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对比以材料分析观点看英特尔两代14nm制

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来源: 作者: 2018-10-26 13:19:42

【对比】以材料分析观点看英特尔两代14nm制程的演进

导读:

以材料分析观点观察英特尔14nm Skylake与14nm plus Kabylake发现,在这两代工艺之间存在许多不同之处,工艺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)创始人之一戈登?摩尔(Gordon Moore)在1965年发表了一篇文章,提出了集成电路上可容纳的晶体管数量,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,每一次微缩工艺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“工艺”上的更新,包含工艺升级、缩小面积、降低功率消耗;而Tock则是在来年以Tick的芯片工艺基础,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之后工艺微缩难度大幅提高,且工艺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“工艺、架构、优化”(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工艺产品,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 (数据源: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工艺大战开始前夕,本文将以材料分析的观点,切入英特尔的14nm工艺技术,进一步分析其架构优化产品14nm以及14nm plus (14nm+)两代间的差异。英特尔为14nm plus工艺调整了部份技术(如图2所示),包括改善鳍片(Fin)的形貌、改变晶体管通道间的应变,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工艺差异,但这较不易一窥全貌。近年来材料分析技术日新月异,本文将利用独特的工艺技术制备超薄试片,并以高分辨率的穿透式电子显微镜(TEM)影像分析技术,共同呈现微小的纳米级差异,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,从而了解工艺的演进。图2:英特尔14nm plus工艺改善 (数据源: Intel Developer Forum 2016)SRAM大小及密度静态随机存取内存(SRAM)组件的电路结构为6个晶体管(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工艺优劣的重要因子。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搭载的晶体管数量没有明显更动,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映像图;(d)14nm plus SRAM区域的EDS映像图 (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,但藉由SEM观察垂直结构变化(如图4所示),可以得知14nm plus在工艺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 (数据源:泛铨科技)

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