半導(dǎo)體與電子產(chǎn)業(yè)正努力適應(yīng)工藝節(jié)點微縮至28納米以下之后的閘成本(gatecost)上揚(yáng);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(shù)量持續(xù)增加,其速率高于晶圓片成本增加的速率。在另一方面,當(dāng)工藝特征尺寸縮減時,芯片系統(tǒng)性與參數(shù)性良率會降低,帶來較高的閘成本。

20160616-FOI-1在理想環(huán)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(xiàn)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(dāng)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(jié)點轉(zhuǎn)移至5納米,需要采用深紫外光(EUV)微影技術(shù);EU雖然可以減少多重圖形(multiplepatterning)步驟以及迭對問題導(dǎo)致的良率損失,晶圓處理成本將會提升,因此導(dǎo)致閘成本跟著提高。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可以采用現(xiàn)有的技術(shù)藍(lán)圖嘗試提高系統(tǒng)與參數(shù)良率,或者是評估其他的技術(shù)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(chǎn)量在接下來10~15年將超過150KWPM;因此,新一代的工藝技術(shù)選項可以擁有約20~30年的生命周期。

除了FinFET之外的技術(shù)選項是FD-SOI,對該技術(shù)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(jié)構(gòu)能為數(shù)字設(shè)計提供優(yōu)勢,但在高頻以及模擬混合信號設(shè)計方面,F(xiàn)inFET架構(gòu)卻有成本與技術(shù)上的劣勢。

相較于其他工藝技術(shù)選項,物聯(lián)網(wǎng)(IoT)與Wi-Fi組合芯片等應(yīng)用,能以FD-SOI達(dá)到最佳實現(xiàn)。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(shù)較少,因此也縮短了晶圓廠生產(chǎn)FD-SOI晶圓的周期。20160616-FOI-2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(chǎn)品良率的組合,假設(shè)FinFET與FD-SOI兩種工藝技術(shù)生產(chǎn)的芯片尺寸相當(dāng),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(biāo)(waferfabmetrics)也相當(dāng)。這顯示了FD-SOI頗具競爭力的優(yōu)勢。20160616-FOI-3此外FinFET工藝與FD-SOI工藝產(chǎn)品的性能也差不多,F(xiàn)D-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(huán)境中達(dá)成性能與功耗權(quán)衡的關(guān)鍵因素。

FD-SOI可望微縮至7納米節(jié)點

ARM發(fā)表過一篇分析報告,指出Globalfoundries的22納米FD-SOI技術(shù),能讓很多設(shè)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(yīng)許多正嘗試以10納米或7納米FinFET工藝實現(xiàn)之設(shè)計的性能與功耗問題。

此外,法國研究機(jī)構(gòu)CEA-Leti已經(jīng)分析過了將FD-SOI工藝微縮至7納米的潛力,其結(jié)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(lián)網(wǎng)以及其他低功耗混合信號設(shè)計。20160616-FOI-4Globalfoundries已經(jīng)建立了22納米FD-SOI晶圓產(chǎn)能,并證實在數(shù)字、混合信號與RF功能性方面表現(xiàn)優(yōu)異;三星電子(SamsungElectronics)建立了28納米FD-SOI產(chǎn)能,采用該工藝實作的設(shè)計數(shù)量正快速增加;意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)也有28納米FD-SOI產(chǎn)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(shù)的采用者來說,轉(zhuǎn)移至14納米FD-SOI工藝可取得明顯的好處;工藝轉(zhuǎn)移成本應(yīng)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(fā)以及認(rèn)證,14納米FD-SOI工藝的生命周期應(yīng)該有20~30年。

FD-SOI是FinFET與三閘極晶體管架構(gòu)(Tri-Gate)的互補(bǔ)技術(shù);對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說很重要的是,最佳技術(shù)應(yīng)該是針對關(guān)鍵應(yīng)用,而非讓晶圓供貨商聚焦于最大化FinFET結(jié)構(gòu)的財務(wù)優(yōu)勢。在法國南部以非常少量專業(yè)技術(shù)崛起的FD-SOI,現(xiàn)在已是具備全球市場能見度的高利潤技術(shù),半導(dǎo)體廠商應(yīng)該考慮快速轉(zhuǎn)移至該工藝以體驗其優(yōu)勢。