Техпроцесс FD-SOI от ST: спасение европейской микроэлектроники?

Несмотря на открытое противостояние таких полупроводниковых гигантов, как Intel, Samsung или TSMC, компания STMicroelectronics продолжает развивать технологию FD-SOI и находит всё больше партнеров: в Европе запущен трехлетний проект по развитию FD-SOI с бюджетом 360 млн евро. Есть ли шанс у России на FD-SOI?

Европа отчаянно пытается вернуть себе реноме ведущего мирового производителя микроэлектронной продукции. Одним из шагов на этом глобальном пути, на который предполагается потратить до 100 млрд евро, является развитие технологии FD-SOI (полностью обедненный кремний-на-изоляторе), приоритет в котором сейчас принадлежит европейскому полупроводниковому гиганту STMicroelectronics. Каковы планы и перспективы развития FD-SOI?

Преимущества FDSOI

Потребление FDSOI почти на 30% ниже, чем у 28-нм и 20-нм КМОП. Стоимость FDSOI ниже на 5% по сравнению с КМОП 28 нм и на 25% – по сравнению с КМОП 20 нм, хотя технологические процессы похожи. Кстати, при переходе на FDSOI могут частично использоваться IP для КМОП.

На следующем уровне технологий – 14-нм FDSOI – производительность при том же рабочем напряжении увеличивается на 30%, потребление снижается в два раза при той же скорости работы, площадь кристалла сокращается на 40%.

Эти показатели можно еще больше улучшить с помощью напряжения смещения. Прямое смещение увеличивает производительность на 15%. Обратное смещение позволяет снизить потребление на 10% при той же скорости работы.

Планарная технология FDSOI имеет преимущества перед остальными: она обеспечивает лучшие характеристики при более дешевом способе производства. Тем не менее, большинство компаний пока относятся с подозрением к ней, по крайней мере, нет публичных комментариев на ее счет.

Компании

Технологией FDSOI занимаются, в первую очередь, STMicroelectronics, IBM, GlobalFoundries, поставщики услуг по разработке, например, VeriSilicon (Шанхай) и некоторые японские компании.

Дан Хатчесон (Dan Hutcheson), глава VLSI Research, отмечает: «Если FDSOI действительно окажется перспективной и конкурентоспособной на уровне 14 нм, то цепь поставок нарушится, и на первый план выйдет GlobalFoundries и ее клиенты».

В то же время Intel и Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) вкладывают много средств в развитие соперничающей технологии FinFET, и вряд ли они легко отступят.

Финансисты также пока молчат. Позиция STMicroelectronics по финансовой части вопроса резко отличается от мнения независимых экспертов.

Технологические и отраслевые аналитики сходятся в следующем. «FDSOI – это план «Б» для чип-вендоров, потому что они проще в изготовлении, чем FinFET, – отмечает Хатчесон. – Планарные КМОП-транзисторы имеют слишком большой ток утечки и требуется существенно переработать конструкцию, чтобы повысить быстродействие и снизить потребление». Этого же мнения придерживается Хендел Джонс, основатель и глава of International Business Strategies (IBS).

Стоимость производства подложки по различным технологиям и на разном технологическом уровне. Источник: IBS

По оценке Джонса, у 20-нм FDSOI (эту технологию STMicroelectronics называет FDSOI 14 нм) осталось примерно год или два на то, чтобы оправдаться, поскольку, согласно отраслевым обозревателям, технология КМОП 20 нм уже исчерпала свои возможности, и нужна принципиально новая альтернативная технология. В то же время многие соглашаются, что переход на FinFET неминуем, однако проблемы с организацией технологического процесса нельзя не замечать. Джонс отмечает, что для снижения стоимости необходимо провести несколько итераций производства.

По прогнозу IBS, транзисторы 14-16-нм FinFET вряд ли появятся раньше конца 2016 г. – начала 2017 г. из-за высокой стоимости по сравнению с глубинным КМОП 28 нм. Это также способствует продвижению FDSOI 14–16 нм.

Партнеры

Что касается продвижения FDSOI, представитель GlobalFoundries отмечает: «Не все проблемы еще решены, как и с любой новой технологией, с FDSOI надо поработать. Однако это планарная технология и она совместима с SLP-28 нм, да и IP подходят, что значительно упрощает переход». Правда, пока еще не готовы маршруты проектирования и схемы смещения.

Вайн Дай (Wayne Dai), глава VeriSilicon, признает: «Как ведущая компания-производитель ИС мы будем следить за развитием FDSOI. VeriSilicon занимается разработкой IP для этой технологии, в частности, с использованием схемы смещения». Эти IP будут представлять собой готовые решения, доступные всем клиентам компании, проявившим интерес к FDSOI.

Стоит отметить, что г-н Дай одним из первых сделал ставку на FDSOI. Он убежден, что «поскольку планарный КМОП уже исчерпал свои возможности, а FinFET не доступен коммерческому пользователю, 28 нм FDSOI – перспективная альтернативная технология». По его словам, на основе FDSOI 20 нм и меньше можно изготавливать подложки для 3D FDSOI (FinFET на основе кремния на изоляторе), которая возможно и станет альтернативой технологии объемного глубинного кремния.

В свою очередь Хатчесон настроен скептически. Он считает технологию заманчивой, однако потребителю важно не то, какие технологии использованы, а то, как в итоге работает устройство.

Компания Globalfoundries – не единственный партнер STMicroelectronics в разработке FDSOI. «С Globalfoundries у нас есть соглашение по доле на рынке, – отмечает г-н Чери (Jean-Marc Chery), главный технический директор STMicroelectronics. – В качестве расширения международного альянса ISDA [International Semiconductor Development Alliance] мы договорились с IBM и согласились передать технологию FDSOI производителям«вротого эшелона», таким как UMC и SMIC». (Рейтинг производителей пластин можно посмотреть, например, здесь.) В июне 2012 г. UMC (Тайвань) сообщила о подписании лицензионного соглашения с IBM по разработке технологии 20-нм КМОП, в т.ч. транзисторов FinFET.

Компания IBM намерена лицензировать FDSOI. Марк Маклауд (Mark McLeod), руководитель проектов, отвечающий за технологическое сотрудничество и лицензирование в IBM, отметил: «IBM имеет лицензионные права на FDSOI 28 нм и меньше, которые она разрабатывает совместно с STMicroelectronics». Компания IBM готова сотрудничать с STMicroelectronics и поддержит технологию, если ST отдаст производство второстепенным производителям.

Про потенциальных потребителей FDSOI известно мало. Во-первых, две компании заказали сетевые ASIC. Третья планирует выпускать массовую бытовую электронику.

В то же время отсутствие поддержки со стороны Intel, TSMC and Samsung говорит о бесперспективности технологии.

Сейчас STMicroelectronics не говорит, когда начнется выпуск чипов FDSOI. Сообщается, что технология доступна на уровне 28 нм. В настоящее время идет разработка техпроцесса для 14-нм FDSOI, и первые прототипы появятся во втором полугодии 2014 г.

Хатчесон полагает, что большинство фабрик, за исключением только GlobalFoundries, видят технологию «слишком дорогой и проблематичной». Изменят ли они свое мнение и когда это произойдет, не берется сказать никто. Руководство STMicroelectronics ожидает рост спроса на FDSOI. Компания рассматривает варианты создания производственной линии на заводах «второстепенных» производителей United Microelectronics Corp. и SMIC.

UMC и SMIC

Компания STMicroelectronics рассматривает вариант передачи технологии FDSOI производителям «второго эшелона» – United Microelectronics ( UMC) и SMIC. Г-н Чери отметил, что соглашение с Globalfoundries остается в силе, но объема ее мощностей хватит только на первое время. В то же время STMicroelectronics не планирует открывать доступ к технологии всем компаниям. «Мы определили круг людей, для кого будет открыт доступ к технологии FDSOI 28 нм», – отметил Чери. Для каких компаний технология будет недоступна, г-н Чери не перечислил, уклонившись и от комментариев насчет Broadcom. Известно однако, что это не конкуренты STMicroelectronics (т.е. не компании-производители ИС для телевизионных приставок, шлюзов и сетевых ASIC).

Европа

В Европе запущен трехлетний проект по развитию FDSOI с бюджетом 360 млн евро. Он получил название «Pilot Lines for Advanced CMOS Enhanced by SOI in 2x nodes, Built in Europe», или сокращенно Places2Be.

Проект ведет STMicroelectronics, согласовывает ENIAC. В проекте участвует 7 стран, 19 компаний и институтов. Всего занято около 500 инженеров. Список организаций Places2Be: ACREO Swedish ICT AB, Adixen Vacuum Products, Axiom IC, Bruco Integrated Circuits, Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, Dolphin Integration, Ericsson AB, eSilicon Romania Srl, Forschungzentrum Juelich, GlobalFoundries Dresden, Grenoble INP, IMEC, Ion Beam Services, Mentor Graphics France Sarl, Soitec SA, STMicroelectronics-Ericsson NV, STMicroelectronicsMicroelectronics NV, Universite Catholique de Louvain и University of Twente.

План развития FDSOI, по данным STMicroelectronics (нажмите для увеличения)

Целью проекта является запуск пилотной линии 28-нм и 14-нм FDSOI, а также оснащение двух заводов в Европе для массового выпуска подложек: фабрика №1 GlobalFoundries в Дрездене (Германия) и завод STMicroelectronics в Кроле (Франция). В Дрездене будет осуществляться массовый выпуск, в Кроле – 2000 подложек в месяц в настоящее время и 8000 подложек ежемесячно в 2016–2017 гг.

Ближайшей целью является подготовка техпроцесса 14 нм FDSOI для прототипирования. Для этого уже готовы PDK, в текущем году будут закончены IP. Цель STMicroelectronics – обогнать технологию FinFET 14 нм, в то время как на более высоком уровне, 7 нм, г-н Чери оставляет право лидерства конкурентам.

По оценке г-на Чери, на проведение исследований и разработку потребуется 300 млн долл. в год. Проект Places2Be позволяет получить на эти цели еще 120 млн долл. ежегодно и команду специалистов.

Япония

Маклауд из IBM считает, что японские компании намеренв адаптировать технологию FDSOI для использования на существующих заводах, чтобы дать им второе дыхание. Хатчесон считает эту идею бессмысленной.

Как бы то ни было, FDSOI была одной из наиболее жарких тем на форуме производителей полупроводниковых устройств в Японии (Japanese Semiconductor Executive Forum), который проводила VeriSilicon в апреле.

Присутствовавший на мероприятии Кирк Уилетт (Kirk Ouellette), директор группы разработки цифровых продуктов STMicroelectronics в Токио, считает технологию FDSOI подходящей для японского рынка, поскольку здесь представлено много портативных устройств, разработанных и произведенных в Японии. Это не только мобильные телефоны, но и всевозможные гаджеты, которые в других странах спросом не пользуются. Технология FDSOI позволяет снизить потребление, что очень важно для портативных устройств. В то же время Уилетт не подтвердил и не опроверг существование клиентов FDSOI в Японии.

Россия – запрыгнуть в «уходящий поезд»?

Зеленоградский «Микрон» является давним технологическим партнером STMicroelectronics, лицензирующим ее микроэлектронные технологии. Из наиболее «нашумевших» – 90-нм технологическая линейка «Микрона», запущенная полтора года назад, силовые SiGe-КМОП-приборы, а также проект по выпуску МЭМС. Тонкий техпроцесс FDSOI – одна из тех «не совсем массовых» технологий (см. пример Японии выше), которая вполне могла бы прижиться у ведущего российского производителя микроэлектроники и придать ему, наконец, не только подобающий «вес» в мировой табели о рангах, но и обеспечить отечественных заказчиков микросхем, в том числе, из оборонного комплекса, самой современной производственной линейкой, соответствующей мировым стандартам. Очевидно, на данном этапе это вопрос «доброй воли» государственных инвесторов. Пока идет формирование бюджетов на разработку FDSOI в Европе, Россия вполне могла бы подключиться к ним своими «нефтеевро» и обеспечить себе в этом проекте полноправное участие (тем более что речь пока идет не о таких уж больших суммах). В конце концов, государственный приоритет в развитии нанотехнологий (через «Роснано» или иными путями) напрямую коррелирует с 28-нм и 14-нм технологиями производства ИС.

Источники: Electronics Weekly, EE Times