FinFET点燃晶圆代工厂战火 主流厂商加速导入

2013-09-18 未知

  半导体业界已发展出运用FinFET的半导体制造技术,对制程流程、设备、电子设计自动化、IP与设计方法产生极大变化。特别是IDM业者与晶圆代工厂正竞相加码研发以FinFET生产应用处理器的技术,促使市场竞争态势急速升温。  
  过去数10年来,互补式金属氧化物半导体(CMOS)平面电晶体一直是电子产品的主要建构材料,电晶体几何结构则一代比一代小,因此能开发出高效能且更便宜的半导体晶片。  
  然而,电晶体在空间上的线性微缩已达极限,电晶体缩小到20奈米(nm)以下,会降低通道闸极控制效果,造成汲极(Drain)到源极(Source)的漏电流增加,并引发不必要的短通道效应(ShortChannelEffect),而电晶体也会进入不当关闭状态,进而增加电子装置待机耗电量。所幸立体式的鳍式电晶体(FinFET)技术出现后发挥作用,在FinFET结构中,由于通道被三层闸极包覆,可更有效压制关闭状态漏电流。  
  三层闸极还能让装置在「开机状态」下增强电流,又称为驱动电流(DriveCurrent)。这些优点能转换为更低的耗电与更高的装置效能。3DFinFET装置预料将比传统使用2D平面电晶体的产品更为精实,如此一来晶粒的整体尺寸也会更小。整体而言,FinFET技术能减少晶片漏电流、提高效能并缩小晶粒尺寸,将成为未来10年最重要的半导体制造技术,带动系统单晶片(SoC)产业成长。[pagebreak]
 FinFET点燃晶圆代工厂战火  
  综观全球市场,英特尔(Intel)是唯一完成FinFET制程技术实作的制造商。该公司自2012年初即采用自有的第一代22奈米FinFET技术,生产IvyBridge中央处理器(CPU)。虽然目前英特尔以FinFET技术生产的SoC仅限于PC和其特有的伺服器应用产品,然而其已宣布将延伸至行动装置应用处理器的开发。英特尔更可望依循摩尔定律(Moore’sLaw),于2013年第四季前将FinFET生产移转至第二代14奈米制程。  
  未来几年内,愈来愈多顶尖IC设计业者将扩大投资并导入FinFET技术,以制造更先进的智慧型手机和平板应用处理器(图1)。为因应客户需求,台积电、格罗方德(GLOBALFOUNDRIES)与三星(Samsung)等主要晶圆代工厂已积极排定FinFET量产时程,最快可望于2013年第三季开始试产FinFET制程,准备好投入量产则将在2014年第三季以后,如图2为英特尔与晶圆代工业者的FinFET制程生产时间表预测;届时,IC设计业者与晶圆代工厂合作下,将推出以FinFET技术为基础的应用处理器,与IDM业者共同角逐市场商机。

图12007~2017年半导体委外服务产值预测资料来源:Gartner  
  在FinFET制程技术方面,多数晶圆代工厂选择在晶圆前段闸极制程(FEOL)采用14奈米FinFET技术,后段互连制程(BEOL)则仍使用20奈米。就某种程度而言,混合式的第一代14奈米FinFET制程,其实就是20奈米电晶体技术,再加上能持续提升效能与耗电效率的新型装置结构。  
  此种混搭制作方法或许不能在设计上缩小晶粒尺寸,但效能提高、减少电力消耗与缩短上市所需时间等优点,足以让许多一线IC设计业者决定采用FinFET技术。此外,台积电与格罗方德最近皆宣布,有意在14奈米FinFET技术上线2年后推动10奈米制程。 
  检视各家晶圆厂FinFET量产时间表,以及用来指涉16、14及10奈米制程的相关名称,因其系出于行销需求,所以不具重大意义。一般咸认,晶圆代工厂的第一代16/14奈米FinFET制程会较近似英特尔的22奈米制程,而晶圆代工厂10奈米的第二代FinFET制程,则比较接近英特尔14奈米的第二代FinFET技术。[pagebreak]
复杂架构掀波澜FinFET引发产业连锁反应  
  比较不同厂商的FinFET技术时,须考虑下列因素,首先是安谋国际(ARM)核心的晶片尺寸、静态随机存取记忆体(SRAM)的晶粒大小(CellSize)、设计规则、单元资料库内轨道的数量、速度及电力消耗。  
  无论顶尖IC设计业者采用何种FinFET技术制造行动应用处理器,都会在晶片效能与耗能方面有所进展,因为平面技术几乎已达到极限,而且,一旦某家大型IC设计公司决定采用某种先进技术,便可能会带动连锁反应,促使其他同业加紧导入同款制程技术。
  举例来说,高通(Qualcomm)决定采用28奈米多晶矽氮氧化矽(SiON)技术时,其他IC设计公司也一窝蜂跟进,让28奈米低耗能制程变成极受欢迎的技术节点。  
  不过,目前市场上尚无IC设计业者正式宣布将以FinFET技术生产应用处理器的计划,但相关研发作业正密切进行中,预估1年内就会有大厂根据FinFET技术推出新款行动应用处理器。以下几家晶片大厂的技术与产品发展蓝图将显著影响其他IC设计业者。[pagebreak]
 英特尔日渐重视行动处理器  
  2013年6月,英特尔根据新型微架构推出全新系列CPU,无论就时脉效能或低耗电而言均优于现有的IvyBridge设计,这个名为Haswell的新系列晶片,将采用(至少一开始会)与目前IvyBridge晶片相同的22奈米FinFET制程。  
  与此同时,英特尔正积极寻求方法,希望利用其制造技术优势搭上行动产品成长热潮。确实,除Haswell外,英特尔尚推出代号为Silvermont的微架构,将用于采用22奈米FinFET制程的三款应用处理器,包括平板专用的BayTrail、智慧手机专用的Merrifield,以及微伺服器(Microserver)专用的Avoton;第四款产品Rangeley则是为联网装置所设计。与32奈米方案相比,Silvermont能让SoC的峰值效能提升三倍,且相同效能下可减少五倍耗能。  
  至于14奈米FinFET技术,英特尔的Broadwell与CherryTrail可能成为次世代系统单晶片,将利用代号Airmont的架构,在同一个晶粒上结合CPU、GPU和微控制器(MCU)。这个新型微架构将是英特尔与安谋国际big.LITTLE架构一决高下的重要利器。显而易见,英特尔似乎在技术、设计与生产能力上略胜一筹,准备以自家晶片在行动领域带动成长。不过,英特尔新任执行长在未来的经营上仍充满挑战,尤其是行动装置业务方面,为与高通、联发科竞争,其须改变自身组织、降低生产成本、提高晶圆厂产能利用率,还要部署更多的销售与现场工程师,才能提高胜算。[pagebreak]
 苹果成晶圆厂最具价值客户之一  
  苹果在过去几乎将所有应用处理器(A4、A5、A5R2、A6与A6X)交由三星旗下大型积体电路(LSI)事业的晶圆厂代工,利用45和32奈米制程生产。近期,该公司为AppleTV设计的新款处理器A5R3,亦采用三星32奈米制程,而截至2013上半年为止,苹果尚未针对32奈米以下制程,甚至是FinFET技术推出应用处理器。  
  尽管如此,近日盛传,苹果部分应用处理器生产订单将转向台积电,且下一代A7晶片将以20奈米平面技术制造。亟欲推动16奈米FinFET制程的台积电,以及积极研发14奈米制程的三星,都将苹果视为FinFET技术最有价值的客户之一,毫无疑问地,未来苹果应用处理器可能很快就会投靠FinFET阵营。  
  据顾能(Gartner)预估,2013年苹果所有应用处理器将需要七十万片12寸晶圆,这样的量需要一家以上的12寸晶圆厂才足以供应。苹果决定与其他制造商合作,将对半导体制造业中晶圆厂竞争态势带来明显冲击。  
  事实上,苹果有了与三星兴讼的经验之后,最好选择一家纯做晶圆代工的合作夥伴,能大量供货并为其量身订作具特殊优势的FinFET制程,例如更严谨的设计规则或更好的电晶体规格。虽说苹果若有任何晶圆供应商的变动都会进行长期规画,但要在2?3年完全切断三星供货,并全然转向其他晶圆代工厂还是太过冒险。  
  随着纯晶圆代工业者技术制造持续提升,苹果亦不须与英特尔合作,且毋须担心英特尔制程技术较佳,因为英特尔在行动晶片领域的实力仍待验证。苹果短期内的业务重点应放在如何提高i系列终端产品销售量,一旦找到可靠的晶片供应商,其应用处理器的功能特色就比较不重要;这一点与高通大不相同,后者须提供特色更多的应用处理器,以应付不同的手机制造商客户。[pagebreak]
三星善用晶圆整合制造服务优势  
  三星ExynosOcta与Hexa这两款应用处理器已采用28奈米平面技术;未来GalaxyS5与Note4还可能采用20奈米平面技术生产的晶片,足见其积极导入先进制程节点的决心。不过,三星尚未传出要以14奈米FinFET技术生产自家应用处理器,但其约25%的手机与平板使用自家处理器,每年销售量成长将近20%的顶级手机产品,更高达45%比重,因此三星势必计划在未来的应用处理器上采用自己的FinFET技术。  
  无庸置疑,垂直整合服务是三星在制造上的一大优势,从逻辑晶片到记忆体,一直到测试组装、终端行动装置,还有网路基础建设设备都能提供。三星还可利用旗下行动装置事业对晶圆代工产业的采购能力,这样晶圆代工客户就能为三星行动产品供应晶片;此外,其电信部门亦提供基础建设设备,可用来推广自家晶片。由此可推估,苹果之所以无法轻易切断三星LSI供货,原因之一就是台积电与英特尔无法提供这种结合可靠记忆体晶片货源的封装测试支援。  
  在其他行动装置相关半导体产品方面,三星也在各领域握有极高的市占率,包括驱动IC、CMOS影像感测器与电源管理IC。三星的晶圆代工厂很容易就能与目标顾客建立业务关系。[pagebreak]
高通将驱动FinFET规格统一  
  至于目前的行动处理器一哥高通则将成为主导先进制程导入的关键。目前,Snapdragon200到800系列是高通最新推出的应用处理器,全部采用台积电28奈米高效能行动(HPM)制程技术,与前一代以28奈米低耗能制程生产的SnapdragonS4晶片相比,效能可望提升75%。下一阶段,晶圆代工厂提供的20奈米平面技术由于制程范围不足,因此仅有一般版本,无法提供高效能与低耗电等其他选项。  
  从缩短新款晶片上市所需时间的观点来看,虽然高通持续移转至20奈米节点的做法对产品效能提升有限,但高通将会成为采用晶圆代工厂20奈米平面技术的首批顾客之一。至于FinFET应该会成为一种长期技术,未来产品都为以它为基础进行设计,而高通终将大量采用FinFET技术,以其在市场上的重要地位,对晶圆代工业者的技术研发具有极大影响力。  
  不像苹果和三星生产晶片仅供内部使用,高通的晶片广为苹果、三星、诺基亚(Nokia)、BlackBerry、宏达电、乐金(LG)、中兴及华为等业者所采用。高通晶片涵盖各种应用,包括Snapdragon应用处理器、基频处理器、收发器与无线连网Combo晶片,且已与主要晶圆代工厂建立良好的业务关系,带来庞大的晶圆需求量,使其对晶圆厂极具影响力,通常愿意调整制程以迎合高通的需求。  
  正如前文所述,2012年即为高通带动整个业界采用28奈米低耗能技术,未来,Gartner也预测,高通将带动业界广为采用FinFET技术,并促进晶圆厂全面统一FinFET技术规格,以加速晶片量产并控制成本。[pagebreak]
一线处理器厂加速导入FinFET  
  在高通率先发难后,其他IC设计业者势将积极跟进,如辉达(NVIDIA)、联发科与展讯在非苹平板、低价白牌手机或中国大陆的TD-SCDMA手机应用处理器市场中,占有率也相当高,自然不希望在技术上落后领先者太多。这几家业者正积极导入28奈米制程,且因晶圆厂28奈米晶圆供货状况改善而受益,虽不急于采用FinFET技术,但就长期规画来说,绝对有必要在内部建立起FinFET设计能力。  
  据Gartner在2013年第一季半导体产业展望报告中指出,由于行动处理器导入先进逻辑晶圆的需求攀升,行动装置相关半导体营收已于2012年超过PC与笔电,预估未来半导体装置需求主要来自行动装置与固态硬碟(SSD);智慧型手机将在未来几年呈现两位数成长,平板的成长还将更强劲。  
  晶圆制造商持续缩小平面电晶体几何结构,节能效率与速度的提升幅度却愈来愈小;20奈米平面电晶体技术预计最多可较28奈米减少25%之耗电,相较之下前一代移转后却能节省35%以上。然而,从28奈米平面技术移转到14奈米FinFET却能省下超过50%的耗电。FinFET技术未来应用在CPU与行动应用处理器开发上,应该会比20奈米平面技术更受欢迎。[pagebreak]
量产难度高FinFET触发设计新商机  
  尽管业界一致看好FinFET带来的效益,但要支援FinFET技术,无论在制程、设计、IP与电子设计自动化(EDA)工具各方面都有众多挑战,且过去许多2D平面技术的经验不再适用于FinFET,这意谓着相关供应链业者必须有新的投资计划。  
  从晶圆制程的观点来看,不论是晶圆前段制程或后段制程都须达到原子级的准确蚀刻(Etching),且要提升临界尺度(CriticalDimension)控制、减少矽材的蚀刻损伤、增加化学机械研磨(CMP)及双重曝光(DoublePatterning)微影技术。另一大挑战是必须加入中段制程(MOL)模组,以处理3D电晶体高深宽比(High-aspectRatio)的讯号绕线(SignalRouting)。  
  从设计面来看,其他挑战还包括3D建模工具的需求、能处理FinFET的模拟方法、寄生电容与寄生电阻的处理、新的可制性设计(DFM)模型与规则、单一宽度电晶体的设计、电晶体种类减少、电压降低的处理,以及布局依赖(Layout-dependent)的设计,势将带动新一波半导体产业投资研发动能,做大市场大饼。  
  无庸置疑,FinFET技术将在未来10年带动半导体业成长。由于智慧型手机与平板相关的半导体营收已超过PC,FinFET技术对行动产品也会日益重要。虽然FinFET会为晶圆制程技术与设计方法带来极大变化,对晶圆厂、行动应用处理器设计公司、特殊应用IC设计服务商、电子设计自动化业者与IP供应商而言,移转至FinFET技术的相关实作与支援都是未来带动营收成长的关键所在。  
  利用FinFET技术提高逻辑SoC效能的时代已经来临,而FinFET低耗电的优点,也促使主攻应用处理器的各大IC设计业者要求晶圆厂具备相关技术。为缩短与英特尔之间的技术差距,晶圆代工业者皆已加速研发FinFET技术,但路途仍满布荆棘。IC设计公司应拟定策略以发展FinFET设计能力,同时留意晶圆代工业者投入FinFET技术的状况,以及竞争对手在相关产品的规画。