三星(Samsung)即將量產用于其Exynos8SoC的14奈米(nm)LowPowerPlus(LPP)制程，這項消息持續引發一些產業媒體的關注。三星第二代14nmLPP制程為目前用于其Exynos7SoC與蘋果(Apple)A9SoC的第一代14nmLowPowerEarly(LPE)制程提供了進一步的更新。
業界目前共有三座代工廠有能力制造這種鰭式場效電晶體(FinFET)：英特爾(Intel)、三星和臺積電(TSMC)。TechInsights曾經在去年五月剖析用于Exynos7420SoC的三星14nmLPE制程，當時在討論這項用于制造電晶體的制程技術時仍有所限制。而今，在幾乎過了一年后，大家已經開始討論三星的升級版14nmLPPFinFET制程了。
然而，預計要到今年春季末取得三星的Exynos8890SoC或高通(Qualcomm)的Snapdragon820SoC樣本后，才可能完全掌握這項制程技術的細節。不過，我們可以進一步揭密用于Exynos7420SoC的更多14nmLPE制程技術細節，同時也有助于預期下一代LPP制程的新進展。
我們從觀察典型三星14nmLPEFinFET電晶體的SEM側視圖開始(圖1)。電晶體通道如同矽鰭片(SiFin)般地形成，而非由圖片的左下角向右上方生長。這些鰭片被埋在電介質下方而無法直接看到，因此，我們以箭號指示其方向。金屬閘就位于正交方向，覆蓋在整個鰭片的兩側與頂部。在閘電極的任一側可看到較大的源極與汲極(S/D)觸點。
圖1：三星14nmLPEFinFET電晶體的側視SEM圖
（來源：TechInsights）
也許從另一張三星FinFET電晶體的平面圖(圖2)中能更清楚的看到閘極與鰭片的布局。四片矽鰭以垂直的方向排列在水平方向的金屬閘極正下方。這兩種電晶體結構周圍都圍繞著一個阱觸環，用于隔離其與晶片上的其他電路部份。
該鰭片間距約有49nm，必須采用雙重圖案制程來制造。在此提供了兩種選擇：英特爾所使用的‘雙微影蝕刻’(LELE)，或是‘自對準雙微影圖案法’(SADP)。我們認為三星采用了LELE制程為鰭片制圖，但最后還需要額外使用光罩與微影制程，才能中斷電晶體的兩端。
圖2：三星14nmFinFET電晶體的平面圖
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圖3是Exynos7420所使用的典型NMOS電晶體之TEM橫截面圖，而且我們還注意到閘極長度經測量約有30nm，這跟所宣稱的14nm制程節點差距頗多，而在表1中所整理的英特爾和臺積電的情況也是一樣的。稍后我們將進一步討論這個問題。
電晶體閘極使用替代性閘極制程制造，包括沈積犧牲層(通常為多晶矽)、圖案化與蝕刻，形成大約30個較寬的條形(stripe)區域。這些條形區域可定義出電晶體閘極長度。
圖3：三星Exynos7420的NMOS電晶體橫截面圖
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接著，側壁間隔層(SWS)沿著閘極側面形成，并且用于作為掘入蝕刻定義及隨后的外延生長——為NMOS電晶體(eSi)生長矽，以及為PMOS電晶體生長矽鍺(eSiGe)等。在完全形成源極/汲極后，以氧化物填充腔室，接著再進行化學機械研磨(CMP)制程。
PMOS源極/汲極區域的SiGe具有圍繞矽鰭的較大晶格常數，因而在PMOS電晶體上產生壓縮應變，從而提高其驅動電流。大量摻雜的SiGe與NMOSeSi源極/汲極也包覆在鰭片兩側，為鎢填充的觸點提供較大的接觸貼片，從而為電晶體實現更低的接觸電阻。
圖4：三星14nm節點的PMOS電晶體管
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在此移除該犧牲層閘極，并以其閘電介質與金屬填充該閘極。圖5顯示金屬填充的NMOS與PMOS電晶體，兩個閘極就位于隔離區域的正上方。這些電晶體共用一個通用的氧化鉿(HfO)/氧化物高k閘極電介層堆疊。高密度的HfO隨電晶體邊緣外圍繞的暗帶襯托而清楚顯現。閘極氧化層則環襯在HfO的表面之外。
HfO的內面則環襯著NMOS與PMOS功函數金屬層，用于設定電晶體的閾值電壓，這些金屬分別擁有不同的組成。
閘極填充部份也有一點不同。從圖中可看到NMOS電晶體的內層部份襯著氧化鈦(TiN)，再以鎢(W)填充，但PMOS電晶體則不然。閘極長度較短的PMOS電晶體并未使用鎢填充，原因在于TiN封閉閘極頂部，無法再為其填充鎢；而這也導致靠近底部的部份形成真空。在閘極長度較長的PMOS電晶體由于TiN未封閉閘極頂部，因而會再度出現鎢填充。
圖5：虛擬NMOS和PMOS電晶體
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我們在前面曾經提到三星的FinFET電晶體較所描述的制程節點長度更長，但并不是只有三星如此。包括英特爾與臺積電所支援的FinFET閘極長度也比其制程節點更長(如表1)。事實上，以微影尺寸的方式來看，與其所宣稱的制程節點也不盡相同。這究竟是怎么一回事？
表1：三星、英特爾與臺積電的電晶體尺寸比較
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圖6提供了一個線索。透過圖6分別描繪出針對幾個先進邏輯元件所測得的實體層閘極長度、制造商所宣稱的制程節點，以及電晶體的接觸閘間距。電晶體以130nm節點進行制造時，較大的閘極長度更接近制程節點。但從110nm到65nm，閘極長度微縮的速度較制程節點更快速，也比制程節點更短。至于45nm及其更小的制程，閘極長度的微縮速率則減緩。
我們還為相同的元件繪制出接觸閘間距，這一間距長度是制程節點的3.3倍，而且所有的制程節點在這一點上都是一樣的。我們還發現最小的金屬間距也可擴展到大約3倍的制程節點。
我們經常使用接觸閘間距和6TSRAM單元面積來代表制程節點；但這導致了一個問題：所謂的16nm或14nm制程節點真的是這樣的節點尺寸嗎？例如，三星的鰭片間距、閘極長度、接觸閘間距以及6TSRAM單元面積，都比英特爾的14nm更大，其6TSRAM單元面積也比臺積電的16nmSRAM更大。那么，它究竟是不是真的14nm制程？
我們之中有一名工程師認為，鰭片間距最接近于制程節點，就像我們在DRAM中看到的主動間距以及在NAND快閃記憶體中的STI間距一樣。我們在表1中列出了英特爾、三星與臺積電16/14nm元件的1/3鰭間距，這看起來的確更能代表制程節點。
圖6：電晶體閘極長度、接觸閘間距與制程節點的比較
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那么，我們應該可期待三星新一代的LPP制程有些什么變化？三星在最近的新聞發布中提到LPP制程將可提高15%的電晶體開關速度，同時降低15%的功耗。這些都是透過增加電晶體的鰭片高度以及增強應變工程而實現的。而我則預期還會有一點點的制程微縮，從而使其電晶體尺寸與6TSRAM單元面積更接近于英特爾的14nm制程節點。
而今，我們正滿心期待盡快從Apple與三星的下一代智慧型手機中取得Exynos8SoC或Snapdragon820SoC，好讓我們一窺第二代14nmLPP制程節點的變化。
01月07日 18:14
