本文以材料分析角度，探討在iPhone 8的Bionic與Galaxy S8的Exynos8895芯片中SRAM區(qū)域與FinEFT制程的差別，并分析技術呈現(xiàn)納米級尺寸及其選用材料的差異，進一步了解臺積電與三星的10nm制程。

　　智能型手機的普及，大大地改變了現(xiàn)代人們的生活方式，言猶在耳的那句廣告詞——“科技始終來自于人性”依舊適用，人們對于智能型手機的要求一直是朝向更好、更快以及更省電的目標。就像2015年發(fā)生的iPhone 6芯片門事件，每個蘋果(Apple)產品的消費者一拿到手機時，都迫不及待地想要知道自己的手機采用的是臺積電(TSMC，16nm)或是三星(SAMSUNG，14nm)的芯片。

　　這場戰(zhàn)役兩家大廠互有消長，首先是三星的14nm較臺積電的16nm搶先半年投入量產，因兩家大廠的鰭式電晶體(FinFET)設計也確有雷同之處，后續(xù)又衍生了競業(yè)禁止官司訴訟等故事，無論如何，最終臺積電還是以些許性能優(yōu)勢擊敗三星，并使其16nm制程于隔年獨拿了Apple的A10處理器(iPhone 7)訂單。

　　2017年，三星卷土重來，自主設計了10nm技術制程的Exynos8895 (名稱源于希臘單詞Exypnos和Prasinos，分別意為智能和環(huán)保)，搭載于自家旗艦機Galaxy S8上，宣稱與上一代14nm制程相較性能提高了27%、功耗降低40%。另一方面，臺積電的10nm產品A11 Bionic于今年iPhone 8發(fā)表會上亮相，Apple副總裁Phil Schiller對該芯片做了短短一句評價：“智能型手機歷來最強大、最聰明的芯片”(The most powerful and smartest chip ever in a smartphone)。

　　于此人們又有新的議題可以討論，兩家世界級半導體廠究竟在新的10nm世代孰強孰弱呢？眾多的分析平臺都針對兩家的產品進行了評比，例如，圖1是知名跑分評測網站Geekbench針對兩家芯片進行的比較，我們可以看到臺積電的A11芯片效能分數，無論是單核心的4216分或多核心的10101分，分別都優(yōu)于三星Exynos8895的1957與6433分，后續(xù)亦有許多文章或平臺以各種數據說明兩家大廠產品的規(guī)格品項差異。

　　圖1：Geekbench網站提供的效能參考：i8 vs. S8

　　本文則從另一個角度出發(fā)，以材料分析的方式一探iPhone 8的Bionic (以下簡稱i8)以及Galaxy S8的Exynos8895 (以下簡稱S8)兩款芯片中靜態(tài)隨機存取記憶體(SRAM)區(qū)域與FinEFT制程的差別，輔以高解析度的穿透式電子顯微鏡(TEM)影像分析技術，呈現(xiàn)納米級尺寸差異的影像，并以微區(qū)的能量散布光譜映射分析結果(EDS mapping)，解釋兩家選用材料的差別，讓讀者得以連結形貌與成份二者間的關聯(lián)，從而了解兩家大廠的10nm制程。

　　SRAM大小與密度

　　我們曾經在《電子工程專輯》期刊中發(fā)表“由材料分析觀點看英特爾14nm/14nm+演進”一文，比較英特爾(Intel)的14nm及14nm+6T SRAM差異。6T SRAM單元面積越小，顯示在同樣尺寸大小的元件可以植入更多的記憶體單元。圖2是2017年初英特爾指出14nm跨入10nm時，同樣大小的邏輯區(qū)域會增加2倍以上的記憶體單元，故6T SRAM單元面積通常被視為衡量制程優(yōu)劣的重要因素。

　　圖2：英特爾指出SRAM密度與線寬發(fā)展的關系

　　圖3a、3b分別指出iPhone 8 (i8)以及Galaxy S8 (S8)之芯片SRAM區(qū)域的STEM影像俯視圖，我們可以發(fā)現(xiàn)i8制程中的鰭片間距(Fin pitch)較S8的小，進而影響了6T SRAM的單元面積，i8的面積為0.040um2，遠遠小于S8的0.049um2，然而圖3c、3d顯示兩者在制程上并無材料選擇上的差異，所以相信i8整體效能勝出，與其邏輯區(qū)域搭載單元數量有相對之關系(若SRAM整體區(qū)域大小相同的狀況下，i8搭載的記憶單元數量將是S8的1.25倍)。

　　圖3：(a)i8 SRAM區(qū)域的STEM影像；(b)S8 SRAM區(qū)域的STEM影像；(c)i8 SRAM區(qū)域的EDS影像圖；以及(d)S8 SRAM區(qū)域的EDS影像圖

　　FinFET結構與特性

　　進一步看看兩者間鰭片結構的差異，透過TEM的影像以及EDS影像，我們可以解析其極細微的差異，圖4a、4b呈現(xiàn)的是i8以及S8中鰭式矽基板的形貌，包含了N型(N-Fins)以及P型(P-Fins)結構。

　　圖4：(a)i8 FinFET結構的TEM影像；(b)S8 FinFET結構的TEM影像；(c)i8 FinFET結構的EDS影像圖；以及(d)S8 FinFET結構的EDS影像圖

　　兩者的設計間存在著一些差異：首先，i8的N-Fins結構有二分之一的底部是相連的，這里跟S8的每個鰭片彼此間有很大的不同；表1統(tǒng)整了一些N-Fins的指標性尺寸，在這里我們可以發(fā)現(xiàn)兩家的制程設計走向不一樣的路線，S8致力于增加與閘極接觸的鰭片高度(Fin High)與鰭片寬度(Fin Width)，因此S8在這兩個數字上都是略勝i8的，這個設計完全符合FinFET增加通道面積的概念。雖然i8可能在通道面積上略小于S8，但其鰭片間距卻比S8小非常多，因此我們認為i8除了增加通道面積外，也兼顧縮小單元面積大小，因而能大幅增加SRAM單元數量。

　　表1：鰭片的高度、寬度與間距差異：i8 vs. S8

　　另一方面是材料的選擇，從圖4c、4d的EDS影像顯示，兩種10nm的FinFET成份組成是大同小異的，而且也沒有出現(xiàn)跟以往不同的新材料，但是，i8在P-Fins的設計上有一個較獨特的地方，我們發(fā)現(xiàn)了明顯的鍺(Ge)訊號出現(xiàn)在鰭片上，而且整整涵蓋了三分之一的鰭片，意即i8直接將鍺元素添加于P-Fins結構中；而對照S8的設計，在P-Fins結構的頂端也可觀察到鍺訊號，但是非常微弱，而且只占整體十分之一的鰭片長。

　　在2016年IEEE國際電子元件會議(International Electron Device Meeting，IEDM)的一篇文章‘Setting the Stage for 7/5 nm’中提及，在鰭片中添加鍺確實能夠有效地提升電洞的遷移率，而且三星、GLOBALFOUNDRIES、IBM皆已計劃在7nm制程中使用，目前各廠尚未量產或大量添加，原因可能是尚未完全克服添加鍺后形成的錯位跟缺陷，但我們的確看到臺積電已經在10nm量產中使用此技術領先群雄。

　　SiGe組成與應變

　　在目前的制程中，磊晶所生長的矽鍺(SiGe)結構系利用矽鍺與矽之間晶格常數差異產生應變，從而提高載子的遷移率，這使得邏輯元件在相同尺寸下，性能可以得到很大的提升。為了讓讀者一窺SiGe全貌，我們準備一個極薄(依照圖5中閘極下緣high-k材料的邊界及其下方的鬼影判斷，我們制備的樣品寬度為一個鰭片左右，約5~10nm)的樣品來觀察鰭片上方磊晶的SiGe結構。

　　圖5：(a)i8與(b)S8平行鰭片方向閘極與SiGe結構；(c)i8與(d)S8 SiGe結構處的EDS元素分布圖

　　圖5即是在i8與S8平行P-Fins方向上觀察到閘極與SiGe部位的高角度環(huán)形暗場(HAADF)影像及其EDS mapping影像。我們可以因此推敲一些設計細節(jié)：i8所使用接觸SiGe的金屬觸點W為多段設計，但S8卻是一整塊的W材料；另一方面，比較SiGe的大小面積，即可看到S8的SiGe相對面積較小，可能在制程的過程中有較大的SiGe損耗，這一點在i8中可以看到其SiGe整體結構優(yōu)于S8的表現(xiàn)。最后，在HAADF影像及EDS成份分析，則可觀察到兩者的SiGe皆呈現(xiàn)兩個不同濃度的成份分布，中心與外層的鍺濃度不相同，而這個設計最早在英特爾的14nm+時已經觀察到了，相信濃度變化的SiGe應可導致更大的應變，使得載子的遷移率能夠有效地提升。

　　金屬連線與尺寸微縮

　　最后使用SEM觀察整體SRAM金屬連線的狀況(圖6)，在此可以清楚地看到i8在這個部份遠遠勝過S8，粗估M1至M11，i8的尺寸就比S8將近少了300nm，在這個金屬連線迅速降低的情況下，相對而言即是帶來寄生電容及訊號延遲(RC-delay)的現(xiàn)象。RC-delay的影響因子如下： 20180209_10nm_NT31F1

　　ρ= 互連導線電阻值

　　ε= 圍繞導線的介電材料之介電常數

　　L= 金屬互連的長度

　　W= 寬度或互連的間隔

　　在導線距離W迅速減少的情況下，為了降低RC-delay的方法有二，第一為更換更低電阻的導線材料，這一點在日前于舊金山舉行的IEDM 2017上，英特爾透露其10nm的制程節(jié)點細節(jié)，他們將為最底部的兩互連層更換新材料——鈷(cobalt)，這個部份的細節(jié)將在日后進一步揭露；第二即是使用更低介電常數的材料做為low-k層。本文在i8與S8的討論中，并沒有發(fā)現(xiàn)到金屬導線材料的更新，所以我們推斷i8所使用的low-k材料可能也優(yōu)于S8，才能在尺寸最佳化300nm的情況下，依然保持高效能。

　　圖6：10nm制程金屬內連結的SEM影像：(a) i8與(b)S8

　　結語

　　根據i8與S8的FinFET比較，以筆者的角度觀察，S8規(guī)規(guī)矩矩地走向尺寸微縮，以及增加通道面積的方向，但是i8在這個架構概念下增加了更多的巧思，提升了整體邏輯區(qū)的密度，同時也在制程中添進了一些極微小的差異來改善效能。

　　透過進一步的材料分析，就能幫助制程端以及讀者發(fā)現(xiàn)并了解這些極小的差異。正所謂“見微知著”，小小的一個SRAM區(qū)域就已經藏在許多設計上的小細節(jié)，而且最后的勝負就來自于這些每一個小細節(jié)的累積。

　　因應10nm以下的制程即將開打，制程端在微縮尺寸將會面臨更多的挑戰(zhàn)，此時制程的驗證能力，如何精準地提供在幾個納米間的差距，絕對是致勝的關鍵。借由材料分析帶來的強大驗證武器，將成為制程端以及讀者的眼睛，并一起投入接下來的每一個戰(zhàn)場。