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FD-SOI工艺现状和路线图

威海新闻网  2019-10-07 11:06:31

FD-SOI正获得越来越多的市场关注。在5月份的晶圆代工论坛上,三星宣布他们有17种FD-SOI产品进入大批量产阶段。7月,在美国西部半导体展上,格芯宣布了超过20亿美元的FD-SOI设计收入,其2017年记录收入10亿美元,2018年上半年记录收入10亿美元。随着FD-SOI的兴起,我认为有必要回顾一下市场上的玩家以及他们目前和计划的工艺。


FD-SOI生态系统


FD-SOI工艺现状和路线图


CEA Leti是负责FD-SOI开发的关键研究小组,在28纳米和14纳米工艺上与ST Micro合作,在22纳米和12纳米工艺上与格芯合作。


FD-SOI要求设计衬底在掩埋绝缘层的单晶硅层非常薄,以确保沟道区完全耗尽。FD-SOI衬底的主要供应商是Soitec,SEH是第二大来源。


生产FD-SOI工艺的公司有ST Micro(其正在将此工艺用作28纳米IDM的生产),三星代工厂(28纳米工艺投产中,18纳米工艺计划投产),以及格芯代工厂(22纳米工艺投产中,12纳米计划投产)。


ST Micro


ST Micro于2012年推出了28纳米FD-SOI,生产自他们的Crolles II–300mm晶圆厂。与ST Micro的28纳米体工艺相比,28纳米FD-SOI工艺的性能提高了32 % - 84 %。ST Micro也与CEA Leti一同开发了一种14纳米工艺,但是还没有投入生产。据报道,ST Micro已经开始与格芯合作开发格芯的22FDX FD-SOI工艺,因此长远来看ST Micro可能不会继续生产他们自己的FD-SOI,而是可能会转向这种技术的无晶圆厂模式。Crolles II是一个产能相对较低的300mm晶圆厂,而ST Micro在晶圆厂生产其他产品,因此FD-SOI的产量可能不大。


三星


三星获得了ST Micro的28纳米FD-SOI工艺许可,并利用它创建了三星的28纳米FDS工艺。28 FDS于2015年投入生产,目前正在大批量生产17种产品。三星正在开发一项第二代18纳米工艺,将于明年完成。


28FDS为射频应用、嵌入式MRAM非易失性存储器提供达400 GHz以上的最大频率(fmax),并可应用于汽车。28FDS有一个1.0伏的Vdd。


28FDS计划于2019年推出,其特点是后端采用三星的成熟14纳米FinFET技术,面积比28FDS减少了35 %。相比28FDS,18FDS还提升了22 %的性能并降低了37 %的功耗。18FDS的Vdd为0.8伏。


三星的晶圆产能巨大,可以根据需要极大提升FD-SOI的产量。


格芯(GF)


格芯的22FDX工艺于2017年投入生产,提供400 GHz fmax、嵌入式MRAM非易失性存储器,并可应用于汽车。对于低功耗应用,22FDX可以在低至0.4伏的电压下工作。有四种版本可供选择:低功耗、高性能、低泄漏或射频与模拟。22FDX的前端基于ST Micro 14纳米工艺,后端优化了成本,有两个双层曝光层,其余层为单层曝光。


第二代12FDX工艺原本应在2019年推出,但格芯推迟了该工艺的推出,因为客户现在才设计和升级22FDX产品。12FDX的开发进展顺利,将根据需要推出,我们估计推出时间将在2020年左右。12FDX将能够在<0.4伏的电压下工作并且性能较22FDX提高>20%。


格芯正在其德累斯顿晶圆厂生产22FDX,且产能相当大。在中国成长起来的晶圆厂也将成为未来FD-SOI的产能来源。


对比


FD-SOI工艺现状和路线图


图2比较了格芯、三星和ST Micro的工艺密度指标。就目前的FD-SOI产品而言,格芯的22FDX毫无疑问在密度方面领先,同时也提供了最低的工作电压。三星计划的18FDS工艺可能比格芯目前的FDX22工艺稍密,但格芯计划的12FDX工艺将再次确立格芯在FD-SOI密度方面的领导地位。


我本人很难理解的一件事是,为什么三星没有在工作电压上下功夫。功耗与工作电压平方成正比,而FD-SOI针对的是许多低功耗应用。格芯的0.4伏Vdd在低功耗工作中具有明显的领先优势。


讨论


FD-SOI正被定位为物联网、汽车和移动应用中FinFET的低成本替代品。就互连层的密度和数量而言,特定的FD-SOI工艺选择使其比密度更大的FinFET工艺更为便宜。FinFET工艺通常也不太适合模拟和射频应用。我们认为,在节点和数量相同的金属层,FinFET工艺和FD-SOI工艺在成本上接近,但是FD-SOI工艺的定位不同,例如,格芯提供8个金属层的22FDX,作为11个或以上金属层的14 纳米FinFET工艺的低成本替代品。相比14纳米FinFET,22FDX掩模数量更低且每晶片成本更低,14纳米FinFET工艺密度更大,更适合大规模高性能设计,但22FDX成本更低,数字性能几乎同样优秀且在更低功率下模拟和射频性能更好。


FD-SOI还提供独特的反馈偏压功能,以设置阈值电压并调整性能和功耗。访问反馈偏压的背栅只需要1 %的面积损失,同时提供了其他工艺无法提供的独特和有用性能。


FD-SOI的设计成本低于FinFET,28FDS和22FDX的设计成本与28纳米体积接近,而14纳米FinFET工艺的设计成本大约是28纳米体积设计成本的两倍。预计7纳米FinFET的设计成本甚至高于14纳米的设计成本。


结论


我们认为,FD-SOI在占领物联网、5G和汽车应用领域市场份额方面处于有利地位。对于具有大量数字逻辑并且要求高性能的应用来说,FinFET仍将是首选。经过多年的发展,FD-SOI将成为主流替代品。


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