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AI晶片與SRAM |
生成式 AI (Artificial Intelligence,人工智慧)的發展帶來第四次工業革命，透過半導體異質整合的3D封裝及製程節點(Node)微縮技術的日益創新，人們見證 AI 時代到來。而AI所使用的IC(Integrated Circuit, 積體電路）晶片或稱Al晶片，是Al的硬體核心。台積電邏輯先進技術已實現單一晶片上超過 2000 億個電晶體，且預期未來透過異質整合的3D封裝，單體3D封裝的Al晶片產品將達到超過1兆個電晶體。在這麼複雜IC電路中，AI晶片最重的內嵌記憶體就是SRAM(Static Random-Access Memory,靜態隨機存取記憶體或稱靜態隨機存儲器)。這種內嵌的SRAM，也被稱作嵌入式SRAM。嵌入式應用的SRAM的重要性有兩方面，(1)SRAM常常是Al晶片中構成讀寫的最快的記憶體暫存器(Register)及快取記憶體(Cache, 又稱高速緩衝記憶體)的主要記憶體。(2)而且SRAM的製程結構通常也是AI晶片製程中最小尺寸及最密集區域。因為尺寸小，同樣面積內晶片可以容納的記憶體數量就更多，相對成本降低。所以SRAM在AI晶片的地位就不言而喻。最先進AI晶片使用的製程節點,已邁入3nm製程，於2025年及2026年將陸續有2nm及16A(埃)的製程節點的產品上市，SRAM仍會是AI晶片的最重要記憶體。因此分析先進製程SRAM結構仍是重要課題。
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SRAM的電路結構 |
SRAM又稱靜態RAM(Random-Access Memory)，是隨機存取記憶體的一種。所謂「靜態」，是指這種記憶體只要保持通電，儲存的資料就可以恆常保持。當電力供應停止時，SRAM儲存的資料還是會消失（被稱為揮發性記憶體,Volatile memory），這與在斷電後還能儲存資料的ROM(（read-only memory, 唯讀記憶體）或快閃記憶體(Flash Memory)是不同的。(參考資料[1])
SRAM的電路結構依據包含電晶體數量可以有4T/6T/8T/12T…等等不同設計，6T是最常用的SRAM設計，6T中的T代表Transistor(電晶體)，6T表示包含6個MOS(Metal Oxide Semiconductor, 金屬氧化物半導體）電晶體的SRAM為一個基本單元。6T SRAM的電路及各部名稱如圖一。6個電晶體其中包括有2個PMOS及4個NMOS。 6個電晶體依不同電路功能又可分為PU(Pull Up,上拉電晶體), PD(Pull Down,下拉電晶體), PG(Pass Gate, 傳送閘電晶體)等不同元件功能名稱。
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嵌入式SRAM區域常用的檢測分析 |
常用的AI晶片檢測分析方法很多，AI晶片的檢測分析大致可分為電性測試(Electrical Testing),電性故障分析(EFA, Electrical Failure Analysis), 物性故障分析(PFA, Physical Failure Analysis)。PFA包括表面分析(Surface Analysis)以及化學分析(CA, Chemical Analysis)。如果用醫學中心的檢驗來比擬，電性測試相當於健康檢查，依此類推，如圖二所示。嵌入式SRAM區域常用的檢測分析眾多，本文就針對SRAM結構觀察及分析做進一步探討。
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SRAM製程結構觀察工具 |
SRAM主要結構觀察工具包括OM(Optical Microscope,光學顯微鏡), SEM(Scanning Electron Microscope, 掃描式電子顯微鏡）, DB-FIB(Dual Beam Focused Ion Beam, 雙束聚焦離子束顯微鏡)， TEM(Transmission Electron Microscope, 穿透式電子顯微鏡或稱透射式電子顯微鏡)。這些分析設備都是可以觀察AI晶片中SRAM製程結構，但是它們觀察範圍卻是不同，觀察範圍如圖三所示。選用的方式都是先使用OM大區域範圍觀察，通常是找到目標區在晶片中的大致位置。之後使用SEM或FIB觀察，把目標區域更限縮在更小區域。FIB配合SEM可以做精確位置的定位觀察，FIB也是TEM試片製備的重要工具。若SEM/FIB無法看清楚最終目標，最後才使用TEM或Cs-TEM觀察。TEM 可觀察奈米級微小區域結構。Cs-TEM(球面像差校正TEM)是目前市面上可以達到0.5A(埃,10000000000A=1米)空間解析度的設備，也就是Cs-TEM是目前放大倍率最高的設備。另外，SEM及TEM可以配合EDS(Energy-dispersive X-ray spectroscopy，英文縮寫有EDS、EDX、EDXS或XEDS, 能量散射X射線譜）可以分析為小區域的成份。
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如何在AI晶片找到嵌入式SRAM區域 |
因為SRAM是AI晶片製程中最小尺寸及最密集區域，而且記憶體通常會重覆性的排列，所以使用這2種特徵去辨識SRAM區域有一定的可行性及可靠性。圖四為使用OM觀察晶片及辨識大致嵌入式SRAM區域範圍。部份SRAM區域如藍框所示。找到SRAM的大致區域有助於進一步更精細的電性尺寸及物性分析。
除了OM外，IR(Infrared, 紅外線,又稱紅外光)顯微鏡及 SEM也是大範圍尋找嵌入式SRAM區域的常用工具。辨識嵌入式SRAM區域範圍的方法也是和OM相同。但是SEM是比較容易確認SRAM的方法，畢竟OM放大倍率比較小，有時可能會看不清楚。
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SEM與VC的應用 |
SEM是一種通過用聚焦電子束掃描樣品的表面來產生樣品表面圖像的電子顯微鏡，通常觀察100nm以上尺寸的結構。SEM的用途很多。SEM最主要是做樣翸表面結構觀察。另外，SEM配合奈米碳針(nano-probing)可以做電性量測，此項不在本文介紹。SEM配合FIB(Focus Ion Beam)即是DB-FIB,會在下一章節討論。這裡要介紹的是VC(Voltage Contrast, 電壓對比)。VC定位技術是利用SEM或者FIB的一次電子束或離子束在樣品表面進行掃描，晶片表面不同部位具有不同電勢，SEM掃描過後，樣品或試片表面不同區域表現出來不同的明亮對比度，及稱為VC，VC的原理可以參考資料[2]。
SRAM包含PMOS區及NMOS區。在特定電壓操作下，通常SEM掃描在IC的通孔(Via)或接觸窗(Contact)區時，就會有VC效果。在低電壓操作下，SEM觀察到的PMOS區的 via/contact 亮度最亮，NMOS區的 via/contact亮度次之，若有結構位置在閘級區via/contact，則此區域呈現最暗。圖五為SEM掃描在SRAM的contact區域造成不同的明暗對比。
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DB-FIB是精確定位級切割設備 |
聚焦離子束顯微鏡(FIB, Focus Ion Beam)是運用鎵（Ga）金屬來做為離子源，鎵的熔點為 29.76°C，在此時的蒸氣壓為 «10-13 Torr，適合在真空下操作。在使用時，液態的鎵會沿著燈絲流至針尖，當外加電場強到可以將針尖的液態鎵，拉成曲率半徑小於一臨界半徑的圓錐體（Taylor cone）時，鎵就被游離而噴出，形成鎵離子束。此離子源小於 10 nm、能量分散約為 4.5 eV、亮度約為 106 A/cm2.sr，因此可以用來做為很精確的奈米結構加工工具，也可稱之為奈米雕刻刀。聚焦離子束顯微鏡上另外還可裝設電子束系統，而形成所謂的雙束聚焦離子顯微鏡（Dual Beam FIB），也就是同時具備了掃描式電子顯微鏡(SEM)及聚焦離子束顯微鏡(FIB)於一身，可以用電子束來尋找目標區及觀察影像，而離子束做精密切割目標區，不會破壞其他樣品結構；因此可以做到奈米等級的精確定位與切割，以及TEM試樣薄片製作。DB-FIB的機台可以參考圖三。DB-FIB的SEM(E-beam)與FIB(i-beam)與樣品的相對位置示意圖如圖六。圖七則是利用DB-FIB精確定位切割，觀察SRAM的截面面結構圖。圖中可以同時觀察製程前段區(FEOL, Front End Of Line)及製程後段區(BEOL, Back End Of Line)。
圖六 DB-FIB的SEM(E-beam)與FIB(i-beam)與樣品的相對位置示意圖。 |
圖七 利用DB-FIB精確定位切割，觀察SRAM的截面結構。 |
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TEM是觀察SRAM製程層次的重要方法 |
要觀察先進製程6T SRAM的元件結構及精細製程層次則必須使用TEM(穿透式電子顯微鏡) 或STEM(掃描穿透式電子顯微鏡),才能看清楚。 TEM是利用200KV加速電子束穿透薄試片(厚度約100nm或更小)投射在偵測器上所得訊號由照片呈現。對於現今的3nm製程或成熟製程，或是未來的2nm及16A(埃)的製程節點，TEM一直是觀察SRAM結構最重要的檢測分析方法，因為TEM具有最佳空間解析度及照片呈現方式。
在圖一中所看到的6T SRAM的電路及各部名稱，皆可以用TEM看清楚真實結構到底是長的什麼樣貌。圖八為平面式(Plan-view) STEM觀察先進製程的6T SRAM，可以觀察到6個電晶體平面結構以及相對排列位置，包括Contact, Gate, Fin, STI等等製程前段結構的平面排列。圖八黃框區為1個位元(unit Cell)的6T SRAM。圖九為截面式(Cross Section, XS) TEM觀察先進製程的6T SRAM的部份電晶體結構，可以看到電晶體上下排列的形狀結構，包括Contact, Gate, Fin, STI等等製程前段結構的截面排列。
圖八 平面式(Plan-view) 穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察先進製程的6T SRAM, 黃框區為1個位元(unit Cell)的6T SRAM |
圖九 截面式(Cross Section, XS) 穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察先進製程的6T SRAM的部份電晶體結構 |
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結論 |
SRAM的結構觀察，是AI晶片檢測分析的重要一環。本文從OM,SEM,TEM等展示一步一步觀察SRAM結構的方式。主要是從大範圍小倍率的OM觀察，一直到最高倍率及最小範圍的TEM並利用圖文及照片介紹SRAM的重要結構及名稱，實現有效精確的觀測SRAM結構的方法。
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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.
