結構尺寸

結構尺寸或稱結構寬度（英語：process size, feature size）是半導體元件製造、微電子與納電子的一個尺寸標示。它表示可以可靠地通過微影製程製造出的最小結構的數值。用於判定時，通常以周期性線狀結構的半距（half pitch）作為參考結構。因此它也被稱為最小特徵尺寸（英語：minimum feature size，MFS）^[1]。長度單位通常用符號F（也可寫作f），但這並非標準化。

製程橫截面：帶絕緣柵的場效電晶體（IGFET（德語：Isolierschicht-Feldeffekttransistor） ）（此處為n通道MOSFET ）

該術語也被用於數位光學存儲介質領域，通常用於表示諸如CD、DVD 與藍光光碟上高地與凹坑的尺寸。納米技術中（該領域在物理技術語境下研究尺寸可達 100 nm的結構），該術語亦被採用。

在微電子學中的意義

在半導體基片（晶圓）上產生的最小結構通常是一個金屬-絕緣體-半導體場效電晶體（德語：Isolierschicht-Feldeffekttransistor）（MISFET）的柵長。在此語境下，人們常將其與製造製程或技術的結構大小等同，即所謂的技術節點（德語：Technologieknoten），當把該術語用於指稱整個以該結構尺寸為目標的製造流程時，例如28 nm技術節點或 28 nm技術。然而，由於同一製程節點內不同產品的最小結構寬度可能有數個百分點的波動，因此這種等同並不嚴格成立。同樣，反過來也並非必然成立：隨著某一製程節點製造技術的持續改進，可能製造出更小的結構。在實際中，電路設計的縮小通常以製程節點為階梯（每步約縮小 0.7倍）或以偽技術節點的方式進行。直到 2000 年代後期，引入新的製造製程才使得可靠製造更小結構成為可能。自 28 nm節點以及 FinFET 等其他電晶體設計引入後，這種對應關係變得更加困難或不明確。

英特爾486DX2積體電路打開晶片封裝可見實際的裸晶

積體電路的若干重要特性與所用的結構尺寸相關。最重要的有：

• 電晶體的集成度： 隨著結構尺寸減小呈二次方增長
• IC基本單元的緊湊性： 除了結構尺寸縮小外，基本單元本身也變小。1990年的一顆DRAM單元由兩個電晶體構成，占地約50 F²，即在2 µm結構尺寸時約為 200 µm²。如今它由一個電晶體構成，占地約6 F^2[2]，在22 nm結構尺寸時約為0.144–0.128 µm²^[3]。
• 工作電壓： 隨結構尺寸減小而下降
• 最大開關頻率： 隨結構尺寸減小而上升
• 每個門與切換操作的損耗功率： 隨結構尺寸減小而下降
• 對游離輻射的魯棒性： 隨結構尺寸減小而下降
• 由電遷移引起的長期穩定性： 隨結構尺寸減小而下降

與半導體製造中晶圓尺寸的增大一起，結構尺寸的縮小構成了降低生產成本、提高半導體元件性能與速度的兩大核心要素。

結構尺寸是一個重要參數，主要由所使用的 半導體製程（英語：Halbleiterprozess）（CMOS、NMOS、TTL等）以及為此可用的最小或所選電晶體設計決定。這裡既包括基板（通常為矽晶圓）的材料性質和摻雜，也包括所採用的微影技術，以及因此需要的製造參數，例如空氣潔淨度等，甚至到當前可用的產能狀況。這通常也能用於推斷此類生產服務的價格。

結構尺寸還決定了每片晶圓上可容納多少電晶體（電晶體密度），從而影響典型可從中獲得的獨立（分立）半導體晶片數量。結合半導體的邏輯設計，就能得到每片晶圓的晶片數量，這對晶片面積及其價格有直接影響。例如，由於製程特性，在相同結構尺寸下，NOR快閃記憶體的存儲容量通常低於NAND快閃記憶體，因為其存儲單元需要更多的電晶體，從而在晶片晶粒上占用更多空間。

英特爾處理器特徵尺寸的發展（1971-2014）

在所謂的晶片微縮（英語：Die shrink）中，旨在在保持半導體功能性的前提下將結構尺寸替換為更小的一種。相同的功能性設計因此可以在多種不同的結構尺寸上生產。較小的結構通常在靜態和切換情況下具有更低的電晶體損耗功率，因此半導體在較小結構下通常能達到更高的最大時鐘頻率。若保持裸片（Die）尺寸不變，則可以擴展可縮放的單元，例如處理器的快取。

在縮小結構尺寸時，製造商需首先進行若干製程優化步驟，以便重新達到此前常見的良率。因此轉向具有更小結構尺寸的製程總是伴隨著成本與風險。當然，人們會儘量通過適當的研究和試驗在前期將這些成本和風險降到最低，以便儘早實現經濟上的效率。

結構尺寸作為比較尺寸

由於半導體元件與功能組的形狀和構成（設計）在很大程度上不變，而僅製造技術發生變化，因此尺寸有時以最小單元的倍數來表示。例如，對工業常用並經過優化的標準單元設計，有如下在各個製程節點間大體穩定的數值：6T SRAM存儲單元的面積為135-150 F²，1T1C DRAM內存單元的面積約為6-50 F²，以及1T型「NOR FLOTOX」Flash單元約為 10 F²。^[4][5]而實際的面積需求（通常以平方微米µm²表示）則隨著製造製程的最小結構尺寸而減小。

以MFS為標準化基準的尺寸表示具有優勢，因為這樣可以將不同設計變體與一個參考設計進行比較。例如，一些製造商在相同製造製程下會提供不同的SRAM變體，其相對於各自製造製程的最小結構尺寸的面積需求會有所不同。這些可能是不同的單元設計，比如用12T或8T代替6T的SRAM單元（T在此處表示所用電晶體數），或者對某一 6T-SRAM單元設計^[6]進行針對不同應用（面積、訪問時間、漏電流等）的優化。由於這通常與設計中更大的間距相關聯，因此其面積需求通常更高。

參見見

• Chris Mack. Fundamental principles of optical lithography. Wiley-Interscience. 2008. ISBN 978-0-470-01893-4.