由材料分析观点看英特尔14nm/14nm+演进

以材料分析观点观察英特尔14nm Skylake与14nm plus Kabylake发现，在这两代制程之间存在许多不同之处，制程上众多细微的更动调整，造就了最后的性能提升

半导体大厂英特尔(Intel)创始人之一高登‧摩尔(Gordon Moore)在1965年发表了一篇文章，提出了积体电路上可容纳的电晶体数量，将以每24个月增加一倍的规律发展，这个理论经过数次演变，成为半导体产业界奉为圭臬的“摩尔定律”(Moore’s Law)。

为了使微处理器芯片更有效率地发展，英特尔指出，每一次微缩制程的更新与芯片微结构的升级，其推陈的时机应该错开，因此于2007年提出Tick-Tock(命名源于钟摆声音)的策略模式，其中Tick代表着一代微处理器芯片[制程]上的更新，包含制程升级、缩小面积、降低功率消耗；而Tock则是在隔年以Tick的芯片制程基础，更新其微处理器[架构]，例如导入新特性、新指令以及提升整体效能等。

然而，这样的模式在2016年被英特尔自己打破，起因于14nm之后制程微缩难度大幅提高，且制程技术越来越接近物理极限，在此环境下，英特尔被迫修正提出“制程、架构、最佳化”(P.A.O.)的新策略模式(如图1所示)；而目前英特尔市面上推出的14nm制程产品，对应这3个世代的微处理器名称分别为Broadwell(P)、Skylake(A)、Kabylake(O)。

图1：英特尔的市场策略模式演进：左为Tick-Tock，右为P.A.O.架构 （资料来源：Intel Developer Forum 2016）

此策略另一目的在于试图把目前看似落后的10nm战线拉到2017年下半甚至更久，就在这个10nm制程大战开始前夕，本文将以材料分析的观点，切入英特尔的14nm制程技术，进一步分析其架构最佳化产品14nm以及14nm plus (14nm+)两代间的差异。

英特尔为14nm plus制程调整了部份技术(如图2所示)，包括改善鳍片(Fin)的形貌、改变电晶体通道间的应变，以及整合设计与制造等，并宣称整体效能提高了12%。后续国内外许多文章报导中，多半以数据来说明其制程差异，但这较不易一窥全貌。

近年来材料分析技术日新月异，本文将利用独特的制程技术制备超薄试片，并以高解析度的穿透式电子显微镜(TEM)影像分析技术，共同呈现微小的奈米级差异，并以微区的能量散布光谱面分析结果(EDS mapping)为辅助，在图中以不同颜色呈现各种元素，让读者得以连结形貌与成份两者间的关联，从而了解制程的演进。

图2：英特尔14nm plus制程改善 （资料来源: Intel Developer Forum 2016）

SRAM大小及密度

静态随机存取记忆体(SRAM)元件的电路结构为6个电晶体(6T)组成，一般而言，4个为储存单元，2个用于控制开关，通称6T SRAM。随着材料开发的演进，越小单位面积的6T SRAM可以在同一尺寸下植入更多的记忆单元，故6T SRAM单元面积通常被视为衡量制程优劣的重要因子。我们针对高性能SRAM区域进行TEM平面图观察(如图3a、3b所示)，比较两代产品的高性能SRAM差异时发现，每单元大小均十分接近，皆落在0.068um2上下，再从EDS成份分析(如图3 c、3d所示)观察，也没有明显的材料更换。比较两者的差异，推测虽然14nm到14nm plus搭载的电晶体数量没有明显更动，但却仍高出12%效能，内部应该有更细微的设计来主导效能的提升。

图3：(a)14nm SRAM区域的TEM影像；(b)14nm plus SRAM区域的TEM影像；(c)14nm SRAM区域的EDS映射图；(d)14nm plus SRAM区域的EDS映射图 （来源：泛铨科技）

内部互连尺寸微缩

虽然SRAM单元面积没有太大的变化，但借由SEM观察垂直结构变化(如图4所示)，可以得知14nm plus在制程上整体厚度稍微缩减了2~3%，内部互连的各层金属垂直排列更加紧密以提升导线效能，然而这可能导致更严重的寄生电容以及讯号延迟现象，推测英特尔在14nm plus的芯片中调整了介电层材料，或者在介电层中导入空气，有效降低整体介电常数以避免相关问题。

图4：14nm金属内部互连的SEM影像：(a)14nm；(b)14nm plus （资料来源：泛铨科技）

FinFET结构与特性

进一步探讨两代制程的Fin结构进展，高解析的穿透式电子显微镜发挥极佳的解像力，从图5的影像中清楚呈现N通道金属氧化半导体(NMOS)闸极横跨在鳍状矽基板的形貌，并借量测指出鳍片线宽尺寸间距由8nm缩小到7nm，鳍片高度由42nm提升至46nm，这些改变提高整体有效通道宽度(鳍片与闸极的接触面积)，进而提升效能。

图5：(a)14nm与(b)14nm plus平行闸极方向之FinFET结构TEM影像，以及其鳍片间距、线宽与高度之示意图 （来源：泛铨科技）

SiGe组成与应变

另一个值得探讨的项目是矽锗(SiGe)扮演的角色。目前的制程经常利用SiGe与Si的晶格常数差异产生应变，从而提高载子的迁移率，这使得逻辑元件在相同尺寸下，性能可以得到很大的提升。图6(a)与(b)即是14nm以及14nm plus平行鳍片方向闸极与SiGe部位的STEM影像及其EDS映射图。如果单纯以影像来看，SiGe的面积尺寸并没有太大的变异，但是从成份分析的角度上，可以清楚看到14nm的SiGe应是一个整体结构，成份浓度也呈现均匀现象。有趣的是，14nm plus中的SiGe明显呈现两种不同浓度的份成分布，相信在这个环节中英特尔导入了不一样的制程方式，推测可以得到更大应变的SiGe，使得载子的迁移率能更有效地提升。

图6：(a)14nm与(b)14nm plus平行Fin方向闸极与SiGe结构，以及其EDS元素分布映射 （资料来源：泛铨科技）

闸极大小与形貌

另一方面，根据在图6的观察发现，英特尔在新的制程中改变闸极形貌，比较两代制程，14nm plus的闸极深度更深，由原先的V型结构调整成更接近U型深厚扎实的闸极结构，填入钨(W)金属的尺寸深度差距将近2-3倍，即使宽度没有明确的缩减，这样的调整推估亦可有效增加闸极效能。

结语

以材料分析观点观察英特尔14nm Skylake与14nm plus Kabylake发现，在这两代制程之间存在许多不同之处，制程上众多细微的更动调整，造就了最后的性能提升。如今，后摩尔定律(Post Moore Law)时代已经来临，制程微缩将会面临更多的挑战，此时制程的[验证能力]在这场战争中已是不可或缺的武器，如何精准地在几个奈米的差距中找到差异，绝对是致胜关键；面对更小更困难的制程，材料分析的技术扮演着至关重要的角色，未来将跟随半导体制程微缩的脚步，一起见证下一个世代的来临。