深入剖析苹果A7芯片中的晶体管设计

苹果的A7处理器不仅在技术上具有高度的创新性，同时也是工程设计的杰出代表。它基于三星28nm低功耗(LP)、前栅极(Gate First)、高K金属栅极(HKMG)制造工艺，拥有九层铜金属和低K电介质，加上一个铝金属层，前栅极晶体管结构则依托于通用平台技术(Common Platform Technology)，这一联盟由IBM、GlobalFoundries与三星共同组成。

ChipWorks今天发布文章，分析了A7的前道工序(FEOL)晶体管结构，并将其与苹果及其他厂家所生产的芯片进行了比较。有兴趣了解半导体晶体管技术的朋友不妨浏览一下。

2010年9月发布的苹果A4采用了三星的45nm多晶硅晶体管工艺，结合了180nm接触栅极间隔，其NMOS(N型金属氧化物半导体)和PMOS(P型金属氧化物半导体)晶体管结构大致相同，主要在于多晶硅栅极以及源极-汲极硅化物材料的选择。

2011年3月的A5则转向了32nm HKMG工艺（依然由三星提供），包括10个金属层，前栅极，接触栅极间隔缩短至130nm，并且PMOS晶体管的通道中首次引入了硅锗(SiGe)，同时NMOS与PMOS也各自采用了独立的功函数金属。

硅锗通道有效提升了PMOS的空穴漂移率，这也是晶体管功函数的一部分。

2012年9月的A6继续沿用了上述的制造工艺。

45nm A4 MOS

A7是苹果的首款28nm工艺处理器，设计上与32nm相似，接触栅极间隔进一步缩短至120nm，PMOS和NMOS晶体管因其结构差异被明显区分开来。

NMOS晶体管使用了NMOS功函数金属栅极，沉积在高K栅极电介质之上，这种电介质由二氧化铪和一层轻薄的二氧化硅构成。由于多晶硅栅极是在HKMG栅极堆栈之后形成的，因此它同样符合前栅极技术的定义。

28nm A7 NMOS

PMOS晶体管的显著特征在于其栅极下方的硅锗通道，以及沉淀在高K电介质堆栈上的独立PMOS功函数金属。NMOS金属栅极位于PMOS金属栅极之上，这进一步表明PMOS晶体管是首先构建的。

28nm A7 PMOS

NMOS金属栅极在电气性能上对PMOS晶体管没有影响，但是Kabini在多晶硅沉积阶段提供了一个保护层，以保护PMOS金属栅极。

PMOS与NMOS晶体管的侧墙间隙壁结构(SWS)形态相似，且两者都覆盖了相同的接触蚀刻终止层(CESL)。

因需使用两种不同功函数的金属栅极，这使得HKMG技术面临较大挑战，难度远超在多晶硅上的实现。

三星的前栅极PMOS硅锗通道技术也被其他联盟成员所采用，例如GlobalFoundries的AMD 32nm处理器和IBM的Power7+处理器。