半導體與電子產(chǎn)業(yè)正努力適應工藝節點(diǎn)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(shí),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(shí),芯片系統性與參數性良率會(huì )降低,帶來(lái)較高的閘成本。
在理想環(huán)境下,每單位面積良率(yieldperunitarea)會(huì )與特征尺寸的縮減一致,因而帶來(lái)閘成本的下降;不過(guò)現實(shí)情況并非如此,因為越來(lái)越多的迭對(overlay)等等因素會(huì )影響良率。當工藝特征尺寸縮小,也會(huì )帶來(lái)性能提升以及整體功耗的降低,但代價(jià)是更高的閘成本。
工藝節點(diǎn)轉移至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(wèn)題導致的良率損失,晶圓處理成本將會(huì )提升,因此導致閘成本跟著(zhù)提高。半導體產(chǎn)業(yè)可以采用現有的技術(shù)藍圖嘗試提高系統與參數良率,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(chǎng)的需求量仍然很高,而28納米的12寸晶圓產(chǎn)量在接下來(lái)10~15年將超過(guò)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結構能為數字設計提供優(yōu)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(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組合芯片等應用,能以FD-SOI達到最佳實(shí)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(chǎng)生產(chǎn)FD-SOI晶圓的周期。雖然晶圓成本很重要,對使用者來(lái)說(shuō)還有一個(gè)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FinFET與FD-SOI兩種工藝技術(shù)生產(chǎn)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(chǎng)指標(waferfabmetrics)也相當。這顯示了FD-SOI頗具競爭力的優(yōu)勢。
此外FinFET工藝與FD-SOI工藝產(chǎn)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(huán)境中達成性能與功耗權衡的關(guān)鍵因素。
FD-SOI可望微縮至7納米節點(diǎn)
ARM發(fā)表過(guò)一篇分析報告,指出Globalfoundries的22納米FD-SOI技術(shù),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(shí)現之設計的性能與功耗問(wèn)題。
此外,法國研究機構CEA-Leti已經(jīng)分析過(guò)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(zhù)FD-SOI可以擁有超過(guò)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計。Globalfoundries已經(jīng)建立了22納米FD-SOI晶圓產(chǎn)能,并證實(shí)在數字、混合信號與RF功能性方面表現優(yōu)異;三星電子(SamsungElectronics)建立了28納米FD-SOI產(chǎn)能,采用該工藝實(shí)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(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(lái)說(shuō),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(kāi)發(fā)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(shù);對半導體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)很重要的是,最佳技術(shù)應該是針對關(guān)鍵應用,而非讓晶圓供貨商聚焦于最大化FinFET結構的財務(wù)優(yōu)勢。在法國南部以非常少量專(zhuān)業(yè)技術(shù)崛起的FD-SOI,現在已是具備全球市場(chǎng)能見(jiàn)度的高利潤技術(shù),半導體廠(chǎng)商應該考慮快速轉移至該工藝以體驗其優(yōu)勢。