中国半导体业界经常讨论“要实现弯道超车”,然而“弯道”在那里?可能有时并不太清楚。而戴伟民博士提到,FD-SOI技术正是中国集成电路产业实现“弯道超车”的历史机遇。
半导体是个很特殊的行业。“在五十多年的发展历程中,没有其他哪个产业像半导体这样,尺寸越来越小,速度越来越快,功耗越来越低,然而成本却越来越低。如果汽车产业能以半导体产业这样的速度发展,那我们今天几十块钱就可以买一辆汽车,这是难以想象的。然而在28纳米制程之后,成本不降反涨,出现了技术拐点,如赛车的弯道。”戴伟民博士表示。
十多年前,业内人士已经看到在28纳米后出现的技术难题,于是伯克利加州大学的三位教授,Chenming Hu (胡正明)、Tsu-Jae King-Liu、和Jeffrey Bokor研究并同时提出两种方案可以使CMOS工艺技术拓展到20纳米以下,一种是立体型结构的FinFET (鳍型场效应晶体管),另一种就是平面型结构的FD-SOI(全耗尽型绝缘层上硅)。接下来,各家晶圆制造商就在这两条路线中做出自己的选择。
在戴伟民博士看来,FinFET成为今天先进工艺的主流趋势主要有两个原因。十多年前,英特尔是晶圆制造的龙头老大,而FD-SOI在当时尚不具备满足大量生产的需求,且某些核心专利技术被一家法国厂商垄断等历史原因,英特尔为了避免掣肘于人,选择了FinFET结构进行研发,台积电选择了跟随英特尔的脚步以规避风险。其次,FinFET工艺很适合英特尔当时高性能和高密度的产品定位。正是基于这样的历史原因,英特尔、台积电等工艺大厂选择了FinFET这条技术路线。
芯原对FinFET和FD-SOI工艺技术路线布局均有清楚的认识:台积电的7纳米FinFET将会是一个具有很长的生命周期的主节点,而10纳米FinFET则是短暂过渡的。三星则会在10纳米停留较久,等待EUV光刻技术成熟再做7纳米FinFET。英特尔宣布2018年其10纳米PC处理器芯片量产,并声称它的10纳米水平相等于台积电和三星的7纳米。而格芯 (GlobalFoundries)在7纳米制程上可能会是一匹黑马。那在目前成熟量产性价比较优的28纳米体硅和相对昂贵的7纳米FinFET之间,会有哪些先进工艺制程大展身手呢?毫无疑问,FD-SOI工艺(三星的28纳米FDS和18纳米FDS,格罗方德的22纳米FDX和12纳米FDX)必将占一席之地。
当物联网这些新兴领域出现之后,提出了与以往产品不同的性能和功耗需求,这就使得FinFET工艺难以完美地应用于物联网等广阔市场,特别是对功耗和成本要求很高的产品。而FD-SOI则能够很好地满足低功耗需求的应用。如果说英特尔、台积电选择FinFET是历史原因,那来自于应用端驱动的FD-SOI工艺则是未来的热门选择。
首先,在物联网、5G、MMIC等应用中,有许多射频电路,对工艺非常敏感,FD-SOI工艺有非常大的优势。相比FinFET,FD-SOI的截止频率Ft/Fmax更高,可以支持更高的射频频段,包括毫米波频段,射频电路匹配性能更好。体硅工艺下的手机一旦开启了GPS,电量通常就会掉得很快,而不久之前华米推出的新款手表中,包含了一款SONY设计、FD-SOI工艺制造的GPS,则非常的省电,成为了产品最抢眼的亮点之一。台积电在今年3月发布了22纳米平面体硅工艺,计划明年量产,主要针对射频,特别是在5G、移动设备,可穿戴和物联网中的应用。
其次,FD-SOI工艺支持体偏(body biasing)技术。物联网设备和数据中心不同,可能有很长的待机(stand by)时间,只在10%,最多20%的时间内需要有很高的性能。在FD-SOI工艺中,可以用软件去控制体偏,从而适应不同的工作场景。此外,体偏可以降低射频前端电路电压,节省功耗,还可以后期校正实际制造中的PVT偏差,降低sign off的难度。
戴伟民博士将中国市场视为FD-SOI的主要驱动力。他认为现在正是中国投资FD-SOI,并用以作为低功耗工艺替代方案的好时机。
戴伟民博士指出,“从传统的体硅转向FD-SOI就像是换个跑道那么简单,但是,如果一直挤在FinFET的跑道上,想要在直道上追赶上已有的领跑者,就十分困难了。”戴伟民博士和中国科学院上海微系统与信息技术研究所所长王曦院士作为共同主席,创办了上海FD-SOI论坛并巳连续在上海举办了四届。若干个全球FD-SOI产业化里程碑式的历史事件均从这论坛上的对接开始。芯原与格罗方德、三星以及意法半导体三家FD-SOI代工厂都有着合作关系,帮助客户进行ASIC设计,对接FD-SOI工艺。
戴伟民博士
和王曦院士出席格芯项目签约仪式
中国半导体产业处在一个特殊的环境中,为了自强自立,在研发FinFET技术的同时,也需要推进FD-SOI产业,这一点是毋庸置疑的。今年2月,格芯在成都启动了总投资100亿美元的12英寸晶圆制造项目,项目一期为成熟的130纳米和180纳米工艺,二期则为先进的22纳米FD-SOI工艺,建成后年产能将达到100万片。一个中国FD-SOI 生态正在形成: 上海新傲 (Simgui)的衬底片制造厂(wafer substrate),格芯成都FD-SOI晶圆厂,和芯原的FD-SOI IP和设计服务中心。“中国应该‘
两条腿走路
’,同时发展FinFET和FD-SOI;尤其要抓住FD-SOI这个中国晶圆厂‘弯道超车’,也是中国无晶圆厂半导体厂商‘换道超车’的历史机遇”,戴伟民博士指出。
格芯成都12寸晶圆厂