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FD-SOI技术有何优势?还是物联网的理想解决方案?

发表于:2019-06-04 11:31 作者:新闻小编 来源:新闻小编

若要说2018以及未来五年最受瞩目的半导体制程技术,除了即将量产的7奈米FinFET尖端制程,以及预计将全面导入极紫外光(EUV)微影技术的5奈米制程节点,各家晶圆代工业者着眼于应用广泛、无所不包的物联网(IoT) 市场对低功耗、低成本组件需求而推出的各种中低阶制程技术选项,也是产业界的关注焦点。

例如晶圆代工龙头台积电(TSMC)的16与12奈米FFC (FinFET Compact Technology)、22奈米超低功耗(ULP)、28奈米HPC/HPC+,以及40奈米ULP、55奈米ULP与低功耗(LP) 等逻辑制程,还有英特尔(Intel)的22奈米低功耗FinFET (22FFL)制程、GlobalFoundries的28奈米HPP (High Performance Plus)/SLP (Super Low Power)、 22FDX制程,以及三星电子(Samsung)的28奈米FDSOI、LPP、LPH.。。 等等,都是适合广泛物联网应用市场需求特性的解决方案。

其中GlobalFoundries的FDX系列制程与Samsung的FD-SOI制程,与其他竞争方案之间的最大差异,就在于采用了无论是英文或中文读来都十分拗口的「全空乏绝缘上覆硅」(Fully Depleted Silicon On Insulator,FD-SOI)技术;该技术早在2011年就由SOI产业联盟(SOI Industry ConsorTIum)、意法半导体(ST)以及其研发伙伴IBM、GlobalFoundries、 三星等率先在业界推广,号称在28奈米与20 (22)奈米节点能达到由英特尔、台积电等支持的新一代FinFET制程相当的性能,但成本与风险更低。

FD-SOI技术优势何在?

不同于FinFET制程采用的3D晶体管结构,FD-SOI为平面制程;根据ST官网上的技术数据,FD-SOI有两大主要创新:首先是采用了埋入氧化物(buried oxide,BOX)超薄绝缘层,放置于硅基板之上 ;接着将超薄的硅薄膜布署于晶体管信道,因为其超薄厚度,信道不需要掺杂(dope),使晶体管能达到完全空乏。 以上两种创新技术的结合全名为「超薄基体埋入氧化层全空乏绝缘上覆硅」(ultra-thin body and buried oxide FD-SOI,UTBB-FD-SOI)。

ST表示,与传统的块状硅技术相较,FD-SOI能提供更好的晶体管静电特性,而埋入氧化层能降低源极(source)与汲极(drain)之间的寄生电容;此外该技术能有效限制源极与汲极之间的电子流动, 大幅降低影响组件性能的泄漏电流(图1)。 除了透过闸极,FD-SOI也能藉由极化(polarizing)组件底层基板来控制晶体管行为,类似于块状硅技术亦可实现的基体偏压(body bias)。

FD-SOI技术有何优势?还是物联网的理想解决方案?

图1:块状硅制程与FD-SOI制程晶体管结构比较(来源:STMicroelectronics)

不过块状硅技术的基体偏压非常有限,因为寄生漏电流以及晶体管几何尺寸缩减之后晶体管效率降低;而FD-SOI因为晶体管结构以及超薄绝缘层,偏压效率会更好。 此外,埋入氧化层也能实现更高的基体偏压,达到对晶体管突破性的动态控制──当基板的极化为正向,也就是顺向基体偏压(FBB),晶体管切换速度能加快,并因此能优化组件性能与功耗。

根据ST的说法,FD-SOI能轻易实现FBB并在晶体管运作期间进行动态调节,为设计工程师提供高度弹性,特别是对省电性能与速度有高度要求、性能并非关键的组件,因此是物联网或可携式/穿戴式消费性电子装置应用的理想解决方案。

市场研究机构InternaTIonal Business Strategies (IBS)执行长Handel Jones在2014年发表的一份报告中写道:「同样是100mm见方大小的芯片, 采用28奈米FD-SOI制程的成本比块状CMOS制程低3%,在20奈米节点则可以进一步低30%;这是因为带来更高参数良率的同时,晶圆成本也更低;」此外FD-SOI制程裸晶的复杂度与块状CMOS制程比较,低了10%~12%。

Jones进一步表示:「更小的裸晶面积与更高的参数良率之结合,FD-SOI制程在20奈米节点的产品成本优势会比块状CMOS制程多20%;在28奈米节点,FD-SOI的性能则比20奈米块状CMOS高出15%。 」他并指出:「FD-SOI制程在高/低Vdd方面能提供比块状CMOS制程更高的能源效率等级(energy efficiency levels);FD-SOI在位单元(bit cells)上的电源效率也高出块状CMOS, 这是因为较低的泄漏电流以及对粒子更好的免疫力。 」

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