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“芯”无远虑,必有近忧 ----FD-SOI与FinFET工艺,谁将接替Bulk CMOS?

“传统Bulk CMOS工艺技术将在20nm走到尽头,必须用创新的思路和方法寻找新的替代工艺。”----IBS主席兼 CEO Handel Jones 现在,大量IC采用体硅CMOS(Bulk CMOS)工艺技术实现,这是一种制造成本...

“传统Bulk CMOS工艺技术将在20nm走到尽头,必须用创新的思路和方法寻找新的替代工艺。”----IBS主席兼 CEO Handel Jones

现在,大量IC采用体硅CMOS(Bulk CMOS)工艺技术实现,这是一种制造成本低、性能较高和具备不错低功耗性能的成熟技术,但是,当工艺节点升级到20nm左右时,Bulk CMOS将无法获得等比例缩小的性能、成本和功耗优势,很多业者认为Bulk CMOS工艺技术将在20nm走到尽头,面对越来越近的这个极限,哪种工艺技术可以接替Bulk CMOS,继续引领半导体技术的革命? 英特尔和TSMC认为采用3D架构的FinFET工艺可以延续工艺技术scaling的特点,而且FinFET具有功耗低,面积小的优点,因此两家公司以及主要半导体代工企业都在计划推出自己的FinFET晶体管,不过,虽然英特尔已经量产了22nm FinFET工艺晶体管,但是在向14nm演进时,其产品发布一再延迟。现在,FinFET工艺技术在scaling的演进中,遇到了很大的挑战,还有其他替代Bulk CMOS工艺技术的方案吗? FD-SOI(全耗尽型绝缘层上硅)技术,一种主要由意法半导体推崇的工艺技术正在越来越受到产业关注,并有望成为Bulk CMOS技术的有力替补。10月13日,来自全球代工企业、半导体材料企业以及IC设计企业的高管聚集上海,参加国际SOI产业联盟(SOI Industry Consortium)、中国科学院上海微系统与信息技术研究所(SIMIT,中国 SOI 技术的先驱者)和芯原股份有限公司联合举办“FDSOI 技术高峰论坛”。中国科学院上海微系统与信息技术研究所所长,中国科学院院士,本次会议的联席主席王曦主持了论坛。与会者认真分析对比了FD-SOI与FinFET工艺技术的优缺点,对两种工艺技术的未来发展进行了深入的探讨,达到了一定的共识。

一、 FD-SOI的优势分析 FD晶圆由氧化埋层(BOX)和BOX之上的极薄硅层组成,从而为在此层建成的晶体管提供独特性能,FD-SOI以极薄的顶层确保了晶体管的各种关键属性。与传统Bulk CMOS相比,在保持相同性能的前提下,FD晶圆可节省高达40%的功耗。同样,依据不同的设计优化,以全耗尽晶圆为基础的处理器峰值性能最高可增长60%。

图 1  FD-SOI工艺与Bulk CMOS工艺对比

图 1 FD-SOI工艺与Bulk CMOS工艺对比

1.1 成本优势 美国商业战略公司(IBS)主席兼首席执行官Handel Jones 在《移动系统芯片市场预测及技术需求》演讲中分析了FD-SOI工艺晶圆方面的成本比较,毕竟在未来的产业化中,成本是个敏感的因素。从他的比较中可以看出,在28nm节点,FD-SOI晶圆有一定的优势,但是到了20nm/14nm,FD-SOI的优势就很明显了,FD-SOI晶圆的成本低于Bulk CMOS的,更远低于FinFET的晶圆成本。 “我认为只有高端PC或者服务所用的高性能处理器能承受FinFET的高成本,从半导体产业发展来看,智能手机是重要的推动力量,不过智能手机处理器要承受价格和功耗的压力。” Handel Jones表示。“所以对于中国IC公司来说,FD-SOI是个不错的技术,它有成本和功耗上的优势。”

IBS的研究也发现,基于Bulk CMOS和FinFET工艺技术的发展,28nm以下每百万逻辑门的成本没有降低,到14nm的时候,每百万逻辑门的成本反而升高,显然这不是一个合理的发展方向。

意法半导体公司研发科技部门副总经理Joël Hartmann表示:“FD-SOI技术不仅能得到FinFET全耗尽晶体管带给平面传统技术的全部好处,而且还能实现后者无法达到的先进的负偏压(back bias)技术。”

1.2 IP移植的便利性 意法半导体依托FD-SOI工艺在28nm节点实现了主频高达3GHz的双核A9处理器,在手机实际应用中,其功耗比主频1.4GH中的四核A9处理器还低,有力地展示了FD-SOI工艺的优势。

FD-SOI工艺的优势

意法半导体CPU与GPU子系统高级首席工程师David Jacquet

意法半导体CPU与GPU子系统高级首席工程师David Jacquet分享了基于FD-SOI工艺设计主频3GHz的双核A9处理器的低功耗设计经验,并结合实际设计分享了FD-SOI的几个优势。

他指出这种FD-SOI工艺可以将工作电压降低至大约0.6V,而相比之下Bulk CMOS工艺的最小极限值一般在0.9V左右。使用FDSOI的后向偏置技术可以提供更宽动态范围的性能,因此特别适合移动和消费级多媒体应用。 在IP移植上,他表示从Bulk CMOS移植到FD-SOI难度并不大,而且,意法半导体也有意开发各类FD-SOI IP给中国IC设计公司。

1.3 可扩展性对比 考察一种工艺技术,一定要了解其未来可扩展性,IBS的Handel Jones表示,从scaling角度看,至少从14nm到7nm,FD-SOI可以发展三代工艺技术。作为SOI技术的忠实拥趸,IBM已经规划了十代SOI技术。

IBM半导体研发中心项目经理Rama Divakaruni指出,实际上,SOI工艺更易实现高性能存储设计

以IBM power7处理器为例,基于SOI的嵌入式存储解决方案不但获得了容量的提升,更在性能上大幅提升。

他表示FET工艺有独有的优势,因此FD-SOI工艺技术到7nm工艺节点时,SOI也将从2D发展到3D,即发展为SOI FinFET工艺。SOI与FinFET可谓殊途同归!所以两种工艺并非完全对立的技术。

1.4 生态系统建设 一种工艺技术离不开生态系统的支持,实际上,FD-SOI生态系统已经在逐渐成形,从这次高峰论坛看,围绕FD-SOI工艺,已经形成了工艺研究、晶圆、IP、代工厂、IC设计服务公司、IC设计公司的产业链。法国Soitec日本信越(SEH)等号称可以提供每月超过10万片SOI晶圆的产能,除FDSOI已在意法半导体量产外Global Foundries已与意法半导体签约有意导入FD-SOI工艺。 很多处理器已经采用了SOI工艺,例如任天堂" Wii"、索尼计算机娱乐"PS3"、美国微软"Xbox360"等3款最新游戏机全部配备了采用SOI材料的处理器。 SOI的应用也日益广泛,已经应用到各类处理器和产品上。IBS的Handel Jones还认为SOI在RF领域的应用潜力非常大。

不过,由于英特尔已经在22nm节点实现了FinFET量产,而FD-SOI还缺乏量产的产品,所以对于FD-SOI来说,现在最或缺的可能就是一个成功故事,这个故事的主角会是谁?


二、中国大陆IC设计公司和代工厂可以利用FD-SOI实现弯道超车吗? 目前,中国大陆的IC设计公司与以及代工业务已经有了极大发展,但是与国际先进公司相比还有一定差距,尤其在代工领域,大陆最先进的代工企业中芯国际与TSMC等相比还有5年左右的差距,由于英特尔和TSMC看好FinFET工艺,本土IC设计企业和代工企业可以利用FD-SOI实现弯道超车吗? 中国半导体行业协会IC设计分会理事长魏少军在发言中强调“工艺是基础、设计是龙头,设计必须与工艺紧密结合。”他在发言中期望中芯国际等代工厂尽早做好抉择抓住工艺升级的大好时机。 武汉新芯集成电路制造有限公司CEO杨士宁在发言中也表示中国半导体市场需要高性价比的技术,FD-SOI确实是个不错的选择。 “我们的客户都说他们需要一种可以提供高性能低功耗移动产品,但是他们也不能保证一定就要使用一种又好又便宜的特殊技术。”他指出,“对于FD-SOI仍需要解决生态系统、设计IP以及成本方面的问题,显然,IC制造企业希望能和IC设计企业共同分担工艺方面的风险。”

“如果我们转向FD-SOI,我们希望中国的IC设计企业可以坚定地与我们一道,并努力构建好设计生态系统。”他希望。显然,在FD-SOI投入方面,制造企业和IC设计企业陷入了“鸡生蛋蛋生鸡”的怪圈,惧怕工艺投入的风险。 戴伟民博士,芯原股份有限公司董事长兼总裁,本次会议的联席主席主持了圆桌论坛环节。中芯国际技术研发执行副总裁李序武希望中国政府能在其FD-SOI投入上给与一定的支持,毕竟高级工艺急速的投入资金是非常巨大的。不过正如SOI联盟的执行董事本次会议的联席主席Handel Jones所言,产业总会以创新的思路解决难题。 10月25日,中芯国际称2亿美元可转债项目吸引了120多个投资者,已完成9倍超额认购。中芯国际称所得款项净额将用作扩大8英寸及12英寸制造设施产能相关之资本开支。 一轮弯道超车已经开始了吗?

  • 发表于 2018-12-26 13:34
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