關(guān)于芯片的7nm到底是個啥，我得繼續(xù)講講

上個月月底，我在線上課上給學員講了一下《究竟什么是7nm？》。主要還是針對最近網(wǎng)上議論紛紛的7nm芯片做了一些掃盲性質(zhì)的科普

課程大約不到兩小時，算是基本把芯片的結(jié)構(gòu)、線寬定義以及實際技術(shù)指標的一些含義講了一下

課上我也發(fā)現(xiàn)，對于非半導體制造領(lǐng)域從業(yè)人員而言，大家對這塊的概念確實非常模糊，有很多常識性的理解錯誤和混淆。所以，我寫這個文章，課程中的一部分內(nèi)容給沒有聽過課的朋友講述一下，順便也供聽過課的學員溫習

需要注意的是，這個文章并非我課程的全部內(nèi)容，只是針對半導體器件結(jié)構(gòu)和線寬的概念的一部分解釋說明而已。對于我課程全部內(nèi)容感興趣的朋友，還是需要來報名我線上課程交流，謝謝

首先，下圖是一張我從網(wǎng)上找到的一個經(jīng)典的邏輯芯片的結(jié)構(gòu)剖面圖。從圖上大家可以看到，半導體芯片/器件的結(jié)構(gòu)非常復雜，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）把各個晶體管連接起來的結(jié)構(gòu)部分

最上面的則是把信號、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，而是在封裝廠進行

晶體管/MosFET的結(jié)構(gòu)實際上也是在發(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，晶體管進入了立體結(jié)構(gòu)時代，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)的標準稱謂是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，無法準確代表工藝節(jié)點。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。這個數(shù)值代表了芯片結(jié)構(gòu)里的最高圖形分辨率

目前光刻機的技術(shù)參數(shù)里的分辨率，其實說的就是這個最小線條的半間距（見下圖中間）

但是到了FinFET工藝時代，其實限于光刻機的技術(shù)能力。我們能夠做到的實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，其實際的密度確實也大幅度提升了。那該如何評價其工藝水平呢？

于是，晶圓廠們“靈機一動”，想出了等效線寬的概念

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

然后用這個密度值對比平面晶體管的密度，然后計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

當然，由于采用了等效換算的方法，這就給各個晶圓廠提供了渾水摸魚的機會。利用算法上的投機取巧耍雞賊，各家所謂同一工藝節(jié)點芯片的實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（我上一次文章里就已經(jīng)貼過了）：雖然同樣叫10nm節(jié)點，Intel的晶體管密度做到了1.06億個/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)點上，同樣情況依舊存在?？梢?，在取名字上，老實的Intel吃了一個大虧，被另外兩家給欺負了

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

事實上，在FinFET工藝中用來判斷具體工藝技術(shù)的指標很多，不過多數(shù)情況下大家記得和理解兩個名詞就好了：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Track，或者幾個T
這兩個指標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。下圖是一個參考：

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

好了，看到這里你大體就對先進工藝里的線寬有一個大體認識了當然，具體晶體管里的技術(shù)指標和各種名詞遠不止這些。下面這個表格的大多數(shù)名詞對于非專業(yè)人士而言依舊看得莫名其妙

要把這都解釋清楚，另外讓大家理解在光刻技術(shù)進展緩慢、實際圖形線寬無法大幅度縮小的前提下，工程師是如何從20nm開始一路把晶體管微縮到3nm的？這個又是一個很長的故事了。限于篇幅，容我下次再和大家講解吧

這里就要麻煩大家?guī)兔Χ喽噢D(zhuǎn)發(fā)這篇文章。如果文章受歡迎，我自然會盡快更新下一篇，給大家進一步說明一下

搞清楚這些，你基本上可以打敗99.9%的非半導體專業(yè)人士了。目前市面上針對非半導體行業(yè)人員的科普文章里，我還沒有看到有解釋這些概念的。大家不要錯過機會

當然，更多更詳細的半導體行業(yè)知識，還是歡迎大家來我的線上課程報名交流提問

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