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FD-SOI技术优势何在?听我来絮叨絮叨!

2018年02月11日 作者: 暂无评论 789+ 0

FD-SOI若要说2018以及未来五年最受瞩目的半导体工艺技术,除了即将量产的7纳米FinFET尖端工艺,以及预计将全面导入极紫外光(EUV)微影技术的5纳米工艺节点,各家晶圆代工业者着眼于应用广泛、无所不包的物联网(IoT)市场对低功耗、低成本组件需求而推出的各种中低阶工艺技术选项,也是产业界的关注焦点。

例如晶圆代工龙头台积电(TSMC)的16与12纳米FFC (FinFET Compact Technology)、22纳米超低功耗(ULP)、28纳米HPC/HPC+,以及40纳米ULP、55纳米ULP与低功耗(LP)等逻辑工艺,还有英特尔(Intel)的22纳米低功耗FinFET (22FFL)工艺、GlobalFoundries的28纳米HPP (High Performance Plus)/SLP (Super Low Power)、22FDX工艺,以及三星电子(Samsung)的28纳米FDSOI、LPP、LPH…等等,都是适合广泛物联网应用市场需求特性的解决方案。

其中GlobalFoundries的FDX系列工艺与Samsung的FD-SOI工艺,与其他竞争方案之间的最大差异,就在于采用了无论是英文或中文读来都十分拗口的“全空乏绝缘上覆硅”(Fully Depleted Silicon On Insulator,FD-SOI)技术;该技术早在2011年就由SOI产业联盟(SOI Industry Consortium)、意法半导体(ST)以及其研发伙伴IBM、GlobalFoundries、三星等率先在业界推广,号称在28纳米与20 (22)纳米节点能达到由英特尔、台积电等支持的新一代FinFET工艺相当的性能,但成本与风险更低。

FD-SOI技术优势何在?

不同于FinFET工艺采用的3D晶体管结构,FD-SOI为平面工艺;根据ST官网上的技术资料,FD-SOI有两大主要创新:首先是采用了埋入氧化物(buried oxide,BOX)超薄绝缘层,放置于硅基板之上;接着将超薄的硅薄膜布署于晶体管通道,因为其超薄厚度,通道不需要掺杂(dope),使晶体管能达到完全空乏。以上两种创新技术的结合全名为“超薄基体埋入氧化层全空乏绝缘上覆硅”(ultra-thin body and buried oxide FD-SOI,UTBB-FD-SOI)。

ST表示,与传统的块状硅技术相较,FD-SOI能提供更好的晶体管静电特性,而埋入氧化层能降低源极(source)与汲极(drain)之间的寄生电容;此外该技术能有效限制源极与汲极之间的电子流动,大幅降低影响组件性能的泄漏电流(图1)。除了透过闸极,FD-SOI也能藉由极化(polarizing)组件底层基板来控制晶体管行为,类似于块状硅技术亦可实现的基体偏压(body bias)。

FD-SOI图1:块状硅工艺与FD-SOI工艺晶体管结构比较(来源:STMicroelectronics)

不过块状硅技术的基体偏压非常有限,因为寄生漏电流以及晶体管几何尺寸缩减之后晶体管效率降低;而FD-SOI因为晶体管结构以及超薄绝缘层,偏压效率会更好。此外,埋入氧化层也能实现更高的基体偏压,达到对晶体管突破性的动态控制──当基板的极化为正向,也就是顺向基体偏压(FBB),晶体管切换速度能加快,并因此能优化组件性能与功耗。

根据ST的说法,FD-SOI能轻易实现FBB并在晶体管运作期间进行动态调节,为设计工程师提供高度弹性,特别是对省电性能与速度有高度要求、性能并非关键的组件,因此是物联网或便携式/可穿戴消费性电子设备应用的理想解决方案。

市场研究机构International Business Strategies (IBS)首席执行官Handel Jones在2014年发表的一份报告中写道:“同样是100mm见方大小的芯片,采用28纳米FD-SOI工艺的成本比块状CMOS工艺低3%,在20纳米节点则可以进一步低30%;这是因为带来更高参数良率的同时,晶圆成本也更低;”此外FD-SOI工艺裸晶的复杂度与块状CMOS工艺比较,低了10%~12%。

Jones进一步表示:“更小的裸晶面积与更高的参数良率之结合,FD-SOI工艺在20纳米节点的产品成本优势会比块状CMOS工艺多20%;在28纳米节点,FD-SOI的性能则比20纳米块状CMOS高出15%。”他并指出:“FD-SOI工艺在高/低Vdd方面能提供比块状CMOS工艺更高的能源效率等级(energy efficiency levels);FD-SOI在位单元(bit cells)上的电源效率也高出块状CMOS,这是因为较低的泄漏电流以及对α粒子更好的免疫力。”

FD-SOI工艺:西方冷、东方热

不过尽管FD-SOI号称有上述诸多优势,对于该工艺的生产良率、专用晶圆片价格与供应来源稳定性,还有大量生产确切时程、整体技术支持生态系统完整性,产业界仍有诸多疑虑;因此虽然FD-SOI在欧洲有ST、恩智浦(NXP)等支持者,三星、GlobalFoundries等也分别积极推广自家FD-SOI代工业务,该技术在市场的讨论热度与能见度一直偏低,特别是在西方。

时间来到2017年2月,GlobalFoundries宣布投资100亿美元在中国成都高新西区建立12吋晶圆厂(图2),2018年开始营运的第一期生产线会是转移自该公司新加坡厂之为较成熟的180/130纳米工艺,第二期为转移自其德国德累斯顿 (Dresden)厂的22FDX FD-SOI工艺生产线,预计2019年开始营运;此讯息在半导体产业界引起广大回响,除了再次昭示了中国发展本土半导体产业链的企图心,也代表FD-SOI工艺的“主战线”将在中国点燃。

FD-SOI图2:Globalfoundries在中国成都兴建12吋厂Fab 11,预计2019年量产的第二阶段生产线为22FDX FD-SOI工艺(来源:Globalfoundries)

中国早在2015年就对FD-SOI技术表达了高度兴趣;当时IC设计服务业者芯原(VeriSilicon)首席执行官戴伟民(Wayne Dai)在接受EE Times记者访问时即表示,与其不断地在FinFET工艺方面追赶台积电或英特尔的脚步,他认为中国应该投资FD-SOI,并以该技术做为低功耗工艺的替代方案。此外上海新傲科技(Simgui)于2015年秋天开始量产首批8吋SOI晶圆片,采用与该公司策略伙伴、法国业者Soitec的Smart Cut工艺技术。

还有一个由中国“大基金”成立的投资平台,上海硅产业投资有限公司(National Silicon Industry Group,NSIG)在2016年宣布收购14.5%的Soitec股权;晶圆代工业者上海华力微电子(Shanghai Huali Microelectronics Corp.)在GlobalFoundries宣布成都厂投资计划前,也透露了投资FD-SOI生产线的计划,但并没有具体时间表。这些迹象在显示FD-SOI将会是中国半导体产业发展蓝图的一部分,并可能让这个迄今在西方世界市场稍嫌受到冷遇的技术,在东方市场发光发热。

根据Globalfoundries产品管理资深副总裁Alain Mutricy在2017年5月接受EE Times采访时的说法,该公司在成都投资设厂只是第一步,接下来还将在当地建立FD-SOI生态系统,帮助中国无晶圆厂IC设计业者以及设计服务业者更容易取得所需的IP与工具。

物联网工艺战火即将引爆

2017年9月底,在SOI产业联盟主办的第五届上海FD-SOI论坛上,发表专题演说的GlobalFoundries首席执行官Sanjay Jha再次大力宣传FD-SOI工艺,并以22纳米──采用单次光罩最小节点,也是适合物联网、便携设备等对成本/功耗敏感应用,预期将会是市场上的“长寿”节点──为基准,将该公司的22FDX工艺以及英特尔22FFL工艺、台积电22ULP工艺的性能比较(图3)。

FD-SOI图3:GlobalFoundries、台积电与英特尔的22纳米工艺性能比较(来源:GlobalFoundries)

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