故障分析
10.18
2024
AIチップに内蔵されている最も重要なメモリ-静的ランダムアクセスメモリSRAMの先進的なプロセス構造検査分析
AIチップとSRAM
生成型AI (Artificial Intelligence, 人工知能)の発展は第四次産業革命をもたらし、半導体の異種統合による3Dパッケージングとプロセスノードの微細化技術の革新を通じて、人々はAI時代の到来を目撃しています。そしてAIが使用するIC(Integrated Circuit, 集積回路)チップ、またはAIチップは、AIのハードウェアの核心です。TSMCの先進的なロジック技術は、単一チップ上に2000億個以上のトランジスタを実現しており、将来的には異種統合による3Dパッケージングを通じて、単体3DパッケージのAIチップ製品が1兆個を超えるトランジスタに達することが期待されています。このように複雑なIC回路の中で、AIチップの最も重要な内蔵メモリはSRAM(Static Random-Access Memory, 静的ランダムアクセスメモリまたは静的ランダムストレージ)です。この内蔵SRAMは、埋め込みSRAMとも呼ばれます。埋め込み用途のSRAMの重要性は二つの側面があります。(1) SRAMはしばしばAIチップの読み書きの最速のメモリキャッシュ(Register)およびキャッシュメモリ(Cache, または高速バッファストレージ)の主要メモリです。(2) さらにSRAMのプロセス構造は通常AIチッププロセスの中で最小のサイズおよび最も密集した領域です。サイズが小さいため、同じ面積内にチップが収容できるメモリの数が増え、相対的にコストが低下するため、SRAMのAIチップにおける地位は言うまでもありません。最先端のAIチップで使用されるプロセスノードは、3nmプロセスに入り、2025年および2026年には2nmおよび16A(エンジン)のプロセスノード製品が順次市場に登場する予定で、SRAMは依然としてAIチップの最も重要なメモリとなるでしょう。したがって、先進的なプロセスSRAM構造の分析は依然として重要な課題です。
SRAMの回路構造
SRAMは静的RAM（Random-Access Memory）とも呼ばれ、ランダムアクセスメモリの一種です。「静的」とは、このメモリが電源を保持している限り、保存されたデータが永続的に保持されることを指します。電力供給が停止すると、SRAMに保存されたデータは消失します（揮発性メモリと呼ばれます）。これは、停電後もデータを保存できるROM（read-only memory、読み出し専用メモリ）やフラッシュメモリ（Flash Memory）とは異なります。（参考資料[1]）
SRAMの回路構造は、トランジスタの数に基づいて4T/6T/8T/12Tなどの異なる設計が可能であり、6Tが最も一般的なSRAM設計です。6TのTはトランジスタ（電晶体）を表し、6Tは6個のMOS（Metal Oxide Semiconductor、金酸化物半導体）トランジスタを含むSRAMの基本単位を示します。6T SRAMの回路および各部の名称は図1の通りです。6個のトランジスタの中には、2つのPMOSと4つのNMOSが含まれています。6個のトランジスタは、異なる回路機能に応じてPU（Pull Up、上拉トランジスタ）、PD（Pull Down、下拉トランジスタ）、PG（Pass Gate、伝送ゲートトランジスタ）などの異なる要素機能名に分けられます。
図1 6T SRAMの回路と各部の名称。(参考資料[1])
WL: Word Line, ワードライン
BL: ビットライン, 位線
M1: 第一層金属接続（信号伝送）
M2~M6: M1に従って推測する
PU: Pull Up,プルアップトランジスタ
PD: プルダウン、プルダウントランジスタ
PG: パスゲート、伝送ゲートトランジスタ
VDD：D=device、デバイスの意味を示し、デバイス内部の動作電圧を指します。
VSS：S=series、共通接続を意味し、通常は回路の共通接地端電圧を指します。
埋め込みSRAM領域で一般的に使用される検査分析
一般的なAIチップの検査分析方法は多く、AIチップの検査分析は大きく分けて電気テスト（Electrical Testing）、電気故障分析（EFA, Electrical Failure Analysis）、物理故障分析（PFA, Physical Failure Analysis）に分類されます。PFAには表面分析（Surface Analysis）や化学分析（CA, Chemical Analysis）が含まれます。医学センターの検査に例えると、電気テストは健康診断に相当し、同様に進みます。図2に示すように、埋め込みSRAM領域でよく使用される検査分析は多岐にわたり、本稿ではSRAM構造の観察と分析についてさらに探討します。
図2 医療センターの検査とIC検査分析の比較
SRAM製造プロセス構造観察ツール
SRAMの主要な構造観察ツールには、OM（光学顕微鏡）、SEM（走査型電子顕微鏡）、DB-FIB（デュアルビーム集束イオンビーム顕微鏡）、TEM（透過型電子顕微鏡）が含まれます。これらの分析装置はAIチップ内のSRAMプロセス構造を観察することができますが、観察範囲は異なります。観察範囲は図3に示されています。選択された方法は、まずOMを使用して広い範囲を観察し、通常はチップ内の目標領域のおおよその位置を見つけます。その後、SEMまたはFIBを使用して、目標領域をさらに小さな範囲に絞ります。FIBとSEMを組み合わせることで、正確な位置特定と観察が可能になり、FIBはTEM試料の作製においても重要なツールです。もしSEM/FIBで最終目標がはっきり見えない場合は、最後にTEMまたはCs-TEMを使用して観察します。TEMはナノスケールの微小領域構造を観察できます。Cs-TEM（球面収差補正TEM）は、現在市場で0.5Å（オングストローム、100億分の1メートル）という空間分解能を達成できる装置であり、Cs-TEMは現在最も高い倍率を持つ装置です。また、SEMとTEMはEDS（エネルギー分散型X線分光法）と組み合わせて、微小領域の成分を分析することができます。
図3 OM/SEM/TEMと観察範囲
AIチップで埋め込みSRAM領域を見つける方法
SRAMはAIチッププロセスの中で最小のサイズと最も密集した領域であり、メモリは通常繰り返し配置されるため、これら2つの特徴を使用してSRAM領域を識別することには一定の実行可能性と信頼性があります。図4はOMを使用してチップを観察し、概ね埋め込まれたSRAM領域の範囲を識別したものです。一部のSRAM領域は青い枠で示されています。SRAMの概ねの領域を見つけることは、さらに精密な電気的サイズおよび物性分析に役立ちます。
OM以外に、IR（赤外線、または赤外光）顕微鏡とSEMも、埋め込みSRAM領域を広範囲に探すための一般的なツールです。埋め込みSRAM領域の範囲を特定する方法はOMと同じです。しかし、SEMはSRAMを確認するのが比較的容易な方法であり、OMは倍率が小さいため、時にははっきり見えないことがあります。
__26D20syyJj.png "4 (1)")
図4は、OMを使用してチップの埋め込みSRAM領域の範囲を観察したものです。一部のSRAM領域は青い枠で示されています。
SEMとVCの応用
SEMは、焦点を絞った電子ビームを使用して試料の表面をスキャンすることによって試料表面の画像を生成する電子顕微鏡であり、通常は100nm以上のサイズの構造を観察します。SEMの用途は多岐にわたります。SEMの主な目的は、試料の表面構造の観察です。また、SEMはナノプロービング（nano-probing）と組み合わせることで電気的測定を行うことができますが、この項目は本文では紹介しません。SEMとFIB（集束イオンビーム）を組み合わせたものがDB-FIBであり、次の章で議論します。ここで紹介するのはVC（電圧コントラスト）です。VCによる位置特定技術は、SEMまたはFIBの一次電子ビームまたはイオンビームを使用して試料表面をスキャンし、チップ表面の異なる部位が異なる電位を持つことを利用します。SEMスキャン後、試料表面の異なる領域は異なる明るさのコントラストを示し、これをVCと呼びます。VCの原理については資料[2]を参照してください。
SRAMはPMOS領域とNMOS領域を含んでいます。特定の電圧で操作する際、通常SEMスキャンはICのビア(Via)または接触窓(Contact)領域でVC効果が見られます。低電圧で操作する場合、SEMで観察されるPMOS領域のビア/接触の明るさが最も明るく、NMOS領域のビア/接触の明るさは次に明るく、もし構造位置がゲートレベルのビア/接触にある場合、その領域は最も暗くなります。図5はSRAMの接触領域でのSEMスキャンによって引き起こされる異なる明暗のコントラストを示しています。
図5 SEMスキャンはSRAMのコンタクト領域に異なる明暗のコントラストを生じさせる。
DB-FIBは精密位置決め切断装置です。
フォーカスイオンビーム顕微鏡(FIB, Focus Ion Beam)は、ガリウム(Ga)金属をイオン源として使用し、ガリウムの融点は29.76°Cで、このときの蒸気圧は«10-13 Torrで、真空下での操作に適しています。使用時には、液体のガリウムがフィラメントに沿って針先に流れ、外部電場が針先の液体ガリウムを臨界半径未満の曲率半径を持つ円錐体（テイラーコーン）に引き伸ばすほど強くなると、ガリウムがイオン化されて噴出し、ガリウムイオンビームが形成されます。このイオン源は10 nm未満、エネルギー分散は約4.5 eV、輝度は約106 A/cm2.srであるため、非常に精密なナノ構造加工ツールとして使用でき、ナノ彫刻刀とも呼ばれます。フォーカスイオンビーム顕微鏡には電子ビームシステムも装着でき、いわゆるデュアルビームフォーカスイオン顕微鏡（Dual Beam FIB）が形成され、走査型電子顕微鏡(SEM)とフォーカスイオンビーム顕微鏡(FIB)を兼ね備えています。電子ビームを使用してターゲット領域を探し、画像を観察し、イオンビームでターゲット領域を精密に切断し、他のサンプル構造を破壊することなく、ナノレベルの精密な位置決めと切断、TEM試料薄片の製作を行うことができます。DB-FIBの機械は図3を参照してください。DB-FIBのSEM(Eビーム)とFIB(iビーム)とサンプルの相対位置の示意図は図6の通りです。図7はDB-FIBを用いてSRAMの断面構造を精密に切断して観察したものです。図中では、工芸前段区(FEOL, Front End Of Line)と工芸後段区(BEOL, Back End Of Line)を同時に観察できます。
-
図6 DB-FIBのSEM(Eビーム)とFIB(iビーム)とサンプルの相対位置の示意図。 -
図7 DB-FIBを利用して正確に切断位置を特定し、SRAMの断面構造を観察する。
TEMはSRAMプロセスの層を観察するための重要な方法です。
先進な技術の6T SRAMのデバイス構造や精密プロセスレベルを観察するには、TEM（透過型電子顕微鏡）またはSTEM（走査透過型電子顕微鏡）を使用する必要があり、これによって詳細を見ることができます。TEMは200KVで加速された電子ビームが薄い試料（厚さ約100nmまたはそれ以下）を透過し、検出器に投影された信号を写真として表現します。現在の3nmプロセスや成熟したプロセス、また将来の2nmおよび16A（オングストローム）のプロセスノードにおいて、TEMはSRAM構造を観察するための最も重要な検査分析方法であり、TEMは最適な空間分解能と写真表現方式を持っています。
図1に見られる6T SRAMの回路および各部名称は、TEMを用いて実際の構造がどのようなものであるかを明確に見ることができます。図8は平面式（Plan-view）STEMで先進工芸の6T SRAMを観察したもので、6つのトランジスタの平面構造および相対的な配置位置を観察できます。これにはContact、Gate、Fin、STIなどの工芸前段構造の平面配置が含まれます。図8の黄色い枠の部分は1つのユニット（unit Cell）の6T SRAMです。図9は断面式（Cross Section, XS）TEMで先進工芸の6T SRAMの一部トランジスタ構造を観察したもので、トランジスタの上下に配置された形状構造を確認できます。これにはContact、Gate、Fin、STIなどの工芸前段構造の断面配置が含まれます。
-
__26D20wflY3.png "8 (1)")
図8 平面式(Plan-view) 穿透型電子顕微鏡(TEM)で先進工芸の6T SRAMを観察したもので、黄枠の部分が1つのビット(unit Cell)の6T SRAMです。 -
図9 断面式(Cross Section, XS) 貫通型電子顕微鏡(TEM)で観察した先進プロセスの6T SRAMの一部トランジスタ構造
結論
SRAMの構造観察は、AIチップの検査分析において重要な一環です。本稿では、OM、SEM、TEMなどを用いてSRAM構造を段階的に観察する方法を示します。主に広範囲の低倍率のOM観察から、最高倍率および最小範囲のTEMまで、図文や写真を利用してSRAMの重要な構造と名称を紹介し、SRAM構造を効果的かつ正確に観察する方法を実現します。
MA-tekは最先端のAIチップ検査分析を提供します。
MA-tekは世界初の半導体分析ラボです。世界で最も多く、最も完全な材料分析、故障分析、信頼性分析装置を備えています。技術能力は、現在の最先端ICプロセスを分析するだけでなく、今後5〜10年またはそれ以降のさらに先進的なプロセスおよびデバイス分析能力も含まれています。
Reference:
[1] https:// zh.wikipedia.org/zh-tw/静态随机存储器
[2] V.G. Dyukov, S. A. Nepijko, Gerd Schoenhense, 電圧コントラストモードに関する走査型電子顕微鏡とその応用, 2016年8月, 画像および電子物理学の進展。
