FinFET的推出比预期慢

随着一些新的大型厂商进入16纳米/14纳米领域，晶圆代工业务正在升温finFET市场。但由于一些技术和成本问题，代工客户迁移到finfet所需的时间比预期要长。

在铸造方面，英特尔一段时间以来一直是finfet领域的唯一参与者。但是现在,三星和台积电正在进入竞争激烈的16nm/14nm finFET代工业务。和GlobalFoundries将在今年晚些时候加入竞争。

据Gartner称，总体而言，这些晶圆代工厂最初计划在2014年第三季度开始批量生产16nm/14nm finfet。Gartner分析师Samuel Wang表示:“与我们今天知道的时间表相比，似乎所有供应商都经历了16纳米/14纳米finfet的两到四个季度的延迟。”

事实证明，finfet比以前预期的更难掌握。一段时间以来，晶圆代工厂一直在努力解决新的多模式流程和finfet的成品率问题。而来自代工厂的各种不同的后端互连方案在市场上造成了一些混乱。

一个恰当的例子是:英特尔去年年底开始生产14nm finFET，比预期晚了6个月左右。英特尔将延迟归咎于产量问题。因此，英特尔的大型代工客户，阿尔特拉该公司已经推迟了其14nm制程的生产日期FPGA从2014年到2015年底。

最近，英特尔和其他晶圆代工厂已经解决了部分(如果不是全部的话)finfet的制造问题。但延迟已经推迟了finFET领域其他代工客户的生产计划。还有一些公司，如苹果和海思，希望在2015年增加基于finfet的芯片，但这些都是例外。王说:“16nm/14nm应该是2016年的一个高产节点。”

不过，造成延迟的不仅仅是代工厂。芯片制造商不得不改变他们的设计方法，以考虑16纳米/14纳米的双重图案。在20nm时，不同掩模层的大部分颜色对设计团队都是隐藏的。在16纳米/14纳米的情况下，这种情况就不再适用了，这迫使他们在流程中做出改变，直到这些新节点成为一个精密的时钟装置。

“在过去，你可以离开刚果民主共和国，直到你完成了基础层的工作，”该公司负责地点和路线营销的集团总监苏达卡尔•吉拉(Sudhakar Jilla)表示导师图形．“这通常需要两周时间。但你不能留两周时间来完成DRC和着色。这是不可能的。”

流程变化增加了更多的延迟。需要处理的弯道数量增加了，这影响了计时关闭的进度。只是有更多的东西需要考虑——四个角现在更像是20个角，每个单元可能有5个引脚，而不是一个单元。Jilla说。最重要的是，设计团队现在必须应对动态功率密度，这在以前的节点上不是问题。到目前为止，最大的问题是漏电流。即使对于经验丰富的设计团队来说，这些都不是简单掌握的主题。

这里还有其他因素在起作用。一些客户坚持与他们的晶圆厂合作伙伴合作生产finfet，而另一些客户则改变了阵营。有些人正在涉足16nm/14nm finfet，但他们正在等待10nm finfet。在尘埃落定之前，可能需要一个记分卡来跟踪变化。

财力雄厚的代工客户可以负担得起向finfet的迁移，但它将花费更多的钱-高达设计和开发28nm平面器件成本的三倍。许多其他晶圆代工客户负担不起这些成本，将被迫停留在28纳米及以上的节点上——至少目前是这样。这并不全是坏消息，因为有一个相当大的IC市场不需要finfet。

此外，随着三星和台积电加入finFET的组合，代工客户有了一些新的和有竞争力的选择。但大多数(如果不是全部的话)代工客户仍在同一条船上，并在问同样的问题:finfet的挑战是什么?

为什么finFETs ?
在20nm平面节点上，栅极的控制成为芯片设计中的问题。芯片，反过来，正在进入所谓的短沟道效应．

因此，在20nm，芯片制造商必须从传统的平面工艺过渡到16nm/14nm及以上的finFET晶体管。“finFET提供了更低的功率，”Kelvin Low说，代工厂营销的高级主管三星．“电流流动的通道是3D的。我们必须把它做成3D，这样流过该区域的电流就会增加。”

但是从平面到finfet的转变说起来容易做起来难。“改变的是产品设计和技术开发的复杂性，”联想总裁兼联席首席执行官刘明康(Mark Liu)表示台积电他在最近的一次活动中说道。“IC设计和系统软件的复杂性要求我们比以前更早地准备设计平台。通常情况下，比以前早一年。因此，新产品设计需要更多的资源，这就意味着更高的设计成本。”

总而言之，在向finfet过渡的过程中，有三个基本挑战:设计、制造和成本。在设计方面，对于代工客户来说，最大的变化是从单一的28纳米及以上的图案流程转变为a双模式方案在20nm和14nm。

“设计师们对平面技术架构已经非常熟悉了好几代，”三星的Low说。“对于设计师来说，这是一个学习的过程(使用双重图案)。在双重图案中，我们有两个面具。你有颜色A和颜色b，设计师现在需要了解如何处理两种颜色，这是他们过去从未经历过的。”

IC设计师还会遇到其他问题。“尽管finfet得到了最广泛的宣传，但双重图案使设计流程变得更加复杂，”英特尔设计方法学总监理查德·特里希(Richard Trihy)说GlobalFoundries．“这会影响整个设计流程，例如寄生提取和变化。它会影响位置和路线的实现工具。当然，它会影响刚果民主共和国，这是一个更复杂的步骤。”

作为回应，代工厂和EDA社区正在提供新的EDA工具和流程，以帮助实现向finfet的迁移。特里希说，这些工具使迁移对设计师来说尽可能透明。

芯片制造商在制造方面也面临挑战。困难的部分是在蚀刻过程中使鳍片具有一致的高度。不精确的鳍图案可能会导致变化。此外，finfet具有各种各样的三维结构，难以测量。寻找致命缺陷也是有问题的。

但也许最大的问题是成本。根据Gartner的数据，28nm器件的平均IC设计成本约为3,000万美元。相比之下，中档14nm SoC的IC设计成本约为8000万美元。高德纳公司的Wang说:“如果把嵌入式软件开发和掩模成本包括在内，还需要额外增加60%的成本。”高端SoC的成本可能是这个数字的两倍，而带有重复IP的低端SoC的成本可能只有这个数字的一半。”

最重要的是，推出28纳米芯片设计需要100个工程师年的时间。因此，一个由50名工程师组成的团队将需要两年的时间来完成芯片的设计。然后，在开始生产之前，再增加9到12个月的原型制造、测试和认证时间。前提是第一块硅能起作用。”“对于14纳米的中档SoC，需要200人年的时间。一个由50名工程师组成的团队需要4年的芯片设计时间，再加上9到12个月的生产时间。”

如果这还不够，还有制造成本的大幅上升。在典型的11金属级工艺中，28nm有52个掩模步骤。根据Gartner的数据，28nm的晶圆厂利用率为80%，每300mm晶圆的负载制造成本约为3,500美元。

每层光刻1.3天，28nm芯片的周期约为68天。王说:“至少增加一周的测试时间。”“因此，从晶圆开始到芯片交付总共需要两个半月。”

在16nm/14nm处，有66个掩模步骤。根据Gartner的数据，16nm/14nm的晶圆厂利用率为80%，每300mm晶圆的装载成本约为4,800美元。“从晶圆开始到芯片交付需要三个月的时间，”他补充说。

谁在一垒?
在14nm，晶圆成本也在上升，因为双重模式。英特尔就从两个方面解决了这个问题。首先，它过度放大了晶体管密度。其次，它将互连间距缩放了0.65倍，从22nm节点的80nm到14nm节点的52nm。

相比之下，其他代工厂将16nm/14nm finFET晶体管与20nm平面后端结合在一起。“如果你看看其他人在做什么，他们选择不扩大面积，这只会降低他们的成本，”英特尔高级研究员兼高级光刻主管Yan Borodovsky说。

在22nm时，英特尔的finFET技术的鳍间距为60nm，鳍高度为34nm。在14nm时，翅片间距和高度均为42nm。英特尔还采用了更薄更高的矩形散热片。“这改善了散热片的静电性能，”英特尔高级研究员兼制程架构和集成主管马克·波尔(Mark Bohr)说。

英特尔曾一度在finfet领域领先两到三年。但该公司在14纳米工艺上的延迟，给了其代工竞争对手缩小差距的时间。

不过，去年台积电披露，2015年将出现finfet市场份额损失。台积电在2015年决定专注于20nm, 2016年决定专注于finfet。相比之下，三星在2015年基本上跳过了20nm，专注于finfet，从而在市场上占据了上风。

事实上，三星电子在2月份推出了基于该工艺的芯片，进入了finFET市场。这款名为Exynos 7420的芯片是64位8核SoC。根据TechInsights的说法，它基于11金属级工艺，并包括高k/金属栅技术。据该公司称，栅极长度约为30nm，接触栅极间距为77nm。

作为芯片推出的一部分，三星还进入了16nm/14nm finFET代工市场。勒夫表示:“我们已经宣布，14nm已进入量产阶段。“我们现在看到了变化。很明显，finfet的客户现在有了一个真正的选择。”

三星也在提高代工客户的产能。事实上，根据Pacific Crest Securities的数据，对于下一代iPhone，苹果选择了三星(Samsung)而不是台积电(TSMC)，用于生产大部分基于14纳米finfet的芯片。

根据Pacific Crest Securities的数据，目前三星每月约有1.1万片14nm晶圆开工，约占其300mm晶圆厂总产能的10%。据该公司称，随着时间的推移，三星预计将转换部分28nm产能，使其14nm产能总计达到46,000 wspm。

另一家代工厂供应商GlobalFoundries不久前获得了三星14nm finFET工艺的许可。根据Pacific Crest Securities的数据，globalfoundries在纽约的晶圆厂能够将14nm finFET的产能提高约30,000 wspm。今年晚些时候，GlobalFoundries将进入finFET的生产。

台积电也不甘落后，将在今年年中开始其16nm finFET工艺的量产。据台积电300mm晶圆厂运营副总裁王京华表示，到2016年底，公司计划将16nm finFET技术的装机容量达到100,000 wspm。

台积电的定位是希望重新获得finfet市场份额。事实上，现在宣布finFET代工业务的赢家还为时过早。在很多方面，这场竞赛才刚刚开始。

- Ed Sperling对此有贡献。