Перспективы развития технологий ведущих поставщиков логики и кремниевых заводов

Перспективы развития технологий ведущих поставщиков логики и кремниевых заводов

Выпуск 6(6680) от 21 марта 2019 г.
РУБРИКА: ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРО И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Современный уровень развития технологических процессов поставщиков логики и услуг кремниевых заводов связан с появлением значительного числа вариаций базовых процессов. Такой подход призван удовлетворять потребителей с разными запросами (низкая и ультранизкая потребляемая мощность, высокая производительность, малая площадь кристалла и т. п.). Кроме того, если одни фирмы продолжают масштабировать свои процессы (Intel, TSMC, Samsung), другие предпочитают глубокую модернизацию уже имеющихся (GlobalFoundries) с целью снижения издержек.

Дальнейшее развитие микроэлектроники зависит от способности изготовителей ИС продолжать наращивать производительность и функциональность своих приборов, оставаясь в рамках приемлемых для заказчиков цен. По мере того как основные КМОП-процессы достигают своих теоретических, практических и экономических пределов, снижение удельной стоимости ИС (на функцию или по производительности) становится особенно важной и сложной задачей. «Полный анализ и прогноз развития микроэлектроники» (McClean Report – ​A Complete Analysis and Forecast of the Integrated Circuit Industry), выпущенный в январе 2019 г. корпорацией IC Insights (г. Скотсдейл, шт. Аризона, США), показывает, что разнообразие предлагаемых фирмами-изготовителями технологических процессов, ориентированных на логические приборы, сегодня больше, чем в любой предшествующий период (см. рисунок). При этом регулярно появляются расширенные вариации базового процесса.



Источник: данные компаний, материалы конференций, IC Insights

Маршрутная карта развития технологических процессов производителей логики и кремниевых заводов (поточно-массовое производство)

Примечание 1. Понятия «поколение технологического процесса» и «начало массового производства» у различных производителей могут отличаться из маркетинговых соображений, поэтому точки перехода на новую технологию указаны ориентировочно.

Примечание 2. Знаками «+» и «++» после минимальных топологических норм технологического процесса обозначены расширенные версии базового процесса. Как правило, первые («+») расширенные версии предлагают экономию занимаемого на плате места и сниженную потребляемую мощность. Они в основном ориентированы на мобильную технику.

Вторые расширенные версии («++») предлагают как высокую производительность, так и малую потребляемую мощность и ориентированы на ИС для старших (наиболее производительных) моделей различных конечных электронных систем.


Intel. Кодовое наименование процессоров девятого поколения корпорации, представленных в конце 2018 г., – ​Coffee Lake-S (иногда Coffee Lake Refresh). По заявлению специалистов Intel, эти процессоры представляют собой совершенно новое поколение, в то время как многие отраслевые специалисты рассматривают их как усовершенствованные изделия восьмого поколения. Пока Intel опубликовала слишком мало информации об этих процессорах, но, по всей видимости, они изготовлены по расширенной версии процесса 14 нм++, который можно рассматривать как процесс 14 нм+++.

В 2019 г. планируется наращивать крупносерийное производство по 10-нм процессу нового семейства процессоров Sunny Cove, представленного в декабре 2018 г. Похоже, что архитектура Sunny Cove фактически заняла место архитектуры Cannon Lake (10-нм процесс), которую ранее предполагалось реализовывать в 2019 г. Ожидается, что в 2020 г. в массово-поточном производстве начнет осваиваться технологический процесс 10 нм+.

TSMC. Этот крупнейший в мире кремниевый завод начал массовое производство ИС по 10-нм процессу в конце 2016 г., но быстро перешел на 7-нм процесс. Специалисты корпорации считают, что 7-нм технологическое поколение будет обладать таким же длительным циклом использования в производстве, как 28-нм и 16-нм процессы.

Фирменный процесс с использованием 5-нм топологий находится в стадии разработки. Опытное производство запланировано на первое полугодие 2019 г., а массово-поточное – ​на 2020 г. В данном процессе будет применяться литография предельной УФ-области спектра (EUV, длина волны излучения 13,5 нм). Однако первым процессом, в котором будет использоваться EUV-литография, станет усовершенствованная версия 7-нм процесса – ​7 нм+ (со II кв. 2019 г.). В этой версии применение EUV будет ограничено четырьмя критическими слоями. В рамках 5-нм процесса EUV-литография будет использоваться шире – ​с ее помощью будет формироваться до 14 слоев.

Samsung. В начале 2018 г. корпорация Samsung начала массово-поточное производство ИС по второму поколению 10-нм процесса (10LPP). В конце 2018 г. Samsung представила третье поколение 10-нм процесса – ​10LPU (версия со сверхмалой потребляемой мощностью), обеспечивающее дальнейшее повышение производительности. На уровне 10-нм технологий Samsung использует методику тройного формирования рисунка (triple patterning). В отличие от TSMC, корпорация предполагает, что ее 10‑нм семейство процессов (включая 8-нм производные процессы) будет обладать длительным сроком использования.

Опытное производство ИС по 7-нм технологии корпорация Samsung начала в октябре 2018 г. При этом был пропущен этап иммерсионной литографии и осуществлен переход к непосредственному применению EUV-литографии, которая используется для формирования 8–10 слоев.

GlobalFoundries. Корпорация рассматривает свой 22-нм FD-SOI (полностью обедненный «кремний-на-изоляторе», 22FDХ) процесс как дополняющий и расширяющий возможности фирменной 14‑нм FinFET-технологии. Утверждается, что платформа 22FDX обеспечивает производительность, очень близкую к производительности 14-нм FinFET-процесса, но при этом производственные издержки остаются на уровне 28-нм технологии.

В августе 2018 г. GlobalFoundries существенно поменяла стратегию развития – ​остановила разработку 7-нм процесса из-за огромных затрат на развертывание производства по данной технологии, а также из-за малого числа клиентов, планирующих ее использовать. Усилия корпорации сосредоточены на развитии и совершенствовании 14-нм и 12-нм FinFET-процессов и фирменной FD-SOI-технологии.

* * *

В течение последних 50 лет микроэлектроника достигла значительных успехов в повышении производительности как производства, так и собственно ИС. Хотя отрасль уже преодолела многие стоявшие перед ней проблемы, по мере дальнейшего развития появляются новые, все более сложные. Несмотря на это проектировщики и изготовители микросхем в целях повышения функциональности приборов разрабатывают решения, являющиеся скорее революционными, чем эволюционными.

 

Advances in Logic IC Process Technology Move Forward. IC Insights, Research Bullettin, February 21, 2019: www.icinsights.com.


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Павел Игнатов

В настоящее время повышение функциональности приборов обеспечивается мировыми производителями скорее за счет эволюционных решений, чем революционных. Так, одним из основных трендов является применение принципов 2D- и 3D-сборки с применением интерпозеров и TSV, которые были разработаны еще 8–10 лет назад, а свое развитие получили лишь после того, как было разработано технологическое оборудование, поддерживающее эти конструктивно-технологические исполнения и позволяющее организовать их серийное производство.

Что касается повышения функциональности приборов на уровне чипов, то опять же до технологического уровня 10–5 нм используют решения, которые начали применяться 6–10 лет назад. Например, принцип мультипаттернирования начал использоваться для технологического уровня 28 нм и менее для того, чтобы обойти физические ограничения иммерсионной литографии. С появлением на рынке технологического оборудования EUV-литографии появилась возможность заменить его на метод прямого переноса изображения, и у производителей теперь встает только экономический вопрос: или покупать дорогой EUV-сканер, или использовать иммерсионную литографию с бόльшим числом этапов литографий и более длительным циклом производства.

С точки зрения методов формирования транзисторных структур для всех технологий начиная с 16 нм и менее используются принцип заменяемого металлического затвора RMG (начал использоваться с 28 нм), структура FinFET-транзистора (используется с 16 нм), силицидирование контактов Ni (начало использоваться для 65 нм), формирование медной металлизации методом двойного дамасцена (начал использоваться с 130 нм, а для уровня 5 нм и менее рассматривается применение Rb в качестве материала металлизации).

Если говорить о технологиях в целом, то можно рассматривать два направления: объемный кремний и обедненный кремний или FD-SOI (развивают GF, STM и Samsung). Преимущества технологии FD-SOI заключаются в возможности получения для элементной базы характеристик, сравнимых с характеристиками ЭКБ на объемном кремнии, но с меньшими топологическими размерами. Так, по характеристикам элементной базы процесс 22 нм FD-SOI сравним с процессом 14 нм на объемном кремнии. Однако основным недостатком применения технологии FD-SOI является бόльшая сложность проектирования и существенно меньшее количество доступных на рынке IP-блоков.


В ЦЕНТРЕ ВНИМАНИЯ

Cree Inc.

Дата основания : 1987 г.
Оборот: 1,493 млрд долл. руб.
Количество сотрудников: 6387 чел.
Штабквартира: г. Дарем, шт. Северная Каролина, США.

Большинство продуктов компании реализуется на основе карбида кремния (SiC). Это соединение редко встречается в природе, но Cree успешно синтезирует его в промышленных объемах, пользуясь результатами собственных лабораторных исследований. SiC обеспечивает более высокую производительность в приложениях, где требуется высокая износостойкость, и в полупроводниковых приборах, работающих при высоких температурах и напряжениях. Создание надежного производства высококачественного SiC позволило корпорации расширить свою деятельность на ряд сегментов рынка, где требуются приборы повышенной производительности и эффективности.

Входящая в Cree фирма Wolfspeed – ​один из немногих поставщиков наиболее проверенных SiC- и GaN-решений в области энергетики и РЧ-применений. Cree/Wolfspeed лидирует в области широкополосных полупроводниковых технологий. Корпорация сотрудничает с ведущими мировыми проектировщиками с целью создания более быстродействующих, компактных, легких и мощных электронных систем.

В настоящее время Cree производит высоковольтные SiC диоды Шоттки с напряжением от 300 до 1200 В и током до 20 А по технологии Zero Recovery™ (с нулевым временем обратного восстановления), СВЧ полевые транзисторы, а также кристаллы для СИД и полупроводниковых лазеров синего и ультрафиолетового диапазона. GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) и монолитные СВЧ ИС (MMIC) от Cree/Wolfspeed предоставляют больше частотных диапазонов, чем продукция других производителей. Приборы имеют большую дальность обнаружения, улучшенное распознавание цели и более долгий срок службы, чем устаревшая технология ламп бегущей волны.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 13(6737) от 08 июля 2021 г. г.