AI 所使用的IC芯片(AI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,且预期未来通过异质集成的3D封装,单体3D封装的Al芯片产品将超过1万亿个晶体管。在复杂IC电路中,AI芯片最重要的内嵌存储器就是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两项重要特点:首先,SRAM常常是Al芯片中构成读写的最快的内存寄存器(Register)及快取存储器(Cache,又称高速缓冲内存)的主要内存。其次,SRAM 的制程结构通常也是 AI 芯片制程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。
其中,PFA 进一步包含 表面分析 (Surface Analysis) 和化学分析 (CA, Chemical Analysis)。若以医学检查作比喻,电性测试就像一般的健康检查,对芯片进行全面性的初步评估,而其他测试则是针对具体问题进行深入分析(见图二)。
嵌入式 SRAM 区域的检测分析尤为重要,因为其结构和性能直接影响 AI 芯片的稳定性与效率。本文将进一步探讨SRAM结构的观察与分析技术,深入解析其在芯片检测中的应用与挑战。
▲ 图二 医学中心的检验与 IC 检测分析比较
SRAM 制程结构的观察工具与应用
SRAM 主要结构观察工具包:
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)
这些分析设备皆可观察 AI 芯片中 SRAM 制程结构,不过依据显微镜特性各自观察范围有所差异(如图三)。一般而言,使用OM大区域范围观察,找到目标区在芯片中的大致位置,接着使用SEM或FIB观察,把目标区域限缩在更小的区域,最后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 0.5 Å(埃,10000000000 Å)=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。此外,SEM 和 TEM 还可搭配 EDS (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy,能量散射 X 射线谱),进行区域成分分析,为结构观察提供更深入的材料分析信息。
除了OM外,红外线显微镜(IR,Infrared Microscope)和SEM(扫描式电子显微镜)也是寻找嵌入式SRAM区域的常用工具。这些工具的辨识方式与OM类似,但SEM的优势在于其放大倍率较高,更适合于确认SRAM的细节结构。相比之下,OM 的放大倍率有限,有时无法清楚辨识复杂或极小的区域结构,因此需借助 SEM 进一步确认。
通过这些观察工具的结合,可以有效地精确定位 SRAM 区域,为后续的深入分析奠定基础。
▲ 图四 为使用 OM 观察芯片的嵌入式 SRAM 区域范围。部份 SRAM 区域如蓝框所示
SEM 与 VC 技术的应用
SEM (Scanning Electron Microscope,扫描式电子显微镜) 是通过聚焦电子束扫描样品表面来生成图像的电子显微镜,通常用于观察尺寸大于 100 nm 的结构。SEM 有多种应用,其中主要用于观察样品的表面结构。此外,SEM配合FIB (Focused Ion Beam, 聚焦离子束) 构成的DB-FIB (双束聚焦离子束显微镜),也将于下一章说明。
聚焦离子束显微镜(FIB,Focus Ion Beam)是一种高精密的纳米加工工具,以镓(Gallium,Ga)作为离子源,熔点为29.76°C,在此温度下,其蒸气压极低(低于10⁻¹³ Torr),非常适合在真空环境下操作。使用时,液态镓会沿着灯丝流向针尖。在外加电场足够强的情况下,液态镓会被拉伸成曲率半径小于临界值的圆锥体(即 Taylor cone),从而产生镓离子束。这种束流的直径可达10 nm以下,能量分散约4.5 eV,亮度则高达10⁶ A/cm²·sr,因此可用于极精密的纳米结构加工,也被称为「纳米雕刻刀」。
图六展示了DB-FIB中电子束 (E-beam) 和离子束 (I-beam) 的相对位置示意,说明了这些束流如何与样品互动。通过这种结构,DB-FIB 可以精准切割并制备超薄的TEM 试片,为深入观察提供便利。图七则呈现了DB-FIB用于SRAM结构分析的应用范例。从图中可同时看到制程的前段区 (FEOL,Front End Of Line) 和后段区 (BEOL, Back End Of Line),这对于工程师深入理解制程细节大有助益。
▲ 图六 DB-FIB 的 SEM (E-beam) 与 FIB (i-beam) 与样品的相对位置示意图。