若要說2018以及未來五年最受矚目的半導體製程技術,除了即將量產的7奈米FinFET尖端製程,以及預計將全面導入極紫外光(EUV)微影技術的5奈米製程節點,各家晶圓代工業者著眼於應用廣泛、無所不包的物聯網(IoT)市場對低功耗、低成本元件需求而推出的各種中低階製程技術選項,也是產業界的關注焦點。

例如晶圓代工龍頭台積電(TSMC)的16與12奈米FFC (FinFET Compact Technology)、22奈米超低功耗(ULP)、28奈米HPC/HPC+,以及40奈米ULP、55奈米ULP與低功耗(LP)等邏輯製程,還有英特爾(Intel)的22奈米低功耗FinFET (22FFL)製程、GlobalFoundries的28奈米HPP (High Performance Plus)/SLP (Super Low Power)、22FDX製程,以及三星電子(Samsung)的28奈米FDSOI、LPP、LPH…等等,都是適合廣泛物聯網應用市場需求特性的解決方案。

其中GlobalFoundries的FDX系列製程與Samsung的FD-SOI製程,與其他競爭方案之間的最大差異,就在於採用了無論是英文或中文讀來都十分拗口的「全空乏絕緣上覆矽」(Fully Depleted Silicon On Insulator,FD-SOI)技術;該技術早在2011年就由SOI產業聯盟(SOI Industry Consortium)、意法半導體(ST)以及其研發夥伴IBM、GlobalFoundries、三星等率先在業界推廣,號稱在28奈米與20 (22)奈米節點能達到由英特爾、台積電等支持的新一代FinFET製程相當的性能,但成本與風險更低。

FD-SOI技術優勢何在?

不同於FinFET製程採用的3D電晶體結構,FD-SOI為平面製程;根據ST官網上的技術資料,FD-SOI有兩大主要創新:首先是採用了埋入氧化物(buried oxide,BOX)超薄絕緣層,放置於矽基板之上;接著將超薄的矽薄膜佈署於電晶體通道,因為其超薄厚度,通道不需要摻雜(dope),使電晶體能達到完全空乏。以上兩種創新技術的結合全名為「超薄基體埋入氧化層全空乏絕緣上覆矽」(ultra-thin body and buried oxide FD-SOI,UTBB-FD-SOI)。

ST表示,與傳統的塊狀矽技術相較,FD-SOI能提供更好的電晶體靜電特性,而埋入氧化層能降低源極(source)與汲極(drain)之間的寄生電容;此外該技術能有效限制源極與汲極之間的電子流動,大幅降低影響元件性能的洩漏電流(圖1)。除了透過閘極,FD-SOI也能藉由極化(polarizing)元件底層基板來控制電晶體行為,類似於塊狀矽技術亦可實現的基體偏壓(body bias)。

20180205_FDSOI_NT31P1 圖1:塊狀矽製程與FD-SOI製程電晶體結構比較(來源:STMicroelectronics)

不過塊狀矽技術的基體偏壓非常有限,因為寄生漏電流以及電晶體幾何尺寸縮減之後電晶體效率降低;而FD-SOI因為電晶體結構以及超薄絕緣層,偏壓效率會更好。此外,埋入氧化層也能實現更高的基體偏壓,達到對電晶體突破性的動態控制──當基板的極化為正向,也就是順向基體偏壓(FBB),電晶體切換速度能加快,並因此能最佳化元件性能與功耗。

根據ST的說法,FD-SOI能輕易實現FBB並在電晶體運作期間進行動態調節,為設計工程師提供高度彈性,特別是對省電性能與速度有高度要求、性能並非關鍵的元件,因此是物聯網或可攜式/穿戴式消費性電子裝置應用的理想解決方案。

市場研究機構International Business Strategies (IBS)執行長Handel Jones在2014年發表的一份報告中寫道:「同樣是100mm見方大小的晶片,採用28奈米FD-SOI製程的成本比塊狀CMOS製程低3%,在20奈米節點則可以進一步低30%;這是因為帶來更高參數良率的同時,晶圓成本也更低;」此外FD-SOI製程裸晶的複雜度與塊狀CMOS製程比較,低了10%~12%。

Jones進一步表示:「更小的裸晶面積與更高的參數良率之結合,FD-SOI製程在20奈米節點的產品成本優勢會比塊狀CMOS製程多20%;在28奈米節點,FD-SOI的性能則比20奈米塊狀CMOS高出15%。」他並指出:「FD-SOI製程在高/低Vdd方面能提供比塊狀CMOS製程更高的能源效率等級(energy efficiency levels);FD-SOI在位元單元(bit cells)上的電源效率也高出塊狀CMOS,這是因為較低的洩漏電流以及對α粒子更好的免疫力。」

FD-SOI製程:西方冷、東方熱

不過儘管FD-SOI號稱有上述諸多優勢,對於該製程的生產良率、專用晶圓片價格與供應來源穩定性,還有大量生產確切時程、整體技術支援生態系統完整性,產業界仍有諸多疑慮;因此雖然FD-SOI在歐洲有ST、恩智浦(NXP)等支持者,三星、GlobalFoundries等也分別積極推廣自家FD-SOI代工業務,該技術在市場的討論熱度與能見度一直偏低,特別是在西方。

時間來到2017年2月,GlobalFoundries宣佈投資100億美元在中國大陸成都高新西區建立12吋晶圓廠(圖2),2018年開始營運的第一期生產線會是轉移自該公司新加坡廠之為較成熟的180/130奈米製程,第二期為轉移自其德國德勒斯登(Dresden)廠的22FDX FD-SOI製程生產線,預計2019年開始營運;此訊息在半導體產業界引起廣大迴響,除了再次昭示了中國發展本土半導體產業鏈的企圖心,也代表FD-SOI製程的「主戰線」將在中國點燃。

20180205_FDSOI_NT31P2 圖2:Globalfoundries在中國成都興建12吋廠Fab 11,預計2019年量產的第二階段生產線為22FDX FD-SOI製程(來源:Globalfoundries)

中國早在2015年就對FD-SOI技術表達了高度興趣;當時中國大陸IC設計服務業者芯原(VeriSilicon)執行長戴偉民(Wayne Dai)在接受EE Times記者訪問時即表示,與其不斷地在FinFET製程方面追趕台積電或英特爾的腳步,他認為中國應該投資FD-SOI,並以該技術做為低功耗製程的替代方案。此外上海新傲科技(Simgui)於2015年秋天開始量產首批8吋SOI晶圓片,採用與該公司策略夥伴、法國業者Soitec的Smart Cut製程技術。

還有一個由中國「大基金」成立的投資平台,上海矽產業投資有限公司(National Silicon Industry Group,NSIG)在2016年宣布收購14.5%的Soitec股權;晶圓代工業者上海華力微電子(Shanghai Huali Microelectronics Corp.)在GlobalFoundries宣佈成都廠投資計畫前,也透露了投資FD-SOI生產線的計畫,但並沒有具體時間表。這些跡象在在顯示FD-SOI將會是中國半導體產業發展藍圖的一部分,並可能讓這個迄今在西方世界市場稍嫌受到冷遇的技術,在東方市場發光發熱。

根據Globalfoundries產品管理資深副總裁Alain Mutricy在2017年5月接受EE Times採訪時的說法,該公司在成都投資設廠只是第一步,接下來還將在當地建立FD-SOI生態系統,幫助中國無晶圓廠IC設計業者以及設計服務業者更容易取得所需的IP與工具。

物聯網製程戰火即將引爆

2017年9月底,在SOI產業聯盟主辦的第五屆上海FD-SOI論壇上,發表專題演說的GlobalFoundries執行長Sanjay Jha再次大力宣傳FD-SOI製程,並以22奈米──採用單次光罩最小節點,也是適合物聯網、可攜式裝置等對成本/功耗敏感應用,預期將會是市場上的「長壽」節點──為基準,將該公司的22FDX製程以及英特爾22FFL製程、台積電22ULP製程的性能比較(圖3)。

20180205_FDSOI_NT31P3 圖3:GlobalFoundries、台積電與英特爾的22奈米製程性能比較(來源:GlobalFoundries)

Jha在專題演說後接受EE Times China訪問時表示:「從成本上面來說,22奈米FinFET如果採用平面技術,製程步驟會多一些,製程控制的複雜度很高。對於FDX,底層的基板成本可能會高一點。確實很難類比各自成本的結構,但是考慮到我們在中國晶圓廠的建設投資以及規模產生的成本效應,從生產的成本來說,相較於英特爾的技術,可能略有優勢。」

在同一場論壇上,IBS執行長Jones也進一步提出了FD-SOI製程的閘極成本(cost per gate)分析(圖4),他指出,28奈米FD-SOI製程與28奈米高介電金屬閘極(HKMG)塊狀CMOS的閘極成本相當,22奈米FD-SOI的閘極成本也仍具競爭力;而到了下一代的12奈米FD-SOI,因為所需光罩層數較少,閘極成本會比16奈米FinFET製程低22.4%,比10奈米FinFET低23.4%,比7奈米FinFET低27%,而FD-SOI的低耗電表現當然也優於FinFET。

20180205_FDSOI_NT31P4 圖4:FD-SOI與FinFET製程閘極成本比較(來源:IBS)

此外Jones也提出了各製程節點的軟硬體設計成本比較(圖5),估計12奈米FD-SOI的設計成本在5,000至5,500萬美元之間,而16奈米FinFET設計成本在7,200萬美元左右,10奈米FinFET設計成本在1.31億美元左右;因為設計成果的營收需要是成本的10倍,所以12奈米FD-SOI的潛在市場規模(TAM)會比16奈米與10奈米FinFET更大。

20180205_FDSOI_NT31P5 圖5:各製程節點設計成本比較(來源:IBS)

綜合FD-SOI低功耗、易於整合RF等特性與成本上的優勢,GlobalFoundries將行動裝置、物聯網、無線通訊(5G/LTE/Wi-Fi),以及汽車(ADAS/車用通訊)視為該製程的熱門應用;Jones則認為,現有28奈米製程元件中,有九成都適合轉向FD-SOI製程,其TAM規模在2018年估計達到171億美元(圖6),到2025年甚至可達184億美元,眾家FD-SOI技術供應商能實際取得多少營收得各憑本事,而鎖定物聯網市場商機的製程大戰已經煙硝四起。

20180205_FDSOI_NT31P6 圖6:22奈米FD-SOI製程潛在市場規模預測(來源:IBS)

中國IC廠商躍躍欲試,台灣廠商呢?

根據GlobalFoundries在第五屆上海FD-SOI論壇提供的統計數字,該公司的22FDX製程已經獲得了總計135家客戶的青睞,其中有20家客戶會在2017年底之前進入多專案晶圓(MPW)試產、這之中又有15家會在2018年底正式投片,而進入測試設計/投片階段的這些客戶中,包括10家來自中國的廠商。

GlobalFoundries於2017年2月宣佈於成都興建投資額達百億美元的12吋新廠之後,又於同年5月與成都市政府共同宣佈,雙方將合作以6年時間建立一個累計投資規模超過1億美元的「世界級的FD-SOI生態系統」,涵蓋多個位於成都的研發中心以及與大學院校合作的研究項目,目的是能吸引更多頂尖半導體業者落戶成都,並使成都「成為下一代晶片設計的卓越中心」。

將加入成都FD-SOI生態系統的公司包括EDA供應商Cadence、Synopsys,設計服務業者芯原、Invecas,還有晶片設計業者聯發科(MediaTek)、瑞芯微(RockChip)、上海復旦微電子(Shanghai Fudan Microelectronics Group Company)等等;芯原的戴偉民在接受EE Times訪問時表示,要從成都FD-SOI生態系統投資中獲得研發經費,「每一家公司都必須在成都部署研發團隊。」

戴偉民指出,FD-SOI的支持者已經在中國打好基礎,藉由像是上海FD-SOI論壇這樣的活動,持續向中國本地的晶片業者與IC設計工程師、政府官員、私人投資基金等大力宣傳;而他認為,要壯大中國的FD-SOI生態系統有幾個要點,包括:使用FD-SOI實現混合訊號和RF設計的可行性、設計服務業者(如芯原)的支援、實現基體偏壓設計流程和工具,還有設計教學、研討會、大學課程、實驗室和教科書,以及政府的支持。

中國IC業者對FD-SOI技術躍躍欲試,當地的產業生態系統逐漸成形;以全球來看,GlobalFoundries則表示其FD-SOI製程生態系統FDXcelerator的合作夥伴截至2017年9月已經達到33家(圖7),涵蓋半導體產業鏈上下游業者。儘管佔據十分少數,台灣業者也在其中,包括封測大廠日月光(ASE)、嵌入式記憶體IP供應商力旺電子(eMemory),以及處理器IP供應商晶心科技(Andes)。

20180205_FDSOI_NT31P7 圖7:GlobalFoundries積極為FD-SOI製程建立產業生態系統(來源:GlobalFoundries)

晶心科技總經理林志明接受EE Times採訪時表示,該公司是在2015年與GlobalFoundries的長期夥伴、美國IC設計服務業者Invecas合作,將其32位元N7處理器核心導入採用FD-SOI製程的參考設計,後來也獲得了GlobalFoundries的22FDX製程驗證。

他指出,晶心的處理器核心開發原本就是以低功耗、高效率為訴求,其N7、N8與N9等系列都已經在物聯網與可攜式消費性電子市場獲得採用,進駐包括智慧手錶、智慧語音助理、遊戲機以及隨身卡拉OK麥克風等等裝置,目標市場與FD-SOI技術的方向一致,以此製程選項搭配晶心的IP,可望為客戶的設計帶來更佳的省電效能。

20180205_FDSOI_NT31P8 圖8:晶心科技總經理林志明:FD-SOI製程的終端目標市場正好與我們的產品線非常一致

台灣的半導體IP供應商並未在FD-SOI生態系統中缺席,但台灣IC設計業者何時會跟進?除了已經準備加入成都FD-SOI生態系統的聯發科技,台灣本地業者對此技術的態度與西方市場一樣偏冷;如半導體測試實驗室宜特科技(iST)表示,據了解正在嘗試FD-SOI設計的台灣IC業者仍在少數,預期對該製程的接受速度會比中國大陸業者緩慢得多。

結語

台灣的市場研究機構集邦科技(TrendForce)旗下拓墣產業研究所半導體研究中心分析師黃志宇表示,目前全球FD-SOI產能的統計數字不易取得,僅能大略估計該製程佔據2017年全球晶圓代工銷售的比例為0.2%左右;他並指出,中國大陸積極建立FD-SOI產業鏈,引進晶圓片製造商Soitec、晶圓代工業者GlobalFoundries,對台灣晶圓代工業者的28奈米製程競爭力可能會帶來衝擊。

不過黃志宇也指出,觀察中國FD-SOI產能開出的時間點亦相當重要,必須同時考量市場上既有晶圓代工業者的28奈米製程的折舊情形以及FD-SOI的實際產能規模:「當FD-SOI製程產能規模小、成本就相對變高,而若晶圓代工業者折舊情形良好、將可提供更優惠的28奈米製程價格,如此在以成本導向的終端產品競爭上,FD-SOI就未必有利。」

28奈米製程可說是台灣晶圓代工雙雄聯電(UMC)、台積電的「搖錢樹」,其中台積電在2017年的28奈米晶圓片出貨量創下了18萬片的新高紀錄,該節點營收在台積電2017年第三季仍然是佔據當季整體營收最高比例、達到27%,高於先進的16/20奈米節點;聯電則在第三季看到28奈米HKMG的市場需求趨緩。

來勢洶洶的FD-SOI製程將會對現有28奈米晶圓代工市場帶來什麼樣的影響?中國半導體產業是否將因為FD-SOI技術的發展而改寫歷史?台積電即將開出的22奈米新製程又是否能取得市場動力?為物聯網市場商機,聯電在28奈米製程之後又將祭出甚麼新「武器」?2018年半導體市場的發展局勢值得陸續觀察!