走进工艺世界，揭秘苹果A7处理器到底有多牛

苹果的A7处理器不仅在技术上非常先进，同时也是优秀的工程代表。它采用三星28nm低功耗(LP)、前栅极(Gate First)、高K金属栅极(HKMG)工艺制造，拥有九个铜金属层和低K电介质，以及一个顶部铝金属层，其中前栅极晶体管结构来自通用平台技术(Common Platform Technology)——IBM、GlobalFoundries、三星组成的联盟。

ChipWorks今日撰文，介绍了A7的前道工序(FEOL)晶体管结构，并和苹果及其它厂商的芯片进行了对比。对半导体晶体管技术感兴趣的朋友不妨看看。

2010年9月的苹果A4工艺是三星45nm多晶硅晶体管，以及180nm接触栅极间隔，NMOS(N型金属氧化物半导体)、PMOS(P型金属氧化物半导体)晶体管结构基本一致，主要区别就是多晶硅栅极、源极-汲极硅化物所用材料的不同。

45nm A4 MOS

2011年3月的A5转向了32nm HKMG工艺(当然还是三星)，10个金属层，前栅极，接触栅极间隔缩短至130nm，PMOS晶体管增加了硅锗(SiGe)通道，NMOS、PMOS也使用了独立的功函数金属。硅锗通道改善了PMOS的空穴漂移率，也是晶体管功函数的一部分。

2012年9月的A6延续了上述工艺。

A7是苹果的第一款28nm工艺处理器，大部分很像32nm，接触栅极间隔进一步缩至120nm，PMOS、NMOS晶体管因为结构不同而可以轻松区分。

NMOS晶体管使用了NMOS功函数金属栅极，沉淀在高K栅极电介质上，而后者是二氧化铪附着在薄薄的一层二氧化硅上组成的。因为硅化物多晶硅栅极也是在HKMG栅极堆栈之后形成的，所以它同样属于前栅极技术的范畴。

28nm A7 NMOS

PMOS晶体管最大的特点是PMOS栅极下的硅锗通道，以及沉淀在高K电介质堆栈上的独立PMOS功函数金属。NMOS金属栅极在PMOS金属栅极之上，表明PMOS晶体管是先形成的。

28nm A7 PMOS

大家可以看看下面两张图，A7的门间距是114纳米，而A6是123纳米。A7的28纳米制程和A6的32纳米制程之间的差别在哪里呢?简单来说，A7可以在A6的77%面积内放下和A6处理器一样多的晶体管，然而A7的芯片面积比A6还大，这也难怪iPhone 5s对iPhone 5碾压性的性能有优势了。

见识一下苹果A7的10亿个晶体管

苹果A7的10亿个晶体管

NMOS金属栅极对PMOS晶体管的电气属性无影响，但Kabini是在多晶硅沉淀步骤中用来保护PMOS金属栅极的一个屏障。

PMOS、NMOS晶体管的侧壁间隙壁结构(SWS)形状很接近，而且两种晶体管都覆盖了同样的接触蚀刻终止层(CESL)。

需要功函数各异的两种不同金属栅极是HKMG技术的最大挑战，比在多晶硅上难得多。

三星的前栅极PMOS硅锗通道技术也用在了联盟其它两位成员的工艺中：GlobalFoundries AMD 32nm处理器、IBM Power7+处理器。

作为对比，Intel、台积电没有在PMOS通道区域使用硅锗，而是纯粹借助金属栅极实现了功函数的不同。更进一步地，Intel、台积电的是后栅极(Gate Last)，晶体管使用传统的多晶硅栅极完成，然后移除多晶硅，代之以NMOS、PMOS HKMG栅极堆栈。