為求低功耗、高能效及高性價比之元件,市場逐漸開發出FD-SOI(完全空乏型硅絕緣層金氧半晶體管)結構;而FD-SOI構造主要以SOI晶圓為核心,透過傳統Si芯片制程方式,進而以水平式晶體管架構,取代線寬較大(16~12nm)之FinFET元件。
進一步分析FD-SOI市占情形,在各廠商相繼投入開發資源下,2018年整體元件市場規模達160億美元,預估2019年整體市場可望達到270億美元(年增68.6%),后續成長態勢也將逐年上揚。
技術的發展演進,FD-SOI實現低功耗、高性價比之元件架構
由于半導體發展趨勢,使得相同面積下試圖填入更多晶體管的想法逐漸受到重視,因此衍生出微縮整體尺寸的構想,而閘極(Gate)尺寸將是微縮重點。以傳統Planar元件發展來看,其閘極線寬已微縮至極限,因而需改變元件結構才能因應此要求,而立體構造的FinFET(鰭式場效晶體管)元件就在此時被開發出來。
FinFET名稱主要由于元件結構以立體方式呈現,且其閘極構造如同魚鰭一般,豎立于源極(Source)與汲極(Drain)間,作為控制元件的開關。在這樣新穎結構下,雖可符合微縮尺寸之需求,但最大問題仍是閘極線寬必須在16nm以下(如12nm、10nm),才能有效控制從源極到汲極間的電流開關。
依現行元件發展情形,盡管已從傳統的Planar元件推升至FinFET結構,閘極線寬仍存在一段難以使用上的尺寸區,還需有其他元件技術加以補足,而FD-SOI元件結構剛好補上此缺口,實現低功耗、高性價比、制造周期短之元件架構。
對于現行技術發展情形,依照所需元件尺寸及功能的不同,可區分為兩大陣營:
精進于微縮閘極線寬之FinFET制程技術開發(如臺積電、Samsung等),試圖增加晶體管數量,提升整體元件工作效率;
投入FD-SOI制程技術,嘗試開發出低功耗、高性價比之功能性元件。盡管兩者之歷史脈絡有所不同、技術上各有千秋,但就元件技術發展趨勢評估,兩者技術仍將持續發展及并存。
各家大廠投入FD-SOI元件開發,看好后續市場發展
FD-SOI元件技術主要源于一種水平式晶體管結構,透過SOI晶圓(Si/SiO2(Buried Oxide)/Si Substrate結構)方式,將最上層Si層借由制程、設計以滿足所需功能,并作為元件導通層之用;而中間SiO2層,憑借于高阻值之材料特性,隔絕晶體管間不必要的寄生電容,提高元件工作效率,因此在這樣的制程條件下,FD-SOI可透過傳統Si芯片的機臺進行加工,降低開發所需的設備成本。
依現行終端產品應用,FD-SOI元件技術將可應用于物聯網IoT、車用元件與MEMS(微機電)元件等領域,目前已有Samsung、GlobalFoundries、STM等大廠相繼投入制程開發上。
雖然這些產品大多可由28nm制程條件下進行量產,但隨著技術進步,憑借于閘極線寬逐漸微縮的趨勢帶動下,將驅使制程條件朝向22nm、12nm目標邁進,甚至進一步跨入10nm制程,從而在相同面積下產生更多元件,大幅提升整體元件效率。
觀察采用FD-SOI元件的發展現況,從2017年開始,STM已收到Mobileye訂單需求,并運用28nm制程制造ADAS芯片;NXP也于2017年起,積極投入i.MX處理器系列的開發,并選擇Samsung FD-SOI之28nm制程技術為合作伙伴。
另外,GlobalFoundries于2018年取得新創公司Arbe Robotics訂單,其FD-SOI元件將使用先進的22nm制程技術,目標打造車用雷達芯片。由此可見,各家廠商在車用芯片領域,使用FD-SOI技術已成為一股風潮,后續仍看好該技術的市場發展。
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