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Bulk CMOS/FD-SOI/FinFET 22nm工艺大战在即,代工厂如何站队

与非网 ·2018-11-21 14:47·与非网
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各大晶圆厂积极寻求差异化,BulkCMOS、FD-SOI和FinFET随时待命,不过问题在于,在28nm之后,芯片制造商将走向何方?

一两年前,各大晶圆厂推出了新的22nm工艺,现在他们正在加紧准备量产并打算较量一番。

格罗方德、英特尔、台积电和联华电子正在开发22nm工艺或扩大他们在22nm上的战果,一系列迹象表明,该节点可以在汽车、物联网和无线通信等应用上揽下大量业务,产生大量营收。不过,因为各大代工厂提供的22nm工艺有诸多差别,代工厂的客户们需要面临一些艰难选择,而且,有的工艺并没有完整的EDA工具或IP的支持。

尽管如此,出于多种原因,代工厂们并没有放缓推动22nm工艺的步伐。首先,历经多年增长之后,28nm工艺首度面临增长放缓和产能过剩的困扰,在这种背景之下,制造商们将目光投向22nm,寄望它可以接力28nm,产生大量新营收。

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图1FinFET与Planar

此外,22nm给代工客户提供了新的选择。目前,许多使用28nm及更高工艺尺寸的客户正在考虑转向16nm/14nm和更低尺寸的工艺,但是由于这些先进工艺仅限于FinFET晶体管,其成本比传统的平面晶体管更高昂。

所以,对于现在使用28nm及更高工艺尺寸的代工客户而言,22nm是一个很有吸引力的选项。它不仅可以提供比28nm更优异的性能,还比16nm/14nm和更低工艺尺寸的FinFET便宜。

但是,各个代工厂提供的22nm工艺可能大不相同。现在的22nm技术主要有三种版本:

台积电和联华电子正在开发22nm平面体CMOS工艺。

格罗方德正准备量产22nm平面FD-SOI技术。

英特尔推出的是低功耗22nmFinFET技术。

除此之外,还有三星正在开发的一种18nm平面FD-SOI技术,不管是22nm还是18nm,他们面向的都是同样的客户群体,这意味着代工厂在22nm上的大战一触即发。

“22nm会成为下一个广受欢迎的成熟节点吗?我认为是的,”Arm物理设计事业部营销副总裁KelvinLow表示,他也是代工行业的资深专家,“我并不认为市场上最终只有一个赢家,因为客户们的设计考虑各不相同,这些22nm技术都能找到自己的用武之地。”

当然,22nm和18nm并不适用于所有应用。就像之前那样,客户可以选择停留在28nm或更老的工艺上,也可以跳过22nm和18nm,直接采用16/14nm和更先进的工艺。工艺选择取决于应用类型,还要考虑功耗、性能、面积、交付时间、成本等传统指标。

为了帮助半导体行业客户加深了解,本文介绍一下各项22nm工艺及其供应商的发展动态。

BulkCMOS

现在,有的人把22nm视为一个独立市场区段,但是有的人则认为22nm可以被归到28nm这个大类里面。

国际商业战略(IBS)是一家研究公司,它把28nm、22nm、20nm和18nm这四个节点归为同一类。根据IBS的预测,2018年这类工艺的市场规模将达到115亿美元,同比2017年下降2.8%,22nm市场2019年预计仅增长0.6%,但随后将开始自己波澜壮阔的增长步伐。

在这个大类中,28nm体量最大,根据IBS的统计数据,2017年28nm晶圆代工市场规模达100亿美元,2018年持平,并受到了产能过剩的困扰。一方面,有一部分28nm客户正在向更高级的工艺节点迁移,带走了一部分业务,另一方面,中国正在大张旗鼓地建设更多28nm晶圆产能,更加加剧了这个市场的困境。

对28nm而言更加雪上加霜的是,22nm将开始蚕食28nm工艺的市场。“2018年,22nm的晶圆代工体量仅为28nm的十分之一,”IBS首席执行官HandelJones说。“根据我们的推断,随着时间的推移,22nm将成为下一个大块头节点。”

在22nm上,平面型BulkCMOS、FD-SOI和finFET是众所周知的三种主要技术选项,其中,BulkCMOS多年来一直都是 芯片产业 的中流砥柱,因此也更广为人熟知。CMOS可以被用在平面型和finFET晶体管上,而FD-SOI使用专用的绝缘体上硅晶片,其在衬底中包含薄绝缘层。

这三种技术各有优劣。其中,BulkCMOS成本最低,但是2DCMOS晶体管最容易漏电,这也是finFET横空出世的主要原因之一。芯片制造商可以通过控制漏电提高时钟频率,但是速度和动态功率密度必须相平衡。FD-SOI使用平面型工艺,增加了体偏置来控制漏电和功耗,并取得了和时钟频率的平衡。但是,他们的缺点是都比BulkCMOS更昂贵。

所有这些22nm工艺都旨在赢得无需多重图案化工艺步骤的新业务,多重图案化不仅耗时,而且会增加成本,28nm有效地平衡了应用的性能和成本,因此,自2011年推出以来迅速成为许多先进 IC设计 的最佳选择。

根据IBS的数据,28nm平面型器件的平均设计成本为5130万美元,而16/14nm芯片的平均设计成本则为1.063亿美元。因此,尽管格罗方德、台积电、UMC和其它公司提供了更先进的16/14nmfinFET,大多数设计仍然坚持使用更老旧的节点。

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图2IC设计成本增加

“当你使用finFET时,掩膜和设计成本都会大幅增加,”IBS的Jones说。“FinFET对 数字电路 很友好,但是很难用它做射频,混合信号也是一个挑战。”

FinFET是高性能应用的理想选择,但这种工艺在其他方面受到一些限制,比如它很难集成RF和模拟电路。所以,为了填补这种市场空白,各大代工厂开始开发22nm。对于那些需要比28nm性能更高,但是不需要或者不能承受16/14nm或更先进工艺的高成本的客户而言,22nm提供了一个很好的中间选择。

22nm是物联网、混合信号和射频器件的理想选择。IBS声称,22nm比16nm/14nm更便宜,22nm器件的平均IC设计成本为7030万美元,介于28nm和16/14nm之间。

联华电子营销总监JohnChen表示,“我们预计22nm的生命周期将会很长,而且产量客观。客户不需要直接从28nm迁移到14nmfinFET,22nm提供了一个极具吸引力的超低漏电工艺选项,以供客户从现有的28nm设计中迁移过来。在掩模和设计成本上,22nm也优于14nm。”

对于那些采用65nm、55nm和40nm设计的芯片制造商而言,22nm提供了相对轻松的升级途径,这些设计对成本敏感。“当这波老工艺的产品迁移到下一个节点时,将会对22nm产生很大的推动作用,”Arm的Low说。“当成本合适、IP可用时,22nm市场将会真正爆发。”

在这些22nm技术中,台积电和联华电子开发的平面型BulkCMOS基本上是28nm平面型BulkCMOS技术的缩小版。与28nm一样,它采用高k/金属栅极、铜互连和低k电介质。

这种缩放方案有优点也有缺点。好的方面是,它是从28nm直接缩放而来,芯片制造商可以继承使用相同的设备和工艺流程。坏的方面则是,当工艺尺寸接近20nm时,Bulk技术会受到短沟道效应的影响,它会降低器件中的亚阈值斜率或关断特性。

在传统晶体管中,栅极下方的沟道区域耗尽了移动电荷,使掺杂剂原子离子化。“阈值电压是由这些原子里的电荷和栅极功函数决定的。耗尽区的深度控制静电泄露特性。耗尽区域下方是带有大量移动载体的中性硅。”IBM的半导体专家TerryHook解释道。

但随着工艺尺寸的降低,BulkCMOS晶体管容易出现被称为随机掺杂剂波动的现象。简单来说,这会引起通道中掺杂剂原子的变化。结果,BulkCMOS晶体管的执行可以偏离其标称行为,并且还可以在阈值电压方面产生随机差异。

“Bulk平面晶体管技术受到大量随机掺杂剂波动的限制,掺杂剂波动的波动是先进节点晶体管不匹配和变化的主要原因。”格罗方德产品线管理高级主管JamieSchaeffer在最近的一段视频中说。

解决掺杂剂波动问题的一种方法是转向完全耗尽型晶体管类型,如FD-SOI和finFET。“在finFET和FD-SOI中,沟道掺杂剂的波动问题基本不存在,晶体管可以一次性进行匹配。”芯片专家Hook说。

不过,台积电和联华电子这两家代工厂商决定将BulkCMOS的极限推进到22nm。尽管存在一些挑战,22nmBulkCMOS也有很大优势。

“一些客户正在从28nm迁移到22nm上,以获得密度/速度/功耗上的提升。台积电预计将会有20%左右的28nm客户选择22nm。”Gartner分析师SamuelWang表示。“FD-SOI适用于低功耗的利基型应用。22nmbulk是广受欢迎的28nm的缩小版本,大多数设计人员已经习惯了28nm的设计方法,而且拥有更广泛的物理IP。”

与此同时,台积电最近公布了其先前宣布的22nm技术的更多细节,该技术涉及两个工艺平台。第一种工艺是22nm超低功耗(ULP),适用于需要更高性能的低功耗应用,第二种工艺是22nm超低泄漏(ULL),适用于超低功耗器件。

“物联网和射频/模拟器件的应用领域非常广泛,”台积电研发副总裁CliffHou表示。“一项技术很难覆盖这两种应用,这也是为什么我们单独优化出两个工艺平台的原因。”

22nmULP的工作电压为0.8至0.9伏,台积电透露了22nmULL的新规格,其工作电压为0.6伏,该版本将于2019年4月上市。

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