晶片的房地產開發—以及晶圓背面的利用（一）

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。