各大晶圓廠積極尋求差異化，BulkCMOS、FD－SOI和FinFET隨時待命，不過問題在于，在28nm之后，芯片制造商將走向何方？
一兩年前，各大晶圓廠推出了新的22nm工藝，現(xiàn)在他們正在加緊準備量產(chǎn)并打算較量一番。
格羅方德、英特爾、臺積電和聯(lián)華電子正在開發(fā)22nm工藝或擴大他們在22nm上的戰(zhàn)果，一系列跡象表明，該節(jié)點可以在汽車、物聯(lián)網(wǎng)和無線通信等應(yīng)用上攬下大量業(yè)務(wù)，產(chǎn)生大量營收。不過，因為各大代工廠提供的22nm工藝有諸多差別，代工廠的客戶們需要面臨一些艱難選擇，而且，有的工藝并沒有完整的EDA工具或IP的支持。
盡管如此，出于多種原因，代工廠們并沒有放緩?fù)苿?2nm工藝的步伐。首先，歷經(jīng)多年增長之后，28nm工藝首度面臨增長放緩和產(chǎn)能過剩的困擾，在這種背景之下，制造商們將目光投向22nm，寄望它可以接力28nm，產(chǎn)生大量新營收。
圖1FinFET與Planar
此外，22nm給代工客戶提供了新的選擇。目前，許多使用28nm及更高工藝尺寸的客戶正在考慮轉(zhuǎn)向16nm／14nm和更低尺寸的工藝，但是由于這些先進工藝僅限于FinFET晶體管，其成本比傳統(tǒng)的平面晶體管更高昂。
所以，對于現(xiàn)在使用28nm及更高工藝尺寸的代工客戶而言，22nm是一個很有吸引力的選項。它不僅可以提供比28nm更優(yōu)異的性能，還比16nm／14nm和更低工藝尺寸的FinFET便宜。
但是，各個代工廠提供的22nm工藝可能大不相同?，F(xiàn)在的22nm技術(shù)主要有三種版本：
臺積電和聯(lián)華電子正在開發(fā)22nm平面體CMOS工藝。
格羅方德正準備量產(chǎn)22nm平面FD－SOI技術(shù)。
英特爾推出的是低功耗22nmFinFET技術(shù)。
除此之外，還有三星正在開發(fā)的一種18nm平面FD－SOI技術(shù)，不管是22nm還是18nm，他們面向的都是同樣的客戶群體，這意味著代工廠在22nm上的大戰(zhàn)一觸即發(fā)。
“22nm會成為下一個廣受歡迎的成熟節(jié)點嗎？我認為是的，”Arm物理設(shè)計事業(yè)部營銷副總裁KelvinLow表示，他也是代工行業(yè)的資深專家，“我并不認為市場上最終只有一個贏家，因為客戶們的設(shè)計考慮各不相同，這些22nm技術(shù)都能找到自己的用武之地。”
當然，22nm和18nm并不適用于所有應(yīng)用。就像之前那樣，客戶可以選擇停留在28nm或更老的工藝上，也可以跳過22nm和18nm，直接采用16／14nm和更先進的工藝。工藝選擇取決于應(yīng)用類型，還要考慮功耗、性能、面積、交付時間、成本等傳統(tǒng)指標。
為了幫助半導(dǎo)體行業(yè)客戶加深了解，本文介紹一下各項22nm工藝及其供應(yīng)商的發(fā)展動態(tài)。
BulkCMOS
現(xiàn)在，有的人把22nm視為一個獨立市場區(qū)段，但是有的人則認為22nm可以被歸到28nm這個大類里面。
國際商業(yè)戰(zhàn)略（IBS）是一家研究公司，它把28nm、22nm、20nm和18nm這四個節(jié)點歸為同一類。根據(jù)IBS的預(yù)測，2018年這類工藝的市場規(guī)模將達到115億美元，同比2017年下降2．8％，22nm市場2019年預(yù)計僅增長0．6％，但隨后將開始自己波瀾壯闊的增長步伐。
在這個大類中，28nm體量最大，根據(jù)IBS的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年28nm晶圓代工市場規(guī)模達100億美元，2018年持平，并受到了產(chǎn)能過剩的困擾。一方面，有一部分28nm客戶正在向更高級的工藝節(jié)點遷移，帶走了一部分業(yè)務(wù)，另一方面，中國正在大張旗鼓地建設(shè)更多28nm晶圓產(chǎn)能，更加加劇了這個市場的困境。
對28nm而言更加雪上加霜的是，22nm將開始蠶食28nm工藝的市場?！?018年，22nm的晶圓代工體量僅為28nm的十分之一，”IBS首席執(zhí)行官HandelJones說?！案鶕?jù)我們的推斷，隨著時間的推移，22nm將成為下一個大塊頭節(jié)點。”
在22nm上，平面型BulkCMOS、FD－SOI和finFET是眾所周知的三種主要技術(shù)選項，其中，BulkCMOS多年來一直都是芯片產(chǎn)業(yè)的中流砥柱，因此也更廣為人熟知。CMOS可以被用在平面型和finFET晶體管上，而FD－SOI使用專用的絕緣體上硅晶片，其在襯底中包含薄絕緣層。
這三種技術(shù)各有優(yōu)劣。其中，BulkCMOS成本最低，但是2DCMOS晶體管最容易漏電，這也是finFET橫空出世的主要原因之一。芯片制造商可以通過控制漏電提高時鐘頻率，但是速度和動態(tài)功率密度必須相平衡。FD－SOI使用平面型工藝，增加了體偏置來控制漏電和功耗，并取得了和時鐘頻率的平衡。但是，他們的缺點是都比BulkCMOS更昂貴。
所有這些22nm工藝都旨在贏得無需多重圖案化工藝步驟的新業(yè)務(wù)，多重圖案化不僅耗時，而且會增加成本，28nm有效地平衡了應(yīng)用的性能和成本，因此，自2011年推出以來迅速成為許多先進IC設(shè)計的最佳選擇。
根據(jù)IBS的數(shù)據(jù)，28nm平面型器件的平均設(shè)計成本為5130萬美元，而16／14nm芯片的平均設(shè)計成本則為1．063億美元。因此，盡管格羅方德、臺積電、UMC和其它公司提供了更先進的16／14nmfinFET，大多數(shù)設(shè)計仍然堅持使用更老舊的節(jié)點。
圖2IC設(shè)計成本增加
“當你使用finFET時，掩膜和設(shè)計成本都會大幅增加，”IBS的Jones說?！癋inFET對數(shù)字電路很友好，但是很難用它做射頻，混合信號也是一個挑戰(zhàn)?！?/p>
FinFET是高性能應(yīng)用的理想選擇，但這種工藝在其他方面受到一些限制，比如它很難集成RF和模擬電路。所以，為了填補這種市場空白，各大代工廠開始開發(fā)22nm。對于那些需要比28nm性能更高，但是不需要或者不能承受16／14nm或更先進工藝的高成本的客戶而言，22nm提供了一個很好的中間選擇。
22nm是物聯(lián)網(wǎng)、混合信號和射頻器件的理想選擇。IBS聲稱，22nm比16nm／14nm更便宜，22nm器件的平均IC設(shè)計成本為7030萬美元，介于28nm和16／14nm之間。
聯(lián)華電子營銷總監(jiān)JohnChen表示，“我們預(yù)計22nm的生命周期將會很長，而且產(chǎn)量客觀?？蛻舨恍枰苯訌?8nm遷移到14nmfinFET，22nm提供了一個極具吸引力的超低漏電工藝選項，以供客戶從現(xiàn)有的28nm設(shè)計中遷移過來。在掩模和設(shè)計成本上，22nm也優(yōu)于14nm?！?/p>
對于那些采用65nm、55nm和40nm設(shè)計的芯片制造商而言，22nm提供了相對輕松的升級途徑，這些設(shè)計對成本敏感。“當這波老工藝的產(chǎn)品遷移到下一個節(jié)點時，將會對22nm產(chǎn)生很大的推動作用，”Arm的Low說?！爱敵杀竞线m、IP可用時，22nm市場將會真正爆發(fā)。”
在這些22nm技術(shù)中，臺積電和聯(lián)華電子開發(fā)的平面型BulkCMOS基本上是28nm平面型BulkCMOS技術(shù)的縮小版。與28nm一樣，它采用高k／金屬柵極、銅互連和低k電介質(zhì)。
這種縮放方案有優(yōu)點也有缺點。好的方面是，它是從28nm直接縮放而來，芯片制造商可以繼承使用相同的設(shè)備和工藝流程。壞的方面則是，當工藝尺寸接近20nm時，Bulk技術(shù)會受到短溝道效應(yīng)的影響，它會降低器件中的亞閾值斜率或關(guān)斷特性。
在傳統(tǒng)晶體管中，柵極下方的溝道區(qū)域耗盡了移動電荷，使摻雜劑原子離子化?！伴撝惦妷菏怯蛇@些原子里的電荷和柵極功函數(shù)決定的。耗盡區(qū)的深度控制靜電泄露特性。耗盡區(qū)域下方是帶有大量移動載體的中性硅?！盜BM的半導(dǎo)體專家TerryHook解釋道。
但隨著工藝尺寸的降低，BulkCMOS晶體管容易出現(xiàn)被稱為隨機摻雜劑波動的現(xiàn)象。簡單來說，這會引起通道中摻雜劑原子的變化。結(jié)果，BulkCMOS晶體管的執(zhí)行可以偏離其標稱行為，并且還可以在閾值電壓方面產(chǎn)生隨機差異。
“Bulk平面晶體管技術(shù)受到大量隨機摻雜劑波動的限制，摻雜劑波動的波動是先進節(jié)點晶體管不匹配和變化的主要原因?！备窳_方德產(chǎn)品線管理高級主管JamieSchaeffer在最近的一段視頻中說。
解決摻雜劑波動問題的一種方法是轉(zhuǎn)向完全耗盡型晶體管類型，如FD－SOI和finFET?！霸趂inFET和FD－SOI中，溝道摻雜劑的波動問題基本不存在，晶體管可以一次性進行匹配?！毙酒瑢＜襀ook說。
不過，臺積電和聯(lián)華電子這兩家代工廠商決定將BulkCMOS的極限推進到22nm。盡管存在一些挑戰(zhàn)，22nmBulkCMOS也有很大優(yōu)勢。
“一些客戶正在從28nm遷移到22nm上，以獲得密度／速度／功耗上的提升。臺積電預(yù)計將會有20％左右的28nm客戶選擇22nm?！盙artner分析師SamuelWang表示。“FD－SOI適用于低功耗的利基型應(yīng)用。22nmbulk是廣受歡迎的28nm的縮小版本，大多數(shù)設(shè)計人員已經(jīng)習(xí)慣了28nm的設(shè)計方法，而且擁有更廣泛的物理IP?！?/p>
與此同時，臺積電最近公布了其先前宣布的22nm技術(shù)的更多細節(jié)，該技術(shù)涉及兩個工藝平臺。第一種工藝是22nm超低功耗（ULP），適用于需要更高性能的低功耗應(yīng)用，第二種工藝是22nm超低泄漏（ULL），適用于超低功耗器件。
“物聯(lián)網(wǎng)和射頻／模擬器件的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，”臺積電研發(fā)副總裁CliffHou表示?！耙豁椉夹g(shù)很難覆蓋這兩種應(yīng)用，這也是為什么我們單獨優(yōu)化出兩個工藝平臺的原因。”
22nmULP的工作電壓為0．8至0．9伏，臺積電透露了22nmULL的新規(guī)格，其工作電壓為0．6伏，該版本將于2019年4月上市。
除技術(shù)規(guī)格外，代工廠的客戶們還必須檢查對一項工藝是否存在EDA工具和IP支持。由于有些代工廠在22nm上會提供比其它代工廠更多的EDA／IP支持，這讓客戶們的選擇更加棘手了。
代工廠依賴第三方EDA工具。對于一項給定的工藝，代工廠開發(fā)了一些自己的IP，但它們也依賴于第三方IP。EDA供應(yīng)商和IP技術(shù)的可選擇范圍很廣。不過，臺積電在22nm上開發(fā)的一個主要IP標志著它的22nm工藝可以用在嵌入式MRAM和電阻RAM器件上。
嵌入式存儲器集成在微控制器（MCU）中。MCU使用NorFlash閃存用于嵌入式存儲器應(yīng)用，例如代碼存儲。
然而，NorFlash很難擴展到28nm以下，這就催生了MRAM和RRAM這樣的下一代存儲器技術(shù)。這些新的存儲器類型既能達到SRAM的速度，又實現(xiàn)了閃存的非易失性以及無限的耐用性。
盡管如此，Microchip仍然計劃將其名為SuperFlash的嵌入式閃存技術(shù)擴展至22nm?！爱斘覀冊?8nm工藝上驗證了SuperFlash技術(shù)，我們就將它遷移到FD－SOI和／或22nm技術(shù)上，”Microchip的子公司SiliconStorageTechnology（SST）營銷總監(jiān)VipinTiwari表示。“由于22nm是28nm的縮小節(jié)點，因此，只要SuperFlash在28nm上得到成功應(yīng)用，它就很可能在22nm節(jié)點上找到用武之地。eMRAM和SuperFlash技術(shù)可以共存，具體取決于最終應(yīng)用?！?/p>
另外，在第三方IP方面，Arm已經(jīng)為臺積電的22nm工藝開發(fā)了標準單元庫、通用IO和存儲器編譯器等物理IP。
在EDA方面，大型EDA供應(yīng)商也支持臺積電的22nm技術(shù)。西門子子公司Mentor公司產(chǎn)品營銷總監(jiān)MichaelWhite說：“因為各個代工廠的22nm工藝在光刻的實現(xiàn)方式和能提供多少DFM支持上存
在細微差別，我們對它們的支持工具也有所不同。需要重點注意的是，由于22nm是一個新的節(jié)點變體，golden簽核和后續(xù)工具可能始終存在滯后風(fēng)險和質(zhì)量差異。無晶圓廠客戶希望使用行業(yè)golden簽核工具，要么就要在流片時承擔(dān)更高的風(fēng)險?！?/p>
聯(lián)電也在開發(fā)22nmbulkCMOS工藝?！奥?lián)電現(xiàn)在正在為自家的22nm工藝確定最終版本的客戶規(guī)格，我們預(yù)計將在2020年將22nm投產(chǎn)，”聯(lián)華電子的Chen說?！昂?8nm工藝相比，22nm這個工藝節(jié)點對性能和功耗進行了優(yōu)化，面積節(jié)約了10％左右，超低功耗，支持RF和毫米波。聯(lián)華電子的22nm平臺將成為一種經(jīng)濟高效的解決方案，拓展了平面型高k／金屬柵極技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，可用在移動（5G和其它無線標準）、物聯(lián)網(wǎng)和汽車等行業(yè)?！?/p>
格羅方德是最早發(fā)力22nm工藝的晶圓廠。三年前，格羅方德推出了22nmFD－SOI技術(shù)，后來，三星也開始提供28nmFD－SOI，并正在研究18nm版本的FD－SOI工藝。
此外，格羅方德正在開發(fā)一種平面類型的12nmFD－SOI，預(yù)計將在2022年上市。通常來講，22nm或18nmFD－SOI不會直接與16nm／14nm展開競爭，它們服務(wù)于不同的目標市場，基本上不會有所重疊。
FD－SOI使用一種專用的SOI晶圓，它在襯底中集成了一層薄薄的絕緣層（厚度在20nm到25nm之間），該絕緣層將晶體管和襯底相隔離，從而防止了器件中的漏電。
FD－SOI也是一種平面完全耗盡型架構(gòu)?！斑@就在基本上消除了摻雜劑的隨機波動，從而改善了匹配、漏電以及相應(yīng)的亞閾值斜率?！备窳_方德的Schaeffer說。
圖3Bulk與FD－SOI
格羅方德的22nmFD－SOI技術(shù)被稱為22FDX，它在通道中集成了高k／金屬柵極和硅鍺。與28nm相比，它的性能提高了30％，功耗降低了45％。這項技術(shù)已經(jīng)于2017年初通過了生產(chǎn)資格驗證。
最近，格羅方德為其22FDX工藝增加了更多功能。“這項工藝在sub－6GHzRF、毫米波、超低漏電、超低功耗方面都通過了驗證?！盨chaeffer說。
FD－SOI有兩項特征很有吸引力－低功耗和體偏置。它可以在0．8v工作電壓下實現(xiàn)910μA／μm（856μA／μm）的低功耗，工作電壓可以降到0．4v。
“體偏置技術(shù)通過極化晶體管的背部柵極完全地動態(tài)控制晶體管的閾值電壓（Vth），Vth是一個只能通過復(fù)雜的催化劑技術(shù)確定的參數(shù)，現(xiàn)在可以通過軟件動態(tài)編程?！盨oitec產(chǎn)品營銷經(jīng)理ManuelSellier說?！霸O(shè)計人員可以利用這個能力動態(tài)管理電路中的漏電，并有效補償靜態(tài)和動態(tài)變化（溫度、電壓和老化），它可以實現(xiàn)4－7倍的能效提升?！?/p>
FD－SOI還支持前向體偏置。根據(jù)意法半導(dǎo)體的說法，當襯底進行正向極化時，晶體管的開關(guān)速度可以更快。
但是，F(xiàn)D－SOI也有三個明顯的缺陷－成本、生態(tài)系統(tǒng)和采用率。多年來，F(xiàn)D－SOI一直沒有得到大規(guī)模應(yīng)用，英特爾、臺積電、聯(lián)華電子等巨頭從未使用過FD－SOI技術(shù)，它們聲稱bulkCMOS可以在更低的成本上制造高性能器件。比如，SOI晶圓的售價為每片370－400美元，而bulkCMOS晶圓的售價僅為每片100－120美元。
不過，F(xiàn)D－SOI可以降低掩膜數(shù)量，這可以在一定程度上補償晶圓成本。根據(jù)IBS的數(shù)據(jù)，F(xiàn)D－SOI的掩膜數(shù)量為22－24個，而具有可比性的bulkCMOS工藝的掩膜步驟達27－29個。
FD－SOI也在縮小和bulkCMOS的綜合差距。“我們現(xiàn)在正在考察bulkCMOS的限制，”IBS的Jones說。“22nmFD－SOI的晶體管成本比22nmHKMG（高k／金屬柵極）高出不到5％，但是其功耗降低了30％－50％，這種功耗優(yōu)勢對可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備非常重要。”
盡管如此，F(xiàn)D－SOI社區(qū)在EDA／IP生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)方面也落后于bulkCMOS?！?2nmFD－SOI的IP生態(tài)系統(tǒng)當然也在加強，但22nmHKMGbulkCMOS的IP生態(tài)系統(tǒng)更加廣泛?！盝ones說。
局面也許正在轉(zhuǎn)變，Cadence、Mentor和Synopsys已針對格羅方德的FD－SOI技術(shù)認證了各種EDA工具。
“FD－SOI有一些其它工藝很難集成的獨特RF功能。”Mentor總裁兼首席執(zhí)行官WallyRhines表示。
FD－SOI也有一些其它的優(yōu)勢。“盡管FinFET幾乎沒有靜態(tài)泄露，但是還有動態(tài)功率指標，F(xiàn)D－SOI工藝的一個優(yōu)點就體現(xiàn)在動態(tài)功率上。如果你可以將電壓從1v降低到0．6v，功耗就會降低65％。FD－SOI在動態(tài)改變功率和性能平衡上具有一定優(yōu)勢。”Rhines說。
其它工藝選擇
去年，英特爾推出了22nmFinFET技術(shù)的低功耗版本，但是英特爾自此就沒了動靜。不過，英特爾計劃在即將舉行的IEDM活動上，發(fā)表一篇關(guān)于22nm嵌入式MRAM技術(shù)的論文。
22nm工藝動靜不斷，但目前尚不清楚它的市場到底有多大，也很難預(yù)測哪種技術(shù)會占上風(fēng)。判斷22nm市場會否成長為28nm那樣的體量，還是只是一個利基市場仍然為時過早。顯然，每種技術(shù)都會找到自己的市場位置，但是肯定有些技術(shù)會脫穎而出，贏得更大的市場。