Was in AMDs Ryzen steckt

Ein 7-nm-Transistor untersucht

Mittels eines Rasterelektronenmikroskop schaute sich Roman Hartung an der Hochschule Heilbronn schon einen Ryzen 9 3950X und Core i9-10900K an, um eventuelle Größenunterschiede in der 7-nm- und 14-nm-Fertigung zu ergründen. Nun besuchte er das deutsche Unternehmen Kleindiek, die sich auf das sogenannte Nanoprobing spezialisiert haben und hier mit nahezu allen großen Chipherstellern und Auftragsfertigern zusammenarbeiten.

Ziel war es sich einen einzelnen Transistor in einem Ryzen-Prozessor anzuschauen. Diese werden in 7 nm (7N) bei TSMC gefertigt. Wie immer sind aber einige Vorarbeiten notwendig, um an die Transistoren heran zu kommen. Dazu werden weitere Schichten des Chips angetragen. Dann wurde nach Transistoren gesucht, die sich im Logic-Bereich befinden – also dort, wo sich die eigentlichen Recheneinheiten befinden. SRAM-Zellen bzw. die dazugehörigen Transistoren verwenden häufig Kobalt und oxidieren somit recht schnell, was das Probing erschwert. Hier wird auch noch einmal deutlich, dass man nicht von einem einfachen Verfahren in der Fertigung sprechen kann, sondern das hier durchaus Unterschiede zu machen sind.

Der vorbereitete Chip wird auf einem Prober Shuttle befestigt. Dieser besitzt mehrere bewegliche Arme, auf die dann die Sensorspitzen aufgesetzt werden. Deren Spitzen können auf einen Durchmesser von bis zu 5 nm reduziert werden. Piezoelektrische Motoren nehmen Korrekturen der Messspitzen vor und verfahren diese innerhalb des Probenbehälters, damit die gewünschten Kontaktpunkte angefahren werden können.

Nachdem der Messaufbau mit allen Vorbereitungen abgeschlossen ist, kann es an die eigentlichen Messungen gehen. Zunächst einmal wird untersucht, ob es sich um einen NMOS- oder einen PMOS-Transistor handelt. Für die Messspitzen muss zudem festgestellt, ob sie sich an Gate, Drain oder Source befinden. Über eindeutige Kennlinien kann ermittelt werden, um welchen Transistor es sich handelt. Danach kann die Kennlinie des Transistors aufgenommen werden.

Aber über diese Messmethoden lässt sich auch feststellen, welche Bereiche in den Schaltungen der Transistoren zusammengehören, um so eventuelle Effekte einem gesamten Bereich zuordnen zu können. Über das EBIC getaufte Verfahren können Kurzschlüsse erkannt werden, sodass man solche Fehler in der Fertigung wiederum als Rückmeldung aufnimmt und entsprechend entgegenwirken kann. Dies ist nur eine von vielen Anwendungen, auf die sich Kleindiek spezialisiert hat – sowohl im Hinblick auf die Hardware für solche Messungen, als auch in der Software.

Es ist damit aber nicht nur möglich eventuelle Fehler zu finden, sondern Halbleiterhersteller können damit auch die Konkurrenzprodukte untersuchen, um zu schauen, was die Mitbewerber so für Verfahren in der Fertigung anwenden und welche Kennlinien hier so erreicht werden. Die beiden Videos der Serie von Roman über seinen Besuch bei Kleindiek findet ihr hier: