一文詳解芯片的7nm工藝

文章來源：半導(dǎo)體綜研

文章作者：關(guān)牮 JamesG

導(dǎo) 讀

芯片的7nm工藝我們經(jīng)常能聽到，但是7nm是否真的意味著芯片的尺寸只有7nm呢？讓我們一起來看看吧！

下圖是一張小編從網(wǎng)上找到的一個(gè)經(jīng)典的邏輯芯片的結(jié)構(gòu)剖面圖。從圖上大家可以看到，半導(dǎo)體芯片/器件的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，是由很多層的結(jié)構(gòu)疊加而成的：

最下面的FOEL(Front End of Line)是晶體管結(jié)構(gòu)部分

其上面的BOEL(Back End of Line)是用金屬線（銅線為主）把各個(gè)晶體管連接起來的結(jié)構(gòu)部分

最上面的則是把信號(hào)、電源管腳引出來的部分。這部分通常不是在晶圓廠加工制造，而是在封裝廠進(jìn)行

晶體管/MosFET的結(jié)構(gòu)實(shí)際上也是在發(fā)生變化的。一般而言，到28nm為止，晶體管的結(jié)構(gòu)通常還是下圖中的平面結(jié)構(gòu)：Planar結(jié)構(gòu)。而從20nm開始，晶體管進(jìn)入了立體結(jié)構(gòu)時(shí)代，最典型的就是下圖中的FinFET結(jié)構(gòu)。而關(guān)于晶體管線寬概念的混淆，也是從這里開始的

一般所謂線寬，在行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)稱謂是CD/Critical Dimention，中文直接翻譯就是特征尺寸。它指代的是芯片結(jié)構(gòu)里最小的線條寬度，通常就是柵極的長度（見下圖最左）

后來柵極的長度已經(jīng)不是最小的線寬了，無法準(zhǔn)確代表工藝節(jié)點(diǎn)。于是行業(yè)內(nèi)開始用最小線寬半間距來代表線寬，也就是所有圖形里最小的兩根相鄰線條中心位置距離的一半。這個(gè)數(shù)值代表了芯片結(jié)構(gòu)里的最高圖形分辨率

目前***的技術(shù)參數(shù)里的分辨率，其實(shí)說的就是這個(gè)最小線條的半間距（見下圖中間）

但是到了FinFET工藝時(shí)代，其實(shí)限于***的技術(shù)能力。我們能夠做到的實(shí)際圖形分辨率并沒有大幅提升，但是晶體管結(jié)構(gòu)變化以后，其實(shí)際的密度確實(shí)也大幅度提升了。那該如何評(píng)價(jià)其工藝水平呢？

于是，晶圓廠們“靈機(jī)一動(dòng)”，想出了等效線寬的概念

下圖是Intel的技術(shù)資料上公布的標(biāo)準(zhǔn)晶體管密度的計(jì)算方法。簡單來說，就是用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的與非門（包含4個(gè)晶體管）的面積來計(jì)算一次晶體管密度，然后再用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)FlipFlop觸發(fā)器（包含6個(gè)與非門）電路計(jì)算一次平均晶體管密度。然后將兩個(gè)密度結(jié)果加權(quán)平均一下，就可以得到當(dāng)前工藝技術(shù)下在單位面積的晶圓上能做幾個(gè)晶體管

然后用這個(gè)密度值對(duì)比平面晶體管的密度，然后計(jì)算出等效的線寬值來。所以這樣一來，雖然我們不能大幅度縮小實(shí)際的圖形線寬，但是可以通過器件結(jié)構(gòu)的變化縮小晶體管的面積、提升密度來得到一個(gè)等效的“小線寬”

從20nm的 FinFET工藝開始，我們看到的所謂的線寬都是如此

當(dāng)然，由于采用了等效換算的方法，這就給各個(gè)晶圓廠提供了渾水摸魚的機(jī)會(huì)。利用算法上的投機(jī)取巧耍雞賊，各家所謂同一工藝節(jié)點(diǎn)芯片的實(shí)際晶體管密度是有差別的，而且差別還不小

從下圖可以看到：雖然同樣叫10nm節(jié)點(diǎn)，Intel的晶體管密度做到了1.06億個(gè)/平方毫米，而TSMC和三星的密度都只有0.53和0.52，相差幾乎一倍

而在之后的7nm5nm節(jié)點(diǎn)上，同樣情況依舊存在?？梢?，在取名字上，老實(shí)的Intel吃了一個(gè)大虧，被另外兩家給欺負(fù)了

既然工藝節(jié)點(diǎn)的命名不靠譜，那行業(yè)內(nèi)是用什么方法來衡量一個(gè)具體工藝的水準(zhǔn)能力的呢？

事實(shí)上，在FinFET工藝中用來判斷具體工藝技術(shù)的指標(biāo)很多，不過多數(shù)情況下大家記得和理解兩個(gè)名詞就好了：

1） CPP：Contacted Poly Pitch 接觸孔的多晶硅柵極間距

2） MxP：Metal Pitch 金屬線的間距（通常指第一層或第二層的金屬線間距）

CPP反映了整個(gè)晶體管單元（CELL）的寬度；而MxP是用來衡量晶體管單元高度的單位，通常被稱為Track。晶體管的高度是MxP的幾倍，就叫幾個(gè)Track，或者幾個(gè)T

這兩個(gè)指標(biāo)就代表了晶體管的大小，也就等于確定了晶體管的單位面積密度。下圖是一個(gè)參考：

另外，還有一個(gè)指標(biāo)是鰭片的間距（Fin Pitch）。M2P和Fin Pitch的比例稱為Gear Rate

好了，看到這里你大體就對(duì)先進(jìn)工藝?yán)锏木€寬有一個(gè)大體認(rèn)識(shí)了