三星电容规格 换个角度看台积电和三星的10nm 大战(2)

进一步看看两者间鳍片结构的差异，透过TEM的影像以及EDS影像，我们可以解析其极细微的差异，图4a、4b呈现的是i8以及S8中鳍式矽基板的形貌，包含了N型(N-Fins)以及P型(P-Fins)结构。

两者的设计间存在着一些差异：首先，i8的N-Fins结构有二分之一的底部是相连的，这里跟S8的每个鳍片彼此间有很大的不同；表1统整了一些N-Fins的指标性尺寸，在这里我们可以发现两家的制程设计走向不一样的路线，S8致力于增加与闸极接触的鳍片高度(Fin High)与鳍片宽度(Fin Width)，因此S8在这两个数字上都是略胜i8的，这个设计完全符合FinFET增加通道面积的概念。虽然i8可能在通道面积上略小于S8，但其鳍片间距却比S8小非常多，因此我们认为i8除了增加通道面积外，也兼顾缩小单元面积大小，因而能大幅增加SRAM单元数量。

另一方面是材料的选择，从图4c、4d的EDS影像显示，两种10nm的FinFET成份组成是大同小异的，而且也没有出现跟以往不同的新材料，但是，i8在P-Fins的设计上有一个较独特的地方，我们发现了明显的锗(Ge)讯号出现在鳍片上，而且整整涵盖了三分之一的鳍片，意即i8直接将锗元素添加于P-Fins结构中；而对照S8的设计，在P-Fins结构的顶端也可观察到锗讯号，但是非常微弱，而且只占整体十分之一的鳍片长。

在2016年IEEE国际电子元件会议(International Electron Device Meeting，IEDM)的一篇文章Setting the Stage for 7/5 nm中提及，在鳍片中添加锗确实能够有效地提升电洞的迁移率，而且三星、GLOBALFOUNDRIES、IBM皆已计画在7nm制程中使用，目前各厂尚未量产或大量添加，原因可能是尚未完全克服添加锗后形成的错位跟缺陷，但我们的确看到台积电已经在10nm量产中使用此技术领先群雄。

在目前的制程中，磊晶所生长的矽锗(SiGe)结构系利用矽锗与矽之间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。为了让读者一窥SiGe全貌，我们准备一个极薄(依照图5中闸极下缘high-k材料的边界及其下方的鬼影判断，我们制备的样品宽度为一个鳍片左右，约5~ 10nm)的样品来观察鳍片上方磊晶的SiGe结构。

图5即是在i8与S8平行P-Fins方向上观察到闸极与SiGe部位的高角度环形暗场(HAADF)影像及其EDS mapping影像。我们可以因此推敲一些设计细节：i8所使用接触SiGe的金属触点W为多段设计，但S8却是一整块的W材料；另一方面，比较SiGe的大小面积，即可看到S8的SiGe相对面积较小，可能在制程的过程中有较大的SiGe损耗，这一点在i8中可以看到其SiGe整体结构优于S8的表现。最后，在HAADF影像及EDS成份分析，则可观察到两者的SiGe皆呈现两个不同浓度的成份分布，中心与外层的锗浓度不相同，而这个设计最早在英特尔的14nm+时已经观察到了，相信浓度变化的SiGe应可导致更大的应变，使得载子的迁移率能够有效地提升。三星电容规格

最后使用SEM观察整体SRAM金属连线的状况(图6)，在此可以清楚地看到i8在这个部份远远胜过S8，粗估M1至M11，i8的尺寸就比S8将近少了300nm，在这个金属连线迅速降低的情况下，相对而言即是带来寄生电容及讯号延迟(RC-delay)的现象。RC-delay的影响因子如下：

在导线距离W迅速减少的情况下，为了降低RC-delay的方法有二，第一为更换更低电阻的导线材料，这一点在日前于旧金山举行的IEDM 2017上，英特尔透露其10nm的制程节点细节，他们将为最底部的两互连层更换新材料——钴(cobalt)，这个部份的细节将在日后进一步揭露；第二即是使用更低介电常数的材料做为low-k层。本文在i8与S8的讨论中，并没有发属导线材料的更新，所以我们推断i8所使用的low-k材料可能也优于S8，才能在尺寸最佳化300nm的情况下，依然保持高效能。

根据i8与S8的FinFET比较，以笔者的角度观察，S8规规矩矩地走向尺寸微缩，以及增加通道面积的方向，但是i8在这个架构概念下增加了更多的巧思，提升了整体逻辑区的密度，同时也在制程中添进了一些极微小的差异来改善效能。

透过进一步的材料分析，就能帮助制程端以及读者发现并了解这些极小的差异。正所谓「见微知著」，小小的一个SRAM区域就已经藏在许多设计上的小细节，而且最后的胜负就来自于这些每一个小细节的累积。

因应10nm以下的制程即将开打，制程端在微缩尺寸将会面临更多的挑战，此时制程的验证能力，如何精准地提供在几个纳米间的差距，绝对是致胜的关键。藉由材料分析带来的强大验证武器，将成为制程端以及读者的眼睛，并一起投入接下来的每一个战场。

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