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半导体

FD-SOI技术到底是否可行?格罗方德CTO说在22纳米后还有戏

虽然曾在激烈竞争中于关键性技术节点28nm和14nm落后于人,但作为目前全球第二大半导体代工厂,Globalfoundries(格罗方德)毫无疑问在技术方面仍有其独到之处。随着摩尔定律的放缓,业界越来越多的探讨着未来半导体的技术走向。

摩尔定律是否还能继续?FinFET技术能够走多远?FD-SOI技术到底是否可行?EUV何时才能突破进入实际使用?近日,《中国电子报》记者在比利时布鲁塞尔专访了格罗方德首席技术官Gary Patton。

《中国电子报》记者与格罗方德首席技术官Gary Patton

下一个制程节点重点看向7纳米

Gary Patton告诉《中国电子报》记者,在先进制程方面,不像过去14纳米技术是从三星授权而来,7纳米技术将由格罗方德自己研发。目前还没有确定到达7纳米的具体日期,但7纳米计划绝对非常有竞争力。

格罗方德在与IBM的协议中获得了几百名关键技术人才,他们一直都在从事最先进半导体技术的研发。这些曾经在14纳米、32纳米和45纳米节点上与英特尔竞争的技术人员,目前正在格罗方德Melta(马耳他)工厂专攻7纳米技术。

FinFET技术方面,格罗方德的14纳米正在生产中,其技术水准比其他一些代工厂的14纳米和16纳米更好,非常有竞争力。目前,很多产品已经在工厂流片,产能爬坡没有任何问题,这些产品覆盖的市场范围很广泛。

未来,格罗方德将会把大部分生产力用于7纳米上。这是由于大部分客户都将专注于7纳米。他们认为,与设计投入相比较,10纳米节点没有足够的价值优势,他们将可能用10纳米技术做一小部分产品后转换到7纳米技术,或者直接跳过10纳米来用7纳米技术。

从scaling的角度来说,10纳米只能算半个节点。因为除了尺寸有所缩小,10纳米在性能提升上并没有完全遵循摩尔定律,一些拥有10纳米技术的代工厂并没有获得如摩尔定律所言的足够的性能提升,甚至有时候还会损失之前的技术节点能提供的性能表现。如果10纳米节点如果能有更多时间,也许可以加入额外的元素提升更多性能。但是由于要满足手机性能提升的计划,必须在特定日期之前就准备好相关技术,所以一些有10纳米技术节点的代工厂无法实现足够的性能提升。

在5纳米节点的技术选择上还有待讨论。格罗方德正在做一些路径探索的工作,例如探索FinFET技术是否可以走到5纳米节点、探索纳米层片堆栈、尝试垂直晶体管。

格罗方德和IBM有一个10年的协议,包括2部分。一是供应链协议,将会给他们供应14纳米、7纳米等节点技术。IBM是格罗方德22纳米技术的客户,目前已经进入14纳米的验证环节。二是研发合作协议。格罗方德正在和IBM一起在Albany纳米技术中心共同研发7纳米技术,以及寻找5纳米和5纳米以下节点的路径。

虽然最先进的制程技术很重要,但是老的制程技术仍然占据很大的市场份额。例如射频信号,IBM曾经是射频代工的领导者,这部分业务也随着IBM半导体部门转移到了格罗方德。格罗方德在这个领域投入了很多资金,以帮助在新加坡和Dresden(德国德勒斯登)的晶圆厂中的射频业务。22纳米FD-SOI技术也将有部分射频的生产。

FD-SOI技术已经可以走入下一个节点

据Gary Patton透露,格罗方德的Dresden工厂已经开始了22纳米产能爬坡。去年7月,格罗方德刚宣布22纳米FD-SOI的项目,现在还处于早期技术开发阶段。今年年底,格罗方德将进入最后试产阶段的风险生产。这意味着目前已经有客户在用该平台设计芯片了。

毫无疑问的是,FD-SOI技术在22纳米后可以走到下一个节点。Melta工厂在下一个节点的FD-SOI技术上也取得了发展。不过格罗方德还没有为该节点命名,没有确定具体数字。目前,为节点命名变得越来越难,因为节点名称不再与任何物理物质存在紧密联系。所以只能通过scaling(尺寸缩小)来判断到底属于哪个区域。

IBM曾经在SOI方面有着丰富经验,过去长期研究PD(厚膜部分耗尽)-SOI技术。在这个领域,IBM已经走过很多代技术,直到5~6年前,开始探索FD(薄膜全耗尽)-SOI技术。

由于这是一个对成本非常敏感的市场,格罗方德希望可以改变基本规则,真正找到那个最佳平衡点。22纳米就是一个最佳平衡点,因为可以在不用做太多双重曝光的情况下,获得较大的尺寸缩小。随着尺寸进一步缩小,双重曝光是不可避免的,格罗方德希望的是最大化的避免做过多的双重曝光甚至三重曝光,找到可能的最佳成本点,综合平衡好成本、性能和功率三者之间的关系。

的确,FD-SOI技术在基片上的成本有所增加,但由于内置绝缘节省了很多掩膜步骤,所以其实FD-SOI技术是在成本方面有竞争力。另外,格罗方德28纳米技术生产的大部分工具都已成功运用于22纳米技术生产,所以除了一些非常特殊的工具外,格罗方德在工具上只投入了很少的资本,这也帮助降低了成本。


同时提供FD-SOI技术和FinFET技术

Gary Patton指出,格罗方德同时提供FD-SOI技术和FinFET技术。FinFET技术提供给那些希望做更大、更高性能芯片的公司;FD-SOI技术提供给那些更关注功率和成本平衡的公司。

由于IBM的需求,FD-SOI技术和FinFET技术研发在同时推进。因为IBM的重点需求是具备极高性能的大芯片。在这部分市场中,FinFET技术是明显的赢家。因为FinFET技术能够提供更大的电流。很大的芯片中需要驱动很长的信号线路,这要有很大的布线电容,需要更大的电流。

但对于小芯片来说,比如物联网芯片,布线电容不需要那么大,器件电容更重要。那么FD-SOI技术在这种应用场景下就更合适,因为FD-SOI有更少的器件电容。

格罗方德在这里引入了一个小转折,即体偏压技术(body-bias)。这是FD-SOI技术所独有的特点,也是让该技术最受关注的特点。通过把硅做得极薄,让它可以全部耗尽,所以不会再漏电流。如果再将氧化硅层做的非常薄,同时放入偏置装置(bias),就可以调节控制这个晶体管。如果放入的是正偏压,可以实现性能快速增强;如果放入的是负偏压,我们实际上可以关掉该装置。让它实现很低的漏电流,大概是1pA/micron的水平。

它可以用于非常典型的物联网应用,Gary Patton称之为“watchdog processor”(看门狗处理器)。这个处理器永远处于工作状态。这个处理器不需要高性能,因为它只用于监控,等探测到活动时,自动打开图像处理、无线通信等功能。等所有事情完成,它再用偏压关闭这些部分。所以,当反向偏压的时候,漏电流极低;只有短时间需要用到高性能的时候,再转换到正向偏压。所以也可以实现极低的功耗。

未来技术节点的尽头不可预测

Gary Patton指出,对于未来的技术节点每个人都有自己的猜测。要注意的是,这些节点名称已经成为一种市场策略。“我们是不是能做1纳米技术?当然可以,但这个技术节点是什么?谁来决定这个技术节点是叫1纳米?”Gary Patton强调。

一些代工厂虽然提供16纳米、14纳米技术,但实际上从基本规则上来说,它是20纳米技术节点。在很多年前,对于节点的定义还有一个物理尺寸可以测量出来,但是现在已经不再有这样的物理尺寸。现在的节点是对尺寸缩小情况的一种描述,但并不是准确的。例如台积电,他们的10纳米相对于他们的16纳米来说,确实缩小了,但这并不是一整个节点的缩小,而是半个节点的缩小。

但可以确认的是,scaling(尺寸缩小)可以持续下去,例如用晶体管堆栈、借鉴存储3Dnand的结构,他们就是在不断地向上堆叠。

EUV将于2020年前用于7纳米节点

Gary Patton认为,EUV将会于2020年之前用于7纳米节点。他表示,7纳米将是一个长期生存的制程技术,他很期待在某个时期EUV可以投入使用,实现生产周期、缺陷密度等方面的提升。

从产业界来看,EUV在过去一年中取得了很大的进展。过去,EUV工具的实现一直遇到各种难关。这是因为13.5纳米波长的光源非常难制造出来,也很难将光通向晶圆片。13.5纳米波长的光很容易被其他东西吸收,但实际上它必须要经过多次反射到达晶圆片。但在EUV工具中,在多次反射的过程中很容易丢失能量。

但目前,一些EUV工具的可靠性问题已经有所解决,在功率方面也有稳定的技术进展。实际上,在格罗方德Albany工厂中的设备已经关闭,以进行功率升级。格罗方德希望升级到200瓦特以上,从而满足大批量生产的需求。ASML已经宣布其200瓦特功率的工具在开发阶段。当然,还有一些别的元素。在抗蚀显影、无缺陷掩膜板基材等方面,目前也取得了稳定进展。

“所以看起来,EUV已经在路上了,我们对于未来使用该工具非常有信心,也为此做好了准备。”Gary Patton说。

格罗方德在Albany工厂已经有一台EUV工具,今年稍晚一些的时候,还会引进第二台。当这个工具准备好的时候,格罗方德就可以将7纳米技术移植过来,用EUV工具代替一些更复杂的步骤,比如三重曝光、多重掩膜等。由于减少了大量的制程步骤,这将有效降低生产周期,同时减少缺陷密度。


More than Moore将发挥作用

“随着技术的发展,产业界会继续scale(尺寸缩小),但是节奏会放缓。目前,这个节奏已经放缓了。”Gary Patton告诉《中国电子报》记者。

英特尔已经将节奏从2年为延长至3年。这足以说明技术挑战性,随着生产越来越复杂,从科技中获得足够的性能提升变得越来越难,需要更多的时间。

Gary Patton不认为问题是技术方面的,他认为现在有很多好想法,比如垂直晶体管、纳米层片、自旋电子等。限制将是经济方面的,一个更小的芯片可以实现更高的性能,但对多数应用来说也许会太贵。根据半导体顾问机构IBS的预测,40纳米和28纳米未来将仍然有很大的出货量,直到20~25纳米。

Gary Patton指出,我们还必须探索其他的增值方式,有些人称之为“more than moore(超越摩尔)”。例如现在的系统中,三分之一左右的电力被芯片间的通信消耗了,如果可以将芯片封装的更近,集成包括光电子在内的一些其他的元素,能够显著减少功耗,实现性能提升。另外,在封装方面和低成本高效益方面,未来都有很多可做为的地方。

“而像FD-SOI这样的另一种技术,为那些不想为昂贵的7纳米技术付费的客户提供了另一种选择。”Gary Patton说。

因为不是所有产品都适用于7纳米技术。从28纳米到14纳米,设计成本已经增加了2.5~3倍,可以想象的是如果考虑到三重曝光等因素,7纳米的成本只会更高。对于物联网芯片来说,这就不合适了。Gary Patton表示,物联网芯片也许更适合用22纳米FD-SOI技术。

另外,从scaling的角度,目前越来越难从缩小技术方面获得很高的性能提升。所以人们开始探索另一条道路,比如如何让他们的产品实现进一步的优化,这也许是用过去的技术或者混合技术。

例如一大部分射频内容,如果将其放在7纳米芯片上,实际上需要负担7纳米的价格,但产品实际上并没有缩小太多。因为射频晶体管很大,不能从缩小中受益。所以,更经济的做法也许不是把这对射频内容整合在7纳米技术上,而是用两个芯片,一个是7纳米处理器芯片,一个是应用过去的节点但是专门针对射频优化的技术制造的芯片,把两个芯片集成在一个FD-SOI的基板上。这样制造成本更低,性能表现也更好。

所以,从两方面入手,对于那些更注重性能的用有机基板,对那些更注重成本的用硅基板。IBM两种手段都有,做为协议的一部分目前也转移到了格罗方德。

Gary Patton指出,另外一条路就是做3D封装。格罗方德的3D封装已经进入批量生产。美光就是其中一个客户。在与美光的合作中,格罗方德支持了其Hybrid Memory Cube"(HMC)技术,他美光用格罗方德的专用集成电路芯片做了硅通孔,然后将多个DRAM芯片堆叠起来,形成一个非常大的存储单元。

责任编辑:赵强


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