【原创】FD-SOI工艺渐行渐热,格芯全球布局蓄势以待

winniewei 提交于 周三, 02/28/2018
【原创】FD-SOI工艺渐行渐热,格芯全球布局蓄势以待

作者:张国斌

在FinFET工艺大行其道的同时,另一种具有低功耗和RF集成优势的工艺技术--FD-SOI(全耗尽型绝缘层上硅)工艺正在逐步走热,越来越多的公司开始看重它的优势并选用这个工艺技术,这是我在参观格芯(GlobalFoundries格罗方德)德累斯顿Fab1厂时的深刻感受,目前格芯Fab1厂已经稳定量产22nm FD-SOI工艺芯片,随着格芯成都厂2019年开始量产22nm FD-SOI工艺,全球高级工艺代工市场可能会出现新的变化。

下图是德累斯顿Fab1厂陈列的采用FD-SOI工艺的处理器和基于这些处理器的产品,我看到一些最新的机器人、智能手机、物联网产品等都采用了基于FD-SOI工艺的处理器,复旦微电子等公司都在开发基于FD-SOI工艺的处理器。一家本土新创公司SFARDS 公司竟然还开发了基于FD-SOI工艺的全球第一颗比特币/莱特币双挖ASIC芯片 SF3301!

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在2017年上海的FD-SOI论坛上,一直力挺FD-SOI工艺的IBS首席执行官Handel H.Jones就表示,现有28nm工艺产品中有90%都是适合FD-SOI工艺的,所以FD-SOI工艺未来潜力巨大。

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目前格芯、意法半导体、三星、瑞萨都可以提供FD-SOI制造服务,而且ARM,Synopsys,Cadence、芯原微电子、Soitec以及多家FD-SOI晶圆配套企业都宣布支持FD-SOI工艺,可以说FD-SOI工艺已经构建了一个成熟的生态系统,随着物联网市场的爆发,拥有低功耗优势的FD-SOI工艺有望迎来井喷,在本土公司中复旦微电子等多家公司已经有意采用这个工艺完成物联网芯片设计。

FD-SOI--从理论到实际

1999年,美籍华人科学家胡正明教授(下图左立者,曾荣获2015年美国国家技术和创新奖)在主导一个由美国国防部高级研究计划局(DARPA)出资赞助的研究项目时一举发明了两个高级工艺晶体管架构,一个是立体型结构的FinFET晶体管,另外一个是基于SOI的超薄绝缘层上硅体技术 (UTB-SOI,也就是我们常说的FD-SOI晶体管技术)。

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所以,FD-SOI可谓和FinFET相伴相生,FD-SOI可以在低功耗领域大展身手,而FinFET工艺则在高性能领域俾睨群雄。

体硅(Bulk)CMOS技术走到22nm之后,受光刻技术限制,特征尺寸已很难继续微缩,急需革新技术来维持进一步发展。在众多的候选技术之中,FD-SOI技术极具竞争力。

FD-SOI(FullyDepleted-Silicon-On-Insulator,薄膜全耗尽绝缘衬底上的硅)的原理是在硅晶体管之间,加入绝缘体物质,使两者之间的寄生电容大幅度降低。基于薄膜SOI结构的器件由于硅膜的全部耗尽完全消除"翘曲效应",且这类器件具有低电场、高跨导、良好的短沟道特性和接近理想的亚阈值斜率等优点。因此,FD-SOI应该是非常有前景的SOI结构。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%。

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FD-SOI工艺还可以将工作电压降低至0.6V左右,相比之下Bulk CMOS工艺的最小极限值一般在0.9V左右。使用FD-SOI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以及物联网应用。关于FD-SOI工艺的优势,大家可以参看这篇文章《格罗方德专家深度揭秘FD-SOI工艺四大优势》,现任格芯Fab 1(德累斯顿厂)总经理兼全球高级副总裁Thomas Morgenstern博士在接受采访时也同样强调了FD-SOI工艺的这几个优势,并表示这些优势已经从实际产品得到了验证,而不仅仅是理论探讨。

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Thomas 博士指出与体硅材料相比,FD-SOI具有如下优点:1)减小了寄生电容,提高了运行速度;2)降低了漏电流,具有更低的功耗;3)消除了闩锁效应(闩锁效应指CMOS芯片中, 在电源power VDD和地线GND(VSS)之间由于寄生的PNP和NPN双极性BJT相互影响而产生的一低阻抗通路, 它的存在会使VDD和GND之间产生大电流。);4)抑制了衬底的脉冲电流干扰,减少了软错误的发生;5)与现有硅工艺兼容,还可减少工序。实际上,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后偏压(back bias)技术。FD-SOI工艺还有个优势就是易于RF集成,可以集成采用RF-SOI工艺的射频器件如收发器等,这在物联网应用中有很大优势,可为很多物联网应用需要集成连接功能如WiFi\蓝牙等等。

Thomas 博士强调FD-SOI工艺延续了摩尔定律,因为根据IBS的研究,到16nm/14nm工艺节点,如果采用FinFET工艺,则每个晶体管的成本不降反升,而基于FD-SOI工艺的单位晶体管成本可以继续降低。

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目前基于FD-SOI工艺的芯片已经将FD-SOI工艺的理论优势完全展示,例如索尼新一代的智能手表中的GPS芯片就采用了FD-SOI工艺,与目前市场上最优秀的GPS产品相比(功耗大概在10mW),采用FD-SOI技术的芯片功耗仅是1mW,FD-SOI工艺把功耗降低了10倍!

一种新的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,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)等号称可以提供每月超过10万片SOI晶圆的产能,随着FD-SOI芯片需求提升FD-SOI晶圆价格将不断降低进一步推动芯片需求,所以Thomas 博士表示格芯以FD-SOI工艺重新定义了主流工艺--未来中低端AP、IOT芯片,无人驾驶平台等会选用FD-SOI工艺。

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格芯的全球布局

Thomas 博士表示以格芯看来未来几年物联网、汽车电子、医疗电子、数字电视市场都有很好的增长。

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这是因为我们人类社会以PC为主的第一波信息浪潮已经在衰退,以手机为主的第二波浪潮还在继续,而以IOT为主的第三波浪潮正在成形。

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他表示作为全球第二大专业纯晶圆代工企业,格芯给用户提供更多工艺选择--格芯除了给客户提供FinFET工艺代工外,也提供全球领先的FD-SOI工艺代工,目前格芯可以提供成熟的的22FDX平台提供22nm工艺节点FD-SOI量产支持,同时格芯规划了12FDX平台,它以16nm成本提供10nm性能,是颇具性价比的高级工艺平台。

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他表示自2017年起格芯对中国、欧洲、美国和新加坡的晶圆厂实施扩产计划--纽约的Fab8晶圆厂的14纳米FinFET工艺产能提升20%,德累斯顿 Fab 1 晶圆厂到2020年产能提升40%,中国成都格芯厂则将于 2019 年第四季度量产22FDX的先进工艺产品。在新加坡,格罗方徳计划将 12英寸晶圆厂的 40纳米 工艺产能提升 35%,总体目标是提高到每年1000万片晶圆产能。

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他特别介绍了成都格芯厂项目,成都格芯厂代号Fab11,总投资超过100亿美元,去年10月,Fab11已经顺利封顶,2018年3月底生产设备可以顺利入场,顺利装机和工艺调试,2018年年底就可以投产。这是封顶现场和未来规划。

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Fab11分两期建设,一期建设主流CMOS工艺12英寸晶圆生产线,2018年底投产是把格芯新加坡厂产能转移过来,二期建设格芯最新的22FDX®22nm FD-SOI工艺12英寸晶圆生产线,建成后会将德累斯顿Fab1的22FDX的FD-SOI转移过来,预计2019年第四季度投产。

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他表示以格芯Fab11为契机,格芯携手FD-SOI合作伙伴打造强大的中国本土FD-SOI生态系统,包括投资上亿美元开发各类FD-SOI IP、支持FD-SOI设计,支持中国IC设计孵化器、招聘500名工程师开发22FDX设计项目,和大学合作伙伴举办FD-SOI设计大赛推动FD-SOI工艺在大学的普及;全力支持本土公司在移动、5G、汽车和物联网领域采用22FDX平台等等。

德累斯顿fab1--FD-SOI工艺重要基地

格芯Fab1所在的德累斯顿号称“欧洲硅谷”中心,除了格芯, 还有英飞凌、博世在此建有晶圆厂,而历史悠久的德累斯顿工业大学则是欧洲工业革命以来历史最悠久和最有名望的科技大学之一,它注重工程技术技术学习,和其他德累斯顿地区科研机构为半导体厂商培养了大量高哦质量工程技术人才,其实晶圆制造就是一个工程技术活需要大量工程技术人才。

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Fab1从1995年开始建造,2000年这里的厂房开始正式生产0.18微米制程芯片,主要是生产AMD的CPU产品,这间工厂拥有自己的电厂,电厂的供电能力足以照亮全城。这是历史性的照片,记录了当时

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德累斯顿Fab1一直是FD-SOI工艺重要研发基地,在FD-SOI生产方面的投入累计超过50亿美元,在成功量产22 FDX工艺以后,Fab1的工程师正在开展新一代 12FDX的前端技术研发工作,而纽约格芯厂则在进行后段的研发工作。“预计在2018年,德累斯顿将会将完成的前端设计工作转移到纽约,在纽约进行最后的设计。” Thomas博士表示。届时,随着格芯纽约量产12FDX工艺,中国、欧洲和美国将成为FD-SOI最先进量产地区。 

在格芯的积极带动下,曾经对FD-SOI比较保守的三星电子开始推进下一代平台,而2016年三星高管还坚称公司不考虑下一代平台技术。

FD-SOI工艺经逐渐形成低功耗高性能芯片的的首选工艺技术,FD-SOI工艺可以在移动通讯、物联网平台、ADC、RFIC及超低电压数字电路等方面大显身手。现在,很多本土IC设计希望在物联网和高新能处理器领域有所突破,而FD-SOI工艺是不错的选择,希望格芯的高级工艺技术可以帮助本土IC抓住未来发展的“黄金十年”!

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