Verdict結論
FinFET與FD-SOI最大的差異在於「立體結構還是平面結構」。FinFET是由閘極從三面包覆矽鰭片的3D結構,支撐了16/14nm~5nm的先進邏輯。FD-SOI是使用5~7nm薄矽層與埋入式氧化層(BOX層)的平面結構,BOX層可阻斷漏電流,並能透過基底偏壓動態切換功耗與效能,因此在28nm、22nm、12nm世代的IoT、車用與穿戴式裝置應用上具有優勢。
主要差異
| 比較面向 | FinFET | FD-SOI |
|---|---|---|
| 電晶體結構 | 閘極從三面包覆Si鰭片的立體(3D)結構 | 薄Si層(5~7nm)+埋入式氧化層(BOX層)的平面結構 |
| 適用節點範圍 | 16/14nm~5nm(FinFET的極限),之後轉向GAA | 28nm・22nm(FD-SOI 22FDX)・12nm(12FDX) |
| 功耗 | 隨微縮管理漏電流,但結構複雜化使靜態功耗也有增加趨勢 | BOX層可有效阻斷漏電流,可進行超低功耗運作(0.5V以下) |
| 基底偏壓(BB) | 與FD-SOI相比效果有限,受鰭片結構所限難以運用 | 可透過基底偏壓動態切換功耗與效能(運作速度最大可變動1.5倍) |
| 製造成本 | 必須使用多重圖案化,光罩數量多,製造成本高 | 結構為簡單的平面型,製程步驟比FinFET少,成本較低 |
| EUV曝光的必要性 | 7nm以下必須使用 | 22nm世代以前可用DUV應對(具成本優勢) |
| RF・類比特性 | RF效能在某些方面不如FD-SOI | BOX層使RF特性優異,最適合蜂巢式IoT與BLE應用 |
| 主要採用的晶圓代工廠 | 台積電・三星・格羅方德・英特爾 | 意法半導體(22FDX)・三星(14FDSOI)・格羅方德(22FDX) |
| 代表用途 | 智慧型手機SoC・CPU・GPU・AI加速器 | IoT微控制器・車用SoC・智慧手錶・5G RF IC |
FD-SOI在IoT與車用領域受青睞的原因
車用與工業IoT要求在-40℃~175℃的寬溫度範圍內具備運作可靠度、超低功耗與抗輻射能力。FD-SOI的BOX層可降低宇宙射線等輻射造成的誤動作(軟錯誤),並能透過基底偏壓依溫度變化動態調整電壓與效能。意法半導體的28nm FD-SOI已被採用為STM32系列等車用微控制器的主力製程。
FinFET與FD-SOI該如何選擇
對於需要最高效能與最先進微縮的智慧型手機SoC、AI GPU與HPC,FinFET是必要的選擇。另一方面,在電池驅動的IoT裝置、Bluetooth SoC與低成本車用微控制器中,FD-SOI的成本與功耗優勢便能發揮。兩者與其說是競爭,不如說是互補關係,依用途、成本與良率需求適才適所地選擇相當重要。
常見問題
FD-SOI是比FinFET更舊的技術嗎?
並非世代較舊,而是針對不同用途最佳化、平行演進的技術。IBM於1990年代開始基礎研究,意法半導體自2012年左右開始量產28nm FD-SOI。進入2020年代後,仍持續針對車用與IoT應用演進。
可以用FD-SOI製作AI晶片嗎?
對於功耗受限的邊緣AI(穿戴式裝置、智慧感測器等)是有效的。不過高效能AI訓練晶片需要FinFET/GAA(7nm以下),不在FD-SOI的適用範圍內。
FinFET何時會被GAA取代?
台積電從N2(2nm)開始採用GAA,三星則從3nm(SF3E)就已開始採用。既有的FinFET(5nm/7nm)製程在2030年代仍將持續用於許多產品,預料不會出現快速的全面取代。