Оживление интереса к технологии FD‑SOI

Оживление интереса к технологии FD‑SOI

Выпуск 5(6729) от 11 марта 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

В прошлом номере начата публикация статьи о технологии полностью обедненного «кремния-на-изоляторе» (full-depleted silicon-on-insulator, FD-SOI) и последних достижениях, которые вновь оживили интерес к ее использованию. Были затронуты вопросы основных преимуществ технологии и оптимизации энергопотребления изготовленных с ее применением приборов. В этом выпуске рассматриваются вопросы аналоговой схемотехники, технологий ультранизкой потребляемой мощности фирм Mixel и NXP, а также роли СФ-блоков фирмы Mixel в экосистеме FD-SOI.

Проектирование приборов с малой потреб-ляемой мощностью – ​одна из важных задач наших дней, как и проектирование аналоговых приборов. Применение технологии FD-SOI при реализации аналоговых и цифро--аналоговых конструкций обеспечивает ряд преимуществ, среди которых можно отметить:

лучшее усиление (т. е. транскондуктивность к току стока);

более высокую пропускную способность;

улучшенные возможности согласования параметров.

В зависимости от типа разрабатываемых аналоговых и цифро--аналоговых СФ-блоков применение FD-SOI может обеспечить одно или несколько преимуществ по сравнению с использованием монолитного КМОП-процесса. Стоит отметить, что объем преимуществ, получаемых в последние 10 лет при масштабировании монолитных КМОП-приборов, постоянно снижался (рис. 1).



Источник: EE Times

Рисунок 1. Отношение усиления и длины затвора 28‑нм FD-SOI и монолитных маломощных транзисторов


Даже до возникших недавно проблем с дальнейшим действием т. н. закона Мура наблюдалось лучшее масштабирование цифровой схемотехники по сравнению с аналоговой. Итогом введения новых геометрий ИС с элементами уменьшенных размеров часто становятся паразитные явления и разброс параметров процесса, что усложняет работу проектировщиков аналоговых приборов. Это особенно верно для монолитных КМОП-структур, где различные негативные явления часто группируются как эффекты короткого канала (short channel effects, SCE).

Современные «системы-на-кристалле» (SoC) по большей части состоят из цифровых блоков и элементов. Поэтому проектировщикам аналоговых приборов и поставщикам аналоговых СФ-блоков приходится делать свои конструкции максимально совместимыми с технологическими процессами, получившими наибольшее распространение у «цифровых» клиентов. С ретроспективной точки зрения доминирующий ныне монолитный КМОП-процесс был достаточно недорогим производственным решением. Но по мере масштабирования ниже 28‑нм технологического уровня и освоения архитектуры FinFET на уровне 16/14‑нм проектных норм проблема перестала быть чисто технической, существенно выросла значимость ее экономического аспекта. Масштабирование теперь может оказаться слишком дорогим подходом для изделий с коротким жизненным циклом и малыми объемами производства.

Кроме того, появление рынка Интернета вещей открывает множество вертикально--организованных рынков – ​потребительских, промышленных и медицинских систем, умных домов и носимой электроники. Все подобные приборы и системы могут извлечь выгоду из преимуществ, обеспечиваемых аналоговыми FD-SOI-конструкциями. Изделия для нового поколения приборов Интернета вещей требуют правильного сочетания таких факторов, как длительность цикла вывода новинки на рынок, малой потребляемой мощности, внутрикристальной (встроенной) флэш-памяти, межсоединений устройств ввода–вывода и радио- или аналоговых блоков. Технология FD-SOI позволяет наилучшим образом сочетать эти параметры, обеспечивая лучшую производительность, меньшие потребляемую мощность и издержки без необходимости перехода к более дорогостоящим процессам на основе FinFET.

Если подробнее рассмотреть показатели надежности (figures of merit, FOM), предоставляемые проектировщику FD-SOI-процессом, можно увидеть и другие. Один из наиболее важных показателей при проектировании аналоговых приборов – ​транскондуктивность (Gm), играющая важную роль в усилении, существенной характеристике многих аналоговых функций. Этот показатель важен как один из индикаторов тока возбуждения на основе входного напряжения в отдельном транзисторе. Отношение транскондуктивности к току стока – ​Gm/Id – ​является показателем эффективности транскондуктивности.

Как показано на рис. 1, FD-SOI-приборы с 28‑нм проектными нормами обладают лучшей транскондуктивностью на длину затвора по сравнению с монолитными КМОП-приборами, реализованными по тем же проектным нормам. Это обеспечивает лучшую эффективность перехода при данных токе стока и площади транзистора (ширина/длина, W/L). Таким образом, 28‑нм FD-SOI-процесс не только обеспечивает лучшую Gm на основе стандартного масштабирования, но и лучшее внутреннее, или «собственное», усиление (GmR0) благодаря своему тонкому каналу, более низкой емкости затвора (Cox) и меньшим значениям других SCE-параметров (эффектов короткого канала). Дальнейшее улучшение происходит за счет методики проектирования аналоговых приборов с использованием топологий токового зеркала с более высоким выходным сопротивлением. Это приводит к меньшему ухудшению выходного сопротивления (R0), благодаря чему достигается максимальный коэффициент усиления прибора, достижимый в рамках данного процесса.

Технология FD-SOI лучше подходит для аналоговых приложений, где одной из основных задач проектирования является транскондуктивность или более эффективное усиление. Следует учитывать, что для каждой конкретной длины транзистора (L) у аналоговых транзисторов ширина (W) больше, за счет чего и достигается более высокая Gm. В аналоговых конструкциях монолитных КМОП-приборов проектировщики обычно избегают малых значений длины транзистора, поскольку при меньших геометриях процесса уменьшается коэффициент самоусиления (т. е. увеличиваются эффекты короткого канала). Технология FD-SOI смягчает это ухудшение и обеспечивает сохранение производительности при уменьшении площади (WL).

Два других показателя FOM, имеющие большое значение при проектировании аналоговых приборов, это ft и fmax. Эти параметры обеспечивают соответственно измерение коэффициента усиления по току и коэффициента усиления по мощности в зависимости от частоты. Показатель ft – ​это частота, на которой коэффициент усиления по току равен единице (или 0 дБ) (уравнение 1).

                      (1)

Упрощенно ft можно рассматривать как пропорциональную транскондуктивности по емкости затвора и примерно пропорцио-нальную обратному квадрату длины транзистора (L2). При малом усилении сигнала, по мере увеличения входной частоты, напряжение насыщения затвор–исток (Vgs) уменьшается, уменьшая выходной ток ID, задаваемый GmVgs/CTOT, игнорируя (на данный момент) сопротивление. Это показывает, что коэффициент усиления по току транзистора не фиксирован, а является функцией данной частоты (ft). Поскольку FD-SOI-приборы имеют меньшую общую емкость и большее значение Gm, единичный коэффициент усиления (ft) выше, благодаря чему расширяется полезный диапазон усиления (коэффициент усиления – ​пропускная способность). Данная приборная метрика у FD-SOI-устройств лучше, чем у монолитных КМОП-устройств.

Показатель fmax – ​это частота, на которой коэффициент усиления мощности равен единице (0 дБ). Также fmax указывает на максимальную частоту колебаний. Кроме того, fmax считается лучшим показателем FOM, чем ft, так как учитывает паразитные SCE-явления монолитных КМОП-устройств. Упрощенное соотношение fmax и ft можно выразить как (2):

                           (2)

В FD-SOI-процессе коэффициент усиления мощности и максимальная частота колебаний транзисторов лучше из-за более высокой ft. Отношение ft/fmax 28‑нм FD-SOI-транзисторов сопоставимо с аналогичным показателем 16/14‑нм FinFET-транзисторов, снижение Gm даже больше, как и снижение суммарной емкости (затвор и область истока–стока). В целом увеличение тока и коэффициента усиления мощности увеличивает максимальную скорость передачи данных, позволяя FD-SOI-транзисторам поддерживать более высокопроизводительные аналоговые СФ-блоки (например, быстродействующие SERDES).

Еще одна проблема проектировщиков аналоговых приборов, ключевая для достижения высокой производительности и высокой точности, – ​это топология схемы. Плохой выбор топологии транзисторов ведет к рассогласованию параметров, что отрицательно воздействует на производительность схемы. Транзисторные архитектуры, определяемые данным процессом, а также размерность ширины и длины транзисторов вносят в конструкцию фактор изменчивости параметров. В случае монолитных КМОП-устройств случайные флуктуации легирующих примесей (RDF), возникающие вследствие SCE-эффектов и гало-эффектов легирования, могут приводить к значительной изменчивости параметров этих устройств, что, в свою очередь, приводит к снижению как производительности, так и выхода годных. Процесс FD-SOI снижает изменчивость параметров прибора благодаря тонкости канала и отсутствию легирования. Стандартным методом уменьшения изменчивости параметров монолитных КМОП-приборов является увеличение ширины или длины транзисторов для повышения напряжения перевозбуждения затвора. Проектирование в рамках FD-SOI технологического процесса изменяет эту парадигму. Приборы с одинаковой площадью транзисторов (W·L) обеспечивают ту же самую или лучшую удельную (на единицу площади) производительность. На рис. 2 показано общее снижение площади и изменчивости параметров, достигаемое при использовании FD-SOI-процесса. Конструкции на основе FD-SOI демонстрируют не только меньшее рассогласование параметров, но и бóльшую удельную (по площади) эффективность.



Источник: Mixel

Рисунок 2. Улучшение отношения производительности и площади аналоговых приборов (снижение рассогласования параметров)


Использование FD-SOI в приборах семейства i.MX 7ULP корпорации NXP

Преимущества технологии FD-SOI выходят далеко за рамки описанных ранее применительно к аналоговым и цифро--аналоговым приборам. Данная технология хорошо подходит для создания продуктов, к которым предъявляются требования предельно малой (ультрамалой) потребляемой мощности. Изделия на основе SoC-платформ для недорогих приборов Интернета вещей и носимой электроники пользуются большим спросом. Предполагается, что емкость рыночного сегмента Интернета вещей вырастет в 2025 г. до 75 млрд долл. Одни из лидеров в области разработки технологий и продуктов на основе FD-SOI – ​корпорации Mixel и NXP. В частности, в целях удовлетворения спроса на рынке Интернета вещей корпорация NXP недавно представила платформу i.MX 7ULP (рис. 3) и соответствующее семейство SoC.



Источник: NXP

Рисунок 3. Целевые применения приборов семейства i.MX 7ULP фирмы NXP

* SoM (system-on-modules) – «система-на-модуле», решение на основе высокопроизводительных программируемых процессоров типа «система-на-кристалле». SoM позволяют получить нужные функции без затрат времени на самостоятельное проектирование дискретного (автономного) процессора и вспомогательных компонентов. Реализуются с использованием архитектур ARM или х86, обычно предназначены для различных приложений, включая встраиваемые видеосистемы и устройства Интернета вещей.


Эти портативные приборы с питанием от батареек должны потреблять как можно меньше энергии и в активном режиме, и в режиме ожидания. Кроме того, к ним предъявляется требование минимизации площади кристалла. Возможность работать при более низком напряжении не только снижает потребляемую мощность, но и увеличивает время автономного функционирования. Все это достигается благодаря правильно выбранному сочетанию процесса и архитектуры проектирования. Сам FD-SOI-процесс обеспечивает создание оптимизированных решений, позволяющих не только увеличить производительность и снизить энергопотребление, но и осуществить это при минимальной площади кристалла. Отмечается, что платформа i.MX сформирована на том же FD-SOI-процессе корпорации Samsung, который позволяет осуществлять настройку структур физического уровня для достижения более низкой потребляемой мощности или увеличенной производительности.

В целом общая архитектура платформы i.MX 7ULP поддерживает несколько вариантов изделий. Как уже упоминалось, корпорация NXP использовала многие отличительные особенности FD-SOI-процесса для настройки преимуществ с точки зрения соотношения потребляемой мощности и производительности. Это осуществлялось с целью оптимизации решений физического уровня. К некоторым преимуществам, обеспечиваемым данной платформой, относятся:

улучшенная электростатика, позволяющая использовать затворы меньшей длины;

снижение паразитных явлений приборов, позволяющее увеличить производительность;

использование напряжения обратного смещения подложки, что позволяет снизить напряжение питания при сохранении производительности;

использование напряжения обратного смещения подложки для резкого снижения потребляемой мощности в режиме ожидания;

настройка прибора с использованием напряжения смещения подложки для компенсации изменчивости параметров технологического процесса.

Платформа i.MX характеризуется гибкими возможностями подключения и сверхнизкой потребляемой мощностью в активном режиме работы и в режиме ожидания. Гетерогенная доменная вычислительная архитектура (применение процессорных ядер Cortex A и Cortex M) позволяет дискретно разделять области вычислительной мощности. Благодаря этому бóльшая часть кристалла ИС может быть отключена. В этом случае ядро (ядра) Cortex M работает с предельно малой потребляемой мощностью, обслуживая компоненты, всегда находящиеся во включенном состоянии. Подобный подход позволяет существенно улучшить переход из режима ожидания в рабочий режим.

Специалисты корпорации NXP также оптимизировали свои процессы проектирования, ориентировав их на повышение энергоэффективности. Использование гетерогенной доменной вычислительной архитектуры позволяет минимизировать токи утечки. Кроме того, реализовано несколько режимов работы с малой потребляемой мощностью, от режима с низким энергопотреблением до режима ожидания, каждый из которых был оптимизирован под максимальную энергоэффективность.

В области изучения требований различных рынков для обеспечения правильного баланса функциональности и уровней допустимой мощности в сочетании с FD-SOI технологическим процессом корпорация NXP тесно сотрудничала с фирмой Mixel. Выбор ряда ее СФ-блоков оказался очень важным для дальнейшего повышения энергоэффективности продукции NXP.

Так, объединив подходящий процесс, архитектуру проектирования и СФ-блоки, разработчики NXP сумели значительно снизить энергопотребление. Например, в режиме ожидания потребляемая мощность процессоров на основе платформы i.MX 7ULP оказалась в 5–20 раз меньше, чем у процессоров на основе предшествующих платформ (рис. 4).



Источник: NXP

Рисунок 4. Улучшение параметров платформы i.MX 7ULP по сравнению с предшествующими платформами

* LPDDR – DDR с малой потребляемой мощностью. DDR (double data rate) – технология ввода–вывода данных через интерфейс ДОЗУ с удвоенной скоростью.


Место СФ-блоков фирмы Mixel в экосистеме FD-SOI

Для того чтобы полностью реализовать преимущества любой новой технологии, необходимо создать и развить целостную экосистему цепочки поставок. В случае FD-SOI-технологии в такую экосистему входят кремниевые заводы, разработчики СФ-блоков, поставщики инструментальных средств САПР, а также фирмы, специализирующиеся на услугах сборки, корпусирования и тестирования ИС. Все участники экосистемы предоставляют разработчику ИС необходимые услуги. Кремниевый завод служит производственной базой. Разработчики СФ-блоков предоставляют основные функциональные блоки, применяемые в конечной ИС, произведенной на кремниевом заводе. Поставщики инструментальных средств САПР обеспечивают разработчика ИС необходимыми средствами проектирования и совершенствования конструкций микросхем с учетом производственного опыта. Услуги по корпусированию и тестированию являются завершающими этапами, необходимыми для создания эффективных и надежных микросхем.

Основные элементы создания нового технологического процесса кремниевого завода (в данном случае FD-SOI) – ​разработка собственно процесса, технологического маршрута и необходимых СФ-блоков. При этом полупроводниковые фирмы при разработке ИС на основе нового технологического процесса должны обеспечивать определенный уровень рентабельности. Для достижения рентабельности и обеспечения ценности нового технологического процесса нужен доступ к основным СФ-блокам, обеспечивающим данную технологию. Без готовых СФ-блоков процесс проектирования ИС потребует слишком много средств и времени.

Кремниевые заводы монетизируют свои инвестиции за счет продаж обработанных пластин. Поставщики СФ-блоков получают прибыль от продаж своих разработок, их лицензирования и роялти. И кремниевый завод, и поставщик СФ-блоков тратят на создание новой технологии реальные ресурсы и деньги. Бизнес в области СФ-блоков существует уже более 20 лет. Поставщики используют свои специальные знания в различных областях (архитектура процессоров, протоколы, интерфейсы, конструкции схем памяти и т. п.) для создания СФ-блоков, которые могут быть легко интегрированы в полный цикл проектирования ИС. В случае фирмы Mixel этот специальный опыт включает в себя подробные знания о том, как проектировать СФ-блоки MIPI, LVDS и другие типы интерфейсных блоков.

В таблице приводится перечень СФ-блоков фирмы Mixel, доступных для 28‑нм FD-SOI-процесса и 22FDX‑процесса. Важные факторы успеха их разработки – ​опыт специалистов Mixel в области проектирования аналоговых и цифро--аналоговых приборов, а также глубокое понимание собственно FD-SOI-процесса.


Таблица

Параметры СФ-блоков фирмы Mixel для 28‑нм FD-SOI- и 22‑нм 

FDX-процессов

Наименование СФ-блока

Характеристики

Технологический уровень

D-PHY Universal

Напряжение 1,2 В; пропускная способность 2,5 Гбит/с; кольцевая тестируемость; компенсация сдвига по фазе. Пропускная способность 800 Мбит/с; ультрамалая потребляемая мощность; носимая электроника, приборы Интернета вещей

28‑нм FD-SOI-процесс, аттестованный на физическом уровне

D-PHY DSI TX

Пропускная способность 1,5 Гбит/с; малая компенсация сдвига по фазе; тестовые режимы

D-PHY CSI‑2 RX

Пропускная способность 1,5 Гбит/с; тестовые режимы

LVDS TX

Пропускная способность 1,25 Гбит/с; 4 или 8 каналов; 7 или 10 бит/канал

LVDS/D-PHY TX Combo

Пропускная способность 1,05 Гбит/с; 4 или 8 каналов; тестовые режимы

D-PHY CSI‑2 TX

Пропускная способность 2,5 Гбит/с на дорожку; 4 дорожки

22‑нм FDX-процесс, аттестованный на физическом уровне

D-PHY CSI‑2 RX

Пропускная способность 2,5 Гбит/с на дорожку; 2 или 4 дорожки

   

Технологии FD-SOI с проектными нормами 28/22 нм по-прежнему привлекательны для разработчиков, создающих следующее поколение полупроводниковых приборов для Интернета вещей и мобильных систем. Сочетание улучшенных цифровых и аналоговых параметров, высокая производительность и возможность оптимизировать использование энергии в зависимости от приложения, малые потребляемая мощность и форм-фактор изготавливаемых приборов делают FD-SOI-технологию хорошим выбором для проектирования ИС. Уже сформировалась обширная экосистема, обеспечивающая существенную поддержку на уровне СФ-блоков, услуг проектирования, корпусирования и тестирования, что позволяет организовать своевременное производство продукции по себестоимости, обеспечивающей достаточную норму прибыли и разумную рентабельность. На этой основе возможно создание кремниевыми заводами все новых технологических процессов.


Hong Eric, Jedrzejewski Nik. It’s Time to Look at FD-SOI (Again). EE Times, January 21, 2021: https://www.eetimes.com/its-time-to-look-at-fd-soi-again/



ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.