Globalfoundries正在研究新的非易失性存儲器技術(shù)

目前，GlobalFoundries（格芯）及其合作伙伴，包括三星、索尼、STM（意法半導體），在FD-SOI方面的投入力度越來越大。

作為行業(yè)3大晶圓代工廠商之一，GlobalFoundries這幾年一直在大力推廣FD-SOI技術(shù)。該公司于2015年提出了22FDX（22nm工藝）產(chǎn)品規(guī)劃，并于2016年舉行的第三屆上海FD-SOI與RF-SOI論壇上，發(fā)布了12FDX（12nm工藝）平臺計劃和路線圖。該公司也是業(yè)界第一個推出下一代FD-SOI技術(shù)路線圖的廠家。

近期，有消息稱，Globalfoundries正在研究新的非易失性存儲器（NVM）技術(shù)，很有可能用在22nm的FD SOI上。

該公司首席技術(shù)官Gary Patton稱，Globalfoundries已經(jīng)在其22FDX制程中提供了磁性RAM（MRAM），目前正在研究另一種內(nèi)存技術(shù)選擇。

以上信息，是上個月在安特衛(wèi)普舉行的IMEC技術(shù)論壇上披露出來的。

臺積電和三星等晶圓代工競爭對手正在努力推出先進的7nm工藝，還涉及射頻電路和功率效率。在這種情況下， Globalfoundries會不會在先進制程工藝的競爭中落后，并開始失去客戶呢？

對于這個問題，Patton強調(diào)，“我們?nèi)ν菩须p路線圖發(fā)展戰(zhàn)略，”

Patton表示，在雙路線圖發(fā)展策略的指引下，Globalfoundries將在2018下半年流片出7nm FinFET工藝產(chǎn)品，并在2019年實現(xiàn)產(chǎn)量，而且會在2019年進一步迭代。Patton表示，首批客戶包括AMD、IBM和其他一些ASIC設(shè)計公司。

對于Globalfoundries來說，成功實現(xiàn)FinFET制程量產(chǎn)很重要，因為只有這樣，才能保證其位于紐約Malta的Fab 8廠的產(chǎn)能利用率，并以較小的幾何尺寸（例如3nm）帶來收入以支付研發(fā)費用。該公司在先進制程方面的一直在投入資金，但短期內(nèi)回報有限，這帶給了它巨大的壓力。

與此同時，Globalfoundries雙路線圖的另一分支，即FD SOI，也在與三星的28nm FD SOI工藝進行競爭，而后者在去年宣布將推出18nm FD SOI。對此，Globalfoundries表示，我們很高興看到三星也參與其中，這有助于讓更多的人進入該市場。

三星向18FDS進發(fā)

三星是FD-SOI的重要推動力量。由于摩爾定律發(fā)展到28nm工藝節(jié)點的時候，出現(xiàn)了不同以往的情況，即從28nm開始，再向更高節(jié)點發(fā)展，如20、16、14、10、7nm等等，每集成電路當中每個晶體管的成本不再下降，而是提升。

所以該公司認為28nm工藝更適合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在成本、功耗和性能方面的要求，特別是MCU和傳感器產(chǎn)品。因此，三星LSI推出了“28FDS”技術(shù)和產(chǎn)品，并于2016年開始量產(chǎn)。

三星Foundry業(yè)務(wù)部門的發(fā)展路徑主要分為兩條，從28nm節(jié)點開始，一條是按照摩爾定律繼續(xù)向下發(fā)展，不斷提升FinFET的工藝節(jié)點，從14nm到目前的10nm，進而轉(zhuǎn)向下一步的7nm。

另一條線路就是FD-SOI工藝，該公司還利用其在存儲器制造方面的技術(shù)和規(guī)模優(yōu)勢，著力打造eMRAM，以滿足未來市場的需求。

實際上，三星在MRAM研發(fā)方面算是起步較早的廠商，2002年就開始了這項工作，并與2005年開始進行STT-MRAM的研發(fā)，之后不斷演進，到了2014年，生產(chǎn)出了8Mb的eMRAM。

三星28FDSOI嵌入式NVM分兩個階段。 第一個是2017年底之前的電子貨幣風險生產(chǎn)，第二個是2018年底之前的eMRAM風險生產(chǎn)。并同時提供eFlash和eMRAM（STT-MRAM）選項。

代工廠在給客戶進行風險生產(chǎn)時，制程和設(shè)計仍可能發(fā)生變化，用以優(yōu)化性能并提高產(chǎn)量。 由于制程尚未最終確定，因此此類生產(chǎn)由客戶承擔風險。 風險生產(chǎn)階段可能需要幾個月的時間，這意味著eFlash將在2018年批量供貨，eMRAM將在2019年批量供貨。

提供28nm嵌入式非易失性存儲器具有挑戰(zhàn)性。公認的觀點認為，將閃存轉(zhuǎn)換為28nm是不現(xiàn)實的，MRAM，相變存儲器（PCM）和電阻性RAM（ReRAM）等其他選項缺乏工程成熟度。

eFlash的問題包括28nm的耐用性和功耗方面的困難。

這可能是三星首先推出eFlash的原因之一，但預(yù)計客戶將長期使用STT-MRAM。 由于CMOS具有工藝優(yōu)勢，長期來看，MRAM是最受歡迎的。

三星于2017年研制出了業(yè)界第一款采用28FDS工藝的eMRAM測試芯片。

另外，據(jù)三星Foundry業(yè)務(wù)總經(jīng)理ES Jung介紹，該公司已經(jīng)不像2016年那樣，只是固守在28FDS，而是開始向18FDS（18nm的FD-SOI）進發(fā)?？磥恚菍OI的樂觀程度有增無減，估計今年會看到更新的SOI產(chǎn)品推出。

商業(yè)風險

對于商業(yè)風險，Patton表示，F(xiàn)D SOI已經(jīng)具備了足夠的抗風險能力。 “現(xiàn)在，路線圖不是問題，IP可用性也不是問題，所以，風險已經(jīng)降到最低。另一個衡量標準是我們的FDXelerator合作伙伴計劃，其在2016年第三季度與7個合作伙伴一起啟動，現(xiàn)在已經(jīng)增加到了47個。我們最新的目標是今年年底之前將合作伙伴增加到75個。我們已經(jīng)在22FDX上進行了幾次真正的IC流片，而不是測試芯片。我們預(yù)計到2020年實現(xiàn)12FDX的流片，并在2021年交付給客戶。“

Patton強調(diào)，F(xiàn)D SOI上的射頻元件和毫米波電路是世界級的，這使得該制程工藝非常適用于汽車雷達。 事實上，其22FDX工藝剛獲得AEC-Q100二級生產(chǎn)認證。 作為AEC-Q100 Grade 2認證的一部分，器件必須在很寬的溫度范圍內(nèi)長時間成功承受可靠性壓力測試。

據(jù)悉，Globalfoundries還提供AutoPro平臺，以幫助客戶將其汽車微控制器和ASSP遷移到22FDX，并充分利用RF和mmWave功能，以及邏輯，非易失性存儲器（NVM）和高壓設(shè)備。

ST基于FD SOI的PCM

Globalfoundries一直關(guān)注嵌入式MRAM，但其他公司正在提供替代品，例如，三星在其28nm FDSOI上提供嵌入式MRAM和閃存選項，意法半導體（STMicroelectronics）已選擇28nm FDSOI上的相變存儲器（PCM），并實現(xiàn)了汽車應(yīng)用的高端微控制器出樣。STMicroelectronics的ADG總裁Marco Monti在倫敦ST金融分析師日發(fā)表講話時透露了這一消息。

據(jù)悉，意法半導體即將推出的用于電子控制單元（ECU）的微控制器，將包含多達6個Cortex-R52處理器內(nèi)核，其運行頻率高達400MHz，嵌入式PCM的速度為16或32Mbytes。

Monti將該技術(shù)描述為“顛覆性技術(shù)”，具有高時鐘頻率的6核心芯片可提供15倍于典型單核ECU的性能。

Monti說樣品已經(jīng)提供給一位主要的汽車客戶。

與此同時，根據(jù)報告，臺積電正在其22nm FinFET工藝中提供MRAM和ReRAM的變種作為嵌入式存儲器。臺積電將于2019年提供嵌入式ReRAM。

報告稱，這兩種技術(shù)將用于22nm FinFET制程工藝。

臺積電通吃eMRAM和eReRAM

臺積電將與三星和Globalfoundries分別在28nm CMOS和22nm FDSOI工藝上分別提供eMRAM，然后在2019年與ReRAM產(chǎn)品一起實現(xiàn)跨越。無論是三星還是Globalfoundries都沒有采取任何行動轉(zhuǎn)向嵌入式ReRAM。

圖：根據(jù)中國經(jīng)濟日報（EDN）的一份報告，臺積電計劃在2018年提供嵌入式MRAM作為SoC的非易失性存儲器選項，并在2019年提供嵌入式電阻式RAM。

據(jù)臺積電首席技術(shù)官Jack Sun稱，臺積電計劃在2018年采用eMRAM芯片的“風險生產(chǎn)”，2019年生產(chǎn)采用22nm制程的eReRAM芯片。

三星已經(jīng)看到恩智浦半導體采用的28nm eMRAM，Globalfoundries的22FDX eMRAM原計劃于2017年提供給客戶原型設(shè)計，并于2018年量產(chǎn)。

關(guān)于ReRAM的詳細信息，未包括在臺積電提供的ReRAM報告中，但該公司已發(fā)表了許多基于金屬氧化物結(jié)構(gòu)的ReRAM論文。

特別是臺積電已經(jīng)報道了在16nm FinFET的高k金屬柵極（HKMG）中使用的二氧化鉿高k介電材料，也可以用作電阻存儲器件。雖然IEDM 2015論文的第一作者來自***清華大學，但也是由于臺積電的多位作者。

制程工藝的下一站

“我們正在研究其他非易失性存儲器選項，”Patton說，但他拒絕透露更多信息。值得注意的是，意法半導體已經(jīng)選擇了PCM，并且選擇Globalfoundries作為FDSOI代工合作伙伴，但Patton似乎對此熱情并不高。無晶圓廠芯片設(shè)計公司正在為代工合作伙伴發(fā)出大量的電阻RAM選擇權(quán)。 Patton表示：“22FDX將是一個長壽命的節(jié)點，因此我希望能夠改進許多技術(shù)?！?/p>

談到市場的變化，Patton表示，2019年7nm工藝采用極紫外光刻（EUV）技術(shù)的計劃一直沒有變。 “我們在紐約的Malta有兩臺EUV生產(chǎn)設(shè)備，此外，還可以補充兩臺，我們的第三臺機器已經(jīng)在ASML總部Veldhoven進行著升級工作?！?/p>

雖然EUV在光源方面取得了進展，但仍然需要在光通量和線路邊緣粗糙度處理吞吐量和掩模方面開展研究工作，因為仍然擔心諸如掩模缺陷和開發(fā)205W兼容的保護膜等問題。

據(jù)悉，Globalfoundries將推出光學浸沒式光刻技術(shù)，將能夠為7nm技術(shù)提供性能增強。該公司認為FinFET 14nm和7nm是“主要”節(jié)點，跳過了10nm。

業(yè)界認為，5nm是另一個過度節(jié)點，3nm很可能是下一個完整節(jié)點。5nm可能是最后一個FinFET節(jié)點，而3nm將需要大量的晶體管工程。 這對于真正的節(jié)點改進來說將是一大筆支出，納米片（扁平的橫向納米線，每個納米線鰭片都有柵極環(huán)繞在周圍）可能是3nm工藝節(jié)點的候選者。這是三星剛剛宣布的、在2022年或之后推出GAA工藝技術(shù)。

上個月，在美國舉行的三星工藝論壇SFF 2018 USA之上，三星更是宣布將連續(xù)進軍5nm、4nm、3nm工藝。 其中，4 納米工藝仍會使用現(xiàn)有的 FinFET 制造技術(shù)，這一制造技術(shù)在高通驍龍 845 和三星 Exynos 旗艦芯片中均有使用。但到了3nm工藝結(jié)點，三星便開始拋棄 FinFET 技術(shù)，轉(zhuǎn)而采用GAA（Gate-All-Around）納米技術(shù)。

圖：三星電子已經(jīng)宣布路線圖并更新其制程節(jié)點，并引入了3納米全柵（GAA），將在2022年或之后推出。

Gate-All-Around就是環(huán)繞柵極，相比于現(xiàn)在的FinFET Tri-Gate三柵極設(shè)計，將重新設(shè)計晶體管底層結(jié)構(gòu)，克服當前技術(shù)的物理、性能極限，增強柵極控制，性能大大提升。三星的GAA技術(shù)叫做MBCFET(多橋通道場效應(yīng)管)，正在使用納米層設(shè)備開發(fā)之中。

結(jié)語

特征尺寸的微縮正在變得越來越慢，3nm技術(shù)將在7nm量產(chǎn)之后的三到四年后成熟。從7nm開始，進一步的研究就像是在玩兒一項極限運動，特別像在高空進行極限運動，空氣會變得越來越稀薄，難度也越來越大。