Мощности по обработке пластин диаметром 200 мм по-прежнему играют значительную роль. Именно на них производится большое число типов ИС для многих конечных применений, не требующих при изготовлении передовых процессов с минимальными проектными нормами. Одно из последних исследований ресурса Trends Force посвящено современному состоянию этих мощностей.

В многочисленных публикациях, начиная с декабря 2020 г. отмечается, что спрос клиентов на производственные мощности по обработке 200-мм пластин достиг «панического уровня», а сами мощности настолько ограничены, что с середины 2021 – ​второй половины 2022 г. на рынках логических приборов и ДОЗУ, выпускаемых на этих мощностях, будет наблюдаться серьезный дефицит. Например, ресурс Trends Force заявил, что острая нехватка этих мощностей возникла со II половины 2019 г., а еженедельник EE Times в феврале отметил, что дефицит вырисовывается после того, как коэффициент загрузки мощностей по обработке 200-мм пластин в I кв. 2020 г. превысил 99 %. Свою лепту в обострение ситуации внес мартовский (2020 г.) пожар на заводе корпорации Renesas, производящем ИС для автомобильной электроники по заказам таких фирм, как General Motors и других производителей автомобилей.

Причины этих проблем многочисленны, но они были усугублены последствиями пандемии COVID‑19, которая привела к росту спроса на многие виды электроники, беспроводные гарнитуры и наушники, ПК, телевизоры, мониторы и мобильные телефоны. К этому добавляются такие сектора, как автомобилестроение, которые начинают восстанавливаться после пандемии. Несмотря на существование тенденции к интеграции в одной «системе-на-кристалле» (SoC) различных функций, во многих конечных изделиях по-прежнему используются дискретные цифровые схемы в сочетании с одной или несколькими цифро-аналоговыми схемами. К таким конечным изделиям относятся ИС управления режимом электропитания (PMIC), КМОП-формирователи сигналов изображения, устройства и системы распознавания отпечатков пальцев, автомобильные приборы управления мотором, двигателями и шасси, задающие ИС дисплеев и субгигагерцовые радиоприемники. ИС для таких конечных приборов обычно изготавливаются на пластинах диаметром 200 мм с использованием технологических процессов от 180 до 350 нм.

Проще говоря, основной причиной нехватки мощностей по обработке 200-мм пластин является непрерывный рост спроса на цифро-аналоговые ИС и мощные полупроводниковые приборы.

Пытаясь решить проблему дефицита мощностей по обработке 200-мм пластин, кремниевые заводы стремятся приобрести такие линии и оборудование у традиционных изготовителей ИС (IDM). Например, UMC ведет переговоры о приобретении 200-мм технологических линий у Toshiba. При этом, по данным Trends Force, в настоящее время почти нет поставщиков, все еще производящих полупроводниковое оборудование для обработки 200-мм пластин, а это означает, что цена на такое оборудование взлетает до небес. Кром того, поскольку цены на обработанные 200-мм пластины относительно низки по сравнению с ценами на обработанные 300-мм пластины, кремниевые заводы, как правило, считают экономически неэффективным расширять свои 200-мм мощности. Налицо эффект домино, так как некоторые кремниевые заводы повышают для клиентов цены на обработку 200-мм пластин.

Другими словами, экономика 200-мм пластин делает текущий дефицит особенностью, а не сбоем в цепочке поставок. И ситуация не улучшится – ​в отличие от 300-мм технологических линий кремниевых заводов, о расширении мощностей которых, в частности TSMC (см. рисунок) и GlobalFoundries, есть много сообщений.

Источник: TSMC

Сопоставление применяемости технологических процессов TSMC для обработки 200- и 300-мм пластин (состояние на апрель 2021 г.)

Учитывая вероятность того, что возможностей создавать новые и расширять существующие мощности по обработке 200-мм пластин не предвидится, некоторые поставщики ИС переносят изготовление своих существующих конструкций со 180- и 350-нм проектными нормами с 200-мм линий на более современные линии по обработке 300-мм пластин. И многие кремниевые заводы предоставляют подходящие 130-нм технологические процессы для изготовления ИС на 300-мм пластинах, а их соответствующие мощности могут быть использованы в качестве второго (дополнительного) или основного источника для обслуживания перспективных потребностей заказчиков. Это также расширяет географическое разнообразие цепочки поставок.

Сопоставление параметров 180- и 130‑нм технологических процессов

Даже между схожими технологическими процессами, такими как 180- и 130-нм, имеются различия. Ключевым моментом является снижение порогового уровня напряжения транзистора в соответствии с уменьшением базового напряжения питания с 1,8 до 1,5 или даже 1,2 В. В рамках рассматриваемых технологических процессов предлагаются различные варианты процесса для поддержки 5-В и 3,3-В устройств ввода–вывода, а предлагаемые пассивные компоненты, необходимые для проектирования аналоговых и радиочастотных блоков, у этих технологических процессов аналогичны (см. таблицу).

Таблица

Сопоставление основных технологических уровней, используемых для цифро-аналоговых специализированных ИС (ASIC)

* BEOL (back-end-of-line) – ​завершающие операции обработки полупроводниковых пластин, включая металлизацию.

Технологии обработки 300-мм пластин обладают рядом преимуществ. В них в металлических межсоединениях вместо алюминия используется медь, что приводит к снижению удельного сопротивления, обеспечивая более высокую плотность тока и защиту от электромиграции. В рамках технологических процессах обработки 300-мм пластин также можно формировать большее число слоев металлизации. Это, в сочетании с меньшими размерами транзисторов, позволяет увеличить плотность размещения транзисторов и трассировки, а следовательно, уменьшить площадь кристалла или увеличить функциональность при заданной цене за единицу.

Кроме того, многие 180-нм и большинство 130-нм BCD-технологий обладают такими решениями, как изоляция неглубокими канавками (STI), улучшенная защита от эффекта защелкивания и изоляция подложки от помех. Этим они выгодно отличаются от изоляции локальным оксидированием кремния (local oxidation of silicon, LOCOS), используемой в большинстве 350-нм технологий. Это повышает производительность и надежность 180/130-нм ИС.

Для обработки 300-мм пластин используются более современные методы литографии, что обеспечивает лучшую подгонку устройств для повышения выхода годных, кроме того, поддерживается более низкая удельная цена за годный кристалл.

Заметим, что 130-нм BCD производственные процессы в настоящее время представляют собой очень зрелые технологии, которые предлагают гораздо больше вариантов процесса, включая различные высоковольтные классы транзисторов, энергонезависимые запоминающие устройства (OTP, флэш-память), MIM-конденсаторы, диоды Зенера или Шоттки и т. д. Это может принести пользу при интеграции сложных аналоговых или радиочастотных функций в более конкурентоспособные решения типа SoC.

Стоимость или стабильность цепочки поставок

Все ранее изложенное не означает, что нет причин сохранять мощности по обработке 200-мм пластин. Приборы, изготавливаемые на них по 350-нм производственным процессам, очень дешевы. Это связано с тем, что производственное оборудование полностью амортизировано, а производственный процесс имеет низкую сложность (небольшое число слоев). Кроме того, некоторые аналоговые схемы не всегда хорошо масштабируются в новых технологических поколениях (с меньшими проектными нормами) по сравнению с цифровыми схемами, поэтому 130-нм ИС, эквивалентные по параметрам 350-нм ИС, могут быть дороже их. Однако в большинстве случаев срыв поставки конечного продукта (будь то пара наушников, мобильный телефон или автомобиль) из-за нехватки компонентов порождает больше проблем, чем небольшая разница в стоимости подобных ИС.

Кроме того, при переходе от одного технологического уровня к другому (с меньшими проектными нормами) разработка приборов, совместимых по числу выводов и с согласованными электрическими параметрами может оказаться сложной задачей из-за несовпадения (базового) напряжения питания, напряжения устройств ввода–вывода и различий в параметрах транзисторов. Каждую конструкцию необходимо проанализировать с целью подтверждения того, что она возможна и не добавляет значительных накладных расходов, которые можно было бы легче преодолеть, создав новую конструкцию печатной платы. Следует отметить, что преодоление разрыва параметров 180-нм и 130-нм является менее трудным, чем переход от проектирования 350-нм приборов к проектированию 130-нм конструкций.

Также стоит отметить, что в настоящее время кремниевые заводы не говорят о переносе наборов средств проектирования 180-нм ИС для 200-мм пластин на линии по обработке 300-мм пластин. Эту работу должны будут выполнять аттестованные фирмы-проектировщики цифро-аналоговых ASIC (например, EnSilica), начиная либо с порта уровня схемы, либо со спецификаций ИС.

Последствия

Учитывая инвестиции, необходимые для перепроектирования ASIC, было бы целесо-образно рассмотреть возможность интеграции других функций, которые также могут быть затронуты проблемами с цепочками поставок приборов, производимых на 200-мм пластинах, особенно микроконтроллеров.

Меньший размер топологических элементов 130-нм технологического процесса позволил бы интегрировать процессоры класса Arm Cortex M с небольшими дополнительными затратами на физическом уровне. Действительно, требуемая производительность процессора и требования к памяти будут доминирующими факторами, влияющими на жизнеспособность интеграции – ​для недорогого процессора потребуется всего пара дополнительных квадратных миллиметров площади кристалла, а еще несколько позволят экономически эффективно интегрировать СОЗУ емкостью 64/128 КБайт.

Для энергонезависимой памяти часто доступны варианты OTP, MTP и флэш-памяти, дающие производительность в пару сотен МГц, чего обычно достаточно для большинства из этих типов приложений. При использовании Cortex M0 или M3, которые обычно хорошо подходят для 130-нм конструкций, можно начать с бесплатного (только за часть роялти) инструмента Arm Design Start Pro.

График перепроектирования ASIC из его текущей спецификации и подготовки к производству будет составлять от 14 до 24 месяцев в зависимости от сложности, первый прототип кремния может быть предоставлен заказчику менее чем через год. Для автомобильных продуктов срок может составить 24–36 месяцев – ​в зависимости от сложности. Типичные бюджеты для 130-нм ASIC зависят от сложности проектирования и содержания лицензирования СФ-блоков, но начинаются от 600 тыс. и доходят до 4 млн долл. за полностью аттестованный компонент (по стандарту AEC-Q100 для автомобильных приложений). Стоимость формирования комплекта шаблонов под 130-нм процесс при обработке 300-мм пластин в настоящее время составляет менее 200 тыс долл., что составляет относительно небольшую часть общей стоимости.

Многие цифро-аналоговые приборы производятся на дефицитных мощностях по обработке 200-мм пластин, и отсутствие инвестиций (вызванное низкой отдачей) в эти производственные линии означает, что проблемы с цепочкой поставок, вероятно, продолжатся.

Нынешний дефицит следует рассматривать как предупреждение, и фирмы, в настоящее время изготавливающие ИС на 200-мм пластинах, должны в приоритетном порядке пересмотреть свой будущий спрос. Если его удовлетворение требует значительных мощностей, то они должны рассмотреть возможность переноса изготовления своих ИС на 300-мм пластины и предоставить достаточно времени для завершения всего процесса – ​будь то на основных или вспомогательных (второй источник) производственных мощностях.

Lankshear Ian. Shift from 8″ Wafer Fabs to 12″ Could Ease IC Shortages. EE Times, May 18, 2021: https://www.eetimes.com/shift-from-8-wafer-fabs-to-12-could-ease-ic-shortages/