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22nm大戰一觸即發,新的甜蜜節點?
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為了滿足市場上的潛在差距,GlobalFoundries、英特爾和台積電正在開發以22nm為目標的新工藝。從表面上看,22nm可實現比28nm更快的晶片,並且開發成本比16nm/14nm更低廉。

時間會告訴我們22nm是否會成為28nm這樣的受歡迎的節點,或僅僅是一個商機而已,但它確實為代工客戶提供了一些新的選擇。實際上,獨立的代工廠商、客戶可以選擇三種不同的22nm技術——bulk CMOS,FD-SOI和finFETs。

例如,在FD-SOI領域,GlobalFoundries正在為客戶準備先前發佈的22nm FD-SOI技術。同時,台積電近日公佈了全新的22nm平面bulk工藝。隨後,英特爾推出了一款全新的低功耗版本的22nm finFET技術。

然而,22nm可能不適合所有人。像以前一樣,客戶可以保持在28nm以上,或者跳過22nm,直接轉移到16nm/14nm或更高級的節點。

總而言之,並不存在適合所有應用的流程。每個代工客戶對於給定的IC設計都有不同的要求。他們的決定歸結為幾個指標,例如功率、性能、尺寸、進度,以及成本(PPASC)。

Coventor首席技術官David Fried表示:“是否將產品推進到FD-SOI、finFET(或bulk CMOS)的判斷取決於產品特性。有些場合的產品適合FD-SOI,有些場合的產品適合finFET(或bulk CMOS)。”

為了説明代工客戶在市場上找到合適的選擇,Semiconductor Engineering已經瞄準了22nm的各種選擇,包括FD-SOI,bulk CMOS和finFET。

為什麼是22nm?
不久前,晶片客戶只是追隨節點進步,圍繞每個節點技術開發產品。但是今天,繼續走這條道路的客戶已經不多,特別是在引領市場的工藝從傳統的平面工藝轉移到了16nm/14nm及更高級節點的finFET之後,能進入新工藝的客戶更少了。

開發最先進節點晶片的公司需要有前沿工藝的性能優勢。然而通常來講,類比、混合信號、RF以及相關技術並不需要高級節點。

28nm及以上的需求依然強勁。截止2016年底,聯華電子晶圓廠的28nm和40nm的產能利用率都達到了90%以上,200mm接近100%。聯華電子首席執行官Po Wen Yen在最近的電話會議上表示:“40nm依然很強勢。”
一般來說,由於正常的季節性問題,28nm的需求預計將在第一季度下滑,但會在今年晚些時候反彈。聯華電子本身並沒有就22nm發表任何公告。聯華電子正在出貨28nm,並開始增加14nm finFET。此外,GlobalFoundries、三星和台積電還提供28nm以及16nm/14nm。

許多代工客戶希望轉移到高級節點,但他們無法找到這樣做的理由。IC設計成本和風險太高。根據Gartner的說法,16nm/14nm晶片的平均設計成本約為8000萬美元,而28nm平面器件的平均設計成本為3000萬美元。據該公司稱,設計一個7nm晶片要花費2.71億美元。

市場研究公司國際企業戰略(IBS)認為,要獲得足夠的投資回報,晶片必須創造比設計成本高出10倍的銷售額。
由於成本以及其他原因,很少的客戶可以承擔得起向高級節點轉移。據IBS報導,事實上,28nm及以上的晶圓廠約有300家,而10nm/7nm的晶圓廠則只有10家左右。當然,像蘋果和高通這樣的業界領先的代工客戶為代工廠創造了巨大的市場容量。

IBS首席執行官Handel Jones說:“如果您可以承受1億美元或更多的設計費用,那麼您可以轉移到7nm。但是許多設計做不到這樣。另一個關鍵因素是低功耗,16nm finFET可以為您提供低功耗,但設計困難。而且有成本溢價。”

總之,28nm平面節點已經成為許多業內人員的最佳選擇,因為它將性能、功率、尺寸、以及成本(PPASC)平衡地結合在了一起。事實上,儘管28nm已經推出了好幾年,但它仍將持續一段時間。據IBS預計,到2025年,28nm工藝帶來的收入將從現在的100億美元增長到140億美元。

未來,許多客戶將最終停留在28nm及以上。資金更充足的人可能會移動到16nm/14nm及更高級節點。
那麼,有一些客戶想要獲得性能提升,但無法承受16nm/14nm的價格,他們還有一個選擇,那就是22nm。Jones說:“28nm節點停留了很長時間。22nm是28nm的縮小版。您可以看到在性能和麵積方面的提升,但(在28nm和22nm之間)沒有明顯的晶圓成本。”

因此,22nm是有意義的,雖然有人有不同的看法。Gartner分析師Samuel Wang說:“我不相信22nm會受歡迎。現在在成熟的28nm節點上有更多的選擇。另外,28nm的晶圓價格很低。”

22nm的第一個玩家,GlobalFoundries的FD-SOI
無論如何,為了防止市場突然發力,客戶必須關注22nm選項。進入22nm的第一個玩家是GlobalFoundries,近兩年前,他宣佈推出了22nm的FD-SOI技術。有一段時間,三星推出了28nm的FD-SOI。

FD-SOI與傳統的bulk CMOS不同。例如,在bulk CMOS邏輯中,矽晶片製造商開發未加工的晶片。然後在襯底上生長薄的外延層,產生外延片。

相比之下,SOI涉及到由Soitec開發的Smart Cut工藝過程。該工藝過程從兩個矽片(A和B)開始。第一個晶片(A)在頂部氧化,產生二氧化矽絕緣層。
 
然後,使用離子注入機將氫離子注入頂層。這反過來又在氧化物下麵形成了一個弱化層。

經過處理的矽片(A)在未經處理的矽片(B)的頂部被翻轉。兩個晶片在弱化層被切成兩半。對底部的矽片(B)進行退火和拋光,即可得到最終的SOI矽片。另一個矽片(A)被重新用於製造另一個SOI矽片。

基本上,SOI矽片在基板中結合有薄的絕緣層,作為抑制洩漏的手段。絕緣層或掩埋氧化物層(BOX)的厚度約為20nm至25nm。Soitec執行副總裁兼首席技術官Carlos Mazure表示:“我們傾向於根據客戶的要求調整厚度。”

與此同時,在電晶體級別,FD-SOI、bulk CMOS和finFET之間有一些相似之處。22nm FD-SOI和22nm bulk CMOS都是平面工藝。在基本平面CMOS工藝中,電晶體具有源極和漏極。電流從源極流向漏極。
 
相反,finFET是類3D結構。在finFET中,電流的控制通過鰭上的三個側面上各實現一個柵極來完成。

隨著節點接近20nm,平面技術存在著一些問題。隨著晶片製造商在每個節點上對電晶體進行比例調節,溝道長度變短。結果,溝道可能會遇到所謂的短溝道效應。這又降低了器件中的亞閾值斜率或關斷特性。

變異性是另一個問題。基本上,bulk CMOS電晶體可能與它在器件中的標稱特性不同。這可能會在閾值電壓方面產生隨機差異。罪魁禍首是一種稱為隨機摻雜劑波動(RDF)的現象。RDF由通道中的摻雜劑原子的變化引起。

IBM研究部高級技術人員Terry Hook表示:“在常規電晶體中,門下方的溝道區域耗盡了移動電荷,使摻雜劑原子離子化。這些原子的電荷與柵極功能一起決定了閾值電壓。耗盡區的深度控制著靜電。耗盡區下面是中性矽,有很多移動載流子。”

解決問題的一種方法是遷移到完全耗盡型電晶體,即finFET和FD-SOI。Hook 表示:“RDF也會影響閾值失配和整體洩漏。在finFET和FD-SOI中,溝道摻雜劑最小化,可以有一次性匹配的優勢。”

Hook 表示:“在RDF方面,FD-SOI和finFET比bulk更好。FD-SOI還具有比傳統的平面bulk更好的短溝道效應,但不如finFET那樣好。FD-SOI需要更薄的耗盡區才能達到相同的靜電特性,因為它只是從一側控制,而不是像FinFET那樣是兩側。”

FD-SOI的最大賣點是逆向偏壓(back-bias)。Hook 表示:“它具有通過在背柵中偏置和摻雜的方式來控制閾值電壓的獨特功能。”

同時,為了發揮FD-SOI的優勢,GlobalFoundries正在準備22nm FD-SOI技術,稱為22FDX。技術檔案(PDK)已準備好,今年晚些時候開始出貨晶圓。

22nm FD-SOI結合了finFET性能和28nm的成本。它還支援射頻等功能。 GlobalFoundries產品管理團隊高級副總裁Alain Mutricy說:“我們選擇了FD-SOI,因為它提供了性能、功率、尺寸的最佳組合。我們的工藝流程完全符合生產要求,我們在高增長領域(如移動,物聯網和汽車)方面看到了強勁的客戶需求。”

finFET在市場上有空間,特別適用於高端應用。但是對於低功耗器件,FD-SOI更有價值。GlobalFoundries的一位總監Rick Carter在最近的IEDM會議上的演講中表示:“性能來自第二代FD-SOI電晶體,其在0.8V下產生910μA/μm(856μA/μm)的nFET(pFET)驅動電流。對於超低功耗應用,它的工作電壓可以低至0.4V。”

根據GlobalFoundries的IEDM檔,GlobalFoundries的22FDX在pFET溝道中集成了high-k/metal-gate以及SiGe,以提高驅動電流。如果需要,SiGe溝道可以用矽替代以減少洩漏。

22FDX使用了雙重曝光步驟。文章中提到:“採用雙重曝光技術來縮放M1/ M2間距,相對於28nm poly/SiON節點,logic/SRAM裸片縮放比例為0.72x/0.83x。”

雖然FD-SOI具有吸引力,但該技術存在一些問題。多年來,FD-SOI的使用相對有限,原因有幾方面。一方面,SOI晶圓成本更高。根據IBS的統計,SOI晶圓的銷售價格從370美元到400美元不等,相比之下,bulk CMOS晶圓的價格為100美元到120美元。

其次,雖然有用於FD-SOI的EDA工具,但客戶必須投入大量設計資源來瞭解FD-SOI和逆向偏壓技術的細微差別。

所以,是什麼阻礙了FD-SOI?IBS的Jones說:“最大的障礙是人們認為FD-SOI成本高。但是成本不是問題。”
大問題是生態系統和市場拉動。一般來說,該行業追隨英特爾和台積電,二者都是bulk CMOS,而不是FD-SOI。

但現在,潮流正在轉向。Jones 說:“如果你看看一年前,再看看今天,現在已經有了很大的進步。現在,我們有FD-SOI的測試晶片。你有來自恩智浦和其他公司的出貨。而且你有承諾的能力。”

例如,位於德國德累斯頓的GlobalFoundries的FD-SOI工廠每月可生產65,000個晶圓。此外,FD-SOI有路線圖,GlobalFoundries正在開發12nm FD-SOI。這一過程可能使供應商滯留在16nm/14nm節點,並且不能遷移到10nm、7nm或5nm。

Bulk CMOS和finFETs在22nm的表現
與之前一樣,台積電和英特爾仍然不支持FD-SOI。台積電聯合首席執行官Mark Liu在接受採訪時表示:“FD-SOI沒有需求。(bulk CMOS工藝)設計基礎已經很完善了。”

多年來,台積電和其他廠商開發了傳統的bulk CMOS工藝。台積電最近推出了低功耗22nm bulk CMOS工藝,以擴大bulk CMOS並抵禦22nm FD-SOI的競爭威脅。與28nm相比,台積電所謂的22ULP技術性能提升了15%,功率降低了35%,並將晶片尺寸縮小了10%。

隨著這一進程,台積電正在擴大其領先的產品組合,提供28nm,22nm,16nm,12nm,10nm和7nm。Liu表示:“它們並沒有相互競爭,我們根據客戶的要求設計每一項技術。”

然而,22nm的bulk CMOS技術可能會遇到一些問題,如短通道效應或RDF。 Gartner的Wang說:“22nm時沒有足夠的空間解決柵介質厚度和CD變化。22nm bulk CMOS的真正優勢是值得懷疑的。”

同時,面對著20nm平面技術挑戰,台積電、GlobalFoundries、三星,以及聯華電子遷移到了16nm/14nm的finFET。相比之下,英特爾在2011年遷移到了22nm的finFET。
 
最近,英特爾推出了一款名為22FFL的新低功耗22nm finFET技術。22FFL專為物聯網和移動應用而設計。英特爾處理器架構與集成高級研究員兼總監Mark Bohr表示:“(22FFL)完全支持射頻設計,並與其他廠家的28nm和22nm平面技術具有成本競爭力。”

據Bohr稱,對於22nm而言,finFET具有超越平面工藝的優勢。“FinFET器件是完全耗盡型電晶體,它具有更陡峭的閾值斜率。因此,它可以具備比任何平面電晶體更小的洩漏。”

22FFL結合了22nm和14nm的特徵。例如,英特爾先前的22nm finFET設計具有60nm的鰭片間距和圓形的鰭片。 相比之下,其14nm finFET具有42nm的間距和高而窄的鰭片。

22FFL具有45nm的鰭片間距和高而窄的鰭片。這種鰭片形狀可以比圓形鰭片擁有更好的驅動電流。此外,英特爾使用單次曝光技術,因而具有更寬鬆的金屬間距。

英特爾的22FFL由兩項技術組成,即高性能和低洩漏。它提供了廣泛的器件功能和選項。英特爾將在年底前為代工客戶提供22FFL技術。
 
22nm finFET擁有更好的性能,但有一些問題。Coventor的Fried說:“FinFET是一種相對較高的前端電容技術。FD-SOI可能是一個明顯較低的前端電容解決方案。前端電容是否是最大問題決定了您是否關心FD-SOI。”

當然客戶也可以保持在28nm以上。諸如22nm,12nm等新節點為客戶提供更多的選擇。最大的問題是新技術是否會獲得牽引。
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