ST和GlobalFoundries在法國(guó)Crolles附近的新工廠聯(lián)合推進(jìn)FD-SOI

意法半導(dǎo)體(ST)和GlobalFoundries (GF)剛剛簽署了一份諒解備忘錄，將在意法半導(dǎo)體位于法國(guó)Crolles的現(xiàn)有晶圓廠旁邊新建一座聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的300毫米半導(dǎo)體晶圓廠。新工廠將支持多種半導(dǎo)體技術(shù)和工藝節(jié)點(diǎn)，包括FD-SOI。ST和GF預(yù)計(jì)，該晶圓廠將于2024年開始生產(chǎn)芯片，到2026年將達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn)，每年生產(chǎn)多達(dá)62萬片300毫米晶圓。

法國(guó)東南部的Crolles，距離意大利邊境不遠(yuǎn)，長(zhǎng)期以來一直是FD-SOI發(fā)展的溫床。從許多方面來看，FD-SOI是一種技術(shù)含量較低的方法，可以實(shí)現(xiàn)FinFETs和GAA fet的一些優(yōu)勢(shì)，包括更高的速度、更低的功耗，以及由于導(dǎo)電溝道完全耗盡(未摻雜)，芯片上晶體管與晶體管之間的參數(shù)變化更小。更少的片內(nèi)參數(shù)變化意味著ic設(shè)計(jì)人員可以減少所需的設(shè)計(jì)裕量(包括電源電壓和時(shí)序),從而提高芯片速度，并通過降低所需的工作電壓來降低功耗。

加州大學(xué)柏克萊分校的胡正明博士和他的團(tuán)隊(duì)早在1999年就根據(jù)DARPA的合約開發(fā)了FinFETs。DARPA取消了這份合同，因?yàn)楹苊黠@，平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管在運(yùn)行了半個(gè)世紀(jì)后，隨著尺寸越來越小，最終會(huì)耗盡氣體。DARPA尋求替代方案。

小型平面FET存在短溝道泄漏問題，這使得FET無法完全關(guān)斷。FinFET相對(duì)于平面FET的優(yōu)勢(shì)在于fin FET架構(gòu)在FET溝道的四個(gè)邊中的三個(gè)邊周圍構(gòu)建了柵極。這種布置允許來自柵極的電場(chǎng)更深地穿透到FET的傳導(dǎo)溝道中，這減少了短溝道泄漏，并且允許更好地控制通過溝道的電流。

隨著平面FET尺寸的縮小，短溝道泄漏的幅度增加，導(dǎo)致功耗和散熱挑戰(zhàn)增加，并迫使半導(dǎo)體制造商采用FinFETs。早在2011年，英特爾就是第一家將finfet用于其22納米工藝節(jié)點(diǎn)的商業(yè)半導(dǎo)體公司，這比finfet的首次開發(fā)晚了十多年。FinFETs目前幾乎普遍用于采用20nm工藝節(jié)點(diǎn)或更新工藝節(jié)點(diǎn)制造的芯片。

然而，F(xiàn)inFETs現(xiàn)在已經(jīng)沒有氣體了。驅(qū)動(dòng)FinFET晶體管柵極的三個(gè)邊不再能實(shí)現(xiàn)所需的速度和低漏電流。我們現(xiàn)在必須驅(qū)動(dòng)FET柵極的所有四個(gè)邊，以獲得性能良好的晶體管。進(jìn)入GAAFETs，它已經(jīng)在三星的3納米工藝節(jié)點(diǎn)的晶圓廠生產(chǎn)。英特爾和TSMC也將分別為其英特爾20A和N22納米節(jié)點(diǎn)使用砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。三星將其GAAFETs稱為“多橋溝道fet”(MBC fet)；英特爾稱它們?yōu)椤皫顖?chǎng)效應(yīng)晶體管”；TSMC稱之為納米片狀砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

像FinFETs一樣，GAAFETs是3D結(jié)構(gòu)。GAAFET傳導(dǎo)通道不是由鰭片構(gòu)成，而是由未摻雜的硅納米線、納米片或納米帶構(gòu)成，這些納米線、納米片或納米帶非常薄，基本上是2D結(jié)構(gòu)，采用原子層沉積(ALD)等先進(jìn)工藝技術(shù)制成。這些納米級(jí)導(dǎo)電溝道完全被GAAFET的柵極結(jié)構(gòu)所封裝。

FD-SOI FET的超薄導(dǎo)電溝道不會(huì)遭受與體硅制成的平面FET相同的泄漏效應(yīng)。圖片來源:意法半導(dǎo)體。 

FD-SOI fet具有本質(zhì)上是2D傳導(dǎo)溝道的東西，通過在薄的生長(zhǎng)的二氧化硅絕緣層上結(jié)合或施加非常薄的、非常均勻的硅層來創(chuàng)建。如果FD-SOI FET的導(dǎo)電溝道足夠薄，則位于導(dǎo)電溝道頂部的晶體管柵極的電場(chǎng)會(huì)完全穿透溝道，因此不需要像GAAFETs那樣在所有四個(gè)側(cè)面包圍溝道的柵極結(jié)構(gòu)。

除了FD-SOI襯底之外，F(xiàn)D-SOI fet以類似的方式制造，并且使用與制造平面fet相同的設(shè)備。GAA結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要使用昂貴的EUV光刻技術(shù)來制造所需的小結(jié)構(gòu)。像FinFETs和GAA fet一樣，F(xiàn)D-SOI fet沒有短溝道泄漏問題，并且它們不像GAA fet那樣需要EUV光刻。因此，你可以稱FD-SOI晶體管為“幾乎全柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管”(GAAAFETs)。你可能會(huì)，但沒人會(huì)。

一個(gè)有趣的巧合是，由胡正明博士領(lǐng)導(dǎo)的同一加州大學(xué)伯克利分校團(tuán)隊(duì)在1999年根據(jù)DARPA合同開發(fā)了FinFET，同時(shí)根據(jù)同一DARPA合同開發(fā)了非常類似于FD-SOI FET架構(gòu)的東西。胡把這第二種FET結(jié)構(gòu)稱為UTBSOI(超薄絕緣體上硅)。

與平面MOSFETs相比，F(xiàn)inFETs、GAAFETs和UTBSOI FETs具有許多優(yōu)勢(shì):

• 更好的信號(hào)擺幅

• 對(duì)柵極長(zhǎng)度和漏極電壓不太敏感

• 沒有隨機(jī)的摻雜劑波動(dòng)，因?yàn)镕inFETs鰭片、GAAFETs中的納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電溝道和UTBSOI/FD-SOI fet中的薄導(dǎo)電溝道都是完全耗盡的——它們沒有摻雜

• 較高的導(dǎo)通電流和較低的泄漏

• 更低的Vdd和更低的泄漏，因此功耗更低

在FinFETs或GAAFETs和ut bsoi/FD-SOI fet之間至少有兩個(gè)重要的區(qū)別。首先，在FD-SOI FET的溝道下方添加反向偏置相對(duì)容易，這是通過晶圓上薄絕緣層下方的體硅襯底實(shí)現(xiàn)的。反向偏置允許您調(diào)整FET閾值電壓，調(diào)整性能和功耗。如果你決定變得非常奇特，你可以通過使用每個(gè)晶體管下的硅作為第二個(gè)柵極來調(diào)整芯片上的單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。向FinFETs或GAAFETs添加反向偏置并不容易。第二，相對(duì)于FinFETs或GAAFETs，F(xiàn)D-SOI不會(huì)得到更小的晶體管，因此不會(huì)實(shí)現(xiàn)相同的晶體管密度。這是不需要昂貴的EUV光刻術(shù)的另一面。

FD-SOI處理仍然比傳統(tǒng)的平面IC處理昂貴，因?yàn)樗枰厥獾腇D-SOI晶片。它只是沒有制造小型FinFETs和GAAFETs所需的EUV光刻和其他3D處理技術(shù)昂貴。傳統(tǒng)的IC制造使用比FD-SOI晶片便宜得多的體硅晶片。FD-SOI晶片的主要供應(yīng)商是位于Bernin的Soitec，它就在格勒諾布爾北部意法半導(dǎo)體Crolles fab complex的街道上。

巧合的是，Soitec、GF和ST以及CEA(法國(guó)替代能源和原子能委員會(huì))在今年早些時(shí)候宣布了一項(xiàng)合作協(xié)議，共同定義FD-SOI行業(yè)的下一代路線圖。在該公告中，CEA主席Fran? ois Jacq表示:“CEA與意法半導(dǎo)體、Soitec和GlobalFoundries有著……長(zhǎng)期的R&D深度合作歷史，并且一直非常積極地參與由歐盟委員會(huì)和成員國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的旨在為FD-SOI建立完整生態(tài)系統(tǒng)的倡議，該生態(tài)系統(tǒng)包括材料供應(yīng)商、設(shè)計(jì)公司、EDA工具提供商、無晶圓廠公司和最終用戶?！边@些是構(gòu)成FD-SOI“平臺(tái)”的元素

7月份的ST/GF FD-SOI備忘錄公告還稱，“ST和GF將獲得法國(guó)政府對(duì)新設(shè)施的重大財(cái)政支持。該工廠將為歐洲芯片法案的目標(biāo)做出巨大貢獻(xiàn)，包括歐洲到2030年達(dá)到全球半導(dǎo)體產(chǎn)量20%的目標(biāo)?！边@一聲明是歐洲對(duì)美國(guó)政府的一記猛擊，美國(guó)政府似乎在該國(guó)自己的芯片法案上拖后腿，這讓英特爾和TSMC等公司非常懊惱。然而，美國(guó)參眾兩院上周最終通過了該法案，預(yù)計(jì)美國(guó)總統(tǒng)喬·拜登將于本周簽署該法案使之成為法律。

看來法國(guó)正在大力發(fā)展FD-SOI，如果你不打算從ASML購(gòu)買1.5億美元的EUV踏步機(jī)或下一代3億美元的“高NA”EUV踏步機(jī)，這是一個(gè)不錯(cuò)的戰(zhàn)略。FD-SOI將FinFET和GAAFET的許多優(yōu)點(diǎn)賦予了一個(gè)便宜得多的工藝節(jié)點(diǎn)。GF已經(jīng)提供了兩種FD-SOI工藝節(jié)點(diǎn)或平臺(tái)，稱為RF SOI和22納米FDX22。今年5月，GF發(fā)布了一個(gè)名為GF Connex的RF元平臺(tái)，該平臺(tái)整合了該公司RF SOI、FDX、SiGe和FinFET半導(dǎo)體平臺(tái)的元素，以滿足智能移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的各種通信需求。

就其本身而言，ST目前提供28納米FD-SOI工藝/平臺(tái)。28納米節(jié)點(diǎn)是目前業(yè)內(nèi)最具成本效益的工藝節(jié)點(diǎn)，因此使用該節(jié)點(diǎn)有很多經(jīng)濟(jì)效益。然而，技術(shù)不可避免地在前進(jìn)，Crolles聯(lián)合聲明提到了18納米ST工藝技術(shù)。這似乎與ST的技術(shù)、制造、質(zhì)量和供應(yīng)鏈總裁Orio Bellezza在今年5月題為“技術(shù)與制造”的意法半導(dǎo)體資本市場(chǎng)日演講中討論的嵌入式PCM(非易失性相變存儲(chǔ)器)18納米FD-SOI工藝技術(shù)相同。

ST、GF和CEA的聯(lián)合聲明鞏固了FD-SOI在未來幾十年特定應(yīng)用中作為GAAFETs可行替代品的地位，包括汽車、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)市場(chǎng)中的應(yīng)用。對(duì)于這些應(yīng)用，重要的不是晶體管的數(shù)量；這就是那些晶體管能做的