三星宣布他們有17種FD-SOI產(chǎn)品進(jìn)入大批量產(chǎn)階段

FD-SOI正獲得越來(lái)越多的市場(chǎng)關(guān)注。在5月份的晶圓代工論壇上，三星宣布他們有17種FD-SOI產(chǎn)品進(jìn)入大批量產(chǎn)階段。7月，在美國(guó)西部半導(dǎo)體展上，格芯宣布了超過(guò)20億美元的FD-SOI設(shè)計(jì)收入，其2017年記錄收入10億美元，2018年上半年記錄收入10億美元。隨著FD-SOI的興起，我認(rèn)為有必要回顧一下市場(chǎng)上的玩家以及他們目前和計(jì)劃的工藝。

FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)

FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)

CEA Leti是負(fù)責(zé)FD-SOI開發(fā)的關(guān)鍵研究小組，在28納米和14納米工藝上與ST Micro合作，在22納米和12納米工藝上與格芯合作。

FD-SOI要求設(shè)計(jì)襯底在掩埋絕緣層的單晶硅層非常薄，以確保溝道區(qū)完全耗盡。FD-SOI襯底的主要供應(yīng)商是Soitec，SEH是第二大來(lái)源。

生產(chǎn)FD-SOI工藝的公司有ST Micro（其正在將此工藝用作28納米IDM的生產(chǎn)），三星代工廠（28納米工藝投產(chǎn)中，18納米工藝計(jì)劃投產(chǎn)），以及格芯代工廠（22納米工藝投產(chǎn)中，12納米計(jì)劃投產(chǎn)）。

ST Micro

ST Micro于2012年推出了28納米FD-SOI，生產(chǎn)自他們的Crolles II–300mm晶圓廠。與ST Micro的28納米體工藝相比，28納米FD-SOI工藝的性能提高了32 % - 84 %。ST Micro也與CEA Leti一同開發(fā)了一種14納米工藝，但是還沒(méi)有投入生產(chǎn)。據(jù)報(bào)道，ST Micro已經(jīng)開始與格芯合作開發(fā)格芯的22FDX FD-SOI工藝，因此長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看ST Micro可能不會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)他們自己的FD-SOI，而是可能會(huì)轉(zhuǎn)向這種技術(shù)的無(wú)晶圓廠模式。Crolles II是一個(gè)產(chǎn)能相對(duì)較低的300mm晶圓廠，而ST Micro在晶圓廠生產(chǎn)其他產(chǎn)品，因此FD-SOI的產(chǎn)量可能不大。

三星

三星獲得了ST Micro的28納米FD-SOI工藝許可，并利用它創(chuàng)建了三星的28納米FDS工藝。28 FDS于2015年投入生產(chǎn)，目前正在大批量生產(chǎn)17種產(chǎn)品。三星正在開發(fā)一項(xiàng)第二代18納米工藝，將于明年完成。

28FDS為射頻應(yīng)用、嵌入式MRAM非易失性存儲(chǔ)器提供達(dá)400 GHz以上的最大頻率（fmax），并可應(yīng)用于汽車。28FDS有一個(gè)1.0伏的Vdd。

28FDS計(jì)劃于2019年推出，其特點(diǎn)是后端采用三星的成熟14納米FinFET技術(shù)，面積比28FDS減少了35 %。相比28FDS，18FDS還提升了22 %的性能并降低了37 %的功耗。18FDS的Vdd為0.8伏。

三星的晶圓產(chǎn)能巨大，可以根據(jù)需要極大提升FD-SOI的產(chǎn)量。

格芯（GF）

格芯的22FDX工藝于2017年投入生產(chǎn)，提供400 GHz fmax、嵌入式MRAM非易失性存儲(chǔ)器，并可應(yīng)用于汽車。對(duì)于低功耗應(yīng)用，22FDX可以在低至0.4伏的電壓下工作。有四種版本可供選擇：低功耗、高性能、低泄漏或射頻與模擬。22FDX的前端基于ST Micro 14納米工藝，后端優(yōu)化了成本，有兩個(gè)雙層曝光層，其余層為單層曝光。

第二代12FDX工藝原本應(yīng)在2019年推出，但格芯推遲了該工藝的推出，因?yàn)榭蛻衄F(xiàn)在才設(shè)計(jì)和升級(jí)22FDX產(chǎn)品。12FDX的開發(fā)進(jìn)展順利，將根據(jù)需要推出，我們估計(jì)推出時(shí)間將在2020年左右。12FDX將能夠在<0.4伏的電壓下工作并且性能較22FDX提高>20%。

格芯正在其德累斯頓晶圓廠生產(chǎn)22FDX，且產(chǎn)能相當(dāng)大。在中國(guó)成長(zhǎng)起來(lái)的晶圓廠也將成為未來(lái)FD-SOI的產(chǎn)能來(lái)源。

對(duì)比

圖2比較了格芯、三星和ST Micro的工藝密度指標(biāo)。就目前的FD-SOI產(chǎn)品而言，格芯的22FDX毫無(wú)疑問(wèn)在密度方面領(lǐng)先，同時(shí)也提供了最低的工作電壓。三星計(jì)劃的18FDS工藝可能比格芯目前的FDX22工藝稍密，但格芯計(jì)劃的12FDX工藝將再次確立格芯在FD-SOI密度方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。

我本人很難理解的一件事是，為什么三星沒(méi)有在工作電壓上下功夫。功耗與工作電壓平方成正比，而FD-SOI針對(duì)的是許多低功耗應(yīng)用。格芯的0.4伏Vdd在低功耗工作中具有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

討論

FD-SOI正被定位為物聯(lián)網(wǎng)、汽車和移動(dòng)應(yīng)用中FinFET的低成本替代品。就互連層的密度和數(shù)量而言，特定的FD-SOI工藝選擇使其比密度更大的FinFET工藝更為便宜。FinFET工藝通常也不太適合模擬和射頻應(yīng)用。我們認(rèn)為，在節(jié)點(diǎn)和數(shù)量相同的金屬層，F(xiàn)inFET工藝和FD-SOI工藝在成本上接近，但是FD-SOI工藝的定位不同，例如，格芯提供8個(gè)金屬層的22FDX，作為11個(gè)或以上金屬層的14 納米FinFET工藝的低成本替代品。相比14納米FinFET，22FDX掩模數(shù)量更低且每晶片成本更低，14納米FinFET工藝密度更大，更適合大規(guī)模高性能設(shè)計(jì)，但22FDX成本更低，數(shù)字性能幾乎同樣優(yōu)秀且在更低功率下模擬和射頻性能更好。

FD-SOI還提供獨(dú)特的反饋偏壓功能，以設(shè)置閾值電壓并調(diào)整性能和功耗。訪問(wèn)反饋偏壓的背柵只需要1 %的面積損失，同時(shí)提供了其他工藝無(wú)法提供的獨(dú)特和有用性能。

FD-SOI的設(shè)計(jì)成本低于FinFET，28FDS和22FDX的設(shè)計(jì)成本與28納米體積接近，而14納米FinFET工藝的設(shè)計(jì)成本大約是28納米體積設(shè)計(jì)成本的兩倍。預(yù)計(jì)7納米FinFET的設(shè)計(jì)成本甚至高于14納米的設(shè)計(jì)成本。

結(jié)論

我們認(rèn)為，F(xiàn)D-SOI在占領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)、5G和汽車應(yīng)用領(lǐng)域市場(chǎng)份額方面處于有利地位。對(duì)于具有大量數(shù)字邏輯并且要求高性能的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，F(xiàn)inFET仍將是首選。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，F(xiàn)D-SOI將成為主流替代品。