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欧洲发展半导体先进制程另辟蹊径?

虽然FD-SOI在与FinFET的竞争中落于下风,成为相对小众的工艺技术,其生命力却一直在欧洲得到延续。随着FinFET在3nm及以下节点遇到瓶颈,FD-SOI的技术潜力也再度受到关注。
发布时间:2023-01-10 09:47        来源:电子信息产业网        作者:张心怡

近期,SemiAnalysis首席分析师Dylan Patel在社交媒体表示,意法半导体将进军10nm制程,这一计划将在与格芯合作建立的晶圆厂中实现。Dylan表示在一次Q&A中,相关发言人透露意法半导体将走向下一个节点,10nm将发生。2022年7月,意法半导体与格芯宣布将新建一座合营半导体制造工厂,支持多种尤其是基于FD-SOI的制程技术,包括格芯领先的FDX技术和意法半导体最小至18nm的技术路线图。虽然FD-SOI在与FinFET的竞争中落于下风,成为相对小众的工艺技术,其生命力却一直在欧洲得到延续。随着FinFET在3nm及以下节点遇到瓶颈,FD-SOI的技术潜力也再度受到关注。

FD-SOI曾是先进制程的有力竞争者

从20世纪80年代到2010年前后,体硅等传统CMOS工艺在半导体器件微缩的过程中发挥了重要作用。但在20nm节点,体硅CMOS对电流控制能力明显下降,漏电率相应提高。为了延续摩尔定律,中国科学院外籍院士胡正明及其团队于1999年提出了FinFET的概念,并在2000年提出了FD-SOI。

其中,FinFet用形状与鱼鳍类似的立体结构取代了平面结构,使晶片得以继续微缩化,并解决了漏电问题。2011年,英特尔推出其第一代FinFET工艺产品——22nm的Ive Bridge处理器。2013年11月,台积电成功试产16nm FinFET。2015年2月,三星宣布其14nm FinFET手机处理器进入大规模量产,首款搭载机型为Exynos7 Octa。

而FD-SOI在保留平面结构的基础上,通过两项技术创新降低了体硅技术在20nm以下可能面临的漏电流风险,并进一步提升了晶体管性能。一是在衬底制作了超薄绝缘体,二是用非常薄的硅膜制作晶体管沟道。硅薄膜可自然地限定源漏结深,同时限定了源漏结的耗尽区,从而改善短沟道效应。此外,FD-SOI晶体管无需沟道掺杂,可以避免随机掺杂涨落等效应,从而保持稳定的阈值电压,避免因掺杂而引起的迁移率退化。

2012年,意法半导体宣布其克罗勒工厂已经具备28nm FD-SOI制程量产能力。之后,格罗方德、三星陆续实现了22nm、18nm FD-SOI的投产。2016年,格罗方德推出12nm FD-SOI半导体工艺平台12FDX,能够以低于16nm FinFET的功耗和成本提供等同于10nm FinFET的性能。性能比同期FinFET工艺提升了15%,功耗降低了50%。

虽然FD-SOI阵营一直主打更低成本和更低功耗,但作为一种平面工艺,FD-SOI的制程微缩速度逐渐被FinFET阵营拉开差距。在14nm节点,几乎所有的量产方案都采用了FinFET路线。虽然格罗方德推出了12nm FD-SOI平台,但随着格罗方德在2018年宣布搁置7nm项目研发,转而将重心转向特色工艺,其FD-SOI工艺也停止了向更先进制程进发的脚步。

“FD-SOI需要特殊的硅片,目前FD-SOI硅片生产技术相对成熟的只有法国Soitec。而且SOI硅片价格大概是普通硅片的2~3倍,成本相对来说会增加。此外,FD-SOI向下微缩的特性不如FinFET,台积电FinFET第一代就能做到16nm,但是FD-SOI目前为止还没有实现20nm以下制程的量产。”芯谋研究高级分析师张彬磊向《中国电子报》记者表示。

欧洲缘何成为FD-SOI大本营

虽然FD-SOI在与FinFET的竞争中有些失意,成为了相对小众的制造技术,但它却在欧洲展现出绵延不绝的生命力。

2022年4月,CEA、Soitec、格罗方德和意法半导体宣布将联合制定下一代FD-SOI技术发展规划。各方表示,半导体器件和FD-SOI技术创新对法国和欧盟以及全球客户具有战略价值。FD-SOI能够为设计人员和客户系统带来实质性的优势,包括更低的功耗、更便捷的集成通信连接、安全保护等功能,这些特质对于汽车、物联网和移动应用等领域的半导体具有积极意义。

3个月后,意法半导体和格罗方德又有了新动作,宣布将在克罗勒市新建一处半导体制造工厂。双方已签署一份谅解备忘录,将在意法半导体位于克罗勒市现有工厂附近新建一处合营半导体制造工厂。该工厂预计到2026年可实现满负荷生产,全面建成后每年可生产62万片300mm晶圆。据悉,新工厂将支持包括FD-SOI在内的多种技术。

欧洲之所以持续布局FD-SOI,与其产业基础和所擅长的领域息息相关。

业界知名专家莫大康向《中国电子报》记者表示,SOI主要的材料供应商Soitec坐落于欧洲,加上欧洲三大厂注重差异化道路,聚焦功率器件、车用电子等市场,看好SOI技术在低功耗、物联网领域的发展,因此欧洲厂商继续投入FD-SOI是可以理解的。

张彬磊也向记者指出,FD-SOI本身具有低功耗、漏电少等性能,在特色工艺领域具有明显的优势。相比逻辑工艺,特色工艺更新换代的节奏相对缓慢,适合欧洲企业把事情做精做好的风格,因而FD-SOI能够在欧洲持续发展。

能否冲击10nm?

除了2022年欧洲对FD-SOI的一系列动作,这项工艺技术引起业界关注的另一个原因,是摩尔定律又走到了工艺路线的转换点。

在3nm及以下节点,FinFET工艺如同当年的体硅CMOS一样,遇到了向下微缩的瓶颈,主力代工厂转向了GAA,而FD-SOI也重新引起了关注。行业分析机构新思界表示,与FD-SOI相比,FinFET成本较高,且芯片发展到3nm工艺制程时,FinFET漏电流控制难度增大。在新的晶体管工艺研究热度增加,衬底技术不断突破背景下,FD-SOI再度受到关注。

但是,作为平面工艺,FD-SOI是否有能力冲击12nm乃至10nm以下节点呢?莫大康向记者表示,FD-SOI尺寸微缩的难度更大,难以应用在12nm以下工艺制程芯片制造领域。不过,CEA、Soitec、格罗方德、意法半导体计划共同定义业界下一代FD-SOI路线图技术,有望推动FD-SOI应用拓展到12nm及以下工艺制程芯片中,并进一步扩大FD-SOI市场空间。

“任何技术只要能生存下来,一定有它的优势,但是发展快慢,不仅取决于技术突破,还在于市场的选择。FD-SOI技术推进10nm并非没有可能,但不可否认未来FinFET仍是市场主导,它有完整的生态链支持,包括EDA工具、IP、Fabless等。相比之下,FD-SOI尚有不足,它的未来一方面在于技术的突破,另一方面在于性价比能否被市场接受,可以说,市场决定命运。”莫大康说。

从市场增长动力来看,5G和汽车电子正在对FD-SOI产生显著的拉动作用。Soitec最新财报显示,其2023财年上半年的综合收入达到4.71亿欧元,同比增长26%。在统计周期内,72%的总收入来自移动通信板块,主要得益于5G智能手机、WiFi6的应用以及5G基础设施部署的推动。Soitec还在扩建其新加坡厂的产能,2024年扩建工程完成后,该厂的300mm SOI晶圆年产能将达到200万片左右,这些晶圆将用于智能手机芯片的5G通信等功能,以及汽车和智能设备。

热点技术的助推,提升了FD-SOI通过起量进一步提升性价比的机会。在主力企业的合力推动下,FD-SOI能否进一步克服生态和技术挑战,从格罗方德曾经开拓的12nm节点继续向下延伸,业界拭目以待。

 

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