突破20纳米制程节点困境,还看FD SOI

上网时间: 2014年04月11日? 作者:Handel Jones? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:FD SOI? 半导体制程? 20纳米制程节点?

全空乏绝缘上覆硅(Fully depleted silicon-on-insulator,FD SOI)是 28纳米与 20纳米半导体制程节点的最佳解决方案,主要原因是该技术与块状CMOS制程技术相比,其成本与泄漏电流较低,性能表现则更高。

同样是100mm见方大小的芯片,采用 28纳米 FD SOI 制程的成本比块状CMOS 制程低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。此外相关数据也显示,FD SOI制程裸晶的复杂度与块状CMOS制程比较,低了10%~12%。

更小的裸晶面积与更高的参数良率之结合,FD SOI制程在20纳米节点的产品成本优势会比块状CMOS制程多20%;在28纳米节点,FD SOI的性能则比20纳米块状CMOS高出15% (参考下图)。

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FD SOI 制程与块状CMOS制程的性能比较

FD SOI制程在高/低Vdd方面能提供比块状CMOS制程的能源效益(efficiency levels)表现;FD SOI在位单元(bit cells)上的功率效益(power efficiency)也高出块状 CMOS,是因为较低的泄漏电流以及对α粒子更好的免疫力。

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各种制程技术在28/20纳米节点的裸晶成本比较

尽管有种种因素,英特尔(Intel)仍决定在22纳米节点采用 FinFET 而非块状CMOS制程;该公司选择22纳米而非20纳米节点的原因,是为了要免除对双重图形(double patterning)微影技术的需求。

突破20纳米制程节点困境,还看FD SOI_《国际电子商情》各种制程技术在28/20纳米节点的晶圆片成本比较_3
各种制程技术在28/20纳米节点的晶圆片成本比较

晶圆代工业者一开始计划转向采用16/14纳米FinFET制程,而非20纳米块状CMOS制程,但现实情况是FinFET目前的组件结构到2017年第四季以前都无法提供具成本竞争力的产品。

因此晶圆代工业者调整了相关计划;以台积电(TSMC)为例,该公司的20纳米块状CMOS制程业务估计贡献该公司 2014年总营收(23亿美元)的10%,在2014年第四季(估计营收11亿美元)其营收贡献度更可达到20%。

不过笔者认为,20纳米块状CMOS制程在每闸成本方面无法低于28纳米节点,这对大量生产的手机芯片来说至关重要;因此产业界在20纳米与16/14纳米FinFET制程的量产速率相当不确定。有一个可能性是,28纳米晶圆产量到2020年仍将维持高水平。

突破20纳米制程节点困境,还看FD SOI_《国际电子商情》28纳米晶圆产量估计_4
28纳米晶圆产量估计

将FD SOI制程微缩至14纳米(也就是ST所说的10纳米),其成本优势会比FinFET高出许多;这意味着FD SOI同时具备短期性与长期性的优势,无论是在成本、功耗与性能表现上。

产 业界不采用 FD SOI 制程的一个原因是缺乏来自供应链的支持,以及对于技术未标准化的疑虑;不过包括Soitec、SunEdison与 Shin-Etsu Handotai等厂商都已经开始供应FD SOI 晶圆片,如果产业界采用该技术,那些厂商能扩展产能应对供应链的挑战。

其他问题包括开发新IP与IP库的需求、需要具备基底偏压(body biasing)设计能力的人才,以及确保设计流程的建立等等;在这些方面,各家领导级EDA供货商已经表示有解决方案,学习基底偏压设计技术并非难事。

当半导体产业的时间表是以制程技术每两年升级一次的周期前进,走不同的路线是有高风险的;但随着新一代技术的发展时程延长──以及估计28纳米与衍生技术将到2020年都维持高晶圆产量──不做出最好的选择恐怕得面临更高的风险。

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本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

编译:Judith Cheng

参考英文原文:20nm Dilemma Explained,by Handel Jones

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