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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