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2015在西班牙的巴塞羅那開幕了，其中在產(chǎn)品方面十分吸引人的是三星發(fā)布的新一代旗艦手機GALAXY S6/S6 Edge，而該款手機也如2014年所料，拋棄了高通芯片而采用了三星自家14nm工藝的Exynos 7420處理器，而該款處理器則采用了FinFET封裝。14nm并不難理解，那么FinFET封裝為什么說先進呢?其實，F(xiàn)inFET封裝并不是剛剛出現(xiàn)的，早在上個世紀就已經(jīng)在研發(fā)了，到2000年才真正成功，也是目前處理器封裝方面25nm以下最佳的封裝形式。 FinFET的鰭片結(jié)構(gòu)精細復(fù)雜 FinFET稱為鰭式場效晶體管(FinField-EffectTransistor;FinFET)是一種新的互補式金氧半導(dǎo)體(CMOS)晶體管。閘長已可小于25奈米。該項技術(shù)的發(fā)明人是加州大學(xué)伯克利分校的胡正明教授。Fin是魚鰭的意思，F(xiàn)inFET命名根據(jù)晶體管的形狀與魚鰭的相似性。 發(fā)明人 該項技術(shù)的發(fā)明人是加州大學(xué)伯克利分校的胡正明(ChenmingHu)教授。胡正明教授1968年在臺灣國立大學(xué)獲電子工程學(xué)士學(xué)位，1970年和1973年在伯克利大學(xué)獲得電子工程與計算機科學(xué)碩士和博士學(xué)位。現(xiàn)為美國工程院院士。2000年憑借FinFET獲得美國國防部高級研究項目局最杰出技術(shù)成就獎(DARPAMostOutstandingTechnicalAccomplishmentAward)。他研究的BSIM模型已成為晶體管模型的唯一國際標準，培養(yǎng)了100多名學(xué)生，許多學(xué)生已經(jīng)成為這個領(lǐng)域的大牛，曾獲Berkeley的最高教學(xué)獎;于2001~2004年擔(dān)任臺積電的CTO。 胡正明(ChenmingHu)教授 FinFET的工作原理 FinFET閘長已可小于25nm，未來預(yù)期可以進一步縮小至9nm，約是人類頭發(fā)寬度的1萬分之1。由于在這種導(dǎo)體技術(shù)上的突破，未來芯片設(shè)計人員可望能夠?qū)⒊売嬎銠C設(shè)計成只有指甲般大小。FinFET源自于傳統(tǒng)標準的晶體管—場效晶體管(Field-EffectTransistor;FET)的一項創(chuàng)新設(shè)計。在傳統(tǒng)晶體管結(jié)構(gòu)中，控制電流通過的閘門，只能在閘門的一側(cè)控制電路的接通與斷開，屬于平面的架構(gòu)。在FinFET的架構(gòu)中，閘門成類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)，可于電路的兩側(cè)控制電路的接通與斷開。這種設(shè)計可以大幅改善電路控制并減少漏電流(leakage)，也可以大幅縮短晶體管的閘長。 發(fā)展狀態(tài) 在2011年初，英特爾公司推出了商業(yè)化的FinFET，使用在其22nm節(jié)點的工藝上。從IntelCorei7-3770之后的22nm的處理器均使用了FinFET技術(shù)。由于FinFET具有功耗低，面積小的優(yōu)點，臺灣積體電路制造股份有限公司(TSMC)等主要半導(dǎo)體代工已經(jīng)開始計劃推出自己的FinFET晶體管，為未來的移動處理器等提供更快，更省電的處理器。從2012年起，F(xiàn)inFET已經(jīng)開始向20納米節(jié)點和14nm節(jié)點推進。 在所有的實際應(yīng)用中，體硅和SOI晶圓具有類似的性能和成本;但是，由于體硅FinFET器件具有更大的工藝差異性而使得制造變得更具挑戰(zhàn)性。體硅晶圓加工的高差異性使其最終產(chǎn)品的性能變得不可預(yù)測。我們發(fā)現(xiàn)，兩種工藝方案具有類似的直流DC和交流AC特性。與SOIFinFET相比，PN結(jié)隔離FinFET器件性能將會受到寄生電容增大5%～6%得影響。 采用PN結(jié)隔離的體硅FinFET器件的工藝流程 與此相反，對工藝差異性的比較表明，SOIFinFET器件可能具有更好的匹配特性。在SOI工藝中，“鰭”的高度和寬度可能更加容易控制，而體硅工藝則在制造和工藝控制方面面臨著更為嚴峻的挑戰(zhàn)。
SOIFinFET器件和PN結(jié)隔離體硅FinFET器件的差異性比較 SOIFinFET、體硅FinFET和平面晶體管的性能比較 在22nm技術(shù)節(jié)點階段，對提高器件密度的期望使得FinFET器件開始具有比平面技術(shù)更為實在的優(yōu)勢。 首先，接觸柵極的節(jié)距必須按比例縮小到小于約束柵constraininggate的長度，也就是要小于所有高性能晶體管的溝道長度。FinFET器件本身所具有的短溝道性能優(yōu)勢將可以進行上述的按比例縮小，而不會產(chǎn)生在平面晶體管中由于需要進行大面積溝道摻雜所引起的有害效應(yīng)。 同時，對SRAM位單元的期望已開始規(guī)定對每個獨立晶體管在差異性上的要求。未摻雜的體硅FinFET器件，正如大多數(shù)重點研究所關(guān)注的，是需要消除注入摻雜濃度的隨機波動(RDF)對器件差異性的影響，對于低工作電壓的高性能SRAM位單元來說，去除這種RDF可能是必需的。 SOIFinFET和PN結(jié)隔離體硅FinFET器件的成本對比 SOI和體硅FinFET器件的總成本之差（相對于總的晶圓制作成本） SOIFinFET由于增加了基片的成本，使其總的器件成本有所增加。但在大批量生產(chǎn)中，這種基片成本的增量將在很大程度上能抵消由于體硅器件復(fù)雜工藝造成的成本增量。 臺積電、三星、高通、蘋果、intel、AMD等工藝競爭激烈 代工業(yè)的成長不可能一蹴而成，其中臺積電的老大地位不可動搖。尤其是2009年張忠謀第二次執(zhí)掌公司以來，采用令人膽寒的積極投資擴張策略，在2010年～2013年期間總投資達300多億美元，使得先進制程技術(shù)不斷推進，再次穩(wěn)固了代工龍頭地位，并取得十分喜人的結(jié)果。
2013年臺積電總產(chǎn)能約月產(chǎn)130萬片(8英寸計)，其中28nm產(chǎn)能為月產(chǎn)13萬片(12英寸計)，全球市占率按銷售額計達80%。而且它的28nm爬坡速度非常快，2011年第四季度它的28nm剛剛啟步，季銷售額才1.5億美元，至2012年年底已經(jīng)占年銷售額170億美元的24%，達40.8億美元，2013年年底占近200億美元銷售額的37%，達到65億美元。 以每月6萬片晶圓的產(chǎn)能來計算，臺積電20nm制程晶圓的平均價格估計在2014年第四季度達到每片6000美元，與28nm晶圓平均價格(約4500美元～5000美元)相較有很大的提升。而估計其16nm/14nm的FinFET晶圓的生產(chǎn)成本約為每片4000美元，加上毛利率約45%，銷售價格則為每片7270美元。如果臺積電對于20nm制程的預(yù)測準確，從整體上看它的20nm制程的市占率，將會在2014年第四季度時達到全球的95%。 由此可以看出臺積電代工老大地位不可動搖的原因： 一是成品率高達90%，對手們可能約70%; 二是擁有向客戶提供支持的約6300項IP專利，業(yè)界戲稱如有個“圖書館”一樣; 三是產(chǎn)能迅速到位，如28nm的產(chǎn)能達月產(chǎn)13萬片，是格羅方德的3倍。 在16nm/14nm區(qū)段 目前產(chǎn)能僅5萬片 與28nm代工產(chǎn)業(yè)不同，未來全球16nm/14nm及以下的代工格局前景難料。因為目前全球半導(dǎo)體業(yè)的現(xiàn)狀是這樣的：從技術(shù)上每兩年前進一個工藝節(jié)點，理論值是2013年14nm及2015年10nm，可實際上英特爾的14nm量產(chǎn)推遲到了2014年第四季度，相比正常情況延長了兩個季度。臺積電更是靈巧，聲言2014年是20nm量產(chǎn)及2015年才是16nm量產(chǎn)的時間點。三星電子推出先進代工制程14nmFinFET的應(yīng)用處理器(AP)試制品，將先提供給高通、蘋果、超微(AMD)等主要客戶，但是目前它們的產(chǎn)能不足，三星才月產(chǎn)1萬～1.5萬片，格羅方德才3.5萬片。兩者加總才月產(chǎn)5萬片。 更關(guān)鍵的是，目前10nm工藝制程都是處于研發(fā)階段，包括英特爾、臺積電及三星在內(nèi)，離真正量產(chǎn)尚有距離，其中的變數(shù)還很多。最樂觀的預(yù)測，10nm制程也要到2016年才能量產(chǎn)。另外，10nm制程之后，究竟如何往下走，尚不十分清楚，其中包括EUV何時準備好難以預(yù)言，10nm時193nm光刻工藝的成本與柵極材料的替代品的工藝等尚未完全就位。 按Gartner的觀點，從近期來看，在1～2年內(nèi)FinFET的量產(chǎn)，全球代工的產(chǎn)能需求不會超過月產(chǎn)5萬片。而到2018年前也不會有大于月產(chǎn)25萬片的市場需求。而這樣的市場需求有兩家大的代工廠已經(jīng)足夠，所以現(xiàn)在眾多的一線代工廠紛紛進入FinFET工藝，未來一定會發(fā)現(xiàn)有人失聲。 按PacificCrestSecurities的分析師的觀點，從投資規(guī)模計，16nm/14nmFinFET技術(shù)投資1萬片產(chǎn)能要12.7億美元的投資，再增加2萬片需25億美元的投資。 還有一個不能言透的問題，技術(shù)方面誰能真正過關(guān)，即成品率能同步嗎?據(jù)目前的態(tài)勢，無論臺積電的20nm量產(chǎn)還是英特爾的14nm量產(chǎn)，都出現(xiàn)了推遲的現(xiàn)象，都有成品率的問題存在其中。所以，未來究竟誰的技術(shù)真正過關(guān)還需觀察。 |
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