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【芯视野】FD-SOI的倔强,能否为国产14nm之路打开一扇窗?

来源:爱集微

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08-26 11:17

对部分代工工艺提价8%,和意法半导体(ST)联合宣布在法国新建12英寸晶圆厂,与高通联手在美国本土扩产.......近日,格芯抢媒体头条的力度不输于纯代工厂的同行领头羊台积电。

其中值得关注的各类消息中,格芯与ST建新厂的信息量非常大。官宣内容提到,到2026年,新厂满载的话能达到年产62万片,其中ST和格芯产能分配为42% vs 58%,并且可以充分利用ST另外一座在Crolles晶圆厂的现有设备,并且产品将升级格芯22FDX(即22nm)平台——从22nm演进到18nm;另有报道称,该厂投资约40亿欧元,其中一部分资金来自法国政府的投资,是欧洲《芯片法案》的一部分。

也许,这则新闻最关键的一句话是“扩大和增强FD-SOI技术的产业链和生态圈”。

格芯市场活跃度的提升,以及FD-SOI的不屈和倔强,背后有着怎样的底气?

后28nm时代,FD-SOI的纠结

后28nm时代,在摩尔定律的技术演进路线指引下,逐渐形成了FD-SOI和FinFET(Fin Field Effect Transistor)两条边界清晰的生态圈。

FD-SOI(fully depleted silicon-on-insulator)即全耗尽型绝缘体上硅的平面工艺技术,主要依赖于两项技术创新。首先,在衬底上面制作一个超薄的埋氧层。然后,用一个非常薄的硅膜制作晶体管沟道。因为沟道非常薄,无需对通道进行掺杂工序,耗尽层充满整个沟道区,即全耗尽型晶体管。从结构上看,FD-SOI晶体管的静电特性优于传统体硅技术。埋氧层可以降低源极和漏极之间的寄生电容,还能有效地抑制电子从源极流向漏极,从而大幅降低导致性能下降的漏电流。由于FD-SOI晶体管结构及其超薄绝缘层,偏置电路的效率更高。而且,埋氧层的存在允许施加更高的偏置电压,使晶体管动态控制取得突破性进步。

Bulk vs FD-SOI

FD-SOI的技术特色保证了该技术在低功耗方面有着相当强的市场竞争力,在汹涌澎湃的物联网大潮下,看起来FD-SOI有着相当广阔和美好的市场前景。

2015年,知名半导体技术分析机构semiengineering举办了一个圆桌会谈,会谈嘉宾包括芯原微董事长戴伟民,三星半导体代工营销高级总监 Kelvin Low,新思产品解决方案销售高级总监Mike McAweeney,ST的技术研发副总裁Philippe Magarshack等等,对后28nm时代的技术路线演进和FD-SOI生态圈问题做了深入探讨并交换了意见。

与会者一致认为,在一系列“后28nm时代”的更先进工艺节点上,FD-SOI和FinFET将直接兵戎相见,FD-SOI在保证高性能状态下的低功耗特色将是该技术路线成功的关键,Kelvin Low还专门提到了相应的成本问题。

在他看来,客户对物联网和可穿戴设备等许多其他产品成本的高度敏感性,很可能让FinFET无法做到更深层的市场渗透。Philippe Magarshack在会谈中还表示,公司已经为FD-SOI朝向14nm做了大量的准备工作,三星当时也在加大力度研发28nm的FD-SOI技术,未来向14-10nm工艺迁移的过程中,完全有可能继续拥抱这一技术路线。

如果时间节点拉回到2016年,面对研发和资本投入成本呈指数级别增长的情况,众多代工厂的客户群正在面临一场重大抉择。当时,众多Fabless公司都表示采用FinFET技术的成本太高,而且模拟和混合信号设计不太需要FinFET。当时,16nm/14nm芯片的平均设计成本约为8000万美元,而28nm平面技术(以Bulk CMOS为代表)的平均设计成本为3000万美元。当时美国知名通信媒体(主做机顶盒、数字媒体适配器)类芯片设计公司 Sigma Designs就表示,综合考虑到产品的性能、功耗、上市周期等等,他们不会走FinFET路线。对于很多主打物联网和射频芯片的公司来讲,28nm成为了当时性价比最高的开发平台,直至今日,28nm依然是最有代表性的成熟工艺节点,已经成了各家代工厂激烈厮杀的主战场之一。

在把时间节点拉长到更远,半导体行业的下游客户已经习惯了每个工艺节点的迁移都大约能带来30%的成本优化,但是在后28nm时代,因193nm波长的光刻技术、EDA工具等一系列因素,成本优化度被研发成本严重吞噬,除了FPGA、CPU和GPU等要求高算力的领域选择16nm/14nm的FinFET之外,很大比例的模拟集成电路的代工客户将长期驻足在28nm节点上。

以事后之见来看,FinFET显然是一大赢家,尤其在10nm之后活力满满,近乎形成了赢者通吃的局面。反观FD-SOI,地盘在缩小,但也没有输的一败涂地。

而给与FD-SOI技术进一步向22nm进发以重大打击的并不是FinFET,而是台积电采用的传统Bulk CMOS技术——在28nm节点可谓大获全胜。

那么,为何FD-SOI生态圈始终无法规模性扩大?

成本,还是成本

FD-SOI的一大卖点就是良好地解决了随机参杂分布(random dopant fluctuation, RDF)与短通道效应(short channel effect, SCE)问题,在低功耗方面有着突出表现,台积电也当仁不让,针锋相对地推出了28ULP CMOS低功耗技术,但SOI晶圆的成本要明显高出Bulk晶圆,这一问题始终困扰着FD-SOI生态圈的拓展。

六七年来,虽然格芯联手ST,NXP等,不遗余力地断拉三星、索尼、瑞萨等“入群”,但在28nm工艺节点上,台积电在生态圈和技术成熟度上始终领先ST和格芯好几个身位。生态圈的大小,直接决定了晶圆产能的大小,而晶圆产能则直接决定了成本控制。

在raw wafer上本来就处于明显劣势的FD-SOI,由于无法持续走量,成本居高不下,抵消了研发成本的上涨,让FD-SOI的产业生态与技术拓展始终处在温饱有余而小康不足的层面上。

对此,全球知名半导体咨询机构某高级分析师就这几年来FD-SOI技术走向和生态问题,向集微网做了较为全面的剖析。他有一个总的判断,认为到目前为止,FD-SOI技术算不上特别成功:“FD-SOI技术路线下,法国的Soitec公司制造的raw wafer,一个月的产能28nm和22nm加起来向全球供货也不过3万片而已。而台积电的Bulk CMOS 28nm的量,一个月就超过了15万片。直到今天为止,FD-SOI的整个产业圈依然还是集中在格芯、ST和NXP等少数厂家,这个集群比起以台积电、英特尔、AMD、等另一种技术路线的圈子,规模和需求都要小的多,最根本的原因,是台积电的28nm做的实在是太成功了,再加上联电和中芯国际的28nm也都相当出色,这个领域的产能已经杀成了红海。”

该分析师还着重提到,由于FD-SOI的规模化经营有限,导致其晶圆成本一直降不下来:“现在Soitec用SmartCut(注氢剥离技术)做出来的一片12寸晶圆要卖到500美元,最高的时候可以达到800美元,而另一方如果以外延片为主,一片的价格是150美元,对比下来,每一块晶圆,Soitec和格芯都要承受350美元的成本差,用FD-SOI能做的,台积电不用FD-SOI全部都做得到,价格还更便宜。

该分析师指出,从技术的角度看,FD-SOI的特色在于“FD”(Full Depleted耗尽层充满整个沟道区),然而前沿技术节点下的FinFET和其升级版GAA同样已经做到了FD;从市场投入的角度看,格芯与ST这次新建工厂的资本投入,即便在法国政府和“欧洲半导体芯片法案”的加持之下(路透社报道总投资暂定为42亿欧元),也完全无法和头号代工巨头台积电相拮抗。

该分析师算了这样一笔账:“在28nm的平台上,台积电如果每个月产出1000片晶圆,需要投入1亿美元,如果月产能是4万片,需投入40亿美元;但如果把节点推进到7nm,那平摊到每块晶圆的投入资金要翻倍。从格芯新厂所需的资金推算,也大致能看到他们的产能是多少。”

吃到缺芯红利的格芯

由此可见,FD-SOI狭窄而略显逼仄的生态圈,让其生产成本成为了“阿基里斯之踵”。

但目前种种迹象显示,格芯、ST与研究机构Leti构筑的以法国为中心的FD-SOI生态圈,不但没有因客户拓展缓慢而自我消磨,反而有稳中有升的起势趋向,其中一个重要原因,是吃到了全球半导体产能紧缺的红利。

缺芯大潮之下,以台积电为首的东亚代工圈和众多美国IDM厂商的策略性屯货,让芯片交付时间不断拉长,反而给了一度被冷落的格芯SOI以扩产的机会。

近日,格芯与高通加强在RF-SOI方面的合作,在美国东海岸扩产,以及主做蓝牙芯片北欧半导体不满台积电拉长交货时间,转而投靠格芯,这两则新闻可以说是格芯稳住代工市场份额,徐图再进的明证。

除了“缺芯红利”这一因素之外,格芯CEO Tom Caulfield还敏锐地抓住了资本市场的热度,把在纳斯达克上市的机会巧妙和欧洲和美国的芯片法案的出台贴合起来,下出了一步好棋。

格芯和ST公开的新闻通稿显示,双方这次合作将从22nm平台向18nm迁移,对此该分析师告诉集微网:“这些工艺节点数字,很可能只是个市场营销的噱头,从FD本身的技术以及从客户的角度看,继续向14nm迁移也不是那么有必要,毕竟FinFET已经在10nm以下早就建立了良好的生态。”

中国大陆的机会?

但无可否认的是,FD-SOI技术从22nm到五年前业界看好的宏伟目标——10nm演进,会带动整个相应的IP设计、晶圆前端设备的配套性研发的推进。FD-SOI的不屈和倔强,丰富了技术生态路线,并且有可能为中国大陆向前沿节点进发提供了另一种可能。

在美国不断加大对华设备、EDA卡脖子力度的大背景下,这一技术路线目前可谓被赋予更深层次的意义。

芯原股份创始人、董事长兼总裁戴伟民是国内半导体产业玩家中推崇FD-SOI技术的典型代表。他认为FD-SOI是中国大陆Fabless“换道超车”的机会,有望率先在图像传感器、ISP、物联网芯片市场落地,在他看来:“IoT与AI时代需用FinFET和FD-SOI两条腿走路。FinFET是大量数字芯片,多数时候具有高性能,FD-SOI的特性是低功耗和高集成。”

2015年上海FD-SOI论坛,左二为戴伟民

从地缘政治上讲,FD-SOI“朋友圈”的大本营在欧洲的法国,法国的半导体产业有着另类的独立性。该资深分析师也承认,在未来,FD-SOI产业生态完全有可能朝着对华合作的方向靠拢。

集微网之前曾刊发《隐秘的国有化之路:法国Soitec更换CEO背后的玄机》一文,对国内硅片生产商沪硅产业和Soitec微妙的竞合关系的做过阐述。文中提到,沪硅集团掌握了拥有自主知识产权的SIMOX、Bonding、Simbond等先进的SOI硅片制造技术,并通过Soitec授权方式掌握了Smart-Cut TMSOI硅片制造技术。沪硅产业某高管对集微网谈到:“我们不是没有技术,而是因为市场生态原因才选择与法国人合作,这是一种借船出海或者借鸡生蛋策略。法国人想把我们纳入到他们的工业体系中去,这涉及到技术授权,在这个基础上,双方可以共享中法两个大国的市场。”

结语

FD-SOI技术路线在28nm之后进展并不顺利,客户群和生态圈不断被擂台的另一方台积电、英特尔等蚕食鲸吞,但近年来因一系列内外复杂因素,如晶圆产能缺货、美国“芯片民族主义”的影响,格芯和ST抓住时机,找到了为FD-SOI重整旗鼓的最佳窗口期,这个窗口期对国内半导体产业来讲同样有重大意义,未必不是突破美国14nm“卡脖子”的一种可行性方案。从“以美为师”到“以法为师”,围绕这一主题,加强FD-SOI技术路线的IP设计研发以及上游材料、设备的资金投入的可行性,亟待行业大咖做更深入的研究。(校对/陈兴华)


责编: 刘燚

武守哲

作者

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