Markt&Technik-Forum Nicht der Bessere, sondern der Stärkere gewinnt

Mit kleiner werdenden Strukturen werden Kurzkanaleffekte wie DIBL (Drain Induced Barried Lowering), Punch-Trough (Felddurchgriff, damit verliert das Gate die Kontrolle) und Leckströme durch das Substrat und Gateoxid zu einem immer größeren Problem. Abhilfe bieten zwei Ansätze: FinFETs und FD-SOI.

Globalfoundries entwickelt derzeit seine 22FDX-Plattform, eine FD-SOI-Technologie (Fully-Depleted Silicon-on-Insulator) auf Basis von 22 nm, in Dresden. Ende des Jahres soll die Risk-Production starten. Gleichzeitig bietet die Foundry in seiner Fab in New York eine 14-nm-FinFET-Technologie an. Aus Sicht von Dr. Wolfgang Buchholtz, Manager Project Coordinator von Globalfoundries, ist das genau der richtige Ansatz, denn sowohl FinFETs als auch FD-SOI haben ihre eigenen Vor- und Nachteile und somit auch ihre eigenen Applikationsbereiche. Dem stimmt Olaf Höhne, Regional Business Manager von Intel, zu, obwohl Intel ausschließlich auf FinFETs setzt.

Die FD-SOI-Technik zeichnet sich durch diverse Pluspunkte aus. Dazu gehört, dass sich bei FD-SOI die grundlegende Geometrie des Transistors nicht verändert. Im Vergleich zu Bulk-Transistoren fällt bei gleichem Prozessknoten der Kanal eines FD-SOI-Transistors kürzer aus, wodurch höhere Schaltgeschwindigkeiten möglich sind. Darüber hinaus wird durch das BOX (Buried Oxide) der Leckstrom ins Substrat unterbunden, die Variationen sind geringer (weil der Kanal nicht dotiert wird), eine einfache Portierung bestehender Designs ist möglich, die Chips zeichnen sich durch eine hohe Strahlungsfestigkeit aus, es ist eine niedrigere Spannung notwendig, und die Leistungsaufnahme ist geringer.

Hinzu kommt, dass Body-Biasing (Spannung wird an das Substrat angelegt) relativ einfach realisierbar ist und damit auch Double-Gate-Transistoren möglich werden. Dr. Wolfgang Buchholtz von Globalfoundries konkretisiert: »Bei FD-SOI habe ich die Möglichkeit, die Gates, sprich das Front- und Back-Gate, unabhängig anzusteuern. Somit kann ich die Schaltungsblöcke langsam und schnell betreiben und damit die Performance hoch- und runterfahren.« Das bringe enorm viel Flexibilität, was besonders bei IoT-Anwendungen wichtig ist, weil mit dieser Technologie die Systeme mit sehr viel weniger Energie betrieben werden können. Wird viel Rechenleistung gebraucht, muss einfach umgeschaltet werden. Darüber hinaus fällt das Problem mit Dark Silicon bei FD-SOI deutlich geringer aus. Im Vergleich zu FinFETs hat FD-SOI aber einen entscheidenden Nachteil: Läuft ein Prozessor in 14-nm-FinFET-Technik bei voller Taktgeschwindigkeit, dann ist das kein Problem. Bei FD-SOI ist dem nicht so, denn die hohen Temperaturen, die dabei entstehen würden, sind problematisch, weil der Oxid-Film eine schlechtere thermische Anbindung hat. »Der Oxid-Film ist bei 22 nm zwar schon deutlich dünner als bei 28 nm, wodurch das Problem nicht mehr so stark auftritt, aber es ist dennoch vorhanden«, erläutert Buchholtz.

Auf einen anderen Nachteil verweist Dr. An-dreas Wild, ehemaliger Executive Director von ENIAC: »Bei FinFETs hat der Halbleiterhersteller alles in der Hand, bei FD-SOI muss er spezielle Wafer zukaufen. Deshalb wird befürchtet, dass mit FD-SOI Probleme in der Versorgungskette entstehen könnten. Es steht immer die Frage im Raum, ob auch die Menge an Substraten verfügbar ist, die ein Hersteller braucht.« Doch hier winkt Buchholtz ab. Dieses Problem bestehe nicht mehr, da es mittlerweile mehrere Wafer-Hersteller gebe, so dass die Versorgung sichergestellt sei. Ein weiteres FD-SOI-Problem spricht Jürgen Weyer an, Vice President Automotive Sales EMEA bei NXP Semiconductors: »Es gibt natürlich noch einen Kostenpunkt, der gegen FD-SOI spricht.« Doch auch hier widerspricht Buchholtz. Der Wafer sei zwar teurer, dafür würden aber einige Prozessschritte eingespart – FD-SOI-Befürworter sprechen von 15 Prozent weniger Prozessschritten. Buchholtz weiter: »Bei 22 FDx kommen wir ungefähr bei den gleichen Kosten raus wie für 28-nm-Bulk, sprich: bessere Eigenschaften bei gleichen Kosten. Und es ist günstiger als FinFET.«