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只能FinFET或FD-SOI?二合一也行

2015-07-07

  在我們大多數人“非黑即白”、“非此即彼”的觀念里,半導體業者應該不是選擇FinFET就是FD-SOI制程技術;不過既然像是臺積電(TSMC)、GlobalFoundrie或三星(Samsung)等晶圓代工廠,必須要同時提供以上兩種制程產能服務客戶,有越來越多半導體制造商也正在考慮也致力提供“兩全其美”的制程技術。

  例如飛思卡爾半導體(Freescale Semiconductor)最近就透露,該公司正在14至16奈米節點采用FinFET技術,以及在28奈米節點采用FD-SOI制程技術,只為了達成相同的目標--更高的速度以及更低的功耗--不過是針對不同的半導體元件產品;此外飛思卡爾也在嘗試在下一世代的半導體制程節點,將兩種技術結合在一起。

  “飛思卡爾與所有的晶圓代工業者都有合作關系,也具備從低復雜性到超高復雜性的制程技術與連結技術能力,其中有很多是獨家的;”飛思卡爾微控制器(MCU)事業群的應用處理器與先進技術副總裁Ron Martino表示:“因此,我們已經針對FinFET與FD-SOI制程開發了最佳化的技術藍圖。”

  Martino進一步舉例指出,FD-SOI晶圓片較昂貴,不過適合低功耗或高性能的應用,搭配飛思卡爾的28奈米i.MX非常完美;至于FinFET制程,該公司認為該技術是數位連網(digital networking)產品線成功的關鍵,能以良好的價格與性能比達成他們提高產品速度的目標。

  SOI產業聯盟(成員包括IBM、Imec、Soitec、ST與飛思卡爾)已經嘗試將FinFET技術與SOI結合,圖中顯示埋入氧化層(buried-oxide,BOX;圖右)已經為FD-SOI薄化 (圖片來源:SOI產業聯盟)

  Martino甚至認為,未來可能會有一些透過結合FinFET與FD-SOI所帶來的“驚喜”,也許是將這兩種技術在下一個半導體制程節點合并在一起,同時在未來許多年維持以28奈米FD-SOI制造較低階的產品。

  “FD-SOI制程需要感測器整合,28奈米節點具備所需的RF與類比功能,能讓許多可穿戴式裝置在連結性與低功耗方面取得具吸引力的平衡;”Martino表示:“各個節點的甜蜜點(sweet spot)是FD-SOI在40奈米節點與28奈米節點,FinFET則是更先進的節點如14~16奈米節點。在制程微縮以及成本的最佳化方面,我們將看我們能如何有效地利用FD-SOI與FinFET。”

  圖中顯示在SOI上的FinFET之鰭式電晶體如何能被更好的隔離,以及無期限的通道如何簡化了制程步驟 (圖片來源:SOI產業聯盟)

  意法半導體(STMicroelectronics)是選擇FD-SOI優先于FinFET,前者是藉由在電晶體(BOX)之下放置一層薄的絕緣體,因此讓未摻雜的通道達到全空乏(full-depletion),將泄漏電流縮減到最小。不過FD-SOI還有一個通常被忽視的優勢,是極化(polarize) BOX下方基板的能力,也就是“順向基底偏壓(forward body biasing,FBB)”。

  順向基底偏壓在功耗與性能折衷的最佳化方面非常有效率,而且藉由在運作過程中改變偏置電壓,設計工程師能讓他們的電晶體在不使用時達到超低功耗,但又能在速度如常時于關鍵時刻達到超高效能。

  飛思卡爾表示,FD-SOI在28奈米節點與非常省電之低功耗元件的智慧整合方面是領先技術,而且能擴展到28奈米以下,FinFET則是在更先進的制程節點產出今日最高性能的元件;這兩種技術都會產生全空乏通道,只是以不同的方式--所以如果讓兩者結合在一起呢?

  塊狀晶圓與SOI晶圓上的FinFET成本差異,會隨著所需的額外制程步驟而抵銷,但在SOI上仍然較昂貴 (圖片來源:SOI產業聯盟)

  “FD-SOI是全空乏,FinFET也是全空乏,你甚至可以將兩種技術結合在一起;”Martino 表示:“總之,飛思卡爾將繼續最佳化我們的產品陣容,因為我們需要廣泛的技術與制程,從i.MX最佳化到嵌入式快閃記憶體最佳化,所有都將會需要適合它們的制程。”

  有些半導體業者專注于FD-SOI,有一些則鎖定FinFET,但對無晶圓廠業者與半無晶圓廠(semi-fabless)來說,晶圓代工業者能提供兩種技術選項;所以為什么不將兩者混搭甚至結合在一起呢?事實上SOI產業聯盟,正在實驗于7奈米節點結合兩種技術,跨越閘極全面拓展鰭式架構,而且利用三五族(III-V)通道。


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