台積電的聚寶盆：7nm工藝詳解

近日，台積電了公布Q2季度合併營收534.4億元（2409.99億新台幣），其中7nm工藝的收入占了21%，10nm工藝占了3%，16nm工藝占了23%，28nm工藝占了18%，16nm及以下先進工藝占的營收比例達到了47%。

由此可見，台積電的業績越來越依賴7nm先進工藝，這方面也受益於蘋果、華為海思、高通等客戶的7nm訂單，其中蘋果雖然因為iPhone銷量下滑而趨於保守，但損失的訂單正在由華為海思彌補，Q2季度中華為加大了對台積電的7nm工藝訂單。

自2018年4月起，台積電開始批量生產其7納米節點。

從那時起，我們看到許多高端處理器利用這項技術，包括Apple A12和A12X，麒麟980，以及很快高通的Snapdragon 855和AMD ZEN 2。

7納米

對於台積電而言，7納米節點被認為是16納米的全節點收縮。

他們確實推出了一個10納米的節點，但是台積電認為他們的10納米節點是一個短命節點，並且打算成為7階段的學習踏腳石。

在很多方面，它可以與英特爾的10納米和三星相媲美。

7納米節點。

與他們自己的16納米技術相比，7納米提供了約35-40％的速度提升或65％的低功耗。

這是第四代FinFET，第五代HKMG，後柵極，雙柵極氧化工藝。

1：第四代FinFET

2：第5代高K金屬門

3：3.3x路由門密度

4：鈷接觸

5：關鍵層的SADP

對於7納米工藝，繼續使用深紫外（DUV）193nm ArF浸沒式光刻。

i193的局限性決定了該過程的一些設計規則，我們將很快展示。

對於電晶體，柵極間距已經進一步縮小到57nm，然而，互連間距在40nm點處停止，以便在SADP點處保持圖案化。

我們想要指出的是，雖然在IEDM台積電報告稍微更具侵略性的音高，但本文中顯示的數字是其標準單元格中使用的實際音高（以及您將在A12和SDM855中找到的實際音高）。

電晶體輪廓也得到了增強。

與英特爾一樣，台積電在溝槽觸點處引入了鈷填充物，取代了鎢觸點。

這具有將該區域的電阻降低50％的效果。

通過翅片間距/高度縮放實現了一些面積縮放和成本效益。

繼續縮放鰭片寬度可以為您提供更窄的通道，同時增加高度以保持良好的有效寬度，以改善短溝道特性和亞閾值斜率（即，改善的Ieff/ Ceff），但它也會降低整體寄生效應。

請記住，總的來說，CV / I器件延遲仍然更好。

另一種可視化寬度和高度縮放效果的方法是通過有效寬度。

在下圖中，我們繪製了從TSMC 16納米到當前7納米節點的有效寬度。

為此工藝開發了不同的多Vt器件，Vt範圍約為200 mV。

設計規則

設計規則經過精心設計，以保持雙重模式。

單個圖案被進一步推到76納米點。

細胞

台積電7納米有兩種版本 - 低功耗和高性能。

那些細胞分別為240nm和300nm高。

Chi報告說，在他們自己的SoC上，高性能電池可以提供大約10-13％的有效驅動電流（I eff），儘管是以略微漏電的電晶體為代價。

緻密的細胞來在約91.2 MTR /平方毫米，而密度較小的，高性能的電池，被計算出的在約65 MTR /平方毫米。

工藝密度比較

就實際電晶體占用而言，其尺寸與英特爾非常相似。

然而，由於大量的單元級優化，英特爾的單元級密度提高了約10％。

值得補充的是，英特爾的高性能電池也比台積電的7納米HP電池更密集，其超高性能電池的密度約為1％。

SRAM

台積電在其7納米節點上真正擁有的一件事就是它們的SRAM密度。

在這裡，7納米高密度SRAM位單元為0.027μm²，使其成為迄今為止報導的第二密度最高的單元。

在當前的FinFET工藝中，位單元很大程度上是鰭量化的。

由於具有強大的散射間距，台積電在其SRAM上具有非常好的擴展性。

根據SoC的一致性，由於TSMC 7nm SRAM的高密度，利用大量SRAM可能是有利的。

在現代SoC，特別是移動SoC上，絕大多數電晶體都進入各種緩存。

我們已經看到一些正在利用這一點的設計，例如AMD，它將L3尺寸從8 MiB增加到16 MiB。

SDM縮放

Qualcomm通常報告每代大約30％的面積縮放。

使用7納米節點，它也不例外。

Chi報導稱，7納米使高通公司能夠保持每代產品30％至35％的面積擴展。

值得注意的是，SDM845並非由台積電製造，而是在三星的10納米製程上製造。

儘管如此，縮放是一致的。

性能

台積電報告在相同功率水平下速度提升高達40％，在相同速度下高達65％。

雖然這些數字代表了FO4 RO和簡單柵極測量的最佳情況數，但真正的SoC優勢將更低。

高通公司提供了一張圖表，比較了10（三星）和7納米之間關鍵路徑設計電路的功率和速度曲線。

在Snapdragon 855的實際臨界速度路徑上，高通公司報告說，在相同功率下速度提高了10％，在相同速度下功率降低了35％。

那些是非常可敬的數字。

第二代7nm

台積電還開發了第二代7nm工藝。

這是一個使用相同設計規則和DUV的優化過程，與基於EUV的7nm +無關。

該過程完全與第一代設計兼容，但享有額外的功率和性能增強。

對於他們的第二代流程，台積電進行了一些額外的優化。

1：Fin配置文件優化

2：Epi優化

3：MOL阻力優化

4：FEOL電容

5：金屬門優化

總而言之，據稱第二代7nm工藝的性能提升了5％以上。

此外，在相同的泄漏情況下，在高頻率下，第二代7nm工藝將V min提高了50 mV。

高通公司表示，第二代7納米節點將用於其下一代蜂窩5G數據機，它將比第一代5G數據機提供2倍的峰值數據速率。