若要說(shuō)2018以及未來(lái)五年最受矚目的半導體制程技術(shù)，除了即將量產(chǎn)的7奈米FinFET尖端制程，以及預計將全面導入極紫外光(EUV)微影技術(shù)的5奈米制程節點(diǎn)，各家晶圓代工業(yè)者著(zhù)眼于應用廣泛、無(wú)所不包的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)對低功耗、低成本組件需求而推出的各種中低階制程技術(shù)選項，也是產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。電子模塊
若要說(shuō)2018以及未來(lái)五年最受矚目的半導體制程技術(shù)，除了即將量產(chǎn)的7奈米FinFET尖端制程，以及預計將全面導入極紫外光(EUV)微影技術(shù)的5奈米制程節點(diǎn)，各家晶圓代工業(yè)者著(zhù)眼于應用廣泛、無(wú)所不包的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)對低功耗、低成本組件需求而推出的各種中低階制程技術(shù)選項，也是產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。
例如晶圓代工龍頭臺積電(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)等邏輯制程，還有英特爾(Intel)的22奈米低功耗FinFET (22FFL)制程、GlobalFoundries的28奈米HPP (High Performance Plus)/SLP (Super Low Power)、22FDX制程，以及三星電子(Samsung)的28奈米FDSOI、LPP、LPH…等等，都是適合廣泛物聯(lián)網(wǎng)應用市場(chǎng)需求特性的解決方案。
其中GlobalFoundries的FDX系列制程與Samsung的FD-SOI制程，與其他競爭方案之間的最大差異，就在于采用了無(wú)論是英文或中文讀來(lái)都十分拗口的“全空乏絕緣上覆硅”(Fully Depleted Silicon On Insulator，FD-SOI)技術(shù)；該技術(shù)早在2011年就由SOI產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(SOI Industry Consortium)、意法半導體(ST)以及其研發(fā)伙伴IBM、GlobalFoundries、三星等率先在業(yè)界推廣，號稱(chēng)在28奈米與20 (22)奈米節點(diǎn)能達到由英特爾、臺積電等支持的新一代FinFET制程相當的性能，但成本與風(fēng)險更低。
FD-SOI技術(shù)優(yōu)勢何在？
不同于FinFET制程采用的3D晶體管結構，FD-SOI為平面制程；根據ST官網(wǎng)上的技術(shù)資料，FD-SOI有兩大主要創(chuàng )新：首先是采用了埋入氧化物(buried oxide，BOX)超薄絕緣層，放置于硅基板之上；接著(zhù)將超薄的硅薄膜布署于晶體管通道，因為其超薄厚度，通道不需要摻雜(dope)，使晶體管能達到完全空乏。以上兩種創(chuàng )新技術(shù)的結合全名為“超薄基體埋入氧化層全空乏絕緣上覆硅”(ultra-thin body and buried oxide FD-SOI，UTBB-FD-SOI)。
ST表示，與傳統的塊狀硅技術(shù)相較，FD-SOI能提供更好的晶體管靜電特性，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(shù)能有效限制源極與汲極之間的電子流動(dòng)，大幅降低影響組件性能的泄漏電流(圖1)。除了透過(guò)閘極，FD-SOI也能藉由極化(polarizing)組件底層基板來(lái)控制晶體管行為，類(lèi)似于塊狀硅技術(shù)亦可實(shí)現的基體偏壓(body bias)。
圖1：塊狀硅制程與FD-SOI制程晶體管結構比較（來(lái)源：STMicroelectronics）
不過(guò)塊狀硅技術(shù)的基體偏壓非常有限，因為寄生漏電流以及晶體管幾何尺寸縮減之后晶體管效率降低；而FD-SOI因為晶體管結構以及超薄絕緣層，偏壓效率會(huì )更好。此外，埋入氧化層也能實(shí)現更高的基體偏壓，達到對晶體管突破性的動(dòng)態(tài)控制──當基板的極化為正向，也就是順向基體偏壓(FBB)，晶體管切換速度能加快，并因此能優(yōu)化組件性能與功耗。
根據ST的說(shuō)法，FD-SOI能輕易實(shí)現FBB并在晶體管運作期間進(jìn)行動(dòng)態(tài)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、性能并非關(guān)鍵的組件，因此是物聯(lián)網(wǎng)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(chǎng)研究機構International Business Strategies (IBS)執行長(cháng)Handel Jones在2014年發(fā)表的一份報告中寫(xiě)道：“同樣是100mm見(jiàn)方大小的芯片，采用28奈米FD-SOI制程的成本比塊狀CMOS制程低3%，在20奈米節點(diǎn)則可以進(jìn)一步低30%；這是因為帶來(lái)更高參數良率的同時(shí)，晶圓成本也更低；”此外FD-SOI制程裸晶的復雜度與塊狀CMOS制程比較，低了10%~12%。
Jones進(jìn)一步表示：“更小的裸晶面積與更高的參數良率之結合，FD-SOI制程在20奈米節點(diǎn)的產(chǎn)品成本優(yōu)勢會(huì )比塊狀CMOS制程多20%；在28奈米節點(diǎn)，FD-SOI的性能則比20奈米塊狀CMOS高出15%。”他并指出：“FD-SOI制程在高/低Vdd方面能提供比塊狀CMOS制程更高的能源效率等級(energy efficiency levels)；FD-SOI在位單元(bit cells)上的電源效率也高出塊狀CMOS，這是因為較低的泄漏電流以及對α粒子更好的免疫力。”
FD-SOI制程：西方冷、東方熱
不過(guò)盡管FD-SOI號稱(chēng)有上述諸多優(yōu)勢，對于該制程的生產(chǎn)良率、專(zhuān)用晶圓片價(jià)格與供應來(lái)源穩定性，還有大量生產(chǎn)確切時(shí)程、整體技術(shù)支持生態(tài)系統完整性，產(chǎn)業(yè)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(yè)務(wù)，該技術(shù)在市場(chǎng)的討論熱度與能見(jiàn)度一直偏低，特別是在西方。
時(shí)間來(lái)到2017年2月，GlobalFoundries宣布投資100億美元在中國大陸成都高新西區建立12吋晶圓廠(chǎng)(圖2)，2018年開(kāi)始營(yíng)運的第一期生產(chǎn)線(xiàn)會(huì )是轉移自該公司新加坡廠(chǎng)之為較成熟的180/130奈米制程，第二期為轉移自其德國德勒斯登(Dresden)廠(chǎng)的22FDX FD-SOI制程生產(chǎn)線(xiàn)，預計2019年開(kāi)始營(yíng)運；此訊息在半導體產(chǎn)業(yè)界引起廣大回響，除了再次昭示了中國發(fā)展本土半導體產(chǎn)業(yè)鏈的企圖心，也代表FD-SOI制程的「主戰線(xiàn)」將在中國點(diǎn)燃。
圖2：Globalfoundries在中國成都興建12吋廠(chǎng)Fab 11，預計2019年量產(chǎn)的第二階段生產(chǎn)線(xiàn)為22FDX FD-SOI制程（來(lái)源：Globalfoundries）
中國早在2015年就對FD-SOI技術(shù)表達了高度興趣；當時(shí)中國大陸IC設計服務(wù)業(yè)者芯原(VeriSilicon)執行長(cháng)戴偉民(Wayne Dai)在接受EE Times記者訪(fǎng)問(wèn)時(shí)即表示，與其不斷地在FinFET制程方面追趕臺積電或英特爾的腳步，他認為中國應該投資FD-SOI，并以該技術(shù)做為低功耗制程的替代方案。此外上海新傲科技(Simgui)于2015年秋天開(kāi)始量產(chǎn)首批8吋SOI晶圓片，采用與該公司策略伙伴、法國業(yè)者Soitec的Smart Cut制程技術(shù)。
還有一個(gè)由中國大基金成立的投資平臺，上海硅產(chǎn)業(yè)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(yè)者上海華力微電子(Shanghai Huali Microelectronics Corp.)在GlobalFoundries宣布成都廠(chǎng)投資計劃前，也透露了投資FD-SOI生產(chǎn)線(xiàn)的計劃，但并沒(méi)有具體時(shí)間表。這些跡象在在顯示FD-SOI將會(huì )是中國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍圖的一部分，并可能讓這個(gè)迄今在西方世界市場(chǎng)稍嫌受到冷遇的技術(shù)，在東方市場(chǎng)發(fā)光發(fā)熱。
根據Globalfoundries產(chǎn)品管理資深副總裁Alain Mutricy在2017年5月接受EE Times采訪(fǎng)時(shí)的說(shuō)法，該公司在成都投資設廠(chǎng)只是第一步，接下來(lái)還將在當地建立FD-SOI生態(tài)系統，幫助中國無(wú)晶圓廠(chǎng)IC設計業(yè)者以及設計服務(wù)業(yè)者更容易取得所需的IP與工具。
物聯(lián)網(wǎng)制程戰火即將引爆
2017年9月底，在SOI產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦的第五屆上海FD-SOI論壇上，發(fā)表專(zhuān)題演說(shuō)的GlobalFoundries執行長(cháng)Sanjay Jha再次大力宣傳FD-SOI制程，并以22奈米──采用單次光罩最小節點(diǎn)，也是適合物聯(lián)網(wǎng)、便攜設備等對成本/功耗敏感應用，預期將會(huì )是市場(chǎng)上的“長(cháng)壽”節點(diǎn)──為基準，將該公司的22FDX制程以及英特爾22FFL制程、臺積電22ULP制程的性能比較(圖3)。
圖3：GlobalFoundries、臺積電與英特爾的22奈米制程性能比較（來(lái)源：GlobalFoundries）
Jha在專(zhuān)題演說(shuō)后接受EE Times China訪(fǎng)問(wèn)時(shí)表示：“從成本上面來(lái)說(shuō)，22奈米FinFET如果采用平面技術(shù)，制程步驟會(huì )多一些，制程控制的復雜度很高。對于FDX，底層的基板成本可能會(huì )高一點(diǎn)。確實(shí)很難模擬各自成本的結構，但是考慮到我們在中國晶圓廠(chǎng)的建設投資以及規模產(chǎn)生的成本效應，從生產(chǎn)的成本來(lái)說(shuō)，相較于英特爾的技術(shù)，可能略有優(yōu)勢。”
在同一場(chǎng)論壇上，IBS執行長(cháng)Jones也進(jìn)一步提出了FD-SOI制程的閘極成本(cost per gate)分析(圖4)，他指出，28奈米FD-SOI制程與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(huì )比16奈米FinFET制程低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(yōu)于FinFET。
圖4：FD-SOI與FinFET制程閘極成本比較（來(lái)源：IBS）
此外Jones也提出了各制程節點(diǎn)的軟硬件設計成本比較(圖5)，估計12奈米FD-SOI的設計成本在5,000至5,500萬(wàn)美元之間，而16奈米FinFET設計成本在7,200萬(wàn)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(yíng)收需要是成本的10倍，所以12奈米FD-SOI的潛在市場(chǎng)規模(TAM)會(huì )比16奈米與10奈米FinFET更大。
圖5：各制程節點(diǎn)設計成本比較（來(lái)源：IBS）
綜合FD-SOI低功耗、易于整合RF等特性與成本上的優(yōu)勢，GlobalFoundries將行動(dòng)裝置、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通信(5G/LTE/Wi-Fi)，以及汽車(chē)(ADAS/車(chē)用通訊)視為該制程的熱門(mén)應用；Jones則認為，現有28奈米制程組件中，有九成都適合轉向FD-SOI制程，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(shù)供貨商能實(shí)際取得多少營(yíng)收得各憑本事，而鎖定物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)商機的制程大戰已經(jīng)煙硝四起。
圖6：22奈米FD-SOI制程潛在市場(chǎng)規模預測（來(lái)源：IBS）
中國IC廠(chǎng)商躍躍欲試，臺灣廠(chǎng)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制程已經(jīng)獲得了總計135家客戶(hù)的青睞，其中有20家客戶(hù)會(huì )在2017年底之前進(jìn)入多項目晶圓(MPW)試產(chǎn)、這之中又有15家會(huì )在2018年底正式投片，而進(jìn)入測試設計/投片階段的這些客戶(hù)中，包括10家來(lái)自中國的廠(chǎng)商。
GlobalFoundries于2017年2月宣布于成都興建投資額達百億美元的12吋新廠(chǎng)之后，又于同年5月與成都市政府共同宣布，雙方將合作以6年時(shí)間建立一個(gè)累計投資規模超過(guò)1億美元的“世界級的FD-SOI生態(tài)系統”，涵蓋多個(gè)位于成都的研發(fā)中心以及與大學(xué)院校合作的研究項目，目的是能吸引更多頂尖半導體業(yè)者落戶(hù)成都，并使成都“成為下一代芯片設計的卓越中心”。
將加入成都FD-SOI生態(tài)系統的公司包括EDA供貨商Cadence、Synopsys，設計服務(wù)業(yè)者芯原、Invecas，還有芯片設計業(yè)者聯(lián)發(fā)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(fǎng)問(wèn)時(shí)表示，要從成都FD-SOI生態(tài)系統投資中獲得研發(fā)經(jīng)費，“每一家公司都必須在成都部署研發(fā)團隊。”
戴偉民指出，FD-SOI的支持者已經(jīng)在中國打好基礎，藉由像是上海FD-SOI論壇這樣的活動(dòng)，持續向中國本地的芯片業(yè)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(tài)系統有幾個(gè)要點(diǎn)，包括：使用FD-SOI實(shí)現混合訊號和RF設計的可行性、設計服務(wù)業(yè)者(如芯原)的支持、實(shí)現基體偏壓設計流程和工具，還有設計教學(xué)、研討會(huì )、大學(xué)課程、實(shí)驗室和教科書(shū)，以及政府的支持。
中國IC業(yè)者對FD-SOI技術(shù)躍躍欲試，當地的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統逐漸成形；以全球來(lái)看，GlobalFoundries則表示其FD-SOI制程生態(tài)系統FDXcelerator的合作伙伴截至2017年9月已經(jīng)達到33家(圖7)，涵蓋半導體產(chǎn)業(yè)鏈上下游業(yè)者。盡管占據十分少數，臺灣業(yè)者也在其中，包括封測大廠(chǎng)日月光(ASE)、嵌入式內存IP供貨商力旺電子(eMemory)，以及處理器IP供貨商晶心科技(Andes)。
圖7：GlobalFoundries積極為FD-SOI制程建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統（來(lái)源：GlobalFoundries）
晶心科技總經(jīng)理林志明接受EE Times采訪(fǎng)時(shí)表示，該公司是在2015年與GlobalFoundries的長(cháng)期伙伴、美國IC設計服務(wù)業(yè)者Invecas合作，將其32位N7處理器核心導入采用FD-SOI制程的參考設計，后來(lái)也獲得了GlobalFoundries的22FDX制程驗證。
他指出，晶心的處理器核心開(kāi)發(fā)原本就是以低功耗、高效率為要求，其N(xiāo)7、N8與N9等系列都已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)與可攜式消費性電子市場(chǎng)獲得采用，進(jìn)駐包括智能手表、智能語(yǔ)音助理、游戲機以及隨身卡拉OK麥克風(fēng)等等裝置，目標市場(chǎng)與FD-SOI技術(shù)的方向一致，以此制程選項搭配晶心的IP，可望為客戶(hù)的設計帶來(lái)更佳的省電效能。
圖8：晶心科技總經(jīng)理林志明：FD-SOI制程的終端目標市場(chǎng)正好與我們的產(chǎn)品線(xiàn)非常一致
臺灣的半導體IP供貨商并未在FD-SOI生態(tài)系統中缺席，但臺灣IC設計業(yè)者何時(shí)會(huì )跟進(jìn)？除了已經(jīng)準備加入成都FD-SOI生態(tài)系統的聯(lián)發(fā)科技，臺灣本地業(yè)者對此技術(shù)的態(tài)度與西方市場(chǎng)一樣偏冷；如半導體測試實(shí)驗室宜特科技(iST)表示，據了解正在嘗試FD-SOI設計的臺灣IC業(yè)者仍在少數，預期對該制程的接受速度會(huì )比中國大陸業(yè)者緩慢得多。
結語(yǔ)
臺灣的市場(chǎng)研究機構集邦科技(TrendForce)旗下拓墣產(chǎn)業(yè)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(chǎn)能的統計數字不易取得，僅能大略估計該制程占據2017年全球晶圓代工銷(xiāo)售的比例為0.2%左右；他并指出，中國大陸積極建立FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈，引進(jìn)晶圓片制造商Soitec、晶圓代工業(yè)者GlobalFoundries，對臺灣晶圓代工業(yè)者的28奈米制程競爭力可能會(huì )帶來(lái)沖擊。
不過(guò)黃志宇也指出，觀(guān)察中國FD-SOI產(chǎn)能開(kāi)出的時(shí)間點(diǎn)亦相當重要，必須同時(shí)考慮市場(chǎng)上既有晶圓代工業(yè)者的28奈米制程的折舊情形以及FD-SOI的實(shí)際產(chǎn)能規模：“當FD-SOI制程產(chǎn)能規模小、成本就相對變高，而若晶圓代工業(yè)者折舊情形良好、將可提供更優(yōu)惠的28奈米制程價(jià)格，如此在以成本導向的終端產(chǎn)品競爭上，FD-SOI就未必有利。”
28奈米制程可說(shuō)是臺灣晶圓代工雙雄聯(lián)電(UMC)、臺積電的“搖錢(qián)樹(shù)”，其中臺積電在2017年的28奈米晶圓片出貨量創(chuàng )下了18萬(wàn)片的新高紀錄，該節點(diǎn)營(yíng)收在臺積電2017年第三季仍然是占據當季整體營(yíng)收最高比例、達到27%，高于先進(jìn)的16/20奈米節點(diǎn)；聯(lián)電則在第三季看到28奈米HKMG的市場(chǎng)需求趨緩。
來(lái)勢洶洶的FD-SOI制程將會(huì )對現有28奈米晶圓代工市場(chǎng)帶來(lái)什么樣的影響？中國半導體產(chǎn)業(yè)是否將因為FD-SOI技術(shù)的發(fā)展而改寫(xiě)歷史？臺積電即將開(kāi)出的22奈米新制程又是否能取得市場(chǎng)動(dòng)力？為物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)商機，聯(lián)電在28奈米制程之后又將祭出甚么新“武器”？2018年半導體市場(chǎng)的發(fā)展局勢值得陸續觀(guān)察！
