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AI芯片与SRAM |
生成式 AI (Artificial Intelligence,人工智能)的发展带来第四次工业革命，透过半导体异质整合的3D封装及工艺节点(Node)微缩技术的日益创新，人们见证 AI 时代到来。而AI所使用的IC(Integrated Circuit, 集成电路）芯片或称Al芯片，是Al的硬件核心。台积电逻辑先进技术已实现单一芯片上超过 2000 亿个晶体管，且预期未来透过异质整合的3D封装，单体3D封装的Al芯片产品将达到超过1兆个晶体管。在这么复杂IC电路中，AI芯片最重的内嵌内存就是SRAM(Static Random-Access Memory,静态随机存取内存或称静态随机存储器)。这种内嵌的SRAM，也被称作嵌入式SRAM。嵌入式应用的SRAM的重要性有两方面，(1)SRAM常常是Al芯片中构成读写的最快的内存缓存器(Register)及高速缓存(Cache, 又称高速缓冲存储器)的主要内存。(2)而且SRAM的工艺结构通常也是AI芯片工艺中最小尺寸及最密集区域。因为尺寸小，同样面积内芯片可以容纳的内存数量就更多，相对成本降低，所以SRAM在AI芯片的地位就不言而喻。最先进AI芯片使用的工艺节点,已迈入3nm工艺，于2025年及2026年将陆续有2nm及16A(埃)的工艺节点的产品上市，SRAM仍会是AI芯片的最重要内存。因此分析先进工艺SRAM结构仍是重要课题。
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SRAM的电路结构 |
SRAM又称静态RAM(Random-Access Memory)，是随机存取内存的一种。所谓「静态」，是指这种内存只要保持通电，储存的资料就可以恒常保持。当电力供应停止时，SRAM储存的数据还是会消失（被称为挥发性内存,Volatile memory），这与在断电后还能储存数据的ROM(（read-only memory, 只读存储器）或闪存(Flash Memory)是不同的。(参考数据[1])
SRAM的电路结构依据包含晶体管数量可以有4T/6T/8T/12T…等等不同设计，6T是最常用的SRAM设计，6T中的T代表Transistor(晶体管)，6T表示包含6个MOS(Metal Oxide Semiconductor, 金属氧化物半导体）晶体管的SRAM为一个基本单元。6T SRAM的电路及各部名称如图一。6个晶体管其中包括有2个PMOS及4个NMOS。 6个晶体管依不同电路功能又可分为PU(Pull Up,上拉晶体管), PD(Pull Down,下拉晶体管), PG(Pass Gate, 传送栅晶体管)等不同组件功能名称。
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嵌入式SRAM区域常用的检测分析 |
常用的AI芯片检测分析方法很多，AI芯片的检测分析大致可分为电性测试(Electrical Testing),电性故障分析(EFA, Electrical Failure Analysis), 物性故障分析(PFA, Physical Failure Analysis)。PFA包括表面分析(Surface Analysis)以及化学分析(CA, Chemical Analysis)。如果用医学中心的检验来比拟，电性测试相当于健康检查，依此类推，如图二所示。嵌入式SRAM区域常用的检测分析众多，本文就针对SRAM结构观察及分析做进一步探讨。
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SRAM制程结构观察工具 |
SRAM主要结构观察工具包括OM(Optical Microscope,光学显微镜), SEM(Scanning Electron Microscope, 扫描式电子显微镜）, DB-FIB(Dual Beam Focused Ion Beam, 双束聚焦离子束显微镜)， TEM(Transmission Electron Microscope, 穿透式电子显微镜或称透射式电子显微镜)。这些分析设备都是可以观察AI芯片中SRAM工艺结构，但是它们观察范围却是不同，观察范围如图三所示。选用的方式都是先使用OM大区域范围观察，通常是找到目标区在芯片中的大致位置。之后使用SEM或FIB观察，把目标区域更限缩在更小区域。FIB配合SEM可以做精确位置的定位观察，FIB也是TEM试片制备的重要工具。若SEM/FIB无法看清楚最终目标，最后才使用TEM或Cs-TEM观察。TEM 可观察纳米级微小区域结构。Cs-TEM(球面像差校正TEM)是目前市面上可以达到0.5A(埃,10000000000A=1米)空间分辨率的设备，也就是Cs-TEM是目前放大倍率最高的设备。另外，SEM及TEM可以配合EDS(Energy-dispersive X-ray spectroscopy，英文缩写有EDS、EDX、EDXS或XEDS, 能量散射X射线谱）可以分析为小区域的成份。
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如何在AI芯片找到嵌入式SRAM区域 |
因为SRAM是AI芯片工艺中最小尺寸及最密集区域，而且内存通常会重复性的排列，所以使用这2种特征去辨识SRAM区域有一定的可行性及可靠性。图四为使用OM观察芯片及辨识大致嵌入式SRAM区域范围。部份SRAM区域如蓝框所示。找到SRAM的大致区域有助于进一步更精细的电性尺寸及物性分析。
除了OM外，IR(Infrared, 红外线,又称红外光)显微镜及 SEM也是大范围寻找嵌入式SRAM区域的常用工具。辨识嵌入式SRAM区域范围的方法也是和OM相同。但是SEM是比较容易确认SRAM的方法，毕竟OM放大倍率比较小，有时可能会看不清楚。
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SEM与VC的应用 |
SEM是一种通过用聚焦电子束扫描样品的表面来产生样品表面图像的电子显微镜，通常观察100nm以上尺寸的结构。SEM的用途很多。SEM最主要是做样翸表面结构观察。另外，SEM配合纳米碳针(nano-probing)可以做电性量测，此项不在本文介绍。SEM配合FIB(Focus Ion Beam)即是DB-FIB,会在下一章节讨论。这里要介绍的是VC(Voltage Contrast, 电压对比)。VC定位技术是利用SEM或者FIB的一次电子束或离子束在样品表面进行扫描，芯片表面不同部位具有不同电势，SEM扫描过后，样品或试片表面不同区域表现出来不同的明亮对比度，那称为VC，VC的原理可以参考数据[2]。
SRAM包含PMOS区及NMOS区。在特定电压操作下，通常SEM扫描在IC的通孔(Via)或接触窗(Contact)区时，就会有VC效果。在低电压操作下，SEM观察到的PMOS区的 via/contact 亮度最亮，NMOS区的 via/contact亮度次之，若有结构位置在栅级区via/contact，则此区域呈现最暗。图五为SEM扫描在SRAM的contact区域造成不同的明暗对比。
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DB-FIB是精确定位级切割设备 |
聚焦离子束显微镜(FIB, Focus Ion Beam)是运用镓（Ga）金属来做为离子源，镓的熔点为 29.76°C，在此时的蒸气压为 «10-13 Torr，适合在真空下操作。在使用时，液态的镓会沿着灯丝流至针尖，当外加电场强到可以将针尖的液态镓，拉成曲率半径小于一临界半径的圆锥体（Taylor cone）时，镓就被游离而喷出，形成镓离子束。此离子源小于 10 nm、能量分散约为 4.5 eV、亮度约为 106 A/cm2.sr，因此可以用来做为很精确的纳米结构加工工具，也可称之为纳米雕刻刀。聚焦离子束显微镜上另外还可装设电子束系统，而形成所谓的双束聚焦离子显微镜（Dual Beam FIB），也就是同时具备了扫描式电子显微镜(SEM)及聚焦离子束显微镜(FIB)于一身，可以用电子束来寻找目标区及观察影像，而离子束做精密切割目标区，不会破坏其他样品结构；因此可以做到纳米等级的精确定位与切割，以及TEM试样薄片制作。DB-FIB的机台可以参考图三。DB-FIB的SEM(E-beam)与FIB(i-beam)与样品的相对位置示意图如图六。图七则是利用DB-FIB精确定位切割，观察SRAM的截面面结构图。图中可以同时观察工艺前段区(FEOL, Front End Of Line)及工艺后段区(BEOL, Back End Of Line)。
图六 DB-FIB的SEM(E-beam)与FIB(i-beam)与样品的相对位置示意图。 |
图七 利用DB-FIB精确定位切割，观察SRAM的截面结构。 |
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TEM是观察SRAM制程层次的重要方法 |
要观察先进工艺6T SRAM的组件结构及精细制程层次则必须使用TEM(穿透式电子显微镜) 或STEM(扫描穿透式电子显微镜),才能看清楚。 TEM是利用200KV加速电子束穿透薄试片(厚度约100nm或更小)投射在侦测器上所得讯号由照片呈现。对于现今的3nm工艺或成熟工艺，或是未来的2nm及16A(埃)的工艺节点，TEM一直是观察SRAM结构最重要的检测分析方法，因为TEM具有最佳空间分辨率及照片呈现方式。
在图一中所看到的6T SRAM的电路及各部名称，皆可以用TEM看清楚真实结构到底是长的什么样貌。图八为平面式(Plan-view) STEM观察先进工艺的6T SRAM，可以观察到6个晶体管平面结构以及相对排列位置，包括Contact, Gate, Fin, STI等等工艺前段结构的平面排列。图八黄框区为1个位(unit Cell)的6T SRAM。图九为截面式(Cross Section, XS) TEM观察先进工艺的6T SRAM的部份晶体管结构，可以看到晶体管上下排列的形状结构，包括Contact, Gate, Fin, STI等等工艺前段结构的截面排列。
图八 平面式(Plan-view) 穿透式电子显微镜(TEM)观察先进工艺的6T SRAM, 黄框区为1个位(unit Cell)的6T SRAM |
图九 截面式(Cross Section, XS) 穿透式电子显微镜(TEM)观察先进工艺的6T SRAM的部份晶体管结构 |
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结论 |
SRAM的结构观察，是AI芯片检测分析的重要一环。本文从OM,SEM,TEM等展示一步一步观察SRAM结构的方式。主要是从大范围小倍率的OM观察，一直到最高倍率及最小范围的TEM并利用图文及照片介绍SRAM的重要结构及名称，实现有效精确的观测SRAM结构的方法。
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Reference:
[1] https:// zh.wikipedia.org/zh-tw/静态随机存储器
[2] V.G. Dyukov, S. A. Nepijko, Gerd Schoenhense, Voltage Contrast Modes in a Scanning Electron Microscope and Their Application, August 2016, Advances in Imaging and Electron Physics.
