28nm及以上节点的许多代工客户正在开拓新的芯片，并正在探索迁移到16nm / 14nm及更高等节点的方法。但在大多数情形下，这些公司由于无法承受高等节点高昂的IC设计本钱而陷入困境。
为了知足市场上的潜在差距，GlobalFoundries、英特尔和台积电正在开拓以22nm为目标的新工艺。从表面上看，22nm可实现比28nm更快的芯片，并且开拓本钱比16nm/14nm更低廉。
韶光会见告我们22nm是否会成为28nm这样的受欢迎的节点，或仅仅是一个商机而已，但它确实为代工客户供应了一些新的选择。实际上，独立的代工厂商、客户可以选择三种不同的22nm技能——bulk CMOS，FD-SOI和finFETs。
例如，在FD-SOI领域，GlobalFoundries正在为客户准备先前发布的22nm FD-SOI技能。同时，台积电近日公布了全新的22nm平面bulk工艺。随后，英特尔推出了一款全新的低功耗版本的22nm finFET技能。
然而，22nm可能不适宜所有人。像以前一样，客户可以保持在28nm以上，或者跳过22nm，直接转移到16nm/14nm或更高等的节点。
总而言之，并不存在适宜所有运用的流程。每个代工客户对付给定的IC设计都有不同的哀求。他们的决定归结为几个指标，例如功率、性能、尺寸、进度，以及本钱（PPASC）。
Coventor首席技能官David Fried表示：“是否将产品推进到FD-SOI、finFET（或bulk CMOS）的判断取决于产品特性。有些场合的产品适宜FD-SOI，有些场合的产品适宜finFET（或bulk CMOS）。”
为了帮助代工客户在市场上找到得当的选择，Semiconductor Engineering已经瞄准了22nm的各种选择，包括FD-SOI，bulk CMOS和finFET。
为什么是22nm？
不久前，芯片客户只是追随节点进步，环绕每个节点技能开拓产品。但是本日，连续走这条道路的客户已经不多，特殊是在引领市场的工艺从传统的平面工艺转移到了16nm/14nm及更高等节点的finFET之后，能进入新工艺的客户更少了。
开拓最前辈节点芯片的公司须要有前沿工艺的性能上风。然而常日来讲，仿照、稠浊旗子暗记、RF以及干系技能并不须要高等节点。
28nm及以上的需求依然强劲。截止2016年底，联华电子晶圆厂的28nm和40nm的产能利用率都达到了90%以上，200mm靠近100%。联华电子首席实行官Po Wen Yen在最近的电话会议上表示：“40nm依然很强势。”
一样平常来说，由于正常的时令性问题，28nm的需求估量将在第一季度下滑，但会在今年晚些时候反弹。联华电子本身并没有就22nm揭橥任何公告。联华电子正在出货28nm，并开始增加14nm finFET。此外，GlobalFoundries、三星和台积电还供应28nm以及16nm/14nm。
许多代工客户希望转移到高等节点，但他们无法找到这样做的情由。IC设计本钱和风险太高。根据Gartner的说法，16nm/14nm芯片的均匀设计本钱约为8000万美元，而28nm平面器件的均匀设计本钱为3000万美元。据该公司称，设计一个7nm芯片要花费2.71亿美元。
市场研究公司国际企业计策（IBS）认为，要得到足够的投资回报，芯片必须创造比设计本钱赶过10倍的发卖额。
由于本钱以及其他缘故原由，很少的客户可以承担得起向高等节点转移。据IBS宣布，事实上，28nm及以上的晶圆厂约有300家，而10nm/7nm的晶圆厂则只有10家旁边。当然，像苹果和高通这样的业界领先的代工客户为代工厂创造了巨大的市场容量。
IBS首席实行官Handel Jones说：“如果您可以承受1亿美元或更多的设计用度，那么您可以转移到7nm。但是许多设计做不到这样。另一个关键成分是低功耗，16nm finFET可以为您供应低功耗，但设计困难。而且有本钱溢价。”
总之，28nm平面节点已经成为许多业内人员的最佳选择，由于它将性能、功率、尺寸、以及本钱（PPASC）平衡地结合在了一起。事实上，只管28nm已经推出了好几年，但它仍将持续一段韶光。据IBS估量，到2025年，28nm工艺带来的收入将从现在的100亿美元增长到140亿美元。
未来，许多客户将终极勾留在28nm及以上。资金更充足的人可能会移动到16nm/14nm及更高等节点。
那么，有一些客户想要得到性能提升，但无法承受16nm/14nm的价格，他们还有一个选择，那便是22nm。Jones说：“28nm节点勾留了很永劫光。22nm是28nm的缩小版。您可以看到在性能和面积方面的提升，但（在28nm和22nm之间）没有明显的晶圆本钱。”
因此，22nm是故意义的，虽然有人有不同的意见。Gartner剖析师Samuel Wang说：“我不相信22nm会受欢迎。现在在成熟的28nm节点上有更多的选择。其余，28nm的晶圆价格很低。”
22nm的第一个玩家，GlobalFoundries的FD-SOI
无论如何，为了防止市场溘然发力，客户必须关注22nm选项。进入22nm的第一个玩家是GlobalFoundries，近两年前，他宣告推出了22nm的FD-SOI技能。有一段韶光，三星推出了28nm的FD-SOI。
FD-SOI与传统的bulk CMOS不同。例如，在bulk CMOS逻辑中，硅芯片制造商开拓未加工的芯片。然后在衬底上成长薄的外延层，产生外延片。
比较之下，SOI涉及到由Soitec开拓的Smart Cut工艺过程。该工艺过程从两个硅片（A和B）开始。第一个芯片（A）在顶部氧化，产生二氧化硅绝缘层。
图1：Smart Cut工艺 （来源：Soitec）
然后，利用离子注入机将氢离子注入顶层。这反过来又在氧化物下面形成了一个弱化层。
经由处理的硅片（A）在未经处理的硅片（B）的顶部被翻转。两个芯片在弱化层被切成两半。对底部的硅片（B）进行退火和抛光，即可得到终极的SOI硅片。另一个硅片（A）被重新用于制造另一个SOI硅片。
基本上，SOI硅片在基板中结合有薄的绝缘层，作为抑制泄露的手段。绝缘层或掩埋氧化物层（BOX）的厚度约为20nm至25nm。Soitec实行副总裁兼首席技能官Carlos Mazure表示：“我们方向于根据客户的哀求调度厚度。”
与此同时，在晶体管级别，FD-SOI、bulk CMOS和finFET之间有一些相似之处。22nm FD-SOI和22nm bulk CMOS都是平面工艺。在基本平面CMOS工艺中，晶体管具有源极和漏极。电流从源极流向漏极。
图2：FD-SOI构造。（来源：GlobalFoundries）
相反，finFET是类3D构造。在finFET中，电流的掌握通过鳍上的三个侧面上各实现一个栅极来完成。
随着节点靠近20nm，平面技能存在着一些问题。随着芯片制造商在每个节点上对晶体管进行比例调节，沟道长度变短。结果，沟道可能会碰着所谓的短沟道效应。这又降落了器件中的亚阈值斜率或关断特性。
变异性是另一个问题。基本上，bulk CMOS晶体管可能与它在器件中的标称特性不同。这可能会在阈值电压方面产生随机差异。罪魁罪魁是一种称为随机掺杂剂颠簸（RDF）的征象。RDF由通道中的掺杂剂原子的变革引起。
IBM研究部高等技能职员Terry Hook表示：“在常规晶体管中，门下方的沟道区域耗尽了移动电荷，使掺杂剂原子离子化。这些原子的电荷与栅极功能一起决定了阈值电压。耗尽区的深度掌握着静电。耗尽区下面是中性硅，有很多移动载流子。”
办理问题的一种方法是迁移到完备耗尽型晶体管，即finFET和FD-SOI。Hook 表示：“RDF也会影响阈值失落配和整体泄露。在finFET和FD-SOI中，沟道掺杂剂最小化，可以有一次性匹配的上风。”
Hook 表示：“在RDF方面，FD-SOI和finFET比bulk更好。FD-SOI还具有比传统的平面bulk更好的短沟道效应，但不如finFET那样好。FD-SOI须要更薄的耗尽区才能达到相同的静电特性，由于它只是从一侧掌握，而不是像FinFET那样是两侧。”
FD-SOI的最大卖点是逆向偏压（back-bias）。Hook 表示：“它具有通过在背栅中偏置和掺杂的办法来掌握阈值电压的独特功能。”
同时，为了发挥FD-SOI的上风，GlobalFoundries正在准备22nm FD-SOI技能，称为22FDX。技能档案（PDK）已准备好，今年晚些时候开始出货晶圆。
22nm FD-SOI结合了finFET性能和28nm的本钱。它还支持射频等功能。 GlobalFoundries产品管理团队高等副总裁Alain Mutricy说：“我们选择了FD-SOI，由于它供应了性能、功率、尺寸的最佳组合。我们的工艺流程完备符合生产哀求，我们在高增长领域（如移动，物联网和汽车）方面看到了强劲的客户需求。”
finFET在市场上有空间，特殊适用于高端运用。但是对付低功耗器件，FD-SOI更有代价。GlobalFoundries的一位总监Rick Carter在最近的IEDM会议上的演讲中表示：“性能来自第二代FD-SOI晶体管，其在0.8V下产生910μA/μm（856μA/μm）的nFET（pFET）驱动电流。对付超低功耗运用，它的事情电压可以低至0.4V。”
根据GlobalFoundries的IEDM文件，GlobalFoundries的22FDX在pFET沟道中集成了high-k/metal-gate以及SiGe，以提高驱动电流。如果须要，SiGe沟道可以用硅替代以减少泄露。
22FDX利用了双重曝光步骤。文章中提到：“采取双重曝光技能来缩放M1/ M2间距，相对付28nm poly/SiON节点，logic/SRAM裸片缩放比例为0.72x/0.83x。”
虽然FD-SOI具有吸引力，但该技能存在一些问题。多年来，FD-SOI的利用相对有限，缘故原由有几方面。一方面，SOI晶圆本钱更高。根据IBS的统计，SOI晶圆的发卖价格从370美元到400美元不等，比较之下，bulk CMOS晶圆的价格为100美元到120美元。
其次，虽然有用于FD-SOI的EDA工具，但客户必须投入大量设计资源来理解FD-SOI和逆向偏压技能的细微差别。
以是，是什么阻碍了FD-SOI？IBS的Jones说：“最大的障碍是人们认为FD-SOI本钱高。但是本钱不是问题。”
大问题是生态系统和市场拉动。一样平常来说，该行业追随英特尔和台积电，二者都是bulk CMOS，而不是FD-SOI。
但现在，潮流正在转向。Jones 说：“如果你看看一年前，再看看本日，现在已经有了很大的进步。现在，我们有FD-SOI的测试芯片。你有来自恩智浦和其他公司的出货。而且你有承诺的能力。”
例如，位于德国德累斯顿的GlobalFoundries的FD-SOI工厂每月可生产65,000个晶圆。此外，FD-SOI有路线图，GlobalFoundries正在开拓12nm FD-SOI。这一过程可能使供应商滞留在16nm/14nm节点，并且不能迁移到10nm、7nm或5nm。
Bulk CMOS和finFETs在22nm的表现
与之前一样，台积电和英特尔仍旧不支持FD-SOI。台积电联合首席实行官Mark Liu在接管采访时表示：“FD-SOI没有需求。（bulk CMOS工艺）设计根本已经很完善了。”
多年来，台积电和其他厂商开拓了传统的bulk CMOS工艺。台积电最近推出了低功耗22nm bulk CMOS工艺，以扩大bulk CMOS并抵御22nm FD-SOI的竞争威胁。与28nm比较，台积电所谓的22ULP技能性能提升了15％，功率降落了35%，并将芯片尺寸缩小了10％。
随着这一进程，台积电正在扩大其领先的产品组合，供应28nm，22nm，16nm，12nm，10nm和7nm。Liu表示：“它们并没有相互竞争，我们根据客户的哀求设计每一项技能。”
然而，22nm的bulk CMOS技能可能会碰着一些问题，如短信道效应或RDF。 Gartner的Wang说：“22nm时没有足够的空间办理栅介质厚度和CD变革。22nm bulk CMOS的真正上风是值得疑惑的。”
同时，面对着20nm平面技能寻衅，台积电、GlobalFoundries、三星，以及联华电子迁移到了16nm/14nm的finFET。比较之下，英特尔在2011年迁移到了22nm的finFET。
图3：传统平面晶体管 （来源：英特尔）
图4：英特尔的22nm三栅晶体管 （来源：英特尔）
最近，英特尔推出了一款名为22FFL的新低功耗22nm finFET技能。22FFL专为物联网和移动运用而设计。英特尔处理器架构与集成高等研究员兼总监Mark Bohr表示：“（22FFL）完备支持射频设计，并与其他厂家的28nm和22nm平面技能具有本钱竞争力。”
据Bohr称，对付22nm而言，finFET具有超越平面工艺的上风。“FinFET器件是完备耗尽型晶体管，它具有更陡峭的阈值斜率。因此，它可以具备比任何平面晶体管更小的泄露。”
22FFL结合了22nm和14nm的特色。例如，英特尔先前的22nm finFET设计具有60nm的鳍片间距和圆形的鳍片。 比较之下，其14nm finFET具有42nm的间距和高而窄的鳍片。
22FFL具有45nm的鳍片间距和高而窄的鳍片。这种鳍片形状可以比圆形鳍片拥有更好的驱动电流。此外，英特尔利用单次曝光技能，因而具有更宽松的金属间距。
英特尔的22FFL由两项技能组成，即高性能和低泄露。它供应了广泛的器件功能和选项。英特尔将在年底前为代工客户供应22FFL技能。
图5：22FFL的尺寸 （来源：英特尔）
22nm finFET拥有更好的性能，但有一些问题。Coventor的Fried说：“FinFET是一种相对较高的前端电容技能。FD-SOI可能是一个明显较低的前端电容办理方案。前端电容是否是最大问题决定了您是否关心FD-SOI。”
当然客户也可以保持在28nm以上。诸如22nm，12nm等新节点为客户供应更多的选择。最大的问题是新技能是否会得到牵引。
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