探索 AI 時代的核心：嵌入式 SRAM 的重要性與製程分析

生成式 AI 的發展帶來第四次工業革命，透過半導體異質整合的 3D 封裝及製程節點 (Node) 微縮技術的日益創新，我們正親眼見證 AI 時代到來。（資料來源：閎康科技，文章經科技新報編修。）

嵌入式 SRAM：AI 晶片的關鍵記憶體核心

AI 所使用的 IC 晶片（AI 晶片）是 Al 的硬體核心。台積電邏輯先進技術已實現單一晶片上超過 2000 億個電晶體，且預期未來透過異質整合的 3D 封裝，單體 3D 封裝的 Al 晶片產品將超過 1兆個電晶體。在複雜 IC 電路中，AI 晶片最重要的內嵌記憶體就是 SRAM (Static Random-Access Memory，靜態隨機存取記憶體或稱靜態隨機存儲器) ，這種內嵌的 SRAM，也被稱作嵌入式 SRAM。

嵌入式應用的 SRAM 兩項重要特點：首先，SRAM 常常是 Al 晶片中構成讀寫的最快的記憶體暫存器 (Register) 及快取記憶體 (Cache，又稱高速緩衝記憶體) 的主要記憶體。其次，SRAM 的製程結構通常也是 AI 晶片製程中最小尺寸及最密集區域。因為尺寸小，同樣面積內晶片可以容納的記憶體數量就更多，相對成本降低。所以 SRAM 在 AI 晶片的地位就不言而喻。

目前最先進 AI 晶片使用的製程節點，已邁入 3nm 製程，於 2025 年及 2026 年將陸續有 2nm 及 16Å (埃) 的製程節點的產品上市，因此 SRAM 仍會是 AI 晶片的重要記憶體。

SRAM：高效且關鍵的揮發性記憶體

SRAM（靜態RAM）是隨機存取記憶體的一種。「靜態」的意思是指，只要保持通電，SRAM 中的資料就能持續保存。然而，一旦電力供應停止，資料將會消失，因此屬於揮發性記憶體（Volatile Memory）。這點不同於斷電後仍能保存資料的唯讀記憶體（ROM）或快閃記憶體（Flash Memory）【1】。

SRAM 的電路結構根據電晶體數量可分為多種設計，如 4T、6T、8T 或 12T 等，其中 6T 是最常見的設計。6T SRAM 的「T」代表電晶體（Transistor），而「6T」指的是該單元由 6 個 MOS（金屬氧化物半導體）電晶體組成。

6T SRAM 的基本電路由 2 個 PMOS 和 4 個 NMOS 電晶體構成。根據功能，不同的電晶體又可劃分為 PU（上拉電晶體）、PD（下拉電晶體）、PG（傳送閘電晶體）等組件，如圖一所示。這種設計使得 SRAM 成為 AI 晶片中重要的記憶體元件，具有高速、高效的存取特性。

▲ 圖一 6T SRAM 的電路及各部名稱. (參考資料[1])

嵌入式 SRAM 區域常用的檢測分析方法

AI 晶片的檢測分析方法多樣，可大致分為以下三類：

1.電性測試 (Electrical Testing)

2.電性故障分析 (EFA, Electrical Failure Analysis)

3.物性故障分析 (PFA, Physical Failure Analysis)

其中，PFA 進一步包含表面分析 (Surface Analysis) 和化學分析 (CA, Chemical Analysis)。若以醫學檢查作比喻，電性測試就像一般的健康檢查，對晶片進行全面性的初步評估，而其他測試則是針對具體問題進行深入分析（見圖二）。

嵌入式 SRAM 區域的檢測分析尤為重要，因為其結構和性能直接影響 AI 晶片的穩定性與效率。本文將進一步探討 SRAM 結構的觀察與分析技術，深入解析其在晶片檢測中的應用與挑戰。

▲ 圖二醫學中心的檢驗與 IC 檢測分析比較

SRAM 製程結構的觀察工具與應用

SRAM 主要結構觀察工具包：

OM（Optical Microscope 光學顯微鏡）
SEM（Scanning Electron Microscope 掃描式電子顯微鏡）
DB-FIB（Dual Beam Focused Ion Beam 雙束聚焦離子束顯微鏡)
TEM（Transmission Electron Microscope 穿透式電子顯微鏡或稱透射式電子顯微鏡)

這些分析設備皆可觀察 AI 晶片中 SRAM 製程結構，不過依據顯微鏡特性各自觀察範圍有所差異（如圖三）。一般而言，使用 OM 大區域範圍觀察，找到目標區在晶片中的大致位置，接著使用 SEM 或 FIB 觀察，把目標區域限縮在更小的區域，最後 FIB 配合 SEM 可以做精確位置的定位觀察，FIB 也是 TEM 試片製備的重要工具。

若 SEM/FIB 無法看清楚最終目標，最後才使用 TEM 或 Cs-TEM 觀察。TEM 可觀察奈米級微小區域結構。Cs-TEM（球面像差校正 TEM）是目前市面上可以達到 0.5 Å（埃，10000000000 Å）=1米）空間解析度的設備，也就是 Cs-TEM 是目前放大倍率最高的設備。此外，SEM 和 TEM 還可搭配 EDS (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy，能量散射 X 射線譜)，進行區域成分分析，為結構觀察提供更深入的材料分析資訊。

▲ 圖三 OM/SEM/TEM 與觀察範圍

辨識 SRAM 區域的觀察與分析方法

由於 SRAM 是 AI 晶片中最小尺寸且最密集的區域，其記憶體結構通常呈現重複排列，這個特徵使得辨識 SRAM 區域更為可信及可靠。如圖四所示，透過 OM（光學顯微鏡）觀察晶片，可以初步找到嵌入式 SRAM 的大致區域，其中部分 SRAM 區域以藍框標示出來。鎖定 SRAM 的大略位置後，能夠進行更精細的電性測試與物性分析。

除了 OM 外，紅外線顯微鏡 (IR, Infrared Microscope) 和 SEM (掃描式電子顯微鏡) 也是尋找嵌入式 SRAM 區域的常用工具。這些工具的辨識方式與 OM 類似，但 SEM 的優勢在於其放大倍率較高，更適合於確認 SRAM 的細節結構。相比之下，OM 的放大倍率有限，有時無法清楚辨識複雜或極小的區域結構，因此需藉助 SEM 進一步確認。

透過這些觀察工具的結合，可以有效地精確定位 SRAM 區域，為後續的深入分析奠定基礎。

▲ 圖四為使用 OM 觀察晶片的嵌入式 SRAM 區域範圍。部份 SRAM 區域如藍框所示。

SEM 與 VC 技術的應用

SEM (Scanning Electron Microscope，掃描式電子顯微鏡) 是透過聚焦電子束掃描樣品表面來生成圖像的電子顯微鏡，通常用於觀察尺寸大於 100 nm 的結構。SEM 有多種應用，其中主要用於觀察樣品的表面結構。此外，SEM 配合 FIB (Focused Ion Beam, 聚焦離子束) 構成的 DB-FIB (雙束聚焦離子束顯微鏡)，也將於下一章說明。

在本節中，我們將介紹 VC (Voltage Contrast, 電壓對比) 技術。VC 是利用 SEM 或 FIB 的一次電子束或離子束掃描晶片表面，藉由區域間的電勢差產生不同的明暗對比。當電子束通過不同電勢的表面時，不同區域會呈現出不同的亮度，這種現象即為 VC。其技術原理可參考資料 [2]。

SRAM 包含 PMOS 區及 NMOS 區。在特定電壓操作下，通常 SEM 掃描在IC的通孔 (Via) 或接觸窗 (Contact)　區時，就會有 VC 效果。在低電壓操作下，SEM 觀察到的 PMOS 區的 via/contact 亮度最亮，NMOS 區的 via/contact 亮度次之，若有結構位置在閘級區 via/contact，則此區域呈現最暗。圖五為 SEM 掃描在 SRAM 的 contact 區域造成不同的明暗對比。

▲ 圖五 SEM 掃描在 SRAM 的 contact 區域造成不同的明暗對比。

DB-FIB：精確定位與切割的尖端設備

聚焦離子束顯微鏡 (FIB, Focus Ion Beam) 是一種高精密的奈米加工工具，以鎵 (Gallium, Ga) 作為離子源，熔點為 29.76°C，在此溫度下，其蒸氣壓極低 (低於 10⁻¹³ Torr)，非常適合在真空環境下操作。使用時，液態鎵會沿著燈絲流向針尖。在外加電場足夠強的情況下，液態鎵會被拉伸成曲率半徑小於臨界值的圓錐體（即 Taylor cone），從而產生鎵離子束。這種束流的直徑可達 10 nm 以下，能量分散約 4.5 eV，亮度則高達 10⁶ A/cm²·sr，因此可用於極精密的奈米結構加工，也被稱為「奈米雕刻刀」。

當電子束系統與 FIB 整合後，即成為雙束聚焦離子顯微鏡 (DB-FIB, Dual Beam FIB)，同時具備掃描式電子顯微鏡 (SEM) 和 FIB 的功能。SEM 能有效幫助定位目標區域，並提供高解析影像觀察，而 FIB 則負責精確切割，不會破壞其他樣品區域。這種雙重功能讓 DB-FIB 在半導體製程與分析中發揮關鍵作用，特別是在製備穿透式電子顯微鏡 (TEM) 的試片時，能以奈米級的精度進行切割。

圖六展示了 DB-FIB 中電子束 (E-beam) 和離子束 (I-beam) 的相對位置示意，說明了這些束流如何與樣品互動。透過這種結構，DB-FIB 可以精準切割並製備超薄的 TEM 試片，為深入觀察提供便利。圖七則呈現了 DB-FIB 用於 SRAM 結構分析的應用範例。從圖中可同時看到製程的前段區 (FEOL, Front End Of Line) 和後段區 (BEOL, Back End Of Line)，這對於工程師深入理解製程細節大有助益。

▲ 圖六 DB-FIB 的 SEM (E-beam) 與 FIB (i-beam) 與樣品的相對位置示意圖。

▲ 圖七利用 DB-FIB 精確定位切割，觀察 SRAM 的截面結構。

精密觀察SRAM結構的核心技術：TEM

要深入觀察先進製程中的 6T SRAM 元件結構及其精細的製程層次，TEM（穿透式電子顯微鏡）或 STEM（掃描穿透式電子顯微鏡）是不可或缺的工具。TEM 利用 200KV 加速的電子束穿透厚度約 100nm 或更薄的試片，然後將信號投射到偵測器上，生成高解析度的影像。對於現今的3nm 製程、成熟製程，乃至未來的 2nm 和 16Å（埃）製程節點，TEM 始終是觀察 SRAM 結構的重要檢測分析方法，因其在空間解析度及影像呈現方面的卓越表現。

透過 TEM，我們能夠清晰識別圖一中所示的 6T SRAM 電路及其各部名稱，真實結構得以一目了然。圖八展示了平面式（Plan-view）STEM 觀察的先進製程 6T SRAM，清楚呈現出六個電晶體的平面結構及其相對排列位置，包括接觸點（Contact）、閘極（Gate）、鳍片（Fin）、隔離層（STI）等製程前段結構的平面佈局。圖八中的黃框標示出一個位元（unit Cell）的 6T SRAM。圖九則提供了截面式（Cross Section, XS）TEM 觀察的影像，展現了部分電晶體的上下排列結構，包括接觸點、閘極、鳍片及隔離層等製程前段的截面排列。