【CICC 84页报告】10nm以下FinFET的工艺就必须DTCO（尤其是光刻工艺）

10nm 以下技术的核心改变 —— 设计与工艺必须 “绑定”

在传统芯片设计里，“电路设计” 和 “工艺制造” 是相对独立的，但到了 10nm 以下的 FinFET 技术，这个模式完全不适用了。为什么？因为现在要做 “多重曝光”“亚分辨率特征” 这些超精细结构，代工厂必须提前想清楚设计方案，设计师也得懂工艺能实现什么 —— 这就是DTCO（设计技术协同优化），简单说就是 “设计和工艺要一起优化”。

ASAP7 的 7nm PDK（工艺设计套件）作为例子，它是亚利桑那州立大学和 ARM 合作开发的：关键层用 EUV（极紫外光刻），非关键层用 193nm 光学多重曝光（比如鳍用 SAQP、栅极用 SADP），还规定了 0.7V 的标准供电电压。这个例子告诉我们，10nm 以下技术的落地，必须先有这种 “设计 - 工艺结合” 的工具和方案。

为什么必须用 FinFET？—— 平面晶体管 “撑不住” 了

在 10nm 以下，传统的 “平面晶体管” 遇到了致命问题：

1. 缩放失效

   以前遵循 Dennard 缩放（按比例缩小尺寸、电压，性能提升还省电），但 28nm 之后，平面管的 “短沟道效应” 越来越严重 —— 比如栅极控制不住沟道，导致阈值电压（Vth）随栅长变小而 “滚降”，漏电流大增（比如 DIBL，漏源电压变化会严重影响阈值电压），根本没法正常工作。

而FinFET（鳍式场效应晶体管） 刚好解决了这些问题：它把平面的沟道做成 “鳍状”，栅极从 3 个面包裹沟道，相当于 “抓得更紧”。带来的好处很实在：

• 漏电流和短沟道效应大幅降低（比如 DIBL 从平面管的 100+mV/V 降到 50mV/V 以下）；

• 亚阈值斜率（SS）接近理想的 60mV/dec，低压下性能更好；

• 驱动电流提升，而且 PMOS 和 NMOS 的驱动电流比（P:N）接近 1:1，逻辑电路更平衡。简单说，FinFET 是 10nm 以下技术能继续缩放的 “救命稻草”。

光刻怎么实现 10nm 以下？——“过渡方案” 和 “终极方案” 并存

要做 10nm 以下的精细图形，光刻是关键，目前有两种核心方案：

1. 光学多重曝光：“老技术缝缝补补”

我们现在常用的光刻光源是 193nm 的 ArF 激光，按瑞利公式算，它的极限分辨率大概 36nm，根本做不了 10nm 以下。怎么办？用 “多重曝光”—— 把一个图形拆成多次曝光、多次刻蚀，比如：

• LELE（光刻 - 刻蚀 - 光刻 - 刻蚀）

  适合简单图形，比如通孔；

• SADP/SAQP（自对准双重 / 四重曝光）

  先做 “芯轴”，再涂侧墙，最后去掉芯轴，相当于把间距缩小一半（比如鳍、栅极用这种方案）。这种方法能解决分辨率问题，但步骤多、成本高，是 10nm 到 7nm 的 “过渡方案”。

EUV 的波长只有 13.5nm，分辨率远高于 193nm，7nm 节点就能用，文档里 ASAP7 的关键层就靠 EUV。但它有很多技术难点：

• 得用反射镜（EUV 不能穿透玻璃），镜面精度要求极高；

• 光源功率不够、掩模容易污染、没有合适的保护膜（ pellicle）。目前 EUV 是 10nm 以下的 “终极方案”，但还在逐步攻克技术难关。（ 2017年 ）

存储设计：SRAM 的 “新麻烦” 与解决办法

10nm 以下的存储（主要是 SRAM 和寄存器文件），因为 FinFET 的特性，遇到了新问题，核心是 “读写裕量不够” 和 “变异性大”：

1. SRAM 的挑战：FinFET 让 P:N 接近 1:1

传统 SRAM 靠 “PMOS 弱、NMOS 强” 保证读写稳定，但 FinFET 的 P:N 接近 1:1，导致写裕量不足（写不进去）、读裕量波动（读错）。怎么办？

• 用 读写辅助技术 ：比如降低列的 VDD（让 PMOS 更弱）、把位线（BL）拉到负压（增强 NMOS 驱动）；

• 靠 DTCO 优化布局：比如优化鳍的切割方式（122 型细胞比 112 型更易光刻，减少工艺偏差），避免 MOL 层的漏电风险。

FinFET 的阈值电压（Vt）会因为 “鳍的粗糙度”“金属栅极晶粒大小” 波动，文档里提到 7nm 下单个鳍的 Vt 偏差达 21mV，这会影响 SRAM 的稳定性。所以设计时必须考虑这种波动，比如通过 DTCO 调整布局，减少变异性的影响。

3. 寄存器文件：基于 SRAM 做改进

寄存器文件是 “快速存储”，基于 SRAM 但多了 “只读端口”。因为 FinFET 没有长沟道器件，需要加 “时序保持器”（比如自定时保持器），避免读操作时的信号冲突，同时保证密度和速度。

物理设计：前段、中段工艺与 “不能忽略的寄生参数” 1. FEOL（前段工艺）：FinFET 的 “骨架”

FEOL 做的是 FinFET 的核心结构 —— 鳍（沟道）、栅极（高 K 金属栅）、源漏区（S/D），源漏延伸区（LDD）还会影响有效栅长（Leff），这些结构的精度直接决定晶体管性能。

2. MOL（中段工艺）：“连接晶体管的桥梁”

以前没有 MOL，现在 FinFET 需要 “局部互连”（比如 LIG 连栅极、LISD 连源漏）把晶体管和后段金属连起来。MOL 的设计很关键，比如要避免不同金属间的漏电（TDDB 风险），还要考虑对准偏差。

3. 寄生参数：“仿真不能只看图纸”

10nm 以下，寄生电阻（比如源漏区的硅化物电阻）和寄生电容（比如 MOL 层的电容）会严重影响性能 —— 只靠电路图纸（schematic）仿真完全不准，必须提取实际物理结构的寄生参数来算。文档里提到，源漏区因为间距窄（7nm 节点约 15nm），掺杂和硅化物生长难，电阻会越来越大，设计时必须想办法最大化接触面积、减少电阻。

标准单元：“变小的库” 与 “受限的设计”

标准单元是芯片的 “基本积木”（比如与非门、或非门），10nm 以下的 FinFET 标准单元有两个核心特点：

1. 架构靠 DTCO：尺寸要 “匹配”

FinFET 的鳍间距（27nm）和金属间距（36nm）要匹配（叫 “齿轮比”），比如 ASAP7 的标准单元高度是 7.5 个 M2 金属间距，这样才能保证布局紧凑。同时，因为 P:N 接近 1:1，传统的 “与非门比或非门好” 的规律变了，甚至或非门可能更优。

2. 库大小减少：“复杂单元做不了”

以前的标准单元库有上万个单元，现在因为金属轨道有限（比如 6-7 个轨道），复杂单元（比如多输入的 AOI 门）很难做，库大小缩减到几百个。设计师只能靠 APR（自动布局布线）工具，用简单单元组合出复杂功能，而不是直接用现成的复杂单元。

后段工艺（BEOL）：“线 / 切割” 光刻的 “副作用”

后段工艺是做金属互连（比如 M1 到 M9），10nm 以下主要用 “线 / 切割（Lines/Cuts）” 光刻：先做满版的金属线，再刻掉不需要的部分（切割）。这种方法工艺简单，但有个大问题 ——必须加虚拟线，不能留空白。

虚拟线会让寄生电容增加 2-3 倍，导致电路延迟增加 2.7%-20.7%（最坏情况 critical path 慢 14.2%）。所以 APR 工具必须在布线时就考虑这些虚拟线的寄生，不能等布完线再补，否则时序根本救不回来。

10nm 以下的 FinFET 技术，再也不是 “设计不管工艺、工艺不管设计” 了。从 FinFET 解决平面管的缩放问题，到 EUV 和多重曝光的光刻选择，再到 SRAM 的读写辅助、标准单元的架构优化、后段的寄生控制 —— 每一步都需要DTCO（设计技术协同优化），每一个环节都要和其他环节适配。

简单说，10nm 以下的芯片，是 “设计、工艺、工具” 三者绑在一起做出来的，缺了任何一方都不行。