特征尺寸

半导体器件中的最小尺寸

在集成电路领域，特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸。在CMOS工艺中，特征尺寸典型代表为“栅”的宽度，也即MOS器件的沟道长度。一般来说，特征尺寸越小，芯片的集成度越高，性能越好，功耗越低。

概述

在集成电路领域，特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸。人们在谈及CPU的更新换代时，经常会说到类似的话：这款CPU采用了28 nm工艺，跟上一代采用40 nm工艺的同系列芯片相比，性能提升了多少、功耗下降了多少。这里说到的40 nm、28 nm就是集成电路的特征尺寸。一般来说，特征尺寸越小，芯片的集成度越高，性能越好，功耗越低。

原理

我们知道，集成电路从电路设计到芯片制造，要经历非常复杂的过程，其中芯片制造需要依赖微电子技术中的微细加工手段，因此也就会涉及到各种尺寸：衬底的厚度、PN结的深度、金属连线的宽度、氧化物膜的厚度、MOS-FET沟道的长度，等等。这其中最小的尺寸往往就是最小线条的宽度，俗称“线宽”。线宽最小能达到多少，往往取决于Foundry的技术和设备，比如光刻设备分辨率。对现在主流的CMOS工艺来说，这个“线宽”其实是作为栅极的多晶硅的宽度，也就是晶体管的沟道长度。因此可以简单认为特征尺寸就是芯片制造工艺线中能加工的最小尺寸，也是设计中采用的最小设计尺寸单位（“λ设计规则”中的λ），它是IC设计和制造最重要的技术水平指标。

从图中可以看出，对于MOS-FET来说，栅极线条的宽度就是晶体管沟道的长度。根据MOS-FET的原理，在栅极加上一定电压后能促成沟道的形成，沟道形成后载流子能在两个有源区之间流动，就形成电流，相当于开启了晶体管。这条沟道就像一条河，而电子和空穴就是运载货物的船，要把货物（信息）运到对岸去。要想提高运送的速度，可以使用不同的动力使船跑快一些，比如轮船比小帆船跑得快，核动力航母又比普通轮船跑得快；让载流子吸收光或热的能量，以及给晶体管加上不同的偏置电压，就类似于这种效果。但是还有一个更快捷有效的方法，那就是缩小航程——显然，这条河越窄，过河的时间越短，运货的速度也就越快。因此，特征尺寸的缩小可以提高载流子的等效速度，而载流子的运动速度决定了晶体管集成电路的工作频率，这就是为什么线宽的缩小能使CPU的频率提升的深层次原因，它体现了集成电路微观世界与芯片宏观应用之间的联系，也说明了微电子工艺的提升对IC性能的提升是最有效的。

特征尺寸（沟道长度）的缩小虽然有明显的好处，但是也会带来一系列负面效应，统称为“短沟道效应”。例如，场效应管强调的是栅极电压的控制作用，但是在沟道短到一定程度时，源与漏之间会存在漏电流，即使撤掉了栅极电压，也可能关不断MOS管。这容易理解，因为之前的大河变成了一条小水沟，可以一跃而过，就不需要坐船渡过了。漏电流的存在会使电路的静态功耗增大。为了降低“短沟道效应”带来的负面影响，需要在器件结构、制造工艺等方面进行改进。

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