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FD-SOI工藝現(xiàn)狀和路線圖

2018-08-02
關(guān)鍵詞: FD-SOI 晶圓 格芯

FD-SOI正獲得越來越多的市場關(guān)注,。在5月份的晶圓代工論壇上,,三星宣布他們有17種FD-SOI產(chǎn)品進(jìn)入大批量產(chǎn)階段。7月,,在美國西部半導(dǎo)體展上,,格芯宣布了超過20億美元的FD-SOI設(shè)計(jì)收入,,其2017年記錄收入10億美元,2018年上半年記錄收入10億美元,。隨著FD-SOI的興起,,我認(rèn)為有必要回顧一下市場上的玩家以及他們目前和計(jì)劃的工藝。 


FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)

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FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)


CEA Leti是負(fù)責(zé)FD-SOI開發(fā)的關(guān)鍵研究小組,,在28納米和14納米工藝上與ST Micro合作,,在22納米和12納米工藝上與格芯合作。 

 

FD-SOI要求設(shè)計(jì)襯底在掩埋絕緣層的單晶硅層非常薄,,以確保溝道區(qū)完全耗盡,。FD-SOI襯底的主要供應(yīng)商是Soitec,SEH是第二大來源,。 

 

生產(chǎn)FD-SOI工藝的公司有ST Micro(其正在將此工藝用作28納米IDM的生產(chǎn)),,三星代工廠(28納米工藝投產(chǎn)中,18納米工藝計(jì)劃投產(chǎn)),,以及格芯代工廠(22納米工藝投產(chǎn)中,,12納米計(jì)劃投產(chǎn))。


ST Micro


ST Micro于2012年推出了28納米FD-SOI,,生產(chǎn)自他們的Crolles II–300mm晶圓廠,。與ST Micro的28納米體工藝相比,28納米FD-SOI工藝的性能提高了32 % - 84 %,。ST Micro也與CEA Leti一同開發(fā)了一種14納米工藝,,但是還沒有投入生產(chǎn)。據(jù)報(bào)道,,ST Micro已經(jīng)開始與格芯合作開發(fā)格芯的22FDX FD-SOI工藝,,因此長遠(yuǎn)來看ST Micro可能不會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)他們自己的FD-SOI,而是可能會(huì)轉(zhuǎn)向這種技術(shù)的無晶圓廠模式,。Crolles II是一個(gè)產(chǎn)能相對(duì)較低的300mm晶圓廠,,而ST Micro在晶圓廠生產(chǎn)其他產(chǎn)品,因此FD-SOI的產(chǎn)量可能不大,。 


三星


三星獲得了ST Micro的28納米FD-SOI工藝許可,,并利用它創(chuàng)建了三星的28納米FDS工藝,。28 FDS于2015年投入生產(chǎn),目前正在大批量生產(chǎn)17種產(chǎn)品,。三星正在開發(fā)一項(xiàng)第二代18納米工藝,,將于明年完成。 

 

28FDS為射頻應(yīng)用,、嵌入式MRAM非易失性存儲(chǔ)器提供達(dá)400 GHz以上的最大頻率(fmax),,并可應(yīng)用于汽車。28FDS有一個(gè)1.0伏的Vdd,。 

 

28FDS計(jì)劃于2019年推出,,其特點(diǎn)是后端采用三星的成熟14納米FinFET技術(shù),面積比28FDS減少了35 %,。相比28FDS,,18FDS還提升了22 %的性能并降低了37 %的功耗。18FDS的Vdd為0.8伏,。 

 

三星的晶圓產(chǎn)能巨大,,可以根據(jù)需要極大提升FD-SOI的產(chǎn)量。


格芯(GF)


格芯的22FDX工藝于2017年投入生產(chǎn),,提供400 GHz fmax,、嵌入式MRAM非易失性存儲(chǔ)器,并可應(yīng)用于汽車,。對(duì)于低功耗應(yīng)用,,22FDX可以在低至0.4伏的電壓下工作。有四種版本可供選擇:低功耗,、高性能,、低泄漏或射頻與模擬。22FDX的前端基于ST Micro 14納米工藝,,后端優(yōu)化了成本,,有兩個(gè)雙層曝光層,其余層為單層曝光,。 

 

第二代12FDX工藝原本應(yīng)在2019年推出,,但格芯推遲了該工藝的推出,因?yàn)榭蛻衄F(xiàn)在才設(shè)計(jì)和升級(jí)22FDX產(chǎn)品,。12FDX的開發(fā)進(jìn)展順利,,將根據(jù)需要推出,我們估計(jì)推出時(shí)間將在2020年左右,。12FDX將能夠在<0.4伏的電壓下工作并且性能較22FDX提高>20%,。 

 

格芯正在其德累斯頓晶圓廠生產(chǎn)22FDX,,且產(chǎn)能相當(dāng)大,。在中國成長起來的晶圓廠也將成為未來FD-SOI的產(chǎn)能來源,。 


對(duì)比 

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圖2比較了格芯、三星和ST Micro的工藝密度指標(biāo),。就目前的FD-SOI產(chǎn)品而言,,格芯的22FDX毫無疑問在密度方面領(lǐng)先,同時(shí)也提供了最低的工作電壓,。三星計(jì)劃的18FDS工藝可能比格芯目前的FDX22工藝稍密,,但格芯計(jì)劃的12FDX工藝將再次確立格芯在FD-SOI密度方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。


我本人很難理解的一件事是,,為什么三星沒有在工作電壓上下功夫,。功耗與工作電壓平方成正比,而FD-SOI針對(duì)的是許多低功耗應(yīng)用,。格芯的0.4伏Vdd在低功耗工作中具有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢,。 


討論 


FD-SOI正被定位為物聯(lián)網(wǎng)、汽車和移動(dòng)應(yīng)用中FinFET的低成本替代品,。就互連層的密度和數(shù)量而言,,特定的FD-SOI工藝選擇使其比密度更大的FinFET工藝更為便宜。FinFET工藝通常也不太適合模擬和射頻應(yīng)用,。我們認(rèn)為,,在節(jié)點(diǎn)和數(shù)量相同的金屬層,F(xiàn)inFET工藝和FD-SOI工藝在成本上接近,,但是FD-SOI工藝的定位不同,,例如,格芯提供8個(gè)金屬層的22FDX,,作為11個(gè)或以上金屬層的14 納米FinFET工藝的低成本替代品,。相比14納米FinFET,22FDX掩模數(shù)量更低且每晶片成本更低,,14納米FinFET工藝密度更大,,更適合大規(guī)模高性能設(shè)計(jì),但22FDX成本更低,,數(shù)字性能幾乎同樣優(yōu)秀且在更低功率下模擬和射頻性能更好,。 

 

FD-SOI還提供獨(dú)特的反饋偏壓功能,以設(shè)置閾值電壓并調(diào)整性能和功耗,。訪問反饋偏壓的背柵只需要1 %的面積損失,,同時(shí)提供了其他工藝無法提供的獨(dú)特和有用性能。 

 

FD-SOI的設(shè)計(jì)成本低于FinFET,,28FDS和22FDX的設(shè)計(jì)成本與28納米體積接近,,而14納米FinFET工藝的設(shè)計(jì)成本大約是28納米體積設(shè)計(jì)成本的兩倍。預(yù)計(jì)7納米FinFET的設(shè)計(jì)成本甚至高于14納米的設(shè)計(jì)成本,。


結(jié)論


我們認(rèn)為,,F(xiàn)D-SOI在占領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng),、5G和汽車應(yīng)用領(lǐng)域市場份額方面處于有利地位。對(duì)于具有大量數(shù)字邏輯并且要求高性能的應(yīng)用來說,,F(xiàn)inFET仍將是首選,。經(jīng)過多年的發(fā)展,F(xiàn)D-SOI將成為主流替代品,。


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