FD-SOI技術(shù)優(yōu)勢何在？物聯(lián)網(wǎng)工藝戰(zhàn)火即將引爆

FD-SOI

若要說2018以及未來五年最受矚目的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，除了即將量產(chǎn)的7納米FinFET尖端工藝，以及預(yù)計(jì)將全面導(dǎo)入極紫外光(EUV)微影技術(shù)的5納米工藝節(jié)點(diǎn)，各家晶圓代工業(yè)者著眼于應(yīng)用廣泛、無所不包的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場對低功耗、低成本組件需求而推出的各種中低階工藝技術(shù)選項(xiàng)，也是產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。

例如晶圓代工龍頭臺積電(TSMC)的16與12納米FFC (FinFET Compact Technology)、22納米超低功耗(ULP)、28納米HPC/HPC+，以及40納米ULP、55納米ULP與低功耗(LP)等邏輯工藝，還有英特爾(Intel)的22納米低功耗FinFET (22FFL)工藝、GlobalFoundries的28納米HPP (High Performance Plus)/SLP (Super Low Power)、22FDX工藝，以及三星電子(Samsung)的28納米FDSOI、LPP、LPH…等等，都是適合廣泛物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場需求特性的解決方案。

其中GlobalFoundries的FDX系列工藝與Samsung的FD-SOI工藝，與其他競爭方案之間的最大差異，就在于采用了無論是英文或中文讀來都十分拗口的“全空乏絕緣上覆硅”(Fully Depleted Silicon On Insulator，F(xiàn)D-SOI)技術(shù)；該技術(shù)早在2011年就由SOI產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(SOI Industry Consortium)、意法半導(dǎo)體(ST)以及其研發(fā)伙伴IBM、GlobalFoundries、三星等率先在業(yè)界推廣，號稱在28納米與20 (22)納米節(jié)點(diǎn)能達(dá)到由英特爾、臺積電等支持的新一代FinFET工藝相當(dāng)?shù)男阅埽杀九c風(fēng)險更低。

FD-SOI技術(shù)優(yōu)勢何在？

不同于FinFET工藝采用的3D晶體管結(jié)構(gòu)，F(xiàn)D-SOI為平面工藝；根據(jù)ST官網(wǎng)上的技術(shù)資料，F(xiàn)D-SOI有兩大主要創(chuàng)新：首先是采用了埋入氧化物(buried oxide，BOX)超薄絕緣層，放置于硅基板之上；接著將超薄的硅薄膜布署于晶體管通道，因?yàn)槠涑『穸?，通道不需要摻雜(dope)，使晶體管能達(dá)到完全空乏。以上兩種創(chuàng)新技術(shù)的結(jié)合全名為“超薄基體埋入氧化層全空乏絕緣上覆硅”(ultra-thin body and buried oxide FD-SOI，UTBB-FD-SOI)。

ST表示，與傳統(tǒng)的塊狀硅技術(shù)相較，F(xiàn)D-SOI能提供更好的晶體管靜電特性，而埋入氧化層能降低源極(source)與汲極(drain)之間的寄生電容；此外該技術(shù)能有效限制源極與汲極之間的電子流動，大幅降低影響組件性能的泄漏電流(圖1)。除了透過閘極，F(xiàn)D-SOI也能藉由極化(polarizing)組件底層基板來控制晶體管行為，類似于塊狀硅技術(shù)亦可實(shí)現(xiàn)的基體偏壓(body bias)。

圖1：塊狀硅工藝與FD-SOI工藝晶體管結(jié)構(gòu)比較（來源：STMicroelectronics）

不過塊狀硅技術(shù)的基體偏壓非常有限，因?yàn)榧纳╇娏饕约熬w管幾何尺寸縮減之后晶體管效率降低；而FD-SOI因?yàn)榫w管結(jié)構(gòu)以及超薄絕緣層，偏壓效率會更好。此外，埋入氧化層也能實(shí)現(xiàn)更高的基體偏壓，達(dá)到對晶體管突破性的動態(tài)控制──當(dāng)基板的極化為正向，也就是順向基體偏壓(FBB)，晶體管切換速度能加快，并因此能優(yōu)化組件性能與功耗。

根據(jù)ST的說法，F(xiàn)D-SOI能輕易實(shí)現(xiàn)FBB并在晶體管運(yùn)作期間進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，為設(shè)計(jì)工程師提供高度彈性，特別是對省電性能與速度有高度要求、性能并非關(guān)鍵的組件，因此是物聯(lián)網(wǎng)或便攜式/可穿戴消費(fèi)性電子設(shè)備應(yīng)用的理想解決方案。

市場研究機(jī)構(gòu)International Business Strategies (IBS)首席執(zhí)行官Handel Jones在2014年發(fā)表的一份報告中寫道：“同樣是100mm見方大小的芯片，采用28納米FD-SOI工藝的成本比塊狀CMOS工藝低3%，在20納米節(jié)點(diǎn)則可以進(jìn)一步低30%；這是因?yàn)閹砀邊?shù)良率的同時，晶圓成本也更低；”此外FD-SOI工藝裸晶的復(fù)雜度與塊狀CMOS工藝比較，低了10%~12%。

Jones進(jìn)一步表示：“更小的裸晶面積與更高的參數(shù)良率之結(jié)合，F(xiàn)D-SOI工藝在20納米節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品成本優(yōu)勢會比塊狀CMOS工藝多20%；在28納米節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)D-SOI的性能則比20納米塊狀CMOS高出15%?！彼⒅赋觯骸癋D-SOI工藝在高/低Vdd方面能提供比塊狀CMOS工藝更高的能源效率等級(energy efficiency levels)；FD-SOI在位單元(bit cells)上的電源效率也高出塊狀CMOS，這是因?yàn)檩^低的泄漏電流以及對α粒子更好的免疫力。”

FD-SOI工藝：西方冷、東方熱

不過盡管FD-SOI號稱有上述諸多優(yōu)勢，對于該工藝的生產(chǎn)良率、專用晶圓片價格與供應(yīng)來源穩(wěn)定性，還有大量生產(chǎn)確切時程、整體技術(shù)支持生態(tài)系統(tǒng)完整性，產(chǎn)業(yè)界仍有諸多疑慮；因此雖然FD-SOI在歐洲有ST、恩智浦(NXP)等支持者，三星、GlobalFoundries等也分別積極推廣自家FD-SOI代工業(yè)務(wù)，該技術(shù)在市場的討論熱度與能見度一直偏低，特別是在西方。

時間來到2017年2月，GlobalFoundries宣布投資100億美元在中國成都高新西區(qū)建立12吋晶圓廠(圖2)，2018年開始營運(yùn)的第一期生產(chǎn)線會是轉(zhuǎn)移自該公司新加坡廠之為較成熟的180/130納米工藝，第二期為轉(zhuǎn)移自其德國德累斯頓 (Dresden)廠的22FDX FD-SOI工藝生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2019年開始營運(yùn)；此訊息在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界引起廣大回響，除了再次昭示了中國發(fā)展本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的企圖心，也代表FD-SOI工藝的“主戰(zhàn)線”將在中國點(diǎn)燃。

圖2：Globalfoundries在中國成都興建12吋廠Fab 11，預(yù)計(jì)2019年量產(chǎn)的第二階段生產(chǎn)線為22FDX FD-SOI工藝（來源：Globalfoundries）

中國早在2015年就對FD-SOI技術(shù)表達(dá)了高度興趣；當(dāng)時IC設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)者芯原(VeriSilicon)首席執(zhí)行官戴偉民(Wayne Dai)在接受EE Times記者訪問時即表示，與其不斷地在FinFET工藝方面追趕臺積電或英特爾的腳步，他認(rèn)為中國應(yīng)該投資FD-SOI，并以該技術(shù)做為低功耗工藝的替代方案。此外上海新傲科技(Simgui)于2015年秋天開始量產(chǎn)首批8吋SOI晶圓片，采用與該公司策略伙伴、法國業(yè)者Soitec的Smart Cut工藝技術(shù)。

還有一個由中國“大基金”成立的投資平臺，上海硅產(chǎn)業(yè)投資有限公司(National Silicon Industry Group，NSIG)在2016年宣布收購14.5%的Soitec股權(quán)；晶圓代工業(yè)者上海華力微電子(Shanghai Huali Microelectronics Corp.)在GlobalFoundries宣布成都廠投資計(jì)劃前，也透露了投資FD-SOI生產(chǎn)線的計(jì)劃，但并沒有具體時間表。這些跡象在顯示FD-SOI將會是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)圖的一部分，并可能讓這個迄今在西方世界市場稍嫌受到冷遇的技術(shù)，在東方市場發(fā)光發(fā)熱。

根據(jù)Globalfoundries產(chǎn)品管理資深副總裁Alain Mutricy在2017年5月接受EE Times采訪時的說法，該公司在成都投資設(shè)廠只是第一步，接下來還將在當(dāng)?shù)亟D-SOI生態(tài)系統(tǒng)，幫助中國無晶圓廠IC設(shè)計(jì)業(yè)者以及設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)者更容易取得所需的IP與工具。

物聯(lián)網(wǎng)工藝戰(zhàn)火即將引爆

2017年9月底，在SOI產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦的第五屆上海FD-SOI論壇上，發(fā)表專題演說的GlobalFoundries首席執(zhí)行官Sanjay Jha再次大力宣傳FD-SOI工藝，并以22納米──采用單次光罩最小節(jié)點(diǎn)，也是適合物聯(lián)網(wǎng)、便攜設(shè)備等對成本/功耗敏感應(yīng)用，預(yù)期將會是市場上的“長壽”節(jié)點(diǎn)──為基準(zhǔn)，將該公司的22FDX工藝以及英特爾22FFL工藝、臺積電22ULP工藝的性能比較(圖3)。

圖3：GlobalFoundries、臺積電與英特爾的22納米工藝性能比較（來源：GlobalFoundries）

Jha在接受訪問時表示：“從成本上面來說，22納米FinFET如果采用平面技術(shù)，工藝步驟會多一些，工藝控制的復(fù)雜度很高。對于FDX，底層的基板成本可能會高一點(diǎn)。確實(shí)很難模擬各自成本的結(jié)構(gòu)，但是考慮到我們在中國晶圓廠的建設(shè)投資以及規(guī)模產(chǎn)生的成本效應(yīng)，從生產(chǎn)的成本來說，相較于英特爾的技術(shù)，可能略有優(yōu)勢?！?/p>

IBS首席執(zhí)行官Jones也進(jìn)一步提出了FD-SOI工藝的閘極成本(cost per gate)分析(圖4)，他指出，28納米FD-SOI工藝與28納米高介電金屬閘極(HKMG)塊狀CMOS的閘極成本相當(dāng)，22納米FD-SOI的閘極成本也仍具競爭力；而到了下一代的12納米FD-SOI，因?yàn)樗韫庹謱訑?shù)較少，閘極成本會比16納米FinFET工藝低22.4%，比10納米FinFET低23.4%，比7納米FinFET低27%，而FD-SOI的低耗電表現(xiàn)當(dāng)然也優(yōu)于FinFET。

圖4：FD-SOI與FinFET工藝閘極成本比較（來源：IBS）

此外Jones也提出了各工藝節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)成本比較(圖5)，估計(jì)12納米FD-SOI的設(shè)計(jì)成本在5,000至5,500萬美元之間，而16納米FinFET設(shè)計(jì)成本在7,200萬美元左右，10納米FinFET設(shè)計(jì)成本在1.31億美元左右；因?yàn)樵O(shè)計(jì)成果的營收需要是成本的10倍，所以12納米FD-SOI的潛在市場規(guī)模(TAM)會比16納米與10納米FinFET更大。

圖5：各工藝節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成本比較（來源：IBS）

綜合FD-SOI低功耗、易于整合RF等特性與成本上的優(yōu)勢，GlobalFoundries將移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信(5G/LTE/Wi-Fi)，以及汽車(ADAS/車用通信)視為該工藝的熱門應(yīng)用；Jones則認(rèn)為，現(xiàn)有28納米工藝組件中，有九成都適合轉(zhuǎn)向FD-SOI工藝，其TAM規(guī)模在2018年估計(jì)達(dá)到171億美元(圖6)，到2025年甚至可達(dá)184億美元，眾家FD-SOI技術(shù)供應(yīng)商能實(shí)際取得多少營收得各憑本事，而鎖定物聯(lián)網(wǎng)市場商機(jī)的工藝大戰(zhàn)已經(jīng)煙硝四起。

圖6：22納米FD-SOI工藝潛在市場規(guī)模預(yù)測（來源：IBS）

大陸IC廠商躍躍欲試，***廠商呢？

根據(jù)GlobalFoundries在第五屆上海FD-SOI論壇提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，該公司的22FDX工藝已經(jīng)獲得了總計(jì)135家客戶的青睞，其中有20家客戶會在2017年底之前進(jìn)入多項(xiàng)目晶圓(MPW)試產(chǎn)、這之中又有15家會在2018年底正式投片，而進(jìn)入測試設(shè)計(jì)/投片階段的這些客戶中，包括10家來自中國的廠商。

GlobalFoundries于2017年2月宣布于成都興建投資額達(dá)百億美元的12吋新廠之后，又于同年5月與成都市政府共同宣布，雙方將合作以6年時間建立一個累計(jì)投資規(guī)模超過1億美元的“世界級的FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)”，涵蓋多個位于成都的研發(fā)中心以及與大學(xué)院校合作的研究項(xiàng)目，目的是能吸引更多頂尖半導(dǎo)體業(yè)者落戶成都，并使成都“成為下一代芯片設(shè)計(jì)的卓越中心”。

將加入成都FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)的公司包括EDA供應(yīng)商Cadence、Synopsys，設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)者芯原、Invecas，還有芯片設(shè)計(jì)業(yè)者聯(lián)發(fā)科(MediaTek)、瑞芯微(RockChip)、上海復(fù)旦微電子(Shanghai Fudan Microelectronics Group Company)等等；芯原的戴偉民在接受EE Times訪問時表示，要從成都FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)投資中獲得研發(fā)經(jīng)費(fèi)，“每一家公司都必須在成都部署研發(fā)團(tuán)隊(duì)?！?/p>

戴偉民指出，F(xiàn)D-SOI的支持者已經(jīng)在中國打好基礎(chǔ)，藉由像是上海FD-SOI論壇這樣的活動，持續(xù)向中國本地的芯片業(yè)者與IC設(shè)計(jì)工程師、政府官員、私人投資基金等大力宣傳；而他認(rèn)為，要壯大中國的FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)有幾個要點(diǎn)，包括：使用FD-SOI實(shí)現(xiàn)混合信號和RF設(shè)計(jì)的可行性、設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)者(如芯原)的支持、實(shí)現(xiàn)基體偏壓設(shè)計(jì)流程和工具，還有設(shè)計(jì)教學(xué)、研討會、大學(xué)課程、實(shí)驗(yàn)室和教科書，以及政府的支持。

中國IC業(yè)者對FD-SOI技術(shù)躍躍欲試，當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)逐漸成形；以全球來看，GlobalFoundries則表示其FD-SOI工藝生態(tài)系統(tǒng)FDXcelerator的合作伙伴截至2017年9月已經(jīng)達(dá)到33家(圖7)，涵蓋半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游業(yè)者。盡管占據(jù)十分少數(shù)，***業(yè)者也在其中，包括封測大廠日月光(ASE)、嵌入式內(nèi)存IP供應(yīng)商力旺電子(eMemory)，以及處理器IP供應(yīng)商晶心科技(Andes)。

圖7：GlobalFoundries積極為FD-SOI工藝建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（來源：GlobalFoundries）

晶心科技總經(jīng)理林志明接受采訪時表示，該公司是在2015年與GlobalFoundries的長期伙伴、美國IC設(shè)計(jì)服務(wù)業(yè)者Invecas合作，將其32位N7處理器核心導(dǎo)入采用FD-SOI工藝的參考設(shè)計(jì)，后來也獲得了GlobalFoundries的22FDX工藝驗(yàn)證。

他指出，晶心的處理器核心開發(fā)原本就是以低功耗、高效率為要求，其N7、N8與N9等系列都已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)與便攜式消費(fèi)性電子市場獲得采用，進(jìn)駐包括智能手表、智能語音助理、游戲機(jī)以及隨身卡拉OK麥克風(fēng)等等裝置，目標(biāo)市場與FD-SOI技術(shù)的方向一致，以此工藝選項(xiàng)搭配晶心的IP，可望為客戶的設(shè)計(jì)帶來更佳的省電效能。

圖8：晶心科技總經(jīng)理林志明：FD-SOI工藝的終端目標(biāo)市場正好與我們的產(chǎn)品線非常一致

***地區(qū)的半導(dǎo)體IP供應(yīng)商并未在FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)中缺席，但***IC設(shè)計(jì)業(yè)者何時會跟進(jìn)？除了已經(jīng)準(zhǔn)備加入成都FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)發(fā)科技，***本地業(yè)者對此技術(shù)的態(tài)度與西方市場一樣偏冷；如半導(dǎo)體測試實(shí)驗(yàn)室宜特科技(iST)表示，據(jù)了解正在嘗試FD-SOI設(shè)計(jì)的***地區(qū)IC業(yè)者仍在少數(shù)，預(yù)期對該工藝的接受速度會比中國大陸業(yè)者緩慢得多。

結(jié)語

市場研究機(jī)構(gòu)集邦科技(TrendForce)旗下拓墣產(chǎn)業(yè)研究所半導(dǎo)體研究中心分析師黃志宇表示，目前全球FD-SOI產(chǎn)能的統(tǒng)計(jì)數(shù)字不易取得，僅能大略估計(jì)該工藝占據(jù)2017年全球晶圓代工銷售的比例為0.2%左右；他并指出，中國大陸積極建立FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈，引進(jìn)晶圓片制造商Soitec、晶圓代工業(yè)者GlobalFoundries，對***地區(qū)晶圓代工業(yè)者的28納米工藝競爭力可能會帶來沖擊。

不過黃志宇也指出，觀察中國FD-SOI產(chǎn)能開出的時間點(diǎn)亦相當(dāng)重要，必須同時考慮市場上既有晶圓代工業(yè)者的28納米工藝的折舊情形以及FD-SOI的實(shí)際產(chǎn)能規(guī)模：“當(dāng)FD-SOI工藝產(chǎn)能規(guī)模小、成本就相對變高，而若晶圓代工業(yè)者折舊情形良好、將可提供更優(yōu)惠的28納米工藝價格，如此在以成本導(dǎo)向的終端產(chǎn)品競爭上，F(xiàn)D-SOI就未必有利?！?/p>

28納米工藝可說是***晶圓代工雙雄聯(lián)電(UMC)、臺積電的“搖錢樹”，其中臺積電在2017年的28納米晶圓片出貨量創(chuàng)下了18萬片的新高紀(jì)錄，該節(jié)點(diǎn)營收在臺積電2017年第三季仍然是占據(jù)當(dāng)季整體營收最高比例、達(dá)到27%，高于先進(jìn)的16/20納米節(jié)點(diǎn)；聯(lián)電則在第三季看到28納米HKMG的市場需求趨緩。

來勢洶洶的FD-SOI工藝將會對現(xiàn)有28納米晶圓代工市場帶來什么樣的影響？中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是否將因?yàn)镕D-SOI技術(shù)的發(fā)展而改寫歷史？臺積電即將開出的22納米新工藝又是否能取得市場動力？為物聯(lián)網(wǎng)市場商機(jī)，聯(lián)電在28納米工藝之后又將祭出甚么新“武器”？2018年半導(dǎo)體市場的發(fā)展局勢值得陸續(xù)觀察！