Mikroelektronik Disruptive Prozesstechnik

Die Stromaufnahme im aktiven und passiven Modus eines SOTB-Transistors im Vergleich zu konventionellen Technologien.

Renesas hat einige Jahre in die Entwicklung des SOTB-Prozesses investiert. Ende letzten Jahres wurden die ersten Mikrocontroller auf Basis dieses Prozesses vorgestellt: Sie nehmen im Vergleich zu herkömmlichen, CMOS-basierten MCUs nur ein Zehntel des Stroms im aktiven und passiven Modus auf.

Wenn man mit einer proprietären Prozesstechnik erreichen kann, dass die Leistungsaufnahme um 90 Prozent sinkt, dann lohnt sich der Entwicklungsaufwand, und genau das ist mit SOTB (Silicon On Thin Buried Oxide) möglich. Was ist SOTB? SOTB ist eine Abwandlung des FD-SOI-Prozesses (FD-SOI: Fully Depleted Silicon On Insulator), denn beim SOTB wird eine extrem dünne, isolierende Oxidschicht (BOX: Buried Oxide) auf das Siliziumsubstrat aufgebracht. Außerdem sind im Kanal des Transistors beim SOTB-Prozess absolut keine Dotieratome vorhanden – etwas, das bei FD-SOI auch ein Ziel war, aber bislang noch nicht erreicht wurde. Graeme Clark, Product Marketing Manager von Renesas, erklärt: »Wir sind überzeugt, dass wir mit unserem Prozess derzeit die dünnste vergrabene Oxidschicht in einem für die Serienfertigung verfügbaren Prozess realisieren können.« Außerdem ermögliche der SOTB-Prozess eine unglaublich gleichmäßige aktive Schicht, die sehr genau kontrolliert werden kann.

Dass der Kanal ohne Dotierstoffe auskommt, bringt einen entscheidenden Vorteil: Die Schwankungen der Schwellspannung verringern sich, sodass ein SOTB-Transistor mit deutlich niedrigeren Betriebsspannungen schalten kann. Bei bisherigen Prozessen ist es nicht möglich, die Anzahl der Dotieratome genau festzulegen, sodass aufgrund der Variabilität der Anzahl mit einer deutlich höheren Betriebsspannung gearbeitet werden muss, damit sichergestellt wird, dass auch der schlechteste Transistor noch schaltet. Und eine geringere Schaltspannung bedeutet eine geringere Leistungsaufnahme im aktiven Modus. Clark weiter: »Außerdem unterstützt unser SOTB-Prozess Back-Biasing der Transistoren, sodass gleichzeitig auch die Leckströme reduziert werden können.«

Ein weiterer entscheidender Vorteil gegenüber einem FD-SOI-Prozess besteht aus ­Clarks Sicht darin, dass mit dem SOTB-Prozess auch hybride Designs möglich sind, sprich: Renesas kann mit dem Prozess sowohl SOTB- als auch Bulk-Transistoren auf einem Baustein implementieren. »Damit ist es uns möglich, Embedded Flash und robuste Analogschaltungen zu implementieren, etwas, das mit einem FD-SOI-Prozess nicht so einfach ist.« Darüber hinaus sind SOTB-ICs deutlich weniger empfindlich gegenüber Soft-Errors als konventionelle CMOS-Schaltungen. »Aufgrund der Tatsache, dass immer mehr Kunden nach größeren integrierten SRAM-Speichern verlangen, ist speziell dieser Punkt von großem Vorteil.«

Inwieweit ist der SOTB-Prozess aufwändiger als ein konventioneller CMOS-Prozess und damit teurer? Clark: »Der SOTB-Prozess ist etwas teurer. Zum einen, weil wir SOI-Wafer von Soitec nutzen, die von vornherein kostspieliger als konventionelle CMOS-Wafer sind. Zum anderen, weil der eigentliche Fertigungsprozess auch etwas aufwändiger und damit teurer ist.« Aber dank der Tatsache, dass der SOTB-Prozess auf 65-nm-Geometrien basiert, fallen die Zusatzkosten im Vergleich zu 110 oder 130 nm überhaupt nicht mehr ins Gewicht. Die ersten Controller, die auf dem 65-nm-SOTB-Prozess basieren, fertigt Renesas in seiner Fab in Naka, Präfektur Ibaraki/Japan. Künftige Controller werden auch in einer Foundry außerhalb von Japan hergestellt.

Im nächsten Schritt will Renesas den SOTB-Prozess auf 55 nm portieren. Das erscheint aufgrund der Tatsache, dass Renesas als erster Controller-Hersteller auf 28-nm-Strukturen gesetzt hat, als ein sehr kleiner Shrink-Schritt; warum also nur 55 nm und nicht gleich 28 nm? Clark erklärt, dass der Prozess noch sehr neu ist und dass es weniger risikoreich ist, im nächsten Schritt auf 55 nm zu gehen anstatt auf 28 nm. Außerdem wären 28 nm bislang technisch auch noch nicht möglich, hier seien noch weitere Entwicklungen notwendig. Plant Renesas, seinen SOTB-Prozess auch in Lizenz beispielsweise an Foundries wie TSMC oder Globalfoundries zu vergeben? »Bislang fertigt die Foundry in China ausschließlich für uns, das heißt aber nicht, dass wir langfristig nicht doch eine Nutzung durch andere möglich machen. Aber dazu muss der Prozess in der Foundry erst einmal qualifiziert sein, und das wird nicht vor 2020 der Fall sein.