在我们大多数人“非黑即白”、“非此即彼”的观念里,半导体业者应该不是选择finfet就是fd-soi制程技术;不过既然像是台积电(tsmc)、globalfoundrie或三星(samsung)等晶圆代工厂,必须要同时提供以上两种制程产能服务客户,有越来越多半导体制造商也正在考虑也致力提供“两全其美”的制程技术。
例如飞思卡尔半导体(freescale semiconductor)最近就透露,该公司正在14至16奈米节点采用finfet技术,以及在28奈米节点采用fd-soi制程技术,只为了达成相同的目标--更高的速度以及更低的功耗--不过是针对不同的半导体元件产品;此外飞思卡尔也在尝试在下一世代的半导体制程节点,将两种技术结合在一起。
“飞思卡尔与所有的晶圆代工业者都有合作关系,也具备从低复杂性到超高复杂性的制程技术与连结技术能力,其中有很多是独家的;”飞思卡尔微控制器(mcu)事业群的应用处理器与先进技术副总裁ron martino表示:“因此,我们已经针对finfet与fd-soi制程开发了最佳化的技术蓝图。”
martino进一步举例指出,fd-soi晶圆片较昂贵,不过适合低功耗或高性能的应用,搭配飞思卡尔的28奈米i.mx非常完美;至于finfet制程,该公司认为该技术是数位连网(digital networking)产品线成功的关键,能以良好的价格与性能比达成他们提高产品速度的目标。
soi产业联盟(成员包括ibm、imec、soitec、st与飞思卡尔)已经尝试将finfet技术与soi结合。
埋入氧化层(buried-oxide,box;图右)已经为fd-soi薄化
martino甚至认为,未来可能会有一些透过结合finfet与fd-soi所带来的“惊喜”,也许是将这两种技术在下一个半导体制程节点合并在一起,同时在未来许多年维持以28奈米fd-soi制造较低阶的产品。
“fd-soi制程需要感测器整合,28奈米节点具备所需的rf与类比功能,能让许多可穿戴式装置在连结性与低功耗方面取得具吸引力的平衡;”martino表示:“各个节点的甜蜜点(sweet spot)是fd-soi在40奈米节点与28奈米节点,finfet则是更先进的节点如14~16奈米节点。在制程微缩以及成本的最佳化方面,我们将看我们能如何有效地利用fd-soi与finfet。”
在soi上的finfet之鳍式电晶体如何被更好的隔离,无期限的通道简化制程步骤
意法半导体(stmicroelectronics)是选择fd-soi优先于finfet,前者是藉由在电晶体(box)之下放置一层薄的绝缘体,因此让未掺杂的通道达到全空乏(full-depletion),将泄漏电流缩减到最小。不过fd-soi还有一个通常被忽视的优势,是极化(polarize) box下方基板的能力,也就是“顺向基底偏压(forward body biasing,fbb)”。
顺向基底偏压在功耗与性能折衷的最佳化方面非常有效率,而且藉由在运作过程中改变偏置电压,设计工程师能让他们的电晶体在不使用时达到超低功耗,但又能在速度如常时于关键时刻达到超高效能。
飞思卡尔表示,fd-soi在28奈米节点与非常省电之低功耗元件的智慧整合方面是领先技术,而且能扩展到28奈米以下,finfet则是在更先进的制程节点产出今日最高性能的元件;这两种技术都会产生全空乏通道,只是以不同的方式--所以如果让两者结合在一起呢?
块状晶圆与soi晶圆上的finfet成本差异,会随着所需的额外制程步骤而抵销
但在soi上仍然较昂贵
“fd-soi是全空乏,finfet也是全空乏,你甚至可以将两种技术结合在一起;”martino 表示:“总之,飞思卡尔将继续最佳化我们的产品阵容,因为我们需要广泛的技术与制程,从i.mx最佳化到嵌入式快闪记忆体最佳化,所有都将会需要适合它们的制程。”
有些半导体业者专注于fd-soi,有一些则锁定finfet,但对无晶圆厂业者与半无晶圆厂(semi-fabless)来说,晶圆代工业者能提供两种技术选项;所以为什么不将两者混搭甚至结合在一起呢?事实上soi产业联盟,正在实验于7奈米节点结合两种技术,跨越闸极全面拓展鳍式架构,而且利用三五族(iii-v)通道。