28納米製程FD-SOI更具彈性優勢 成長空間仍大

意法半導體(STMicroelectronics)近年致力研發全空乏絕緣上覆矽(FD-SOI)技術，儘管鰭式場效電晶體(FinFET)在半導體產業獲得較多注意。

不過以技術與經濟層面而言，FD-SOI仍有許多優勢，包括臨界電壓(VT)選擇、標準元件最佳化等等。

根據SemiWiki網站報導，目前28納米FD-SOI製程節點雖然不是最新的製程節點，卻是物聯網(IoT)、汽車、消費性電子、移動等新興市場最物超所值的晶片方案。

意法半導體為了推廣FD-SOI技術，也將旗下28納米FD-SOI技術策略性授權給三星電子(Samsung Electronics)、GlobalFoundries等晶圓大廠。

三星在2014年中與意法半導體簽署28納米FD-SOI授權合作產制協議。

FD-SOI技術可控制電晶體的有效通道長度(effective channel length)，漏電流也透過多偏置(poly-biasing)大幅減低，沒有任何接面漏電(junction leakage)問題。

28納米FD-SOI技術也提供0.6~1.1伏特操作電壓，效能與功耗之間有更大取捨空間，其中特製多種臨界電壓元件庫(multi-threshold-voltage libraries)包括普通臨界電壓以及低臨界電壓等選擇。

而主要EDA/IP大廠也紛紛在設計流程和IP當中支援FD-SOI技術。

2014年益華電腦(Cadence)宣布提供28納米FD-SOI技術的IP解決方案。

而2015年Synopsys宣布自家Lynx Design System開始支援FD-SOI技術。

明導國際(Mentor)也在工具與設計流程支援FD-SOI製程。

FD-SOI技術最強大的一項機制是基底偏壓(body-biasing)，利用極薄的埋氧化層(buried oxide)控制電晶體通道，進一步強化效能或降低功耗。

此外，在製程補償(process compensation)過程中，基底偏壓有助提升效能卻不造成動態功率(dynamic Power)消耗。

FD-SOI技術屬於平面型電晶體，製程簡單、成本較低，無須通道摻雜(channel doping)處理，製程變異(process variation)也不如FinFET技術來得高，其光罩層與浸潤式微影(immersion lithography)層數也比FinFET技術來得少。

意法半導體以FD-SOI技術為基礎的標準元件庫(standard cell library)專為主流、低功耗、高效能應用而最佳化，且有多樣化選擇，包括可程式化光罩ECO元件，亦有12軌高效能、8軌高密度架構供選擇，將功耗、性能和面積(Power、Performance、Area；PPA)最佳化。

FD-SOI技術提供廣泛的正反器(Flip Flop)選擇，讓系統設計師取捨空間更大。

另外，也有創新的多位元正反器，可減少時脈樹(clock-tree)流量，進而減少整體動態功率。

此外，多位元正反器之間時鐘變頻器的分享行為，也致使漏電流減少。

多階段同步器則可減低多重時鐘域電路內的亞穩態(metastability)效應。

這些SoC技術由標準元件主導，因為標準元件占據電晶體超過一半的面積，占4分之3的總電力消耗，也占據晶片4分之3的重要路徑。

因此，標準元件進行PPA最佳化的步驟相當重要，是SoC最佳化的關鍵。

FD-SOI技術目前處於技術優勢，因為可區隔不同的PPA因應不同市場需求。

舉例而言，超低功耗、超低漏電流元件庫可運用於物聯網與穿戴式裝置，而低功耗、低成本元件庫則可應用於射頻(RF)類比傳輸系統，像是智能型手機、網路應用等等。

最後，業者預計將FD-SOI技術微縮至20納米，甚至是14納米，以達到低功耗、低成本的FinFET等級效能。

GlobalFoundries發表自家22納米FD-SOI技術「22FDX」平台，在不久的將來，也可望看到更多該領域的進展。

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