那么,有一些客户想要获得性能提升,但无法承受16nm/14nm的价格,他们还有一个选择,那就是22nm。Jones说:“28nm节点停留了很长时间。22nm是28nm的缩小版。您可以看到在性能和面积方面的提升,但(在28nm和22nm之间)没有明显的晶圆成本。”
因此,22nm是有意义的,虽然有人有不同的看法。Gartner分析师Samuel Wang说:“我不相信22nm会受欢迎。现在在成熟的28nm节点上有更多的选择。另外,28nm的晶圆价格很低。”
22nm的第一个玩家,GlobalFoundries的FD-SOI
无论如何,为了防止市场突然发力,客户必须关注22nm选项。进入22nm的第一个玩家是GlobalFoundries,近两年前,他宣布推出了22nm的FD-SOI技术。有一段时间,三星推出了28nm的FD-SOI。
FD-SOI与传统的bulk CMOS不同。例如,在bulk CMOS逻辑中,硅芯片制造商开发未加工的芯片。然后在衬底上生长薄的外延层,产生外延片。
相比之下,SOI涉及到由Soitec开发的Smart Cut工艺过程。该工艺过程从两个硅片(A和B)开始。第一个芯片(A)在顶部氧化,产生二氧化硅绝缘层。
然后,使用离子注入机将氢离子注入顶层。这反过来又在氧化物下面形成了一个弱化层。
经过处理的硅片(A)在未经处理的硅片(B)的顶部被翻转。两个芯片在弱化层被切成两半。对底部的硅片(B)进行退火和抛光,即可得到最终的SOI硅片。另一个硅片(A)被重新用于制造另一个SOI硅片。
基本上,SOI硅片在基板中结合有薄的绝缘层,作为抑制泄漏的手段。绝缘层或掩埋氧化物层(BOX)的厚度约为20nm至25nm。Soitec执行副总裁兼首席技术官Carlos Mazure表示:“我们倾向于根据客户的要求调整厚度。”
与此同时,在晶体管级别,FD-SOI、bulk CMOS和finFET之间有一些相似之处。22nm FD-SOI和22nm bulk CMOS都是平面工艺。在基本平面CMOS工艺中,晶体管具有源极和漏极。电流从源极流向漏极。
相反,finFET是类3D结构。在finFET中,电流的控制通过鳍上的三个侧面上各实现一个栅极来完成。
随着节点接近20nm,平面技术存在着一些问题。随着芯片制造商在每个节点上对晶体管进行比例调节,沟道长度变短。结果,沟道可能会遇到所谓的短沟道效应。这又降低了器件中的亚阈值斜率或关断特性。
变异性是另一个问题。基本上,bulk CMOS晶体管可能与它在器件中的标称特性不同。这可能会在阈值电压方面产生随机差异。罪魁祸首是一种称为随机掺杂剂波动(RDF)的现象。RDF由通道中的掺杂剂原子的变化引起。
IBM研究部高级技术人员Terry Hook表示:“在常规晶体管中,门下方的沟道区域耗尽了移动电荷,使掺杂剂原子离子化。这些原子的电荷与栅极功能一起决定了阈值电压。耗尽区的深度控制着静电。耗尽区下面是中性硅,有很多移动载流子。”
解决问题的一种方法是迁移到完全耗尽型晶体管,即finFET和FD-SOI。Hook 表示:“RDF也会影响阈值失配和整体泄漏。在finFET和FD-SOI中,沟道掺杂剂最小化,可以有一次性匹配的优势。”
Hook 表示:“在RDF方面,FD-SOI和finFET比bulk更好。FD-SOI还具有比传统的平面bulk更好的短沟道效应,但不如finFET那样好。FD-SOI需要更薄的耗尽区才能达到相同的静电特性,因为它只是从一侧控制,而不是像FinFET那样是两侧。”
FD-SOI的最大卖点是逆向偏压(back-bias)。Hook 表示:“它具有通过在背栅中偏置和掺杂的方式来控制阈值电压的独特功能。”
同时,为了发挥FD-SOI的优势,GlobalFoundries正在准备22nm FD-SOI技术,称为22FDX。技术档案(PDK)已准备好,今年晚些时候开始出货晶圆。
22nm FD-SOI结合了finFET性能和28nm的成本。它还支持射频等功能。 GlobalFoundries产品管理团队高级副总裁Alain Mutricy说:“我们选择了FD-SOI,因为它提供了性能、功率、尺寸的最佳组合。我们的工艺流程完全符合生产要求,我们在高增长领域(如移动,物联网和汽车)方面看到了强劲的客户需求。”