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由材料荣威配件分析观点看英特尔14nm-14nm+演进

荣威配件    
2019年07月30日

由材料荣威配件分析观点看英特尔14nm/14nm+演进

贤集网电子元器件频道讯:半导体大厂英特尔(Intel)开创人之1戈登摩尔(GordonMoore)在1965年发表了1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1倍的规律发展,这个理论经过数次演化,成为半导体产业界奉为圭臬的“摩尔定律”(Moore’sLaw)。

为了使微处理器芯片更有效力地发展,本土原木英特尔指出,每次微缩工艺的更新与芯片微结构的升级,其推陈的时机应当错开,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1代微处理器芯片“工艺”上的更新,包括工艺升级蒸炒锅、缩小面积、下降功率消耗;而Tock则是在来年以Tick的芯起升机构片工艺基础流量仪表,更新其微处理器“架构”,例如导入新特性、新指令和提升整体效能等。

爬宠食品但是,这样的模式在2016年被英特尔自己打破,起因于14nm以后工艺微缩难度大幅提高,且工艺技术愈来愈施工接近物理极限,在此环境下,英特尔被迫修正提出“工混响器艺、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)。

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此策略另外一目的在于试图把目前看似落后的10nm阵线拉到2017年下半乃至更久,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1步分析其架构优化产品14nm和14nmplus(14nm+)两代间的差异直筒裤。

英特尔为14nmplus工艺调剂了部分技术(如图2所示),包括改良鳍片(Fin)的形貌、改变晶体管通滚珠轴承道间的应变,和整合设计与制造等,并宣称整安装体效能提高了12%。后续国内外许多文章报道中,多半以数据来讲明其工艺差异,但这较不容易1窥全貌。

最近几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钣金超薄试片,并以高分辨率的穿透式电子显微镜(TEM)影象分析技术,共同显现微小的纳米级差异,并以微区的能量收获机械散布光谱面分析结果(EDSmapping)为辅助,在图中以不同色彩显现各种元素,让读者得以连结形貌与成分二者间的关联,从而了解工艺的演进。

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,1般而言,4个为贮存单元,2个用于控制开关,通称6TSRAM。随着材料开发的演进,越小单位面积的6TSRAM可以在浴用具同1尺寸下植入更多的记忆单元,故6T滤篮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平面图视察(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10分接近,皆落在0.068um2上下,再从EDS成分分析(如图3c、3d所示)视察,也没有明显的材料更换。

比较二者的差异,推测虽然14nm到14nmplus搭载的晶体管数量没有明显更动,但却仍高出12%效能,内部应当有更细微的设计来主导效能的制药设备提升。

橡胶带内部互连尺寸微缩

虽然SRAM单元面积没有太大的变化,但藉由SEM视察垂直结构变化(如图4所示),可以得知14nmplus在工艺上整体厚度略微缩减了2~3%,内部互连的各层金属垂直排列更抓紧密以提升导线效能,但是这可能致使更严重的寄生电容和讯号延迟现象,推测英特尔在14nmplus的芯片中调剂了介电层材料,或在介电层中导入空气,有效下降整体介电常数以免相干问题。

FinFET结构与特性

进1步探讨两代工艺的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的影象中清楚显现N信道金属氧化半导体(NMOS)闸极横跨在鳍状硅基板的形貌,并藉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,这些改变提高整电梯空调体有效通阻尼辊筒道宽度(鳍片与闸极的接触面积),进而提升效能。

SiGe组成与应变

另外一个值得探讨的项目是硅锗(SiGe)扮演的角色。目前的工艺常常利用SiGe与Si的晶格常数差异产生应变,从而提高载子的迁移率,这使得逻辑组件在相同尺寸下,性能可以得到很大的及膝袜提升。图6(a)与(b)即是14nm和14nmplus平行鳍片方向闸极与SiGe部位的STEM影象及其EDS映像图。

如果单纯以影象来看,SiGe的面积尺寸并没有太大的变异,但是从成分分析的角度上,可以清楚看到14nm的SiGe应是1个过滤袋整体结构,成分浓度也显现均匀现象。有趣的是,14nmplus中的SiGe明显显现两种不同浓度的份成份布,相信在这个环节中英特尔导入了不1样的工艺方式,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。男士睡衣

闸极大小与形貌

另外一方面,根据在图6的视察发现,英特尔在新的工艺中改变闸极形貌,比较两代工艺,14nmplus的闸极深度更深,由本来的V型结构调剂成更接近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2⑶倍,即便宽度没有明确的缩减,这样的调剂推估亦可有效增加闸极效能。

结语

以材料分析观点视察英特尔14nmSkylake与14nmplusKabylake发现,在这两代工艺之间存在许多不同的地方,工艺上涂布胶辊众多细微的更动调剂,造就了最后的性能提升。

如今,后摩尔定律(PostMoo护士鞋reLaw)时期已来临,工艺微缩将会面临更多的挑战,此时工艺的“验证能力”在这场战争中已经是不可或缺的武器,如何精准地在几个纳米的差距中找到差异,绝对是致胜关键;面对更小更困难的工艺,材料分析的技术扮演着相当重要的角色,未来将跟随半导体工艺微缩的脚步,1起见碎冰机证下1个世代的来临。

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