再次講講線寬的那些事：晶體管是怎么做得越來越小的？

上一周，我在公眾號(hào)發(fā)布了文章《關(guān)于芯片的7nm到底是個(gè)啥，我得繼續(xù)講講》，讀者反饋和文章的傳播效果都不錯(cuò)?？雌饋泶蠹覍?duì)這個(gè)話題很有興趣，那我自然要多講一點(diǎn)

上次我的文章解釋了所謂的7nm不是真的7nm，是在實(shí)際線寬無法大幅縮小的前提下，通過改變晶體管結(jié)構(gòu)的方式縮小晶體管實(shí)際尺寸來達(dá)到等效線寬的效果

那么新的問題來了：從平面晶體管結(jié)構(gòu)(Planar)到立體的FinFET結(jié)構(gòu)，我們比較容易理解晶體管尺寸縮小的原理。如下圖所示：

那么從20nm開始到3nm，晶體管的結(jié)構(gòu)都是FinFET的。結(jié)構(gòu)沒有變化的條件下，晶體管尺寸是如何縮小那么多的呢？

之前網(wǎng)絡(luò)上的解釋是：某公司的7nm技術(shù)是采用了多重曝光方法以后提升了分辨率

其實(shí)這種說法是錯(cuò)誤的，或者說至少是有很大誤導(dǎo)性的多重曝光技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)半導(dǎo)體工藝?yán)锏囊粋€(gè)通用技術(shù)了，如果我沒有記錯(cuò)，從32nm或者28nm工藝節(jié)點(diǎn)開始，多重曝光技術(shù)就已經(jīng)被應(yīng)用了

所以從14nm到7nm工藝，如果不是用EUV替代DUV，那現(xiàn)有的光刻技術(shù)是無法大幅度降低現(xiàn)況的。也就是說，要縮小晶體管的尺寸，必須另找辦法微縮晶體管的尺寸的方法不少，各家都有自己的絕活和妙招，我這里講幾個(gè)常用的方法

首先，一個(gè)CMOS晶體管里無論是P管還是N管，它的鰭片(Fin)的數(shù)量一定不止一個(gè)。因?yàn)閱蝹€(gè)Fin太細(xì)，通過的電流不夠大，所以需要多個(gè)Fin并聯(lián)來提高電流

在Fin的間距不變的情況下，F(xiàn)in的數(shù)量就決定了晶體管的高度。所以行業(yè)里要縮小晶體管的尺寸，就是盡量減少每個(gè)MOS管里需要的Fin的數(shù)量由下圖可知，從左到右，晶體管的鰭片數(shù)量從4個(gè)減少到3個(gè)，然后是2個(gè)。這樣整個(gè)晶體管的面積就大幅縮小了。從20nm一直到5nm甚至3nm，這個(gè)數(shù)量一直在減少（當(dāng)然，通過采用EUV和多重曝光技術(shù)，F(xiàn)in的間距也是同時(shí)在不斷縮?。?/p>

Track這個(gè)詞是衡量晶體管高度的一個(gè)單位。它實(shí)際上是第1、2層金屬層里最細(xì)的連線的間距大小。一個(gè)間距大小就是一個(gè)Track，晶體管高度是連線間距的幾倍，就叫幾個(gè)Tracks

金屬連線的間距值MxP和柵極線條最小間距CPP值（上圖里豎直方向的紅色線條）就基本反映了圖形加工工藝的水平，也決定了晶體管的大小

詳細(xì)說明見我文章：關(guān)于芯片的7nm到底是個(gè)啥，我得繼續(xù)講講

另外，還有一個(gè)比較巧妙的路徑就是：如果不能縮小晶體管的面積，那我們也可以縮小晶體管之間的間隔空間來實(shí)現(xiàn)密度提升啊晶體管之間要做電性能隔離，一般都是用擴(kuò)散層實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)叫Diffusion Breaks。原本每個(gè)晶體管各自有一個(gè)隔離帶，叫DDB(Double Diffusion Breaks)，現(xiàn)在為了節(jié)約空間，只用一個(gè)隔離帶了，叫SDB(Single Diffusion Breaks)就好比你家院子和鄰居院子如果各修一個(gè)籬笆，自然會(huì)占用更多土地面積。于是你們兩家商量一下，想辦法合建一個(gè)籬笆來隔離，自然就能多出一些空間來下面兩張圖分別是DDB和SDB的俯視圖和橫截面示意圖，大家看了自然就會(huì)明白

另外，Intel家還在很早就開發(fā)了一種叫COAG(Contact Over Active Gate)的技術(shù)。原本需要在空白地方制作柵極接觸點(diǎn)會(huì)占用額外的空間，所以Intel想辦法把接觸點(diǎn)的位置直接做到了柵極的上面，就可以節(jié)約大量空間。

這個(gè)想法當(dāng)然是非常絕妙的。但可惜的是，由于各種原因，這個(gè)技術(shù)的良率一直做不好，直接影響了Intel先進(jìn)工藝的開發(fā)進(jìn)度。這也是他家工藝逐漸被臺(tái)積電和三星趕上并超越的重要原因之一吧

以上就是幾個(gè)縮小晶體管尺寸的常用技術(shù)方案了。其實(shí)還有其它很多微縮的方法，比如用金屬鈷(Co)代替銅，用空腔代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬連線介電層等方案來縮小BEOL段的金屬連線尺寸的方法。限于篇幅，我這里就不展開講了

不管如何，怎么樣？上面這張表里紅框部分的內(nèi)容你是不是一下就看懂了？瞬間覺得自己長(zhǎng)知識(shí)了的感覺有沒有？

有了的話，務(wù)必轉(zhuǎn)發(fā)這篇文章就好，:-)

不過看到這里，或許就會(huì)有很多朋友提出疑問：既然如此，是不是光刻技術(shù)在后續(xù)就不那么重要了？當(dāng)然不是這樣。恰恰相反，光刻技術(shù)的演進(jìn)（從光刻設(shè)備到光刻工藝）從來都沒有停止過。半導(dǎo)體器件里實(shí)際的圖形線寬也在不斷縮小著

關(guān)于這里的故事，我覺得值得另外找時(shí)間好好說一說