一文详解芯片的7nm工艺

文章来源：半导体综研

文章作者：关牮 JamesG

导 读

芯片的7nm工艺我们经常能听到，但是7nm是否真的意味着芯片的尺寸只有7nm呢？让我们一起来看看吧！

下图是一张小编从网上找到的一个经典的逻辑芯片的结构剖面图。从图上大家可以看到，半导体芯片/器件的结构非常复杂，是由很多层的结构叠加而成的：

最下面的FOEL(Front End of Line)是晶体管结构部分

其上面的BOEL(Back End of Line)是用金属线（铜线为主）把各个晶体管连接起来的结构部分

最上面的则是把信号、电源管脚引出来的部分。这部分通常不是在晶圆厂加工制造，而是在封装厂进行

晶体管/MosFET的结构实际上也是在发生变化的。一般而言，到28nm为止，晶体管的结构通常还是下图中的平面结构：Planar结构。而从20nm开始，晶体管进入了立体结构时代，最典型的就是下图中的FinFET结构。而关于晶体管线宽概念的混淆，也是从这里开始的

一般所谓线宽，在行业内的标准称谓是CD/Critical Dimention，中文直接翻译就是特征尺寸。它指代的是芯片结构里最小的线条宽度，通常就是栅极的长度（见下图最左）

后来栅极的长度已经不是最小的线宽了，无法准确代表工艺节点。于是行业内开始用最小线宽半间距来代表线宽，也就是所有图形里最小的两根相邻线条中心位置距离的一半。这个数值代表了芯片结构里的最高图形分辨率

目前***的技术参数里的分辨率，其实说的就是这个最小线条的半间距（见下图中间）

但是到了FinFET工艺时代，其实限于***的技术能力。我们能够做到的实际图形分辨率并没有大幅提升，但是晶体管结构变化以后，其实际的密度确实也大幅度提升了。那该如何评价其工艺水平呢？

于是，晶圆厂们“灵机一动”，想出了等效线宽的概念

下图是Intel的技术资料上公布的标准晶体管密度的计算方法。简单来说，就是用一个标准的与非门（包含4个晶体管）的面积来计算一次晶体管密度，然后再用一个标准FlipFlop触发器（包含6个与非门）威廉希尔官方网站 计算一次平均晶体管密度。然后将两个密度结果加权平均一下，就可以得到当前工艺技术下在单位面积的晶圆上能做几个晶体管

然后用这个密度值对比平面晶体管的密度，然后计算出等效的线宽值来。所以这样一来，虽然我们不能大幅度缩小实际的图形线宽，但是可以通过器件结构的变化缩小晶体管的面积、提升密度来得到一个等效的“小线宽”

从20nm的 FinFET工艺开始，我们看到的所谓的线宽都是如此

当然，由于采用了等效换算的方法，这就给各个晶圆厂提供了浑水摸鱼的机会。利用算法上的投机取巧耍鸡贼，各家所谓同一工艺节点芯片的实际晶体管密度是有差别的，而且差别还不小

从下图可以看到：虽然同样叫10nm节点，Intel的晶体管密度做到了1.06亿个/平方毫米，而TSMC和三星的密度都只有0.53和0.52，相差几乎一倍

而在之后的7nm5nm节点上，同样情况依旧存在。可见，在取名字上，老实的Intel吃了一个大亏，被另外两家给欺负了

既然工艺节点的命名不靠谱，那行业内是用什么方法来衡量一个具体工艺的水准能力的呢？

事实上，在FinFET工艺中用来判断具体工艺技术的指标很多，不过多数情况下大家记得和理解两个名词就好了：

1） CPP：Contacted Poly Pitch 接触孔的多晶硅栅极间距

2） MxP：Metal Pitch 金属线的间距（通常指第一层或第二层的金属线间距）

CPP反映了整个晶体管单元（CELL）的宽度；而MxP是用来衡量晶体管单元高度的单位，通常被称为Track。晶体管的高度是MxP的几倍，就叫几个Track，或者几个T

这两个指标就代表了晶体管的大小，也就等于确定了晶体管的单位面积密度。下图是一个参考：

另外，还有一个指标是鳍片的间距（Fin Pitch）。M2P和Fin Pitch的比例称为Gear Rate

好了，看到这里你大体就对先进工艺里的线宽有一个大体认识了