探索 AI 时代的核心：嵌入式 SRAM 的重要性与制程分析

文章来源：闳康科技

生成式AI的发展带来第四次工业革命，通过半导体异质集成的3D封装及制程节点（Node）微缩技术的日益创新，我们正亲眼见证AI时代到来。 

嵌入式SRAM：AI芯片的关键内存核心

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。

目前最先进AI芯片使用的制程节点，已迈入3nm制程，于2025年及2026年将陆续有2nm及16Å（埃）的制程节点的产品上市，因此SRAM仍会是AI芯片的重要存储器。

SRAM：高效且关键的挥发性内存

SRAM（静态RAM）是随机存取内存的一种。「静态」的意思是指，只要保持通电，SRAM 中的数据就能持续保存。然而，一旦电力供应停止，数据将会消失，因此属于挥发性内存（Volatile Memory）。这点不同于断电后仍能保存数据的只读内存（ROM）或闪存（Flash Memory）。

SRAM 的电路结构根据晶体管数量可分为多种设计，如 4T、6T、8T 或 12T 等，其中 6T 是最常见的设计。6T SRAM 的「T」代表晶体管（Transistor），而「6T」指的是该单元由 6 个 MOS（金属氧化物半导体）晶体管组成。

6T SRAM 的基本电路由 2 个 PMOS 和 4 个 NMOS 晶体管构成。根据功能，不同的晶体管又可划分为 PU（上拉晶体管）、PD（下拉晶体管）、PG（传送门晶体管）等组件，如图一所示。这种设计使得SRAM成为AI芯片中重要的内存组件，具有高速、高效的存取特性。

▲ 图一 6T SRAM 的电路及各部名称

嵌入式 SRAM 区域常用的检测分析方法

AI 芯片的检测分析方法多样，可大致分为以下三类：

1.电性测试 （Electrical Testing）

2.电性故障分析 （EFA， Electrical Failure Analysis）

3.物性故障分析 （PFA， Physical Failure Analysis）

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。

▲ 图三 OM/SEM/TEM 与观察范围

辨识SRAM区域的观察与分析方法

由于SRAM是AI芯片中最小尺寸且最密集的区域，其存储器结构通常呈现重复排列，这个特征使得辨识SRAM区域更为可信及可靠。如图四所示，通过OM（光学显微镜）观察芯片，可以初步找到嵌入式SRAM的大致区域，其中部分SRAM区域以蓝框标示出来。锁定 SRAM 的大略位置后，能够进行更精细的电性测试与物性分析。

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。

在本节中，我们将介绍 VC （Voltage Contrast， 电压对比） 技术。VC 是利用 SEM 或 FIB 的一次电子束或离子束扫描芯片表面，藉由区域间的电势差产生不同的明暗对比。当电子束通过不同电势的表面时，不同区域会呈现出不同的亮度，这种现象即为 VC。其技术原理可参考资料 [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，若有结构位置在闸级区 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。

▲ 图五 SEM 扫描在 SRAM 的 contact 区域造成不同的明暗对比。

DB-FIB：精确定位与切割的尖端设备

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」。

当电子束系统与FIB整合后，即成为双束聚焦离子显微镜（DB-FIB，Dual Beam FIB），同时具备扫描式电子显微镜（SEM）和FIB的功能。SEM能有效帮助定位目标区域，并提供高解析影像观察，而 FIB 则负责精确切割，不会破坏其他样品区域。这种双重功能让DB-FIB在半导体制程与分析中发挥关键作用，特别是在制备穿透式电子显微镜（TEM）的试片时，能以纳米级的精度进行切割。

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。

▲ 图七 利用 DB-FIB 精确定位切割，观察 SRAM 的截面结构。

精密观察SRAM结构的核心技术：TEM

要深入观察先进制程中的6T SRAM元件结构及其精细的制程层次，TEM（穿透式电子显微镜）或 STEM（扫描穿透式电子显微镜）是不可或缺的工具。TEM 利用 200KV 加速的电子束穿透厚度约 100nm 或更薄的试片，然后将信号投射到侦测器上，生成高分辨率的影像。对于现今的3nm制程、成熟制程，乃至未来的2nm和16Å（埃）制程节点，TEM始终是观察SRAM结构的重要检测分析方法，因其在空间分辨率及影像呈现方面的卓越表现。

通过TEM，我们能够清晰识别图一中所示的 6T SRAM 电路及其各部名称，真实结构得以一目了然。图八展示了平面式（Plan-view）STEM观察的先进制程6T SRAM，清楚呈现出六个晶体管的平面结构及其相对排列位置，包括接触点（Contact）、闸极（Gate）、鳍片（Fin）、隔离层（STI）等制程前段结构的平面布局。图八中的黄框标示出一个位（unit Cell）的 6T SRAM。图九则提供了截面式（Cross Section， XS）TEM 观察的影像，展现了部分晶体管的上下排列结构，包括接触点、闸极、鳍片及隔离层等制程前段的截面排列。

▲ 图八平面式（Plan-view）穿透式电子显微镜（TEM）观察先进制程的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） 观察先进制程的 6T SRAM 的部分晶体管结构。

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，实现对SRAM结构的有效而精确的观测方法。

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