低功耗、增强射频和嵌入式内存技术成半导体增长驱动力?台积电工艺节点路线图透露重要信息

2018-05-18 08:46:43 来源:EEFOCUS
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近日在台积电2018年度技术研讨会上,台积电业务发展副总裁Kevin Zhang博士介绍了台积电在物联网平台上的技术进展。自1980年以来,全球半导体业务在PC、笔记本电脑、功能机、智能手机到物联网的推动下不断增长,成为台积电发展壮大的动力来源,如今,低功耗、增强射频嵌入式内存技术(MRAM/RRAM)成为台积电新的三大增长推动因素。2017-2022年期间,物联网市场预计将以24%的年复合增长率成长,到2022年,物联网终端设备出货量预计可达62亿部。


用于物联网连接的射频技术
随着制造工艺从180nm eLL/90nm uLP → 55/40 ulP → 22 ULP/ULL → 12 FFC的演变,功耗不断降低,从而促进了物联网技术的创新。同时,人工智能(AI)让语音和视觉智能变成现实。语音、AI、音频分析、环视传感器和监测等许多应用都需要低功耗技术。先进的低功耗技术、嵌入式SRAM uLL、连接性、射频和先进eNVM成为物联网和AI推动迈向智慧社会的支柱。

 


目前的22ULP/ULL产品建立在台积电出色的28HPC+工艺之上,台积电充分发挥了N28芯片特性和设计生态系统。

相比较而言,22ULP工艺实现了超过20%的功耗下降,速度提升幅度超过10%,面积节约了10%。同时,它包括光学缩小幅度为5%的uLL器件和SRAM,和一个完整的平台。22ULL则具有三栅极氧化层(TGO)eHVT、ULL SRAM和eMRAM/RRAM,与v0.9版的SPICE和PDK规范有良好的相关性。

台积电还引入了温度传感器以实现更低的Vret,并降低保留漏电(每个cell 1.9pA)。额定电压进一步降低为0.8v,甚至可以达到惊人的0.6v,这个电压水平很接近需要引入近Vt签署流程和更宽范围模型的阈值。

为了支持0.6v VDD额定电压,需要满足以下条件:
- SPICE:将芯片覆盖范围扩展到0.6v以下,更好地进行失配和1/f相关的模拟设计;
- Stdcell:更多特性覆盖(西格玛调整);
- SRAM:允许双轨电压的编译器(逻辑阵列为0.8v,外设为0.6v);
- 签署:先进的签署方法。


射频技术路线图
如果收发器的工作频率低于6Ghz,工艺的演进路线将从28nm(28LP RF)向高端产品的16nm / 12nm FFC-RF或主流产品的22ULP-RF演变。而在需要超过24Ghz频率的毫米波应用中,工艺将从28HPC演变为22ULP/ULL-RF。射频前端仍然采用130nm RF工艺。

 


22ULP/ULL RF增强包括:增加新RF器件的单位增益频率,大幅降低1/f噪声,提高无源器件的密度(R/C,电阻率提高2倍),增强模拟增益和匹配,推出新的6.5v高压器件。

此外,还包括实现最佳物联网连接性能的出色过滤失配和闪烁噪声的滤波器。在保持晶体管性能的同时将LNA功率降低大约2倍。毫米波表征能力覆盖区间为25→50→110 Ghz。

MRAM/RRAM是替代传统eNVM的新兴存储器。Kevin Zhang详细阐述了这些技术并进行了比较:MRAM利用磁性隧道结来移动偶极子(自旋),从而改变电阻,进而改变逻辑值。RRAM使用导电丝的连接和断裂来修改存储单元的电阻。从成本的角度来看,eFlash最贵,MRAM次之,RRAM成本最低。而且,分析显示,RRAM在高温下经过10年100万次周期后具有最佳的保留时间。


有关16/12FFC_RF工艺的其他详细信息
台积电业务发展副总裁BJ Woo博士详细介绍了6Ghz以下的应用。台积电为5G毫米波应用提供了16/12FFC-RF和22ULP射频工艺,与之前的28LP射频工艺相比,速度提升明显。

下面的图表说明了5G所需的开关器件和低噪声放大器的进化趋势。

 


迄今为止,台积电采用这种工艺已经出货了超过10万片晶圆出厂,覆盖了超过170种设计,提供了最佳的均匀性控制和循环时间。

台积电汽车和MCU业务发展总监Lin Cheng-Ming博士回顾了目前汽车市场的状况,以及由用于ADAS的先进逻辑技术解决方案和和汽车芯片推动的大趋势。他指出,2017-2022年汽车行业的复合年增长率为7.1%,其中,2.3%是由汽车销售量的增长推动的(从9600万辆到1.07亿辆),更多的4.8%则是由硅片的增长贡献的。

 


他进一步分析了各个板块的增长情况,并指出,信息娱乐和数字驾驶舱这些绿色应用贡献了15%,安全相关的环境/视觉传感器、安全气囊占19%,智能(AI)相关占9%,所有这些都是自主驾驶等级从目前的Level 3向Level 4(2020年)进化所必须的,并最终在2022年实现完全自主(通过人工智能技术的进化)。

有三个重点的增长驱动因素:传感器(相机、激光雷达、雷达、超声波),先进工艺和执行器(MCU)。比如,从单通道通信向多通道通信的转换,实现5G通信和创新服务,将汽车与世界建立连接的毫米波覆盖。

为了满足“绿色”要求,需求也在增加:
更短的充电时间:充电速度从0.5小时-8小时→0.25小时。
更少的二氧化碳排放量:从每公里130g→95g。
充电成本:从每千克250美金→100美金。


除此之外,还需要擦写次数可到10年内10万次、主频为100Mhz的MCU(eflash),低导通电阻,BCD功率70-200v的嵌入式非易失性存储器、从IGBT转移到导通电阻更低的SiC / GaN,从而实现更佳的离散功率。

工艺的演变路径为从面向绿色应用的28nm(2015年),到使用16nm工艺(2017年),利用ADAS和机器学习实现部分自主驾驶,最终采用7nm工艺(2020年),利用深度学习实现高度自主驾驶。


16FFC/N7汽车生态系统
强大的16FFC技术可实现低至0.75V的Vcc,并保证足够的余量,同时实现了DPPM的快速降低,,工艺和基础IP、150C SPICE/老化模型的自动1级认证,符合IP9000A规范和ISO26262安全标准。N7 PPA可靠性很高,密度提升3倍,功耗改善65%,速度提升幅度超过35%,2019年第二季度可用,目前已经有超过10家客户参与N16/N7。

在RF技术领域,16FFC支持6Ghz以下频段,28HPC + / 22ULL支持(5G)mmWave。 eFlash(MCU)满足绿色、安全和智能要求,其工艺迁移路径为55nm→40nm→28nm,5年内年复合增长率>40%,12英寸晶圆出货量将超过100万片。首批28纳米eflash MCU样品已经初步应用到汽车行业,并于2019年上半年达到成熟良率。


汽车技术的其它进展
采用MRAM,可以实现出色的数据保存,擦除次数大于100万次。目前正在进行汽车可行性研究,今年下半年将提供更多数据,可能在明年发布正式报告。

汽车CIS应用(图像/LiDAR,在所有驾驶条件下支持和解决物体视觉问题)、高动态范围(HDR)、全局快门、高量子效率的近红外(NIR)传感器。

用于执行器/ PMIC的汽车BCD和氮化镓0.18和0.13um解决方案;从0.18BCD SOI转换到N55 BCD +支持70-200v特性的SOI上eflash。


汽车技术路线图
设计实现需要进行以0ppm为可靠性目标的工艺验证。在汽车行业内,TDDB(时间相关介电击穿)的测试最为严格,导致台积电在早期遇到了麻烦,但最终成功通过了N7 TDDB测试,而且达到超出规格的水平。台积电目前的ASP(汽车服务套餐)中已经包含了TDDB测试(失败率为远远小于0.1%),而下半年计划推出的ASP 2.0(称为“LZ2.0”)还包括早期检测和异常晶圆处置。

16FFC先进逻辑工艺 - 目前16nm工艺已经量产,N7汽车工艺预计将于2019年第二季度流片。台积电的晶圆厂已经通过了IATF-16949(汽车行业质量管理体系)和ISO-14001(有效环境管理体系)认证。

台积电在物联网和汽车技术产品方面均取得了重大进展 - 尽管面临诸多认证障碍,台积电已经在密度、功耗和性能方面缩小了数字和混合信号设计之间的差距。与其他细分市场(高性能计算、移动设备)类似,台积电善于从成熟的工艺节点吸取经验教训,并用于推动新工艺开发进程,直到遇到下一个重要的技术十字路口。

 

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