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技术成本生态化反 FD-SOI工艺的春天来了

2016-06-17

半導體與電子產業正努力適應工藝節點微縮至28納米以下之后的閘成本(gatecost)上揚;如下圖所示,在工藝微縮同時,每單位面積的邏輯閘或晶體管數量持續增加,其速率高于晶圓片成本增加的速率。在另一方面,當工藝特征尺寸縮減時,芯片系統性與參數性良率會降低,帶來較高的閘成本。

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   在理想環境下,每單位面積良率(yieldperunitarea)會與特征尺寸的縮減一致,因而帶來閘成本的下降;不過現實情況并非如此,因為越來越 多的迭對(overlay)等等因素會影響良率。當工藝特征尺寸縮小,也會帶來性能提升以及整體功耗的降低,但代價是更高的閘成本。

  工 藝節點轉移至5納米,需要采用深紫外光(EUV)微影技術;EU雖然可以減少多重圖形(multiplepatterning)步驟以及迭對問題導致的良 率損失,晶圓處理成本將會提升,因此導致閘成本跟著提高。半導體產業可以采用現有的技術藍圖嘗試提高系統與參數良率,或者是評估其他的技術選項。

  180納米(0.18微米)晶圓代工市場的需求量仍然很高,而28納米的12寸晶圓產量在接下來10~15年將超過150KWPM;因此,新一代的工藝技術選項可以擁有約20~30年的生命周期。

  除了FinFET之外的技術選項是FD-SOI,對該技術功能的分析顯示,其性能與功耗等同于甚至超越FinFET;雖然FinFET結構能為數字設計提供優勢,但在高頻以及模擬混合信號設計方面,FinFET架構卻有成本與技術上的劣勢。

   相較于其他工藝技術選項,物聯網(IoT)與Wi-Fi組合芯片等應用,能以FD-SOI達到最佳實現。下表是以16/14納米FinFET與14納米 FD-SOI晶圓制造成本的比較;分析顯示,14納米FD-SOI晶圓成本比16/14納米FinFET低了7.3%,最重要的原因是前者光罩步驟數較 少,因此也縮短了晶圓廠生產FD-SOI晶圓的周期。

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雖然晶圓成本很重要,對使用者來說還有一個更重要的因素是閘成本;這些成本的比較如下表所示。閘成本是基于晶圓成本、芯片尺寸、產品良率的組合,假 設FinFET與FD-SOI兩種工藝技術生產的芯片尺寸相當,14納米FD-SOI的閘成本比16/14納米FinFET低了16.6%,而晶圓廠指標 (waferfabmetrics)也相當。這顯示了FD-SOI頗具競爭力的優勢。

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  此外FinFET工藝與FD-SOI工藝產品的性能也差不多,FD-SOI的功耗則因為使用反偏壓(backbiasing)與閾值電壓(thresholdvoltage)而低于FinFET;反偏壓是在FD-SOI環境中達成性能與功耗權衡的關鍵因素。

  FD-SOI可望微縮至7納米節點

   ARM發表過一篇分析報告,指出Globalfoundries的22納米FD-SOI技術,能讓很多設計在性能與功耗方面與14LPP工藝媲美;而期 望14納米FD-SOI能擁有更低的成本,并有效因應許多正嘗試以10納米或7納米FinFET工藝實現之設計的性能與功耗問題。

  此外,法國研究機構CEA-Leti已經分析過了將FD-SOI工藝微縮至7納米的潛力,其結果如下圖所示;能微縮至7納米,意味著FD-SOI可以擁有超過30年的生命周期,特別是針對物聯網以及其他低功耗混合信號設計。

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   Globalfoundries已經建立了22納米FD-SOI晶圓產能,并證實在數字、混合信號與RF功能性方面表現優異;三星電子 (SamsungElectronics)建立了28納米FD-SOI產能,采用該工藝實作的設計數量正快速增加;意法半導體 (STMicroelectronics)也有28納米FD-SOI產能,而且是第一家能顯示該工藝超越28納米高介電金屬閘極(HKMG)塊狀CMOS 工藝的競爭力。

  對于14納米FinFET技術的采用者來說,轉移至14納米FD-SOI工藝可取得明顯的好處;工藝轉移成本應該不高,因為后段工藝(BEOL)可以是相同的。雖然新的鏈接庫與IP還需要開發以及認證,14納米FD-SOI工藝的生命周期應該有20~30年。

   FD-SOI是FinFET與三閘極晶體管架構(Tri-Gate)的互補技術;對半導體產業來說很重要的是,最佳技術應該是針對關鍵應用,而非讓晶圓 供貨商聚焦于最大化FinFET結構的財務優勢。在法國南部以非常少量專業技術崛起的FD-SOI,現在已是具備全球市場能見度的高利潤技術,半導體廠商 應該考慮快速轉移至該工藝以體驗其優勢。

 


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