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蘋果的A7處理器不僅在技術(shù)上非常先進(jìn)，同時(shí)也是優(yōu)秀的工程代表。它采用三星28nm低功耗(LP)、前柵極(Gate First)、高K金屬柵極(HKMG)工藝制造，擁有九個(gè)銅金屬層和低K電介質(zhì)，以及一個(gè)頂部鋁金屬層，其中前柵極晶體管結(jié)構(gòu)來自通用平臺技術(shù)(Common Platform Technology)——IBM、GlobalFoundries、三星組成的聯(lián)盟。

ChipWorks今日撰文，介紹了A7的前道工序(FEOL)晶體管結(jié)構(gòu)，并和蘋果及其它廠商的芯片進(jìn)行了對比。對半導(dǎo)體晶體管技術(shù)感興趣的朋友不妨看看。

2010年9月的蘋果A4工藝是三星45nm多晶硅晶體管，以及180nm接觸柵極間隔，NMOS(N型金屬氧化物半導(dǎo)體)、PMOS(P型金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管結(jié)構(gòu)基本一致，主要區(qū)別就是多晶硅柵極、源極-汲極硅化物所用材料的不同。

45nm A4 MOS

2011年3月的A5轉(zhuǎn)向了32nm HKMG工藝(當(dāng)然還是三星)，10個(gè)金屬層，前柵極，接觸柵極間隔縮短至130nm，PMOS晶體管增加了硅鍺(SiGe)通道，NMOS、PMOS也使用了獨(dú)立的功函數(shù)金屬。硅鍺通道改善了PMOS的空穴漂移率，也是晶體管功函數(shù)的一部分。

2012年9月的A6延續(xù)了上述工藝。

A7是蘋果的第一款28nm工藝處理器，大部分很像32nm，接觸柵極間隔進(jìn)一步縮至120nm，PMOS、NMOS晶體管因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同而可以輕松區(qū)分。

NMOS晶體管使用了NMOS功函數(shù)金屬柵極，沉淀在高K柵極電介質(zhì)上，而后者是二氧化鉿附著在薄薄的一層二氧化硅上組成的。因?yàn)楣杌锒嗑Ч钖艠O也是在HKMG柵極堆棧之后形成的，所以它同樣屬于前柵極技術(shù)的范疇。

28nm A7 NMOS

PMOS晶體管最大的特點(diǎn)是PMOS柵極下的硅鍺通道，以及沉淀在高K電介質(zhì)堆棧上的獨(dú)立PMOS功函數(shù)金屬。NMOS金屬柵極在PMOS金屬柵極之上，表明PMOS晶體管是先形成的。

28nm A7 PMOS

大家可以看看下面兩張圖，A7的門間距是114納米，而A6是123納米。A7的28納米制程和A6的32納米制程之間的差別在哪里呢?簡單來說，A7可以在A6的77%面積內(nèi)放下和A6處理器一樣多的晶體管，然而A7的芯片面積比A6還大，這也難怪iPhone 5s對iPhone 5碾壓性的性能有優(yōu)勢了。

見識一下蘋果A7的10億個(gè)晶體管

蘋果A7的10億個(gè)晶體管

NMOS金屬柵極對PMOS晶體管的電氣屬性無影響，但Kabini是在多晶硅沉淀步驟中用來保護(hù)PMOS金屬柵極的一個(gè)屏障。

PMOS、NMOS晶體管的側(cè)壁間隙壁結(jié)構(gòu)(SWS)形狀很接近，而且兩種晶體管都覆蓋了同樣的接觸蝕刻終止層(CESL)。

需要功函數(shù)各異的兩種不同金屬柵極是HKMG技術(shù)的最大挑戰(zhàn)，比在多晶硅上難得多。

三星的前柵極PMOS硅鍺通道技術(shù)也用在了聯(lián)盟其它兩位成員的工藝中：GlobalFoundries AMD 32nm處理器、IBM Power7+處理器。

作為對比，Intel、臺積電沒有在PMOS通道區(qū)域使用硅鍺，而是純粹借助金屬柵極實(shí)現(xiàn)了功函數(shù)的不同。更進(jìn)一步地，Intel、臺積電的是后柵極(Gate Last)，晶體管使用傳統(tǒng)的多晶硅柵極完成，然后移除多晶硅，代之以NMOS、PMOS HKMG柵極堆棧。