7nm 制程工艺到底指什么？

随着消费电子产品市场的火热，就算是科技小白，对于7nm 制程工艺这个词也是有所耳闻的，那么7nm 制程工艺到底指的是什么呢 ？

7nm CPU

对于上大学时学过半导体器件物理或者微电子相关专业的同学，马上会举手说，几nm 工艺制程指的是MOS 晶体管的源和漏的距离，也就是Gate Length;

MOSFET

Gate Length 确实是决定MOSFET 的关键尺寸，制程节点以0.7倍的速度减小，单位面积芯片上晶体管数量以2倍的速度增加。下图中可以看到Gate length的缩小进程，1990年以前Gate length 的减小几乎完全线性，1990年以后减小速度更快，0.72x/gen, 并且不再完全线性。

Gate Length Scaling

所以，用Gate length 来定义制程工艺节点是合理的也是有意义的，那么制程节点命名和实际Gate length 真的是一致的吗？

答案并不是，从0.35um 制程工艺以后，制程工艺节点和Gate length 以及half pitch 就已经不再完全相符，只是工艺节点和Gate length 都是同步的减小，晶体管的密度同步的增加，而且Gate length 一直都比工艺节点小，所以认为工艺节点的减小就是Gate length 的减小也是可以的，工艺节点可以很好地用来衡量工艺的先进程度。

Node VS Gate length

数据源：Technology Node - AnySilicon

但是，这种状况在22nm 以下制程时开始变得眼花缭乱，由于3D立体结构FINFET的出现以及各厂商的营销宣传，英特尔以外的厂商在工艺制程的命名上用尽心机，三星和台积电也就是在此时完成了名义上对英特尔的超越。

Process Roadmap

例如在14nm 工艺节点上，英特尔的14nm比其他厂商的14nm/16nm 在任何维度上都要优越不少，但是并不妨碍其他厂商在商业上取得巨大回报，尝到甜头后的其他厂商在后续工艺节点命名宣传上愈发不可收拾，工艺制程节点开始失去其应有的意义。

14nm tech node

面对这种混乱状况，时任英特尔工艺架构和集成总监的Mark Bohr 还一度公开为自家产品打抱不平，声称英特尔10nm工艺的栅极间距是54nm，是同时代10nm最强。

此外，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，Bohr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 （太复杂看不懂）。显然，这里针对的就是三星和台积电。

由于制程工艺衡量的混乱，各厂商工艺制程数字已经不能完全衡量制程水平了，也就有了各种不同工艺制程间性能的争议的口水战：

在这场争端中，台积电和三星确实有些胜之不武，但是凭借在营销和研发上的双双发力，在后续的先进制程工艺水平上还是完成了对英特尔的实际反超，英特尔也收获了“牙膏厂”的称号。

至此，关于工艺制程的命名有了一个比较明确的定义：

The term " ？ nm" is simply a commercial name for a generation of a certain size and its technology, as opposed to gate length or half pitch.

也就是“几nm”制程工艺仅仅只是一个代表某种特定尺寸和技术的商业名称，并不指代实际的 Gate length 或者 half pitch。

类似于中国白酒行业的年份酒，比如5年、10年、30年这样的年份标注，并不是真实窖藏时间，只是一种标识。

FINFET 让晶体管从平面转向了3D立体结构，也就需要更多的参数来衡量晶体管的特征尺寸。

比如 Fin 的高度，Fin 的宽度，Fin 间距 （Fin Pitch），Gate length，Gate width;

FINFET STRUCTURE

此外，业界对于工艺节点的描述又用到了两个特征尺寸，Gate pitch（栅极间距）和Interconnect pitch（内连接间距，最小金属间距MMP，M1 pitch，即第一个金属层的pitch 尺寸，第一个金属层是金属层中尺寸最小的），这两个尺寸围成的方框可以用来衡量一个晶体管的面积（但是方框区域并非就是一个晶体管区域面积），方框面积越小，晶体管的密度也就可以做得越高。

FINFET 特征尺寸

比如上图中，台积电的7nm 制程工艺，Gate pitch 是57nm，Interconnect pitch 是40nm; 不难注意到，英特尔的10nm 制程工艺的 Gate pitch/ Interconnect pitch和台积电的7nm 工艺是差不多的，这也是最终两者的晶体管密度和性能差不多的原因。所以台积电的7nm 制程和英特尔的10nm 制程其实是对等的产品，而不是两代产品的差异，由于命名的差异让台积电的7nm 工艺更加引人瞩目。

7nm Node density

下图是 Gate Pitch 和Metal pitch 的示意图，Metal pitch的大小并不是一个完整晶体管的实际高度。

Gate Pitch/Metal Pitch

了解完7nm 制程的特征尺寸，看起来其实7nm 制程工艺并没有我们想象的那么小，甚至和7nm这个长度完全没有什么关系，那么7nm 制程工艺的晶体管中就没有特征尺寸在7nm 左右的位置吗？

答案是：还真有。

以下是各厂商7nm 制程工艺的特征尺寸和一些工艺参数，我们可以发现其中有两个比较小的特征尺寸，一个是Fin的宽度只有6nm, 另一个是 Gate length 在8~10nm;

7nm Node

那么7nm 是不是指Fin 的宽度呢？其实早在22nm Finfet 制程工艺的时候，Fin 的宽度就已经做到了8nm，但是由于实际每一个晶体管包含多个Fin, 所以Fin 的宽度并不能作为衡量晶体管密度的特征参数；Gate length也是，Gate length虽然很小，但是如果Gate 间距很大，单位面积可以容纳的晶体管数目依然很少。

22nm Node

下图是实际Finfet 中Fin 的TEM图片，Fin 的顶端宽度约为8nm：

Fin width

总结，

7nm 制程工艺仅仅只是一个代表某种特定尺寸和技术的商业名称，并不指代实际的 Gate length 或者 half pitch。每个厂商对于7nm 制程工艺都有不同的Gate pitch 和 Interconnect pitch的定义设计，不同厂商相同制程工艺的产品也不完全具有可比性。

至此，关于什么是7nm 制程工艺到此就全部讲完了，下一次会简单介绍一下7nm 制程是如何实现的。