28nm到14nm工藝代溝，全耗盡硅技術(shù)如何彌補(bǔ)？
[導(dǎo)讀]今日的半導(dǎo)體行業(yè)正在經(jīng)歷著若干充滿挑戰(zhàn)性的轉(zhuǎn)型過(guò)程，不過(guò)這也為Soitec為市場(chǎng)與客戶創(chuàng)造新增加值帶來(lái)了巨大機(jī)遇。隨著傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)的日薄西山——這一點(diǎn)從28nm巨大產(chǎn)量與20nm缺乏吸引力的規(guī)格與成本就可以看出，
今日的半導(dǎo)體行業(yè)正在經(jīng)歷著若干充滿挑戰(zhàn)性的轉(zhuǎn)型過(guò)程，不過(guò)這也為Soitec為市場(chǎng)與客戶創(chuàng)造新增加值帶來(lái)了巨大機(jī)遇。隨著傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)的日薄西山——這一點(diǎn)從28nm巨大產(chǎn)量與20nm缺乏吸引力的規(guī)格與成本就可以看出，整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向正在轉(zhuǎn)向全耗盡晶體管架構(gòu)。
然而，如果FinFET和其他全耗盡多柵架構(gòu)只能從14nm開(kāi)始供貨的話，在這之前我們又應(yīng)當(dāng)怎樣應(yīng)對(duì)呢？早在數(shù)年之前，Soitec及其合作伙伴就在開(kāi)展緊密合作，針對(duì)這種技術(shù)代溝與時(shí)間差，在正確的時(shí)間以正確的成本效益方式開(kāi)發(fā)正確的解決方案。
在經(jīng)過(guò)與行業(yè)生產(chǎn)與設(shè)計(jì)合作伙伴的密切合作與不懈努力后，Soitec終于開(kāi)發(fā)出能夠彌合技術(shù)代溝的先進(jìn)晶圓基板產(chǎn)品。Soitec的晶圓包括兩種全耗盡方式：平面(2D)與三維(3D，包括FinFET與其他多柵器件)。通過(guò)在晶圓架構(gòu)內(nèi)預(yù)集成具備關(guān)鍵屬性的晶體管，Soitec的產(chǎn)品能幫助客戶答復(fù)提高產(chǎn)品的質(zhì)量，加快上市時(shí)間并簡(jiǎn)化制造工藝，從而帶來(lái)成本更低，質(zhì)量更好的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。
在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用其FD-2D和FD-3D產(chǎn)品線，Soitec的全耗盡發(fā)展藍(lán)圖更為全行業(yè)提供了一條從28nm節(jié)點(diǎn)向成本、功耗以及性能更具優(yōu)勢(shì)的10nm及以下工藝的快捷、低成本的過(guò)渡解決方案。
低成本、高性能和高能效對(duì)于智能手機(jī)與平板電腦的生產(chǎn)商而言尤其重要。數(shù)據(jù)顯示，Soitec晶圓在整個(gè)生產(chǎn)工藝中所節(jié)約的成本要超過(guò)晶圓本身成本的增加量。Soitec提出的方案尤其適合于對(duì)成本有苛刻要求的大量生產(chǎn)。
由于在bulkCMOS技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)28nm節(jié)點(diǎn)比預(yù)期的更加困難，因此20nm節(jié)點(diǎn)就愈加捉襟見(jiàn)肘。在產(chǎn)量、成本、功耗以及性能等諸多指標(biāo)上與行業(yè)對(duì)下一代技術(shù)的期待相差甚遠(yuǎn)。
Soitec的FD-2D晶圓產(chǎn)品線提供了一種從28nm節(jié)點(diǎn)開(kāi)始就能逐步向全耗盡硅技術(shù)推進(jìn)的獨(dú)特平面解決方案途徑，從而解決了上述技術(shù)進(jìn)步難題。通過(guò)平面FD技術(shù)(常被稱為FD-SOI)，芯片制造商們將能夠在14nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)條件下繼續(xù)沿用他們已有的平面設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)，從而制造出更便宜、更大量、更優(yōu)性能、更省功耗的芯片。
運(yùn)用該技術(shù)，生產(chǎn)商們可運(yùn)用同樣的生產(chǎn)工具與生產(chǎn)線，以及極其相似的生產(chǎn)步驟(只不過(guò)步驟更少)來(lái)展開(kāi)生產(chǎn)活動(dòng)。與傳統(tǒng)工藝技術(shù)相比，在28nm節(jié)點(diǎn)條件下，采用FD-2D晶圓的芯片能夠節(jié)約最多40%的功耗，而經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，運(yùn)用了這些芯片的處理器的最大峰值性能則能夠提升40%乃至更多，并能憑借超低供電(低于-0.7V)維持優(yōu)異性能，因此許多超低功耗運(yùn)行的移動(dòng)設(shè)備才得以實(shí)現(xiàn)。
從晶圓來(lái)看，硅材質(zhì)的均勻厚度對(duì)于確保產(chǎn)品性能是極端重要的。憑借Soitec公司“SmartCut”固有的精湛工藝，300mm晶圓頂層硅厚度均勻性達(dá)到3.2埃米——其難度相當(dāng)于在芝加哥到舊金山這么遠(yuǎn)的距離內(nèi)，將厚度均勻性控制在5mm。
在最頂層硅膜和下邊的硅制基板中間埋有一層超薄氧化埋層(BOX)，在28nm節(jié)點(diǎn)工藝中，這層超薄氧化膜的厚度為25nm。下幾代技術(shù)甚至有可能運(yùn)用更薄的埋層——達(dá)到10nm，讓移動(dòng)設(shè)備用平面晶體管達(dá)到14nm。
除了所有與功耗與性能相關(guān)的改進(jìn)因素外，芯片制造廠商在采用2D-FD晶圓制造器件所考慮的另一個(gè)重要因素是更低成本的系統(tǒng)級(jí)芯片。FinFET和其他的多柵(即所謂3D)器件架構(gòu)能夠大幅改進(jìn)成本、功耗和性能。然而，正如一切重大技術(shù)進(jìn)步所經(jīng)歷的過(guò)程一樣，前途是光明的，但道路是曲折的。
Soitec的FD-3D產(chǎn)品線是針對(duì)20nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)而開(kāi)發(fā)的。它的出現(xiàn)為上述技術(shù)進(jìn)步展現(xiàn)了一條康莊大道，加速了3D架構(gòu)的推出并減少了時(shí)間與投資成本。由于Soitec的FD-3D的硅基板極大地簡(jiǎn)化了晶體管的制作工藝，專家估計(jì)這將比采用傳統(tǒng)bulk硅基板縮短一年的技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)間。
與使用傳統(tǒng)bulk硅基板原始晶圓相比，Soitec的FD-3D晶圓能減少FinFET制造過(guò)程中的高難度步驟，降低資本開(kāi)支與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，并能夠提高產(chǎn)量并最終降低產(chǎn)品成本。一般說(shuō)來(lái)，Soitec的產(chǎn)品能減少四個(gè)平面印刷步驟與超過(guò)55個(gè)工藝步驟。
采用“鰭片優(yōu)先”的方式，芯片制造商可以依據(jù)頂層硅膜來(lái)預(yù)定義鰭片高度，氧化物層則提供了良好的絕緣。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的流程變量控制：由于不需要溝道摻雜以及鰭片高度與輪廓得到更好控制，因此所有晶體管的電學(xué)行為都更接近于名義值。
除了簡(jiǎn)化生產(chǎn)外，Soitec的FD-3D晶圓還比傳統(tǒng)的bulk硅晶圓降低靜電泄漏(得益于絕緣體埋層)，在芯片級(jí)別改善提升單位面積的功率/性能平和。此外最重要的是，由于芯片在極低的電壓條件下運(yùn)行，因此能夠節(jié)約大量功耗。
通過(guò)FD-3D晶圓所帶來(lái)的工藝簡(jiǎn)化，Soitec能夠幫助企業(yè)減少研發(fā)投入，縮短FinFET產(chǎn)品的上市時(shí)間。在制造模式向FinFET演化的過(guò)程中，工藝簡(jiǎn)化所帶來(lái)的好處將進(jìn)一步帶來(lái)持續(xù)的成本與時(shí)間周期上的效益，降低在SoitecFD-3D基礎(chǔ)上的系統(tǒng)級(jí)芯片的成本。
Soitec同樣正在積極致力于提升硅基與其他材質(zhì)基板上的晶體管性能。與此同時(shí)，為了繼續(xù)推動(dòng)硅CMOS的發(fā)展，Soitec還將會(huì)把“應(yīng)變硅”投入到其FD-2D和FD-3D產(chǎn)品當(dāng)中，保守預(yù)計(jì)2014年前可以投入生產(chǎn)。擁有這項(xiàng)技術(shù)，Soitec便可以在芯片制造過(guò)程中，修改制造晶體管的原材料，即硅層的晶狀結(jié)構(gòu)，從而顯著提高了電子的遷移率和晶體管與處理器的峰值性能。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，整個(gè)半導(dǎo)體制造業(yè)為了引進(jìn)低于14nm的工藝節(jié)點(diǎn)技術(shù)，紛紛對(duì)各種CMOS新技術(shù)進(jìn)行研究。這其中就包括類似鍺金屬或是III-V族等高遷移率的材料，還有新的晶體管架構(gòu)譬如納米纖維。Soitec積極參與各種研發(fā)項(xiàng)目并且擁有很多與合作伙伴共同創(chuàng)建的研發(fā)項(xiàng)目，借此來(lái)改善工藝，提供市場(chǎng)最需要的產(chǎn)品。
不僅如此，為了實(shí)現(xiàn)行業(yè)規(guī)劃目標(biāo)，Soitec正在通過(guò)內(nèi)部以及外部合作研發(fā)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)芯片從300mm到450mm的轉(zhuǎn)變。屆時(shí)，F(xiàn)D-2D和FD-3D芯片都可擴(kuò)大到450mm。
作者：SteveLongoria
Soitec全球業(yè)務(wù)發(fā)展部資深副總裁
然而，如果FinFET和其他全耗盡多柵架構(gòu)只能從14nm開(kāi)始供貨的話，在這之前我們又應(yīng)當(dāng)怎樣應(yīng)對(duì)呢？早在數(shù)年之前，Soitec及其合作伙伴就在開(kāi)展緊密合作，針對(duì)這種技術(shù)代溝與時(shí)間差，在正確的時(shí)間以正確的成本效益方式開(kāi)發(fā)正確的解決方案。
在經(jīng)過(guò)與行業(yè)生產(chǎn)與設(shè)計(jì)合作伙伴的密切合作與不懈努力后，Soitec終于開(kāi)發(fā)出能夠彌合技術(shù)代溝的先進(jìn)晶圓基板產(chǎn)品。Soitec的晶圓包括兩種全耗盡方式：平面(2D)與三維(3D，包括FinFET與其他多柵器件)。通過(guò)在晶圓架構(gòu)內(nèi)預(yù)集成具備關(guān)鍵屬性的晶體管，Soitec的產(chǎn)品能幫助客戶答復(fù)提高產(chǎn)品的質(zhì)量，加快上市時(shí)間并簡(jiǎn)化制造工藝，從而帶來(lái)成本更低，質(zhì)量更好的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。
在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用其FD-2D和FD-3D產(chǎn)品線，Soitec的全耗盡發(fā)展藍(lán)圖更為全行業(yè)提供了一條從28nm節(jié)點(diǎn)向成本、功耗以及性能更具優(yōu)勢(shì)的10nm及以下工藝的快捷、低成本的過(guò)渡解決方案。
低成本、高性能和高能效對(duì)于智能手機(jī)與平板電腦的生產(chǎn)商而言尤其重要。數(shù)據(jù)顯示，Soitec晶圓在整個(gè)生產(chǎn)工藝中所節(jié)約的成本要超過(guò)晶圓本身成本的增加量。Soitec提出的方案尤其適合于對(duì)成本有苛刻要求的大量生產(chǎn)。
由于在bulkCMOS技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)28nm節(jié)點(diǎn)比預(yù)期的更加困難，因此20nm節(jié)點(diǎn)就愈加捉襟見(jiàn)肘。在產(chǎn)量、成本、功耗以及性能等諸多指標(biāo)上與行業(yè)對(duì)下一代技術(shù)的期待相差甚遠(yuǎn)。
Soitec的FD-2D晶圓產(chǎn)品線提供了一種從28nm節(jié)點(diǎn)開(kāi)始就能逐步向全耗盡硅技術(shù)推進(jìn)的獨(dú)特平面解決方案途徑，從而解決了上述技術(shù)進(jìn)步難題。通過(guò)平面FD技術(shù)(常被稱為FD-SOI)，芯片制造商們將能夠在14nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)條件下繼續(xù)沿用他們已有的平面設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)，從而制造出更便宜、更大量、更優(yōu)性能、更省功耗的芯片。
運(yùn)用該技術(shù)，生產(chǎn)商們可運(yùn)用同樣的生產(chǎn)工具與生產(chǎn)線，以及極其相似的生產(chǎn)步驟(只不過(guò)步驟更少)來(lái)展開(kāi)生產(chǎn)活動(dòng)。與傳統(tǒng)工藝技術(shù)相比，在28nm節(jié)點(diǎn)條件下，采用FD-2D晶圓的芯片能夠節(jié)約最多40%的功耗，而經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，運(yùn)用了這些芯片的處理器的最大峰值性能則能夠提升40%乃至更多，并能憑借超低供電(低于-0.7V)維持優(yōu)異性能，因此許多超低功耗運(yùn)行的移動(dòng)設(shè)備才得以實(shí)現(xiàn)。
從晶圓來(lái)看，硅材質(zhì)的均勻厚度對(duì)于確保產(chǎn)品性能是極端重要的。憑借Soitec公司“SmartCut”固有的精湛工藝，300mm晶圓頂層硅厚度均勻性達(dá)到3.2埃米——其難度相當(dāng)于在芝加哥到舊金山這么遠(yuǎn)的距離內(nèi)，將厚度均勻性控制在5mm。
在最頂層硅膜和下邊的硅制基板中間埋有一層超薄氧化埋層(BOX)，在28nm節(jié)點(diǎn)工藝中，這層超薄氧化膜的厚度為25nm。下幾代技術(shù)甚至有可能運(yùn)用更薄的埋層——達(dá)到10nm，讓移動(dòng)設(shè)備用平面晶體管達(dá)到14nm。
除了所有與功耗與性能相關(guān)的改進(jìn)因素外，芯片制造廠商在采用2D-FD晶圓制造器件所考慮的另一個(gè)重要因素是更低成本的系統(tǒng)級(jí)芯片。FinFET和其他的多柵(即所謂3D)器件架構(gòu)能夠大幅改進(jìn)成本、功耗和性能。然而，正如一切重大技術(shù)進(jìn)步所經(jīng)歷的過(guò)程一樣，前途是光明的，但道路是曲折的。
Soitec的FD-3D產(chǎn)品線是針對(duì)20nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)而開(kāi)發(fā)的。它的出現(xiàn)為上述技術(shù)進(jìn)步展現(xiàn)了一條康莊大道，加速了3D架構(gòu)的推出并減少了時(shí)間與投資成本。由于Soitec的FD-3D的硅基板極大地簡(jiǎn)化了晶體管的制作工藝，專家估計(jì)這將比采用傳統(tǒng)bulk硅基板縮短一年的技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)間。
與使用傳統(tǒng)bulk硅基板原始晶圓相比，Soitec的FD-3D晶圓能減少FinFET制造過(guò)程中的高難度步驟，降低資本開(kāi)支與運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，并能夠提高產(chǎn)量并最終降低產(chǎn)品成本。一般說(shuō)來(lái)，Soitec的產(chǎn)品能減少四個(gè)平面印刷步驟與超過(guò)55個(gè)工藝步驟。
采用“鰭片優(yōu)先”的方式，芯片制造商可以依據(jù)頂層硅膜來(lái)預(yù)定義鰭片高度，氧化物層則提供了良好的絕緣。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的流程變量控制：由于不需要溝道摻雜以及鰭片高度與輪廓得到更好控制，因此所有晶體管的電學(xué)行為都更接近于名義值。
除了簡(jiǎn)化生產(chǎn)外，Soitec的FD-3D晶圓還比傳統(tǒng)的bulk硅晶圓降低靜電泄漏(得益于絕緣體埋層)，在芯片級(jí)別改善提升單位面積的功率/性能平和。此外最重要的是，由于芯片在極低的電壓條件下運(yùn)行，因此能夠節(jié)約大量功耗。
通過(guò)FD-3D晶圓所帶來(lái)的工藝簡(jiǎn)化，Soitec能夠幫助企業(yè)減少研發(fā)投入，縮短FinFET產(chǎn)品的上市時(shí)間。在制造模式向FinFET演化的過(guò)程中，工藝簡(jiǎn)化所帶來(lái)的好處將進(jìn)一步帶來(lái)持續(xù)的成本與時(shí)間周期上的效益，降低在SoitecFD-3D基礎(chǔ)上的系統(tǒng)級(jí)芯片的成本。
Soitec同樣正在積極致力于提升硅基與其他材質(zhì)基板上的晶體管性能。與此同時(shí)，為了繼續(xù)推動(dòng)硅CMOS的發(fā)展，Soitec還將會(huì)把“應(yīng)變硅”投入到其FD-2D和FD-3D產(chǎn)品當(dāng)中，保守預(yù)計(jì)2014年前可以投入生產(chǎn)。擁有這項(xiàng)技術(shù)，Soitec便可以在芯片制造過(guò)程中，修改制造晶體管的原材料，即硅層的晶狀結(jié)構(gòu)，從而顯著提高了電子的遷移率和晶體管與處理器的峰值性能。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，整個(gè)半導(dǎo)體制造業(yè)為了引進(jìn)低于14nm的工藝節(jié)點(diǎn)技術(shù)，紛紛對(duì)各種CMOS新技術(shù)進(jìn)行研究。這其中就包括類似鍺金屬或是III-V族等高遷移率的材料，還有新的晶體管架構(gòu)譬如納米纖維。Soitec積極參與各種研發(fā)項(xiàng)目并且擁有很多與合作伙伴共同創(chuàng)建的研發(fā)項(xiàng)目，借此來(lái)改善工藝，提供市場(chǎng)最需要的產(chǎn)品。
不僅如此，為了實(shí)現(xiàn)行業(yè)規(guī)劃目標(biāo)，Soitec正在通過(guò)內(nèi)部以及外部合作研發(fā)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)芯片從300mm到450mm的轉(zhuǎn)變。屆時(shí)，F(xiàn)D-2D和FD-3D芯片都可擴(kuò)大到450mm。
作者：SteveLongoria
Soitec全球業(yè)務(wù)發(fā)展部資深副總裁
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