На днях специалисты компании TechInsights опубликовали структурный обзор первых попавших в продажу 10-нм процессоров компании Intel (модели Core i3-8121U на архитектуре Cannon Lake). Компания TechInsights, кто не помнит, оказывает консультационные услуги проектировщикам чипов и обладает всем необходимым оборудованием для детального изучения полупроводниковых структур. Вскрыть процессор и изучить строение и химический состав одиночного транзистора — это для них обычное дело.

Забегая вперёд, отметим, все полученные TechInsights данные соответствуют тем, которые компания Intel озвучивала на последних симпозиумах. Сюрпризом стало лишь то, что Intel в слоях металлизации начала использовать рутений, в чём она раньше не признавалась. Но об этом позже. Пока TechInsights предлагает познакомиться с геометрией одиночной 10-нм ячейки памяти SRAM в исполнении Intel. Поможет нам в этом сайт WikiChip.

С тех пор, как компания Intel перешла на вертикальные затворы FinFET (с технологических норм 22 нм) ячейка SRAM набирается из комплекта рёбер. Техпроцесс 22 нм использовал 14 рёбер FinFET, 14-нм техпроцесс — 10 рёбер (если точнее — 9,5), а 10-нм техпроцесс использует 8 рёбер. Как нетрудно понять, всё это ведёт к увеличению плотности размещения транзисторов, что даёт плюс к плотности помимо снижения масштаба техпроцесса. Тем самым, по сравнению с 14-нм техпроцессом высота ячейки уменьшилась с 399 нм до 272 нм (с коэффициентом 0,68). Шаг размещения рёбер сократился с 42 нм до 34 нм. Это подтвердили замеры TechInsights.

Если предположить, что дизайн ячейки SRAM Intel — это двухвходовая NAND с двумя затворами (NAND2), то ширина ячейки составит 162 нм с шагом затворов 54 нм (уменьшено с 70 нм).

Два затвора активны, один в виде "болванки" как разделитель между ячейками. Из 8 рёбер для транзисторов используется пять: два с P-проводимостью (каналов) и 3 с N-проводимостью.

Первый слой металлизации (M0) под транзисторами выполнен с шагом 40 нм. При этом Intel начала использовать технологию contact-on-active gate (COAG). Это означает, что контакт затвора перенесён из отдельной изолированной области вне ячейки SRAM прямо под активный затвор.

Это можно было делать и раньше, но такое расположение контакта чревато опасностью короткого замыкания между соседними затворами и этого старались избегать. Компания Intel рискнула и дополнительно увеличила плотность размещения транзисторов.

Следующий контактный слой металлических соединений M1 выполнен с уникальным для индустрии шагом 36 нм (уменьшен с 52 нм). Линии второго слоя металлизации выполнены с шагом 44 нм. На одну ячейку, как подтвердили в TechInsights, приходится 7 металлических линий с шагом 44 нм. Как ранее заявляли в Intel и TechInsights это подтвердила, процессор Core i3-8121U несёт в среднем 100,76 млн транзисторов на мм2. Здесь надо уточнить, что Intel использует собственную метрику, в которой учитывает весовые коэффициенты для элементов логики (0,6) и триггеров SSF (0,4). В данном случае компания начитала 90,78 млн транзисторов (затворов) на мм2 для NAND2 и 115,74 млн транзисторов на мм2 для SSF (Scan Flip-Flop).

Изучение химического состава слоёв металлизации выявило, что компания Intel в первых двух слоях металлизации (M0 и M1), а также в слое поликристаллического кремния (затворы и рёбра) для проводников начала использовать вместо меди кобальт и вольфрам (вольфрам использовался и раньше). В отличие от меди кобальт меньше подвержен процессам электромиграции и риску пробоя со временем оксидного слоя (TDDB, Time-dependent gate oxide breakdown). Иными словами, кобальт обеспечит длительную и бесперебойную работу транзисторов с минимальным разбросом характеристик. Кроме того, кобальт не требует защитного диффузионного барьера, как медь, что упрощает производство.

Также специалисты TechInsights нашли рутений в 10-нм чипе Intel. Подробности закрыты для общего освещения, а WikiChip предполагает, что рутений служит диффузионным барьером (покрытием) для медных проводников в слоях металлизации M2, M3 и M4. Использование кобальта и рутения будет отличаться у разных производителей, что только добавит интриги при сравнении, скажем, процессоров Intel и AMD (техпроцесс GlobalFoundries). По мнению последней, например, медь можно использовать и дальше во всех слоях металлизации, но достаточно добавить оболочку из рутения или нитрида тантала. Также GlobalFoundries считает, что медь с покрытием из кобальта (технология tCoSFB, Through-Cobalt Self Forming Barrier) имеет меньшее линейное сопротивление проводников, чем кобальт или рутений. Компания Intel выбрала свой путь. Посмотрим, куда заведёт выбор GlobalFoundries.