 전력소비 8% 감소, IR Drop은 ~15% 감소, 텍사스 대학 오스틴 연구 참) BSPN 기술은 미래 반도체 공정의 지향점인 3D Stacked Integration에 한 걸음 다가갈 수 있는 기술이라고 할 수 있습니다.