半导体中制程是啥意思（半导体制程工艺节点是如何定义的）

网站上有许多讨论制程工艺节点的文章，但却未曾从技术角度来剖析何为半导体制程工艺节点。最近英特尔正在生产 10nm 制程芯片，而台积电和三星正在布局 5nm，本文将对三方制程工艺节点等方面进行探索。

从上世纪 60 到 90 年代末，制程工艺命名是根据芯片中栅极长度命名。IEEE 的这张图显示了这种关系：

长期以来，栅极长度（晶体管栅极的长度）和半间距（芯片上两个相同特征之间的距离的一半）与过程节点名称相匹配，但最后一次以栅极长度命名是 1997 年。间距数继续与节点名匹配，但从实际意义上不再与之相关。

事实上，节点比例与与理想的发展进化曲线不相符，下图显示了处理器节点的几何比例实际上与理想的进化曲线已经不再匹配了。

如果我们能够达到几何比例缩放要求使节点名称和实际尺寸大小保持同步，那么六年前我们芯片制程就会是 1nm 以下。我们用来表示每个新节点的数字只是公司选择的数字。早在 2010 年，ITRS（稍后将对此进行详细介绍）将在每个节点上转储的技术称为“等效扩展”。

市场如何改变了制程？

当芯片制程接近纳米级的极限时，公司可能会开始使用埃米而不是纳米，或可能会简单地使用小数点进行标注。早期，制程以微米而不是 nm（例如，以 0.18 微米或 0.13 微米，而不是 180nm 或 130nm）为单位的标注制程尺寸更为普遍。

无论从资本还是技术投入的角度出发，半导体制程都无疑是一个深投入、慢产出的领域。一项新技术，从论文阶段发展到大规模商用，平均需耗费 10-15 年时间。

几十年前，半导体行业认识到，如果针对节点引入通用的路线图，并规范这些节点所使用的通用特征尺寸，这将有助于解决新节点推入市场时的规模和协同性问题。多年来，ITRS（国际半导体技术路线图）都负责发布行业总路线图，周期长达 15 年之久，为半导体市场设定了总体目标。

2013-2014 年间，ITRS 发布了 ITRS 2.0 版本，但很快意识到覆盖范围不足的问题。为了给大学、财团和行业研究人员提供更为完善的蓝图参考，以激发各个技术领域的创新，ITRS 又成立了一个新的组织，称为 IRDS（设备和系统的国际路线图），其职责范围更大，技术覆盖面也更广。

覆盖面和重点转移反映整个芯片制造行业正在发生的变革。停止将栅极长度或半节距与节点大小绑定的原因是，它们不是在缩小规模就是在缩小规模的路上。作为替代方案，芯片公司集成了各种新技术和制造方法，从而跟进节点控制的脚步。

在 40 / 45nm 节点处，要与后者统一，GlobalFoundries 和台积电等推出浸没式光刻技术。在 32nm 节点处，引入双重曝光技术。在 28nm 节点处，引入后栅极技术。此外，FinFET 是由 Intel 在 22nm 节点处引入的技术，而其他公司则是在 14 / 16nm 处开始使用该技术。

不同的芯片公司有时会在不同的时间节点导入新工艺技术。当 AMD 和台积电在 40 / 45nm 节点处采用浸没式光刻技术时，英特尔并没有作出同样的选择，直到 32nm 工艺节点时，它才开始选用浸没式光刻技术，并选择首推双重曝光技术。

接着，GlobalFoundries 和台积电在 32 / 28nm 节点处开始更多地采用双重曝光技术。在 28nm 节点处，台积电采用的是后栅极技术，而三星和 GlobalFoundries 则采用的是前栅极技术。

但是，随着进展变得越来越慢，公司对于营销的依赖在加大，于是出现了许多公司自己命名的“节点”，扰乱了大家的视线。比如像三星，也开始在 90、65、45nm 节点后开始以自身技术的迭代来命名新的节点。

每个制程节点都会有升级的空间，但已经不是按照摩尔定律来了。

现在尽管节点名称不与任何特征尺寸相关联，并且某些特征尺寸已停止扩展，但半导体制造商仍在寻找改善关键指标的方法，这也是真正的工艺改进。

但是，由于现在技术很难获得更多的优势，并且需要更长的开发时间，因此芯片公司正在尝试更多的改进方法。例如，三星正在部署比以前更多的芯片制程名称，这就是市场营销。

为什么人们声称 Intel 10nm 和 TSMC / Samsung 7nm 是等效的？

英特尔 10nm 制造参数非常接近台积电和三星用于 7nm 制程的值。下图来自 WikiChip，展示了英特尔 10nm 节点的已知特征尺寸，和台积电、三星 7nm 节点的已知特征尺寸对比情况。如您所见，它们非常相似：

14nm ᇫ/ 10nmᇫ列显示了每个公司从其上一个节点开始将特定功能扩展的程度。英特尔和三星的金属最小间距比台积电更严格，但台积电的高密度 SRAM 单元比英特尔小，这可能反映了台湾代工厂的不同客户的需求。同时，三星的手机甚至比台积电的手机还要小。

总体而言，英特尔的 10nm 工艺达到的许多关键指标，台积电和三星都将其称为 7nm。

针对特定的设计目标，单颗芯片的特征尺寸可能仍将偏离这些既有数据。制造商提供的这些数字是给定节点上的典型预期实现方式，不一定与某些特定芯片完全匹配。

有人质疑英特尔 10nm 工艺（用于 Ice Lake）参数（针对 Cannon Lake 发布）。其预期规格可能略有变化，但往上推，当年 14nm 也是从 14nm 演变过来的。英特尔已经表示，仍将针对 10nm 的 2.7 倍减小（相对于 14nm）作为目标，因此将暂缓任何有关下一步 10nm 演进可能有不同的猜测。

写在最后

理解新流程节点的含义的最佳方法是将其视为一个概括术语。当一家代工厂商宣布推出一个新的芯片工艺节点时，他们的意思可能为：“我们创建了具有更小特征和更严格公差的新制造工艺。为了实现这一目标，我们集成了新的制造技术。我们将这组新制造技术称为流程节点，因为我们想要一个能够与之前技术相区别的宣传性术语，使我们能够表达出我们已经在制程方面进步了的概念。”

本文翻译自 Joel Hruska 的《How Are Process Nodes Defined?》，在此向他表示感谢。

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