FD-SOI工艺的春天来了

FD-SOI工艺的春天来了

　　半导体与电子产业正努力适应工艺节点微缩至28纳米以下之后的闸成本(gatecost)上扬;如下图所示，在工艺微缩同时，每单位面积的逻辑闸或晶体管数量持续增加，其速率高于晶圆片成本增加的速率。在另一方面，当工艺特征尺寸缩减时，芯片系统性与参数性良率会降低，带来较高的闸成本。

　　在理想环境下，每单位面积良率(yieldperunitarea)会与特征尺寸的缩减一致，因而带来闸成本的下降;不过现实情况并非如此，因为越来越多的迭对(overlay)等等因素会影响良率。当工艺特征尺寸缩小，也会带来性能提升以及整体功耗的降低，但代价是更高的闸成本。

　　工艺节点转移至5纳米，需要采用深紫外光(EUV)微影技术;EU虽然可以减少多重图形(multiplepatterning)步骤以及迭对问题导致的良率损失，晶圆处理成本将会提升，因此导致闸成本跟着提高。半导体产业可以采用现有的技术蓝图尝试提高系统与参数良率，或者是评估其他的技术选项。

　　180纳米(0.18微米)晶圆代工市场的需求量仍然很高，而28纳米的12寸晶圆产量在接下来10~15年将超过150KWPM;因此，新一代的工艺技术选项可以拥有约20~30年的生命周期。

　　除了FinFET之外的技术选项是FD-SOI，对该技术功能的分析显示，其性能与功耗等同于甚至超越FinFET;虽然FinFET结构能为数字设计提供优势，但在高频以及模拟混合信号设计方面，FinFET架构却有成本与技术上的劣势。

　　相较于其他工艺技术选项，物联网(IoT)与Wi-Fi组合芯片等应用，能以FD-SOI达到最佳实现。下表是以16/14纳米FinFET与14纳米FD-SOI晶圆制造成本的比较;分析显示，14纳米FD-SOI晶圆成本比16/14纳米FinFET低了7.3%，最重要的原因是前者光罩步骤数较少，因此也缩短了晶圆厂生产FD-SOI晶圆的周期。

　　虽然晶圆成本很重要，对使用者来说还有一个更重要的因素是闸成本;这些成本的比较如下表所示。闸成本是基于晶圆成本、芯片尺寸、产品良率的组合，假设FinFET与FD-SOI两种工艺技术生产的芯片尺寸相当，14纳米FD-SOI的闸成本比16/14纳米FinFET低了16.6%，而晶圆厂指标(waferfabmetrics)也相当。这显示了FD-SOI颇具竞争力的优势。

　　此外FinFET工艺与FD-SOI工艺产品的性能也差不多，FD-SOI的功耗则因为使用反偏压(backbiasing)与阈值电压(thresholdvoltage)而低于FinFET;反偏压是在FD-SOI环境中达成性能与功耗权衡的关键因素。

　　FD-SOI可望微缩至7纳米节点

　　ARM发表过一篇分析报告，指出Globalfoundries的22纳米FD-SOI技术，能让很多设计在性能与功耗方面与14LPP工艺媲美;而期望14纳米FD-SOI能拥有更低的成本，并有效因应许多正尝试以10纳米或7纳米FinFET工艺实现之设计的性能与功耗问题。

　　此外，法国研究机构CEA-Leti已经分析过了将FD-SOI工艺微缩至7纳米的潜力，其结果如下图所示;能微缩至7纳米，意味着FD-SOI可以拥有超过30年的生命周期，特别是针对物联网以及其他低功耗混合信号设计。

　　Globalfoundries已经建立了22纳米FD-SOI晶圆产能，并证实在数字、混合信号与RF功能性方面表现优异;三星电子(SamsungElectronics)建立了28纳米FD-SOI产能，采用该工艺实作的设计数量正快速增加;意法半导体(STMicroelectronics)也有28纳米FD-SOI产能，而且是第一家能显示该工艺超越28纳米高介电金属闸极(HKMG)块状CMOS工艺的竞争力。

　　对于14纳米FinFET技术的采用者来说，转移至14纳米FD-SOI工艺可取得明显的好处;工艺转移成本应该不高，因为后段工艺(BEOL)可以是相同的。虽然新的链接库与IP还需要开发以及认证，14纳米FD-SOI工艺的生命周期应该有20~30年。

　　是FinFET与三闸极晶体管架构(Tri-Gate)的互补技术;对半导体产业来说很重要的是，最佳技术应该是针对关键应用，而非让晶圆供货商聚焦于最大化FinFET结构的财务优势。在法国南部以非常少量专业技术崛起的FD-SOI，现在已是具备全球市场能见度的高利润技术，半导体厂商应该考虑快速转移至该工艺以体验其优势。

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