传统元件结构尺寸已经接近极限,FD-SOI才是出路?

2019-05-22 17:42:50 来源:拓墣产业研究
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为求低功耗、高能效及高性价比之元件,市场逐渐开发出FD-SOI(完全空乏型硅绝缘层金氧半晶体管)结构;而FD-SOI构造主要以SOI晶圆为核心,透过传统Si芯片制程方式,进而以水平式晶体管架构,取代线宽较大(16~12nm)之FinFET元件。
 
进一步分析FD-SOI市占情形,在各厂商相继投入开发资源下,2018年整体元件市场规模达160亿美元,预估2019年整体市场可望达到270亿美元(年增68.6%),后续成长态势也将逐年上扬。
 
技术的发展演进,FD-SOI实现低功耗、高性价比之元件架构
由于半导体发展趋势,使得相同面积下试图填入更多晶体管的想法逐渐受到重视,因此衍生出微缩整体尺寸的构想,而闸极(Gate)尺寸将是微缩重点。以传统Planar元件发展来看,其闸极线宽已微缩至极限,因而需改变元件结构才能因应此要求,而立体构造的FinFET(鳍式场效晶体管)元件就在此时被开发出来。
 
FinFET名称主要由于元件结构以立体方式呈现,且其闸极构造如同鱼鳍一般,竖立于源极(Source)与汲极(Drain)间,作为控制元件的开关。在这样新颖结构下,虽可符合微缩尺寸之需求,但最大问题仍是闸极线宽必须在16nm以下(如12nm、10nm),才能有效控制从源极到汲极间的电流开关。
 
依现行元件发展情形,尽管已从传统的Planar元件推升至FinFET结构,闸极线宽仍存在一段难以使用上的尺寸区,还需有其他元件技术加以补足,而FD-SOI元件结构刚好补上此缺口,实现低功耗、高性价比、制造周期短之元件架构。
 
对于现行技术发展情形,依照所需元件尺寸及功能的不同,可区分为两大阵营:
 
精进于微缩闸极线宽之FinFET制程技术开发(如台积电、Samsung等),试图增加晶体管数量,提升整体元件工作效率;
 
投入FD-SOI制程技术,尝试开发出低功耗、高性价比之功能性元件。尽管两者之历史脉络有所不同、技术上各有千秋,但就元件技术发展趋势评估,两者技术仍将持续发展及并存。
 
 
 
各家大厂投入FD-SOI元件开发,看好后续市场发展
FD-SOI元件技术主要源于一种水平式晶体管结构,透过SOI晶圆(Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate结构)方式,将最上层Si层借由制程、设计以满足所需功能,并作为元件导通层之用;而中间SiO2层,凭借于高阻值之材料特性,隔绝晶体管间不必要的寄生电容,提高元件工作效率,因此在这样的制程条件下,FD-SOI可透过传统Si芯片的机台进行加工,降低开发所需的设备成本。
 
依现行终端产品应用,FD-SOI元件技术将可应用于物联网IoT、车用元件与MEMS(微机电)元件等领域,目前已有Samsung、GlobalFoundries、STM等大厂相继投入制程开发上。
 
虽然这些产品大多可由28nm制程条件下进行量产,但随着技术进步,凭借于闸极线宽逐渐微缩的趋势带动下,将驱使制程条件朝向22nm、12nm目标迈进,甚至进一步跨入10nm制程,从而在相同面积下产生更多元件,大幅提升整体元件效率。
 
观察采用FD-SOI元件的发展现况,从2017年开始,STM已收到Mobileye订单需求,并运用28nm制程制造ADAS芯片;NXP也于2017年起,积极投入i.MX处理器系列的开发,并选择Samsung FD-SOI之28nm制程技术为合作伙伴。
 
另外,GlobalFoundries于2018年取得新创公司Arbe Robotics订单,其FD-SOI元件将使用先进的22nm制程技术,目标打造车用雷达芯片。由此可见,各家厂商在车用芯片领域,使用FD-SOI技术已成为一股风潮,后续仍看好该技术的市场发展。
 
 
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