为什么28nm光刻机哪怕上“多曝”，也做不到7nm？（中）

接上一篇内容《为什么28nm光刻机哪怕上“多曝”，也做不到7nm？（上）》，前两个问题：28nm光刻机是什么，如何定义？和决定光刻机的最小精度有哪些因素，什么叫套刻精度？相关的内容已经都讲过了，今天开始聊第三个问题：晶体管的实际参数的定义和物理意义，以及相关的知识。

第四个问题多曝工艺/SAQP四曝工艺的详细图解得下次再讲，主要是我虽然理解，但是我得找个会搞PS的人帮我做图，我自己尝试手绘了一下实在是太丑了……还得找专业的人来干这活，有在杭州的PS大神，记得喊我一下，我请你喝茅台咖啡，帮我弄一下图。

等我这几篇科普长文都敲完之后，我到时候出一篇完整的精简版，把所有知识点和内容整理一遍，做到一气呵成，更加方便普通人学习半导体行业知识。

以下是正文：

三、晶体管的实际参数及定义

上一篇已经举例了28nm的实际gate length从40nm-31nm有好几个版本，相信大家都已经理解了。

也知道从28nm开始，所谓的工艺节点和实际晶体管的gate length的大小已经不是一一对应，而是等效关系。

接下来我们进入更深的层次探讨。晶体管大小的实际参数一共有多少个，工程师们是如何定义它们的？

我们再把这张图拿出来复习。

之所以会用gate length栅极长度，实际上因为这个距离是source到drain的距离，也就是晶体管源极到漏极之间的距离。

这个长度距离是集成电路所谓的集成度的标志，也是集成电路工艺技术水准的标志，因此它有时候也被称为关键尺寸或者特征尺寸——CD（critical dimension的缩写）。

这里补充一点MOSFET晶体管的工作原理。

栅极上加电压后，两个N型掺杂区域之间会形成导通区域，导通情况下晶体管就能被代表为1，不加电压后关断就可以表示成0，有了0和1就组成了计算机计算原理的本质——二进制原理。

这个二进制原理就是微积分大神莱布尼茨提出来的。

这么多年来，摩尔定律一直在前进，晶体管在不断微缩，也就是说栅极距离在不断被拉近，并且以每一代0.7x的速度在减小，两代就是0.7*0.7=0.49，刚好就是一半0.5左右。

因此大家看到的英特尔的工艺节点演进就变成从90*0.7到65nm，65*0.7到45nm，45nm*0.7到32nm，32*0.7到22nm，22*0.7到14nm，14*0.7到10nm。10nm之后英特尔也改了命名规则，变成intel 7（原10ESF/10+++），intel 4（原7nm），intel 3（原7nm+/7nm++），intel 20A（原5nm）。目前到这个20A为止，A也是长度单位，1nm=10A，相当于1埃等于0.1nm，一个原子的大小。

这是英特尔的工艺路线，但是因为英特尔主要做CPU，另外一家专注于先进工艺的台积电，是干逻辑代工的，工艺略有不同，所以中间台积电有跳代的情况出现。

实际上，台积电的工艺节点变化变成90，65/55，40，28，20，16，10，N7，N5，N3。55nm工艺比较特殊，主要是给eFLASH用的，到现在为止还在用，也有部分CIS工艺用这个，还有蓝牙。

台积电体系里，20-10-5nm，是一组研发开发的，而14-7-3是另外一组研发开发的，这就是台积电为了保持工艺领先，搞了两组人，分别在两个技术路线上竞赛。因为当时10nm那组难产，没过多久7nm那组就起来了，两者相差一年都不到，客户没怎么用上10nm，就纷纷直接转去用7nm工艺了。实际上，台积电的10nm就没啥客户来流过片。

所以就有了摩尔定律：每隔18个月，同面积下晶体管数量翻倍，但是价格不变。

数量翻倍就是因为晶体管的面积只有原来的0.5x大小。

但是追溯历史我们可以发现，除了gate length之外，衡量晶体管大小还有另外一个重要指标，叫half pitch，也就是半间距。

前文提到过，过去通常用gate length栅极距离这个来定义，但是到现在变成half pitch半间距来定义。

原因是这样来的：

纵观历史，在远古的6英寸年代，也就500nm线宽时代，当时工艺节点，半间距，以及栅极长度都一样，你用啥都一样，甚至行业习惯是用half pitch来定义工艺节点名称。

但是从350nm时代开始，也就是8英寸工艺起步点，大约是将近30年前，标志性事件就是当年IBM砸了10亿美金的东菲什基尔8英寸线成功投产。1995年前后，情况有变化了。

在此之间，栅长gate length和半间距half pitch都是同步缩小，同时晶体管密度按比例增加，所以当时的工艺节点不管是定义gate length还是half pitch都一样， 但是在此之后，两者不再同步。

实际上衡量晶体管大小，其实有两个指标，栅长gate length和半间距half pitch。在350nm到28nm之间，业内定下来，一直通用栅长gate length来指代工艺节点，直到14nm开始因为情况又有了巨大的变化，又回到用半间距half pitch来标称工艺节点。

而且那会儿开始就搞等效工艺的概念了。

原因就是上文提到的，取决于芯片内部最大密度晶体管密度数，从沟道长度变成了最小金属层间距，因此又回到half pitch来定义芯片了。

为什么会这样？关于half pitch的实际物理意义，我咨询了镇群大佬河哥，河哥给了一个很复杂的回复，我整理一下大致是这样的：

因为在光刻胶工艺上，也有正负胶之分（正负胶，像石碑的阴刻或者阳刻），一个pitch，就是一次光照的明暗变化，半个就是亮或暗。按照正胶或者负胶的不同，都可以代表最小线宽或者最小特征尺寸，所以会叫半间距。

在实际晶体管中，沟道宽度（channel length ）和MOS管体积密切相关，沟道越小密度越高，又因为金属层连接沟道，基本每根金属线宽度等于沟道宽度，所以最小金属间距等于每个MOS管间距，也就是CD（critical dimension），特征尺寸。

到了22nm以下的FinFET时代，因为结构变化金属线宽度不再等同于沟道宽度，但是MOS管从平面变成每个竖起来的，但还是需要3根金属线分别连接源极，漏极，栅极来传递信号和供能，所以密度最高间距最小数值的，反而变成第一次互联的金属层了。金属层密度一定程度上代表了晶体管密度，所以在FinFET结构下最小间距就变成金属层，而光刻机在金属层能最小做到多少pitch，就基本代表了整个芯片的密度。

我给大家总结一下：在平面MOS时代，也就28nm以上工艺，half pitch代表channel length，也就是沟道距离；但是在FinFET时代，也就是22nm以下工艺，half pitch的实际物理意义，是变成第一层最小金属之间间距的一半。

两者是有区别的。

这段历史也确实够混乱的，我也是整了半天才明白。

在22nm时代之后，各种制程变得眼花缭乱，都变成玩文字游戏。除了英特尔之外的厂家，比如三星，台积电，都挖空心思在等效工艺节点命名上做文章，从而在命名上完成对英特尔的“各种超越”。

最终出现台积电的N7=英特尔10nm这种神奇的情况。

甚至还有格罗方德当年22nm的FD-SOI=14nm这种更加神奇的理解。

2013-2019年，逻辑代工厂的技术路线图

这种混乱的情况持续了很长一段时间，惹得英特尔的工艺框架和集成总监Mark同志发飙，质疑其他家所谓的N7/7nm工艺，到底有没有自家10nm工艺这样栅极距离是54nm这么小的线宽。

当时他还发表了一篇名为《让我们清理半导体工艺命名的混乱》的文章。在这篇文章中，Mark直指业界在半导体工艺命名上的混乱状态，并给出了一个衡量半导体工艺水平的公式，目标直指当时三星和台积电的老六行为。

我也是从那时候开始，终于彻底明白过来，今天才有机会给大家完整科普，等效工艺这个信息含量巨大，且复杂、最容易误解、最有争议的集成电路工艺概念。

我相信认真看完我长文的读者，现在也明白过来，所谓的“几nm”，只是代表某种特定尺寸技术的商业名称，并不指代实际的栅极长度或者半间距长度。

上图也可以看出，尽管英特尔在命名上没有胜出，但是实际各项指标都是优于竞争对手的。

插入一个FinFET结构示意图帮助大家理解：

回到用金属层最小间距的14nm年代后，我们发现用栅极距离和最小金属互联距离，两个尺寸可以围起来变成一个方框，用来衡量一个晶体管的面积。当然，实际上这不是完全绝对，但是从某种意义上来讲，方框面积越小，晶体管密度就越高。

未完待续。

本文来自微信公众号：启哥有何妙计（ID：qgyhmj），作者：陈启